帶電粒子在電場中的運動 教學設計 高二上學期物理人教版（2019）必修第三冊

10.5帶電粒子在電場中的運動】【教材分析】本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修3第10章第5節(jié)的內(nèi)容,本節(jié)內(nèi)容由“帶電粒子的加速”“帶電粒子的偏轉(zhuǎn)”“示波管的原理”三部分組成。教學內(nèi)容的梯度十分明顯，這樣的安排也符合學生的認知規(guī)律。由于力學與電學的綜合程度逐漸提高，學生學習出現(xiàn)一些困難也是正?，F(xiàn)象。教師應該幫助學生鋪設合理的臺階，逐步提高他們的綜合分析能力。教科書是通過例題的形式來研究帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)問題的。這樣的處理可以防止出現(xiàn)“加速度公式，位移公式、速度公式、偏轉(zhuǎn)角公式”等，因為記憶這些公式不僅加重學生負擔，更嚴重的是會淡化學生研究問題時的物理意識。示波管原理部分不僅對力學、電學知識的綜合能力有較高的要求，而且要求有一定的空間想像能力?！緦W情分析】本節(jié)課學生已掌握了一些力學和電場的基本知識，同時具備了分析有關電場的力學分析能力和能量的初步知識。本節(jié)結(jié)合實際情景對學生合理引導，培養(yǎng)學生解決簡單問題的能力，并且結(jié)合重力場中的平拋運動。采用類比法，將運動的合成與分解應用于電場的問題分析當中。使得大多數(shù)學生的便于理解容易接受。同時借助于學生的數(shù)學能力，發(fā)現(xiàn)在類平拋中的數(shù)量關系，從而調(diào)動學生的主動性和引導學生發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律?！窘虒W目標】一、教學目標1.學習運用靜電力、電場強度等概念研究帶電粒子在電場中運動時的加速度、速度和位移等物理量的變化。2.學習運用靜電力做功、電勢、電勢差、等勢面等概念研究帶電粒子在電場中運動時的能量轉(zhuǎn)化。3.了解示波管的工作原理，體會靜電場知識對科學技術的影響，二、核心素養(yǎng)物理觀念：能夠強化對電場這一概念的理解，并能綜合應用力學和電學知識解決實際問題。科學思維：通過帶電粒子在電場中加速、偏轉(zhuǎn)過程分析，培養(yǎng)學生的分析、推理能力?？茖W探究：通過學習處理帶電粒子在電場中運動的問題,培養(yǎng)學生綜合應用力學知識和電學知識的能力?？茖W態(tài)度與責任：通過知識的應用，培養(yǎng)學生熱愛科學的精神?！窘虒W重難點】重點：帶電粒子在勻強電場中的運動規(guī)律。難點：綜合應用力學和電學知識處理偏轉(zhuǎn)問題?！拘抡n導入】（一）新課導入教師活動：引導學生復習回顧相關知識點。教師用多媒體課件出示思考題：（1）動能定理的表達式是什么?（2）平拋運動的結(jié)論和推論是什么?（3）靜電力做功的計算方法有哪些?學生活動：結(jié)合自己的實際情況回顧復習。師生互動強化認識：（1）（注意W是合力所做的功）。（2）平拋運動的相關知識：水平速度，豎直速度，水平位移，豎直位移，合速度與水平方向夾角的正切值；合位移與水平方向夾角的正切值。（3）（勻強電場中），（任何電場中）。提出問題：電子被加速器加速后轟擊重金屬靶時，會產(chǎn)生射線，可用于放射治療。圖中展示了一臺醫(yī)用電子直線加速器。電子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？帶電粒子在電場中受到靜電力的作用會產(chǎn)生加速度，使其原有速度發(fā)生變化。在現(xiàn)代科學實驗和技術設備中，常常利用電場來控制或改變帶電粒子的運動。利用電場使帶粒子加速的具體應用有哪些呢？本節(jié)課我們就以勻強電場為例來研究這個問題?！拘抡n講解】一、帶電粒子在電場中的加速師生活動：出示問題問題2：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間存在場強為E的勻強電場，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，從左側(cè)極板附近由靜止加速，求：電子的加速度、到達右側(cè)極板時的速度及所需時間。問題3：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間電壓為U，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，從左側(cè)極板附近由靜止加速，求：電子的加速度、到達右側(cè)極板時的速度及所需時間。問題4：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間電壓為U，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，以初速度為v0從左側(cè)極板附近加速，求：電子的加速度和到達右側(cè)極板時的速度。