《帶電粒子在電場中的運動》設(shè)計

《帶電粒子在電場中的運動》教學(xué)設(shè)計一、課題《帶電粒子在勻強電場中的運動》──人民教育出版社課標(biāo)教材《選修3－1》，2022年4月第3版，第一章第9節(jié)二、教材內(nèi)容和學(xué)情分析教材內(nèi)容1．《帶電粒子在電場中的運動》是高二學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)教材電場、電勢差、電場力做功與電勢能等內(nèi)容之后再學(xué)習(xí)的拓展內(nèi)容。2．通過本章節(jié)的學(xué)習(xí)，進一步理解力與運動、功與能的關(guān)系。把電場概念與運動學(xué)、力學(xué)聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)運用運動的合成與分解、牛頓定律、動能定理解題，提高分析問題的能力、綜合能力、用數(shù)學(xué)方法解決物理問題的能力。3．在高考中，是重點內(nèi)容，屬于Ⅱ級要求。這一節(jié)主要研究帶電粒子在靜電場中的運動問題，是對電場強度和電勢分別描述電場的力的性質(zhì)和能的性質(zhì)的綜合應(yīng)用。近幾年高考中對帶電粒子在電場中的運動考察頻率較高，尤其是在與力學(xué)知識的綜合中巧妙的把電場，牛頓定律，功能關(guān)系等相聯(lián)系命題。這樣能較好的檢測考生的綜合應(yīng)用能力，電學(xué)知識解決實際問題的能力。學(xué)情分析思維基礎(chǔ)：平時教學(xué)中，注重“模型分析－猜想－實驗驗證－上升理論”模式的教學(xué)，學(xué)生已習(xí)慣于這種科學(xué)探究的學(xué)習(xí)模式。心理特點：學(xué)生在強烈興趣（實驗引入）的驅(qū)使下，利用已有知識進行新規(guī)律的探究，既有挑戰(zhàn)性，也有成就感。已有知識：學(xué)生熟悉自由落體運動規(guī)律；理解粒子在電場中的受力特征和功能關(guān)系。另由于本校學(xué)生的基礎(chǔ)比較差，學(xué)習(xí)有一定難度，所以用勻強電場為例來講解帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)，且只選粒子初速度方向與電場方向平行和垂直兩種情況。三、三維目標(biāo)知識與能力1.理解帶電粒子在勻強電場中的運動規(guī)律，并能分析和解決加速和偏轉(zhuǎn)方面的問題。2.知道示波管的基本原理。3.讓學(xué)生動腦（思考）、動筆（推導(dǎo)）、動手（實驗）、動口（討論）、動眼（觀察）、動耳（傾聽），培養(yǎng)學(xué)生的多元智能。過程與方法1.通過復(fù)習(xí)自由落體運動規(guī)律，由學(xué)生自己推導(dǎo)出帶電粒子在勻強電場中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律。2.通過由淺入深、層層推進的探究活動，讓學(xué)生逐步了解示波管的基本原理。3.使學(xué)生進一步發(fā)展“猜想－實驗－理論”的科學(xué)探究方法，讓學(xué)生主動思維，學(xué)會學(xué)習(xí)。情感態(tài)度與價值觀1.通過理論分析與實驗驗證相結(jié)合，讓學(xué)生形成科學(xué)世界觀：自然規(guī)律是可以理解的，我們要學(xué)習(xí)科學(xué)，利用科學(xué)知識為人類服務(wù)。2.利用帶電粒子在示波管中的藍色輝光、示波器上神奇變換的波形，展現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象之美，激發(fā)學(xué)生對自然科學(xué)的熱愛。四、教學(xué)思想啟發(fā)式教學(xué)五、重、難點分析重點分析：初速度為零時，粒子沿場強方向做勻加速直線運動；垂直于場強方向入射時，粒子的運動為拋物線運動難點分析：帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)中的側(cè)移量、偏轉(zhuǎn)角的掌握。歸納用力學(xué)規(guī)律處理帶電粒子在電場中運動的常用方法。六、教學(xué)策略帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的原理，是本節(jié)的重點。通過觀察帶電粒子在電場中的加速、偏轉(zhuǎn)實驗來增加直觀性。由于帶電粒子的偏轉(zhuǎn)是曲線運動，比較復(fù)雜，學(xué)生理解起來有一定的困難，故作為本節(jié)的難點，通過類比重力場中的平拋運動突破難點。對以上重難點內(nèi)容，通過例題來突出和突破。七、教學(xué)方法講授法、歸納法、互動探究法八、課前準(zhǔn)備1．學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)牛頓第二定律的內(nèi)容是什么，能定理的表達式是什么，拋運動的相關(guān)知識點。2．教師的教學(xué)準(zhǔn)備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展學(xué)案3.