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1、 1.9帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(人教版選修3-1)一、教學(xué)目標(biāo) 【知識(shí)與技能】1學(xué)習(xí)運(yùn)用靜電力、電場(chǎng)強(qiáng)度等概念研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度、速度和位移等物理量的變化。2學(xué)習(xí)運(yùn)用靜電力做功、電勢(shì)、電勢(shì)差等概念研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)能量的轉(zhuǎn)化。3.了解示波管的工作原理,體會(huì)靜電場(chǎng)知識(shí)對(duì)科學(xué)技術(shù)的影響。【過(guò)程與方法】 經(jīng)歷理論探究過(guò)程,體驗(yàn)應(yīng)用類(lèi)比學(xué)習(xí)的知識(shí)法和通過(guò)做功研究能量變化的方法?!厩楦袘B(tài)度與價(jià)值觀】 通過(guò)學(xué)習(xí),樹(shù)立相互聯(lián)系、相互影響的看待事物的的觀點(diǎn)。了解電場(chǎng)規(guī)律在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。二、 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 【教學(xué)重點(diǎn)】:帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)?!窘虒W(xué)難點(diǎn)】: 綜合利用力學(xué)、電
2、學(xué)知識(shí)分析帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)問(wèn)題。三、教學(xué)用具 電子流偏轉(zhuǎn)儀 示波器 四、教學(xué)過(guò)程 【新課引入】在前面學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,本節(jié)學(xué)習(xí)處理帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。視頻電子流的運(yùn)動(dòng) 播放視頻,引入新課。(設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)新奇的場(chǎng)景,吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。)要實(shí)現(xiàn)電子的運(yùn)動(dòng),首先要學(xué)會(huì)利用電場(chǎng)改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。其中最基本、最簡(jiǎn)單的就是使帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)。 【板書(shū)】帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 【新課教學(xué)】 一、帶電粒子的加速要想讓電子“翩翩起舞”,先要讓它運(yùn)動(dòng)起來(lái)。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)改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。利用電場(chǎng)使帶電粒子加速,利
3、用電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn),就是兩種最簡(jiǎn)單的情況。閱讀情境一,完成問(wèn)題一?!厩榫场俊半娮又琛敝械碾娮右皠?dòng)”起來(lái),是通過(guò)一個(gè)加速電場(chǎng)來(lái)完成的。兩極板間的電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng),電壓為U,距離為d,一個(gè)電子電荷量為e,質(zhì)量為m,在真空中從靜止開(kāi)始加速,從負(fù)極板向正極板運(yùn)動(dòng),從正極板的小孔穿出。(不計(jì)電子的重力)【問(wèn)題一】:電子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是什么?計(jì)算電子到達(dá)正極板時(shí)的速度大小?電子受到的電場(chǎng)力是恒力,做勻加速的直線運(yùn)動(dòng)。計(jì)算方法一:電子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力,由牛頓第二定律 得 由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式 可得 計(jì)算方法二:電場(chǎng)力對(duì)電子做功,由動(dòng)能定理 可得 【問(wèn)題二】:若電子是從熾熱的金屬絲發(fā)射,在金屬絲和金屬板之間加電壓U,
4、發(fā)射后的電子在真空中從靜止開(kāi)始加速,從右側(cè)金屬板的小孔穿出,計(jì)算電子獲得的速度?如何增大上述電子到達(dá)正極板的速度? 提出問(wèn)題:(1)請(qǐng)同學(xué)們特別注意,這兩個(gè)電場(chǎng)相同嗎? 第一個(gè)問(wèn)題是勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)力是恒力;第二個(gè)問(wèn)題是非勻強(qiáng)電場(chǎng),電子受的力是變力。問(wèn)題一中,兩塊金屬板是平行的,兩板板的電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)。問(wèn)題二中兩板板是不是平行板板,中間的電場(chǎng)也不再均勻,上面的結(jié)果是否仍然適用?為什么?(2)用什么方法來(lái)解決?動(dòng)力學(xué)的方法不能用了,動(dòng)能定理仍然可以。計(jì)算方法與問(wèn)題一中方法二相同: 可得 通過(guò)求解的結(jié)果可知,增大加速電壓U就可增大電子的速度。粒子加速后的速度與加速電壓有關(guān)此式也適用于不是勻強(qiáng)電場(chǎng)的情
