高中物理《磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用力》教學(xué)設計
高中物理《磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用力》教學(xué)設計
選修3-1第三章
3．5 磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用
一、教材分析
洛侖茲力的方向是重點(diǎn)，實(shí)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(guò)程是培養學(xué)生邏輯思維能力的好機會(huì )，一定要讓全體學(xué)生都參與這一過(guò)程。
二、教學(xué)目標：
�。ㄒ唬┲R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(shí)，粒子在勻磁場(chǎng)中做勻速圓周運動(dòng).
3、會(huì )推導帶電粒子在勻強磁場(chǎng)中做勻速圓周運動(dòng)的半徑、周期公式，并會(huì )用它們解答有關(guān)問(wèn)題. 知道質(zhì)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 。
�。ǘ┻^(guò)程與方法
通過(guò)綜合運用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復合場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）中的問(wèn)題.
培養學(xué)生的分析推理能力.
�。ㄈ┣楦袘B(tài)度與價(jià)值觀(guān)
通過(guò)對本節的學(xué)習，充分了解科技的巨大威力，體會(huì )科技的創(chuàng )新歷程。
三、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)
重點(diǎn)：帶電粒子在勻強磁場(chǎng)中做勻速圓周運動(dòng)的半徑和周期公式，并能用來(lái)分析有關(guān)問(wèn)題.
難點(diǎn)：1.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動(dòng).
四、學(xué)情分析
本節是安培力的延續，又是后面學(xué)習帶電體在磁場(chǎng)中運動(dòng)的基礎，還是力學(xué)分析中重要的一部分。學(xué)好本節，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(wèn)題，有很大的幫助。
五、教學(xué)方法
實(shí)驗觀(guān)察法、邏輯推理法、講解法
六、課前準備
1、學(xué)生的準備：認真預習課本及學(xué)案內容
2、教師的準備：多媒體課件制作，課前預習學(xué)案，課內探究學(xué)案，課后延伸拓展學(xué)案
演示實(shí)驗
七、課時(shí)安排：
1課時(shí)
八、教學(xué)過(guò)程
�。ㄒ唬╊A習檢查、總結疑惑
�。ǘ┣榫耙�、展示目標
前面我們學(xué)習了磁場(chǎng)對電流的作用力，下面思考兩個(gè)問(wèn)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(xiàn)長(cháng)L=10 cm，I=1 A。求：導線(xiàn)所受的安培力大��？
�。�2）電流是如何形成的？ 電荷的定向移動(dòng)形成電流。
磁場(chǎng)對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，大家會(huì )想到什么？
這個(gè)力可能是作用在運動(dòng)電荷上的，而安培力是作用在運動(dòng)電荷上的力的宏觀(guān)表現。
�。垩菔緦�(shí)驗］用陰極射線(xiàn)管研究磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用。如圖3.5-1
說(shuō)明電子射線(xiàn)管的原理：
從陰極發(fā)射出來(lái)電子，在陰陽(yáng)兩極間的高壓作用下，使電子加速，形成電子束，轟擊到長(cháng)條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運動(dòng)軌跡。
實(shí)驗現象：在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線(xiàn)運動(dòng)，將蹄形磁鐵靠近陰極射線(xiàn)管，發(fā)現電子束運動(dòng)軌跡發(fā)生了彎曲。
分析得出結論：磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷有作用。
�。ㄈ┖献魈骄�、精講點(diǎn)播
1、洛倫茲力的方向和大小
運動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的作用力稱(chēng)為洛倫茲力。通電導線(xiàn)在磁場(chǎng)中所受安培力實(shí)際是洛倫茲力的宏觀(guān)表現。
方向（左手定則：伸開(kāi)左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且都和手掌在一個(gè)平面內，讓磁感線(xiàn)垂直穿入手心，并使伸開(kāi)的四指指向正電荷運動(dòng)的方向，那么，大拇指所指的方向就是運動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向。
如果運動(dòng)的是負電荷，則四指指向負電荷運動(dòng)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(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)所受的洛倫茲力的方向。
甲 乙 丙 丁
