课件12张PPT。带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动研究对象：带电粒子电子带电粒子在匀强磁场中的运动研究环境：匀强磁场亥姆霍兹线圈研究内容：运动完成上述运动的条件分析探究一：电子速度与磁感应强度平行时电子的运动情况。结论：
当电子的运动速度与磁感应强度平行时，电子在匀强磁场中做匀速直线运动。探究二：电子速度与磁感应强度垂直时电子的运动情况。结论：
当电子的运动速度与磁感应强度垂直时，电子在匀强磁场中做匀速圆周运动。思想延伸 尽管我们今天的研究结论是以电子为研究对象得出的，但是这种研究的思想方法同样可以用于其他带电粒子在匀强磁场中的运动。 规律应用有一电子垂直射入一匀强磁场中（如图所示）：
1、请同学们画出电子在A点处受到的洛伦兹力的方向，并画出电子在匀强磁场中大致的运动轨迹？2、若电子的质量为m，电荷量为q，速度为v，磁场的磁感应强度为B，则电子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径R为多少？3、该电子做匀速圆周运动的周期T为多少？4、若电子进入匀强磁场中的速度变为2v，则其圆周运动的半径如何变化？周期又如何变化呢？回味历史思考：
他是怎么根据运动轨迹来测定质量的呢？困惑：
可是当时公认的氖的原子量为20.18，那么应该只有一条运动轨迹才对啊。如果你是当时的汤姆逊在面对上述情况你会有什么思考呢？作业布置1、大家可以利用网络查阅相关资料，阿斯顿对于质谱仪的发明历程，下节课和大家一起分享你的感受。2、请同学们回去后查阅网络和相关书籍，看看还有那些仪器也是应用带电粒子在磁场中运动的规律而制成的，下节课我们来分析讨论。 谢谢！
带电粒子在匀强磁场中的运动 教学设计
一、设计思路
1．设计思想
力求贯彻新课程的教学理念，引导学生在已有知识基础上，依据科学研究的方法探究问题，获得知识，在探究过程中，体现学生的主体性，培养学生的问题分析能力，增强学生学以致用的意识,注重学生科学素养的养成。采用理论探究与实验验证相结合的教学模式，整堂课主要探究三个问题：
1．当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？
2．当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？
3．学习了带电粒子在匀强磁场中运动的规律后可以帮助我们解决什么问题？
按照“知识复习——问题提出——理论推导——困难呈现——学生讨论——实验验证——规律获得——知识应用”的教学思路。引导学生利用已有的物理知识尝试解决新的物理问题；要求学生利用已经习得的力和运动的知识进行理论探究，再对获得的结果或猜想进行实验验证，最后激发学生利用所学物理知识解决实际问题的意识。着力培养学生从一般规律到特殊规律的知识迁移能力、从实际模型到理想模型的模型构建能力、从理论知识到实际应用的知识应用能力。有别于常规的教师讲理论学生机械的重复验证，让学生从问题和困难出发利用原有知识去解决一个实际问题，提高了学生的学习兴趣。使学生在获得知识的同时，体验科学探究过程，感悟科学研究问题的方法，提升探索自然的兴趣与热情，培养实验探究能力、交流协作能力、分析解决问题的能力、评价和改进方案的能力以及对实验结论反思的习惯。
2．理论依据
根据物理学科特点，将理论探究与实验验证结合；根据思维发展要求，遵循先特殊、后一般、先定性，后定量的有序过程；根据教学理论要求，将学生自主建构和教师提供合适的情景、问题和学习资源相结合；使知识的逻辑顺序、认知的发展顺序与教学情景、问题和学生的学习活动的安排顺序有机协调。
二、教材分析
磁场是物理学研究的重要对象，对磁场本质的认识有力促进了现代工业和现代科学技术的发展。磁场在整个高中物理中占着很重要的地位，是学生学习的重点内容。带电粒子在匀强磁场中的运动既是力与运动、功与能知识的应用，又是力、电综合问题解决的基础，故本节内容的学习既是对前面知识的复习回顾，又为处理后面复杂的带电粒子在匀强磁场中运动的做了铺垫，为质谱仪、回旋加速器等大量科学器件的原理分析做了知识上的储备。
三、学情分析
1.通过高一的学习，学生已经学习了匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动，对上述运动的运动学规律、受力特点及运动条件有了一定的基础，为今天这堂课的自主探究做了知识储备。
