《帶電粒子在電場中的運動》教學(xué)設(shè)計

1、帶電粒子在電場中的運動教學(xué)設(shè)計陳麗梅、課程目標(biāo)一）知識與技能 1理解并掌握帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的運動規(guī)律； 2能用牛頓運動定律和動能定理分析帶電粒子在電場中加速；能用運動分解的方法處理 帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題。二）過程與方法 1體驗從最簡單的物理模型入手探究應(yīng)用原理的方法； 2從力和運動的規(guī)律出發(fā)，分析如何利用電場使帶電粒子加速； 3分析如何利用電場使帶電粒子速度方向改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并親歷推導(dǎo)過程； 4體驗“類平拋”運動，強化運用運動分解來處理曲線運動的方法。三）情感、態(tài)度與價值觀 1感受利用電場控制帶電粒子運動的絕妙之處。2進一步養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣。3. 感受嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度帶來的成功喜

2、悅。二、教學(xué)方法： 啟發(fā)式教學(xué)三、重點分析 ：1. 分析帶電粒子沿場強方向做勻加速直線運動的規(guī)律，并用不同方法處理此類問題；2. 分析帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)時的運動規(guī)律，能用運動分解的方法處理曲線運動。四、難點分析 ：綜合運用靜電力、 電場力做功等概念研究帶電粒子在電場中運動時速度、 加速度、位移等物理量的改變及能量的轉(zhuǎn)化，尤其是帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)時的偏轉(zhuǎn)距離、偏轉(zhuǎn)角的計算。五、教學(xué)策略： 為了幫助學(xué)生順利地探索和研究， 將本節(jié)課用到的已學(xué)知識整理成 “資料庫” ， 供學(xué)生參考和查找相關(guān)內(nèi)容，避免遺忘的知識成為學(xué)習(xí)的障礙。六、教學(xué)過程：（一）、引入展示圖片：電子直線加速器和示波器及示波管它們在

3、科學(xué)研究中是不可缺少的儀器， 其原理都是利用電場來控制帶電粒子 （電子） 的 運動，本節(jié)課我們要研究的就是利用電場控制帶電粒子運動的兩種最簡單的情況： 利用電場 使帶電粒子加速、利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)。我們以勻強電場為例來進行研究。（二）、新課教學(xué)1、關(guān)于電場： 兩個正對的帶電平行金屬板中存在勻強電場，場強方向由正極板指 向負極板。（圖示）2、關(guān)于帶電粒子： 我們研究的帶電粒子分為兩類：（ 1）微觀帶電粒子如電子、質(zhì)子、離子、 粒子等，所受的重力般可以忽略，有說明或明確暗示除外。老師給出實例：粒子的重力遠小于電場力）老師2）帶電液滴、帶電小球等除有說明或明確暗示外，處理問題時均應(yīng)考慮重力。給出

4、實例：粒子的重力不遠小于甚至大于電場力）3、帶電粒子的加速提出問題 1】如何利用電場使帶電粒子只被加速而不改變運動方向？計算粒子的末速度跟哪些物理量有關(guān)學(xué)生活動 1】（ 1）結(jié)合相關(guān)知識提出設(shè)計方案并互相討論其可行性。（ 2）學(xué)生介紹自己的設(shè)計方案。（ 3）師生互動歸納：方案 1、方案 2、方案 3 分析典型方案：如圖提出問題 2】如何控制加速的末速度？提示） 設(shè)粒子的質(zhì)量為 m，兩極板間的距離為 d， 學(xué)生活動 2】1）計算粒子加速后的末速度2）學(xué)生展示計算過程3）師生互動歸納：不同的計算方法，得到的結(jié)果相同并得出結(jié)論：只需控制兩極板的電壓，就能很方便地控制粒子的末速度。（說明） 動能定理處

5、理此類問題有優(yōu)越性， 原因是電場力做功與路徑無關(guān)， 適用于包括勻 強電場在內(nèi)的任何電場?！纠} 1】 如圖，金屬絲經(jīng)電源 E 加熱后可發(fā)射電子。在金屬絲和金屬板間加以電壓U=180V ，發(fā)射出的電子在真空中加速后， 從金屬板的小孔穿出。 電子穿出時的速度有多大？設(shè)電子剛剛離開金屬絲時的速度為0。 （電子的質(zhì)量 9 10 -31 kg，電子的電荷量 1.6 10-19 C）學(xué)生活動 3】獨立計算并得出結(jié)果解：電荷量為 e的電子從金屬絲移動到金屬板， 兩處的電勢差為 U ，電場力做功 W= eU 。由動能定理得 12mv eU2解出速度 v 并把數(shù)值代入，得180eU 2 1.6 10-19 v

