高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學(xué)設(shè)計

時間：2022-06-30 21:20:47

高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學(xué)設(shè)計

高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學(xué)設(shè)計

　　選修3-1第三章

　　3．5 磁場對運動電荷的作用

　　一、教材分析

　　洛侖茲力的方向是重點，實驗結(jié)合理論探究洛侖茲力方向，再由安培力的表達式推導(dǎo)出洛侖茲力的表達式的過程是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的好機會，一定要讓全體學(xué)生都參與這一過程。

　　二、教學(xué)目標：

　　（一）知識與技能

　　1、理解洛倫茲力對粒子不做功.

　　2、理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強度的方向垂直時，粒子在勻磁場中做勻速圓周運動.

　　3、會推導(dǎo)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式，并會用它們解答有關(guān)問題. 知道質(zhì)譜儀的工作原理。

　　4、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理、及用途。

　　（二）過程與方法

　　通過綜合運用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場（電場、磁場）中的問題.

　　培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力.

　　（三）情感態(tài)度與價值觀

　　通過對本節(jié)的學(xué)習(xí)，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創(chuàng)新歷程。

　　三、教學(xué)重點難點

　　重點：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑和周期公式，并能用來分析有關(guān)問題.

　　難點：1.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動.

　　四、學(xué)情分析

　　本節(jié)是安培力的延續(xù)，又是后面學(xué)習(xí)帶電體在磁場中運動的基礎(chǔ)，還是力學(xué)分析中重要的一部分。學(xué)好本節(jié)，對以后力學(xué)綜合中涉及洛倫茲力的分析，對利用功能關(guān)系解力學(xué)問題，有很大的幫助。

　　五、教學(xué)方法

　　實驗觀察法、邏輯推理法、講解法

　　六、課前準備

　　1、學(xué)生的準備：認真預(yù)習(xí)課本及學(xué)案內(nèi)容

　　2、教師的準備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展學(xué)案

　　演示實驗

　　七、課時安排：

　　1課時

　　八、教學(xué)過程

　　（一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑

　　（二）情景引入、展示目標

　　前面我們學(xué)習(xí)了磁場對電流的作用力，下面思考兩個問題：

　　（1）如圖，判定安培力的方向

　　若已知上圖中：B=4.0×10-2 T，導(dǎo)線長L=10 cm，I=1 A。求：導(dǎo)線所受的安培力大小？

　　（2）電流是如何形成的？電荷的定向移動形成電流。

　　磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，大家會想到什么？

　　這個力可能是作用在運動電荷上的，而安培力是作用在運動電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。

　　［演示實驗］用陰極射線管研究磁場對運動電荷的作用。如圖3.5-1

　　說明電子射線管的原理：

　　從陰極發(fā)射出來電子，在陰陽兩極間的高壓作用下，使電子加速，形成電子束，轟擊到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運動軌跡。

　　實驗現(xiàn)象：在沒有外磁場時，電子束沿直線運動，將蹄形磁鐵靠近陰極射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運動軌跡發(fā)生了彎曲。

　　分析得出結(jié)論：磁場對運動電荷有作用。

　　（三）合作探究、精講點播

　　1、洛倫茲力的方向和大小

　　運動電荷在磁場中受到的作用力稱為洛倫茲力。通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

　　方向（左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，并且都和手掌在一個平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入手心，并使伸開的四指指向正電荷運動的方向，那么，大拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。

　　如果運動的是負電荷，則四指指向負電荷運動的反方向，那么拇指所指的方向就是負電荷所受洛倫茲力的方向。

　　思考：

　　1、試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受的洛倫茲力的方向。

　　甲乙丙丁

　　下面我們來討論B、v、F三者方向間的相互關(guān)系。如圖所示。

　　結(jié)論：F總垂直于B與v所在的平面。B與v可以垂直，可以不垂直。

　　洛倫茲力的大小

　　若有一段長度為L的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電量為q，定向移動的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁感應(yīng)強度為B的磁場中。

　　這段導(dǎo)體所受的安培力為 F安=BIL

　　電流強度I的微觀表達式為 I=nqSv

　　這段導(dǎo)體中含有自由電荷數(shù)為 N=nLS。

　　安培力可以看作是作用在每個運動上的洛倫茲力F的合力，這段導(dǎo)體中含有的自由電荷數(shù)為nLS，所以每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為

　　當運動電荷的速度v方向與磁感應(yīng)強度B的方向不垂直時，設(shè)夾角為θ，則電荷所受的洛倫茲力大小為

　　上式中各量的單位：

　　為牛（N），q為庫倫（C），v為米/秒（m/s），B為特斯拉（T）

　　思考與討論：

　　同學(xué)們討論一下帶電粒子在磁場中運動時，洛倫茲力對帶電粒子是否做功？

　　教師引導(dǎo)學(xué)生分析得：

　　洛倫茲力的方向垂直于v和B組成的平面即洛倫茲力垂直于速度方向，因此

　　洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以洛倫茲力對電荷不做功。

　　思考：

　　2、電子的速率v=3×106 m/s，垂直射入B=0.10 T的勻強磁場中，它受到的洛倫茲力是多大？

　　3、、來自宇宙的質(zhì)子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點，則這些質(zhì)子在進入地球周圍的空間時，將_______

