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視頻標(biāo)簽：帶電粒子,運(yùn)動(dòng)實(shí)例分析

所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題：人教版選修3-1第三章磁場(chǎng)第六節(jié)帶電粒子運(yùn)動(dòng)實(shí)例分析-天津

教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂實(shí)錄及教案：人教版選修3-1第三章磁場(chǎng)第六節(jié)帶電粒子運(yùn)動(dòng)實(shí)例分析-天津市第二南開(kāi)學(xué)校

教學(xué)目標(biāo)
1、知識(shí)與技能
A、理解帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)后的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓周,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
B、會(huì)分析帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力情況,能夠運(yùn)用半徑和周期公式進(jìn)行理論分析。
C、了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。
2、過(guò)程與方法
掌握帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析方法。
3、情感態(tài)度與價(jià)值觀
A、通過(guò)設(shè)計(jì)質(zhì)譜儀,使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣。
B、通過(guò)微信論壇,使學(xué)生有意識(shí)地關(guān)注前沿科技知識(shí),認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)力。
2學(xué)情分析
本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象是高二年級(jí)的理科班的學(xué)生。
    1、知識(shí)方面:已經(jīng)學(xué)習(xí)了帶電粒子分別在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的相關(guān)內(nèi)容。
2、能力方面:通過(guò)一年多的高中物理學(xué)習(xí),具有分析簡(jiǎn)單問(wèn)題的邏輯思維能力。
本節(jié)課所研究的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)是微觀的運(yùn)動(dòng),中學(xué)階段無(wú)法用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示。但是粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律又是一個(gè)抽象而且綜合的內(nèi)容,學(xué)生無(wú)法僅憑借想象理解,因此,在以往教學(xué)中,教師經(jīng)常運(yùn)用講授的方法借助畫(huà)示意圖幫助學(xué)生理解,而學(xué)生只能憑借教師的描述進(jìn)行想象。
3重點(diǎn)難點(diǎn)
 教學(xué)重點(diǎn):結(jié)合帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析實(shí)際問(wèn)題。
    教學(xué)難點(diǎn):帶電粒子的運(yùn)動(dòng)是微觀的運(yùn)動(dòng),如何使微觀運(yùn)動(dòng)直觀化,從而使學(xué)生理解帶電粒子在現(xiàn)代高新技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用,是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。
4教學(xué)過(guò)程
4.1第一學(xué)時(shí)
4.1.1教學(xué)活動(dòng)
活動(dòng)1【導(dǎo)入】課堂導(dǎo)入
一、    創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)興趣

教師:請(qǐng)同學(xué)們觀看一段視頻,它為我們真實(shí)地記錄了一種自然想象。
學(xué)生:觀看視頻(北極光)(見(jiàn)圖3)
圖3
【設(shè)計(jì)意圖】激發(fā)學(xué)生興趣,為本節(jié)課的教學(xué)做鋪墊。
教師:你看到的是什么現(xiàn)象?
學(xué)生:北極光。
教師引導(dǎo)學(xué)生思考:北極光的產(chǎn)生原因是什么?(展示北極光圖片)
學(xué)生思考:
教師:極光的形成主要是由于太陽(yáng)的帶電微粒發(fā)射到地球磁場(chǎng)的勢(shì)力范圍,受到地球磁場(chǎng)的影響,從高緯度進(jìn)入地球的高空大氣,激發(fā)了高層空氣質(zhì)粒而造成的發(fā)光現(xiàn)象。
教師:在感嘆大自然的神奇力量的同時(shí),我們也得到一個(gè)啟示:人類能否控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)呢?
〖教師活動(dòng)〗利用《仿真實(shí)驗(yàn)室》演示帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。
 