教具：多媒體課件九、課時安排：1課時十、教學(xué)過程分析和設(shè)計(一)預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑教師活動：引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回顧相關(guān)知識點（1）牛頓第二定律的內(nèi)容是什么?（2）動能定理的表達式是什么?（3）平拋運動的相關(guān)知識點。（4）靜電力做功的計算方法。學(xué)生活動：結(jié)合自己的實際情況回顧復(fù)習(xí)。師生互動強化認識：（1）a=F合/m（注意是F合）（2）（注意是合力做的功）（3）平拋運動的相關(guān)知識（4）W=F?xcosθ（恒力→勻強電場）W=qU（任何電場）檢查落實了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況并了解了學(xué)生的疑惑，使教學(xué)具有了針對性。（二）情景導(dǎo)入、展示目標(biāo)帶電粒子在電場中受到電場力的作用會產(chǎn)生加速度，使其原有速度發(fā)生變化．在現(xiàn)代科學(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。具體應(yīng)用有哪些呢?本節(jié)課我們來研究這個問題．以勻強電場為例。實驗引入，激發(fā)興趣1.接通示波管電源，演示帶電粒子在電場中運動撞擊氣體而發(fā)出藍色輝光，調(diào)節(jié)加速和偏轉(zhuǎn)電壓，軌跡發(fā)生改變，引發(fā)學(xué)生強烈興趣。指出藍色輝光不是電子，但可以顯示電子運動軌跡，如圖所示。2.接通示波器電源，演示熒光屏上的正弦圖像，如圖所示。（三）合作探究、精講點撥帶電粒子的加速1.〖探究1〗帶電粒子經(jīng)過電壓U加速，如何求獲得的速度？教師活動：提出問題要使帶電粒子在電場中只被加速而不改變運動方向該怎么辦?（相關(guān)知識鏈接：合外力與初速度在一條直線上，改變速度的大小；合外力與初速度成90°，僅改變速度的方向；合外力與初速度成一定角度θ，既改變速度的大小又改變速度的方向）學(xué)生探究活動：結(jié)合相關(guān)知識提出設(shè)計方案并互相討論其可行性。學(xué)生介紹自己的設(shè)計方案。師生互動歸納：（教師要對學(xué)生進行激勵評價）方案1：v0=0，僅受電場力就會做加速運動，可達到目的。方案2：v0≠0，僅受電場力，電場力的方向應(yīng)同v0同向才能達到加速的目的。教師投影：加速示意圖．學(xué)生探究活動：上面示意圖中電荷電性換一下能否達到加速的目的?（提示：從實際角度考慮，注意兩邊是金屬板）學(xué)生匯報探究結(jié)果：不可行，直接打在板上。學(xué)生活動：結(jié)合圖示動手推導(dǎo)，當(dāng)v0=0時，帶電粒子到達另一板的速度大小。（教師抽查學(xué)生的結(jié)果展示、激勵評價）教師點撥拓展：方法一：先求出帶電粒子的加速度：再根據(jù)v2-v02=2ad可求得當(dāng)帶電粒子從靜止開始被加速時獲得的速度方法方法二：由W=qU及動能定理：深入探究：（1）結(jié)合牛頓第二定律及動能定理中做功條件（W=Fxosθ恒力W=Uq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(dǎo)最終的速度表達式。學(xué)生活動：思考討論，列式推導(dǎo)（教師抽查學(xué)生探究結(jié)果并展示）教師點撥拓展：（1）推導(dǎo)：設(shè)初速為v0，末速為v，則據(jù)動能定理得所以（v0=0時，v=）方法滲透：理解運動規(guī)律，學(xué)會求解方法，不去死記結(jié)論。（2）方法一：必須在勻強電場中使用（F=qE，F(xiàn)為恒力，E恒定）方法二：由于非勻強電場中，公式W=qU同樣適用，故后一種可行性更高，應(yīng)用程度更高。實例探究：課本P34例題1第一步：學(xué)生獨立推導(dǎo)。第二步：對照課本解析歸納方法。第三步：教師強調(diào)注意事項。（計算先推導(dǎo)最終表達式，再統(tǒng)一代入數(shù)值運算，統(tǒng)一單位后不用每個量都寫，只在最終結(jié)果標(biāo)出即可）過渡：如果帶電粒子在電場中的加速度方向不在同一條直線上，帶電粒子的運動情況又如何呢?下面我們通過一種較特殊的情況來研究。學(xué)生動筆推導(dǎo)，老師巡堂，找一個書寫正確工整的手稿投影在大屏幕上，其它學(xué)生對照。此處為剛學(xué)內(nèi)容，一般學(xué)生都能很快由動能定理推出速度。從快處理。帶電粒子的偏轉(zhuǎn)

2.提問：平拋運動的規(guī)律？學(xué)生動筆推導(dǎo)，老師巡堂，找一個書寫正確工整的手稿投影在大屏幕上，其它學(xué)生對照。此處知識簡單，從快處理。3.〖探究2〗

