Методическая разработка по теме 3.11 Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

«БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Рассмотрена на заседании

ЦМК ОГСЭД

Протокол № ___________

от ____________ 2018 г.

Председатель ЦМК

Хританкова Н. Ю.

(Ф. И. О.)

______________________

(подпись)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

Специальность 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Дисциплина: «Физика»

Раздел 3 Электродинамика. Колебания и волны. Оптика

Тема 3.11 Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях.

Разработчик – преподаватель Вашурина Т. В.

2018

СОДЕРЖАНИЕ

Выписка из рабочей программы дисциплины «Физика»

для специальности 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛИСТ

Тип занятия: комбинированный урок.

Вид занятия: беседа, объяснение с демонстрацией наглядных пособий, решение задач.

Продолжительность: 90 минут.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ

Учебные цели: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение понятия силы Лоренца, движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

Развивающие цели: развивать интерес к будущей профессии, понимание сущности и социальной значимости (ОК 1), способствовать формированию умения решать физические задачи.

Воспитательные цели: способствовать развитию коммуникативных способностей; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде (ОК 6).

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Место проведения: аудитория колледжа.

МОТИВАЦИЯ

Тема 3.11 «Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). Опасность работы с электроприборами заключается в том, что ток, магнитное поле тока и напряжение не имеют внешних признаков, которые позволили бы человеку при помощи органов чувств (зрения, слуха, обоняния) обнаружить грозящую опасность и принять меры предосторожности. 

Действие электрического тока на живые организмы было открыто итальянским учённым Луиджи Гальвани. Ноябрьским днём 1770 г. он был поражён странным явлением: находившиеся на столе обезглавленные лягушки, над которыми профессор проводил опыты, вздрагивали. Их лапки вздрагивали каждый раз, когда из стоящей в кабинете электростатической машины извлекали яркие искры. Особенно сильными были содрогания лапок, когда к ним были присоединены проволоки, свисавшие до земли.

Ныне Гальвани считают основоположником электрофизиологии, раздела медицины оказывающее положительное влияние на организм человека. Кратковременные высоковольтные электрические разряды через сердце помогают иногда предотвратить смерть пациента при тяжёлом нарушении сердечной деятельности.

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимать сущность и социальную значимость (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

План изложения учебного материала по теме

«Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях»

1. Сила Лоренца.

2. Правило левой руки.

3. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

4. Движение заряженной частицы в электрическом поле.

1. Сила Лоренца.

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B, 

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q – заряд носителя. Тогда произведение n q υ S, где υ – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику: 

Выражение для силы Ампера можно записать в виде: 

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно n S Δl, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна 

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью  и вектором магнитной индукции  .

1. Правило левой руки.

Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ для заряженной частицы с целью определения направления силы, действующей на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Если ЛЕВУЮ РУКУ расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Взаимное расположение векторов ,  и  для положительно заряженной частицы показано на рисунке.

Взаимное расположение векторов ,  и Модуль силы Лоренца  численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах  и  помноженной на заряд q

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам   и .

1. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость  лежит в плоскости, перпендикулярной вектору  то частица будет двигаться по окружности радиуса 

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен 

Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории 

называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке.

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.

Однородные магнитные поля используются во многих приборах и, в частности, в масс-спектрометрах – устройствах, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов, то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массами (например, ²⁰Ne и ²²Ne). Простейший масс-спектрометр показан на рис. 1.18.4. Ионы, вылетающие из источника S, проходят через несколько небольших отверстий, формирующих узкий пучок. Затем они попадают в селектор скоростей, в котором частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях.

1. Движение заряженной частицы в электрическом поле.

Электрическое поле создается между пластинами плоского конденсатора, магнитное поле – в зазоре между полюсами электромагнита. Начальная скорость  заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам  и 

На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила  и  магнитная сила Лоренца. При условии E = υB эти силы точно уравновешивают друг друга. Если это условие выполняется, частица будет двигаться равномерно и прямолинейно и, пролетев через конденсатор, пройдет через отверстие в экране. При заданных значениях электрического и магнитного полей селектор выделит частицы, движущиеся со скоростью υ = E / B.

Далее частицы с одним и тем же значением скорости попадают в камеру масс-спектрометра, в которой создано однородное магнитное поле  Частицы движутся в камере в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, под действием силы Лоренца. Траектории частиц представляют собой окружности радиусов R = mυ / qB'. Измеряя радиусы траекторий при известных значениях υ и B' можно определить отношение q / m. В случае изотопов (q₁ = q₂) масс-спектрометр позволяет разделить частицы с разными массами.

Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10^–4.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле»

1. Объясните действие магнитного поля на проводник с током.

Ответ: Опыты Ампера показывают, что два проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Это взаимодействие объясняется тем, что сила, которую испытывает каждый из проводников, обусловлена магнитным полем, создаваемым током другого проводника.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Расположим проводник с током (см. рис. 1) так, чтобы только один прямолинейный участок его аb оказался в сильном магнитном поле (между полюсами подковообразного магнита), а остальные части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его действием на эти части цепи можно пренебречь.

Опыт показывает, что в зависимости от направления тока и от расположения полюсов магнита проводник аb движется вправо или влево, вверх или вниз. На проводники, расположенные вдоль направления магнитного поля, силы не действуют.

Рис. 1

1. Сформулируйте понятие силы Ампера.

Ответ: Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера. Направление силы Ампера можно определить, пользуясь правилом левой руки: руку располагают так, чтобы нормальная к проводнику составляющая магнитной индукции входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току: тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на проводник силы Ампера (рис. 1).

