《带电粒子在匀强磁场中的运动 质谱仪》教学设计-旧人教[原创]

《带电粒子在匀强磁场中的运动 质谱仪》教学设计 重庆市渝西中学 徐天才 现以高二物理教材中《带电粒子在匀强磁场中的运动 质谱仪》一节内容为例，谈一谈我上该节课时的课堂教学模式设计： 问题的引入：多媒体展示有我国科学家研制的阿尔法磁谱仪由“发现号”航天飞机搭载升空的录象片段和阿尔法磁谱仪模型配上录音讲解其构造和用途让学生了解其是用于探测宇宙中是否有反物质、暗物质一种仪器。然后教师指出：通过本节课的学习，我们将非常清楚地知道该仪器的工作原理。（激起学生的求知欲） 教师以复习上一节课的知识引入本节内容，引导学生看书得出带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的原因、半径和周期公式及质谱仪的工作原理。 接下来教师将准备好的和本节课相关的资料发给学生，让学生自己复习该节课将用到的相关知识。如下： （1）相关的公式： 、向心力公式：qvB=/R 、轨道半径公式：R=mv/qB=P/qB= 、周期、频率和角速度公式：T=2πm/Bq f=1/T= qB/2πm，ω=2π/T=2πf=qB/m 、动能公式： = /2=P²/2m=（BqR）²/2m 注意：a、半径公式中含有两个重要物理量：mv（动量）或m/q（质荷比），据此我们可方便地作出一些判断，或对R的大小进行调节。 b、T、f、ω的大小与半径、速率无关。只与磁场的磁感应强度和粒子的质荷比（m/q）有关。 （2）、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定： 确定圆心： 带电粒子在有边界的匀强磁场中运动时，往往不是一个完整的圆，仅是一段圆弧，因此应注意圆心的确定，通常有以下两个方法： Ⅰ、已知入射方向和出射方向时，可以通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线相交得其圆心。（见图1） Ⅱ、已知入射方向和出射点的位置时，可以通过入射点作垂直于入射方向的直线，连接入射点和出射点，作中垂线，这两条垂线的交点就是偏转圆弧的圆心。（见图2） 确定圆心角： 带电粒子射出磁场的速度方向对射入磁场速度方向的偏角θ，等于入射点和出射点两条半径间的夹角，也就等于其对应的圆心角， 并等于弦切角两倍。即θ=2α。（见图3） 、半径的确定和计算：一般是利用几何知识。 、在磁场中运动时间的确定： 利用圆心角和弦切角的关系，或其它几何关系计算出圆心角的大小，由t=θT/ 出运动时间。由此可见，垂直于匀强磁场射入的带电粒子在磁场中的运动时间与其偏角（圆心角）成正比。 学生看完后，教师以投影片出示例题： 例题1、如图4所示，一束电子以速度v垂直射入磁感应强度 为B，宽为d的匀强磁场中，穿透匀强磁场时速度方向与电子原来入射 方向的夹角30°，则电子的质量是多少？穿透磁场的时间是多少？ 分析与解：要求电子的质量，与之相联系的有带电粒子做匀速圆周 运动的轨道半径公式，因此必先找圆心，确定圆心角和半径，最后由题意求解。 解：由图中的几何关系可得： 圆心角θ=30°，则轨道半径r=2d= mv/eB得： m=2eBd/v 运动时间t=θT/ =2πm/12eB=πd/3v 评析：本题是典型的应用上述知识解决带电粒子在磁场中的运动问题，能有效考查学生对该部分知识的理解能力。 例题2、1998年6月2日。我国科学家研制的阿尔法磁谱仪由“发现号”航天飞机搭载升空．用于探测宇宙中是否有反物质、暗物质。所谓反物质的原子(反原子)是由带负电的反原子核和核外正电子组成．反原子核由反质子和中子组成。与 、 等粒子相对应的 、 称为反粒子．由于反粒子具有和相应粒子完全相同的质量及相反的电荷， 可用右图所示方法探测， 设图中各粒子或反粒子 沿垂直于匀强磁场B的方向 (AO)进入截面为MNPQ的 磁谱仪时速度相同， 且氢核( )在x轴上偏转的位移x。恰为轨迹 半径r的一半．试预言反氢核（ ）和反氮核( )的轨迹及其在Ox轴上的偏转位移x1和x2。如果预言正确．那么人们观测到这样的轨迹，就证明已经探测到了反氢核和反氦核． 分析与解：因反氢核和反氦核均带负电，故均向左偏。偏转轨迹如下图所示，因反氢核和质子仅电性相反．故轨道半径也为r， x1＝－x0＝－r/2。 又因反氦核半径为2r。． 由图可知cosθ＝（r-r/2）/r=0.5 θ=π/3 磁场宽度为D＝rsinθ＝ 反氦核偏转角为α，sinα＝D/2r， x2=－（2r－2rcosα）=－（2－ ）r。 评析：本题是一道典型的以高新科技问题为背景的综合题．平时多关注社会发展．关心科技进步。通过各种途径了解重大的科技问题的动态及其对人类生存和社会发展所起的作用和产生的影响．能有效地提高获取信息、分析问题和解决问题的能力。 课堂练习：电视机的显象管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电