教師投影：如圖所示，帶電粒子以初速度ｖ0垂直電場方向進入偏轉(zhuǎn)電場，從另一端穿出。粒子在電場中做何運動？其偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角的正切值tanθ如何計算？與U有何關(guān)系？如圖二所示。問題討論：（1）分析帶電粒子的受力情況。（2）你認為這種情況同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么?（3）你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎?學(xué)生活動：討論并回答上述問題：（1）關(guān)于帶電粒子的受力，學(xué)生的爭論焦點可能在是否考慮重力上。教師應(yīng)及時引導(dǎo)：對于基本粒子，如電子、質(zhì)子、α粒子等，由于質(zhì)量m很小，所以重力比電場力小得多，重力可忽略不計。對于帶電的塵埃、液滴、小球等，m較大，重力一般不能忽略。（2）帶電粒子以初速度v0垂直于電場線方向飛入勻強電場時，受到恒定的與初速度方向成90°角的作用而做勻變速曲線運動，類似于力學(xué)中的平拋運動，平拋運動的研究方法是運動的合成和分解。（3）帶電粒子垂直進入電場中的運動也可采用運動的合成和分解的方法進行。CAI課件分解展示：（1）帶電粒子在垂直于電場線方向上不受任何力，做勻速直線運動。（2）在平行于電場線方向上，受到電場力的作用做初速為零的勻加速直線運動。深入探究：設(shè)電荷帶電荷量為q，平行板長為L，兩板間距為d，電勢差為U，初速為v0．試求：（1）帶電粒子在電場中運動的時問（2）粒子運動的加速度。（3）粒受力情況分析。（4）粒子在射出電場時豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。（5）粒子在離開電場時豎直方向的分速度。（6）粒子在開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ。[學(xué)生活動：結(jié)合所學(xué)知識，自主分析推導(dǎo)。（教師抽查學(xué)生活動結(jié)果并展示，教師激勵評價）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t=L/v0加速度a=qU/md豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離：y=粒子離開電場時豎直方向的速度為vy=at=粒子離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ為：tanθ=拓展：若帶電粒子的初速v0是在電場的電勢差U1下加速而來的（從零開始），那么上面的結(jié)果又如何呢?（y，θ）學(xué)生探究活動：動手推導(dǎo)、互動檢查。（教師抽查學(xué)生推導(dǎo)結(jié)果并展示：結(jié)論：tanθ=學(xué)生推導(dǎo)，老師巡堂，個別指導(dǎo)。時間約5分鐘。找一個書寫正確工整的手稿投影在大屏幕上，教師作出評價，其它學(xué)生對照。3.示波管的原理出示示波器，教師演示操作①光屏上的亮斑及變化。②掃描及變化。③豎直方向的偏移并調(diào)節(jié)使之變化。④機內(nèi)提供的正弦電壓觀察及變化的觀察。學(xué)生活動：觀察示波器的現(xiàn)象。十一、板書設(shè)計帶電粒子在電場中的運動(一)帶電粒子的加速設(shè)初速為v0，末速為v，由W=qU及動能定理：得：到達另一板時的速度為：當(dāng)v0=0時，v=（二）帶電粒子的偏轉(zhuǎn)y=tanθ=（三）示波管的原理十二、教學(xué)反思本節(jié)內(nèi)容是關(guān)于帶電粒子在勻強電場中的運動情況，是電學(xué)和力學(xué)知識的綜合，帶電粒子在電場中的運動，常見的有加速、減速、偏轉(zhuǎn)、圓運動等等，規(guī)律跟力學(xué)是相同的，只是在分析物體受力時，注意分析電場力，同時注意：為了方便問題的研究，對于微觀粒子的電荷，因為重力非常小，我們可以忽略不計．對于示波管，實際就是帶電粒子在電場中的加速偏轉(zhuǎn)問題的實際應(yīng)用．【教學(xué)評價與反思】一、成功之處1.運用國內(nèi)外先進教學(xué)理念，采用探究式教學(xué)，支架式設(shè)計，讓學(xué)生自己獲得規(guī)律，理解原理，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和知識的牢固程度要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式。2.采用“理論—猜想—實驗—理論”模式，有效調(diào)動學(xué)生多種感官，發(fā)展學(xué)生多元智能，面向全體學(xué)生，讓具有不同特點的學(xué)生都能得到發(fā)展，注重因材施教。3.以學(xué)生為課堂主體，老師起著引領(lǐng)方向和監(jiān)控全局的作用。老師的主體作用表現(xiàn)在課前：如何引入？如何設(shè)問？如何設(shè)計探究的層次和難度？設(shè)計合理的教學(xué)設(shè)計，永遠是一項極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造性的工作。4.這節(jié)課的重點是推導(dǎo)、理解規(guī)律而非計算。為了避免在計算上花費太多時間，兩個例題中都不要求算出結(jié)果，因為粒子速度、偏轉(zhuǎn)距離和偏向角對示波管的原理影響都不大。但有一個數(shù)據(jù)是很重要的──粒子穿過偏轉(zhuǎn)電場的時間極短。把此細節(jié)放大，是為了讓學(xué)生理解偏轉(zhuǎn)距離隨偏轉(zhuǎn)電壓同步變化，這是理解示波管原理的關(guān)鍵所在。5.采用多媒體技術(shù)，免去板書時間，大大提高課堂執(zhí)行效率。采用幻燈片投影，方便學(xué)生交流學(xué)習(xí)成果。二、問題反思1.學(xué)生能力因人而異，在推導(dǎo)規(guī)律過程中，少數(shù)學(xué)生不能按時完成