帶電粒子在磁場中的運動質(zhì)譜儀

1、§15.5帶電粒子在磁場中的運動質(zhì)譜儀【教材分析】本節(jié)教材既聯(lián)系了高一的勻速圓周運動內(nèi)容，又承接前面帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力的內(nèi)容，并且在高三復(fù)習(xí)課上復(fù)合場中帶電粒子的受力分析問題求解，也需要本節(jié)知識的鋪墊【學(xué)生分析】總體上分析：學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻速圓周運動內(nèi)容，能夠計算關(guān)于圓周運動向心力、半徑、周期等問題，在本章前面部分，業(yè)已學(xué)習(xí)過運動電荷在磁場中受到的洛倫茲力的大小計算、方向判定?！窘虒W(xué)目標(biāo)】1、知識與技能：理解運動電荷垂直磁感線飛入磁場中的軌跡是圓周，運動狀態(tài)是勻速圓周運動會分析運動電荷在磁場中的受力情況，并掌握其運動半徑和周期的公式推導(dǎo)及應(yīng)用了解質(zhì)譜儀原理，并能舉一反三理解

2、速度選擇器，磁流體發(fā)電機(jī)等新科技應(yīng)用的原理運動電荷穿越有界磁場后的速度偏轉(zhuǎn)角、位移偏轉(zhuǎn)量的分析與計算2、過程與方法：能從洛倫茲力提供向心力開始推導(dǎo)出帶電粒子做圓周運動的半徑及周期能夠根據(jù)運動電荷在穿越有界磁場后的速度偏轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)過的圓心角的關(guān)系求解位移偏轉(zhuǎn)量及運動時間3、情感態(tài)度價值觀：理解物理的基本原理，其應(yīng)用的最終目的是科學(xué)與生活實踐新科技的發(fā)展有賴于物理學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用【重點難點】運動電荷半徑及周期的計算公式推導(dǎo)以及應(yīng)用穿過磁場的運動電荷偏轉(zhuǎn)位移及偏轉(zhuǎn)角的分析混合場作用下的平衡條件分析、運動狀態(tài)分析質(zhì)譜儀原理分析第一課時：新課引入回顧洛倫茲力的特點：方向總是與速度方向垂直引導(dǎo)學(xué)生回憶具有這樣

3、特點的力作用在運動物體上時，只改變速度方向不改變速度大小設(shè)問一：這樣的力作用在物體身上，能否改變物體運動的動量？動能呢？引導(dǎo)學(xué)生講出前面所學(xué)知識中的類似知識點：勻速圓周運動中的向心力新課引導(dǎo)語：這一節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)在具有這樣特點的洛倫茲力作用下，究竟運動電荷的運動狀態(tài)會發(fā)生怎樣的變化，其是否有規(guī)律可尋。新課教學(xué)步驟一：實驗演示：洛倫茲力演示儀實驗簡析：陰極射線管CRT發(fā)出的電子射線帶負(fù)電，在不受外力作用情況下直線向前（演示步驟一） 當(dāng)我們打開電磁鐵上的開關(guān)，給運動空間加上某一方向的磁場時（不告訴學(xué)生確切的方向），讓學(xué)生觀察現(xiàn)象并總結(jié)：射線沿圓周曲線運動步驟二：幾種特殊情況舉例讓學(xué)生分析：在勻強(qiáng)

4、磁場作用下帶電粒子沿磁場方向飛入 帶電粒子沿磁場反方向飛入 帶電粒子沿垂直磁場方向飛入引導(dǎo)學(xué)生分析出在情況下帶電粒子所受洛倫茲力為零先讓學(xué)生分析帶電粒子可能受的力，然后引導(dǎo)學(xué)生計算并推導(dǎo)出對于電子這樣的單個電荷而言，它在垂直磁場方向運動時受的洛倫茲力遠(yuǎn)大于所受重力，因此重力可以忽略不計；再讓學(xué)生分析帶電粒子恰好垂直磁場方向飛入磁場時，所受洛倫茲力最大，且其方向時刻與速度方向垂直，在這樣的力作用下，推導(dǎo)出電荷會做勻速圓周運動，向心力由洛倫茲力提供步驟三：由步驟二推導(dǎo)出的洛倫茲力提供向心力的結(jié)論寫出讓學(xué)生自主推導(dǎo)出運動電荷在洛倫茲力作用下作勻速圓周運動時的運動半徑讓學(xué)生把書本翻回到118頁，快速閱

5、讀并復(fù)習(xí)什么是電子的比荷，其表達(dá)式如何，再讓學(xué)生思考，如果不是電子，而是一個帶電量為的電荷，其比荷表達(dá)式又如何讓學(xué)生來說明運動半徑在其余量保持不變的情況下與電荷的比荷之間的關(guān)系讓學(xué)生觀察運動半徑的表達(dá)式中右式的分子，引導(dǎo)學(xué)生將動量表達(dá)式轉(zhuǎn)換成動能表達(dá)方式，引導(dǎo)學(xué)生寫出運動半徑另一種表達(dá)方式設(shè)問二：電子與質(zhì)子以相同的垂直磁場的方向飛入勻強(qiáng)磁場，有什么異同點？引導(dǎo)學(xué)生回憶勻速圓周運動中運動周期與運動速度的關(guān)系式，將代入可得從周期公式中觀察并與半徑公式比較，由教師主導(dǎo)總結(jié)：與無關(guān)讓學(xué)生由類似的方式分析與運動電荷的比荷之間的比例關(guān)系，再由教師主導(dǎo)學(xué)生分析，荷質(zhì)比相同的不同電荷飛入同一勻強(qiáng)磁場，其運動周

