1120高二带电粒子在匀强磁场中的运动(第一课时)-教学设计.docxVIP

课程基本信息

课例编号

2020QJ11WLRJ044

学科

物理

年级

高二

学期

第一学期

课题

带电粒子在磁场中的运动（一）

教科书

书名：普通高中教科书《物理》选择性必修第二册

出版社：人教社出版日期：2019年6月

教学人员

姓名

单位

授课教师

张晓羽

北京市第四中学

指导教师

汤玉林黎红

北京市第四中学北京西城教育研修学院

教学目标

教学目标：通过实验和理论分析，知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会做匀速圆周运动，圆周运动的半径与磁感应强度的大小和入射的速度大小有关。

教学重点：通过理论分析，推导出匀速圆周运动的半径和周期公式。

教学难点：理解电子垂直进入匀强磁场会做匀速圆周运动。

教学过程

时间

教学环节

主要师生活动

25分钟

知识回顾

新课教学

引入

一、带电粒子在磁场中的运动

二、带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径

动力学规律：类比行星绕太阳运动

三、带电粒子在匀强磁场中做圆周

运动的周期

想一想：

带电粒子如何获得初速度？

四、观察带电粒子在磁场中的运动轨迹

介绍洛伦兹力演示仪

想一想：

若电子初速度方向与磁场成一定的夹角，电子的运动轨迹是什么样的呢?

课堂小结

洛伦兹力的方向：左手定则，注意负电粒子受力与正电粒子相反；

洛伦兹力的大小：注意粒子速度与磁场方向夹角对洛伦兹力大小的影响；

洛伦兹力的特点：

（1）洛伦兹力始终与带电粒子的速度方向和磁场方向垂直；

（2）洛伦兹力只改变带电粒子的速度方向，不改变带电粒子的速度大小；

（3）当带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力。

4、力和运动的关系

在现代科学技术中，常常要研究带电粒子在磁场中的运动。如图所示，如果沿着与磁场垂直的方向发射一束带电粒子，这束粒子在匀强磁场中的运动轨迹会是什么样的呢？

要分析粒子的运动，就要分析粒子的受力情况。若粒子带正电，根据左手定则，使拇指与其余四个手指垂直；并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向。你判断对了吗？可以看出，粒子将向下偏转，其运动轨迹为曲线。

是怎样的曲线呢？由于初速度和洛伦兹力都在跟磁场方向垂直的平面内，没有其他作用使粒子离开这个平面，所以粒子只能在这个平面内运动。洛伦兹力又总是跟粒子的运动方向垂直，只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以粒子的速率是恒定的，由F=qvB可知，洛伦兹力的大小也是恒定的。洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。可见，如果沿着与磁场垂直的方向发射带电粒子，粒子将在匀强磁场中做匀速圆周运动。

带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，半径的大小与哪些因素有关呢？可能与粒子的质量、电荷量、速度大小以及磁场的强弱有关。

类比行星绕太阳的运动规律，粒子所受的洛伦兹力提供了它做匀速圆周运动的向心力。可以根据牛顿第二定律，列出动力学方程来分析。

做匀速圆周运动的物体需要向心力的作用，向心力由合力提供。例如，行星绕太阳做匀速圆周运动，设太阳的质量为M，行星的质量为m，行星在距离太阳为r的圆形轨道上以速率v做匀速圆周运动。行星受到太阳的引力，由万有引力定律可知，

假设一个电荷量为q的粒子，以垂直于磁场方向的速度v，射入磁感应强度为B的匀强磁场中，

从这个结果可以看出，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与它的质量、速度成正比，与电荷量、磁感应强度成反比。

我们还可以进一步得到带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期。匀速圆周运动的周期指的是物体做一个完整圆运动所用的时间。

由此可见，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期只与磁感应强度和粒子本身有关，跟轨道半径和运动速度都没有关系。这是一个很重要的结论，后面将要学习到的回旋加速度就是依据这个原理制成的。

我们再来思考一个问题：洛伦兹力不能改变带电粒子速度的大小，那么带电粒子进入磁场前如何获得初速度呢？

可以利用电场对带电粒子进行加速。

带电粒子非常小，用肉眼无法直接观察到它们在磁场中的运动。上节课，我们用阴极射线管观察到了电子的运动径迹。阴极射线管发射的电子束轰击荧光物质，使其发光，从而显示出电子的径迹。除此之外，我们还可以通过洛伦兹力演示仪来观察电子在匀强磁场中的运动轨迹。洛伦兹力演示仪由几个部分组成：这两组白色圆形结构是励磁线圈，励磁线圈中通有电流时，能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场方向与两线圈中心的连线平行。由安培定则可以判断，当线圈中电流沿顺时针方向时，匀强磁场的方向垂直于线圈平面向内；当电流沿逆时针方向时，磁场方向则垂直于线圈平面向外。匀强磁场的磁感应强度大小与励磁电流的大小成正比；下面的旋钮中，右侧两个旋钮就是用来调节励磁