風(fēng)陵渡中學(xué)物理——《帶電粒子在組合場中的運動》教學(xué)設(shè)計

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1、 《帶電粒子在組合場中的運動》教學(xué)設(shè)計 教學(xué)目標(biāo)： 知識與技能： 1．知道什么是組合場，以及組合場的特點。 2．掌握帶電粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。 過程與方法： 　　通過綜合運用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在組合場(電場、磁場)中的問題.，培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識處理物理問題能力。 情感態(tài)度與價值觀： 　　培養(yǎng)物理學(xué)科嚴(yán)密的邏輯思維，明辨物理過程的本質(zhì)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生建立崇尚科學(xué)的價值觀。 教學(xué)重點： 粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。 教學(xué)難點： 粒子運動問題的求解。 教學(xué)方法： 教師講授法、問答法 教學(xué)過程：

2、 引入: 1．復(fù)習(xí)提問：什么是洛倫茲力？帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強磁場時會做什么運動呢？ ☆學(xué)生：磁場對運動電荷的作用；勻速圓周運動。 2．過渡引入：物體在重力作用下的運動與帶電粒子在勻強電場中的運動，都是恒力作用下的運動，因此它們的運動規(guī)律有諸多相似之處，常用類比法處理，而帶電粒子在勻強磁場中運動所受洛倫茲力是一變力，在有磁場的組合場﹑復(fù)合場中帶電粒子的運動變得更為復(fù)雜。帶電粒子在磁場、組合場、復(fù)合場、有界場中的運動是高中物理的重要內(nèi)容，這類問題對考查同學(xué)們空間想象能力，綜合分析能力，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識處理物理問題的能力都有較高的要求，是高考的熱點。本節(jié)課我們復(fù)習(xí)帶電粒子在組合場中的

3、運動。 ?基礎(chǔ)知識回顧：（學(xué)生自主完成） 一、帶電粒子在組合場中運動情況分析 1．帶電粒子在勻強電場中運動，當(dāng)粒子初速度與電場強度方向在同一直線上時，粒子做①___________運動；二者方向成一定夾角時，粒子做②___________運動，一般采用③________ ____________處理該問題． 2．帶電粒子在勻強磁場中運動，當(dāng)粒子速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直時，帶電粒子做④__________運動，它在磁場中運動的時間與粒子的速率⑤________，由做圓周運動的⑥____________決定． 二、帶電粒子在組合場中運動的典型應(yīng)用 1．電視顯像

4、管 電視顯像管是應(yīng)用電子束⑦_(dá)_______(選填“電偏轉(zhuǎn)”或“磁偏轉(zhuǎn)”)的原理來工作的，使電子束偏轉(zhuǎn)的⑧________ (選填“電場”或“磁場”)是由兩對偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的．顯像管工作時，由⑨________發(fā)射電子束，利用磁場來使電子束偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電視技術(shù)中的⑩________，使整個熒光屏都在發(fā)光． 2．質(zhì)譜儀 (1)構(gòu)造：如圖所示，由粒子源、?________、?________和照相底片等構(gòu)成． (2)原理：粒子由靜止被加速電場加速，根據(jù)動能定理可得關(guān)系式?____________。粒子在磁場中受洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn)，做勻速圓周運動，根據(jù)牛頓第二定律得關(guān)系式?_____

5、___.由兩式可得出需要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質(zhì)量、比荷．＝?________. 3．回旋加速器 (1)構(gòu)造：如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接?________電源．D形盒處于勻強磁場中． (2)原理：交流電的周期和粒子做圓周運動的周期?________，粒子在圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢差一次一次地反向，粒子就會被一次一次地加速．由qvB＝m，得Ekm＝?________，可見粒子獲得的最大動能由?_____________和D形盒?________決定，與加速電壓無關(guān). 三、帶電粒子在組合場中運動情況分析 規(guī)律方

