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1、带电粒子在磁场中的运动 质谱仪重庆求精中学物理组：李峥教材分析：磁场一章讲述电磁关系中基本概念之一的磁场以及磁场与带电物体之间的力学联系，是高二电磁部分的重点章节之一，而本节课则又是此章的重中之重，在历届高考命题中特别是综合计算题部分屡次出现，是本章教学中不可忽视的一个重要环节。本节课的理论基础是力学部分曲线运动知识尤其是匀速圆周运动和向心力相关内容以及前一节洛仑兹力概念和特点等内容。因此这一节既是力学部分和电磁学部分旧知识的回忆复习，又是将这两部分有机整合进行全新理论的构建过程，同时其为复合场的运动研究奠定了基础。通过本节学习，学生一方面加强了洛仑兹力作用特点的认识以及匀速圆周运动向心力概念
2、的把握，另一方面通过分析力与运动的关系得出带电粒子在磁场中的运动规律，学生能够充分体会到物理知识的联系性和规律性，而且本节从实验探究，到理论分析，再到实际应用，契合物理学研究的思维脉络，让学生不但掌握知识，更使他们能够感知研究物理问题的一般规律和方法，学好本节内容将增强学生科学素质，培养其探究精神，提高其分析问题、解决问题的能力。 结点分析：本节课主要有以下几个结点：1垂直射入匀强磁场的带电粒子其轨迹为何是圆，关键是分析力与运动的关系2带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期，根据匀速圆周运动的相关知识类比3质谱仪原理，加深对半径公式的理解一、教学目标1知识与技能：（1）理解洛伦兹力对粒
3、子不做功。（2）理解带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的条件。（3）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。（4）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。（5）了解质谱仪的工作原理。2过程与方法（1）通过提出实际问题，分析问题，解决问题的过程，学习科学的思维方法。（2）通过物理实验观察、理论推导过程，逐步掌握研究物理问题的一般方法。 3情感、态度和价值观（1）从探究中获得积极的情感体验，培养认真、严谨的科学态度和科学精神。（2）了解并体会物理学在现代科学技术中的应用，培养爱国主义精神。二、教学重难点 1带电粒子垂直进入匀强磁场的轨迹分析。 2带电粒子在磁场中做匀速圆
4、周运动的半径及周期公式推导、理解和运用。 3质谱仪工作原理的理解。三、教学器材洛伦兹力演示仪三、教学过程（一）新课引入：改革开放以来，我国的科学技术发展日新月异，特别是在高能物理方面更是取得了举世瞩目的成就，从北京正负电子对撞机到上海光源，从“阿尔法”磁谱仪到“人造太阳”无不显示出我国科技自主创新的勃勃生机。在19世纪末、20世纪初的高能物理发展过程中，同位素的分离一直是个经久不衰的话题，那么同学们能够利用已有的电磁学知识来分离氕、氘、氚这三种同位素吗？同位素中子数不同，质量有明显的差异，要分离同位素是不是应该从质量入手呀？那么怎样来分离呢？我们知道：带电粒子垂直于电场线方向进入匀强电场会发生
5、偏转，正负电荷可以被分开，这个过程中电场力远大于重力，所以其重力可以忽略，带电粒子做类平抛运动。我们能够利用这个规律来分离同位素吗？理论探究：能否利用带电粒子在匀强电场中的偏转分离同位素？当带电粒子经加速电场加速后垂直于电场线方向射入偏转电场时，带电粒子受到竖直方向的电场力而发生偏转。我们假设粒子质量为，带电量为，加速电场电压，偏转电压为，极板间距为，极板长度为，偏转角度为加速电场中：偏转电场中：由此可见：偏转角度与粒子质量无关，所以不能达到分离同位素的目的。（二）进入新课我们知道带电粒子在磁场中也可能发生偏转，那么带电粒子在磁场中的运动情况又是怎样的呢？我们能否利用带电粒子在磁场中的运动规律
6、来分离同位素呢？这就是我们今天所要研究的问题：带电粒子在磁场中的运动，质谱仪。根据上节课的知识我们知道带电粒子进入磁场可能受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力的方向可以根据左手定则来判定（复习左手定则）。如果带电粒子速度方向与磁场方向相平行时，是否受洛伦兹力作用？通过问题的设置引导学生分析力与运动关系，让学生掌握处理物理问题的一般方法，明确粒子速度方向与磁场方向相垂直时，不受洛伦兹力的作用。同时强调粒子重力可忽略这一事实，让学生学会在分析问题时抓住主要矛盾，忽略次要矛盾。实验探究：V垂直B时，带电粒子在匀强磁场中运动的轨迹如何？我们首先通过一个实验来观察。（介绍洛伦兹力演示仪并实验：电子枪：射出电子（
