2020高中物理 第三章 第6节 带电粒子在匀强磁场中的运动（第1课时）教案 新人教版选修3-1 7页

第三章 磁场 ‎ 第6节　　带电粒子在匀强磁场中的运动(一)‎ ‎【课前准备】‎ ‎【课型】新授课 【课时】2课时 ‎【教学三维目标】‎ ‎（一）知识与技能 ‎1.通过实验知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会做圆周运动，圆周运动的半径与磁感应强度的大小和入射的速度的大小有关.‎ ‎2.通过理论分析知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会在磁场中做匀速圆周运动，并能用学过的知识推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式.‎ ‎（二）过程与方法 通过综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场(电场、磁场)中的问题，培养学生的分析推理能力.‎ ‎（三）情感态度与价值观 培养学生物理的学习兴趣能力.‎ ‎【教学重点难点】‎ 重点.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题.‎ 难点.带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹.‎ ‎【教学方法】理论、探究、讨论、分析 ‎【教学过程】‎ ‎【复习引入】‎ ‎【问题】什么是洛伦兹力？‎ ‎【问题】磁场对运动电荷的作用力 ‎【问题】带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？‎ ‎【问题】不一定，洛伦兹力的计算公式为F＝qvBsinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ＝90°时，F＝qvB；当θ＝0°时，F＝0.‎ ‎【问题】带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？‎ ‎6 带电粒子在匀强磁场中的运动 ‎【说明】洛伦兹力演示仪 电子束有电子枪产生，玻璃泡内充有稀薄气体，当电子束通过玻璃泡时，可以显示电子的径迹.调节电子枪的加速电压可以改变电子的速度大小，励磁线圈在两线圈间产生匀强磁场，其方向与两线圈中心连线的方向平行.调节励磁线圈的电流，可以改变磁感应强度.‎ ‎【问题】不加磁场时，电子束的径迹？‎ ‎【现象】不加磁场时，电子枪射出的电子不受外力作用，做匀速直线运动.‎ ‎【问题】给励磁线圈通电，在玻璃泡中产生沿两线圈中心方向、由内指向外的磁场时，电子束的径迹会怎样？‎ ‎【现象】洛伦兹力的方向与磁场方向垂直，在一个平面内，洛伦兹力方向与速度方向垂直，不改变速度的大小只改变速度的方向，所以做匀速圆周运动.‎ ‎【问题】保持电子枪的加速电压不变，即电子进入磁场的速度不变，改变励磁线圈的电流大小，即磁感应强度的大小，电子束的径迹？‎ ‎【现象】磁感应强度越大，半径越小.‎ ‎【问题】保持励磁线圈的电流大小，即磁感应强度的大小不变，改变电子枪的加速电压即电子进入磁场的速度，电子束的径迹？‎ ‎【现象】速度越大，半径越大.‎ ‎【归纳】在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场(这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的)，电子的径迹变弯曲成圆形.‎ 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 ‎【结论】当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.‎ ‎【演示】带电粒子垂直进入匀强磁场中.‎ ‎【解说】带电粒子在匀强磁场中垂直于磁场方向运动的，带电粒子的受力情况用左手定则，带电粒子初速度与所受到的洛伦兹力在同一平面内，并且速度的方向和洛伦兹力方向垂直，所以只可能做平面运动，洛伦兹力不对运动的带电粒子做功，它的速率不变，同时洛伦兹力的大小也不变；‎ ‎【问题】电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？‎ ‎【回答】根据左手定则，电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.‎ ‎【问题】洛伦兹力对电子的运动有什么作用？‎ ‎【回答】根据牛顿第二定律，洛伦兹力起向心力作用，洛伦兹力使运动的带电粒子产生加速度(向心加速度)，只改变速度的方向，不改变速度的大小.‎ ‎【问题】有没有其他力作用使电子离开磁场方向垂直的平面？‎ ‎【回答】没有力作用使电子离开磁场方向垂直的平面.‎ ‎【问题】洛伦兹力做功吗？‎ ‎【回答】洛伦兹力方向和速度的方向垂直，洛伦兹力对运动电荷不做功.‎ ‎【总结】运动轨迹.沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.‎ ‎【注意】 带电粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供.‎ ‎【思考与讨论】带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r和周期T与粒子所带电荷量、质量、粒子的速度、磁感应强度有什么关系？‎ ‎【问题】一带电量为q，质量为m，速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？‎ ‎【问题】什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？‎ ‎【问题】洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力]‎ ‎【问题】向心力的计算公式是什么？‎ ‎【问题】‎ ‎【推导】粒子做匀速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以，由此得出，，可得.‎ ‎【结论】轨道半径和周期 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式.‎ ‎①轨道半径 ‎②周期 ‎【说明】‎ ‎(1)轨道半径和粒子的运动速率成正比.‎ ‎(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关.‎ ‎【讨论】 在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不与磁感应强度方向垂直，它的运动轨迹是什么样的曲线？‎ ‎【分析】当带电粒子的速度分别为垂直于B的分量v1和平行于B的分量v2，因为v1和B垂直，受到洛伦兹力qv1‎ B，此力使粒子q在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，v2和B平行，不受洛伦兹力，故粒子在沿B方向上做匀速直线运动，可见粒子的合运动是一等距螺旋运动.‎ ‎【例题】如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上.‎ ‎(1)粒子进入磁场时的速率.‎ ‎(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径.‎ 解.(1)粒子在S1区做初速度为零的匀加速直线运动．进入磁场S3时的速度等于它在电场中被加速而得到的速度，由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即 由此可得 ‎(2)粒子做匀速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供，即 所以粒子的轨道半径为 ‎【讲解】r和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，，而且这些量中，U、B、r可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量比荷或算出质量.‎ ‎【展示】质谱仪 ‎ ‎ ‎【说明】①质谱仪由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成.‎ ‎②电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可算出它的质量.‎ ‎③质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素.‎ ‎④质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计.‎ ‎⑤质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.‎ ‎【解说】电子（或正、负粒子）经电压U加速后，经速度选择器后从G孔进入匀强磁场，打在照相板上点H，直径GH=d.‎ 经电场加速后，离子动能 ‎ ‎ 离子的轨道直径为 得粒子的荷质比 ‎【课堂小结】‎ 通过本节课的学习，我们知道了带电粒子在匀强磁场中的运动.沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式.‎ ‎①轨道半径 ‎②周期 ‎【布置作业】‎ 课本P102，问题与练习1,2,3‎ ‎【板书设计】‎ ‎6 带电粒子在匀强磁场中的运动 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.‎ 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式.‎ ‎①轨道半径 ‎②周期 质谱仪 ‎