选修39 带电粒子在电场中的运动教案

这是一份选修39 带电粒子在电场中的运动教案，共3页。教案主要包含了教学目标，教材分析，学法引导，教学程序，布置作业等内容，欢迎下载使用。

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．
4、了解加速器的基本用途，知道回旋加速器的基本构造和加速原理。
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
1、通过学习质谱仪、回旋加速器的工作原理，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．
2、通过介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机的研制，培养民族自豪感，激发同学们学习科学报效祖国的热情．
二、教材分析
结合教学大纲和学生的实际情况，对本节课的重点难点分析如下：
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．（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，借助演示实验来验证结论）
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.（由洛仑兹力提供向心力，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，借助例题加深理解）
三、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．
四、教学程序
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，会受到大小不变 ，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．
4、实际应用------质谱仪
学生结合教材第106页 例题，分析以下几个问题：
(a) 质谱仪的最初设计者？构造？
(b) 质谱仪的工作原理？用途？
5、回旋加速器
a、直线加速器
我们知道电场可以对带电粒子加速，如果加速电压为u，带电粒子电量为q．带电粒子从静止可加速到能量 ，由于电压的限制，所以一次加速后粒子获得的能量较小，如何获得较大的能量呢？（让学生充分讨论．）可采取多级加速的办法，经过几次加速后粒子的能量 ，所以直线加速器可使粒子获得足够
大的能量．但它占地面积太大，能否既让带电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地面积呢？（让学生展开想象）
b、回旋加速器
利用带电粒子在磁场中作圆周运动的特点，可使带电粒子回旋，为使粒子每经过两极板时都得到加速，极板间需接上一个交变电压，每加速粒子一次，带电粒子运动速率和运动半径都会增加，它运动的周期会变化吗？所接在两极板间的交变电压的周期T等于多少呢？ （让学生回答 ）
请同学们讨论：加速粒子的最终能量由哪些因素决定？
当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大。由动能的定义可以得到，要提高加速粒子最后的能量，应尽可能增大磁感应强度B和加速器的半径。
思考与讨论：
请同学们课后思考，为什么带电粒子加速后的能量与加速电压无关呢？（粒子加速获得的能量取决于磁感应强度和回旋加速器的半径，加速电压只是决定了粒子的加速次数）
小结：回旋加速器和直线加速器的比较
介绍我国正、负电子对撞机．
北京正负电子对撞机（BEPC）是我国第一台高能加速器，是高能物理研究的重大科技基础设施。由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。正、负电子在其中的高真空管道内被加速到接近光速，并在指定的地点发生对撞，通过大型探测器--北京谱仪记录对撞产生的粒子特征。科学家通过对这些数据的处理和分析，进一步认识粒子的性质，从而揭示微观世界的奥秘。这项高科技工程的竣工和投入使用，使中国高能加速器技术，一步跨越了20世纪的50、60、70年代，直接进入了20世纪80年代国际先进水平。2009年5月13日凌晨，北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）的对撞亮度在1.89GeV能量下达到3.01×10cms，胜利达到亮度的验收指标。至此，历时5年、耗资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程圆满完成。现在北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。
五、布置作业
书面作业：教材第108页：1. 2. 3.
课后思考：5