李勝強+龍匯川

摘 要：以洛倫茲力演示儀展示帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動現(xiàn)象，通過理論推導(dǎo)加強學(xué)生對勻速圓周運動的理解，結(jié)合質(zhì)譜儀和回旋加速器加強對電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)規(guī)律的綜合應(yīng)用能力。實驗和理論結(jié)合的方式使學(xué)生親身體會物理學(xué)的實用價值，生活中物理的無處不在。

關(guān)鍵詞：物理實驗；理論推導(dǎo)；電場加速；磁場偏轉(zhuǎn)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）1-0064-4

《帶電粒子在勻強磁場中的運動》是人教版《物理》選修3-1第三章第六節(jié)的一節(jié)新授課，第三章第五節(jié)《運動電荷在磁場受到的力》重點介紹洛倫茲力的大小和方向以及磁場偏轉(zhuǎn)的初步規(guī)律，第六節(jié)是第五節(jié)的延伸和拓展，以勻速圓周運動為背景，結(jié)合電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)構(gòu)建帶電粒子在組合場中的規(guī)律推導(dǎo)和應(yīng)用。

1 設(shè)計思想

本節(jié)課以勻速圓周運動為背景，重點介紹帶電粒子在僅受洛倫茲力作用下的運動規(guī)律，體會對洛倫茲力大小和方向以及做功情況的分析，加強對勻速圓周運動實質(zhì)的理解。洛倫茲力演示儀要充分利用，通過不加磁場和加磁場后電子束軌跡的不同，比較直線運動和圓周運動；通過加較弱磁場和加較強磁場電子束軌跡的不同，比較圓周運動的不同，滲透“縮放圓”。實驗的引入，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，也對理論推導(dǎo)進(jìn)行鋪墊。質(zhì)譜儀的實質(zhì)是一次電場加速和一次磁場偏轉(zhuǎn)的結(jié)合，而回旋加速器的實質(zhì)則是多次電場加速和多次磁場偏轉(zhuǎn)的環(huán)環(huán)相扣式的運動，最終以最大速度和最大動能離開。質(zhì)譜儀和回旋加速器都與“縮放圓”有關(guān)。

2 教學(xué)方法

采用實驗演示現(xiàn)象和理論推導(dǎo)驗證相結(jié)合，前后環(huán)環(huán)相扣，通過啟發(fā)、引導(dǎo)、交流、思辨、展示、歸納，豐富課堂內(nèi)容，活躍課題氛圍，加強師生互動，凸顯學(xué)生主體。

3 教學(xué)過程

3.1 洛倫茲力演示儀

教師展示洛倫茲力演示儀并適時解釋說明，學(xué)生觀察洛倫茲力演示儀的基本構(gòu)造，完成以下實驗并認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象。

（1）不加磁場時，觀察電子束的軌跡。

（2）加磁場時，觀察電子束的軌跡。

（3）僅改變磁場的強弱，觀察電子束軌跡的變化。

（4）僅改變出射電子的速度，觀察電子束軌跡的變化。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：實驗（1）（2）為什么軌跡不同？實驗（2）（3）（4）為什么軌跡圓的大小不同？影響軌跡圓大小的因素有哪些？（教師設(shè)疑，學(xué)生初步思考，埋下伏筆）

3.2 帶電粒子在勻強磁場中的運動

問題情景1 如圖1所示，一帶電量為q，質(zhì)量為m，速度為v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，做勻速圓周運動（不計重力），求其軌道半徑r和周期T。

師 帶電粒子垂直進(jìn)入勻強磁場時，受到什么力的作用？

生 不計重力的情景下，只受到洛倫茲力的作用。

師 洛倫茲力的方向怎樣判斷？力的作用效果是什么？

生 用左手定則判斷，洛倫茲力的方向始終垂直于線速度的方向，只改變線速度的方向。

師 現(xiàn)在我們可以深刻地體會帶電粒子垂直進(jìn)入勻強磁場后的軌跡為什么是圓周而不是拋物線或其他的曲線了吧！

生 是的，洛倫茲力始終垂直于線速度，只改變線速度的方向，不改變線速度的大小。

師 洛倫茲力提供做勻速圓周運動的向心力，結(jié)合圓周運動知識，嘗試推導(dǎo)軌道半徑r和周期T的表達(dá)式（帶電量為q，質(zhì)量為m ，速度為v，磁感應(yīng)強度為B）。

