1【人教版】高中物理选修3-1教案设计.8 带电粒子在匀强磁场中的运动

人教版高中物理-选修3-1-优秀教案《磁场》全章本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March第三章磁场全章教学设计全章教学内容分析我们生活在磁的世界里，但是磁对我们来说，依然相当神秘。

本章从磁现象和电流磁效应导入磁场，首先介绍了磁场的性质及描述，进而研究磁场对通电导线和运动电荷的作用力。

最后介绍带电粒子在磁场中的运动。

全章的知识结构始终遵循“从充满问题的现象入手，从实验中发现本质，从本质中体会应用”这一思路。

磁场对电流的作用——安培力在本章中起着承上启下的作用，它不仅是磁场性质的重要体现，而且是学习电流表工作原理和推导洛伦兹力公式的基础，还是电磁感应动态分析的重要组成部分。

在洛伦兹力公式的处理上，教材从“磁场对电流有力的作用”和“电流是由电荷的定向移动形成的”这两个事实出发，提出磁场对运动电荷有作用力的设想，然后用实验来验证，在此基础上引入洛伦兹力概念，并借助电流的微观模型推导洛伦兹力。

一般情况下，带电粒子在磁场中的运动比较复杂，它被广泛运用于探索物质的微观结构图相互作用并且在现代科技中有着广泛的应用。

教材结合显像管、质谱仪、回旋加速器应用实例主要介绍了带电粒子垂直进入匀强磁场中的匀速圆周运动，旨在让学生掌握粒子运动与控制的研究方法。

课标要求1．内容标准(1)列举磁现象在生活和生产中的应用。

了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。

关注与磁相关的现代技术发展。

例1：观察计算机磁盘驱动器的结构，大致了解其工作原理。

(2)了解磁场，知道磁感应强度和磁通量。

会用磁感线描述磁场。

例2：了解地磁场的分布、变化，及其对人类生活的影响。

(3)会判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向。

(4)通过实验认识安培力，会判断安培力的方向。

会计算匀强磁场中安培力的大小。

例3：利用电流天平或其他简易装置，测量或比较磁场力。

一．教材分析1.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。

2.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。

二．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。

三．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。

带电粒子在匀强磁场中的运动学案设计学习目标：1、知道带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

2、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的特点和解决此类运动的方法。

3、掌握带点粒子在复合场中的运动的分析。

4、理解质谱仪和回旋加速器的工作原理和作用。

学习的重点1、解决带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动问题2、复合场中各种力的大小和方向的确定，及运动情况的分析。

学习的难点利用洛伦兹力的计算公式、圆周运动的知识、几何关系去解决带电粒子在复合场中运动的有关问题。

预习案1、复合场是指电场、磁场、重力场并存，或其中某两种场并存的场。

如速度选择器、磁流体发电机、霍尔效应、电磁流量计是和的复合场。

带电粒子在这些复合场中运动时，必须同时考虑、和的作用或其中某两种力的作用，因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要。

2、在重力场中，物体将受到重力的作用，重力大小=G, 方向：，重力做功与路径，=W，重力做功改变物体的重力势能；在静电场中，带点粒子受到电场力的作用，电场力大小=F,方向与电荷的有关，即正电荷受力方向与场强方向，负电荷受力方向，电场力做功与路径，=W，电场力做功改变；在磁场中，带点粒子不一定受洛仑兹力，当和垂直时，洛仑兹力大小=F, 洛仑兹力做功，不改变带点粒子的。

导学案回答下列问题1、D形盒和盒间电场都应该在真空中被加速粒子的最大速度决定于什么？2、如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？为什么？带电粒子在复合场电运动的基本分析1、当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止、2、当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动、3、当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动、4、当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的时，粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理。

《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计一、教材分析1、组成成分及地位和作用《带电粒子在匀强磁场中的运动》是高中新教材人教版选修3-1第三章第六节的内容，本节课在第五节内容《磁场对带电粒子的作用》的基础上，对于带电粒子在磁场中运动规律的进一步研究和深入的挖掘，并要求学生能够将这些规律应用到实际当中。

在本节课的学习过程中同时涉及到了力学、电学以及洛伦兹力的知识，对于学生提高综合应用知识的能力具有极为重要的作用。

二、学情分析1、已有的认知水平学生已经掌握了牛顿定律、速度的合成与分解、圆周运动、动能定理和静电场的有关知识，也完成了对于洛伦兹力的初步学习，能够在教师的引导下分析出带电粒子在匀强磁场中的运动规律并加以应用。

