【教學(xué)設(shè)計(jì)】《洛倫茲力的應(yīng)用》（教科版）.docx

洛倫茲力的應(yīng)用 教材分析洛侖茲力的應(yīng)用是高考的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，加之洛侖茲力的應(yīng)用涉及當(dāng)今許多高科技的實(shí)驗(yàn)裝置；速度選擇器、質(zhì)譜儀、粒子回旋加速器、磁流體發(fā)電，在強(qiáng)調(diào)試題要聯(lián)系實(shí)際的今天，更賦予了新的熱點(diǎn)含義。洛侖茲力與電場力應(yīng)用的綜合性問題更能考察學(xué)生的分析和綜合應(yīng)用能力，因此受到命題專家的青睞。 教學(xué)目標(biāo)（一）知識與技能1、知道利用磁場控制帶電粒子的偏轉(zhuǎn)2、理解質(zhì)譜儀、回旋加速器的工作原理。（二）過程與方法 1、在思考、探討活動中，體會、感悟用基本物理知識解決科學(xué)研究中問題的方法。2、通過在質(zhì)譜儀、回旋加速器等背景下研究帶電粒子在場中的運(yùn)動，強(qiáng)化電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)的意義及相關(guān)儀器的設(shè)計(jì)思路。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1、通過創(chuàng)設(shè)有意義的問題情境，激發(fā)學(xué)生探究問題的熱情。 2、在解決問題的過程中，使學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)解決問題的基本分析方法。 3、通過介紹物理學(xué)家、物理學(xué)史等背景知識，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的熱情；了解現(xiàn)代科技研究的發(fā)展近況，使學(xué)生領(lǐng)悟研究帶電粒子在場中運(yùn)動的實(shí)際意義?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】回旋加速器的原理。帶電粒子在電場和磁場的受力、運(yùn)動分析與現(xiàn)代科技應(yīng)用的聯(lián)系?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】會利用洛倫茲力垂直于速度方向和幾何關(guān)系找出粒子做圓周運(yùn)動的圓心。將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型的研究方法。 課前準(zhǔn)備 教學(xué)過程演示實(shí)驗(yàn)器材，PPT，導(dǎo)學(xué)案回顧： 帶電粒子（重力不計(jì)）在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動問題：判斷下圖中帶電粒子（電量q，重力不計(jì)）所受洛倫茲力的大小和方向，并判斷帶電粒子將做什么運(yùn)動運(yùn)動形式： 運(yùn)動形式： 洛倫茲力：方向總與速度方向垂直，不改變帶電粒子的速度大小，只改變速度的 方向 。應(yīng)用一： 利用磁場控制帶電粒子的運(yùn)動 真空條件下，勻強(qiáng)磁場限定在一個圓形區(qū)域內(nèi)，該圓形的半徑為r，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向如圖所示。一個初速大小為v0的帶電粒子（m，q）沿磁場區(qū)域的直徑方向從P點(diǎn)射入磁場，粒子在洛倫茲力的作用下，在磁場中以半徑R繞O點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動，從Q點(diǎn)射出磁場時，速度大小仍是v0，但速度方向已發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，設(shè)粒子射出磁場時的速度方向與射入磁場時相比偏轉(zhuǎn)了角度，（1）請畫出帶電粒子的運(yùn)動軌跡并找出圓心O。（2）思考：通過改變哪些條件控制帶電粒子的偏轉(zhuǎn)角度？（3）應(yīng)用：顯像管【討論與交流1】（1）要使電子束打在A點(diǎn)，磁場應(yīng)沿什么方向？（2）要使電子束打在B點(diǎn)，磁場應(yīng)沿什么方向？（3）要使電子束在屏幕上位置由B點(diǎn)移到A點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場怎樣變化？總結(jié)：利用磁場控制帶電粒子的運(yùn)動方向特點(diǎn)是 回顧： 帶電粒子（重力不計(jì)）在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運(yùn)動軌道半徑r1、帶電粒子（重力不計(jì)）在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運(yùn)動時， 力提供向心力。 r= 比荷：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做比荷，又稱荷質(zhì)比。