带电粒子在磁场中的运动教学案例

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1、第六节带电粒子在匀强磁场中的运动一、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v与B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r、T及其应用。4、知道质谱仪与回旋加速器的基本构造、工作原理及用途。（二）过程与方法通过综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场（电场、磁场）中的问题.培养学生的分析推理能力以及应用物理知识解决实际问题的能力（三）情感态度与价值观通过对本节的学习，充分了解科技的威力，体会科技的创新历程。二、重点与难点：重点：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能

2、用来分析有关问题.难点：1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.2.综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题.三、教具：洛伦兹力演示仪、感应线圈、电源、多媒体等四、教学过程：（一）复习引入洛伦兹力：洛伦兹力大小的计算：（二）新课讲解演示：洛伦兹力演示仪的工作原理，当v⊥B时粒子的运动情况。演示实验：实验现象：结论：v⊥B；v∥B，两种情况①要明确所研究的物理现象的条件----在匀强磁场中垂直于磁场方向运动的带电粒子。②分析带电粒子的受力情况，确定粒子只可能做平面运动。③据洛伦兹力的特点，确定带电粒子的运动轨迹1．带电粒子在匀强磁场中的运动（1）、运动轨迹

3、：注意：带电粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供。推导：轨道半径r和周期T与粒子所带电量q、质量m、粒子的速度v、磁感应强度B有的关系。（2）、轨道半径和周期①轨道半径r=mv/qB②周期T=2πm/qB例题分析：如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上.(1)粒子进入磁场时的速率。(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。2、质谱仪如图所示，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，

4、已知∠AOB=120°，求该带电粒子在磁场中运动的时间。①质谱仪的结构：②质谱仪的工作原理：③同位素：④质谱仪设计者：汤姆生的学生阿斯顿⑤质谱仪的主要用途：测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具例题分析：如右图，质谱仪主要是用来研究同位素（即原子序数相同而相对原子质量不同的元素）的仪器。正离子源产生带电量为q的正离子，经S1、S2两金属板间的电压U加速后，进入离子速度选择器之中。P1、P2之间有场强为E的匀强电场和与之正交的磁感应强度为B1的匀强磁场。通过速度选择器的离子经S3细孔射入磁感应强度为B2的匀强磁场沿一半圆轨迹运动，射到照相底片M上，使底片感光。若该离子质

5、量为m，底片感光处距细孔S3的距离为x，试证明m=qB1B2x/(2E)3、回旋加速器（1）直线加速器①加速原理：②直线加速器的多级加速：③直线加速器的缺点：占有的空间范围大，在有限的空间内受到一定的限制。（2）回旋加速器①发明者：美国物理学家劳伦斯于1932年发明。②结构：核心部件为两个D形盒（加匀强磁场）和其间的夹缝（加交变电场）③加速原理：磁场的作用：电场的作用：交变电压的作用：带电粒子经加速后的最终能量：（三）例题分析例1：1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV;若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U=2.0×105

6、V，则需要几级加速？例2、一回旋加速器的D形盒，直径为D，磁感应强度为B，被加速的带电粒子带电量为q，质量为m，加速电压为U0，试写出最大速度vm,，最大动能Ekm及周期T的表达式。（说明粒子的最后动能与加速电场的大小或加速电压的高低无关）例3、用一台回旋加速器分别加速电荷量为q，质量为m的质子与m电荷量为2q，质量为4m的a粒子，的质子与a粒子获得的能量之比为；所需交变电压的频率之比为；获得上述能量所需时间之比为。（四）对本节要点做简要小结（略）例题分析1、如图10-6所示，螺线管两端加上交流电压，沿着螺线管轴线方向有一电子射入，则该电子在螺线管内将做　　A．加速直线

7、运动　B．匀速直线运动　　C．匀速圆周运动　D．简谐运动2、如图10-24所示，空中有水平向右的匀强电场和垂直于纸面向外的匀强磁场，质量为m，带电量为+q的滑块沿水平向右做匀速直线运动，滑块和水平面间的动摩擦因数为μ，滑块与墙碰撞后速度为原来的一半。滑块返回时，去掉了电场，恰好也做匀速直线运动，求原来电场强度的大小。