1. Запишите и сформулируйте закон Ампера.

Ответ: Ампер установил экспериментально, что модуль этой силы тем больше, чем сильнее магнитное поле , чем больше сила тока  в проводнике, чем больше длина проводника  и зависит от ориентации проводника в магнитном поле:

,

где  — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции.

Эта формула является математическим выражением закона Ампера. Ею можно пользоваться только тогда, когда длина проводника такова, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой, но если магнитное поле однородное, то длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле. Интерес представляет вращение прямоугольной рамки с током в однородном магнитном поле.

Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и генераторы, устройства для записи звука в магнитофонах, телефоны и микрофоны — во всех этих и во множестве других приборов и устройств используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.д.

1. Дайте определение магнитного потока.

Рис. 2

Ответ: На рисунке 2 показано однородное магнитное поле. Однородное означает одинаковое во всех точках в данном объеме. В поле помещена поверхность с площадью S. Линии поля пересекают поверхность.

Определение магнитного потока:

Магнитным потоком Ф через поверхность S называют количество линий вектора магнитной индукции B, проходящих через поверхность S.

Формула магнитного потока:

Ф = BS cos α

здесь α - угол между направлением вектора магнитной индукции B и нормалью к поверхности S.

1. Опишите случай максимального и минимального магнитного потока, его единицы измерения.

Ответ: Из формулы магнитного потока видно, что максимальным магнитный поток будет при cos α = 1, а это случится, когда вектор B параллелен нормали к поверхности S. Минимальным магнитный поток будет при cos α = 0, это будет, когда вектор B перпендикулярен нормали к поверхности S, ведь в этом случае линии вектора B будут скользить по поверхности S, не пересекая её.

А по определению магнитного потока учитываются только те линии вектора магнитной индукции, которые пересекают данную поверхность.

Измеряется магнитный поток в веберах (вольт-секундах): 1 вб = 1 в * с. Кроме того, для измерения магнитного потока применяют максвелл: 1 вб = 10⁸ мкс. Соответственно 1 мкс = 10^-8 вб.

Магнитный поток является скалярной величиной.

1. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

Ответ: Так как на проводник с током в магнитном поле действует силы, то, очевидно, при перемещении этого проводника будет совершаться работа.

Поскольку в рассматриваемом случае направления силы и перемещения совпадают и так как , то имеем:

Если произведение BS обозначить через , то получим, что работа при перемещении проводника с током в магнитном поле выражается формулой:

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Физика 10 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр.158 начальный уровень №1-6, стр. 160 достаточный уровень №1,2, 5,6.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

1. Сформулируйте определение силы Лоренца.

2. По какому правилу можно определить направление силы Лоренца?

3. Какой формулой определяется сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу?

4. В каком случае сила Лоренца не совершает работу?

5. По какой формуле можно рассчитать радиус окружности, по которой будет двигаться частица в магнитном поле?

6. Чему равен период обращения частицы в однородном магнитном поле?

7. В каких устройствах используется движение заряженных частиц в однородном магнитном поле?

8. Что позволяет измерять современный масс-спектрометр?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Тест

1 Магнитное поле действует на …

a. Любые заряженные частицы.

b. Только на движущиеся заряженные частицы.

c. Только на неподвижные заряженные частицы.

d. На заряженные частицы не действует.

2. Сила Лоренца – это сила, действующая …

a. Со стороны магнитного поля на заряженную частицу.

b. На магнит, со стороны электрически заряженного тела.

c. На проводник с током в электрическом поле.

d. На проводник с током в магнитном поле.

3. При помощи правила левой руки можно определить…

a. Направление силы Лоренца

b. Направление линий магнитной индукции

c. Направление силы Ампера

d. Направление северного полюса магнита

4. Куда направлена сила Лоренца, действующая на протон, влетающий в магнитное поле так, как пока­зано на рисунке?

a. влево b. вправо c. к нам d. от нас

5. Определите по правилу левой руки направление скорости движения заряженной частицы:

a. вверх b. вниз c. к нам d. от нас

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала

Критерии оценки:

за 3 правильно выполненных задания – «3» балла;

за 4 правильно выполненных задания – «4» балла;

за 5 правильно выполненных заданий – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г., с. 16-26,параграфы 6, 7 прочитать, конспект выучить; с. 26 упр. 1 (2).

Критерии оценки: студент выучил конспект – «3» балла;

студент выучил конспект, владеет информацией из учебника – «4» балла;

студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, ответил на дополнительный вопрос или решил задачу – «5» баллов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Образовательный портал. Тест с ответами на тему Сила Лоренца [Электронный ресурс]/ Physics // Режим доступа: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph18/theory.html

2. Подготовка к ЕГЭ. Тест Сила Лоренца [Электронный ресурс]/ Compedu // Режим доступа: https://compedu.ru/publication/podgotovka-k-ege-test-sila-lorentsa.html

3. Тест Магнитное поле [Электронный ресурс]/ Schooltests // Режим доступа: http://www.schooltests.ru/11/07_magnitnoe_pole.pdf

4. Тест по теме «Магнетизм» [Электронный ресурс]/ kopilkaurokov // Режим доступа: https://kopilkaurokov.ru/fizika/testi/tiest-po-tiemie-maghnietizm-11-klass

5. Социальная сеть работников образования nsportal.ru [Электронный ресурс]/ Nsportal // Режим доступа: https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2017/08/28/test-po-teme-primenenie-sily-lorentsa

6. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений с приложением на электронном носителе: базовый и профильный уровни: [Текст]/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-20-е изд. - М. : Просвещение, 2011. – 399 с.