资源简介

带电粒子在匀强磁场中的运动 教学目标 1.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,能推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式，能解释有关的现象,解决有关实际问题。 2.经历实验验证带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动以及其运动半径与磁感应强度 的大小和入射速度的大小有关的过程,体会物理理论必须经过实验检验。 3.知道洛伦兹力作用下带电粒子做匀速圆周运动的周期与速度无关,能够联想其可能的应用， 能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。 教学重点： 1.从理论和实验两方面探究带电粒子进入匀强磁场的运动。 2.从实验和理论两方面探究垂直进入匀强磁场的带电粒子做匀速圆周运动的半径、周期问题 教学难点： 带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的分析。
教学过程
【引入新课】 质疑：多级直线加速器利用电场给带电粒子加速，但这种加速器的不足是装置很长，如何来解决这个问题呢？ 【新课教学】 一、探究：带电粒子进入匀强磁场的运动 1、带电粒子平行射入匀强磁场 引导学生分析带电粒子平行射入匀强磁场受力情况，判断运动情况 结论：带电粒子平行射入匀强磁场做匀速直线运动 2、带电粒子垂直射入匀强磁场 [猜想与假设]引导学生分析带电粒子垂直射入匀强磁场受力情况 初步猜想带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动 [理论探究] 当v ⊥ B，F洛=qvB， F合= F洛 １、F洛⊥v，洛伦兹力只改变速度的方向； 不改变速度的大小，粒子做匀速率运动 ２、F洛⊥ v，即F洛、 v不共线，粒子做曲线运动 结论：带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动， F洛提供向心力。 [实验探究]洛伦兹力演示仪演示实验 电子枪作用：射出电子 加速电场作用：改变电子束出射的速度 工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹 探究1、只加加速电压 结论：带电粒子作直线运动 励磁线圈作用：在两线圈之间产生平行于两线圈中心连线的匀强磁场 探究2、再加垂直速度方向的匀强磁场 结论：带电粒子作圆周运动 结论：带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动 3、带电粒子斜射入匀强磁场 分析：当带电粒子的速度分别为垂直于B的分量和平行于B的分量，因为和B垂直，受到洛伦兹力qB，此力使粒子q在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，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——等距螺旋运动。 结论：带电粒子斜射入匀强磁场做等距螺旋运动 （二）垂直进入匀强磁场的带电粒子运动分析 1、受力分析： 2、运动轨迹： 匀速圆周运动 3、轨迹半径： [实验探究]洛伦兹力演示仪演示实验 探究3、保持磁感应强度不变,改变出射电子的速度,观察电子束径迹的变化。 结论：电子速度越大，圆周运动半径越大，电子速度越小，圆周运动半径越小。 探究4、保持出射电子的速度不变,改变磁感应强度,观察电子束径迹的变化。 结论：磁感应强度越大，圆周运动半径越小，磁感应强度越小，圆周运动半径越大。 [理论探究] 设带电粒子质量为m，电荷量为q，运动速度为v。磁感应强度大小为B。 半径 结论：半径r与速度v、磁感应强度B、粒子的比荷有关。 周期 结论：同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关。 答疑： 多级直线加速器装置很长，如何来解决这个问题呢？ 用电场进行加速，用磁场控制轨道,能使带电粒子“转圈圈”!于是,人们依据这个思路设计出了、的回旋加速器( eyclotron) 应用： 通过气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹，有的粒子运动过程中能量降低，速度减小，径迹就呈螺旋形。 质谱仪 【课本例题解析】 一个质量为1.67×10-27kg电荷量为1.6×10-l9C的带电粒子，以5×105m/s的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为0.2T的匀强磁场。 求∶（1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比； （2）粒子在磁场中运动的轨道半径 （3）粒子做匀速圆周运动的周期。 分析 依据所给数据分别计算出带电粒子所受的重力和洛伦兹力，就可求出所受重力与洛伦兹力之比。带电粒子在匀强磁场中受洛伦兹力并做匀速圆周运动，由此可以求出粒子运动的轨道半径及周期。 解： （1）粒子所受的重力 G= mg = 1.67×10-27×9.8 N= 1.64×10-26N 所受的洛伦兹力 F= qvB= 1.6×10-19×5×105×0.2 N= 1.6×10-14N 重力与洛伦兹力之比 可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。 （2）带电粒子所受的洛伦兹力为 洛伦兹力提供向心力，故 由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径 （3）粒子做匀速圆周运动的周期 【课堂练习】 1、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？ （参考答案：同时回到时出发点） 2、一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场．粒子的一段径迹如下图所示．径迹上的每一小段都可近似看成圆弧．由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小(带电量不变)．从图中情况可以确定 A．粒子从a到b，带正电 B．粒子从a到b，带负电 C．粒子从b到a，带正电 D．粒子从b到a，带负电 （参考答案：C） 【拓展提升】 3、如图所示，虚线框内存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。a、b、c是三个质量和电荷量都相等的带电粒子，它们从PQ边上的中点沿垂直于磁场的方向射入磁场，图中画出了它们在磁场中的运动轨迹。若不计粒子所受重力，则（　　） A．粒子a带负电，粒子b、c带正电 B．粒子c在磁场中运动的时间最长 C．粒子c在磁场中的加速度最大 D．粒子c在磁场中的动量最大 （参考答案：B） 4、地磁场能有效抵御宇宙射线的侵入。赤道剖面外的地磁场可简化为包围地球的一定厚度的匀强磁场，方向垂直该剖面，如图所示。图中给出了速度在图示平面内、分别从O点沿与地面平行和与地面垂直两个不同方向入射的微观带电粒子（不计重力）在地磁场中的三条运动轨迹a、b、c，且它们都恰不能到达地面，则下列相关说法中正确的是（　　） A．沿a轨迹运动的粒子带正电 B．若沿a、c两轨迹运动的是相同的粒子，则沿轨迹a运动的粒子的速率更大 C．某种粒子运动轨迹为a，若它速率不变，只改变射入地磁场的方向，则只要其速度在图示平面内，无论沿什么方向入射，都会到达地面 D．某种粒子运动轨迹为b，若它以相同的速率在图示平面内沿其他方向入射，则有可能到达地面 （参考答案：D）
【小结】 从科学思维和科学探究的角度总结和学生一起总结本节课的学习内容 【作业布置】完成学习任务单作业 【板书设计】

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