1.3 带电粒子在匀强磁场中的运动 教学设计-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦带电粒子在匀强磁场中的运动，通过回顾洛伦兹力知识提问引入，引导学生猜想垂直入射时的运动形式，结合动画演示受力与运动过程，衔接受力分析与运动规律的探究脉络。 该资料以“猜想-实验-推导-应用”为主线，用洛伦兹力演示仪观察电子束径迹验证匀速圆周运动，理论推导半径和周期公式培养科学推理能力，结合质谱仪、气泡室应用体现科学态度与责任，助力学生提升探究能力和知识应用能力，便于教师高效开展核心素养导向的教学。

带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计 【教学目标】 1. 通过实验探究，知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场做匀速圆周运动，培养学生描述实验现象、解释实验原因、总结实验结果的科学探究能力； 2. 理论推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，培养学生科学推理、科学论证的科学思维； 3. 理解质谱仪工作原理和气泡室的用途，学以致用，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力和求真务实的科学态度。 【教学重难点】 重点：带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹 难点：掌握带电粒子粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径和周期公式 【教学方法和手段】 自主学习，合作学习，探究学习； 创设情境----提出问题和猜想---实验验证-----理论推导----学以致用 【教学过程】 问题引入：前面我们学习过带电粒子在磁场中会受到力的作用，这个力叫做洛伦兹力，那么带电粒子在洛伦兹力的作用下将做什么运动呢？ 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 1．探究一：（小组讨论）带电粒子在磁场中的运动 已知带电粒子质量为m，电荷量为q，速度大小为v，磁感应强度为B，以v⊥B进入磁场将做什么运动？（不计重力） 学生猜想回答，老师动画演示该过程受力和运动 ①洛伦兹力方向：由左手定则可知，洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷的速度方向，所以洛伦兹力洛伦兹力永不做功，不改变速度的大小。因此为匀速率运动。 ②洛伦兹力大小：由洛伦兹力的公式可知当v⊥B时，F＝qvB。由于粒子速度的大小不变，粒子在匀强磁场中所受洛伦兹力的大小也不改变，洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。因此带电粒子做匀速圆周运动。 教师：下面我们通过实验来验证大家的猜想 2．探究二：实验验证：用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的运动 （1）实验仪器及构造 ①电子枪：射出电子； ②加速电场：通过改变加速电场改变电子束的出射速度v： ③励磁线圈：在两线圈之间产生平行于两线圈中心连线的匀强磁场（如上图），通过改变激磁电流从而改变磁感应强度B。 （2）实验现象 不加磁场 电子束径迹为直线 加匀强磁场，且B⊥v 电子束径迹为圆 （3） 实验总结：洛伦兹力总是与粒子的运动方向垂直，只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小。由于粒子速度的大小不变，粒子在匀强磁场中所受洛伦兹力的大小也不改变，洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。所以，沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。 教师：刚刚的演示实验中，我们发现带电粒子运动的圆的大小不断变化，这是因为圆的半径不一样，圆的半径与什么因素有关呢？下面我们来进一步观察实验。 2、 带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期 （1）实验现象 保持磁场不变，改变加速电压从而改变电子束射出的速度v v变大，半径变大； v变小，半径变小； 保持电子速度不变，改变激磁电流从而改变磁感应强度B B变大，半径变小； B变小，半径变大 教师：半径与什么因素有关，下面我们来通过理论推导得到半径公式。 （2）理论推导 1．半径 v⊥B进入磁场，电荷做匀速圆周运动，其匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供， 则qvB=m 得：r= 学生活动：通过练习加深对半径公式的理解和应用 教师创设情境：匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？ 学生猜想，教师引导学生分析的出周期公式 2．周期 由圆周运动的周期T= 得： T= 可以看出： 当电子束出射速度不变，磁感应强度变大时，半径变小；当磁感应强度不变，电子束出射速度变大时，半径变大。带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速度无关。 教师补充讲解其他两种情况： （1）当v∥B进入磁场 由洛伦兹力的公式F＝qvBsinθ得，当v∥B时，θ=90°则F＝0。故物体做匀速直线运动。 （2）粒子运动方向与磁场有一夹角，轨迹为螺旋线，即某一方向的匀速直线运动和另一方向的匀速圆周运动。 3、 学以致用 1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量，轨道半径确定其质量的仪器，叫做质谱仪． 构造： ①带电粒子注入器 ②加速电场（U） ③偏转磁场（B） ④照相底片 例题：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为Ｕ的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ上。 （1）求粒子进入磁场时的速率 （2）求粒子在磁场中运动的轨道半径 2. 格雷塞尔气泡室显示带电粒子在匀强磁场中的运动径迹 思考一：不同粒子的轨迹半径为什么不同？ 思考二：同一轨迹上曲率半径为什么会越来越小 呈螺旋状？ 【课堂小结】 （1）v∥B进入匀强磁场 由洛伦兹力的公式F＝qvBsinθ得，当v∥B时，θ=90°则F＝0。故物体做匀速直线运动。 （2）v⊥B进入匀强磁场 ①洛伦兹力方向：由左手定则可知，洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷的速度方向，所以洛伦兹力洛伦兹力永不做功，不改变速度的大小。因此为匀速率运动。 ②洛伦兹力大小：由洛伦兹力的公式可知当v⊥B时，F＝qvB。由于粒子速度的大小不变，粒子在匀强磁场中所受洛伦兹力的大小也不改变，洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。因此带电粒子做匀速圆周运动。 半径公式：r= 周期公式：T= （3）粒子运动方向与磁场有一夹角，轨迹为螺旋线，即某一方向的匀速直线运动和另一方向的匀速圆周运动。 学科网（北京）股份有限公司 $