師 通過自己推導(dǎo)出的公式，進(jìn)一步解釋決定軌道半徑r的因素有哪些？

生 有4個物理量，帶電量q，質(zhì)量m，速度v，磁感應(yīng)強度B。

師 真是4個物理量嗎？

生 軌道半徑r變小，表明磁場對粒子速度方向偏轉(zhuǎn)的影響變強。

生 軌道半徑r變大，表明磁場對粒子速度方向偏轉(zhuǎn)的影響變?nèi)酢?/p>

師 帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)運動就是自身力量和磁場的抗衡，最終做勻速圓周運動。

生 是的，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，力是產(chǎn)生加速度的原因。

師 回過頭來看一下，影響周期T的因素有哪些？

3.3 質(zhì)譜儀

問題情景2 一質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子（不計重力）從容器A下方小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為0，然后讓粒子經(jīng)過S3垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，最后打到底片C上，如圖2所示。求：

情景2

（1）粒子進(jìn)入磁場時的速率；

（2）粒子在磁場中運動的軌道半徑。

師 加速電場的電勢差U怎么利用？嘗試從動力學(xué)角度分析。

生 同一電場加速后速度v大小相同，同一磁場偏轉(zhuǎn)后打到照相底片C上的位置相同。

師 質(zhì)譜儀的作用是什么？

生 質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。

3.4 回旋加速器

問題情景3 回旋加速器D形盒的半徑為R，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B。一個質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子（不計重力）在加速器的中央從速度為0開始加速，加速電壓為U（如圖3所示）。

情景3

師 粒子第一次加速后的速度為多大？

師 粒子第一次偏轉(zhuǎn)后的位置在哪？經(jīng)歷的時間怎樣？

師 電場的作用是負(fù)責(zé)粒子的加速，磁場的作用是負(fù)責(zé)粒子的偏轉(zhuǎn)，那么粒子的最大動能怎么表示？

師 回旋加速器對電場有什么特殊要求？

師 在交變電場周期不變的前提下，提高電場的電壓，對粒子的最大動能有什么影響？

生 最大動能與電場無關(guān)，故沒有影響。

師 在交變電場周期不變的前提下，用小電壓和大電壓加速又有什么區(qū)別？

生 影響圓周運動的圈數(shù)，即經(jīng)歷的時間。

師 質(zhì)譜儀和回旋加速器在工作原理上有什么實質(zhì)區(qū)別嗎？

生 沒有，只是加速和偏轉(zhuǎn)的次數(shù)不同。

4 教學(xué)反思

（1）實驗導(dǎo)入吸引學(xué)生的目光，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，使學(xué)生直觀認(rèn)識磁場對粒子的影響，帶電粒子的速度和外加磁場的強弱共同影響粒子運動圓周的大小。

（3）質(zhì)譜儀和回旋加速器在工作原理上沒有什么實質(zhì)區(qū)別，物理基本規(guī)律完全一樣，教學(xué)過程中通過設(shè)置環(huán)環(huán)相扣的問題，讓學(xué)生由淺入深，由表及里地進(jìn)入物理情景，通過比較和分析，使學(xué)生體會電場的加速行為和磁場的偏轉(zhuǎn)行為對粒子的影響。

（5）本節(jié)課的容量較大，既要加強對圓周運動的實質(zhì)理解和規(guī)律推導(dǎo)，還要構(gòu)建質(zhì)譜儀和回旋加速器工作原理的介紹，電場的加速行為和磁場偏轉(zhuǎn)行為的基本物理規(guī)律很單一，但回旋加速器的工作原理是個難點，要想達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，還要進(jìn)一步細(xì)化，教無止境。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖忠福.例析洛倫茲力的分解問題[J].物理教學(xué)探討，2010，28（7）：50-52.

（欄目編輯 鄧 磊）