沪科版选修3-1 物理：56洛伦兹力与现代科技（教案）

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洛伦兹力在现代科技
【教学目标】
（一）知识与技能
1. 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。
2. 在原高二知何学习的基础上，深化理解速度选择器、质谱仪，回旋加速器等科技应用原理。
（二）过程与方法
1. 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。
2. 通过在速度选择器、质谱仪、回旋加速器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.通过对放射性物质的研究，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。
【教学重点】
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。
【教学难点】
将实际问题转化为物理模型的研究方法。
【教学方法】
探究讨论、分析讲解、归纳运用。
【教学资源】
教材、PPT课件、有关视频资料。
【教学过程】
第一环节：通过对居里夫人获诺贝尔物理学奖原由的讨论，创设问题情境，
激发学生对带电粒子研究的关注。
居里夫人因为研究什么而获得诺贝尔物理学奖？
放射性物质放出的是什么？
放出的粒子的质量、电量、速度多大？
利用什么技术手段能测出粒子的质量、电量、速度？
（这里，学生能够说出居里夫人其人、其事，不知道放射性是什么。放出的是什么粒子，从而产生强烈的好奇心）。
第二环节：通过对〖问题1〗的探究和讨论，体会速度选择器选择的是粒子
的速度——并且提供了侧未知粒子速度的手段，但不选粒子的质量、电量。
〖问题1〗带电粒子（带正电）q以一定速度垂直进入匀强电场和磁场区域，
沿直线运动，如图所示。已知E、B、m、q，求沿直线通过场区的粒子的速度V (不
计重力）
学生分析：电荷进入电场，受竖直向下的电场力作用、竖直向上的洛仑兹力的作用，二力平衡
f洛=F电
即Bqv=Eq
V=E/B
讨论：
1.若V ＜ E/B？
学生讨论分析---f = qvB ＜ F = qE粒子向负极板偏转
2.若V ＞ E/B？
学生讨论分析---f = qvB ＞ F = qE粒子向正极板偏转
3.若从右侧射入场区？
学生讨论分析---F、f 同向，粒子向负极板偏转
4.若为负电荷？
学生讨论分析---匀速直线运动, V = E/B
5.如果，我们控制电场和磁场，使得一些粒子匀速直线通过场区，我们可以测得粒子的什么？
问题：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电的粒子运动轨迹不发生偏转，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 。
思考：这些分析说明，速度选择器在选择粒子时有什么特点？
速度选择器只选择速度（大小、方向），而不选择粒子的质量和电量，且选择器的使用有方向性。
思考：如果要测出粒子的质量与电量怎办呢？
学生讨论。21世纪教育网
第三环节：通过对〖问题2〗的讨论分析，深化对研究方法的理解和掌握，
在解决实际问题的过程中感悟知识的运用价值。
如图所示，通过速度选择器进入第二个磁场的粒子带什么电性？
〖问题2〗粒子源可以发出各种不同的带正电粒子束，粒子从粒子源出来时速度很小，可以看做是静止的。经过加速电压U加速后进入磁感应强度为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？
qU = mv2/2
v = √2qU/m
B1qv = qE
V = E/B1
B2qv = mv2/R
R = mv/qB2
X = 2R = 2mv/qB2 = 2mE/qB1B2
学生思考讨论：
1.这个结果说明了什么？
2.若场确定，测出X，那么我们实际上是测出了什么？
3.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？
研究发现，放射性元素从原子核里放出的粒子有带正点的氦的原子核、带负电的电子，原子核里怎能放出电子呢？
思考：为了进一步研究原子核的组成及结构我们把它打碎，怎么打碎它呢？
讨论：若希望粒子在有限的空间多次加速怎么办？
第四环节：通过对〖问题3〗讨论，引出回旋加速器设计问题，在解决问题
的过程中巩固用电场和磁场解决问题的方法。
〖问题3〗放在中心靠近M板的离子源静止释放质量为m、电量为+q的粒子，此时M、N两板间电势差UM - UN = U0. 经过电场加速后，粒子从A1点进入D2盒内，在磁场中做圆周运动到A2点又进入狭缝，此时M、N两板间电势差UM - UN = -U0…调整交流电压的周期，使粒子每经过狭缝时都被加速,且加速电压为最大值U0.当粒子运动到D形盒的边缘时可从D形盒的开口处引出高速粒子.已知D型盒的半径为R，匀强磁场的磁感强度为B，不计粒子经过狭缝的时间。
求 1. 交流电压的周期T。
2. 粒子经加速器后获得的动能。[来源:21世纪教育网]
