3. 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动（教学课件）物理沪科版选择性必修第二册

本高中物理课件聚焦“带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”，核心内容包括运动原因、半径与周期公式推导及洛伦兹力应用。课堂以“洛伦兹力与速度垂直时粒子如何运动”设问导入，衔接前序洛伦兹力知识，搭建新旧知联系的学习支架。 特色在于融合实验探究与理论推导，通过洛伦兹力演示仪观察现象，结合科学推理推导公式，以质谱仪、回旋加速器为实例建构物理模型，落实科学思维与科学探究素养。例题联系科技应用，助学生形成运动与相互作用观念，教师使用可高效达成核心素养教学目标。

第五章 磁 场 第3节 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 通过分析带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动,进一步落实物质观、运动与相互作用观，以及能量观。 02 科学思维 能推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式,能解释有关现象,解决有关实际问题;能应用数学中圆的相关知识分析并确定带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆心。 03 科学探究 经历实验验证带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的过程,体会物理理论必须经过实验检验。能根据带电粒子在匀强磁场中的受力和运动特点,预测带电粒子的运动轨迹。 04 科学态度与责任 了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。了解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的分析方法及其应用。 教学重难点 教学难点 教学重点 1.理解带电粒子初速度方向和磁场方向垂直时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。 2.会根据洛伦兹力提供向心力推导半径公式和周期公式。 3.会解决带电粒子在匀强磁场中运动的基本问题。 课堂引入 我们已经知道运动电荷所受的洛伦兹力与速度方向垂直，那么 受到洛伦兹力作用的带电粒子在磁场中将会如何运动呢？ 知识点1 带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的原因 知识点1：带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的原因 探究新知 知识点1：带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的原因 探究新知 演示实验:请大家观察并记录实验现象。 洛伦兹力演示仪 知识点2 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 探究新知 如图所示,电荷量为+q的带电粒子,以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场。请大家分析该带电粒子受到的洛伦兹力,并在图中画出。思考：带电粒子会做什么运动呢? 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 探究新知 带电粒子做匀速圆周运动的半径和周期各为多少? 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力，即qvB= (1)轨道半径：r=____。 (2)周期：T=____，由r=可得T=_____。 由此可知，半径r与速度成_____，周期T与速度_____，与轨道半径r_____。 正比 无关 无关 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 探究新知 如图所示，当v与B的夹角为θ时，带电粒子将做什么运动？(不计重力) 答案　当v与B的夹角为θ时,将速度v分解为v1和v2，则v1=vsin θ，v2=vcos θ，带电粒子在垂直磁场方向以分速度v1做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，在平行于磁场方向以分速度v2做匀速直线运动，合运动为螺旋形运动(旋进运动)。 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 探究新知 带电粒子以如下两种方式进入匀强磁场中(重力不计) (1)当v∥B时，F洛=0，带电粒子做匀速直线运动； (2)当v⊥B时，F洛=qvB，带电粒子做匀速圆周运动； (3)当v与B的夹角为θ时，带电粒子做螺旋形运动(旋进运动)。 总结提升 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 探究新知 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 【例题1】一个初速度为零的质子，经过电压 的电场加速后垂直进入磁感应强度B为0.2T的匀强磁场；质子的质量 ，电荷量 。求： （1）质子进入磁场时的速度大小； （2）质子在磁场中运动的轨道半径； （3）质子做匀速圆周运动的周期。 