《帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》教案

1、帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教案【教材分析】1 . 教學(xué)內(nèi)容帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是高二學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)教材電場(chǎng)、電勢(shì)差、電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能等內(nèi)容之后再學(xué)習(xí)的拓展內(nèi)容。2 通過(guò)本章節(jié)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步理解力與運(yùn)動(dòng)、功與能的關(guān)系。把電場(chǎng)概念與運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)聯(lián)系起來(lái)，學(xué)習(xí)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解、牛頓定律、動(dòng)能定理解題，提高分析問(wèn)題的能力、綜合能力、用數(shù)學(xué)方法解決物理問(wèn)題的能力?！緦W(xué)情分析】帶電粒子在場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（重力場(chǎng)、電場(chǎng)）問(wèn)題，由于涉及的知識(shí)點(diǎn)眾多，要求的綜合能力較高，因而是歷年來(lái)高考的熱點(diǎn)內(nèi)容，這里需要將幾個(gè)基本的運(yùn)動(dòng)，即直線運(yùn)動(dòng)中的加速、減速、往返運(yùn)動(dòng)，曲線運(yùn)動(dòng)中的平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合鞏

2、固和加深，同時(shí)需要將力學(xué)基本定律，即牛頓第二定律、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律等進(jìn)行綜合運(yùn)用?！窘虒W(xué)目標(biāo)】（ 1）知識(shí)與技能1 理解并掌握帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的原理。2 能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律或動(dòng)能定理分析帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)。（ 2）過(guò)程與方法1 分析如何利用電場(chǎng)使帶電粒子速度大小改變即加速。2 分析如何利用電場(chǎng)使帶電粒子速度方向改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3 體驗(yàn)類比平拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用分解的方法處理曲線運(yùn)動(dòng)。4 歸納用力學(xué)規(guī)律處理帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的常用方法。（ 3）情感、態(tài)度和價(jià)值觀1 感受從能的角度，用動(dòng)能定理分析解答問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。2 進(jìn)一步養(yǎng)成科學(xué)思維的方法?！局攸c(diǎn)、難點(diǎn)】1. 教學(xué)

3、重點(diǎn)初速度為零時(shí)，粒子沿場(chǎng)強(qiáng)方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)；垂直于場(chǎng)強(qiáng)方向入射時(shí)，粒子的運(yùn)動(dòng)為類平拋運(yùn)動(dòng)。2. 教學(xué)難點(diǎn)帶電粒子在電場(chǎng)中加速偏轉(zhuǎn)綜合問(wèn)題的計(jì)算，具體應(yīng)用相關(guān)物理量的大小關(guān)系?！窘虒W(xué)準(zhǔn)備】多媒體課件.【教學(xué)方法】講授法、歸納法、互動(dòng)探究法【課時(shí)安排】二課時(shí)【教學(xué)過(guò)程】（一）情景導(dǎo)入、展示目標(biāo)帶電粒子在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用會(huì)產(chǎn)生加速度，使其原有速度發(fā)生 變化.在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)設(shè)備中，常常利用電場(chǎng)來(lái)控制或改變帶電粒子的 運(yùn)動(dòng)。具體應(yīng)用有哪些呢？本節(jié)課我們來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題.以勻強(qiáng)電場(chǎng)為例。（二）新課教學(xué)1 .帶電粒子在電場(chǎng)中的平衡若帶電粒子在電場(chǎng)中所受合力為零時(shí)， 粒子將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直

4、線運(yùn)動(dòng)狀。+ + + + +萩T mg如圖所示，帶電粒子在電場(chǎng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)，該粒子帶正電還是負(fù) 電？根據(jù)不同的已知條件，你能求出哪些物理量？分析：帶電粒子處于靜止?fàn)顟B(tài)，則有：qE mg= 0因?yàn)樗苤亓ωQ直向下，所以所受電場(chǎng)力必為豎直向上。又因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)方向豎直向下，所以帶電體帶負(fù)電。根據(jù)不同的已知條件，可求出電荷量 q,電場(chǎng)強(qiáng)度E,極板間距d,電勢(shì)差U2 .帶電粒子的加速如圖所示，在真空中有一對(duì)平行金屬板，極板間的距離為 d,兩板間加以電 壓U。兩板間有一個(gè)質(zhì)量為m帶正電荷q的帶電粒子，它在電場(chǎng)力的作用下，由 靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)，求到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度。方法一：根據(jù)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方法求

5、解平行金屬板間的場(chǎng)強(qiáng)：E=Ud帶電粒子受到的電場(chǎng)力：F=qE=叫d帶電粒子的加速度：a= F= qUm md帶電粒子從正極板運(yùn)動(dòng)到負(fù)極板做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)到達(dá)負(fù)極板的速度為v,根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有：v2= 2ad（點(diǎn)評(píng)：動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方法只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)） 方法二：根據(jù)動(dòng)能定理求解帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電場(chǎng)力所做的是W= qU設(shè)帶電粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速率為 v,其動(dòng)能為L(zhǎng) 12Ek= mv22由動(dòng)能定理可知qU= m mv2于是求出2qU（點(diǎn)評(píng)：根據(jù)動(dòng)能定理求解，過(guò)程簡(jiǎn)捷。不僅適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)，同樣適用于 兩金屬板是其它形狀，中間的電場(chǎng)不是勻強(qiáng)電場(chǎng)的情況 ）【例題11熾熱的金屬絲可以發(fā)

