高中物理人教版 (新课标)选修39 带电粒子在电场中的运动教案设计

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教材地位和作用
带电粒子在磁场中的运动是人教版高中物理选修3-1第三章磁场三章最第六节的内容，本节课是磁场章的重中之重，在高考题中常以综合计算题形式出现，本节教材既联系了高一的匀速圆周运动内容，又承接前面带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的内容，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。学好本节内容将增强学生科学素质，能为今后进一步更好地掌握学习方法打下基础。
重点和难点
重点：
1.运动电荷半径及周期的计算公式推导以及应用
2.回旋加速器原理分析
难点：
确定垂直射入匀强磁场中的带电粒子运动是匀速圆周运动．回旋加速器原理的理解，回旋加速器最终速度的决定因素。受已有经验影响回旋加速器最终速度的决定因素学生容易误认为是加速电压大小。
学情分析
学生已经学习了匀速圆周运动内容，能够计算关于圆周运动向心力、半径、周期等问题，在本章前面部分，业已学习过运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力的大小计算、方向判定。但学生分析问题解决问题的能力还不是很全面，本节中分析问题的思路对于学生来说是需要重点加强掌握的。
教学目标
知识与技能
（1）理解运动电荷垂直磁感线飞入磁场中的轨迹是圆周，运动状态是匀速圆周运动
（2）会分析运动电荷在磁场中的受力情况，并掌握其运动半径和周期的公式推导及应用
（3）知道质谱仪的工作原理
（4）了解加速器的基本用途，知道回旋加速器的基本构造和加速原理。
过程与方法
能从洛伦兹力提供向心力开始推导出带电粒子做圆周运动的半径及周期
通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力．
情感态度与价值观
（1）理解物理的基本原理，其应用的最终目的是科学与生活实践
（2）通过学习回旋加速器的工作原理，让学生认识先进科技的发展，有助于培养学生对物理的学习兴趣．

教法：
根据本节课的教学重难点以及学生的现有水平，本节课我所采用的教法是从研究带电粒子在电场中运动情况与磁场中运动情况对比入手，采用情景教学与发现法相结合，引导学生自己一步步得出带电粒子在磁场中的运动轨迹情况，并辅以直观演示法推理归纳等综合教学方法，使学生建立猜想--观察--分析--推理--归纳--应用这一学习过程。
学法:
通过学生观察演示实验，并对实验结果产生疑问，引导学生对实验结论进行探究从而得出带电粒子在磁场中的运动规律。对于带电粒子做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，结合以前所学的知识，以合作探究的方式进行学习，这样可以使学生主动积极地参与到学习中来，充分体现出学生的主体地位，让学生在探究的过程中体验和发现成功的喜悦。
过程分析
(一)新课引入：
多媒体展示：分别打出带电粒子垂直进入匀强电场和垂直进入匀强磁场两种情景，并使学生比较两者的运动情况。大多数学生能很快中得出粒子在电场做类似于平抛运动，而对于在匀强磁场中，学生可能不能确定。留下疑问，第二种粒子究竟应该如何运动? 而学生对此表现出浓厚的兴趣，安排一个演示实验。
（二）新课教学：
1.带电粒子在磁场中的运动
通过洛仑兹力演示仪观察带电粒子的运动轨迹。首先观察没有磁场作用时，电子的运动轨迹:，接下来加上垂直于电子速度方向的匀强磁场，发现电子轨迹为圆形，并对实验结论进行总结。此演示实验解答了学生刚才在情形②中所留轨迹问题。会给学生留下两个新的疑问:一是例子的运动轨迹为什么为圆形，二是粒子的运动轨道半径为什么随着磁感应强度的增加而减小，随着电子出射速度的增加而增加。接下来的任务便是对学生的两个疑问分别进行解决。
首先是粒子的轨迹为什么为圆形。
让学生分析带电粒子在磁场中运动时，所受洛伦兹力方向，在这样的力作用下，推导出电荷会做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力提供
影响粒子做匀速圆周运动半径大小的因素，即本节课的另一重点，我准备这样来进行教学，引导学生利用匀速圆周运动的牛顿第二定律关系式推导
设问：带电粒子做匀速圆周运动时什么力作为向心力
学生答：F向=F洛=qvB
学生答：F向=mv2/r
继续推导得出：qvB= mv2/r → r= mv/ qB，即半径公式，
引导学生试着推导周期公式，结合前面已得的半径公式，学生不难得出T=2πm/qB，即周期公式。
半径公式与周期公式的实际问题应用可设计下列几点讨论（学生分组讨论）
（1）质量不同电量相同的带电粒子，若以大小相等的动量垂直进入同一匀强磁场，它们的轨道半径关系如何？
（2）质量不同电量相同的带电粒子，若以大小相等的能量垂直进入同一匀强磁场，它们的轨道半径关系如何？
（3）在同一磁场中做半径相等的圆周运动的氢、氦原子核，哪个运动速度大？
（4）同一带电粒子，在磁场中做圆周运动，当它的速率增大时，其周期怎样改变？通过上述讨论可在加速学生对于两个公式应用的熟练掌握同时解决能量和动量在其中的应用关系。
此几步讨论目的是总结出在此种条件下半径和周期的决定因素（此为本节课的一大难点，也为质谱仪原理和回旋加速器原理的理解做好铺垫）。
为了进一步掌握带电粒子在匀强磁场中的运动规律，引导学生练习例题一，并借此介绍质谱仪的作用原理。
2回旋加速器
通过以下步骤引出回旋加速器：
（1）怎样获得高速高能量带电粒子？静电力做功 Ek=qu
（2）但技术上很难做到过高的电压怎么办？多级电压加速
（3）多级加速器加速设备太长怎么办？将这种设备像卷尺一样卷起来就好了
（4）怎样才能让带电粒子卷起来呢？用匀强磁场使带电粒子旋转
通过以上几步问题引导，然后结合回旋加速器图片和作用原理图介绍回旋加速器的作用原理，此时要让学生有几分钟的理解时间。
思考与讨论
被加速粒子的最大速度决定于什么？（此为一大难点）
学生可能有两种观点：
观点1：认为电场是用来加速的，磁场是用来回旋的，最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电压越高，粒子最终能量越高。
观点2：因为运动半径最大Rm=mVm/qB,得 Vm=qBRm/m
所以半径最大时，速度也应最大。
所以带电粒子的运动最大半径等于D形盒的半径时，粒子的速度达到最大。
对于两种观点要让学生充分交流讨论，教师再进行释疑。最后总结出结论。
由于本节内容较多，且有较多疑点，为了使学生对本节课有一个整体的认识，接下来我会安排一个课堂小结，让学生总结本堂课内容，教师最后补充并再次突出本节课的重点。
效果分析
本节内容有较多和学生日常经验相冲突的地方，对于此类问题，我会先提出问题，交由学生分组进行充分交流讨论，尽量能从学生口中找到正确答案，然后再进行引导释疑，这样避免了学生在疑点难点上出现集体“迷糊”的状况。
板书设计

（3）半径和周期的决定因素
2.回旋极速器
（1）作用原理：交变电场加速，匀速磁场偏转
（2）最大速度的决定因素:D形盒半径