带电粒子在磁场中的运动教材解读.ppt
高二物理组 田苗苗,1.在教材中的地位和作用,地位：本节课是高中物理的重点内容,也是历年高考常考的部分，在高科技及探索未知世界方面也有着极其广泛的应用。从知识上来看本节课的理论基础是力学部分曲线运动知识，尤其是匀速圆周运动和向心力相关内容以及前一节洛仑兹力概念和特点等内容。因此本节课既是力学部分和磁学部分旧知识的回忆复习，又是将这两部分有机整合进行全新理论的构建过程。,作用：通过本节课的学习既可巩固前面的知识，培养学生综合运用力学知识和磁学知识的能力，又体现了学以致用的精神，激发学生献身科技的热情。,2、课标要求分析,认识电磁现象的研究在社会发展中的作用 本章中涉及很多粒子运动控制仪，比如，速度选择器它可以选择一定速度的粒子；利用磁流体发电机，可以满足一些需要大功率电力的场合。目前，中国，美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究；电磁流量计可以用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。质谱仪可以分离和检测不同同位素回旋加速器可以获得高能粒子，是高能物理中的重要仪器。电视显像管是电视接收机、监视器重现图像的关键器件 霍尔元件是一种磁传感器等等,各种仪器在社会各个领域满足不同的实践要求,大大提高了社会生产力。本节内容中涉及到质谱仪和回旋加速器，学生通过本节的学习要用所学知识分析它们的基本结构和原理。老师也可以鼓励学生查阅有关网络资料，让他们深刻体会科学的神奇，科技对我们生活的改变之大，从而激发学生献身科学研究的热情。,所以说这也是一个情感目标：我们学习知识的目的是要学以致用，要让学生体会科学的魅力，才能更加热爱科学，热爱物理这门课。,3、考纲要求,1、带电粒子在匀强磁场中的运动（）这是高考的重点，可以分解为以下几点小要求：（1）要求学生会分析粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场时的受力情况、运动情况；（2）能用学过的知识推导匀速圆周运动的半径公式、周期公式。（3）能在具体情境中找圆心，画出圆周运动的轨迹，能求解有关半径和周期的问题,2、质谱仪和回旋加速器（）这是粒子在磁场中做圆周运动的一个应用，要求学生了解也就是能说出基本原理即可，不要求能应用这两种仪器。涉及匀强电场和匀强磁场，但较为简单，需要学生经历题目的分析过程，从受力情况分析运动情况，然后能说出质谱仪和回旋加速器的原理。这两种仪器分析中涉及两种场，对两种仪器的基本原理是了解，可是其中的分析过程却属于级要求，这就是告诉我们老师粒子在复合场中的运动也是考试重点。,4、高考命题趋势,对洛伦兹力的考察中，大多试题是以带电粒子在复合场中的运动为主，纵观近几年高考题可以看出各种题型都出现过，在物理单科或理科综合考试中本单元的内容几乎年年涉及，并且占有较大的分值，且大多是综合性试题。这里将近几年的高考题列举几道，大家可以体会一下：,（2012新课标）18.（6分）如图，平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度，两极板与一直流电源相连。若一带电粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器，则在此过程中，该粒子A.所受重力与电场力平衡B.电势能逐渐增加C.动能逐渐增加D.做匀变速直线运动,（12年课标卷）25.（18分）如图，一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面（纸面）。在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域，在圆上的b点离开该区域，离开时速度方向与直线垂直。圆心O到直线的距离为。现将磁场换为平等于纸面且垂直于直线的匀强电场，同一粒子以同样速度沿直线在a点射入柱形区域，也在b点离开该区域。若磁感应强度大小为B，不计重力，求电场强度的大小。,（13年新课标）18.（6分）如图，半径为R的一圆柱形匀强磁场区域的横截面（纸面），磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，一电荷量为q（q0）。质量为m的粒子沿平行于直径ab的方向射入磁场区域，射入点与ab的距离为，已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60，则粒子的速率为（不计重力）A B C D,（2014年新课标）16（6分）如图，MN为铝质薄平板，铝板上方和下方分别有垂直于图平面的匀强磁场(未画出)。一带电粒子从紧贴铝板上表面的P点垂直于铝板向上射出，从Q点穿越铝板后到达PQ的中点O。已知粒子穿越铝板时，其动能损失一半，速度方向和电荷量不变，不计重力。