2.通过前一节洛伦兹力的学习，学生知道洛伦兹力大小的计算和方向的判断，这为今天这堂课做了知识上的准备。
3.学生已经学习过带电粒子在电场中运动，对带电粒子在电场中运动时是否需要考虑重力已经有了一定的了解，但对带电粒子在匀强磁场中运动时是否需要考虑重力不是很清楚。
四、教学目标
1．知识与技能
（1）认识洛伦兹力只改变带电粒子速度的方向，不改变带电粒子速度的大小；
（2）理解洛伦兹力不对带电粒子做功；
（3）知道带电粒子平行磁场方向进入匀强磁场时，在匀强磁场中做匀速直线运动；
（4）知道带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时，在匀强磁场中做匀速圆周运动；
（5）知道研究带电粒子在匀强磁场中运动时不需要考虑重力的影响；
（6）会推导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；
（7）知道质谱仪的构造和工作原理。
2．过程与方法
（1）知道理论探究和实验验证是物理学研究问题的基本方法；
（2）通过对是否考虑重力的研究分析，体会物理学科的思维方法和理想模型的建立过程；
（3）通过对带电粒子垂直进入匀强磁场后受力、运动、轨迹的分析，体会类比方法的应用。
3．情感态度与价值观
（1）通过情景和问题，实验仪器的呈现，激发学生对课堂学习的兴趣；
（2）通过理论研究和实验验证，培养学生的严谨的实验态度；体验到探索自然规律
的艰辛与喜悦；
（3）通过质谱仪的学习，体会用物理知识解决实际问题的乐趣，提升学生的学习动
力；
通过学生上台展示自己的探究成果，培养学生的自信心和感受困难解决之后的
喜悦。
五、教学重点和教学难点
1．教学重点
（1）知道当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做匀速直线运动；
（2）知道当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动；
（3）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。
2．教学难点
（1）研究基本带电粒子在匀强磁场中运动不考虑重力的原因，运用物理学科的思维方法建立理想模型的过程；
（2）通过对带电粒子垂直进入匀强磁场后受力、运动、轨迹的分析，体会类比方法的应用。
六、教学方法和教学手段
1．教学方法：“科学探究”和“问题讨论”相结合的教学模式。
2．教学手段：理论探究、实验验证、多媒体辅助、实物投影仪等。
七、课前准备
1．学生复习和巩固“运动电荷在磁场中的受力”和匀速圆周运动的条件；
2．洛伦兹力演示仪、摄像头、多媒体课件、数字化实验仪器（磁感应强度传感器）；
3．教学环境：教室
八、教学流程图
整堂课主要探究三个问题：
1．当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？
2．当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？
3．学习了带电粒子在匀强磁场中运动的规律可以帮助我们解决什么问题？
九、教学过程
复习回顾、构建体系
师：
前一节我们学习了运动电荷在磁场中受到的力——洛伦兹力，通过学习我们已经知道当带电粒子的速度和磁场平行时带电粒子不受洛伦兹力，当带电粒子的速度和磁场垂直时，，方向遵循左手定则。本节课我们承接上节课的研究内容，基于这样的受力情况，带电粒子在磁场中会做什么运动呢？
引出新课、解读标题
师：我们对问题的研究总是从简单的开始，本堂课我们一起研究带电粒子在匀强磁场中的运动。（PPT展示课的标题）首先我们一起来解读下今天的课题。
标题解读一——研究对象
师：我们的研究对象——带电粒子，今天我们以电子枪中打出的电子为例进行研究
教师用PPT展示电子枪的图片，教师展示实物
PPT展示：已知：电子的质量为，电子的电荷量
（数据在后面的理论探究中要用到）
标题解读二——研究环境
师：我们今天研究的环境是匀强磁场，亥姆霍兹认为：当两个圆形线圈中通以大小和方向相同的电流时，两线圈之间形成匀强磁场。
PPT展示亥姆霍兹线圈图片，教师展示实物
师：问题1：若圆形线圈中通以如图方向的电流你能判断磁场的方向吗？
