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视频标签：带电粒子,运动实例分析
所属栏目：高中物理优质课视频
视频课题：人教版选修3-1第三章磁场第六节带电粒子运动实例分析-天津
教学设计、课堂实录及教案：人教版选修3-1第三章磁场第六节带电粒子运动实例分析-天津市第二南开学校
教学目标
1、知识与技能
A、理解带电粒子垂直进入磁场后的运动轨迹是圆周,运动状态是匀速圆周运动。
B、会分析带电粒子在磁场中的受力情况,能够运用半径和周期公式进行理论分析。
C、了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
2、过程与方法
掌握带电粒子在复合场中运动的分析方法。
3、情感态度与价值观
A、通过设计质谱仪,使学生体验科学探究的乐趣。
B、通过微信论坛,使学生有意识地关注前沿科技知识,认识到科学技术是社会发展的推动力。
2学情分析
本节课的教学对象是高二年级的理科班的学生。
1、知识方面:已经学习了带电粒子分别在匀强电场和匀强磁场的运动规律的相关内容。
2、能力方面:通过一年多的高中物理学习,具有分析简单问题的逻辑思维能力。
本节课所研究的带电粒子的运动是微观的运动,中学阶段无法用现有的实验进行演示。但是粒子运动规律又是一个抽象而且综合的内容,学生无法仅凭借想象理解,因此,在以往教学中,教师经常运用讲授的方法借助画示意图帮助学生理解,而学生只能凭借教师的描述进行想象。
3重点难点
教学重点:结合带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的受力特点和运动特点分析实际问题。
教学难点:带电粒子的运动是微观的运动,如何使微观运动直观化,从而使学生理解带电粒子在现代高新技术中的实际应用,是本节课的教学难点。
4教学过程
4.1第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】课堂导入
一、 创设情境,激发兴趣
教师:请同学们观看一段视频,它为我们真实地记录了一种自然想象。
学生:观看视频(北极光)(见图3)
图3
【设计意图】激发学生兴趣,为本节课的教学做铺垫。
教师:你看到的是什么现象?
学生:北极光。
教师引导学生思考:北极光的产生原因是什么?(展示北极光图片)
学生思考:
教师:极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围,受到地球磁场的影响,从高纬度进入地球的高空大气,激发了高层空气质粒而造成的发光现象。
教师:在感叹大自然的神奇力量的同时,我们也得到一个启示:人类能否控制带电粒子的运动呢?
〖教师活动〗利用《仿真实验室》演示带电粒子在电磁场中运动的动画。
学生:观看带电粒子运动的动画。(见图4)
图4
教师引导学生思考:只要掌握粒子在电场、磁场的运动规律,就可以控制其运动。本节课我们主要分析带电粒子运动的实例——质谱仪、回旋加速器。
【设计意图】使学生意识到只要掌握粒子在电场、磁场中运动的规律,通过恰当的设置电场和磁场,即可控制带电粒子的运动,从而主动参与新课学习。
活动2【讲授】探索新知
二、 展开活动,探索新知
1、带电粒子运动特点分析
教师:带电粒子之所以有这么多种形态各异的运动形式,其原因在于它进入场的方式和在场中受力特点不同。
〖自主学习〗请打开“复习资料.ppt”文件,将带电粒子在不同场中的进入方式和其对应的运动形式用直线连接。
学生活动:知识梳理。运用已有知识,根据粒子进入电场和磁场的受力特点,找到其进入方式和运动形式的联系。(见图5)
图5
【设计意图】转变“提问——回答”的复习方式,使每位学生都参与活动,通过设置电子复习资料,请学生运用连线的方式找到相关知识的联系,已达到梳理知识的目的。
2、质谱仪
环节1:实验探究
教师:质子和氘核是氢的同位素,其化学性质完全相同,因此无法用化学手段将其分离。
〖探究任务〗:能否从刚刚分析过的带电粒子运动特点得到启发设计一种方案,通过恰当地设置电场和磁场,将初速度为零的质子 和氘核 分离。(见图6)
图6
学生活动:根据教师提出的探究任务,在《仿真实验室》教学软件(见图7)中设置电场和磁场,设计质谱仪模型。
教师活动:指导学生,展示学生的设计作品。
图7
【设计意图】这部分内容在教材中是以例题的形式给出的,要求学生看懂质谱仪的原理图,并计算不同粒子在其中偏转的半径,通过比较半径值的不同,说明其用途。在本节课的教学设计中,教师将其以方案设计的形式呈现在学生面前,教师先提出设计要求,由学生进行设计,并借助《仿真实验室》论证设计的可行性,使学生从被动接受知识,变成亲身体验科学探究的快乐。
环节2:理论分析
教师启发学生思考:我们通过恰当地设置电场和磁场,成功地将氢的同位素分离,对于一个未知同位素组成的元素,能否利用这种方法分离其同位素,并分析其同位素组成呢?
学生思考:
教师:给出相关条件,请同学计算:(1)粒子进入磁场的速率 (2)粒子在磁场中运动的轨道半径。(图8)
图8
学生活动:进行定量计算
【设计意图】从定性分析到定量计算,使学生更加深刻地理解质谱仪的原理。
环节3:应用举例
教师:如果使某元素的同位素进入这样的装置,能否分析出该元素的同位素组成吗?