學(xué)生:觀看帶電粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。(見(jiàn)圖4)
圖4
教師引導(dǎo)學(xué)生思考:只要掌握粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,就可以控制其運(yùn)動(dòng)。本節(jié)課我們主要分析帶電粒子運(yùn)動(dòng)的實(shí)例——質(zhì)譜儀、回旋加速器。
【設(shè)計(jì)意圖】使學(xué)生意識(shí)到只要掌握粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng),即可控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng),從而主動(dòng)參與新課學(xué)習(xí)。
活動(dòng)2【講授】探索新知
​  二、   展開(kāi)活動(dòng),探索新知
1、帶電粒子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析
教師:帶電粒子之所以有這么多種形態(tài)各異的運(yùn)動(dòng)形式,其原因在于它進(jìn)入場(chǎng)的方式和在場(chǎng)中受力特點(diǎn)不同。
〖自主學(xué)習(xí)〗請(qǐng)打開(kāi)“復(fù)習(xí)資料.ppt”文件,將帶電粒子在不同場(chǎng)中的進(jìn)入方式和其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式用直線連接。
學(xué)生活動(dòng):知識(shí)梳理。運(yùn)用已有知識(shí),根據(jù)粒子進(jìn)入電場(chǎng)和磁場(chǎng)的受力特點(diǎn),找到其進(jìn)入方式和運(yùn)動(dòng)形式的聯(lián)系。(見(jiàn)圖5)
 
 
圖5
【設(shè)計(jì)意圖】轉(zhuǎn)變“提問(wèn)——回答”的復(fù)習(xí)方式,使每位學(xué)生都參與活動(dòng),通過(guò)設(shè)置電子復(fù)習(xí)資料,請(qǐng)學(xué)生運(yùn)用連線的方式找到相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系,已達(dá)到梳理知識(shí)的目的。
2、質(zhì)譜儀
環(huán)節(jié)1:實(shí)驗(yàn)探究
教師:質(zhì)子和氘核是氫的同位素,其化學(xué)性質(zhì)完全相同,因此無(wú)法用化學(xué)手段將其分離。
〖探究任務(wù)〗:能否從剛剛分析過(guò)的帶電粒子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)得到啟發(fā)設(shè)計(jì)一種方案,通過(guò)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng),將初速度為零的質(zhì)子 和氘核 分離。(見(jiàn)圖6)
 
 
圖6
學(xué)生活動(dòng):根據(jù)教師提出的探究任務(wù),在《仿真實(shí)驗(yàn)室》教學(xué)軟件(見(jiàn)圖7)中設(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng),設(shè)計(jì)質(zhì)譜儀模型。
教師活動(dòng):指導(dǎo)學(xué)生,展示學(xué)生的設(shè)計(jì)作品。
 
 
圖7
【設(shè)計(jì)意圖】這部分內(nèi)容在教材中是以例題的形式給出的,要求學(xué)生看懂質(zhì)譜儀的原理圖,并計(jì)算不同粒子在其中偏轉(zhuǎn)的半徑,通過(guò)比較半徑值的不同,說(shuō)明其用途。在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師將其以方案設(shè)計(jì)的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前,教師先提出設(shè)計(jì)要求,由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì),并借助《仿真實(shí)驗(yàn)室》論證設(shè)計(jì)的可行性,使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí),變成親身體驗(yàn)科學(xué)探究的快樂(lè)。
環(huán)節(jié)2:理論分析
教師啟發(fā)學(xué)生思考:我們通過(guò)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng),成功地將氫的同位素分離,對(duì)于一個(gè)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(xué)生思考:
教師:給出相關(guān)條件,請(qǐng)同學(xué)計(jì)算:(1)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速率 (2)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。(圖8)
 
 
 
圖8
學(xué)生活動(dòng):進(jìn)行定量計(jì)算
【設(shè)計(jì)意圖】從定性分析到定量計(jì)算,使學(xué)生更加深刻地理解質(zhì)譜儀的原理。
環(huán)節(jié)3:應(yīng)用舉例
教師:如果使某元素的同位素進(jìn)入這樣的裝置,能否分析出該元素的同位素組成嗎?
學(xué)生活動(dòng):根據(jù)定量計(jì)算出的結(jié)果,得出荷質(zhì)比(比荷)的表達(dá)式,可見(jiàn),如果能夠確定r、B、U,即可確定某元素的組成。
教師:依據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)出的儀器叫質(zhì)譜儀。      
【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)3個(gè)環(huán)節(jié)的逐層分析:實(shí)驗(yàn)探究——理論推導(dǎo)——應(yīng)用舉例,使學(xué)生親身體驗(yàn)了科學(xué)探究的過(guò)程,學(xué)會(huì)用科學(xué)探究的方法學(xué)習(xí)物理,體會(huì)科學(xué)探究的樂(lè)趣,領(lǐng)悟科學(xué)的思想和精神。
拓展:現(xiàn)代高新技術(shù)上應(yīng)用的質(zhì)譜儀(同位素質(zhì)譜助環(huán)法自行車賽事一臂之力)
3、回旋加速器
展示:原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。(見(jiàn)圖9)
 
