高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學設計

時間：2024-07-28 06:49:57

高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學設計

高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教學設計

　　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，實驗結合理論探究洛侖茲力方向，再由安培力的表達式推導出洛侖茲力的表達式的過程是培養學生邏輯思維能力的好機會，一定要讓全體學生都參與這一過程。

　　二、教學目標：

　　（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問題. 知道質譜儀的工作原理。

　　4、知道回旋加速器的基本構造、工作原理、及用途。

　　（二）過程與方法

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

　　培養學生的分析推理能力.

　　（三）情感態度與價值觀

　　通過對本節的學習，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創新歷程。

　　三、教學重點難點

　　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，并能用來分析有關問題.

　　難點：1.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動.

　　四、學情分析

　　本節是安培力的延續，又是后面學習帶電體在磁場中運動的基礎，還是力學分析中重要的一部分。學好本節，對以后力學綜合中涉及洛倫茲力的分析，對利用功能關系解力學問題，有很大的幫助。

　　五、教學方法

　　實驗觀察法、邏輯推理法、講解法

　　六、課前準備

　　1、學生的準備：認真預習課本及學案內容

　　2、教師的準備：多媒體課件制作，課前預習學案，課內探究學案，課后延伸拓展學案

　　演示實驗

　　七、課時安排：

　　1課時

　　八、教學過程

　　（一）預習檢查、總結疑惑

　　（二）情景引入、展示目標

　　前面我們學習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，導線長L=10 cm，I=1 A。求：導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。

　　［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出熒光，可以顯示電子束的運動軌跡。

　　實驗現象：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，發現電子束運動軌跡發生了彎曲。

　　分析得出結論：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。通電導線在磁場中所受安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現。

　　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，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系。如圖所示。

　　結論：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的通電導線，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數為n，每個自由電荷的電量為q，定向移動的平均速率為v，將這段導線垂直于磁場方向放入磁感應強度為B的磁場中。

　　這段導體所受的安培力為 F安=BIL

　　電流強度I的微觀表達式為 I=nqSv

　　這段導體中含有自由電荷數為 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，這段導體中含有的自由電荷數為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方向與磁感應強度B的方向不垂直時，設夾角為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？

　　教師引導學生分析得：

　　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．相對于預定地面向東偏轉

　　C．相對于預定點稍向西偏轉 D．相對于預定點稍向北偏轉

　　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，偏轉磁場應該沿什么方向？垂直紙面向外

　　（2）要是電子打在B點，偏轉磁場應該沿什么方向？垂直紙面向里

　　（3）要是電子打從A點向B點逐漸移動，偏轉磁場應該怎樣變化？

　　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。

　　學生閱讀教材，進一步了解顯像管的工作過程。

　　（四）反思總結、當堂檢測

　　（五）發導學案、布置作業

　　完成P103“問題與練習”第1、2、5題。書面完成第3、4題。

　　九、板書設計

　　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、教學反思

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

　　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

　　課前預習學案

　　一、預習目標

　　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、預習內容

　　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的磁場是由兩對線圈產生的,叫做偏轉線圈。為了與顯像管的管頸貼在一起,偏轉線圈做成。

　　三、提出疑惑

　　課內探究學案

　　一、學習目標

　　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、學習過程

　　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．相對于預定地面向東偏轉

　　C．相對于預定點稍向西偏轉 D．相對于預定點稍向北偏轉

　　解答：。地球表面地磁場方向由南向北，電子是帶負電，根據左手定則可判定，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，磁感應強度為B，若小帶電體的質量為m，為了使它對水平絕緣面正好無壓力，應該（）

　　A．使B的數值增大

　　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：為使小球對平面無壓力，則應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

　　四、當堂檢測

　　1. 一個電子穿過某一空間而未發生偏轉，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，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，為了使電子流經過磁場時不偏轉（不計重力），則在磁場區域內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

　　課后練習與提高

　　1．有關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，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構示意圖,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.構成了顯像管的“電子槍”。如果沒有其他力作用,從電子槍發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一個亮點。當在顯像管的管頸處的較小區域(圖中B部分)加沿z方向的磁場 (偏轉磁場),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強度B。為使熒光屏上出現沿x軸的一條貫穿全屏的水平亮線(電子束的水平掃描運動)，偏轉磁場的磁感應強度隨時間變化的規律是圖中 ( )

　　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側來回往復運動，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

　　預習內容

　　1．洛倫茲力．

　　2．垂直穿入正電荷運動反方向洛倫茲力