2、学习中的困难本节课要求学生对于《曲线运动》部分的“速度合成和分解”以及“圆周运动”的知识能够熟练地应用。

同时由于学生刚刚完成对于洛伦兹力的学习，应用不是十分熟练，因此需要教师的适当引导和设置具有合适梯度的问题。

三、教学目标分析根据学生的认知水平和教科书的内容，本节课要求学生在已有的知识的基础上深入研究带电粒子在匀强磁场中的运动，因此确立本节课的三维教学目标为：1.知识与技能目标：（1）通过牛顿定律和曲线运动的知识，明确带电粒子在匀强磁场中的运动形式（2）带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的规律（3）质谱仪的原理和应用2.过程与方法目标：（1）引导学生通过学习带电粒子在匀强磁场中的运动，初步理解极光的成因（2）通过引入实际问题开始研究规律，在找到规律后又回归到实际问题的研究中，使学生体会应用知识解决问题的过程。

（3）通过分析、总结质谱仪的工作原理，明确质谱仪发现同位素的理论基础3.情感、态度与价值观目标：（1）通过实际问题引入，激发学生的探究热情、体验应用物理知识带来的快乐（2）通过对带电粒子运动规律的剖析，让学生体会科学研究的乐趣（3）通过对质谱仪的讲解及对科学家的介绍激发学生对于科学的崇敬之情四、教学重点、难点分析➢教学重点：带电粒子在匀强磁场中的运动形式及原因➢教学难点：应用所学知识分析极光的成因五、学法与教法分析➢学法分析根据学生的实际情况，我将“应用知识分析规律”和“应用规律解决复杂问题”作为本节课学法指导的重点。

来学习——带电粒子在匀强磁场中的运动。

（二）进行新课1、带电粒子在匀强磁场中的运动教师：介绍洛伦兹力演示仪。

如图所示。

教师：引导学生预测电子束的运动情况。

（1）不加磁场时，电子束的径迹；（2）加垂直纸面向外的磁场时，电子束的径迹；（3）保持出射电子的速度不变，增大或减小磁感应强度，电子束的径迹；（4）保持磁感应强度不变，增大或减小出射电子的速度，电子束的径迹。

教师演示，学生观察实验，验证自己的预测是否正确。

实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形。

磁场越强，径迹的半径越小；电子的出射速度越大，径迹的半径越大。

教师指出：当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用，洛伦兹力只能改变速度的方向，不能改变速度的大小。

因此，洛伦兹力对粒子不做功，不能改变粒子的能量。

洛伦兹力对带电粒子的作用正好起到了向心力的作用。

所以，当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

思考与讨论：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径r和周期T为多大呢？出示投影片，引导学生推导：一带电量为q ，质量为m ，速度为v 的带电粒子垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中，其半径r 和周期T 为多大？如图所示。

学生推导：粒子做匀速圆周运动所需的向心力F =m rv 2是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以qvB =m rv 2由此得出r =qB mv ① 周期T =v r π2 代入①式得T =qBm π2 ② 师生互动、总结：由①式可知，粒子速度越大，轨迹半径越大；磁场越强，轨迹半径越小，这与演示实验观察的结果是一致的。

由②式可知，粒子运动的周期与粒子的速度大小无关。

磁场越强，周期越短。

点评：演示实验与理论推导相结合，使学生从感性认识上升到理性认识，实现认识上的升华。

带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计一、设计思路1．设计思想力求贯彻新课程的教学理念，引导学生在已有知识基础上，依据科学研究的方法探究问题，获得知识，在探究过程中，体现学生的主体性，培养学生的问题分析能力，增强学生学以致用的意识,注重学生科学素养的养成。

采用理论探究与实验验证相结合的教学模式，整堂课主要探究三个问题：1．当带电粒子的运动速度与磁感应强度平行时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？ 2．当带电粒子的运动速度与磁感应强度垂直时，带电粒子在匀强磁场中做什么运动？ 3．学习了带电粒子在匀强磁场中运动的规律后可以帮助我们解决什么问题？按照“知识复习——问题提出——理论推导——困难呈现——学生讨论——实验验证——规律获得——知识应用”的教学思路。

引导学生利用已有的物理知识尝试解决新的物理问题；要求学生利用已经习得的力和运动的知识进行理论探究，再对获得的结果或猜想进行实验验证，最后激发学生利用所学物理知识解决实际问题的意识。

着力培养学生从一般规律到特殊规律的知识迁移能力、从实际模型到理想模型的模型构建能力、从理论知识到实际应用的知识应用能力。

有别于常规的教师讲理论学生机械的重复验证，让学生从问题和困难出发利用原有知识去解决一个实际问题，提高了学生的学习兴趣。

使学生在获得知识的同时，体验科学探究过程，感悟科学研究问题的方法，提升探索自然的兴趣与热情，培养实验探究能力、交流协作能力、分析解决问题的能力、评价和改进方案的能力以及对实验结论反思的习惯。

