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視頻標簽：帶電粒子,運動實例分析
所屬欄目：高中物理優質課視頻
視頻課題：人教版選修3-1第三章磁場第六節帶電粒子運動實例分析-天津
教學設計、課堂實錄及教案：人教版選修3-1第三章磁場第六節帶電粒子運動實例分析-天津市第二南開學校
教學目標
1、知識與技能
A、理解帶電粒子垂直進入磁場后的運動軌跡是圓周,運動狀態是勻速圓周運動。
B、會分析帶電粒子在磁場中的受力情況,能夠運用半徑和周期公式進行理論分析。
C、了解質譜儀和回旋加速器的工作原理。
2、過程與方法
掌握帶電粒子在復合場中運動的分析方法。
3、情感態度與價值觀
A、通過設計質譜儀,使學生體驗科學探究的樂趣。
B、通過微信論壇,使學生有意識地關注前沿科技知識,認識到科學技術是社會發展的推動力。
2學情分析
本節課的教學對象是高二年級的理科班的學生。
1、知識方面:已經學習了帶電粒子分別在勻強電場和勻強磁場的運動規律的相關內容。
2、能力方面:通過一年多的高中物理學習,具有分析簡單問題的邏輯思維能力。
本節課所研究的帶電粒子的運動是微觀的運動,中學階段無法用現有的實驗進行演示。但是粒子運動規律又是一個抽象而且綜合的內容,學生無法僅憑借想象理解,因此,在以往教學中,教師經常運用講授的方法借助畫示意圖幫助學生理解,而學生只能憑借教師的描述進行想象。
3重點難點
教學重點:結合帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中的受力特點和運動特點分析實際問題。
教學難點:帶電粒子的運動是微觀的運動,如何使微觀運動直觀化,從而使學生理解帶電粒子在現代高新技術中的實際應用,是本節課的教學難點。
4教學過程
4.1第一學時
4.1.1教學活動
活動1【導入】課堂導入
一、 創設情境,激發興趣
教師:請同學們觀看一段視頻,它為我們真實地記錄了一種自然想象。
學生:觀看視頻(北極光)(見圖3)
圖3
【設計意圖】激發學生興趣,為本節課的教學做鋪墊。
教師:你看到的是什么現象?
學生:北極光。
教師引導學生思考:北極光的產生原因是什么?(展示北極光圖片)
學生思考:
教師:極光的形成主要是由于太陽的帶電微粒發射到地球磁場的勢力范圍,受到地球磁場的影響,從高緯度進入地球的高空大氣,激發了高層空氣質粒而造成的發光現象。
教師:在感嘆大自然的神奇力量的同時,我們也得到一個啟示:人類能否控制帶電粒子的運動呢?
〖教師活動〗利用《仿真實驗室》演示帶電粒子在電磁場中運動的動畫。
學生:觀看帶電粒子運動的動畫。(見圖4)
圖4
教師引導學生思考:只要掌握粒子在電場、磁場的運動規律,就可以控制其運動。本節課我們主要分析帶電粒子運動的實例——質譜儀、回旋加速器。
【設計意圖】使學生意識到只要掌握粒子在電場、磁場中運動的規律,通過恰當的設置電場和磁場,即可控制帶電粒子的運動,從而主動參與新課學習。
活動2【講授】探索新知
二、 展開活動,探索新知
1、帶電粒子運動特點分析
教師:帶電粒子之所以有這么多種形態各異的運動形式,其原因在于它進入場的方式和在場中受力特點不同。
〖自主學習〗請打開“復習資料.ppt”文件,將帶電粒子在不同場中的進入方式和其對應的運動形式用直線連接。