 
 
 
        圖9
教師:要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu),必須把核“打開(kāi)”進(jìn)行觀察。
〖設(shè)置問(wèn)題〗:原子核被強(qiáng)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(kāi)”,怎樣才能獲得高能的粒子呢?
學(xué)生:利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子進(jìn)行加速,加速電壓越高,粒子獲得的能量就越高。
環(huán)節(jié)1:提出問(wèn)題
教師提問(wèn):
〖問(wèn)題引導(dǎo)1〗一次性產(chǎn)生過(guò)高的電壓在技術(shù)上是很難達(dá)到的,如何才能得到高能“炮彈”?
學(xué)生回答:采用多次(多極)加速的方法。
教師提問(wèn):
〖問(wèn)題引導(dǎo)2〗加速器中的徑跡是直線,其加速裝置要很長(zhǎng),占用空間大,造價(jià)高,如何改進(jìn)?
學(xué)生:通過(guò)認(rèn)真思考意識(shí)到該設(shè)計(jì)要占用很大的空間,應(yīng)該使粒子在有限的空間加速。
教師提問(wèn):
〖問(wèn)題引導(dǎo)3〗有沒(méi)有什么方法可以使帶電粒子在加速后又轉(zhuǎn)回來(lái)被第二次加速,如此反復(fù)“轉(zhuǎn)圈圈”式地被加速,加速其裝置所占的空間不是會(huì)大大縮小嗎?通過(guò)什么方法可以使粒子轉(zhuǎn)回來(lái)再次加速?
學(xué)生回答:可以使帶電粒子通過(guò)磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng),從而可以被第二次加速。
【設(shè)計(jì)意圖】多極加速和回旋加速器的原理對(duì)學(xué)生來(lái)講屬于難點(diǎn)內(nèi)容,因此教師以設(shè)疑的形式,現(xiàn)提出需要解決的問(wèn)題:加速,再根據(jù)分析問(wèn)題的邏輯思路設(shè)置了由簡(jiǎn)到繁的疑問(wèn),將難題分化為一個(gè)個(gè)小問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要解決的問(wèn)題逐層分析。
環(huán)節(jié)2:設(shè)計(jì)方案
教師:
〖設(shè)置探究任務(wù)〗:請(qǐng)同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠給粒子加速的裝置,要求:造價(jià)低、占用空間小。將設(shè)計(jì)圖畫(huà)在課堂記錄的方框中。
學(xué)生活動(dòng):在課堂記錄中畫(huà)出設(shè)計(jì)方案。
教師活動(dòng):選擇幾個(gè)有代表性的方案,向?qū)W生展示,進(jìn)行班級(jí)交流。
【設(shè)計(jì)意圖】回旋加速器的設(shè)計(jì)較質(zhì)譜儀更難于理解,因此沒(méi)有直接運(yùn)用《仿真實(shí)驗(yàn)室》,而是要求學(xué)生先設(shè)計(jì)出草圖,將典型的方案做以比較,分析其可行性,使學(xué)生更加容易地找到自己設(shè)計(jì)的缺陷和有待改進(jìn)的地方。
環(huán)節(jié)3:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
教師:請(qǐng)同學(xué)們改進(jìn)各自的實(shí)驗(yàn)方案,并在《仿真實(shí)驗(yàn)室》中進(jìn)行驗(yàn)證。
學(xué)生活動(dòng):
〖方案驗(yàn)證〗在仿真實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置電場(chǎng)、磁場(chǎng)、帶電粒子,運(yùn)行方案,觀察是否可行。
教師:
〖設(shè)置問(wèn)題〗:如何使粒子在電場(chǎng)中總是處于加速狀態(tài)?
學(xué)生思考:帶電粒子每次進(jìn)入電場(chǎng)時(shí),電場(chǎng)的方向要改變一次,以保證其總是處于加速狀態(tài)。
〖改進(jìn)方案〗
【設(shè)計(jì)意圖】:學(xué)生主動(dòng)參與加速器的設(shè)計(jì)過(guò)程,通過(guò)親身體驗(yàn),不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,從而突破“電場(chǎng)方向周期性改變”這一難點(diǎn),使學(xué)生逐步理解回旋加速器的設(shè)計(jì)原理,已達(dá)到完成學(xué)習(xí)任務(wù)的目標(biāo)。
教師:人們依據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)出了用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速的儀器,叫回旋加速器。(展示回旋加速器圖片)
〖設(shè)置問(wèn)題〗:由于粒子運(yùn)動(dòng)的越來(lái)越快,如果粒子走過(guò)半圓的時(shí)間越來(lái)越少,電場(chǎng)兩極電視的正負(fù)變換就要越來(lái)越快,從而造成設(shè)計(jì)上的一個(gè)難題,實(shí)際情況是這樣的嗎?
學(xué)生思考回答:帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期公式 。由此發(fā)現(xiàn),粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與速度無(wú)關(guān),由帶電粒子自身的性質(zhì)和磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定。所以當(dāng)帶電粒子的速度越來(lái)越大時(shí),其走過(guò)半圓的時(shí)間并不改變,因此,電勢(shì)差的正負(fù)變換的時(shí)間間隔是不變的。
【設(shè)計(jì)意圖】培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
教師:質(zhì)譜儀和回旋加速器是兩大重要的發(fā)明,促進(jìn)了現(xiàn)代科技的發(fā)展,他們的發(fā)明者也為此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
〖設(shè)置任務(wù)〗:請(qǐng)你閱讀有關(guān)質(zhì)譜儀和回旋加速器的相關(guān)資料,根據(jù)提供的知識(shí)線索,采集重點(diǎn)內(nèi)容,復(fù)制在ppt中,制作電子筆記。
學(xué)生:閱讀材料,制作電子筆記。
【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)學(xué)生閱讀資料,將物理學(xué)的理論與社會(huì)發(fā)展、生產(chǎn)生活相聯(lián)系,使學(xué)生親身體會(huì)科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。通過(guò)制作電子筆記的方式培養(yǎng)學(xué)生查閱、記錄文獻(xiàn)的能力,使學(xué)生掌握獲取知識(shí)的一種方法。
 