下面我們來(lái)討論B、v、F三者方向間的相互關(guān)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(cháng)度為L(cháng)的通電導線(xiàn)，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數為n，每個(gè)自由電荷的電量為q，定向移動(dòng)的平均速率為v，將這段導線(xiàn)垂直于磁場(chǎng)方向放入磁感應強度為B的磁場(chǎng)中。
這段導體所受的安培力為 F安=BIL
電流強度I的微觀(guān)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(gè)運動(dòng)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(gè)自由電荷所受的洛倫茲力大小為
當運動(dòng)電荷的速度v方向與磁感應強度B的方向不垂直時(shí)，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(xué)們討論一下帶電粒子在磁場(chǎng)中運動(dòng)時(shí)，洛倫茲力對帶電粒子是否做功？
教師引導學(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(chǎng)中，它受到的洛倫茲力是多大？
3、、來(lái)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(diǎn)，則這些質(zhì)子在進(jìn)入地球周?chē)目臻g時(shí)，將_______
A．豎直向下沿直線(xiàn)射向地面 B．相對于預定地面向東偏轉
C．相對于預定點(diǎn)稍向西偏轉 D．相對于預定點(diǎn)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(yíng)點(diǎn)，偏轉磁場(chǎng)應該沿什么方向？ 垂直紙面向外
�。�2）要是電子打在B點(diǎn)，偏轉磁場(chǎng)應該沿什么方向？ 垂直紙面向里
�。�3）要是電子打從A點(diǎn)向B點(diǎn)逐漸移動(dòng)，偏轉磁場(chǎng)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(xué)生閱讀教材，進(jìn)一步了解顯像管的工作過(guò)程。
�。ㄋ模┓此伎偨Y、當堂檢測
�。ㄎ澹┌l(fā)導學(xué)案、布置作業(yè)
完成P103“問(wèn)題與練習”第1、2、5題。書(shū)面完成第3、4題。
九、板書(shū)設計
1、洛倫茲力的方向：左手定則
2、洛倫茲力的大�。�
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(kāi)展小組討論，根據線(xiàn)索的實(shí)際情況靈活鋪設臺階，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(guò)交流發(fā)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(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用
課前預習學(xué)案
一、預習目標
1、知道什么是洛倫茲力。
2、利用左手定則會(huì )判斷洛倫茲力的方向。
3、掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)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(dòng)電荷在磁場(chǎng)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(xiàn) 手心，四指指向 的方向，或負電荷運動(dòng)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(dòng)電荷 ，不會(huì ) 電荷運動(dòng)的速率。
5．顯像管中使電子束偏轉的磁場(chǎng)是由兩對線(xiàn)圈產(chǎn)生的,叫做偏轉線(xiàn)圈。為了與顯像管的管頸貼在一起,偏轉線(xiàn)圈做成 。
三、提出疑惑
課內探究學(xué)案
一、 學(xué)習目標
1、利用左手定則會(huì )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(guò)程。
3、掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。
二、學(xué)習過(guò)程
例1．試判斷圖中所示的帶電粒子剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)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(lái)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(diǎn)，則這些電子在進(jìn)入地球周?chē)目臻g時(shí)，將 （ ）
A．豎直向下沿直線(xiàn)射向地面 B．相對于預定地面向東偏轉
C．相對于預定點(diǎn)稍向西偏轉 D．相對于預定點(diǎn)稍向北偏轉
解答：。地球表面地磁場(chǎng)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(guò)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(gè)帶正電q的小帶電體處于垂直紙面向里的勻強磁場(chǎng)中，磁感應強度為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(wú)壓力，應該（ ）
A．使B的數值增大
B．使磁場(chǎng)以速率 v＝mgqB，向上移動(dòng)
C．使磁場(chǎng)以速率v＝mgqB，向右移動(dòng)
D．使磁場(chǎng)以速率v＝mgqB，向左移動(dòng)
