人教版高中物理必修3第10章第5節(jié) 帶電粒子在電場中的運動 教學(xué)設(shè)計

帶電粒子在電場中的運動教學(xué)設(shè)計

課題帶電粒子在電場中的運動單元10學(xué)科物理年級高二

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(xué)內(nèi)容的梯度十分明

顯，這樣的安排也符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。由于力學(xué)與電學(xué)的綜合程度逐漸提高，學(xué)生學(xué)習(xí)出

現(xiàn)一些困難也是正?，F(xiàn)象。教師應(yīng)該幫助學(xué)生鋪設(shè)合理的臺階，逐步提高他們的綜合分析能

教材力。

分析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(xué)

生負(fù)擔(dān)，更嚴(yán)重的是會淡化學(xué)生研究問題時的物理意識。

示波管原理部分不僅對力學(xué)、電學(xué)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。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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。

教學(xué)

3.了解示波管的工作原理，體會靜電場知識對科學(xué)技術(shù)的影響，

目標(biāo)

與核二、核心素養(yǎng)

心素物理觀念：能夠強化對電場這一概念的理解，并能綜合應(yīng)用力學(xué)和電學(xué)知識解決實際問

養(yǎng)

題。

科學(xué)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(xué)生的分析、推理能力。

科學(xué)探究：通過學(xué)習(xí)處理帶電粒子在電場中運動的問題,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用力學(xué)知識和

電學(xué)知識的能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過知識的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的精神。

重點帶電粒子在勻強電場中的運動規(guī)律。

難點綜合應(yīng)用力學(xué)和電學(xué)知識處理偏轉(zhuǎn)問題。

教學(xué)過程

教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖

導(dǎo)入新課在現(xiàn)代科學(xué)實驗和技術(shù)設(shè)備中，常常利用電場

來控制或改變帶電粒子的運動。如圖是一臺醫(yī)用電

子直線加速器，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。觀看圖片并思為引入本屆課題

出示圖片:醫(yī)用電子直線加速器考問題作鋪墊,并引起學(xué)

電子在加速器中是受到什么力的作用而加速生學(xué)習(xí)的興趣

的呢？具體應(yīng)用有哪些呢？

本節(jié)課我們來研究這個問題。

講授新課一、帶電粒子在電場中的加速

1.帶電粒子的加速

帶電粒子沿與電場線平行的方向進入勻強電場，受

到的靜電力與運動方向在同一直線上，做加速(或減

速)直線運動。

觀察圖片了解為分析帶電粒子

最簡單的帶電加速的問題做鋪

粒子在勻強電墊

場中的運動

2.分析帶電粒子加速的問題的兩種思路

（1）利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運動

公式來分析

當(dāng)解決的問題屬于勻強電場且涉及運動時間

閱讀課文并結(jié)鍛煉學(xué)生的的邏

等描述運動過程的物理量時，適合運用這一種思路

合自己的理解輯思維能力和總

分析。

總結(jié)帶電粒子結(jié)能力

可由靜電力求得加速度進而求出末速度、位移

加速的問題的

或時間。

兩種思路

（2）利用靜電力做功結(jié)合動能定理來分析。

靜電力做的功等于粒子動能的變化量。

當(dāng)問題只涉及位移、速率等動能定理公式中的

物理量或非勻強電場情景時，適合運用這一種思路

分析。

1若粒子的初速度為零，則

得：

2若粒子的初速度不為零，則

針對練習(xí)：在勻強電場E中，被加速的粒子電

荷量為q，質(zhì)量為m，從靜止開始加速的距離為d，

學(xué)生填空加深對基本知識

加速后的速度為v，這些物理量間的關(guān)系滿足動能

的掌握

定理qEd=()。在非勻強電場中，若粒子運動的

初末位置的電勢差為U，動能定理表達成qU=

()。一般情況下帶電粒子被加速后的速度可表

達成v=()

答案：

思考討論1：有些帶電物體，如帶電小球、帶

電液滴、帶電塵埃等受力有何特點?

參考答案：除受靜電力作用外，還受重力作用，

且重力一般不能忽略。

思考討論2：重力什么時候可以忽略，什么時

候不能忽略？

學(xué)生思考討論讓學(xué)生對比較迷

參考答案：①只有在帶電粒子的重力遠遠小于

重力什么時候茫的問題有個清

靜電力時，粒子的重力才可以忽略。

可以忽略，什晰的認(rèn)識，增強

②一般地說，微觀帶電粒子如電子、質(zhì)子、離

么時候不能忽學(xué)生的自信心

子、a粒子等除有說明或有明確暗示外，處理問題

略？

時均不計重力。而帶電的液滴、小球等除有說明或

有明確暗示外，處理問題時均應(yīng)考慮重力。

例題1：如圖甲所示，某裝置由多個橫截面積

相同的金屬圓筒依次排列，其中心軸線在同一直線

上，圓筒的長度依照一定的規(guī)律依次增加。序號為

奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個極相連，序號為偶數(shù)