學生活動:知識梳理。運用已有知識,根據粒子進入電場和磁場的受力特點,找到其進入方式和運動形式的聯系。(見圖5)
圖5
【設計意圖】轉變“提問——回答”的復習方式,使每位學生都參與活動,通過設置電子復習資料,請學生運用連線的方式找到相關知識的聯系,已達到梳理知識的目的。
2、質譜儀
環節1:實驗探究
教師:質子和氘核是氫的同位素,其化學性質完全相同,因此無法用化學手段將其分離。
〖探究任務〗:能否從剛剛分析過的帶電粒子運動特點得到啟發設計一種方案,通過恰當地設置電場和磁場,將初速度為零的質子 和氘核 分離。(見圖6)
圖6
學生活動:根據教師提出的探究任務,在《仿真實驗室》教學軟件(見圖7)中設置電場和磁場,設計質譜儀模型。
教師活動:指導學生,展示學生的設計作品。
圖7
【設計意圖】這部分內容在教材中是以例題的形式給出的,要求學生看懂質譜儀的原理圖,并計算不同粒子在其中偏轉的半徑,通過比較半徑值的不同,說明其用途。在本節課的教學設計中,教師將其以方案設計的形式呈現在學生面前,教師先提出設計要求,由學生進行設計,并借助《仿真實驗室》論證設計的可行性,使學生從被動接受知識,變成親身體驗科學探究的快樂。
環節2:理論分析
教師啟發學生思考:我們通過恰當地設置電場和磁場,成功地將氫的同位素分離,對于一個未知同位素組成的元素,能否利用這種方法分離其同位素,并分析其同位素組成呢?
學生思考:
教師:給出相關條件,請同學計算:(1)粒子進入磁場的速率 (2)粒子在磁場中運動的軌道半徑。(圖8)
圖8
學生活動:進行定量計算
【設計意圖】從定性分析到定量計算,使學生更加深刻地理解質譜儀的原理。
環節3:應用舉例
教師:如果使某元素的同位素進入這樣的裝置,能否分析出該元素的同位素組成嗎?
學生活動:根據定量計算出的結果,得出荷質比(比荷)的表達式,可見,如果能夠確定r、B、U,即可確定某元素的組成。
教師:依據這個原理設計出的儀器叫質譜儀。
【設計意圖】通過3個環節的逐層分析:實驗探究——理論推導——應用舉例,使學生親身體驗了科學探究的過程,學會用科學探究的方法學習物理,體會科學探究的樂趣,領悟科學的思想和精神。
拓展:現代高新技術上應用的質譜儀(同位素質譜助環法自行車賽事一臂之力)
3、回旋加速器
展示:原子核內部結構圖。(見圖9)
圖9
教師:要認識原子核內部結構,必須把核“打開”進行觀察。
〖設置問題〗:原子核被強大的核力束縛,只有用極高能量的粒子去轟擊,才能把它“打開”,怎樣才能獲得高能的粒子呢?
學生:利用電場對帶電粒子進行加速,加速電壓越高,粒子獲得的能量就越高。
環節1:提出問題
教師提問:
〖問題引導1〗一次性產生過高的電壓在技術上是很難達到的,如何才能得到高能“炮彈”?
學生回答:采用多次(多極)加速的方法。
教師提問:
〖問題引導2〗加速器中的徑跡是直線,其加速裝置要很長,占用空間大,造價高,如何改進?
學生:通過認真思考意識到該設計要占用很大的空間,應該使粒子在有限的空間加速。
教師提問:
〖問題引導3〗有沒有什么方法可以使帶電粒子在加速后又轉回來被第二次加速,如此反復“轉圈圈”式地被加速,加速其裝置所占的空間不是會大大縮小嗎?通過什么方法可以使粒子轉回來再次加速?