探究新知 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 解析：（1）初速度为零的质子在电场中被加速，获得动能；质子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，设质子进入磁场时的速度大小为v，则有 所以 探究新知 知识点2：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期 （2）质子垂直射入匀强磁场，做匀速圆周运动；设质子做匀速圆周运动的半径为r，它在磁场中受到的洛伦兹力提供质子做匀速圆周运动所需的向心力，得 所以，质子在磁场中运动的轨道半径 （3）质子做匀速圆周运动的周期 知识点3 洛伦兹力的应用 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 洛伦兹力在现代科学技术中有很多的应用，我们通过如下几个实例来说明。 1. 质谱仪 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 (1)构造及原理： (2)作用： ①测定粒子比荷和质量： ②分离同位素，测定药品、样品、水质的元素成分。 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 2. 回旋加速器。 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 构造及原理： ①粒子能量(最大动能） ②粒子在回旋加速器中被加速的次数 ③粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间t1， 在磁场中运动的时间为 (n为加速次数) 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 【例题2】(多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直 纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、 b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速 后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。 离子重力不计。则(　　) A.a离子质量比b的大 B.a离子质量比b的小 C.a离子在磁场中的运动时间比b的短 D.a、b离子在磁场中的运动时间相等 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 答案　BC 解析　设离子进入磁场的速度为v，在电场中有qU＝ mv2，在磁场 中 ，联立解得 ，由题图知，离子b在磁场中运动的轨道半径较大，a、b为同位素，电荷量相同，所以离子b的质量大于离子a的，A错误，B正确；在磁场运动的时间均为半个周期，即 ，由于离子b的质量大于离子a的，故离子b在磁场中运动的时间较长，C正确，D错误。 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 【例题3】如图所示为回旋加速器的原理示意图，两个半径为R的半圆形中空金属盒D1、D2置于真空中，两盒间留有一狭缝，在两盒的狭缝处加高频交变电压，两D形盒处于磁感应强度大小为B、方向竖直向下穿过盒面的匀强磁场中，粒子源在A处产生质量为m、电荷量为q的粒子，粒子初速度视为零，在狭缝间被电场加速后在D形盒内做匀速圆周运动，最终从边缘的出口处射出。不考虑相对论效应，忽略粒子重力及在狭缝间运动的时间，则(　　) 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 A.粒子从磁场中获得能量 B.粒子在磁场中做圆周运动的角速度为 C.粒子所能获得的最大动能与加速电压的大小成正比 D.所加交变电压的周期是 知识点3：洛伦兹力的应用 探究新知 答案　B 解析　粒子每次经过狭缝处的电场均被加速，而在磁场中洛伦兹力不做功，因此是从电场中获得能量的，A错误；粒子在磁场中做圆周运动时洛伦兹力提供向心力，有qvB＝mvω，解得 ，B正确；粒子最终从回旋加速器的边缘做匀速圆周运动离开时具有最大动能，有 ，解得最大动能为 ，故粒子所能获得的最大动能与加速电压的大小无关，C错误；所加交变电压的周期与粒子在D形盒内匀强磁场中做圆周运动的周期相同，均为 ，D错误。 课内知识通关练 巩固新知 1.用洛伦兹力演示仪可以观察电子在磁场中的运动径迹。图甲是洛伦兹力演示仪的实物图，图乙是结构示意图。励磁线圈通电后可以产生垂直纸面的匀强磁场，励磁线圈中的电流越大，产生的磁场越强。图乙中电子经电子枪中的加速电场加速后水平向左垂直磁感线方向射入磁场。下列实验现象和分析正确的是(　　) A.励磁线圈应通以逆时针方向的电流 B.仅升高电子枪加速电场的电压，运动径迹的半径变大 C.仅增大励磁线圈中的电流，运动径迹的半径变大 D.仅升高电子枪加速电场的电压，电子运动的周期将变大 课内知识通关练 巩固新知 答案　B 解析　电子受到的洛伦兹力正好指向圆心，根据左手定则可知磁场垂直纸面向里，根据安培定则知励磁线圈通以顺时针方向的电流，故A错误；当升高电子枪加速电场的电压时，电子的速度增大，根据公式 可知运动半径增大，故B正确；若仅增大励磁线圈中的电流，则磁感应强度增大，根据公式 可得运动半径减小，故C错误；根据公式 可得电子做匀速圆周运动的周期和速度大小无关，故D错误。 课内知识通关练 巩固新知 2.质子和α粒子在同一匀强磁场中做半径相同的圆周运动，已知α粒子质量是质子的4倍，电荷量是质子的2倍。则下列说法正确的是(　　) A.质子和α粒子的速度大小之比为1∶2 B.质子和α粒子的周期之比为2∶1 C.质子和α粒子的动量之比为1∶2 D.质子和α粒子的动能之比为2∶1 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 课后作业 探究新知 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“问题与思考” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听