《復(fù)合場中帶電粒子運動》教學(xué)設(shè)計

崔志峰

一、 活動流程

學(xué)習(xí)目標(biāo)：進(jìn)一步熟悉帶電粒子在電場磁場中的運動規(guī)律；理解速度選擇器、質(zhì)譜儀、磁流體發(fā)電機(jī)等常見模型的工作原理；通過實例分析，體會帶電粒子在電磁場中的運動規(guī)律，掌握解決此類問題的研究方法，提高運用力學(xué)知識解決問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生主動與他人合作的精神，有將自己的見解與他人交流的愿望，敢于堅持正確觀點，勇于修正錯誤，具有團(tuán)隊精神。

活動一：研究基本問題，探尋解題思路

問題一：速度選擇器

例1：如圖1，一混合正離子束通過正交電場、磁場區(qū)域Ⅰ，若該正離子束在區(qū)域Ⅰ中不偏轉(zhuǎn)，則說明這些正離子具有相同的（）：A. 速度、B. 質(zhì)量 、C. 電荷、D. 比荷。思考：（1）若該離子束為負(fù)離子，能否直線通過？（2）若該離子束從右側(cè)射入，能否直線通過？若能，說明理由；若不能，說明改進(jìn)方法。（3）速度大的離子將偏離軸線向什么方向運動？速度小的又怎樣運動呢？

問題二：質(zhì)譜儀

例2：質(zhì)譜儀是用來測定帶電粒子質(zhì)量的一種裝置，如圖2所示，電容器兩極板相距為d，兩板間電壓為U，極板間勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B1，方向垂直紙面向外。一束電荷量相同質(zhì)量不同的帶正電的粒子沿電容器的中線平行于極板射入電容器，沿著直線穿過電容器后從O點進(jìn)入另一磁感應(yīng)強度為B2的勻強磁場，方向垂直紙面向外。結(jié)果分別打在感光片上的a、b兩點。設(shè)a、b兩點到O點的距離分別為x1、x2，粒子所帶電荷量為q，且不計重力。求：（1）粒子進(jìn)入磁場B2時的速度v，（2）打在a、b兩點的粒子的比荷分別為多少？

思考與討論：（分組討論）上題中B2部分的偏轉(zhuǎn)磁場能否用電場代替。若能，試畫圖分析說明，并求出比荷的表達(dá)式。

[設(shè)計意圖] 在設(shè)計課堂活動時要以學(xué)生為主體，通過對速度選擇器中帶電粒子的受力與運動這類基本問題的研究，為學(xué)習(xí)質(zhì)譜儀鋪設(shè)臺階。在處理完磁偏轉(zhuǎn)問題后再拓展到電偏轉(zhuǎn),有利于提升學(xué)生靈活運用知識的能力。

活動二：建立物理模型，提升分析能力

問題三：磁流體發(fā)電機(jī)

例3：磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如圖3所示是磁流體發(fā)電機(jī)的模型，勻強磁場磁感應(yīng)強度為B，平行金屬板A、B相距為d，將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負(fù)電的微粒，而整體呈中性）垂直噴入磁場，便可在A、B兩板間產(chǎn)生電壓，在外電路負(fù)載中獲得電流。（1）試分析各微粒在磁流體發(fā)電機(jī)中受力及運動情況，（2）試分析AB板間的電勢高低，并求出穩(wěn)定電壓。

問題四：電磁流量計

例4：為了測量某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖4所示的流量計，該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b，c，左右兩端開口，在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，在前后兩個表面內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)流出的污水體積)，則(1)污水中既有正離子，也有負(fù)離子，前、后表面電勢的高低與正、負(fù)離子的濃度( )關(guān)(填“有”或“無”)；(2)前、后表面中心電勢高的是()表面(填“前”或“后”)：(3)試推出污水流量Q與兩極間電壓U的關(guān)系式。

[設(shè)計意圖] 在研究質(zhì)譜儀中帶電粒子的運動后，讓學(xué)生在“磁流體發(fā)電機(jī)”“電磁流量計”的實例中建立物理模型，分析物理過程、提升解決相關(guān)問題的能力。

活動三：隨堂針對訓(xùn)練，當(dāng)堂反饋信息

例：如圖5，勻強電場方向豎直向上，勻強磁場的方向垂直紙面向外。有一正離子（不計重力），恰能沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域，則（）：A．若電子從右向左水平飛入，電子也沿直線運動、B．若電子從右向左水平飛入,電子將向上偏、C．若電子從右向左水平飛入，電子將向下偏、D．若電子從右向左水平飛入，電子將向外偏。

例：如圖6，厚度為h，寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時，在導(dǎo)體板的上下側(cè)面A和A/之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。實驗表明，當(dāng)磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關(guān)系為U=KIB/d，式中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù)。霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成縱向電場。縱向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力。當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時，導(dǎo)體板的上下側(cè)面之間會形成穩(wěn)定的電勢差，設(shè)電流I是由電子的定向流動形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e，回答下列問題：（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢 （） 下側(cè)面A/的電勢（高于、低于或等于），（2）電子所受的洛倫茲力大小為（ ） ，（3）當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)面之間的電勢差為U時，電子所受靜電力大小為 （ ）。（4）由靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡條件，證明霍爾系數(shù)為K=1/ne.其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子個數(shù)。

[設(shè)計意圖]根據(jù)設(shè)計形成性評價的原理，對教學(xué)內(nèi)容中的重點問題設(shè)計針對性的隨堂檢測,做到當(dāng)堂反饋及時評價，鞏固所學(xué)知識,同時也能調(diào)控教師的教學(xué)行為與進(jìn)程。

二、 設(shè)計說明

本節(jié)為高三一輪復(fù)習(xí)中的一節(jié)習(xí)題課,教學(xué)設(shè)計的出發(fā)點是新課程所倡導(dǎo)的以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，通過師生互動展開課堂教學(xué)，借助學(xué)生活動實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。以習(xí)題為載體，以學(xué)生活動為主線，針對教學(xué)目標(biāo)對習(xí)題設(shè)計一系列問題，鋪設(shè)臺階層層遞進(jìn),組織學(xué)生圍繞帶電粒子在電磁場中的運動的各種情景，在活動中呈現(xiàn)、在互動中解決，在合作中歸納并形成物理解題方法。

三、 心得體會

新課程要求注重學(xué)生的主體，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，但并不是教師袖手旁觀。這樣放任學(xué)生自由，不等于尊重了學(xué)生的主體，讓學(xué)生自主，不是讓學(xué)生自由。像傳統(tǒng)課堂忽視學(xué)生的主體是片面的一樣，課堂忽視教師的主導(dǎo)作用也是不對的。在對課堂教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計時，必須考慮教師的指導(dǎo)和調(diào)控，學(xué)生的活動將會緊緊圍繞課堂目標(biāo)進(jìn)行。對學(xué)生的獨到見解或創(chuàng)新思維，教師要及時地給予鼓勵和表揚，以激發(fā)其繼續(xù)探討的興趣和熱情。

(如皋市丁堰中學(xué))