學生回答:可以使帶電粒子通過磁場做圓周運動,從而可以被第二次加速。
【設計意圖】多極加速和回旋加速器的原理對學生來講屬于難點內容,因此教師以設疑的形式,現提出需要解決的問題:加速,再根據分析問題的邏輯思路設置了由簡到繁的疑問,將難題分化為一個個小問題,引導學生根據需要解決的問題逐層分析。
環節2:設計方案
教師:
〖設置探究任務〗:請同學設計一個能夠給粒子加速的裝置,要求:造價低、占用空間小。將設計圖畫在課堂記錄的方框中。
學生活動:在課堂記錄中畫出設計方案。
教師活動:選擇幾個有代表性的方案,向學生展示,進行班級交流。
【設計意圖】回旋加速器的設計較質譜儀更難于理解,因此沒有直接運用《仿真實驗室》,而是要求學生先設計出草圖,將典型的方案做以比較,分析其可行性,使學生更加容易地找到自己設計的缺陷和有待改進的地方。
環節3:實驗驗證
教師:請同學們改進各自的實驗方案,并在《仿真實驗室》中進行驗證。
學生活動:
〖方案驗證〗在仿真實驗室中設置電場、磁場、帶電粒子,運行方案,觀察是否可行。
教師:
〖設置問題〗:如何使粒子在電場中總是處于加速狀態?
學生思考:帶電粒子每次進入電場時,電場的方向要改變一次,以保證其總是處于加速狀態。
〖改進方案〗
【設計意圖】:學生主動參與加速器的設計過程,通過親身體驗,不斷改進設計方案,從而突破“電場方向周期性改變”這一難點,使學生逐步理解回旋加速器的設計原理,已達到完成學習任務的目標。
教師:人們依據這個思路設計出了用磁場控制軌道、用電場進行加速的儀器,叫回旋加速器。(展示回旋加速器圖片)
〖設置問題〗:由于粒子運動的越來越快,如果粒子走過半圓的時間越來越少,電場兩極電視的正負變換就要越來越快,從而造成設計上的一個難題,實際情況是這樣的嗎?
學生思考回答:帶電粒子在磁場中運動的周期公式 。由此發現,粒子在磁場中運動的周期與速度無關,由帶電粒子自身的性質和磁場的強弱決定。所以當帶電粒子的速度越來越大時,其走過半圓的時間并不改變,因此,電勢差的正負變換的時間間隔是不變的。
【設計意圖】培養學生靈活運用相關知識解決實際問題的能力。
教師:質譜儀和回旋加速器是兩大重要的發明,促進了現代科技的發展,他們的發明者也為此獲得了諾貝爾獎。
〖設置任務〗:請你閱讀有關質譜儀和回旋加速器的相關資料,根據提供的知識線索,采集重點內容,復制在ppt中,制作電子筆記。
學生:閱讀材料,制作電子筆記。
【設計意圖】通過學生閱讀資料,將物理學的理論與社會發展、生產生活相聯系,使學生親身體會科學技術是第一生產力。通過制作電子筆記的方式培養學生查閱、記錄文獻的能力,使學生掌握獲取知識的一種方法。
活動3【活動】課堂小結
三、 活動體驗,運用新知
教師:其實還有許多先進儀器的設計與帶電粒子運動有關,例如:速度選擇器、磁流體發電機、電磁流量計、霍爾效應。請同學們課下選擇你所感興趣的一種儀器進行研究,分析其工作原理。
學生:自主學習。
【設計意圖】通過以上對帶電粒子運動的分析、設計質譜儀、研究回旋加速器,學生已經對帶電粒子在電場、磁場中的運動有了較深刻地認識。為了幫助學生更好地鞏固學習成果,請同學課下瀏覽這幾種儀器(速度選擇器、磁流體發電機、電磁流量計、霍爾效應)的用途,有了感性認識后,產生學習興趣,再去分析其原理,也就水到渠成了。
教師:今天我們研究了質譜儀和回旋加速器的工作原理,它們都是依據帶電粒子運動特點設計出的相關儀器。可見科學技術是生產和生活發展的推動力。在研究過程中,我們都采用了哪些科學的方法?
學生:先對問題進行猜想,再進行理論分析,最后用實驗的方法進行驗證。
教師:其實這是我們分析一般問題采用的科學方法,希望同學們能夠運用這樣的方法分析問題。
作業:校本練習
視頻來源：優質課網 www.m.fsyixinda.com