学生回答：预设：能，根据右手定则
师：两圆形线圈之间的磁感应强度大小是否恒定呢？接下来我们用磁感应强度传感器来进行实际测量。
教师操作：利用数字化实验仪器（磁感应强度传感器）测量亥姆霍兹线圈内部多个点的磁感应强度。
注意两个细节：1、传感器要调零；2、要测量多个位置的磁感应强度
标题解读三——研究内容
师：我们的研究内容是运动
师：问题2:到目前为止我们学习过哪些运动？
学生回答：预设：匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动等
问题3:完成上述运动的条件是什么？
学生回答，教师在PPT上用图示法展示上述运动的条件。
师：通过前面的回顾，我们认识到要确定电子的运动情况，必须分析电子在匀强磁场中的受力情况和初始的运动情况。
师：下面请同学们根据已学的知识进行小组讨论，分析电子在匀强磁场中会做什么运动？并给出你们的理由？
生活动：分组讨论（给学生充分的时间）
师：下面请几位同学和我们分享下他们的研究成果。
生活动：学生对讨论的结果进行汇报
（在学生汇报的同时，教师把学生的回答简洁板书在黑板上）。
预设有下面几种可能的回答
同学1：当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做匀速直线运动，理由是不受洛伦兹力。
同学2：当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做平抛运动，理由是虽不受洛伦兹力，但是受重力。
同学3：当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，开始不受洛伦兹力，但是受重力，做平抛，后来速度并不与磁场平行，又受到洛伦兹力，所以运动很复杂。
同学4：当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，理由只受洛伦兹力。
同学5：当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中受洛伦兹力和重力。做复杂的曲线运动。
同学6：当带电粒子的运动速度与磁感应强度既不垂直又不平行时，带电粒子在匀强磁场中做复杂的曲线运动。
师：非常感谢同学们提出了这么多想法。从大家的回答来看同学们的思路是很清晰的，大家抓住了不同方向进入磁场的电子所受洛伦兹力的情况不同，以此来进行分类讨论。
顺势而为、深入探究
探究一：
师：接下来我们按照大家的思路来进行分析，先分析电子速度与磁感应强度平行时电子的运动情况。
师：对于这一情景，同学们给出了上述3种观点，不难发现，其实争论的焦点在于是否要考虑电子的重力.
师：请这几小组的同学说说，你们对这个问题怎么看？
学生回答：预设：不计重力或计重力两种
师：为什么不考虑重力？理由是什么？
生：重力很小，
师：重力虽小，重力产生的加速度多大？
生：重力加速度（10m/s2）。
师：重力加速度小吗？
生：不小
师：你认为这个加速度可以忽略吗？
生：不能
师：讨论到这里，大家是否感觉观点二、三更有道理，真是这样吗？物理学是一门解决实际问题的学科，一个因素是否需要考虑应该结合实际情况来分析。
师：（PPT给出下面数据）
现在老师给大家一个数据：查阅网上数据：目前世界上最大的磁场，其宽度大约是10m，磁感应强度为100T，电子经过1000V电场加速的电子其速度约为，请大家估算一下，当电子穿过磁场区域后的偏移是多少。
师：你的计算结果是多少？
生回答：
师：通过计算，大家对这个问题有什么认识吗？
生：在研究电子在匀强磁场中的运动时，由于电子穿越磁场的时间很短，所以分析电子在匀强磁场中的运动时一般不考虑重力。
师：事实是否如我们分析的一样呢？我们通过实验来说明
师：利用洛伦兹力演示仪，演示上述情景中电子的运动情况。
（为了便于学生观察，用摄像头展示）
师：你们看到了什么现象？
学生回答：轨迹为一条直线
师：结合刚才的理论探究和实验验证，我们可以得到当电子的运动速度与磁感应强度平行时，电子在匀强磁场中做什么运动？
学生回答：当电子的运动速度与磁感应强度平行时，电子在匀强磁场中做匀速直线运动。
师板书：
探究二
当电子的运动速度与磁感应强度垂直时，电子又做什么运动呢？
师：和刚才一样，争论的焦点在于是否要考虑重力？
