1.4洛伦兹力与现代技术 教学设计

《洛伦兹力与现代技术》教学设计
云浮市云安区云安中学 蒋贤才
教学目标：
理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。
经历推导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，认识数学方法在物理学研究中的作用，养成严密推理的科学作风。
了解质谱仪和回旋加速器的研制过程，学习科学家勤于思考、敢于创新的科学态度与精神。
教学重点：
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
教学难点：
带电粒子在匀强磁场中的运动
教学方法：
演示实验，讨论、理论推导、讲授。
课时安排：1课时
问题引入：
在现代科学技术中，常常要研究带电粒子在磁场中的运动。如果沿着与磁场垂直的方向发射一束带电粒子，请猜想这束粒子在匀强磁场中的运动径迹，你猜想的依据是什么？
复习：在必修第二册，我们学过匀速圆周运动，它有哪些特点？
新课教学：
带电粒子在匀强磁场中的运动
【观察与思考】如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。
（1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。
（2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。
问题1：未加磁场时观察到电子做什么运动？
问题2：加入磁场时电子做什么运动？
问题3：通过观察实验，你能得出什么结论？
情境：如图所示，带负电的粒子垂直射入匀强磁场中。
【思考问题】（1）带电粒子所受洛伦兹力的方向与速度方向有什么关系？
洛伦兹力是否做功，速度大小是否发生变化？
带负电的粒子在磁场中做什么运动？
【讨论与交流】如图所示，设匀强磁场磁感应强度为，质量为、电量为的带负电粒子垂直射入磁场。不计带电粒子所受的重力。
试推导出带电粒子做圆周运动时的半径。
试推导出带电粒子做圆周运动时的周期。
例题1：一个质量为kg、电荷量为 C 的带电粒子，以m/s的
初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 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。
回旋加速器
情境：科研人员需要利用高速粒子对原子核进行“轰击”，以观测其可能产生的新粒子。怎样获得高速粒子呢？
【思考问题】（1）有哪些方法使粒子获得更大的动能？
利用直线加速器对粒子进行加速。
（2）利用多级加速的方法，多级加速器各级间的电压依次为、┅，电荷量为的粒子经过级加速后的动能是多少？
（3）直线加速器的缺点是什么？
回旋加速器的结构：
工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对带电粒子的偏转
作用来获得高能粒子。
情境：回旋加速器的两个D形盒区域施加垂直盒底面的匀强磁场，设匀强磁场磁感应强度为，处于中心O附近的带电粒子质量为、电量为，两个D形盒间缝隙加一个大小为的交变电压。
【思考问题】（1）粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期是否发生变化？
（2）交变电压的周期与粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期应满足什么关系？
（3）回旋加速器的半径为，粒子从边缘离开时的最大动能是多少？
（4）粒子每加速一次，动能增加多少？
质谱仪
基本构造：粒子发生器、加速电场、速度选择器、
偏转电场和照相底片
例题：英国实验物理学家阿斯顿当年为了证明同位素的假说，设计了多种质谱仪测量同位素的比荷（粒子电量与质量之比）。请结合物理学相关原理，尝试从理论上提出一中质谱仪的设计方案以实现下列功能。
功能一：使带电粒子获得一定的速度。
功能二：让粒子通过一个速度选择器，只留下特定速度的粒子，排除其他速度粒子的干扰。
功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转。
记录粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷。
课堂小结：
能推导出带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径表达式和周期表达式，掌握回旋加速器和质谱仪的基本结构和原理。
课后作业：
第一课时：第29页第9题
第二课时：第4题