7、电子射线可以使管内的低压水银蒸汽（或氢气）发出辉光，显示电子径迹）；加速电场：作用是改变电子束出射的速度；亥姆霍兹线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心连线的匀强磁场）通过真实实验有效的激发学生的求知欲，利用摄像头的放大作用，让实验现象清晰的呈现，解决了普通课堂上实验现象难于全面呈现的问题。理论探究：垂直射入匀强磁场的带电粒子的运动轨迹为什么是圆？ 这个问题是本节课的突破口，只有有效的处理这个问题才能让后续的延伸和拓展迎刃而解，因此在处理时首先要求学生分组讨论，留给学生充分的思考空间，在引导时一定要注意层次性和逻辑性，根据左手定则判定其为平面运动，根据磁场、粒子速度和所受洛伦兹力方向关
8、系判定洛伦兹力不做功，通过洛伦兹力不做功判定粒子速度大小不变，洛伦兹力大小不变。 教师总结（引导学生看教材）：带电粒子初速度和所受洛伦兹力都在与磁场垂直的同一平面内，粒子只能在平面运动；洛伦兹力不做功，速度大小不变；洛伦兹力大小也不变，带电粒子做匀速圆周运动。教师对比总结：1带电粒子只要进入电场，不管是否有速度，也不管速度方向如何，就一定要受电场力的作用，而且只要粒子在电场力方向上发生位移，电场力就一定要对粒子做功。2带电粒子进入磁场就没有这么好的“待遇了”，如果粒子速度等于零，根本不受磁场力的作用，而且即便有速度，如果速度方向与磁场方向相同或相反，它也不会受磁场力的作用。更重要的是由于洛伦兹
9、力始终与带电粒子运动速度方向相垂直，洛伦兹力始终不做功。理论探究：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期既然带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，那么它的半径和周期具体如何呢？半径： 学生代表上台推导，其余同学分组讨论，合作学习，教师巡查指导，最后用视频展示台展示，能够有效的让每个同学参与学习，培养学生独立思考的能力和协作精神。理论探究：为什么带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与轨道半径和速率无关？ 引导学生从物理公式本身入手，透过现象看本质，进一步加深对带电粒子在磁场中运动规律的理解，让学生学会全面具体的看问题。知识运用：质谱仪一质量为，电荷量为的带正电的粒子，从容器A下方的小孔飘入
10、电势差为的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为的匀强磁场中做匀速圆周运动最后打在感光底片上，如图所示：求：粒子进入磁场时的速率粒子在磁场中运动的轨道半径加速电场中根据动能定理：粒子进入磁场时的速率：洛伦兹力提供向心力：粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径为（强调半径与质量关系）（实验验证：调节洛伦兹力演示仪的加速电压和励磁电流，观察半径的变化）实际应用：能否利用带电粒子在匀强磁场中的运动特点来分离同位素？ 有效的理论联系实际，紧扣新课程理念，让学生学会利用物理知识分析问题，解决问题，有效的将理论进行整合，同时暗扣引入问题，首尾契合，让课堂结构更趋完整。这个模型其实就是质谱仪，如果容器A中含
11、有电荷量相同而质量有微小差别的粒子，经加速电场加速后进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动，打到感光片的不同地方，在底片上形成若干谱线状细条（质谱线），每一条谱线对应于一定的质量。通过分析谱线我们就能得到元素的原子量，这就是质谱仪的工作原理。质谱仪的应用相当广泛，如农业食品，生物及医疗，同位素分离等。世界上首台质谱仪是由英国科学家阿斯顿发明的（阿斯顿简介），而如今质谱分析技术已经渗透到了现代生活的方方面面（举例：刑侦学上的应用：如鉴定粉状,液态和固态麻醉剂,鉴定纵火用的燃物和化学物质,鉴定炸药的原料,成分和化学药品的成分）。人类正是基于对生活现象的观察而发现问题，通过实验探索和理论分析揭示了隐藏其
12、中的规律，将其运用于解决实际问题才形成科学技术，并利用其为人类社会服务，希望同学们也用发现的眼睛去观察世界，用你们的智慧去改造世界，相信我们的明天会更好！四、知识小结：（学生完成，教师引导）1从力和运动的角度分析了匀强磁场中带电粒子的运动轨迹；2利用匀速圆周运动相关知识推导出粒子运动的半径和周期；3质谱仪的原理及应用。教学反思：本节课创新的三次使用洛伦兹力演示仪，第一次是探究带电粒子在磁场中的运动轨迹，第二次是验证其轨道半径与哪些因素有关，第三次是演示当速度方向与磁场方向成一定夹角时带电粒子的运动轨迹，通过对实验的有效处理达到了良好的教学效果。同时也注重学生思维方法的养成，特别是引导学生学会从力和运动的角度分析带电粒子垂直进入磁场的运动轨迹，首先要求学生分组讨论，其次从带电粒子速度、洛伦兹力和磁场三者之间方向的关系加以引导，得出带电粒子做平面运动，洛伦兹力不做功，带电粒子速度大小不变，洛伦兹力大小也不变等条件，最终得出了其运动规律，层次清晰而不笼统。在教学设计思路上贯彻了从实际问题出发，通过实验探索和理论分析，最终解决实际问题的一般思维方法，体现了新课程的理念。6
