高二物理 必修三《帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、 PAGE PAGE 510.5帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)華中師范大學(xué)龍崗附屬中學(xué) 曾長(zhǎng)興一、教材分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是普通高中教科書(shū)物理必修第三冊(cè)第十章第5節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是電學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，它帶電粒子在電場(chǎng)中的受力分析和運(yùn)動(dòng)情況分析，綜合了運(yùn)動(dòng)的合成與分解以及能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用力學(xué)方法解決電學(xué)問(wèn)題，加深對(duì)力、電知識(shí)的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用類比方法和物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也為以后學(xué)習(xí)帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)打下基礎(chǔ)。二、學(xué)情分析學(xué)習(xí)本節(jié)之前，學(xué)生已掌握了一些力學(xué)和電場(chǎng)的基本知識(shí)，同時(shí)具備了分析有關(guān)電場(chǎng)的力學(xué)分析能力和能量的初步知識(shí)。本節(jié)結(jié)合實(shí)際情景對(duì)學(xué)生合理引

2、導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生解決簡(jiǎn)單問(wèn)題的能力，并且結(jié)合重力場(chǎng)中的平拋運(yùn)動(dòng)。采用類比法，將運(yùn)動(dòng)的合成與分解應(yīng)用于電場(chǎng)的問(wèn)題分析當(dāng)中。使得大多數(shù)學(xué)生的便于理解容易接受。同時(shí)借助于學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，發(fā)現(xiàn)在類平拋中的數(shù)量關(guān)系，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。三、教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念通過(guò)對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀念和運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。（二）科學(xué)思維從分析粒子受力情況入手，類比重力場(chǎng)中的平拋運(yùn)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用類比方法和物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。（三）科學(xué)探究通過(guò)解決加速和偏轉(zhuǎn)方向問(wèn)題的探究，理解加速和偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的本質(zhì)。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)對(duì)粒子加速器的學(xué)習(xí)了解帶電粒子在電場(chǎng)中

3、運(yùn)動(dòng)在生活上的應(yīng)用，體會(huì)物理與科技、生活的聯(lián)系激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。四、教學(xué)重點(diǎn)1會(huì)從運(yùn)動(dòng)學(xué)和能量?jī)蓚€(gè)角度分析計(jì)算帶電粒子在電場(chǎng)中的加速問(wèn)題。2會(huì)從力和運(yùn)動(dòng)的合成與分解的角度分析計(jì)算帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)。五、教學(xué)難點(diǎn)1通過(guò)分析，推導(dǎo)多級(jí)加速器的加速原理。2通過(guò)對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)的學(xué)習(xí)掌握偏轉(zhuǎn)的分析方法和規(guī)律。創(chuàng)設(shè)情境引入新課創(chuàng)設(shè)情境引入新課建構(gòu)模型定量研究提出問(wèn)題理論推導(dǎo)類比分析遷移應(yīng)用課堂小結(jié)查漏補(bǔ)缺七、教學(xué)過(guò)程（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入新課電子被加速器加速后轟擊重金屬靶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射線，可用于放射治療。圖中展示了一臺(tái)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？（二）建構(gòu)模

4、型，定量研究1.請(qǐng)同學(xué)們思考：帶電粒子在電場(chǎng)中要受到哪些力的作用？在什么情況下不考慮重力？2.研究質(zhì)子、電子、離子等帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力一般遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，重力可以忽略，重力勢(shì)能可以不考慮（但并不能忽略質(zhì)量）。研究小球、液滴、油滴等帶電微粒在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力一般不能忽略。3.研究物體運(yùn)動(dòng)的一般思路是什么？決定物體做什么運(yùn)動(dòng)的條件又是什么？?jī)煞N分析思路(1)利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式分析，適用于解決的問(wèn)題屬于勻強(qiáng)電場(chǎng)且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程的物理量時(shí)。(2)利用靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理來(lái)分析，適用于問(wèn)題只涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場(chǎng)的情景?！纠?】平行

