带电粒子在磁场中的运动质谱仪

　　教学目标 

　　知识目标

　　1、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，做匀速圆周运动.

　　2、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.

　　3、知道质谱仪的工作原理.

　　能力目标

　　通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力.

　　情感目标

　　通过学习质谱仪的工作原理，让学生认识先进科技的发展，有助于培养学生对物理的学习兴趣.

　　教学建议

　　教材分析

　　本节重点是研究带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动规律：半径以及周期，通过复习相关力学知识，利用力于运动的关系突破这一重点，需要注意的是：

　　1、确定垂直射入匀强电场中的带电粒子是匀速圆周运动；

　　2、带电粒子的重力通常不考虑。

　　教法建议

　　由于我们研究的是带电粒子在磁场中的运动情况，研究的是磁场力与运动的关系，因此教学开始，需要学生回忆相关的力学知识，为了引导学生分析推导粒子做匀速圆周运动的原因、规律，教师可以通过实验演示引入，让学生认真观察实验现象，结合运动和力的关系分析原因，总结规律，积极思考、讨论例题，对规律加深理解、提高应用能力.最后通过例题讲解，加深知识的理解.

　　教学设计方案

　　带电粒子在磁场中的运动  质谱仪

　　一、素质教育目标

　　（一）知识教学点

　　1、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，做匀速圆周运动.

　　2、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.

　　3、知道质谱仪的工作原理.

　　（二）能力训练点

　　通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力.

　　（三）德育渗透点

　　通过学习质谱仪的工作原理，理解高科技的巨大力量.

　　（四）美育渗透点

　　用电子射线管产生的电子做圆周运动的精美图像感染学生，提高学生对物理学图像形式美的审美感受力.

　　二、学法引导

　　1、教师通过演示实验法引入，复习提问法引导学生分析推导粒子做匀速圆周运动的原因、规律.通过例题讲解，加深理解.

　　2、学生认真观察实验现象，结合运动和力的关系分析原因，总结规律，积极思考、讨论例题，对规律加深理解、提高应用能力.

　　三、重点难点疑点及解决办法

　　1、重点

　　带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动半径和运动周期.

　　2、难点

　　确定垂直射入匀强磁场中的带电粒子运动是匀速圆周运动.

　　3、疑点

　　带电粒子的重力通常为什么不考虑？

　　4、解决办法

　　复习力学知识、引导同学利用力与运动的关系分析，讨论带电粒子在磁场中的运动情况。

　　四、课时安排

　　1课时

　　五、教具学具准备

　　演示用特制的电子射线管。

　　六、师生互动活动设计

　　教师先通过演示实验引入，再启发引导学生用力学知识分析原因，推导规律，通过例题讲解，学生思考和讨论进一步加深对知识的理解，提高学生运用知识解决实际问题的能力。

　　七、教学步骤 

　　（一）明确目标

　　（略）

　　（二）整体感知

　　本节教学首先通过演示实验告诉学生，当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动这一结论，然后试着用力与运动的关系分析粒子为什么做匀速圆周运动，再由学生推导带电粒子在磁场中的运动半径和周期，根据力学知识，重点是理解运动半径与磁感应强度、速度的关系；运动周期与粒子速率和运动半径无关.

　　（三）重点、难点的学习与目标完成过程

　　1、引入新课

　　上一节我们学习了洛仑兹力的概念，我们知道带电粒子垂直磁场方向运动时，会受到大小  ，方向始终与速度方向垂直的洛仑兹力作用，今天我们来研究一下，受洛仑兹力作用的带电粒子是如何运动的？

　　2、粒子为什么做匀速圆周的运动？

　　首先通过演示实验观察到，当带电粒子的初速度方向与匀强磁场方向垂直时，粒子的运动轨道是圆.

　　在力学中我们学习过，物体作匀速圆周运动的条件是物体所受的合外力大小不变，方向始终与速度方向垂直.当带电粒子垂直于匀强磁场方向运动时，通常它的重力可以忽略不计（请同学们讨论），可看作只受洛仑兹力作用，洛仑兹力方向和速度方向在同一个平面内，由于洛仑兹力方向总与速度方向垂直，因而它对带电粒子不做功，根据动能定理可知运动粒子的速度大小不变，再由 可知，粒子在运动过程中所受洛仑兹力的大小即合外力的大小不变，根据物体作匀速圆周运动的条件得出带电粒子垂直匀强磁场运动时，作匀速圆周运动.

　　3、粒子运动的轨道半径和周期公式

　　带电粒子垂直于匀强磁场方向运动时做匀速圆周运动，其向心力等于洛仑兹力，请同学们根据牛顿第二定律，推导带电粒子的运动半径和周期公式.

　　经过推导得出粒子运动半径 ，运动周期 。

　　运用学过的力学知识理解，当粒子运动速度较大时，粒子要离心运动，其运动半径增大，所以速度大，半径也大；当磁场较强时，运动电荷受洛仑兹力增大，粒子要向心运动，其运动半径减小，所以磁感应强度大，半径小.由于带电粒子运动速度大时，其运动半径大，运动轨迹也长，可以理解粒子运动的周期与速度的大小和轨道半径无关.为了加深同学们对半径和周期公式的理解，举下面的例题加以练习.

　　［例1］同一种带电粒子以不同的速度垂直射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知

　　（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？

　　（2）这些速度的大小关系为       .

　　（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间关系为      .

　　4、质谱仪

　　首先请同学们阅读课本上例题的分析求解过程，然后组织学生讨论质谱仪的工作原理.

　　（四）总结、扩展

　　本节课我们学习了带电粒子垂直于匀强磁场运动的情况，经过实验演示和理论分析得出粒子做匀速圆周运动.并根据牛顿运动定律得出粒子运动的半径公式和周期公式.最后我们讨论了它的一个具体应用——质谱仪.

　　但应注意的是如果带电粒子速度方向不是垂直匀强磁场方向时，带电粒子将不再是作匀速圆周运动.

　　八、布置作业 

　　（1）P156（1）～（6）

　　九、板书设计 

　　五、带电粒子在磁场中的运动  质谱仪

　　一、运动轨迹

　　粒子作匀速圆周运动.

　　二、半径和周期

　　运动半径：

　　运动周期：

　　三、质谱仪