6、期相同讓學(xué)生回到同樣分析，如果以相同速度飛入磁場的兩個荷質(zhì)比相同的不同電荷其運動半徑也相同設(shè)問三：如果是同位素如氕（）、氘（）、氚（）以相同的速度垂直勻強(qiáng)磁場的方向飛入呢？步驟四：引導(dǎo)學(xué)生分析出氕（）、氘（）、氚（）的運動半徑不一樣如果有一種儀器能夠利用這一原理把幾種同位素從同一入口飛入，從不同入口飛出的話，就檢測出某一束粒子中是否含有同位素了，如果有，若能準(zhǔn)確測量出每一種同位素的運動半徑，就能夠準(zhǔn)確測定同位素的原子量了，利用這一原理制造出的一種儀器叫做質(zhì)譜儀，它的原理圖見書181頁圖15-27引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并推導(dǎo)出偏轉(zhuǎn)距離與加速電壓以及偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度的關(guān)系式再讓學(xué)生嘗試用半徑的第二種公式推導(dǎo)

7、出同樣的結(jié)果，讓學(xué)生自己體會兩種方法的繁簡，同時教育學(xué)生在解題的時候，選擇適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式，可以簡化計算步驟步驟五：隨堂習(xí)題書本182頁第5、6小題，學(xué)生自主完成，教師當(dāng)堂分析第二課時：步驟六：回到步驟四，重溫質(zhì)譜儀原理利用電場加速（無初速釋放）利用磁場偏轉(zhuǎn)：結(jié)論：質(zhì)譜儀先用電場加速，再進(jìn)入磁場偏轉(zhuǎn)設(shè)問四：若是和以同樣的速度進(jìn)入同一磁場其偏轉(zhuǎn)半徑和偏轉(zhuǎn)周期是何關(guān)系呢？在學(xué)生回答之后，再次引導(dǎo)學(xué)生思考，以同樣的動量進(jìn)入呢？第三步問：以同樣的動能進(jìn)入呢？步驟七：讓學(xué)生觀察在步驟四中偏轉(zhuǎn)磁場是否無限大？如果讓一個運動電荷以垂直磁場的方向進(jìn)入一個有界磁場會是怎么樣的情況呢？質(zhì)量為電荷量為的粒子，以垂直有界

8、磁場邊界且垂直磁場方向的初速飛入寬為磁場強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場，請討論可能的運動情況。首先引導(dǎo)學(xué)生說出運動電荷垂直飛入磁場時將作勻速圓周運動再讓學(xué)生作圓在作圖的過程中引導(dǎo)學(xué)生思考，帶不同極性的電荷偏轉(zhuǎn)方向相反為作圖方便，設(shè)該電荷帶負(fù)電，再讓學(xué)生繼續(xù)作圖讓學(xué)生在作圖的時候，用圓規(guī)畫大小不等的圓，再讓學(xué)生自己總結(jié)在學(xué)生總結(jié)不完全的情況下，由教師引導(dǎo)說明三種情況：半徑較小的情況下，運動電荷會運動半圈繼續(xù)從左邊界水平飛出逐漸增大半徑，發(fā)現(xiàn)運動電荷的運動軌跡恰好是與右邊界相切的半圓半徑繼續(xù)增大，在磁場界限內(nèi)，運動軌跡將只成為一段扇形圓弧先讓學(xué)生自主分析最特殊的情況，相切時圓周半徑恰好等于磁場寬度，再利用半徑公

9、式求出此時的速度再讓學(xué)生思考兩個問題設(shè)問五：圓周運動半徑與運動初速有何關(guān)系？為什么要求出相切時的速度？在學(xué)生自主回答的前提下，進(jìn)一步推進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生理解相切時求得的速度實乃臨界速度由于運動初速與運動偏轉(zhuǎn)半徑在其它條件不變的前提下成正比所以當(dāng)實際速度大于臨界速度時，會發(fā)生第三種情況，實際速度小于臨界速度時，會出現(xiàn)第一種情況讓學(xué)生任意作兩個半徑小于磁場寬度的的圓，讓學(xué)生自己推導(dǎo)粒子作這兩種運動情況下，其從進(jìn)入磁場到飛出磁場的過程所花的運動時間再引導(dǎo)學(xué)生思考在第一種情況下，不管半徑如何，運動時間總是不變?yōu)槭裁磿霈F(xiàn)這種情況？由教師主導(dǎo)學(xué)生回顧知識，再次溫習(xí)步驟三的結(jié)論重點引導(dǎo)學(xué)生分析第三種情況：讓學(xué)生在作扇形圓弧的時候，令圓心點在左邊界上設(shè)問六：為什么這樣做圖？（提示學(xué)生：思考圓周運動的向心力在何處，指向何方，由誰提供）讓學(xué)生連接飛出磁場時圓弧與右邊界的交點和圓心的連線讓學(xué)生找出圓心角所在設(shè)問七：若已知圓心角與磁場寬度能否直接求解圓周半徑？在學(xué)生求出半徑的表達(dá)式之后，再引導(dǎo)學(xué)生思考，圓心角如何求？提示學(xué)生分別作出圓弧與左右邊界交點的瞬時速度方向，并將兩個矢量移至同一點，比較這個角與圓心角的關(guān)系要求學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識證明圓心角與速度偏轉(zhuǎn)角相等再由第一課時步驟二求得的半徑公式再次與上式相等可有得到速度偏轉(zhuǎn)