155带电粒子在磁场中的运动质谱仪

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1、15.5带电粒子在磁场中的运动质谱仪一、学习目标：1、知识与技能： 理解洛伦兹力对粒子不做功。 理解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。 会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径及周期公式。 会运用带电粒子在匀强磁场中的运动规律分析问题解决问题。 知道质谱仪工作原理。2、过程与方法： 通过物理实验观察、推理逐步掌握研究物理问题的科学方法。 通过观察实验能进一步熟悉控制变量法。3、情感态度与价值观 从探究中获得积极的情感体验和认真、严谨的科学态度和科学精神。 了解并体会物理学在现代科学技术中的应用。二、教学重点：1、带电粒子垂直进入匀强磁场中运动的规律。2

2、、半径和周期公式的应用。三、教学难点：带电粒子在匀强磁场中运动轨迹的确定。四、教学器材：洛伦兹力演示仪自制带电粒子模具 课件五、教学过程设计：（一）、复习引入师：上节课我们学了磁场对运动电荷的作用，那么什么叫洛伦兹力？其大小和方向如何确定？生：磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力。当电荷在垂直于磁场方向上运动时，磁场对运动电荷的作用力的大小等于电荷的电量，速率跟磁感应强度的乘积。洛伦兹力的方向由左手定则判定。师：由左手定则可知，洛伦兹力总是与粒子的运动方向垂直，那么带电粒子还能做直线运动吗？为什么？生：不能，因为粒子受到的力与运动方向不共线。师：那么带电粒子在磁场中做怎样的运动？有怎样的运动规律？

3、这就是我们这节课要深入研究的课题。板书： 五 带电粒子在磁场中运动质谱仪（二）新课教学师：我们知道，物体的运动规律取决于两个因素：一是物体的受力情况，二是物体具有的速度。因此，力和速度就是我们研究带电粒子在磁场中运动的出发点和基本点。严格说，带电粒子在磁场中还会受到重力作用，但在通常情况下，粒子受到的重力远小于洛伦兹力，所以若在问题中没有特别说明和暗示，粒子的重力是可以忽略不计的。在本节课出现的带电粒子重力均不计。因此，可认为带电粒子在磁场中只受到洛伦兹力的作用。现在我们探究这样一个问题： 带电粒子射入匀强磁场时，它的初速度方向跟磁感应强度 B的方向关系有几种情况？猜想分别有怎样的运动规律？生

4、：当带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力作用，做匀速直线运动；当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时，带电粒子受到洛伦兹力作用，可能做匀速圆周运动。（也有可能回答做类平抛运动）师：带电粒子垂直射入匀强磁场，只受洛伦兹力作用到底做什么运动呢？这就是我们这节课要解决的第一个问题。1、运动轨迹（课件展示问题一）板书：1、运动轨迹V JB （匀强）条件*只受洛伦兹力师：现在同学们从洛伦兹力与速度的关系出发， 运用已学过的运动学和动力学的知识， 逐一地分析带电粒子 的轨迹在哪个方位？速度如何变化？受力如何变化？轨迹是什么形状等问题，同桌可以互相讨论，等会请同学们回答。（学生分析同时展示

5、动画课件）轨迹平面与磁场垂直因为带电粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场 方向垂直的平面内，没有任何作用使粒子离开这个平面速度大小不变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，所以洛伦兹力的功率P Fv cos90等于0,所以洛伦兹力不对粒子做功， 粒子的速度大小不变速度方向时刻改变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，所以速度方向改变受力大小不变因为速度大小不变，根据 F =qvB得洛伦兹力大小也不变受力方向时刻改变因为速度方向改变，所以洛伦兹力方向也改变轨迹形状圆因为带电粒子受到一个大小不变， 方向总与粒子运动方向垂 直的力，因此带电粒子做匀速圆周运动， 其向心力就是洛伦 兹力师：通过大

6、家的讨论分析得出的结果是带电粒子垂直射入匀强磁场应做匀速圆周运动，这个结果是否正确 呢？我们利用实验来验证。（介绍实验仪器）中间的玻璃管是一种特制的电子射线管，下边是电子枪，电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹，前后两个圈是线圈，通电后会产生匀强磁场。这个按钮可以改 变电子枪的加速电压， 从而改变电子射出的速度大小，这个按钮可以改变线圈中的电流大小，从面使匀强磁场的 磁感应强度B发生变化。现在大家观察不加磁场和加了磁场两种情况下电子射线的径迹分别是什么形状？生：不加磁场时，电子射线的径迹是直线， 在加了垂直于速度方向的匀强磁场后，电子射线的径迹是圆形的。师：可

7、见我们刚才的分析、推理是正确的。现在我们可以下结论了：带电粒子垂直射入匀强磁场，在只受洛 伦兹力作用的情况下，洛伦兹力始终不做功，所以粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动。板书：结论：W#= 0匀速圆周运动师：这了检查同学们对以上知识的掌握情况，下面我们做一个小游戏。（出示自制带电粒子模具，并介绍游戏规则）师：画在背景纸上的有向线条表示的是磁场方向， 这个小球表示带电粒子将沿箭头所示方向进入磁场，这个圈作为带电粒子的径迹，圈上箭头方向表示粒子的旋转方向， 请同学们将这个圈放在空间适当位置， 用以表示带 电粒子在磁场中的圆周运动。（依次请两位同学上讲台来放圈）师：既然带电粒子在匀强磁场中做匀速