6、射電子。在熾熱金屬絲和金屬板間加以電壓 U= 2500V（如圖），發(fā)射出的電子在真空中被加速后，從金屬板的小孔穿出。電 子穿出時(shí)的速度有多大？設(shè)電子剛從金屬絲射出時(shí)的速度為零。電子質(zhì)量m =0.91 x 10 30kg,電子的電荷量 e= 1.6X 10 19CO解析：電荷量為e的電子從金屬絲移到到金屬板，兩處的電勢(shì)差為U,電勢(shì)能的減少量是eUo減少的電勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，所以qU= mv2 2解出速率v并把數(shù)值代入，得v=qU =3.0X 107m/s。三、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題：如何利用電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)呢？結(jié)論：要使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，即速度方向發(fā)生變化，必須使粒子的加速度方向 與速度方向之

7、間有一夾角。其中最簡(jiǎn)單的就是加速度方向與速度方向垂直的情 況。下面就討論這種情況。如圖所示，在真空中水平放置一對(duì)金屬板 Y和Y',板間距離為d,在兩板間加以電壓U?，F(xiàn)有一質(zhì)量為 m電荷量為q的帶電粒子以水平速度 v。射入電yat1 22qUl222mdv0Vx= V0Vy= V，=at=型色mdv0V= vx + v；=vh(ML)2 mdv0 V口V0場(chǎng)中，問(wèn)題討論：(1)分析帶電粒子的受力情況。(2)你認(rèn)為這種情況同哪種運(yùn)動(dòng)類似，這種運(yùn)動(dòng)的研究方法是什么？(3)你能類比得到帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的研究方法嗎 ？深入探究：設(shè)電荷帶電荷量為q,平行板長(zhǎng)為L(zhǎng),兩板間距為d,電勢(shì)差為U,初速

8、為v0. 試求：(1)粒子受力情況分析。(2)帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(3)粒子運(yùn)動(dòng)的加速度。(4)粒子在射出電場(chǎng)時(shí)豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。(5)粒子在離開電場(chǎng)時(shí)豎直方向的分速度。(6)粒子在離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小。(7)粒子在開電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度8。粒子受電場(chǎng)力，力的方向和初速度的方向垂直帶電粒子飛過(guò)電場(chǎng)的時(shí)間t= LV0l = V0tc f qua=m md5.帶電粒子離開電場(chǎng)時(shí)的偏角tanVyqUl一I 2Vo mdv0(j)= arctan 哈 tmdvo討論：位移和水平方向的夾角？ tany quir t -2l 2mdv0所以 tan 2tan可以證明：將帶電粒子的速度方向反向延長(zhǎng)后交

9、于極板中線上的中點(diǎn)三、示波管的原理1 .示波器用來(lái)觀察電信號(hào)隨時(shí)間變化的電子儀器。其核心部分是示波管。2 .示波管的構(gòu)造及作用剛才我們討論了帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)，那么，有什么實(shí)際意義 呢？示波管就是利用帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律制成的。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成如圖所示(1)電子槍發(fā)射并加速電子。(2)偏轉(zhuǎn)電極YY0使電子束豎直偏轉(zhuǎn)(加信號(hào)電壓)；XX 0使電子束水平偏轉(zhuǎn)(加掃描電壓)。(3)熒光屏3.原理利用了電子的慣性小、熒光物質(zhì)的熒光特性和人的視覺暫留等， 靈敏、直觀 地顯示出電信號(hào)隨時(shí)間變化的圖線。YY鈉作用：被電子槍加速的電子在 YY配場(chǎng)中做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，出

10、電場(chǎng) 后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，最后打到熒光屏上。由 Y = -qLy(x+ L)U , Y與 U 成正比。 mdv02XX箱作用：加掃描電壓后，將不同時(shí)刻電子的水平位置錯(cuò)開。如果在偏轉(zhuǎn)電極XX。YY吃問(wèn)都沒(méi)有加電壓，電子束從電子槍射出后沿直 線傳播，打在熒光屏中心，在那里產(chǎn)生一個(gè)亮斑。示波管的YY%轉(zhuǎn)電極上加的是待顯示的信號(hào)電壓，這個(gè)電壓是周期性的。XX編轉(zhuǎn)電極通常接入儀器自身產(chǎn)生的鋸齒開電壓， 叫做掃描電壓。如果信號(hào)電 壓是周期性的，并且掃描電壓與信號(hào)電壓的周期相同， 就可以在熒光屏上得到待 測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖象了。加正弦交變電壓，顯示正弦曲線。當(dāng)掃描電壓和信號(hào)電壓的周期相同時(shí)， 熒 光屏上將出現(xiàn)穩(wěn)定的波形?！景鍟O(shè)計(jì)】、帶電粒子在電廠中的平衡 qE m驢0、帶電粒子在電場(chǎng)中做勻變速直線運(yùn)動(dòng)1 .用常規(guī)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的解決方法來(lái)解決 （適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)）2 .能量觀點(diǎn)：（適用于任何電廠）二、帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)1 .帶電粒子以垂直與勻強(qiáng)電場(chǎng)的初速度 均射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是類平拋運(yùn)動(dòng)，可以用與平拋運(yùn)動(dòng)相似的規(guī)律和方法解題產(chǎn)生的加速度a= F= qUm md22 .在電場(chǎng)力方向的偏移量為y 1at2 -qUL22mdv23 .末速度在電場(chǎng)力方向的分量為 vy = v± = at= qU