2．理论依据根据物理学科特点，将理论探究与实验验证结合；根据思维发展要求，遵循先特殊、后一般、先定性，后定量的有序过程；根据教学理论要求，将学生自主建构和教师提供合适的情景、问题和学习资源相结合；使知识的逻辑顺序、认知的发展顺序与教学情景、问题和学生的学习活动的安排顺序有机协调。

二、教材分析磁场是物理学研究的重要对象，对磁场本质的认识有力促进了现代工业和现代科学技术的发展。

《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计一、教学设计思路这节内容主要是使学生清楚在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下运动的情况及其成因。

有洛伦兹力演示仪和动画课件的辅助，学生大体理解带电粒子是做匀速圆周运动，轨道半径和周期也不难明白，但更多的是让学生了解过程、细节，如每时每刻洛伦力兹力与粒子速度都是垂直关系，这往往是解决带是粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动综合性问题的突破口。

而这样的综合性题目在高考中常常见到，有时甚至以压轴题出现，要很好地解决它，不是仅仅知道轨道半径公式和周期公式就行的，分析出粒子的运动过程，找出其几何关系，才是解决问题的首要。

为了使学生注意带电粒子在匀强磁场中运动的过程，采用课件动画模拟，从而反复观察直到学生清楚为止，也验证着相关的猜想和结果。

为了保持思想的流畅和活跃，在观察动画或视频的同时（或之后），逐步提出有关问题，分解成多个问题，阶梯式地上升，逼近结果，得出结论。

二、教学目标1．知识与技能（1）了解显示电子径迹的方法（2）理解带电粒子垂直射入匀强磁场时的运动性质及相应的轨道半径和周期（3）了解质谱仪2．过程与方法通过观察视频和动画，知道洛伦兹力提供向心力，结合匀速圆周运动的公式，得出轨道半径和周期；利用带电粒子垂直射入匀强磁场时做匀速圆周运动，制造出质谱仪，是精确测量带电粒子的质量和分析同位素的一种重要工具。

3．情感、态度与价值观通过对带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的轨道半径和周期公式的推导，培养学生严密的科学态度。

三、教学重点、难点重点：理解轨道半径和周期。

难点：带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的成因。

四、实验器材及教学媒体的选择与使用洛伦兹力演示仪、多媒体投影系统。

五、教学方法提问、讨论、讲解、观察、练习反馈。

六、教学过程1．引入新课上节课推导出带电粒子在匀强磁场中受力，即洛伦兹力F=qvB，那么：垂直射入匀强磁场中的带电粒子，在洛伦兹力F=qvB的作用下，将会偏离原来的运动方向。

教学准备1. 教学目标（一）知识与技能理解带电粒子在电场中不计重力情况下的运动规律，并能分析解决加速和偏转方向的问题．（二）过程与方法通过带电粒子在电场中加速、偏转过程分析，培养学生的分析、推理和知识迁移能力。

（三）情感、态度与价值观通过知识的应用，培养学生热爱科学的精神2. 教学重点/难点重点：带电粒子在匀强电场中的运动规律。

难点：运用电学知识和力学知识综合处理偏转问题。

3. 教学用具4. 标签教学过程教学活动（一）引入新课带电粒子在电场中会受到电场力的作用，而力的作用效果中有一条就是可以改变物体的运动状态，即会产生加速度，使其原有速度发生变化．在现代科学实验和技术设备中，常常利用电场来控制或改变带电粒子的运动状态。

（教师播放视频）这些事例的基本原理有哪些呢?本节课我们来研究这个问题．以匀强电场为例。

（二）进行新课带负电的粒子p教师活动：投影两幅带电粒子在电场中的图片（初速度为零）教师提问：两种情况下粒子的运动状态是怎样的？1、带电粒子在电场中的加速电场中的带电粒子一般可分为两类：1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。

这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。

（但并不能忽略质量）。

2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。

除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。

3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定教师投影：加速示意图．教师点拨拓展：从功能关系和电场力的性质角度考虑。

据动能定理：qU= mv2 或根据牛顿定律：a = F/m = qU/dm和运动学公式：v2=2ad得：v=例题1：右图所示，两平行金属板间加一电压U，有一电荷量为+q、质量为m的离子在电场力的作用下以初速v0开始从正极板向负极板运动。

则（1）离子在电场中作什么运动？（2）离子穿出负极板时的速度多大？（3）离子穿出负极板后做什么运动？过渡：若粒子以初速度V0沿垂直场强方向进入电场，粒子的运动情况如何？2、带电粒子在电场中的偏转教师投影：如图所示，电子以初速度v0垂直于电场线射入匀强电场中．教师提问：（1）是直线还是曲线运动？（2）是什么性质的曲线运动？（3）以前学过这类的运动吗？那时我们是怎样处理这种性质的曲线运动的？（4）运动的合成与分解方法能用在这里吗？为什么?已知：带电粒子电性为负，电量大小为q，质量为m，重力不计，初速度v0垂直于场强。

