《復(fù)合場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

崔志峰

一、 活動(dòng)流程

學(xué)習(xí)目標(biāo)：進(jìn)一步熟悉帶電粒子在電場(chǎng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)模型的工作原理；通過(guò)實(shí)例分析，體會(huì)帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握解決此類(lèi)問(wèn)題的研究方法，提高運(yùn)用力學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力；培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)與他人合作的精神，有將自己的見(jiàn)解與他人交流的愿望，敢于堅(jiān)持正確觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤，具有團(tuán)隊(duì)精神。

活動(dòng)一：研究基本問(wèn)題，探尋解題思路

問(wèn)題一：速度選擇器

例1：如圖1，一混合正離子束通過(guò)正交電場(chǎng)、磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ，若該正離子束在區(qū)域Ⅰ中不偏轉(zhuǎn)，則說(shuō)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(xiàn)通過(guò)？（2）若該離子束從右側(cè)射入，能否直線(xiàn)通過(guò)？若能，說(shuō)明理由；若不能，說(shuō)明改進(jìn)方法。（3）速度大的離子將偏離軸線(xiàn)向什么方向運(yùn)動(dòng)？速度小的又怎樣運(yùn)動(dòng)呢？

問(wèn)題二：質(zhì)譜儀

例2：質(zhì)譜儀是用來(lái)測(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(xiàn)平行于極板射入電容器，沿著直線(xiàn)穿過(guò)電容器后從O點(diǎn)進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直紙面向外。結(jié)果分別打在感光片上的a、b兩點(diǎn)。設(shè)a、b兩點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為x1、x2，粒子所帶電荷量為q，且不計(jì)重力。求：（1）粒子進(jìn)入磁場(chǎng)B2時(shí)的速度v，（2）打在a、b兩點(diǎn)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(chǎng)能否用電場(chǎng)代替。若能，試畫(huà)圖分析說(shuō)明，并求出比荷的表達(dá)式。

[設(shè)計(jì)意圖] 在設(shè)計(jì)課堂活動(dòng)時(shí)要以學(xué)生為主體，通過(guò)對(duì)速度選擇器中帶電粒子的受力與運(yùn)動(dòng)這類(lèi)基本問(wèn)題的研究，為學(xué)習(xí)質(zhì)譜儀鋪設(shè)臺(tái)階。在處理完磁偏轉(zhuǎn)問(wèn)題后再拓展到電偏轉(zhuǎn),有利于提升學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力。

活動(dòng)二：建立物理模型，提升分析能力

問(wèn)題三：磁流體發(fā)電機(jī)

例3：磁流體發(fā)電是一項(xiàng)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(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)，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(yùn)動(dòng)情況，（2）試分析AB板間的電勢(shì)高低，并求出穩(wěn)定電壓。

問(wèn)題四：電磁流量計(jì)

例4：為了測(cè)量某化工廠(chǎng)的污水排放量，技術(shù)人員在該廠(chǎng)的排污管末端安裝了如圖4所示的流量計(jì)，該裝置由絕緣材料制成，長(zhǎng)、寬、高分別為a、b，c，左右兩端開(kāi)口，在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在前后兩個(gè)表面內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，污水充滿(mǎn)管口從左向右流經(jīng)該裝置時(shí)，電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時(shí)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(shì)的高低與正、負(fù)離子的濃度( )關(guān)(填“有”或“無(wú)”)；(2)前、后表面中心電勢(shì)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(jì)意圖] 在研究質(zhì)譜儀中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)后，讓學(xué)生在“磁流體發(fā)電機(jī)”“電磁流量計(jì)”的實(shí)例中建立物理模型，分析物理過(guò)程、提升解決相關(guān)問(wèn)題的能力。

活動(dòng)三：隨堂針對(duì)訓(xùn)練，當(dāng)堂反饋信息

例：如圖5，勻強(qiáng)電場(chǎng)方向豎直向上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直紙面向外。有一正離子（不計(jì)重力），恰能沿直線(xiàn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)、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(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上下側(cè)面A和A/之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)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(chēng)為霍爾系數(shù)。霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng)的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)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(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成縱向電場(chǎng)?？v向電場(chǎng)對(duì)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(shí)，導(dǎo)體板的上下側(cè)面之間會(huì)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差，設(shè)電流I是由電子的定向流動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e，回答下列問(wèn)題：（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢(shì) （） 下側(cè)面A/的電勢(shì)（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(shì)差為U時(shí)，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(gè)數(shù)。

[設(shè)計(jì)意圖]根據(jù)設(shè)計(jì)形成性評(píng)價(jià)的原理，對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的重點(diǎn)問(wèn)題設(shè)計(jì)針對(duì)性的隨堂檢測(cè),做到當(dāng)堂反饋及時(shí)評(píng)價(jià)，鞏固所學(xué)知識(shí),同時(shí)也能調(diào)控教師的教學(xué)行為與進(jìn)程。

二、 設(shè)計(jì)說(shuō)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(jì)的出發(fā)點(diǎn)是新課程所倡導(dǎo)的以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，通過(guò)師生互動(dòng)展開(kāi)課堂教學(xué)，借助學(xué)生活動(dòng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。以習(xí)題為載體，以學(xué)生活動(dòng)為主線(xiàn)，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)對(duì)習(xí)題設(shè)計(jì)一系列問(wèn)題，鋪設(shè)臺(tái)階層層遞進(jìn),組織學(xué)生圍繞帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的各種情景，在活動(dòng)中呈現(xiàn)、在互動(dòng)中解決，在合作中歸納并形成物理解題方法。

三、 心得體會(huì)

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(duì)的。在對(duì)課堂教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮教師的指導(dǎo)和調(diào)控，學(xué)生的活動(dòng)將會(huì)緊緊圍繞課堂目標(biāo)進(jìn)行。對(duì)學(xué)生的獨(dú)到見(jiàn)解或創(chuàng)新思維，教師要及時(shí)地給予鼓勵(lì)和表?yè)P(yáng)，以激發(fā)其繼續(xù)探討的興趣和熱情。

(如皋市丁堰中學(xué))