《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计

《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计一、教材分析本节是位于高中物理教材人教版选修3-1第三章第6节《带电粒子在匀强磁场中的运动》。

在该内容之前学生已经学习了匀速圆周运动、向心力、洛伦兹力和左手定则等知识。

本节将在上节课的基础上研究带电粒子在匀强磁场中的运动情况，以演示实验为主，探究带电粒子的运动受哪些因素的影响，然后举出两个在实践上的应用的例子——质谱仪、回旋加速器，加深学生对该内容的理解。

该内容将力学和电磁学联系在一起，具有极强的综合性，是学生学习的重点和难点，综合考察了学生建构物理模型、分析推理能力和运用数学工具处理物理问题的能力，是高中物理学习的核心内容。

二、学情分析1、在学习上：在此之前学生已经学习了匀速圆周运动、洛伦兹力等知识，特别是对匀速圆周运动有了深刻的认识，但是由于刚刚学习洛伦兹力，对洛伦兹力的理解较浅，需要加强训练以巩固知识。

2、在心理上：高二学生具有较成熟的抽象思维能力，能够运用归纳、推理等方法解决一些问题，而且好奇心强，乐于思考，已具备一定的基础知识和技能。

但认知还比较浅，而且对待问题缺乏耐心和信心，对教师有一定的依赖，需要鼓舞和激励。

三、教学目标（一）知识与技能1、了解显示带电粒子在匀强磁场中运动路径的方法；2、知道洛伦兹力不做功，它只改变带电粒子的速度方向，不改变速度大小；3、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的规律及方法；4、知道质谱仪和回旋加速器的构造、原理和用途。

（二）过程与方法1、经历用洛伦兹力演示仪演示实验的过程，学会显示带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的方法；2、通过观察视频和动画，结合匀速圆周运动和几何关系，学会找到粒子的轨道半径和计算周期；3、通过学习质谱仪和回旋加速器，了解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动在生产生活中的应用。

（三）情感态度价值观1、通过用洛伦兹力演示仪观察电子在匀强磁场中的运动实验，培养观察和思考能力；2、通过对带电粒子垂直射入匀强磁场做圆周运动的轨道半径和周期公式的推导，培养严密的科学态度；3、通过学习质谱仪和回旋加速器的构造和原理，大胆提出设想，培养创新思维和实践能力。

四、教学重难点（一）教学重点1、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期公式的推导和延伸应用；2、应用带电粒子在匀强磁场中运动规律分析质谱仪、回旋加速器以及其他有关问题。

（二）教学难点1、带电粒子垂直射入匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期公式的推导和延伸应用；2、带电粒子在匀强磁场中运动问题的综合分析。

五、教学方法演示法、讲授法、讨论法、分析推理法、练习法六、教学媒体和用具多媒体（PPT ）、洛伦兹力演示仪七、教学过程教学过程教师活动学生活动设计意图新课导入（2~3min）提问：①什么是洛伦兹力？产生的条件是什么？②洛伦兹力的大小和方向如何确定？③洛伦兹力有什么特点？带电粒子在磁场中是否一定受到洛伦兹力的作用？集中注意力，认真思考教师提出的问题，并运用已有知识经验回答问题。

设置多个问题，创设物理情境，激发学习动机。

新课教学介绍洛伦兹力演示仪：请同学们观看我的PPT 或者教材P 99的洛伦兹力演示仪。

（教师介绍洛伦兹力演示仪的构造、原理和用途）认真听课，思考该仪器的用途以及与本节课内容之间的联系。

先介绍实验仪器的构造、原理和用途，以备使用。

新课教学实物图结构图提问：（以下情况均不考虑电子束的重力）（1）不加磁场时，电子束的径迹如何？（2）外加垂直于纸面的磁场时，电子束的径迹如何？（3）外加垂直于纸面的磁场，保持加速电压不变，改变磁感应强度，电子束的径迹如何？（4）外加垂直于纸面的磁场，保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度，电子束的径迹又如何？演示实验：（按序号顺序依次进行实验）（1）不加磁场时，观察电子束的径迹；（2）外加垂直于纸面的磁场时，观察电子束的径迹；（3）外加垂直于纸面的磁场，保持加速电压不变，改变磁感应强度，观察电子束的径迹；（4）外加垂直于纸面的磁场，保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度，观察电子束的径迹。

观察到现象：（1）不加磁场时，电子束的径迹是直线；（2）外加匀强磁场时，电子束的径迹是圆周；（3）外加磁场越弱，运动的半径越大；（4）电子束的出射速度越大，运动的半径越大。

师生总结：带电粒子在垂直于匀强磁场方向的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。

洛伦兹力不改变带电粒子的速度大小，不对带电粒子做功，不改变粒子的能量。

思考：（5~7min）（1）带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与粒子的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？积极参与课堂讨论，提出猜想。

认真观看教师演示，对比自己的猜想，是否正确。

认真分析实验现象。

同教师一起总结。

积极思考，参与课堂讨论。

尝试推导半径这4个问题是本节课要解决的主要问题，让学生大胆地去猜想，培养学习迁移的能力。

通过实验验证猜想，既可以激发学习热情，也可以使得结论更具有说服力。

和教师一起总结观察到的实验现象，培养实验探究的科学思维方法。

综合考察学生的学习迁移能新课教学（2）带电粒子在匀强磁场中运动的周期公式如何推导？如图所示：设圆的半径为R ，则有洛伦兹力提供向心力：R v mqvB 2=解得qBmvR =.qBm v R T ππ22==.结论：（1）粒子的速度越大，半径越大；磁场的磁感应强度越小，半径越大。