8、圆周运动，那么它的半径多大？周期又是多大呢？这就是我们今天要探究的第二个问题。2、轨道半径和周期（课件展示问题二）板书：2、轨道半径和周期例1、一带负电的粒子的质量为m电荷量为q,以速度v垂直射入磁感应强度为 B的匀强磁场中做匀速圆周运动，求它的轨道半径 r和运动周期T。（叫学生推导，或拿学生推导的过程用展示台展示）2分析：粒子做匀速圆周运动所需的向心力F二是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以有r2o mvr由此得出mv rqBmv2兀 r将r代入周期公式T中，得到qBv2二 mTqB板书,mv2兀m:半径 r周期T 二qBqB师：由r =叱 可知，当进入磁场中的粒子确定后，半径r与v成正比，与

9、B成反比，这一结论还可用实qB验定性验证。下面我想请一位同学上台来利用洛伦兹力演示仪来定性验证r与v和B的关系。（学生操作，教师讲解）2师：由周期表达式 T可知，周期T与v、r无关，这是一个非常重要的规律，遗憾的是我们无法用实qB验来验证它，但对这个规律必须有一个正确的理解凭我们的经验，跑步比赛中，跑得越快，绕操场一圈经历时间就越短，为什么带电粒子在磁场中运动的时间 与v、r无关呢？这种情况与跑步比赛有何不同呢？有谁能谈谈自己的观点为？生：跑步比赛时，跑的是大小相同的圈，速度越大，时间就越短，而带电粒子在磁场中运动的圈的大小是随速度的增大而增大的。从半径公式可知：速度增大一倍，半径也增大一倍，

10、周长也增大一倍，所以周期不变，因 此带电粒子在磁场中运动周期与v、r无关。板书：T与v、r无关师：至U现在为止，这们已经知道，磁场对运动的带电粒子可以施加影响，而前面我们学过的电场也可以对带电粒子施加影响，当然，电场和磁场共同存在时对带电粒子也会施加影响。这一知识在现代科学技术中有着广泛的应用。例如电视机中的显像管，电子显微镜，还有我们要学习的质谱仪，回旋加速器等，都是利用电场和磁场 控制电荷的运动的。下面请同学们运用已学过的电场和磁场知识解这样一个问题。3、质谱仪（课件展示应用）例题2： 一质量为 m,电荷量为q的带正电的粒子，从容器 A下方的小孔Si飘入电势差为U的加速电场, 然后让粒子垂

11、直进入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，如图所示，求：大致画出粒子的运动轨迹 粒子进入磁场时的速率 粒子在磁场中运动的轨道半径（学生解答后，把学生典型的错误解法和正确解法用展示台展示，并要求学生一起讨论分析后用课件展示粒子的运动轨迹）分析与解答：粒子的运动轨迹由课件展示粒子从孔Si到孔S2是一个匀加速过程，由动能定理可得=qU由此可解出2qUm粒子从孔S2到孔S3是匀速直线运动，粒子进入孔S3后在磁场中做匀速圆周运动，则轨道半径为mvr =qB _ qB22mU1 2 mv2A中含有电荷师：如果在D处放上照相胶片，则带电粒子打到胶片上就会形成谱线状的细条。如果在容器则粒子在磁场中运动的

12、轨道半量相同而质量有微小差别的粒子，则它们经过相同电场加速再进入同一匀强磁场， 径是否相同?生：不相同，根据2mUr歹得u、B、q相同,m越大r越大打到照相胶片的不同地方，在胶师：可见电量相同质量不同的粒子进入磁场后将沿着不同半径做圆周运动,片上会形成若干条谱线状的细条，这些细条叫做质谱线。每一条谱线对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周运动的半径r，而加速电场的电压 U和匀强磁场的磁感应强度 B均可测量，可见由r二2mU/可求出带电V qB2粒子的比荷 q二?，如果再已知带电粒子的电荷量 q，就可以算出它的质量，根据这个原理制成的仪器叫质m r B谱仪。质谱仪的应用主要是用来测量带电粒子

13、的质量和分析同位素。图中的谱线上标出的数字是锗同位素的质量板书：3、质谱仪课后思考：如果电量相同，质量不同的粒子同时从孔S1飘入电场，最后打到胶片上，则这此粒子运动的时间相同吗？（三）课堂小结1、知道洛伦兹力方向与带电粒子运动方向总是垂直的，因此洛伦兹力对带电粒子始终不做功。2、理解垂直磁场方向射入匀强磁场的带电粒子，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动。mv2 兀m一3、 理解公式r，T的推导过程及物理意义，还要会应用这两条公式解决实际冋题。qBqB4、理解质谱仪的原理，知道质谱仪在实际中的应用。教学说明：1、本节课是高中物理的重点内容，也是历年高考常考的部分，在高科技及探索未知世界方面也有着极其

14、广泛的 应用。2、本课在教学方法上采用了以学生互相讨论，共同探究这主，教师启发为辅的方式，最大限度地调动学生的参与意识，使其真正成为教学过程的“主体”。如果学生认为本课的内容靠他自己讨论、探究而掌握的，他有能力不依赖教师而自己去学习物理，我想本课的目的就算真正达到了。3、根据新的课程标准，物理教学的目标除了知识与技能，还有过程与方法、情感态度与价值观，所以我在教学设计过程中力图能体现这一点，如在运动轨道的确定上由学生自己讨论分析得出匀速圆周运动，轨道半径和周期公式的得出。还有在课件的封面放上物理学家洛伦兹的简单介绍，可以给学生渗透人文精神。4、本节课我设计了两个动画课件和一个自制教具，目的是为了显示粒子受力运动的动态过程，起强化重点为，深化理解的作用，同时也可激发学生学习兴趣。而引入自制教具的目的，则在于突破学生难以判断带电粒子在磁场中做圆周运动的方位和运行方向的难点，并把我们平时练习中的平面问题立体化，同时也起一点调动学生 情绪，活跃课堂气氛的作用，使学生学得轻松。