的圓筒和該電源的另一個極相連。

交變電源兩極間電勢差的變化規(guī)律如圖乙所

示。在t＝0時，奇數(shù)圓筒相對偶數(shù)圓筒的電勢

差為正值，此時位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板

（序號為0）中央的一個電子，在圓板和圓筒1之

間的電場中由靜止開始加速，沿中心軸線沖進圓筒

1。

為使電子運動到圓筒與圓筒之間各個間隙中

都能恰好使靜電力的方向跟運動方向相同而不斷

加速，圓筒長度的設(shè)計必須遵照一定的規(guī)律。若已

知電子的質(zhì)量為m、電子電荷量為e、電壓的絕對

值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時間可以

忽略不計。則金屬圓筒的長度和它的序號之間有什

么定量關(guān)系？第n個金屬圓筒的長度應(yīng)該是多少？

在教師的引導(dǎo)鍛煉學(xué)生的分析

下分析解答課能力規(guī)范學(xué)生的

文上的例題解題步驟

甲

乙

分析?如圖，由于金屬導(dǎo)體內(nèi)部的電場強度等

于0，電子在各個金屬圓筒內(nèi)部都不受靜電力的作

用，它在圓筒內(nèi)的運動是勻速直線運動，只是在相

鄰圓筒的間隙中才會被加速。

為使電子在所有相鄰圓筒的間隙中都能受到

向右的靜電力，電子所到達間隙處的電場強度都必

須向左。在同一間隙中，電場強度的方向是周期性

變化的，每半個周期，電場強度的方向左右變化一

次。如果電子勻速穿過每個圓筒運動的時間

恰好等于交變電壓的周期的一半，它就能踏準(zhǔn)

節(jié)奏，每到達一個間隙，恰好是該間隙的電場強度

變?yōu)橄蜃蟮臅r刻。

由于電子通過每一個間隙所增加的動能都等

于eu，由此可知電子在各個圓筒內(nèi)的動能和速度，

而各個圓筒的長度應(yīng)該等于電子在該圓筒中的速

度大小與交變電壓的半個周期的乘積。

解設(shè)電子進入第n個圓筒后的速度為v，根

據(jù)動能定理有

第n個圓筒的長度為：

圓筒長度跟圓筒序號的平方根成正比，

第n個圓筒的長度是

二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)

帶電粒子以初速度v0垂直于電場線射入電場

中。帶電粒子的運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在勻強電場

中，帶電粒子的運動軌跡是一條拋物線，類似平拋

運動的軌跡。

不同的僅僅是平拋運動物體所受的是重力，而

上述帶電粒子所受的是靜電力。

1.帶電粒子的偏轉(zhuǎn)

觀察圖像帶電掌握粒子在V0的

粒子在勻強電方向上做勻速直

帶電粒子的電荷量為q、質(zhì)量為m，以初速度

場中的偏轉(zhuǎn)線運動，；粒子

V垂直電場線射人兩極板間的勻強電場。板長為L、

在垂直于V0的方

板間距為d，兩極板間的電勢差為U。

向上做初速度為

（1）粒子在V0的方向上做勻速直線運動

零的勻加速直線

運動。

x=V0t；穿越兩極板的時間為；粒子在垂直

于V0的方向上做初速度為零的勻加速直線運動y=

at2:加速度為

（2）離開電場時的偏移距離

學(xué)生推導(dǎo)離開鍛煉學(xué)生的計算

電場時的偏移推導(dǎo)能力

（3）離開電場時的偏轉(zhuǎn)角距離，離開電

場時的偏轉(zhuǎn)

角，帶電粒子

（4）帶電粒子離開電場時速度的大小離開電場時速

度的大小

Vx=V0

【例題2】如圖所示，兩相同極板A與B的

長度L為6.0cm，相距d為2cm，極板間的電

壓U為200V。一個電子沿平行于板面的θ方向

7

射入電場中，射入時的速度v0為3.0×10m/s。把

兩板間的電場看作勻強電場，求電子射出電場時沿

垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度。

分析?電子在垂直于板面的方向受到靜電力。在教師的引導(dǎo)鍛煉學(xué)生的分析

由于電場不隨時間改變，而且是勻強電場，所以整下分析解答課能力規(guī)范學(xué)生的

個運動中在垂直于板面的方向上加速度是不變的。文上的例題解題步驟

解?電子在電場中運動的加速度是

（1）

電子射出電場時，在垂直于板面方向偏移的距

離為（2）

其中t為飛行時間。由于電子在平行于板面的

方向不受力，所以在這個方向做勻速直線運動，由

L＝v0t可求得

（3）

把（1）（3）式代入（2）式得到

代入數(shù)值后，解得y＝0.35cm

即電子射出時沿垂直于板面的方向偏離0.35

cm。

由于電子在平行于板面的方向不受力，它離開

電場時，這個方向的分速度仍是v0如圖所示，垂

直于板面的分速度是

則離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ可由下式確定

代入數(shù)值后，解得θ＝6.7°

電子射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距

離是0.35cm，偏轉(zhuǎn)的角度是6.7°。

知識拓展：帶電粒子偏轉(zhuǎn)的幾個推論

觀察圖片理解加深學(xué)生的理解

帶電粒子偏轉(zhuǎn)帶電粒子偏轉(zhuǎn)的

的幾個推論一些規(guī)律

①粒子出電場時好像從板長L的處沿直線射

出根據(jù)：

②位移方向與初速度方向間夾角的正切為速

度偏轉(zhuǎn)角正切的根據(jù)tana=tanθ。

③若幾種不同的帶電粒子經(jīng)同一電場加速之

后再進入同一個偏轉(zhuǎn)電場，粒子的偏移位移、偏轉(zhuǎn)

