《復合場中帶電粒子運動》教學設計

崔志峰

一、 活動流程

學習目標：進一步熟悉帶電粒子在電場磁場中的運動規律；理解速度選擇器、質譜儀、磁流體發電機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律，掌握解決此類問題的研究方法，提高運用力學知識解決問題的能力；培養學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、磁場區域Ⅰ，若該正離子束在區域Ⅰ中不偏轉，則說明這些正離子具有相同的（）：A. 速度、B. 質量 、C. 電荷、D. 比荷。思考：（1）若該離子束為負離子，能否直線通過？（2）若該離子束從右側射入，能否直線通過？若能，說明理由；若不能，說明改進方法。（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：質譜儀

例2：質譜儀是用來測定帶電粒子質量的一種裝置，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強度為B1，方向垂直紙面向外。一束電荷量相同質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點進入另一磁感應強度為B2的勻強磁場，方向垂直紙面向外。結果分別打在感光片上的a、b兩點。設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，并求出比荷的表達式。

[設計意圖] 在設計課堂活動時要以學生為主體，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，為學習質譜儀鋪設臺階。在處理完磁偏轉問題后再拓展到電偏轉,有利于提升學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：磁流體發電機

例3：磁流體發電是一項新興技術，它可以把氣體的內能直接轉化為電能，如圖3所示是磁流體發電機的模型，勻強磁場磁感應強度為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兩板間產生電壓，在外電路負載中獲得電流。（1）試分析各微粒在磁流體發電機中受力及運動情況，（2）試分析AB板間的電勢高低，并求出穩定電壓。

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強度為B的勻強磁場，在前后兩個表面內側固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內流出的污水體積)，則(1)污水中既有正離子，也有負離子，前、后表面電勢的高低與正、負離子的濃度( )關(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的關系式。

[設計意圖] 在研究質譜儀中帶電粒子的運動后，讓學生在“磁流體發電機”“電磁流量計”的實例中建立物理模型，分析物理過程、提升解決相關問題的能力。

活動三：隨堂針對訓練，當堂反饋信息

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的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的均勻磁場中，當電流通過導體板時，在導體板的上下側面A和A/之間會產生電勢差，這種現象稱為霍爾效應。實驗表明，當磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關系為U=KIB/d，式中的比例系數K稱為霍爾系數。霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導體板的一側，在導體板的另一側會出現多余的正電荷，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。當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體板的上下側面之間會形成穩定的電勢差，設電流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）達到穩定狀態時，導體板上側面A的電勢 （） 下側面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）當導體板上下兩側面之間的電勢差為U時，電子所受靜電力大小為 （ ）。（4）由靜電力與洛倫茲力達到平衡條件，證明霍爾系數為K=1/ne.其中n代表導體板單位體積中電子個數。

[設計意圖]根據設計形成性評價的原理，對教學內容中的重點問題設計針對性的隨堂檢測,做到當堂反饋及時評價，鞏固所學知識,同時也能調控教師的教學行為與進程。

二、 設計說明

本節為高三一輪復習中的一節習題課,教學設計的出發點是新課程所倡導的以學生為學習主體，通過師生互動展開課堂教學，借助學生活動實現教學目標。以習題為載體，以學生活動為主線，針對教學目標對習題設計一系列問題，鋪設臺階層層遞進,組織學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、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

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

(如皋市丁堰中學)