5、況二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)【情境】:“電子之舞”中的電子要“跳”起來(lái),是通過(guò)一個(gè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的,如圖所示。電子經(jīng)加速電場(chǎng)加速后,以一定速度v0垂直于電場(chǎng)方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中,兩極板長(zhǎng)度為l ,極板距離為d,電壓為U(電子電荷量為e,質(zhì)量為m,不計(jì)重力)設(shè)置物理情境,引入研究的問(wèn)題。【問(wèn)題】:計(jì)算電子飛出電場(chǎng)時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度.【思考討論】:(1)進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)后電子做什么運(yùn)動(dòng)?(2)這種運(yùn)動(dòng)與那種運(yùn)動(dòng)相似?嘗試畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡。(3)你能否通過(guò)類(lèi)比得到這種運(yùn)動(dòng)的研究方法?電子做曲線運(yùn)動(dòng),與平拋運(yùn)動(dòng)相似,軌跡向電場(chǎng)力的方向彎曲。電子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的照片 介紹并總結(jié):把電子的運(yùn)動(dòng)分成平行于
6、板面方向的分運(yùn)動(dòng),和沿垂直于板面方向的分運(yùn)動(dòng)。平行于板面方向不受外力,做勻速直線運(yùn)動(dòng),位移大小等于 l。垂直于板面方向,受電場(chǎng)力,做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度大小由電場(chǎng)力提供。用這種研究方法完成物理情境中的問(wèn)題。解:電子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力,由牛頓第二定律得 在豎直方向上 在水平方向上 由以上三式可得 電子在豎直方向上的速度 由幾何關(guān)系 【思考討論】:(1)怎樣改變電子偏移的距離? 可以改變U、d、l、v0(2)以上探討的是電子在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題,怎樣讓電子在水平方向偏轉(zhuǎn)?豎直放置兩塊金屬板,加偏轉(zhuǎn)電壓。前面兩種控制電子運(yùn)動(dòng)的方法組合在一起,就是示波管的工作原理。三、示波管的原理有一
7、種電子儀器叫示波器,可以用來(lái)觀察電信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。示波器的核心部件是示波管,它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成,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。前面問(wèn)題二實(shí)際上就是電子槍的原理。這是一種常見(jiàn)的示波器,可用來(lái)觀察電信號(hào)隨時(shí)間的變化情況 【介紹示波管的構(gòu)造】 由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏組成。思考討論以下問(wèn)題:(1)如果在偏轉(zhuǎn)電極XX 、上不加電壓,電子如何運(yùn)動(dòng)? (2)只在偏轉(zhuǎn)電極 YY上加電壓,電子如何運(yùn)動(dòng)?(3)只在偏轉(zhuǎn)電極 XX上加電壓,電子如何運(yùn)動(dòng)?在學(xué)案的圖上大體標(biāo)注一下三個(gè)位置。配合演示三種情況中電子的運(yùn)動(dòng)。用動(dòng)畫(huà)演示,注意觀察。(演示固定電壓、變化電壓并總結(jié)。
8、)中學(xué)使用的示波器除了可以演示這三種情況外,還可以演示更復(fù)雜的情況。一般情況YY加待顯示的信號(hào)電壓。當(dāng)然了,要想呈現(xiàn)錄像中那種絢麗效果的話(huà),光憑這樣的示波器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,必須對(duì)電子進(jìn)行更加復(fù)雜的控制才行。下一節(jié)課我們會(huì)繼教深入研究。 【反思】:1、研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的兩條主要線索帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),是一個(gè)綜合電場(chǎng)力、電勢(shì)能的力學(xué)問(wèn)題,研究的方法與質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)相同,它同樣遵循運(yùn)動(dòng)的合成與分解、力的獨(dú)立作用原理、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、功能原理等力學(xué)規(guī)律研究時(shí),主要可以按以下兩條線索展開(kāi).(1)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系牛頓第二定律根據(jù)帶電粒子受到的電場(chǎng)力,用牛頓第二定律找出加速度,結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定
9、帶電粒子的速度、位移等這條線索通常適用于恒力作用下做勻變速運(yùn)動(dòng)的情況。(2)功和能的關(guān)系動(dòng)能定理根據(jù)電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子所做的功,引起帶電粒子的能量發(fā)生變化,利用動(dòng)能定理或從全過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化,研究帶電粒子的速度變化,經(jīng)歷的位移等這條線索同樣也適用于不均勻的電場(chǎng)。2、研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的兩類(lèi)重要的思維技巧(1)類(lèi)比與等效電場(chǎng)力和重力都是恒力,在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)可與重力作用下的運(yùn)動(dòng)類(lèi)比例如,垂直射入平行板電場(chǎng)中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可類(lèi)比于平拋,帶電單擺在豎直方向勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)可等效于重力場(chǎng)強(qiáng)度g值的變化等(2)整體法(全過(guò)程法)電荷間的相互作用是成對(duì)出現(xiàn)的,把電荷系統(tǒng)的整體作為研究對(duì)象,就可以不必考慮其間的相互作用電場(chǎng)力的功與重力的功一樣,都只與始末位置有關(guān),與路徑無(wú)關(guān)它們分別引起電荷電勢(shì)能的變化和重力勢(shì)能的變化,從電荷運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程中功能關(guān)系出發(fā)(尤其從靜止出發(fā)末速度為零的問(wèn)題)往往能迅速找到解題入口或簡(jiǎn)化計(jì)算
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