《带电粒子在组合场中的运动》教学设计

《带电粒子在组合场中的运动》教学设计

辽宁省北镇市高级中学　张福东

一、教学目标

1.知识与技能

(1)知道什么是组合场，以及组合场的特点。

(2)掌握带电粒子在组合场中的运动分析的基本方法和思路。

2.过程与方法

通过综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在组合场(电场、磁场)中的问题，培养学生的分析推理能力以及应用数学知识处理物理问题的能力。

3.情感态度与价值观

培养物理学科严密的逻辑思维，明辨物理过程的本质，进一步引导学生树立崇尚科学的价值观。

二、教学重点

粒子在组合场中的运动分析的基本方法和思路。

三、教学难点

粒子运动问题的求解。

四、教学方法

教师讲授法、问答法、问题探究法。

五、教学手段

多媒体教学。

六、主要教学过程

1.引入新课

带电粒子在磁场、组合场、复合场、有界场中的运动是高中物理的重要内容，这类问题对考查同学们的空间想象能力、综合分析能力、应用数学知识处理物理问题的能力都有较高的要求，是高考的热点。本节课我们复习带电粒子在组合场中的运动。

2.基础知识回顾

(1)组合场是指电场与磁场或重力场同时存在，但各位于一定的区域内且并不重叠的情况。带电粒子在一个场中只受一个场力的作用。

(2)三种场力的特点：

①重力的大小为mg，方向竖直向下，重力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的质量有关外，还与初、末位置的高度差有关;

②电场力的大小为qE，方向与电场方向及带电粒子的电性有关，电场力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的电荷量有关外，还与初、末位置的电势差有关。仅受电场力的带电粒子以某一速度沿着电场线方向进入匀强电场，粒子做匀变速直线运动，若以某一速度垂直电场线方向进入匀强电场，粒子做类平抛运动;

③洛伦兹力的大小跟速度与磁场方向的夹角有关，当带电粒子的速度与磁场方向平行时，f=0;当带电粒子的速度与磁场方向垂直时，f=qvB;洛伦兹力的方向垂直于速度v和磁感应强度B所决定的平面。无论带电粒子做什么运动，洛伦兹力都不做功。

(3)电子、质子、α粒子、离子等微观粒子在复合场中运动时，一般都不计重力，但质量较大的质点(如带电微粒或油滴等)，不能忽略重力。

图1

3.例题解析

例1(2008理综天津卷)(16分)在平面直角坐标系xOy中(见图1)，第一象限存在沿y轴负方向的匀强电场，第Ⅳ象限存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从y轴正半轴上的M点以速度v₀垂直于y轴射入电场，经x轴上的N点与x轴正方向成θ=60°角射入磁场，最后从y轴负半轴上的P点垂直于y轴射出磁场，如图所示。不计粒子重力，求：

(1) M、N两点间的电势差U_MN;

(2)粒子在磁场中运动的轨道半径R;

(3)粒子从M点运动到P点的总时间t。

小结：总结处理方法。

例2(2008宁夏)(17分)如图2所示，在xOy平面的第一象限有一匀强电场，电场的方向平行于y轴向下;在x轴和第四象限的射线OC之间有一匀强磁场，磁感应强度的大小为B，方向垂直于纸面向外。有一质量为m、带有电荷量+q的质点由电场左侧平行于x轴射入电场。质点到达x轴上A点时，速度方向与x轴的夹角为φ，A点与原点O的距离为d。接着，质点进入磁场，并垂直于OC飞离磁场。不计重力影响。若OC与x轴的夹角为φ，求：

(1)粒子在磁场中运动速度的大小;

图2

(2)匀强电场的场强大小。

例3(2011全国卷1)(19分)如图3所示，与水平面成45°角的平面MN将空间分成Ⅰ和Ⅱ两个区域。一质量为m、电荷量为q(q＞0)的粒子以速度v₀从平面MN上的P₀点水平右射入Ⅰ区。粒子在Ⅰ区运动时，只受到大小不变、方向竖直向下的电场作用，电场强度大小为E;在Ⅱ区运动时，只受到匀强磁场的作用，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向里。求粒子首次从Ⅱ区离开时到出发点P₀的距离。粒子的重力可以忽略。

图3

练习：如图4所示，直线MN上方有平行于纸面且与MN成45°的有界匀强电场，电场强度大小未知; MN下方为方向垂直于纸面向里的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B。今从MN上的O点向磁场中射入一个速度大小为v、方向与MN成45°角的带正电粒子，该粒子在磁场中运动时的轨道半径为R。若该粒子从O点出发记为第一次经过直线MN，而第五次经过直线MN时恰好又通过O点。不计粒子的重力。求：

(1)电场强度E的大小;

(2)该粒子第五次从O点进入磁场后，运动轨道的半径;

(3)该粒子从O点出发到再次回到O点所需的时间。

图4

七、课堂小结

对于带电粒子在分区域的电场、磁场中的运动，最简单的处理办法就是进行分段处理，关键是要注意在两种区域的交界处的边界问题的处理与运动的链接问题。

八、板书设计

1.基础知识回顾

(1)组合场;

(2)三种场力的特点;

(3)电子、质子、α粒子、离子等微观粒子在复合场中运动的重力问题。

2.例题解析

(略)

3.练习

(略)

九、教学反思

(略)