铝板上方和下方的磁感应强度大小之比A.2 BC.1 D,2014年25题考的是带电粒子在电场中的运动。从前往后看，粒子在磁场中的运动，肯定要考，但是对粒子在复合场中的运动考察难度有所降低，要不然是只是粒子在磁场中的运动，要不就是电场完了再换磁场，要不就是电场磁场对接组合，电场磁场重力场混合的情况已经不多见，即便有考的也比较简单，没有太大的思维难度，比如12年18题。但不变的，这些题目对数学运算，几何分析能力的要求至高不下。要突破这个难点，在习题训练过程中，老师就要有意识地引导学生总结找圆心的方法，总结一些边界和角的规律，还要引导学生形成一个解题的步骤：先找圆心画轨迹，定半径，求时间。这样即便学生遇到较难的题目，也能有点思路得点分。还有，25题考到这种题型的几率较大，且是压轴题，一般较难，这里也要给学生介绍一个拿分的技巧：根据洛伦兹力提供向心力推导周期半径公式，只要把这个写到卷子上就可以得点分。这也算是一个偷分技巧。,5.学生情况分析,世界上没有完全相同的两片树叶，设计教学离不开对学生情况的精确把握。重点班的学生物理基础相对较好，完全可以先“问题导学”再老师点拨的方式完成本节内容。而普通班学生物理基础相对薄弱，数学功底也有欠缺，逻辑思维能力也不强。他们在物理课堂上思维活跃，特别对物理规律和生活实际的联系比较感兴趣，可以老师先加以引导讲解一部分，学生再自主完成一部分。,6.教学目标分析,知识与技能,)通过实验知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向进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粒子入射速度的大小有关。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匀强磁场中做匀速圆周运动，并能用学过的知识推导匀速圆周运动的半径和周期公式。3)能够用学过的知识分析，计算有关带电粒子在匀强磁场中受力运动的问题，了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。,过程与方法,通过推理、判断带电粒子在匀强磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理、理论与实践相结合的能力。能从洛伦兹力提供向心力开始，推导出带电粒子匀速圆周运动的半径公式和周期公式，培养学生综合应用知识的能力。,情感、态度和 价值观,让学生体会物理研究的最终目的是应用于实践。新科技的发展有赖于物理学的发展与应用。,7.重点及难点,重点：理论分析带电粒子沿着与磁场方向垂直的方向进入匀强磁场必将做匀速圆周运动，并推导圆周运动的半径和周期公式难点：质谱仪和回旋加速器的原理,重难点突破,重点突破：从感性认识到理性认识。先演示实验：探究半径与磁感应强度的关系，半径与速度的关系。得出实验结论：速度越大、磁感应强度越小半径越大。然后理论分析推导做匀速圆周运动的半径和周期公式，明确R和T与v、B的关系,难点突破：质谱仪：从课本例题入手，分析半径 和带电粒子荷质比的关系；然后设置问题“若将氕、氘、氚经过该装置轨迹会重合吗？各自的落点可能在图上的什么位置？”接着说出这个装置叫质谱仪，刚分析的就是质谱仪区分同位素的原理。最后可以将课后习题2当做课堂训练进一步巩固理解,回旋加速器：连续设问：为什么要获得高能粒子？怎样获得高能粒子？多级加速的困难？怎么解决？回旋加速器是如何实现回旋加速的？粒子的速度越来越大，它的运动周期如何变化？缝隙交变电流的周期和粒子在磁场中运动周期又怎样的关系？问题一个一个的解决，最后原理就清楚了,8.教法和学法分析,说教法说学法,说教法,用情景激发兴趣。做好演示实验，创造新奇的电学现象，使学生产生惊奇的感觉，激发他们学习自然科学的兴趣。,说教法,用问题激发学习的热情。教学中依据试验现象和概念的特点，生成一些有梯度，能提升思维强度的问题，使学生切实做到独立思考，同伴交流，师生互动，使学生产生学习的热情。,说教法,用过程构建方法。先实验探究，再理论分析与推导的顺序。带着实验得到的感性材料，再用学过的知识进行理论分析，从理论的高度推导出实验现象的必然性，这样先实验观察再理论论证比较符合一般的认知过程，也降低了学习的难度。让学生在这一学习过程中对理论与实践相结合的研究方法有所体会，并且在学习过程中尝到成功的喜悦。,说学法,本节课我主要采用了“问题导学法”和“讨论学习”法。重视学生的学习的主动性，特别是在质疑点评环节时，用思考培养技能，教学的每个细节，都让学生处于矛盾和问题之中，避免学生进入被动学习状态，通过小组合作讨论，使学生学会合作学习，乐于探究。,9.教学过程设计,引入新课,带电粒子在匀强磁场中的运动,质谱仪,回旋加速器,引入新课,好的导入可以激发学生的求知欲望，更好的完成本节课的教学。