（2）周期跟运动速率无关，跟磁感应强度有关，磁感应强度越小，周期越大。

PPT 演示：通过气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹。

介绍质谱仪：（讲解它的构造、原理和用途）（1）原理：将质量不等、电荷量相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子质量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。

（2）用途：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具。

（3）轨道半径公式推导：（先让学生自行推导一遍）公式和周期公式。

在教师的引导下完成推导。

理解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式。

认真阅读P 100的中间部分内容，思考显示带电粒子在匀强磁场中运动径迹的方法。

力和思考能力。

经历了缜密的推导过程，培养逻辑思维能力。

加深对带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式的理解。

培养构建物理模型的科学思维。

在讲解例题之前，先介绍质谱仪，加深学生对问题的理解。

新课教学在电场中加速的过程，有221mvqU=①在磁场中偏转的过程，有RvmqvB2=②解得qmUBR21=.介绍回旋加速器：（讲解它的构造、原理和用途）（1）电场的作用：电场加速（2）磁场的作用：磁场回旋（3）交变电场的周期与带电粒子在匀强磁场中运动的周期相同，这样就保证了粒子在每次经过交变电场时都能被加速。

（4）推导带电粒子的最大动能：（先让学生自行推导一遍）洛伦兹力提供向心力，有RvmqvB2=①动能：221mvE k=②解得mRBqE k2222=.阅读并思考P100的例题内容，尝试独立完成推导过程。

阅读P101的“回旋加速器”部分的内容。

在教师的指引下，独自完成最终动能公式的推导过程。

让学生先做一遍，可以很好的培养学生独立解决问题的能力。

在阅读中获取知识，在阅读中感受学习的快乐。

该公式的推导过程教材中没有相应提示，需要教师的引导和指正。

课堂小结一、带电粒子在匀强磁场中的运动1.带电粒子平行射入匀强磁场时，粒子做匀速直线运动；2.带电粒子垂直射入匀强磁场时，粒子做匀速圆周运动：①半径：qBmvR=②周期：qBmTπ2=[注]洛伦兹力对运动电荷不做功，提供圆周运动所需的向心力，不改变粒子的速度大小.做好笔记，便于复习学会做笔记和总结归纳，养成良好的学习习惯，培养学习的能力。

课堂小结二、应用1.质谱仪(1)原理(2)加速：221mvqU=mqUv2=⇒(3)偏转：RvmqvB2=⇒qBmvR=(4)轨道半径：qmUBR21=(5)用途：测定带电粒子的质量和分析同位素.2.回旋加速器(1)原理(2)最大动能：mRBqE k2222=(3)用途：用来加速带电粒子.做好笔记，便于复习学会做笔记和总结归纳，养成良好的学习习惯，培养学习的能力。

课堂练习如图所示，一束电子（电量为e）以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为30=θ.求：(1)电子的质量m；(2)电子在磁场中运动的时间t.认真思考并在课堂上完成。

此题综合考察了本节内容的重点和难点，既能有效检测学生对该节知识的掌握情况，又能巩固所学知识，一石两鸟。

课后作业1.完成该节课的课后习题。

2.如图所示，一带正电粒子质量为m ，带电量为q ，从隔板ab 上一个小孔P 处与隔板成 45角垂直于磁感应线射入磁感应强度为B 的匀强磁场区，粒子初速度大小为v ，则（不计粒子的重力）(1)粒子经过多长时间再次达到隔板？(2)到达点与P 点相距多远？课后认真思考，独立完成，并按时分组上交。

该题综合性较强，对于初学者来说有一定难度。

完成此题能够有效地提升做题能力和解决问题的能力。

除此之外，还能巩固所学知识，题目非常有价值。

八、板书设计主板书设计§3.6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1.当B v //时，粒子做匀速直线运动；2.当B v ⊥时，粒子做匀速圆周运动：(1)半径：qBmvR =(2)周期：qBm T π2=[注]洛伦兹力不做功，提供圆周运动所需的向心力，不改变粒子的速度大小.二、应用1.质谱仪(1)原理(2)加速：221mv qU =mqU v 2=⇒(3)偏转：Rv m qvB 2=⇒qB mv R =(4)轨道半径：qmU BR 21=(5)用途：测定带电粒子的质量和分析同位素.2.回旋加速器(1)原理(2)最大动能：mR B q E k 2222=(3)用途：用来加速带电粒子.副板书设计1.粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动：洛伦兹力提供向心力，有RT m R v m qvB 222⎪⎭⎫⎝⎛==π解得qB mv R =，qBm T π2=.2.质谱仪的轨道半径推导：在电势差为U 的加速电场中由动能定理，得221mv qU =mqU v 2=⇒①洛伦兹力提供向心力，有Rv m qvB 2=⇒qB mv R =②联立①②式，得qmUBR 21=.3.回旋加速器的最大动能推导：洛伦兹力提供向心力，有Rv mqvB 2=①动能：221mv E k =②联立①②式，得mR B q E k 2222=.。