　　A．豎直向下沿直線射向地面 B．相對于預(yù)定地面向東偏轉(zhuǎn)

　　C．相對于預(yù)定點稍向西偏轉(zhuǎn) D．相對于預(yù)定點稍向北偏轉(zhuǎn)

　　2、電視顯像管的工作原理

　　在圖3.5－4中，如圖所示：

　　（1）要是電子打在A點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向？垂直紙面向外

　　（2）要是電子打在B點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向？垂直紙面向里

　　（3）要是電子打從A點向B點逐漸移動，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該怎樣變化？

　　先垂直紙面向外并逐漸減小，然后垂直紙面向里并逐漸增大。

　　學(xué)生閱讀教材，進一步了解顯像管的工作過程。

　　（四）反思總結(jié)、當堂檢測

　　（五）發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置作業(yè)

　　完成P103“問題與練習(xí)”第1、2、5題。書面完成第3、4題。

　　九、板書設(shè)計

　　1、洛倫茲力的方向：左手定則

　　2、洛倫茲力的大小：

　　3、電視顯像管的工作原理

　　十、教學(xué)反思

　　“思考與討論”在課堂上可組織學(xué)生開展小組討論，根據(jù)線索的實際情況靈活鋪設(shè)臺階，讓不同層次的學(xué)生在討論中有比較深刻的感受，然后通過交流發(fā)言得出正確結(jié)論。

　　臨清三中—物理—朱廣明—盛淑貞

　　選修3-1第三章

　　3．5 磁場對運動電荷的作用

　　課前預(yù)習(xí)學(xué)案

　　一、預(yù)習(xí)目標

　　1、知道什么是洛倫茲力。

　　2、利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向。

　　3、掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。

　　4、了解電視機顯像管的工作原理。

　　二、預(yù)習(xí)內(nèi)容

　　1．運動電荷在磁場中受到的作用力，叫做。

　　2．洛倫茲力的方向的判斷──左手定則：

　　讓磁感線手心，四指指向的方向，或負電荷運動的，拇指所指電荷所受的方向。

　　3．洛倫茲力的大小:洛倫茲力公式。

　　4．洛倫茲力對運動電荷，不會電荷運動的速率。

　　5．顯像管中使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對線圈產(chǎn)生的,叫做偏轉(zhuǎn)線圈。為了與顯像管的管頸貼在一起,偏轉(zhuǎn)線圈做成。

　　三、提出疑惑

　　課內(nèi)探究學(xué)案

　　一、學(xué)習(xí)目標

　　1、利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向，理解洛倫茲力對電荷不做功。

　　2、掌握洛倫茲力大小的推理過程。

　　3、掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。

　　二、學(xué)習(xí)過程

　　例1．試判斷圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受的洛倫茲力的方向.

　　解答：甲中正電荷所受的洛倫茲力方向向上；乙中正電荷所受的洛倫茲力方向向下；丙中正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向讀者；丁中正電荷所受的洛倫茲力的方向垂直于紙面指向紙里。

　　例2：來自宇宙的電子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點，則這些電子在進入地球周圍的空間時，將（）

　　A．豎直向下沿直線射向地面 B．相對于預(yù)定地面向東偏轉(zhuǎn)

　　C．相對于預(yù)定點稍向西偏轉(zhuǎn) D．相對于預(yù)定點稍向北偏轉(zhuǎn)

　　解答：。地球表面地磁場方向由南向北，電子是帶負電，根據(jù)左手定則可判定，電子自赤道上空豎直下落過程中受洛倫茲力方向向西。故C項正確

　　例3：如圖3所示，一個帶正電q的小帶電體處于垂直紙面向里的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，若小帶電體的質(zhì)量為m，為了使它對水平絕緣面正好無壓力，應(yīng)該（）

　　A．使B的數(shù)值增大

　　B．使磁場以速率 v＝mgqB，向上移動

　　C．使磁場以速率v＝mgqB，向右移動

　　D．使磁場以速率v＝mgqB，向左移動

　　解答：為使小球?qū)ζ矫鏌o壓力，則應(yīng)使它受到的洛倫茲力剛好平衡重力，磁場不動而只增大B，靜止電荷在磁場里不受洛倫茲力， A不可能；磁場向上移動相當于電荷向下運動，受洛倫茲力向右，不可能平衡重力；磁場以V向右移動，等同于電荷以速率v向左運動，此時洛倫茲力向下，也不可能平衡重力。故B、C也不對；磁場以V向左移動，等同于電荷以速率v向右運動，此時洛倫茲力向上。當 qvB＝mg時，帶電體對絕緣水平面無壓力，則v＝mgqB，選項 D正確。