6、法(采用提問方式處理) 1．處理帶電粒子在電場與磁場的組合場上的運動類問題，要明確電場力與洛倫磁力的不同： (1)在電場中的帶電粒子不論其運動與否，均受到電場力的作用，而磁場僅僅對運動著的并且速度跟磁場方向不平行的帶電粒子有洛倫茲力作用； (2)電場力的大小與速度無關(guān)，而洛倫茲力的大小與帶電粒子的速度有關(guān)； (3)電場力的方向與電場的方向或相同、或相反，而洛倫茲力的方向既垂直于磁場，又垂直于速度； (4)電場力既可以改變帶電粒子運動速度的方向，也可以改變帶電粒子運動速度的大小，而洛倫茲力只能改變速度的方向，不能改變速度的大?。? (5)電場力對帶電粒子做功且與路

7、徑無關(guān)，可以改變粒子的動能，而洛倫茲力不對帶電粒子做功，不能改變粒子的動能． 2．對于粒子連續(xù)通過各個不同情況的場的問題，要按不同的場分階段進(jìn)行處理，對應(yīng)不同階段采用不同的規(guī)律解題，例如在勻強磁場中的圓周運動，應(yīng)用牛頓運動定律進(jìn)行處理，在勻強電場中的勻變速曲線運動應(yīng)用正交分解的方法進(jìn)行處理． 3．在解題時應(yīng)根據(jù)場的不同和進(jìn)入場的速度分階段進(jìn)行受力分析和運動分析，畫出粒子的運動軌跡，尤其要注意兩個場中運動的銜接點的位置及速度的大小和方向，它有承上啟下的作用． 解題思路與方法： （1）分析帶電粒子在各場中的受力情況和運動情況，一般在電場中做類平拋運動，在磁場中做勻速圓周運動。 (2)

8、正確地畫出粒子的運動軌跡圖，在畫圖的基礎(chǔ)上注意運用幾何知識尋找關(guān)系。 (3) 選擇物理規(guī)律，列方程．對類平拋運動，一般分解為沿初速度方向的勻速直線運動和垂直初速度方向的勻加速直線運動；對粒子在磁場中做勻速圓周運動，應(yīng)注意洛倫茲力提供向心力這一特點。 (4)注意確定粒子在組合場交界位置處的速度大小與方向，該速度是聯(lián)系兩種運動的橋梁。 例題解析 例1：（2008寧夏（17分）如圖所示，在xOy平面的第一象限有一勻強電場，電場的方向平行于y軸向下；在x軸和第四象限的射線OC之間有一勻強磁場，磁感應(yīng)強度的大小為B，方向垂直于紙面向外。有一質(zhì)量為m帶有電荷量+q的質(zhì)點由電場左側(cè)平行于x軸射入電場

9、。質(zhì)點到達(dá)x軸上A點時，速度方向與x軸的夾角為，A點與原點O的距離為D．接著，質(zhì)點進(jìn)入磁場，并垂直于OC飛離磁場。不計重力 影響。若OC與x軸的夾角為，求： ? ⑴粒子在磁場中運動速度的大小； 　⑵勻強電場的場強大小 引導(dǎo)：（采用問答式） 1. 帶電粒子在電場中可能做什么運動？ 學(xué)生回答： 當(dāng)粒子進(jìn)入電場時的速度方向與電場線平行時，粒子做勻變速直線運動。 當(dāng)粒子進(jìn)入電場時的速度方向與電場線垂直時，粒子將做類平拋運動。

10、2. 帶電粒子在勻強磁場中可能做什么運動？ 學(xué)生回答： 當(dāng)粒子進(jìn)入勻強磁場時的速度方向與磁感線平行時，粒子將做勻速直線運動。 當(dāng)粒子進(jìn)入勻強磁場時的速度方向與磁感線垂直時，粒子將做勻速圓周運動。 3. 學(xué)生自己分析該題分為哪幾個過程？試著畫運動軌跡。并找學(xué)生在黑板上演示。 4. 教師點評總結(jié)： [點評] 解答帶電粒子在組合場中的運動問題的關(guān)鍵是分析清楚帶電粒子在各場中的運動情況，并且注意帶電粒子在兩場邊界的運動狀態(tài)，尤其是空間位置的即時速度的大小、方向，這是聯(lián)系粒子在兩個場區(qū)運動的橋梁。 學(xué)生練習(xí)：如圖，bd將矩形abcd分成l和Ⅱ兩個區(qū)域，I區(qū)域內(nèi)存在平行于ad向下的勻強電

