《复合场中带电粒子运动》教学设计

崔志峰

一、 活动流程

学习目标：进一步熟悉带电粒子在电场磁场中的运动规律；理解速度选择器、质谱仪、磁流体发电机等常见模型的工作原理；通过实例分析，体会带电粒子在电磁场中的运动规律，掌握解决此类问题的研究方法，提高运用力学知识解决问题的能力；培养学生主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，敢于坚持正确观点，勇于修正错误，具有团队精神。

活动一：研究基本问题，探寻解题思路

问题一：速度选择器

例1：如图1，一混合正离子束通过正交电场、磁场区域Ⅰ，若该正离子束在区域Ⅰ中不偏转，则说明这些正离子具有相同的（）：A. 速度、B. 质量 、C. 电荷、D. 比荷。思考：（1）若该离子束为负离子，能否直线通过？（2）若该离子束从右侧射入，能否直线通过？若能，说明理由；若不能，说明改进方法。（3）速度大的离子将偏离轴线向什么方向运动？速度小的又怎样运动呢？

问题二：质谱仪

例2：质谱仪是用来测定带电粒子质量的一种装置，如图2所示，电容器两极板相距为d，两板间电压为U，极板间匀强磁场的磁感应强度为B1，方向垂直纸面向外。一束电荷量相同质量不同的带正电的粒子沿电容器的中线平行于极板射入电容器，沿着直线穿过电容器后从O点进入另一磁感应强度为B2的匀强磁场，方向垂直纸面向外。结果分别打在感光片上的a、b两点。设a、b两点到O点的距离分别为x1、x2，粒子所带电荷量为q，且不计重力。求：（1）粒子进入磁场B2时的速度v，（2）打在a、b两点的粒子的比荷分别为多少？

思考与讨论：（分组讨论）上题中B2部分的偏转磁场能否用电场代替。若能，试画图分析说明，并求出比荷的表达式。

[设计意图] 在设计课堂活动时要以学生为主体，通过对速度选择器中带电粒子的受力与运动这类基本问题的研究，为学习质谱仪铺设台阶。在处理完磁偏转问题后再拓展到电偏转,有利于提升学生灵活运用知识的能力。

活动二：建立物理模型，提升分析能力

问题三：磁流体发电机

例3：磁流体发电是一项新兴技术，它可以把气体的内能直接转化为电能，如图3所示是磁流体发电机的模型，匀强磁场磁感应强度为B，平行金属板A、B相距为d，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的微粒，而整体呈中性）垂直喷入磁场，便可在A、B两板间产生电压，在外电路负载中获得电流。（1）试分析各微粒在磁流体发电机中受力及运动情况，（2）试分析AB板间的电势高低，并求出稳定电压。

问题四：电磁流量计

例4：为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图4所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b，c，左右两端开口，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个表面内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内流出的污水体积)，则(1)污水中既有正离子，也有负离子，前、后表面电势的高低与正、负离子的浓度( )关(填“有”或“无”)；(2)前、后表面中心电势高的是()表面(填“前”或“后”)：(3)试推出污水流量Q与两极间电压U的关系式。

[设计意图] 在研究质谱仪中带电粒子的运动后，让学生在“磁流体发电机”“电磁流量计”的实例中建立物理模型，分析物理过程、提升解决相关问题的能力。

活动三：随堂针对训练，当堂反馈信息

例：如图5，匀强电场方向竖直向上，匀强磁场的方向垂直纸面向外。有一正离子（不计重力），恰能沿直线从左向右水平飞越此区域，则（）：A．若电子从右向左水平飞入，电子也沿直线运动、B．若电子从右向左水平飞入,电子将向上偏、C．若电子从右向左水平飞入，电子将向下偏、D．若电子从右向左水平飞入，电子将向外偏。

例：如图6，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上下侧面A和A/之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U=KIB/d，式中的比例系数K称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成纵向电场。纵向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力。当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板的上下侧面之间会形成稳定的电势差，设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 （） 下侧面A/的电势（高于、低于或等于），（2）电子所受的洛伦兹力大小为（ ） ，（3）当导体板上下两侧面之间的电势差为U时，电子所受静电力大小为 （ ）。（4）由静电力与洛伦兹力达到平衡条件，证明霍尔系数为K=1/ne.其中n代表导体板单位体积中电子个数。

[设计意图]根据设计形成性评价的原理，对教学内容中的重点问题设计针对性的随堂检测,做到当堂反馈及时评价，巩固所学知识,同时也能调控教师的教学行为与进程。

二、 设计说明

本节为高三一轮复习中的一节习题课,教学设计的出发点是新课程所倡导的以学生为学习主体，通过师生互动展开课堂教学，借助学生活动实现教学目标。以习题为载体，以学生活动为主线，针对教学目标对习题设计一系列问题，铺设台阶层层递进,组织学生围绕带电粒子在电磁场中的运动的各种情景，在活动中呈现、在互动中解决，在合作中归纳并形成物理解题方法。

三、 心得体会

新课程要求注重学生的主体，充分发挥学生的自主性，但并不是教师袖手旁观。这样放任学生自由，不等于尊重了学生的主体，让学生自主，不是让学生自由。像传统课堂忽视学生的主体是片面的一样，课堂忽视教师的主导作用也是不对的。在对课堂教学方案进行设计时，必须考虑教师的指导和调控，学生的活动将会紧紧围绕课堂目标进行。对学生的独到见解或创新思维，教师要及时地给予鼓励和表扬，以激发其继续探讨的兴趣和热情。

(如皋市丁堰中学)