5、金屬板A、B間有一正電荷，極板間電壓為U，場(chǎng)強(qiáng)方向向右，兩板相距為d，并處于真空中，電荷量大小為q，質(zhì)量為m，只在電場(chǎng)力作用下從靜止釋放。重力不計(jì)。（1）電荷將做什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)？（2）求電荷到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度？（三）提出問(wèn)題，理論推導(dǎo)1.請(qǐng)同學(xué)們思考，在兩極板間如果不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，該用何種方法求解呢？為什么不能讓極板電壓無(wú)限大，用于讓粒子加速。2.分析多級(jí)加速器實(shí)現(xiàn)粒子多級(jí)直線加速的原理AAB+FAB+FUU第一種方案：讓電壓方向變化的時(shí)間相等，也就是經(jīng)過(guò)一段相等的時(shí)間電壓就反向一次，由于粒子在電場(chǎng)中始終是加速的，所以在電壓變化時(shí)間相等的情況下，極板之間的距離就要越來(lái)越長(zhǎng)。多級(jí)加速器應(yīng)該做成如圖

6、中所畫(huà)下面的樣子。UU第二種方案：如果不想改變極板之間的距離，因?yàn)榱Ｗ邮冀K加速，那就需要不斷縮短電壓方向變化的時(shí)間間隔。多級(jí)加速器的電壓方向隨時(shí)間變化的關(guān)系如下圖所示。UUU-Uto3.以第一種方案為主分析多級(jí)加速度器如圖甲，某裝置由多個(gè)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(zhǎng)度依照一定的規(guī)律依次增加。序號(hào)為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個(gè)極相連，序號(hào)為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個(gè)極相連。交變電源兩極間電勢(shì)差的變化規(guī)律如圖乙所示。在t0時(shí)，奇數(shù)圓筒相對(duì)偶數(shù)圓筒的電勢(shì)差為正值，此時(shí)位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號(hào)為0）中央的一個(gè)電子，在圓板和圓筒1之間的電場(chǎng)中由靜止開(kāi)始加速，沿

7、中心軸線沖進(jìn)圓筒1。為使電子運(yùn)動(dòng)到圓筒與圓筒之間各個(gè)間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向相同而不斷加速，圓筒長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)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(duì)值為U，周期為T，電子通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。則金屬圓筒的長(zhǎng)度和它的序號(hào)之間有什么定量關(guān)系？第n個(gè)金屬圓筒的長(zhǎng)度應(yīng)該是多少？引導(dǎo)學(xué)生知道金屬圓筒的靜電屏蔽作用。知道電子通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間不計(jì)，因此電子勻速穿過(guò)每個(gè)圓筒運(yùn)動(dòng)的時(shí)間恰好就等于交變電壓周期的一半，為T/2。因此每個(gè)圓筒的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度就應(yīng)該等于此時(shí)電子進(jìn)入時(shí)的速度乘以交變電壓周期的一半，既l=vt/2（四）類比分析，遷移應(yīng)用1.視頻播放帶電粒子在勻

8、強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，觀察帶電粒子為什么會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后運(yùn)動(dòng)軌跡是什么樣子的？【例2】一電子水平射入如圖所示的電場(chǎng)中，射入時(shí)的速度v0=3.0107m/s。兩極板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=6.0cm，相距d=2cm，極板間電壓U=200V。求電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)沿垂直板面方向的偏移距離y、偏轉(zhuǎn)的角度。2.處理方法：不計(jì)重力，初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法。結(jié)論：帶電粒子初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)的問(wèn)題就是一個(gè)類平拋的問(wèn)題。粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)3.拓展學(xué)習(xí)：示波管實(shí)物與原理圖（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）原理給電子槍通電后，如果在偏轉(zhuǎn)電極XX和YY上都沒(méi)有加電壓，電子束將打在熒光屏的中心點(diǎn)。示波管的YY偏轉(zhuǎn)電極上加的是待測(cè)的信號(hào)電壓，使電子沿 YY方向偏轉(zhuǎn)。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)。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，那么，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)定圖像了。（五）課堂小結(jié)，查漏補(bǔ)缺第5第5節(jié) 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一、帶電粒子在電場(chǎng)中的加