11、場，Ⅱ區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強磁場。一質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子以速度v0從a點沿ab方向進(jìn)入電場，經(jīng)對角線bd的中點P進(jìn)入磁場。 已知ad=L，ab= L，忽略粒子的重力，求： (1)帶電粒子到達(dá)P點時速度的大小vp。 (2)若帶電粒子從P點進(jìn)入磁場后，不能從dc邊射出，求磁感應(yīng)強度B的大小。 例2（2011全國卷1）.（19分） 如圖，與水平面成45°角的平面MN將空間分成I和II兩個區(qū)域。一質(zhì)量為m、電荷量為q（q＞0）的粒子以速度從平面MN上的點水平右射入I區(qū)。粒子在I區(qū)運動時，只受到大小不變、方向豎直向下的電場作用，電場強度大小為E；在II區(qū)運動時，

12、只受到勻強磁場的作用，磁感應(yīng)強度大小為B，方向垂直于紙面向里。求粒子首次從II區(qū)離開時到出發(fā)點的距離。粒子的重力可以忽略。 教師板書詳細(xì)解題過程：(強調(diào)解題規(guī)范性) [解析] 帶電粒子進(jìn)入電場后，在電場力的作用下沿拋物線運動，其加速度方向豎直向下，設(shè)其大小為a，由牛頓定律得 qE＝ma 設(shè)經(jīng)過時間t0，粒子從平面MN上的點P1進(jìn)入磁場，由運動學(xué)公式和幾何關(guān)系得 v0t0＝at 粒子速度大小v1為 v1＝ 設(shè)速度方向與豎直方向的夾角為α，則 tanα＝ 此時粒子到出發(fā)點P0的距離為 s0＝v0t0 此后，粒子進(jìn)入磁場，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，圓的半徑為 r1

13、＝ 設(shè)粒子首次離開磁場的點為P2，弧所對的圓心角為2β，則P1到點P2的距離為 s1＝2r1sinβ 由幾何關(guān)系得 α＋β＝45° 聯(lián)立解得 s1＝ 點P2與點P0相距 l＝s0＋s1 聯(lián)立解得 l＝ 練習(xí)：如圖，直線MN 上方有平行于紙面且與MN成45°的有界勻強電場，電場強度大小未知；MN下方為方向垂直于紙面向里的有界勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。今從MN上的O點向磁場中射入一個速度大小為v、方向與MN成45°角的帶正電粒子，該粒子在磁場中運動時的軌道半徑為R。若該粒子從O點出發(fā)記為第一次經(jīng)過直線MN，而第五次經(jīng)過直線MN時恰好又通過O點。不計粒子的重力。求：

14、 (1)電場強度E的大小 (2)該粒子第五次從O點進(jìn)入磁場后，運動軌道的半徑。 (3)該粒子從O點出發(fā)到再次回到O點所需的時間。 課堂小結(jié)： ?　對于帶電粒子在分區(qū)域的電場、磁場中的運動，最簡單的處理辦法就是進(jìn)行分段處理，關(guān)鍵是要注意在兩種區(qū)域的交界處的邊界問題的處理與運動的鏈接問題。 教學(xué)反思： 本節(jié)課我們學(xué)習(xí)的是電場和磁場的組合場問題。帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中的運動，高中階段一般只考查兩種情況：在勻強電場中，做勻變速直線運動或勻變速曲線運動(類平拋運動)；在勻強磁場中做勻速直線運動或勻速圓周運動。所以可根據(jù)帶電粒子進(jìn)入某一場的初速度方向和受場力方向夾角，作出大膽合理的猜想，并經(jīng)過分析得出切合實際的結(jié)論。 作業(yè)： 1.體會帶電粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。 2.完成練習(xí)題完成對應(yīng)的課時作業(yè)。