6、m = 9 10-3168 10 6 m/s4、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 要使帶電粒子進入電場后運動方向發(fā)生變化， 應(yīng)該讓帶電粒子的速度方向與電場的方向 不在一條直線上。本節(jié)課我們研究帶電粒子垂直電場方向進入勻強電場的情況。（設(shè)置情景） 如圖所示，兩個相同極板的長度為l，相距為 d，極板間的電壓為 U。一個電子沿平行于板面的方向射入電場中， 射入時的速度 v0。把兩板間的電場看做勻強電場， 分 析電子在電場中的運動情況【提出問題 1】（ 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動類似，用什么方法處理這種運動呢?（ 3）你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎?【學(xué)生活動 1】討論并

7、回答上述問題： 粒子只受到與運動方向垂直的靜電力作用， 且靜電力恒定， 故粒子在電場中的運動與平拋物體的運動類似，屬于勻變速曲線運動。處理這種運動的方法是：運動的分解。粒子在水平運動方向上不受力的作用， 做勻速直線運動； 在垂直運動方向上受恒定的靜 電力作用，做初速度為 0 的勻加速運動，加速度由靜電力提供。提出問題 2】 帶電粒子在什么位置射出電場？提示） 帶電粒子出電場的位置可用垂直于板面方向偏移的距離 y 表示。帶電粒子在電場中運動的時間 t粒子運動的加速度 a粒子射出電場時的偏轉(zhuǎn)距離 y【學(xué)生活動 2】 電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場不隨時間改變，而且是勻強電場，所 以整個

8、運動中在垂直于板面的方向上加速度是不變的。加速度是F eE eUam m md 電子射出電場時，在垂直于板面方向偏移的距離為12y at2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運動，由 l vot 可求得l tv0將 a 和 t 代入 y 的表達式中，得到1 eU2 mdlv0【提出問題 3】粒子在出電場時速度方向改變了多少？（提示） 速度方向的改變可以用出電場時速度方向與進電場時速度方向的夾角來表示， 稱之為速度的偏轉(zhuǎn)角。將出電場時的速度正交分解粒子在離開電場時垂直板面方向的分速度v學(xué)生活動 3】粒子在離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度 由于電子在平行于板面的方向不

9、受力，它離開電場時，這個方向的分速度仍是v0 ，而垂直于板面的分速度是eU lv atmd v0離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度 可由下式確定tanv eUl v0 mdv02提示） 由以上分析，很容易求出粒子離開電場時速度的大小。 深入分析】由粒子離開電場時偏轉(zhuǎn)角度的表達式 tan veUl2 可以知道：若偏轉(zhuǎn)電場確定，v0 mdv02粒子偏轉(zhuǎn)角度的大小與粒子本身特征 （粒子的電荷量和質(zhì)量） 和粒子進入電場時的速度大小 有關(guān)。5、問題與練習(xí)氫和氘是同位素，氘核的質(zhì)量是氫核質(zhì)量的 2 倍，而它們的電荷量相同。（ 1）兩個粒子通過相同電場，由靜止開始加速，它們獲得的動能之比是Ek 氫 Ek 氘 =（ 2）兩

10、個粒子通過同一對平行板形成的電場，進入時速度方向與板面平行，若它們的初 速度相同，離開時粒子偏轉(zhuǎn)角的正切之比tan （氫 ） tan （氘） =；若它們的初動能相同，離開時粒子垂直板面方向的偏轉(zhuǎn)距離之比y 氫 y 氘=。解答：12（ 1）由動能定理 mv2 eU 可知 Ek氫Ek 氘=112（ 2）出電場時垂直板面的分速度 v at eU l ，偏轉(zhuǎn)角的正切 tan veUl2 ，md v0 v0 mdv02所以 tan （ 氫 ） tan （氘） = 211 2 1 eU l 2由 yat2 得 y，可知 y 氫 y 氘= 1 12 2 md v06、小結(jié)（ 1）靜電場與重力場的類比 帶電粒

11、子在勻強電場中的運動， 與重物在重力場中的運動相似， 有時像自由落體運動， 有時像拋體運動，依初速度是否為 0 而定。不過，重力在重力場中受到的力與質(zhì)量成正比， 因此不同質(zhì)量的物體具有相同的加速度g。但是帶電粒子在電場中受到的力跟它的電荷量成正比， 而電荷量相同的粒子可能質(zhì)量不同， 因而它們在電場中的加速度可能互不相同， 這是 靜電場與重力場的重要區(qū)別。研究帶電粒子在電場中運動的兩種途徑 （1）力和運動的關(guān)系牛頓第二定律 根據(jù)帶電粒子受到的電場力及初速度情況，用牛頓第二定律找出加速度，結(jié)合運動學(xué) 公式確定帶電粒子的速度、 位移等 這條途徑通常適用于勻強電場中粒子做勻變速運動的情 況（2）功和能的關(guān)系動能定理 電場力對帶電粒子做功， 引起帶電粒子的能量發(fā)生變化 . 利用功能關(guān)系研究帶電粒子的 速度變化、通過的位移、能量的變化等這條途徑也適用于非勻強電場7、板書帶電粒子在電場中的運動得：qU= 12mv2（一）、帶電粒子的加速 由 W=qU 及動能定理： 12W= Ek= mv2-02到達另一板時的速度為：v=（ 控制 U