學生分三組，分別完成問題2、問題3和問題4，分別匯報結(jié)果。征求不同的解法和思路，總結(jié)出兩種不同的處理思路：動力學觀點和能量觀點。方法一：先求出帶電粒子的加速度：再根據(jù)可求得當帶電粒子從靜止開始被加速時獲得的速度為：方法二：由W=qU及動能定理：得：到達另一板時的速度為：深入探究：（1）結(jié)合牛頓第二定律及動能定理中做功條件（恒力任何電場）討論各方法的實用性。（2）若初速度為v0（不等于零），推導最終的速度表達式。學生思考討論，列式推導（教師抽查學生探究結(jié)果并展示）教師最后點撥拓展：推導：設初速為v0，末速為v，則據(jù)動能定理得所以，v0=0時，）方法滲透：理解運動規(guī)律，學會求解方法，不去死記結(jié)論。教學任務：拓展1在加速問題中，如果兩極板是其他形狀，例如圖中所示電場，中間的電場不再均勻，上面的結(jié)果是否仍然適用？為什么？二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)師生活動：投影問題5問題5：如圖所示，電子以初速度v0垂直于電場線射入勻強電場中，兩極板之間的電壓為U，板長為l，板間距離為d，電子電荷量為e，質(zhì)量為m，初速度為v0水平向右，電子能從極板右側(cè)打出。問題討論：①分析電子的受力情況。②你認為這種情境同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么?③你能類比得到帶電粒子在勻強電場中運動的研究方法嗎?求：①電子在射出電場時豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。②電子在離開電場時的速度偏轉(zhuǎn)角的正切值。學生活動：結(jié)合所學知識，自主分析推導。（教師抽查學生活動結(jié)果并展示，教師激勵評價）同桌對結(jié)果相互評議，針對不同意見進行討論，達成一致。投影示范解析：解：由于帶電粒子在電場中運動受力僅有電場力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，故帶電粒子做類平拋運動。粒子在電場中的運動時間加速度豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離粒子離開電場時豎直方向的速度為速度為粒子離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ為教學任務：拓展2、拓展3拓展2：①如果偏轉(zhuǎn)電壓增大，則電子的偏轉(zhuǎn)位移和偏轉(zhuǎn)角如何變化？②如果偏轉(zhuǎn)電場的上極板帶負電，下極板帶正電，電子又會往哪兒偏？③如果偏轉(zhuǎn)電場的兩極板如圖示豎直放置，電子會如何偏轉(zhuǎn)呢？拓展3電子從靜止開始經(jīng)加速電壓U1加速后，沿垂直于電場線方向射入兩平行板中央，如何處理這種先加速后偏轉(zhuǎn)的問題？三、示波管的原理1．構(gòu)造：示波管主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極（XX′和YY′）、熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空。電子槍的作用是產(chǎn)生高速飛行的一束電子。2．原理（1）給電子槍通電后，如果在偏轉(zhuǎn)電極XX′和YY′上都沒有加電壓，電子束將打在熒光屏的中心點。（2）示波管的YY′偏轉(zhuǎn)電極上加的是待測的信號電壓，使電子沿YY′方向偏轉(zhuǎn)。（3）示波管的XX′偏轉(zhuǎn)電極上加的是儀器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓（如圖所示），叫作掃描電壓，使電子沿XX′方向偏轉(zhuǎn)。（4）如果信號電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號電壓的周期相同，那么，就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內(nèi)隨時間變化的穩(wěn)定圖像了?！景鍟恳?、帶電粒子在電場中的加速1．帶電粒子的速度方向與電場強度的方向相同或相反。2．兩種分析思路（1）利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運動公式分析，（2）利用靜電力做功結(jié)合動能定理來分析，二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)1．偏轉(zhuǎn)條件：初速度方向跟電場方向垂直。2．運