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36《带电粒子在匀强磁场中的运动》-温州二中
3.6带电粒子在匀强磁场中的运动
教学目标
(一)知识与技能
1、理解洛伦兹力对粒子不做功。
2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时,粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。
3、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,知道它们与哪些因素有关。
4、了解回旋加速器的工作原理。
(二)过程与方法
通过带电粒子在匀强磁场中的受力分析,灵活解决有关磁场的问题。
(三)情感、态度与价值观
通过本节知识的学习,充分了解科技的巨大威力,体会科技的创新与应用历程。
教学重点
带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹
教学难点
带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹
教学方法
实验观察法、讲述法、分析推理法
教学手段
洛伦兹力演示仪、电源、投影仪、投影片、多媒体辅助教学设备
教学过程
(一)引入新课
提问:(1)什么是洛伦兹力?
(2)带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力?
(3)带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢?
(二)进行新课
1、带电粒子在匀强磁场中的运动
介绍洛伦兹力演示仪。如图所示。
引导学生预测电子束的运动情况。
(1)不加磁场时,电子束的径迹;
(2)加垂直纸面向外的磁场时,电子束的径迹;
(3)保持出射电子的速度不变,增大或减小磁感应强度,电子束的径迹;
(4)保持磁感应强度不变,增大或减小出射电子的速度,电子束的径迹。
教师演示,学生观察实验,验证自己的预测是否正确。
实验现象:在暗室中可以清楚地看到,在没有磁场作用时,电子的径迹是直线;在管外加上匀强磁场(这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的),电子的径迹变弯曲成圆形。磁场越强,径迹的半径越小;电子的出射速度越大,径迹的半径越大。
引导学生分析:当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时,电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用,洛伦兹力只能改变速度的方向,不能改变速度的大小。因此,洛伦兹力对粒子不做功,不能改变粒子的能量。洛伦兹力对带电粒子的作用正好起到了向心力的作用。所以,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。
思考与讨论:
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,其轨道半径r和周期T为多大呢?
出示投影片,引导学生推导:
一带电量为q,质量为m ,速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,其半径r和周期T为多大?如图所示。
粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m是由粒子所受的洛伦兹力提供的,所以
qvB=m
由此得出 r= ①
周期T= 代入①式得 T= ②
由①式可知,粒子速度越大,轨迹半径越大;磁场越强,轨迹半径越小,这与演示实验观察的结果是一致的。
由②式可知,粒子运动的周期与粒子的速度大小无关。磁场越强,周期越短。[来源:学科网]
介绍带电粒子在汽泡室运动的径迹照片,让学生了解物理学中研究带电粒子运动的方法。
[来源:学科网ZXXK]
[来源:Z.xx.k.Com]
教师引导学生对结果进行讨论,让学生了解有关质谱仪的知识。让学生了解质谱仪在科学研究中的作用。
2、回旋加速器
引导学生阅读教材有关内容,了解各种加速器的发展历程,体会回旋加速器的优越性。
课件演示,回旋加速器的工作原理,根据情况先由学生讲解后老师再总结。
在讲解回旋加速器工作原理时应使学生明白下面两个问题:
(1)在狭缝A′A′与AA之间,有方向不断做周期变化的电场,其作用是当粒子经过狭缝时,电源恰好提供正向电压,使粒子在电场中加速。狭缝的两侧是匀强磁场,其作用是当被加速后的粒子射入磁场后,做圆运动,经半个圆周又回到狭缝处,使之射入电场再次加速。
(2)粒子在磁场中做圆周运动的半径与速率成正比,随着每次加速,半径不断增大,而粒子运动的周期与半径、速率无关,所以每隔相相同的时间(半个周期)回到狭缝处,只要电源以相同的周期变化其方向,就可使粒子每到狭缝处刚好得到正向电压而加速。[来源:Z§xx§k.Com]
当堂练习
【例1】一个负离子,质量为m,电量大小为q,以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中,如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直,(1)S上时的位置与O点的距离。
(2)t到达位置P,:OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是。
【例2】如图所示,半径为r的圆形空间内,存在着垂直于纸面向里的匀强磁场,一个带电粒子(不计重力),从A点以速度v0垂直磁场方向射入磁场中,并从B点射出,∠AOB=120°,则该带电粒子在磁场中运动的时间为_______
A.2πr/3v0 B.2πr/3v0[来源:学科网ZXXK]
C.
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