角與粒子的q、m無關(guān)，僅取決于加速電場和偏轉(zhuǎn)

電場。根據(jù)其中U1為加

速電場的電壓U2為偏轉(zhuǎn)電場的電壓。

拓展學(xué)習(xí)示波管的原理

觀察下圖說出示波管的構(gòu)造以及原理

觀察圖片了解初步形成對示波

1.示波管的構(gòu)造：示波管是一個真空電子管，示波管的構(gòu)造器結(jié)構(gòu)的認(rèn)識

它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成。和示波管的原

2.示波管的原理：電子槍通電后會產(chǎn)生熱電子，理

電子在加速電場作用下被加速，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電場發(fā)生

偏轉(zhuǎn)，示波管的YY′偏轉(zhuǎn)電極上加的是待測的信

號電壓。XX′偏轉(zhuǎn)電極通常接入儀器自身產(chǎn)生的

鋸齒形電壓叫作掃描電壓。

3.常見波形

（1）如果在偏轉(zhuǎn)電極XX′之間和偏轉(zhuǎn)電極

YY′之間都沒有加電壓，電子束從電子槍射出后

沿直線運動，打在熒光屏中心，在那里產(chǎn)生一個亮

斑。

了解常見的幾鞏固已有的理論

種波形基礎(chǔ)

（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。

掃描電壓

科學(xué)漫步范德格拉夫靜電加速器

學(xué)生閱讀課文鍛煉學(xué)生的自主

1.閱讀課文了解范德格拉夫靜電加速器。

學(xué)習(xí)能力

2.說一說在醫(yī)院直線加速器的應(yīng)用。

參考答案：在醫(yī)院，用直線加速器產(chǎn)生的粒子

束（射線）治療某些癌癥，稱為放射治療。與使用

鈷60等放射性物質(zhì)的放射治療相比，使用直線加

速器不需要放射源，不開機時完全沒有射線，更加

安全，也便于管理。

課堂練習(xí)

1.有一束正離子，以相同速率從同一位置垂直

進入帶電平行板電容器的勻強電場中，所有離子運

動軌跡一樣，說明所有離子()

A．具有相同質(zhì)量

B．具有相同電量學(xué)生練習(xí)鞏固本節(jié)的知識

C．電量與質(zhì)量比相同

D.屬于同一元素同位素

答案：C

1

2.原來都靜止的質(zhì)子(氫原子核1H)和粒子

4

(氮原子核2He)，經(jīng)過同一電壓加速以后，它們的

速度大小之比為()

A．1:lB．1:2

C．1:4D．2:1

答案：D

3.如圖所示，電子經(jīng)加速電場（電壓為U1）后

進入偏轉(zhuǎn)電場，（電壓為U2），然后飛出偏轉(zhuǎn)電場，

要使電子不飛出偏轉(zhuǎn)電場可采取的措施有（）

A．增大U1B．減小U1

C．增大U2D．減小U2

答案：BC

4.(多選)示波管是示波器的核心部件，它由電子

槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成。如圖所示，如果在熒

光屏上P點出現(xiàn)亮斑，那么示波管中的()

A.極板X應(yīng)帶正電

B.極板X'應(yīng)帶正電

C.極板Y應(yīng)帶正電

D.極板Y'應(yīng)帶正電

答案：AC

拓展提高

1.在平行板電容器的勻強電場中，有一個質(zhì)子

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1H和一個粒子；2He，在靠近正極板處由靜止

同時向負(fù)極板運動，則質(zhì)子和粒子運動的加速度

之比是_____；兩個粒子到達負(fù)極板時的動能之比

是_____，速率之比是_____。

答案：2：11：22：1

2.如圖所示，平行金屬板A、B水平正對放置，

分別帶等量異號電荷，一帶電微粒水平射入板間，

在重力和電場力共同作用下運動，軌跡如圖中虛線

所示，那么()

A．若微粒帶正電荷，則A板一定帶正電荷

B．微粒從M點運動到N點電勢能一定增加

C．微粒從M點運動到N點動能一定增加

D．微粒從M點運動到N點機械能一定增加

答案：C

3.如圖甲為一對長度為L的平行金屬板，在兩

板之間加上圖乙所示的電壓．現(xiàn)沿兩板的中軸線從

左端向右端連續(xù)不斷射入初速度為v0的相同帶電

粒