它是帶電粒子的基本參量2、可見r與速度V、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、粒子的比荷有關(guān)，同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同問題：能否根據(jù)帶電粒子的運(yùn)動軌跡分辨比荷不同的粒子？應(yīng)用二： 質(zhì)譜儀1、結(jié)構(gòu)：（1）A：帶電粒子注入器（2）S1S2：加速電場（U）（3）S2S3：速度選擇器（E、B1)（4）偏轉(zhuǎn)磁場（B2)（5）照相底片2、原理：（1）S1S2為加速電場：設(shè)帶電粒子的初速為零，經(jīng)過加速電場加速后的速度推導(dǎo)： = （2）偏轉(zhuǎn)磁場B2：一束帶電粒子（、）以相同的速度由S3垂直射入勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動。帶電粒子打到照相底片上某一位置，設(shè)此位置到狹縫S3的距離為L，求他們運(yùn)動的軌道半徑之比。3、作用：通過測出粒子圓周運(yùn)動的半徑，計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器 m= 回顧： 帶電粒子（重力不計(jì)）在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運(yùn)動周期T (T與速率v和半徑r無關(guān))應(yīng)用三： 回旋加速器1、結(jié)構(gòu)：核心部件 兩個D形盒及兩個大磁極 D形盒間的窄縫 高頻交流電2、原理：（1）磁場的作用： 偏轉(zhuǎn)回旋（2）電場的作用：加速（3）交變電壓的作用：保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被加速3、回旋加速器特點(diǎn)總結(jié)：問題1：粒子被加速后，運(yùn)動速率和運(yùn)動半徑都會增加，它的運(yùn)動周期會增加嗎？問題2：在回旋加速器中，如果兩個D型盒不是分別接在高頻交流電源的兩極上，而是接在直流的兩極上，那么帶電粒子能否被加速？請?jiān)趫D中畫出粒子的運(yùn)動軌跡。 問題3：要使粒子每次經(jīng)過電場都被加速，應(yīng)在電極上加一個 電壓。根據(jù)右圖，說一說為使帶電粒子不斷得到加速，提供的電壓應(yīng)符合怎樣的要求？兩板間的電場是周期變化的其中，T= 問題4：在回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定？問題5：已知D形盒的直徑為D，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，交變電壓的電壓為U，求：從出口射出時，粒子的速度v=？問題6：已知D形盒的直徑為D，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，交變電壓的電壓為U，求：（1）從出口射出時，粒子的動能Ek=？（2）要增大粒子的最大動能可采取哪些措施？4、回旋加速器特點(diǎn)總結(jié)：（1）在磁場中做圓周運(yùn)動，周期不變（2）每一個周期加速兩次（3）電場的周期與粒子在磁場中做圓周運(yùn)動周期相同（4）電場一個周期中方向變化兩次（5）粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定（6）電場加速過程中，時間極短，可忽略【課后思考】質(zhì)譜儀S2S3之間的作用是什么？ 重力不計(jì)，帶電量為+q，質(zhì)量為m的帶電粒子經(jīng)過加速電場加速后，從S2到S3的過程中，試分析：（1）帶電粒子從S2 進(jìn)入時，受洛倫茲力方向如何？（2）欲使粒子能從S3穿出，P1、P2之間的電場E方向如何？為什么？（3）帶電粒子從S2進(jìn)入，并能從S3穿出，它在S2到S3之間的運(yùn)動是直線運(yùn)動嗎？（4）如可使帶電粒子在S2到S3之間做勻速直線運(yùn)動，勻速直線運(yùn)動的條件是什么？寫出它的受力平衡關(guān)系 （5）能穿出S3的帶電粒子速度v滿足什么關(guān)系？通過以上分析，你知道怎樣控制進(jìn)入B2區(qū)粒子的速度嗎？直線加速器閱讀材料要使一個帶正電微粒獲得更大的速度（能量），可采用多個電場，使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級加速。但直接采用上圖進(jìn)行多級加速，并不可行，會經(jīng)過一段加速、和減速的過程。改進(jìn)辦法：采用靜電屏蔽可以用金屬圓筒代替原來的極板這樣，既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場，又使得圓筒內(nèi)部的場強(qiáng)為零，從而消除了減速電場的不利影響進(jìn)一步改進(jìn)：為了簡化裝置，我們可用一個公用電源來提供各級的加速電壓但是，如果我們要加速一帶正電的粒子，若電源的極性保持恒定（始終為A正B負(fù)），這個粒子并不能“一路順風(fēng)”，不斷加速。為了實(shí)現(xiàn)帶電粒子的多級加速，應(yīng)該采用交變電源，使粒子進(jìn)入每一級都能繼續(xù)加速。并且電源極性的變化還必須與