3-6 洛伦兹力与现代技术 教学设计

洛伦兹力与现代技术
1教学目标
（一）知识与技能
1.
在原高一匀速圆周运动的知识基础上，理解带电粒子在匀强磁场的运动规律以及速度选择器和质谱仪等科技应用原理。
2.
会综合运用电场和磁场知识研究带电粒子在两场中的受力与运动问题。
（二）过程与方法
1.对教材顺序作了些许调整，使教学内容由简到繁，由易到难，并以创设问题情境→学生讨论分析→实验演示现象→总结物理原理的思路逐层深入教学。
2.学生在新的问题情景中，在思考、探讨活动中，体会、感悟用基本物理知识解决科学研究中问题的方法。
3.通过在速度选择器、质谱仪等背景下研究带电粒子在场中的运动，强化电场加速、磁场偏转的意义及相关仪器的设计思路。
（三）情感、态度与价值观
1.通过创设真实的、有研究意义的问题情境，激发学生探究问题的热情。
2.在解决问题的过程中，使学生进一步体验解决问题的基本分析方法。
3.使学生领悟研究带电粒子在场中运动的实际意义，了解现代科技研究的发展近况。
2学情分析
教学从简到繁，逐层递加，连贯而成。问题创设合理，层层深入，得出规律。适合基础学生的教学，习题训练难度适中。
3重点难点
带电粒子在电场和磁场的受力与运动分析与现代科技应用的联系。
4教学过程
4.1
第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】洛伦兹力与现代技术
活动2【活动】过程
【教学过程】
一、知识回顾
复习：洛伦兹力f大小的计算公式以及方向的判断方法（左手定则）
大小：
f=qvB
(B⊥v)
方向：由左手定则判断（伸开左手，使大拇指和其余四指垂直且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所指的方向就使正电荷所受洛伦兹力的方向。
）
（划线部分的内容黑板板书，并在黑板两边分开画出以下两图（以作后用），让学生上来判断洛伦兹力的方向）
洛伦兹力的特点：
f⊥B
且
f⊥v
因为f⊥v
则f不做功，只改变v的方向
设想：带电粒子垂直射入匀强磁场会做匀速圆周运动。
实验验证
（实验演示1：
演示电子射线管内的电子在匀强磁场中的运动轨迹，让学生观察存在磁场和不存在磁场时电子的运动轨迹。）
由实验演示现象提出〖问题1〗：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径大小取决于什么？运动的周期与什么有关？
二、带电粒子在匀强磁场中的运动
1）、圆周运动的半径
（说明R与mv的乘积成正比，与qB的乘积成反比，当m、q、B相同时，R与v成正比）
2）、圆周运动的周期
（说明T与m成正比，与qB的乘积成反比，与v无关）
练习1：当氢的三种同位素氢（
）、氘核（
）、氚核（
）以相同的速度垂直进入同一匀强磁场，如图，则它们运动的轨道半径之比是多少？
（答案：1:2:3）
练习2：质子和一价钠离子分别垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动。如果它们的圆周运动半径恰好相等，这说明它们在刚进入磁场时
（
）（答案：B）
A
速率相等
B
质量和速率的乘积相等
C
动能相等
D
质量相等
本题小结：
在黑板第二幅图（如右图所示）中两边加上带电的平行板，并提出〖问题2〗：带电粒子受力如何，它会做什么运动？
（让学生思考讨论，得出结论，并实验演示2。）
学生分析：电荷进入电场，受水平向左的电场力F作用和水平向右的洛仑兹力f的作用，二力平衡时，有f=F
即Bqv=Eq
得
：V=E/B
讨论：
1.若V
＜
E/B？
学生讨论分析----则f
＜
F，粒子向F方向(正极板)侧移，F做正功----粒子动能增加，
电势能减少。
2.若V
＞
E/B？
学生讨论分析----则f
＞
F，粒子向f方向(负极板)侧移，F做负功----粒子动能减少，
电势能增加。
3.若带电粒子为正电荷？
学生讨论分析---匀速直线运动,
V
=
E/B
4.若从下方反向射入场区？
学生讨论分析---F、f
同向，粒子向正极板偏转。
若我们在该装置前后各加一块挡板，让不同速度的带电粒子从前边挡板中小孔射入，经过匀强电场和磁场，只有其运动速度刚好满足f洛=F电的粒子运动轨迹才不会发生偏转，从第二块挡板上小孔中射出。改变匀强电场或匀强磁场的大小，就可以得到不同速度的带电粒子。这个装置就叫做速度选择器
。
三、速度选择器
选择的速度是：由Bqv=Eq
得
：V=E/B
思考：这些分析说明，速度选择器在选择粒子时有什么特点？
通过对〖问题2〗的探究和讨论，体会速度选择器选择的是粒子的速度——并且提供了测未知粒子速度的手段，但不选择粒子的质量、电量，而且选择器的使用具有方向性。
思考：如果要测出粒子的质量与电量怎么办呢？
学生讨论，老师提示，结合练习1思考，引出质谱仪的教学。
在速度选择器的基础上再加一个磁场，则构成质谱仪，如图所示，磁场边界有照相底片。
四、质谱仪
带电粒子进入磁感应强度为B1、电场强度为E的速度选择器，再垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场，并沿着半圆周运动而到达照相底片上，测得落点到入口的距离为X。分析，粒子落点位置的有关因素？
学生思考讨论：
1.若场确定，测出X，那么我们实际上是测出了什么？
2.若场确定，我们控制进入的粒子具有相同的电荷量，测出X，我们可以测量有关粒子的什么信息？
（实验演示3，并将讨论结论板书。）
分析：（其中
R=X/2）
[HWOCRTEMP_ROC780]
质谱仪可以很方便地帮助我们发现一些元素的同位素，或计算一些带电粒子的质量或荷质比，如X越小，则粒子的荷质比越大。
练习3、如图所示是粒子速度选择器的原理图，如果粒子所具有的速率v=E/B，那么:
(
)
（答案：B）
A．带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区，才能沿直线通过
B.
带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区，才能沿直线通过
C．不论粒子电性如何，沿ab方向从左侧进入场区，都能沿直线通过
D.
不论粒子电性如何，沿ba方向从右侧进入场区，都能沿直线通过
[ws_6C]
练习4
、(双选)
如图是质谱仪的工作原理示意图。下列表述正确的是(　　)
（答案：AC）
A．质谱仪是分析同位素的重要工具
B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里
C．能通过狭缝
P
的带电粒子的速率等于v=E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝
P，粒子的荷质比越小
练习5、(双选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断(
)
（答案：AD）
A、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大
B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小
C、只要x相同，则离子质量一定相同
D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同
课堂总结：