我通过复习第5节、及匀速圆周运动的知识，并提出问题来激发学生的求知欲,带电粒子在磁场中的运动,先介绍试验器材，用问题引导学生思考，学生先利用所学的知识做出预测。,带电粒子在磁场中的运动,按如下的问题进行探究：1)不加磁场时，电子束的经迹如何？2)给励磁线圈通电，电子束在匀强磁场中的经迹又如何？3)保持电子束入射的速度不变，改变磁场的强弱，电子束的经迹如何变化？4)保持磁场的强弱不变，改变电子束的入射速度，电子束的经迹如何变化？,带电粒子在磁场中的运动,再用洛伦兹力演示仪实验逐一验证学生的预测或猜想。,带电粒子在磁场中的运动,然后用洛伦兹力的知识和匀速圆周运动的知识对观察到的现象加以说明，并进一步推导半径和周期公式。在这个过程中，学生可以体会到成功的喜悦，有利于达成课堂教学中的情感目标，同时有利于培养学生理论联系实际的科学思维方法。,通过格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹,图中被圈住的部分，轨迹呈螺旋状，它的半径是如何变化的？可能的原因？,带电粒子在磁场中的运动,运用实物投影展示气泡室、云室中带电粒子在匀强磁场中运动经迹的照片，提出问题。通过对问题的分析与思考，让学生用刚刚学过的知识解决实际问题，一方面强化有意记忆，另一方面培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。,例题 一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。（1）求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。,1.根据此题的结果，若将氕、氘、氚经过该装置轨迹会重合吗？各自的落点可能在图上的什么位置？2.说出质谱仪的结构、原理和作用和设计者。,2质谱仪,课本通过一个例题的形式介绍了质谱仪。应用静电力做功，动能定理和洛伦兹力的知识，学生不难得到带电粒子在匀强磁场中运动的半径的表达式，之后提出问题，引导并介绍质谱仪的用途和作用。介绍测定粒子的比荷在物理学发展中的重要作用，还可以用质谱仪测定分析同位素，还可以测定带电粒子的质量等。更加重要的是培养学生用所学知识解释生活现象的意识,3回旋加速器,从“为什么要获得高能粒子？怎样才能获得高能粒子”这一问题引出粒子加速器的问题。,3回旋加速器,首先介绍直线加速器，介绍直线加速器在技术上和实际中遇到的困难。,怎样才能得到能量很高的粒子呢?,（1）静电力做功：Ek=qu,困难：技术上不能产 生过高电压,（2）多级加速器,困难：加速设备长,3回旋加速器,可利用磁场改变带电粒子的运动轨迹，让粒子转圈圈似得多级加速，这就要求老师先做足够的铺垫和引导，充分调动学生思维的积极性，再让学生进行联想和设计，这就引入了回旋加速器。,回旋加速器,跟学生一起画这个图，让他们体会粒子每走过半个圆，就要被加速一次；那么每经过半个圆，电场的方向就要改变一次；每经过一个圆，电场的方向改变两次，就变回了原电场,假如粒子每两次经过盒缝的时间间隔（指粒子经过半圆轨道的时间，盒缝宽度远小于盒半径，粒子通过盒缝的时间可忽略）相同，控制两盒间电势差的正负是比较容易的，但是由于粒子的速度越来越大，也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而一个技术难题。实际情况是这样吗？粒子每经过一次加速，它的轨道半径就会大一些为什么？,思考：,2回旋加速器,这里通过第一个问题学生可以了解粒子回旋的周期不随半径改变。忽略粒子在电场中的加速时间，那么让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致，从而保证粒子始终被加速第二个问题又告诉学生粒子的旋转半径与速度成正比。这样学生就能掌握回旋加速器的原理了,3回旋加速器,然后再强调回旋加速器的主要装置和原理，最后指出回旋加速器的局限性。通过对加速器发展过程的了解，使学生认识到科学发展的艰辛与快乐。,1931年，加利福尼亚大学的劳 伦斯提出了一个卓越的思想，通 过磁场的作用迫使带电粒子沿着 磁极之间做螺旋线运动,把长长 的电极像卷尺那样卷起来，发明 了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋 回速器投入运行，它能将质子 加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔 物理奖。,然后是课堂小结。之后到课堂训练，做我们的问题与练习即可，因为这节的问题与练习把我们这节所要讲的知识点都涉及到了。,不过这只是第一课时完成了，要达到考纲目标的要求，后续还需要第二课时的习题训练课，重点是训练学生如何找圆心画轨迹，总结边界规律以及一些角的规律等。,谢谢指导,再见,