　　三、反思總結(jié)

　　四、當堂檢測

　　1. 一個電子穿過某一空間而未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則（）

　　A．此空間一定不存在磁場

　　B．此空間可能有方向與電子速度平行的磁場

　　C．此空間可能有磁場，方向與電子速度垂直

　　D．以上說法都不對

　　2. 一束帶電粒子沿水平方向飛過靜止的小磁針的正上方，小磁針也是水平放置，這時小磁針的南極向西偏轉(zhuǎn)，則這束帶電粒子可能是（）

　　A．由北向南飛行的正離子束 B．由南向北飛行的正離子束

　　C．由北向南飛行的負離子束 D．由南向北飛行的負離子束

　　3.電子以速度v0垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，則（）

　　A．磁場對電子的作用力始終不做功

　　B．磁場對電子的作用力始終不變

　　C．電子的動能始終不變

　　D．電子的動量始終不變

　　4.如圖所示，帶電粒子所受洛倫茲力方向垂直紙面向外的是（）

　　5.如圖所示，空間有磁感應(yīng)強度為B，方向豎直向上的勻強磁場，一束電子流以初速v從水平方向射入，為了使電子流經(jīng)過磁場時不偏轉(zhuǎn)（不計重力），則在磁場區(qū)域內(nèi)必須同時存在一個勻強電場，這個電場的場強大小與方向應(yīng)是（）

　　A．B/v，方向豎直向上 B．B/v，方向水平向左

　　C．Bv，垂直紙面向里 D．Bv，垂直紙面向外

　　課后練習(xí)與提高

　　1．有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，正確的是（）

　　A．電荷在磁場中一定受磁場力的作用

　　B．電荷在電場中一定受電場力的作用

　　C．電荷受電場力的方向與該處的電場方向一致

　　D．電荷若受磁場力，則受力方向與該處的磁場方向垂直

　　2．如果運動電荷在磁場中運動時除磁場力作用外不受其他任何力作用，則它在磁場中的運動可能是（）

　　A．勻速圓周運動 B．勻變速直線運動

　　C．變加速曲線運動 D．勻變速曲線運動

　　3．電子束以一定的初速度沿軸線進入螺線管內(nèi)，螺線管中通以方向隨時間而周期性變化的電流，如圖所示，則電子束在螺線管中做（）

　　A．勻速直線運動 B．勻速圓周運動

　　C．加速減速交替的運動 D．來回振動

　　4．帶電荷量為+q的粒子在勻強磁場中運動,下面說法中正確的是

　　A．只要速度大小相同,所受洛倫茲力就相同 ( )

　　B．如果把+q改為-q,且速度反向、大小不變,則洛倫茲力的大小不變

　　C．洛倫茲力方向一定與電荷速度方向垂直,磁場方向一定與電荷運動方向垂直

　　D．粒子只受到洛倫茲力的作用.不可能做勻速直線運動

　　5．如圖，是電視機的像管的結(jié)構(gòu)示意圖,熒光屏平面位于坐標平面xoy，y軸是顯像管的縱軸線,位于顯像管尾部的燈絲被電流加熱后會有電子逸出,這些電子在加速電壓的作用下以很高的速度沿y軸向十y方向射出.構(gòu)成了顯像管的“電子槍”。如果沒有其他力作用,從電子槍發(fā)射出的高速電子將做勻速直線運動打到坐標原O使熒光屏的正中間出現(xiàn)一個亮點。當在顯像管的管頸處的較小區(qū)域(圖中B部分)加沿z方向的磁場 (偏轉(zhuǎn)磁場),亮點將偏離原點0而打在x軸上的某一點,偏離的方向和距離大小依賴于磁場的磁感應(yīng)強度B。為使熒光屏上出現(xiàn)沿x軸的一條貫穿全屏的水平亮線(電子束的水平掃描運動)，偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度隨時間變化的規(guī)律是圖中 ( )

　　6．如圖所示，帶電小球在勻強磁場中沿光滑絕緣的圓弧形軌道的內(nèi)側(cè)來回往復(fù)運動，它向左或向右運動通過最低點時（）

　　Ａ．速度相同

　　B．加速度相同

　　C．所受洛倫茲力相同

　　D．軌道給它的彈力相同

　　7．兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進入同一勻強磁場，兩粒子質(zhì)量之比為1：4，電荷量之比為1：2，則兩帶電粒子受洛倫茲力之比為（）

　　A．2：1 B．1：1 C．1：2 D．1：4

　　選修3-1第三章

　　3．5 磁場對運動電荷的作用答案

　　預(yù)習(xí)內(nèi)容

　　1．洛倫茲力．

　　2．垂直穿入正電荷運動反方向洛倫茲力