高中物理《3.15 带电粒子在匀强磁场中的运动》教案 新人教版选修3-1【基本内容】一、带电粒子在磁场中的运动规律（不计粒子重力，以V 0进入匀强磁场B ） 1．V 0∥B 时，做匀速直线运动。

2．V 0⊥B 时，做匀速圆周运动。

（1）基本公式：Rv m qvB 2=（2）轨道半径公式：Bqmv R =（3）周期公式：qBm T π2=（4）运动特征：运动周期仅与电荷(q 、m)和磁场(B)有关，与运动速度无关。

二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的研究 研究带电粒子在有界磁场中运动时，画轨迹是首要任务。

而圆心位置的确定是画图中的点睛之笔。

3．圆心的确定：因为洛仑兹力总与速度垂直，指向圆心，所以画出粒子运动轨迹上任意两点（一般是射入和射出磁场的两点）的速度矢量的垂线，两垂线的交点即为圆心。

4．半径的分析：一般是利用几何知识通过解三角形的方法求得。

5．运动时间的研究：利用几何关系（圆心角与弦切角）计算圆心角θ的大小，再由公式T t⋅=θ2（qBmT π2=为运动周期），求出时间。

垂直方向的速度。

四、带电粒子在复合场中的运动规律分析6．复合场：是指点重力场、电场和磁场。

可能是三场共存，也可能是其中的两个场共存。

7．三种场力特点：（1）重力：G=mg 。

方向竖直向下；做功与路径无关，其数值与质量和始末位置有关。

（2）电场力：F=qE 。

方向与场强及电荷的性质有关；电场力做功与路径无关，其数值与电荷时及始末位置的电势差有关。

（3）洛伦兹力：f=qvBsin θ（其中θ是运动的速度v 与磁感应强度B 的夹角）。

洛伦兹力不做功。

8．带电粒子在复合场中的运动规律分析（1）正确分析带电粒子在复合场中的受力及运动情况是解决问题的前提。

（2）灵活选用力学规律是解决问题的关键。

【典例分析】例1．如图所示，一个带电粒子，质量为m ，电量为q ，以某一速度垂直磁场及其边界射人磁感应强度为B ，宽度为L 的矩形匀强磁场区域，带电粒子穿过矩形磁场区域的偏角θ＝30°，试求带电粒子射入磁场时的速度及射出磁场的侧移和在磁场区域的时间． [解析]电子在磁场中运动，只受洛伦兹力作用，故其轨迹是圆周的一部分．因半径与速度方向垂直，故圆心在两速度垂线的交点上，如图所示的O 点，由几何知识，在Rt ΔOCB 中，OB 为半径，所以sin L R θ=，又由mv R qB =，所以有sin L mvqBθ=， 所以粒子进入磁场时的速度 2qBLv m=设侧移AC ＝y ，由几何关系 (1cos )0.27y R L θ=-≈ 又因AB 弧所对的圆心角为30°，所以穿出磁场的时间11212126m mt T qB qBππ==⨯=例2．如图1甲所示，在y ＞0的空间中存在匀强电场．场强沿y 轴负方向；在y ＜0的空间中，存在匀强磁场．磁场方向垂直xy 平面（纸面）向外．一电荷量为q 、质量为m 的带正电的运动粒子，经过y 轴上y ＝h 处的点P 1时速率为v 0．方向沿x 轴正方向；然后经过x 轴上x ＝2h 处的P 2点进入磁场，并经过y 轴上y ＝－2h 处的P 3点．不计重力．求 ⑴电场强度的大小．⑵粒子到达P 2时速度的大小和方向． ⑶磁感应强度的大小．图1甲[解析]⑴粒子轨迹如图1乙，从P 1到P 2作类平抛运动，因而有ma qE =、h t v 20=、h at =221由上三式有 qhmv E 220=⑵粒子到达点时速度分解，水平的v 0和竖直的v 1，速度方向与x 轴成θ角，则有ah v 221=、21202v v v +=、01tan v =θ，联立有02v v =，︒=45θ⑶设磁感应强度为B ，由牛顿定律有rv m qvB 2=，r 为圆轨道半径，由图可见，圆周与x 轴、y 轴的交点分别为P 2和P 3，OP 2＝OP 3＝2h ，︒=45θ，由几何关系知，P 2P 3连线为圆的直径，所以h r 2=，所以qhmv B 0=例3．如图甲所示，在x 轴上方有垂直于xy 平面向里的匀强磁场，磁感应强度为B ；在x 轴下方有沿y 轴负方向的匀强电场，场强为E ，一质量为m ，电量为－q 的粒子从坐标原点O 沿y 轴正方向射出。