解答：為使小球對平面無(wú)壓力，則應使它受到的洛倫茲力剛好平衡重力，磁場(chǎng)不動(dòng)而只增大B，靜止電荷在磁場(chǎng)里不受洛倫茲力， A不可能；磁場(chǎng)向上移動(dòng)相當于電荷向下運動(dòng)，受洛倫茲力向右，不可能平衡重力；磁場(chǎng)以V向右移動(dòng)，等同于電荷以速率v向左運動(dòng)，此時(shí)洛倫茲力向下，也不可能平衡重力。故B、C也不對；磁場(chǎng)以V向左移動(dòng)，等同于電荷以速率v向右運動(dòng)，此時(shí)洛倫茲力向上。當 qvB＝mg時(shí)，帶電體對絕緣水平面無(wú)壓力，則v＝mgqB，選項 D正確。
三、反思總結
四、當堂檢測
1. 一個(gè)電子穿過(guò)某一空間而未發(fā)生偏轉，則 （ ）
A．此空間一定不存在磁場(chǎng)
B．此空間可能有方向與電子速度平行的磁場(chǎng)
C．此空間可能有磁場(chǎng) ，方向與電子速度垂直
D．以上說(shuō)法都不對
2. 一束帶電粒子沿水平方向飛過(guò)靜止的小磁針的正上方，小磁針也是水平放置，這時(shí)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(jìn)入磁感應強度為B的勻強磁場(chǎng)中，則 （ ）
A．磁場(chǎng)對電子的作用力始終不做功
B．磁場(chǎng)對電子的作用力始終不變
C．電子的動(dòng)能始終不變
D．電子的動(dòng)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(chǎng)，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(guò)磁場(chǎng)時(shí)不偏轉（不計重力），則在磁場(chǎng)區域內必須同時(shí)存在一個(gè)勻強電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的場(chǎng)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(guān)電荷所受電場(chǎng)力和洛倫茲力的說(shuō)法中，正確的是 （ ）
A．電荷在磁場(chǎng)中一定受磁場(chǎng)力的作用
B．電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力的作用
C．電荷受電場(chǎng)力的方向與該處的電場(chǎng)方向一致
D．電荷若受磁場(chǎng)力，則受力方向與該處的磁場(chǎng)方向垂直
2．如果運動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中運動(dòng)時(shí)除磁場(chǎng)力作用外不受其他任何力作用，則它在磁場(chǎng)中的運動(dòng)可能是 （ ）
A．勻速圓周運動(dòng) B．勻變速直線(xiàn)運動(dòng)
C．變加速曲線(xiàn)運動(dòng) D．勻變速曲線(xiàn)運動(dòng)
3．電子束以一定的初速度沿軸線(xiàn)進(jìn)入螺線(xiàn)管內，螺線(xiàn)管中通以方向隨時(shí)間而周期性變化的電流，如圖所示，則電子束在螺線(xiàn)管中做 （ ）
A．勻速直線(xiàn)運動(dòng) B．勻速圓周運動(dòng)
C．加速減速交替的運動(dòng) D．來(lái)回振動(dòng)
4．帶電荷量為+q的粒子在勻強磁場(chǎng)中運動(dòng),下面說(shuō)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(chǎng)方向一定與電荷運動(dòng)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(xiàn)運動(dòng)
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(xiàn),位于顯像管尾部的燈絲被電流加熱后會(huì )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(méi)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(xiàn)運動(dòng)打到坐標原O使熒光屏的正中間出現一個(gè)亮點(diǎn)。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(chǎng) (偏轉磁場(chǎng)),亮點(diǎn)將偏離原點(diǎn)0而打在x軸上的某一點(diǎn),偏離的方向和距離大小依賴(lài)于磁場(chǎng)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(xiàn)(電子束的水平掃描運動(dòng))，偏轉磁場(chǎng)的磁感應強度隨時(shí)間變化的規律是圖中 ( )
6．如圖所示，帶電小球在勻強磁場(chǎng)中沿光滑絕緣的圓弧形軌道的內側來(lái)回往復運動(dòng)，它向左或向右運動(dòng)通過(guò)最低點(diǎn)時(shí) （ ）
�。粒俣认嗤�
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(gè)帶電粒子以相同的速度垂直磁感線(xiàn)方向進(jìn)入同一勻強磁場(chǎng)，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(chǎng)對運動(dòng)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(dòng) 反方向 洛倫茲力
3． F＝qvBsinθ
4． 不做功 改變
5． 馬鞍形
當堂檢測
1、B；2、AD；3、Ａ、C；4、C；5、C；
課后練習與提高
1、ＢＤ 2、ＡＣ 3、Ａ 4、ＢＤ 5、Ａ 6、B 7、C
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