3. 粒子在D形盒中运动的总时间。
学生思考、分析推论
1. 粒子做圆周运动的周期为一定值
T = 2m/qB
粒子每经过半个周期即被加速一次，交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同
T交 = T = 2m/qB
2.粒子做圆周运动的半径达到D型盒的半径R时，动能达到最大
qvB = mv2/R
v = qBR/m
Ek = mv2/2
= q2B2R2/2m
3.设粒子共经过n次电场加速，由功能关系得
nqU0 = mv2/2-0
n = mv2/2qU0
= qB2R2/2mU0
粒子运动总时间 t = nT/2 = BR2/2U0
第五环节：通过观看视频、图片，了解科技发展的现状及历史，了解研究
带电粒子的实际意义。
观看视频：2008年9月朝闻天下，欧洲大型强子对撞机，给质子加速至接近光速对撞，研究宇宙形成和物质根源的奥秘。
其外形结构如图。
21世纪教育网
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自古至今，科学家们一直不懈地对粒子进行着大量研究。
几年诺贝尔物理学奖：
1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子
1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象
1938年：费米（意大利 犹太人）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应
1939年：劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素
说明：对粒子的研究有它的社会意义和价值，即可认识宇宙的过去，又可预示宇宙的未来。
小结：对粒子进行受力分析、运动分析，是解决粒子在场中运动问题的关键。
如果同学感兴趣，我们可以查到更多的资料，了解对粒子研究的历史和进展，给我们的生活带来的变化。
课后教学反思21世纪教育网
一．课题：洛伦兹力在现代科技中的应用---实例分析
二．本节课的背景：
1.知识背景：
带电粒子在电场和磁场中的受力和运动分析问题是高考年年考的内容，要综合运用运动学、动力学和能的转化等方面的知识讨论两场的特点和规律，及粒子遵循的规律，同时要知道这些知识与生活和科技研究之间密不可分的关系，进而理解我们学习研究的价值。
2.学生学习的背景：
电场和磁场的复习已近尾声，学生对场的结构已有了较为深刻的认识，对带电粒子在电场和磁场中遵循的规律也有一定的了解，掌握了解决问题的简单一般方法, 但是对场知识的综合应用还存在一定难度，对研究粒子的现实意义还不够清楚。
3.高三复习课的特点：
3.1授课内容的特点：
（1）利用信息技术与资料和原有知识进行整合，教学容量大，学生思维量大，提高课堂效率是关键。
（2）知识内容与学习方法进行整合，使学生的认识和思维上升一个高度。
（3）努力建构知识网络，使知识系统化。
3.2高三教学方法的特点：
激励学生自主构建知识体系，精讲精炼，以学生为本，给学生充分体验的时间。
三．本节课设计思路：
贯穿本节课的主线是对粒子进行研究，明确研究的内容---它的速度、质量、电量，明确研究的技术手段---速度选择器、质谱仪、回旋加速器。从居里夫人获诺贝尔奖原由引入，设置问题情境，激发学生的探究兴趣和热情。通过一连串问题的思考、讨论，让学生体会应用物理规律解决实际问题的过程和方法。教学过程中力求体现体验性课堂的教学理念，落实三维目标。
突出：
1.三个仪器的分析方法---力和运动分析。
2.抓学生落实---怎样寻找力和运动关系的能力培养。
3.练习---进一步巩固落实。
对速度选择器，重点是回顾带电粒子在电场和磁场中的受力与运动分析。
对质谱仪，重点介绍质谱仪的用途，它可以精确测定粒子的比荷，分析同位素，测定带电粒子的质量。
对回旋加速器，指出加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。介绍回旋加速器的主要装置和原理：
粒子每次经过电场时必须被加速，所以粒子运动半个周期电场必须改变方向。思考与讨论中问到电场的变化周期是否越来越短，让学生讨论后得出结论。
四．重点、难点的确定：
根据学生已有的知识基础和教学的要求，确立本节课的重点和难点为：
1.两场中粒子的受力分析、运动状态分析。
2.速度选择器、质谱仪基本原理的分析，回旋加速器电场与圆周周期关系的分析。
五．突破难点的方法：
设置问题情境，启发学生思考，讨论表述点拨，归纳反馈运用。
首先是引课，从一个常识性的问题入手，使学生在轻松的氛围中自然进入新的复习，然后抛出一个还没有学过的知识刺激学生思索，吸引学生的注意力，激活学生再研究的积极性；第二，抓住一个情景层层深入，让学生的思维一直处于活跃状态；第三，在学生分析、思考、讨论问题的体验学习过程中，对带电粒子在电场、磁场的受力与运动有清晰认识，对它们在实际中的应用有个基本认识，在情感上认同我们学习的实际意义。
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