活動(dòng)3【活動(dòng)】課堂小結(jié)
   三、   活動(dòng)體驗(yàn),運(yùn)用新知
教師:其實(shí)還有許多先進(jìn)儀器的設(shè)計(jì)與帶電粒子運(yùn)動(dòng)有關(guān),例如:速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾效應(yīng)。請(qǐng)同學(xué)們課下選擇你所感興趣的一種儀器進(jìn)行研究,分析其工作原理。
學(xué)生:自主學(xué)習(xí)。
【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)以上對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的分析、設(shè)計(jì)質(zhì)譜儀、研究回旋加速器,學(xué)生已經(jīng)對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)有了較深刻地認(rèn)識(shí)。為了幫助學(xué)生更好地鞏固學(xué)習(xí)成果,請(qǐng)同學(xué)課下瀏覽這幾種儀器(速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾效應(yīng))的用途,有了感性認(rèn)識(shí)后,產(chǎn)生學(xué)習(xí)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(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理,它們都是依據(jù)帶電粒子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的相關(guān)儀器。可見(jiàn)科學(xué)技術(shù)是生產(chǎn)和生活發(fā)展的推動(dòng)力。在研究過(guò)程中,我們都采用了哪些科學(xué)的方法?
學(xué)生:先對(duì)問(wèn)題進(jìn)行猜想,再進(jìn)行理論分析,最后用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。
教師:其實(shí)這是我們分析一般問(wèn)題采用的科學(xué)方法,希望同學(xué)們能夠運(yùn)用這樣的方法分析問(wèn)題。
作業(yè):校本練習(xí)
 

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