学生活动:根据定量计算出的结果,得出荷质比(比荷)的表达式,可见,如果能够确定r、B、U,即可确定某元素的组成。
教师:依据这个原理设计出的仪器叫质谱仪。
【设计意图】通过3个环节的逐层分析:实验探究——理论推导——应用举例,使学生亲身体验了科学探究的过程,学会用科学探究的方法学习物理,体会科学探究的乐趣,领悟科学的思想和精神。
拓展:现代高新技术上应用的质谱仪(同位素质谱助环法自行车赛事一臂之力)
3、回旋加速器
展示:原子核内部结构图。(见图9)
图9
教师:要认识原子核内部结构,必须把核“打开”进行观察。
〖设置问题〗:原子核被强大的核力束缚,只有用极高能量的粒子去轰击,才能把它“打开”,怎样才能获得高能的粒子呢?
学生:利用电场对带电粒子进行加速,加速电压越高,粒子获得的能量就越高。
环节1:提出问题
教师提问:
〖问题引导1〗一次性产生过高的电压在技术上是很难达到的,如何才能得到高能“炮弹”?
学生回答:采用多次(多极)加速的方法。
教师提问:
〖问题引导2〗加速器中的径迹是直线,其加速装置要很长,占用空间大,造价高,如何改进?
学生:通过认真思考意识到该设计要占用很大的空间,应该使粒子在有限的空间加速。
教师提问:
〖问题引导3〗有没有什么方法可以使带电粒子在加速后又转回来被第二次加速,如此反复“转圈圈”式地被加速,加速其装置所占的空间不是会大大缩小吗?通过什么方法可以使粒子转回来再次加速?
学生回答:可以使带电粒子通过磁场做圆周运动,从而可以被第二次加速。
【设计意图】多极加速和回旋加速器的原理对学生来讲属于难点内容,因此教师以设疑的形式,现提出需要解决的问题:加速,再根据分析问题的逻辑思路设置了由简到繁的疑问,将难题分化为一个个小问题,引导学生根据需要解决的问题逐层分析。
环节2:设计方案
教师:
〖设置探究任务〗:请同学设计一个能够给粒子加速的装置,要求:造价低、占用空间小。将设计图画在课堂记录的方框中。
学生活动:在课堂记录中画出设计方案。
教师活动:选择几个有代表性的方案,向学生展示,进行班级交流。
【设计意图】回旋加速器的设计较质谱仪更难于理解,因此没有直接运用《仿真实验室》,而是要求学生先设计出草图,将典型的方案做以比较,分析其可行性,使学生更加容易地找到自己设计的缺陷和有待改进的地方。
环节3:实验验证
教师:请同学们改进各自的实验方案,并在《仿真实验室》中进行验证。
学生活动:
〖方案验证〗在仿真实验室中设置电场、磁场、带电粒子,运行方案,观察是否可行。
教师:
〖设置问题〗:如何使粒子在电场中总是处于加速状态?
学生思考:带电粒子每次进入电场时,电场的方向要改变一次,以保证其总是处于加速状态。
〖改进方案〗
【设计意图】:学生主动参与加速器的设计过程,通过亲身体验,不断改进设计方案,从而突破“电场方向周期性改变”这一难点,使学生逐步理解回旋加速器的设计原理,已达到完成学习任务的目标。
教师:人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的仪器,叫回旋加速器。(展示回旋加速器图片)
〖设置问题〗:由于粒子运动的越来越快,如果粒子走过半圆的时间越来越少,电场两极电视的正负变换就要越来越快,从而造成设计上的一个难题,实际情况是这样的吗?
学生思考回答:带电粒子在磁场中运动的周期公式 。由此发现,粒子在磁场中运动的周期与速度无关,由带电粒子自身的性质和磁场的强弱决定。所以当带电粒子的速度越来越大时,其走过半圆的时间并不改变,因此,电势差的正负变换的时间间隔是不变的。
【设计意图】培养学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力。
教师:质谱仪和回旋加速器是两大重要的发明,促进了现代科技的发展,他们的发明者也为此获得了诺贝尔奖。
〖设置任务〗:请你阅读有关质谱仪和回旋加速器的相关资料,根据提供的知识线索,采集重点内容,复制在ppt中,制作电子笔记。
学生:阅读材料,制作电子笔记。
【设计意图】通过学生阅读资料,将物理学的理论与社会发展、生产生活相联系,使学生亲身体会科学技术是第一生产力。通过制作电子笔记的方式培养学生查阅、记录文献的能力,使学生掌握获取知识的一种方法。
活动3【活动】课堂小结
三、 活动体验,运用新知
教师:其实还有许多先进仪器的设计与带电粒子运动有关,例如:速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应。请同学们课下选择你所感兴趣的一种仪器进行研究,分析其工作原理。
学生:自主学习。
【设计意图】通过以上对带电粒子运动的分析、设计质谱仪、研究回旋加速器,学生已经对带电粒子在电场、磁场中的运动有了较深刻地认识。为了帮助学生更好地巩固学习成果,请同学课下浏览这几种仪器(速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应)的用途,有了感性认识后,产生学习兴趣,再去分析其原理,也就水到渠成了。
教师:今天我们研究了质谱仪和回旋加速器的工作原理,它们都是依据带电粒子运动特点设计出的相关仪器。可见科学技术是生产和生活发展的推动力。在研究过程中,我们都采用了哪些科学的方法?
学生:先对问题进行猜想,再进行理论分析,最后用实验的方法进行验证。
教师:其实这是我们分析一般问题采用的科学方法,希望同学们能够运用这样的方法分析问题。
作业:校本练习
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