师：观点一小组的同学说说，你们对这个问题怎么看？
生：前面我们不是已经讨论过了，重力可以不考虑。
师：前面的问题与现在相同吗？如果做匀速圆周运动，它可以一直在磁场里面运动。
生：预设：学生陷入困难
师：有没有其它的方法，说明重力可以忽略？
生：
师：通过两力的比较，我们认识到重力可忽略，这为我们讨论问题提供了方便。
师：请观点一小组的同学说明，当电子的运动速度与磁感应强度垂直时，为什么电子做匀速圆周运动。
生：受力与速度始终垂直，与匀速圆周运动特征相符。
师：这一分析采用的是类比方法，对我们很有启发，严格来讲，只有求出轨迹方程是圆方程后，才算理论上得到证明。但目前我们的数学知识还不够，但我们可以用实验的方法来证明。
师:演示实验
利用洛伦兹力演示仪，演示上述情景中电子的运动情况。
（为了便于学生观察，用摄像头展示）
师：结合刚才的理论研究和实验验证，我们可以得到当电子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？
学生回答：当电子的运动速度与磁感应强度垂直时，电子在匀强磁场中做匀速圆周运动。
师板书：
回顾总结、思想延伸
师：当电子的运动速度与磁感应强度既不垂直又不平行时，电子在匀强磁场中的运动将会很复杂，（教师展示实验现象—螺旋运动），这是以后进一步学生的内容。
师：尽管我们今天的研究结论是以电子为研究对象得出的，但是这种研究的思想方法同样可以用于其他带电粒子在匀强磁场中的运动。
规律研究、拓展应用
师：有一电子垂直射入一匀强磁场中（如图所示），
（1）.请同学们画出电荷在A点处受到的洛伦兹力的方向，并画出电子在匀强磁场中大致的运动轨迹？
生：分析受力并画轨迹图。
师：请学生展示（实物投影）。
师：（2）.若带电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v，磁场的磁感应强度为B，则带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径R为多少？
生：独立推导，
师：请同学回答推导结果（实物投影）。
师板书：
师：（3）.该电子做匀速圆周运动的周期T为多少？
生：独立推导，
师：请同学回答推导结果（实物投影）。
师板书：
师：（4）.若上述粒子进入匀强磁场中的速度变为2v，则其圆周运动的半径如何变化？
生：半径加倍。
师：科学家阿斯顿像你们刚才那样进行理论推导，并设计出了一个科学仪器,获得了诺贝尔奖。
师：故事要追溯到20世纪初，汤姆逊在阴极射线研究中取得重大成果后，1905年转而开始研究阳极射线。在研究中他发现，把氖充人放电管电离成氖离子。然后通过电场加速，而后进入匀强磁场，并用感光板观察它们的偏转，发现了两条射线的轨迹。进一步研究后，他测出这两条轨迹所表征的原子量各为20和22。
师：（5）.他是怎么根据运动轨迹来测定质量的呢？
生：预设：测得轨迹半径，
师：请学生展示推导过程和关系式。
师：那么如何测量速度呢？
生：根据加速电压，得
师：（6）.可是当时公认的氖的原子量为20.18，那么应该只有一条运动轨迹才对啊。如果你是当时的汤姆逊在面对上述情况你会有什么思考呢？
生1：有可能是实验误差或者实验中出现了测量错误。
生2：氖可能有有两种原子质量。（当时索迪已经提出同位素的概念）
师：汤姆逊当时和第一位同学的想法一样，汤姆逊对同位素这一概念持否定的态度，为了提高实验精度，他请阿斯顿做他的助手来更精确的测定氖的原子量，年轻的阿斯顿改进实验方案提高实验精度，任然存在两条径迹，因此他仔细地研读了素迪的同位素假说，结合自己的实验结果认为这一假说是可以成立的。他采纳了同位素的概念，用以解释他在实验中的发现，证实了Ne20和Ne22的存在。这就是最早的质谱仪，为此阿斯顿荣获1922年的诺贝尔奖。
师: 从上述案例可以看出,既使是有好的实验设备,科学的发展仍离不开大胆的猜想和突破。
布置作业、自主学习
师：阿斯顿对于质谱仪的发明过程大家可以利用网络查阅相关资料，并仔细阅读从中你能感受到物理学家对于学术的那种严谨态度，下节课和大家一起分享你的感受。
师：应用带电粒子在磁场中运动的规律来解决具体问题的而制成的仪器远不止质谱仪，请同学们回去后查阅网络和相关书籍，看看还有那些仪器也是应用带电粒子在磁场中运动的
规律而制成的，下节课我们来分析讨论。
师：本节课我们就上到这里，谢谢大家。
