仿真物理實(shí)驗(yàn)室在物理教學(xué)中的課例應(yīng)用以帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)為例-高二上學(xué)期物理人教版

仿真物理實(shí)驗(yàn)室在物理教學(xué)中的課例應(yīng)用以帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)為例仿真軟件簡介軟件界面仿真物理實(shí)驗(yàn)室一款簡單已操作的物理仿真軟件，該軟件為綠色軟件不需要安裝可以直接打開進(jìn)行操作菜單項(xiàng)3、打開文件新建并對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯4、工具箱根據(jù)需要選擇合適的模型工具5、實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置二．課例展示10.5帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)一、教材分析《帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)》是普通高中教科書物理必修第三冊(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)化問題，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用力學(xué)方法解決電學(xué)問題，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)際問題的能力，同時(shí)也為以后學(xué)習(xí)帶電粒子在磁場中的運(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)和電場的基本知識(shí)，同時(shí)具備了分析有關(guān)電場的力學(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)生合理引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生解決簡單問題的能力，并且結(jié)合重力場中的平拋運(yùn)動(dòng)。采用類比法，將運(yùn)動(dòng)的合成與分解應(yīng)用于電場的問題分析當(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）物理觀念通過對(duì)帶電粒子在電場中的運(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)際問題的能力。（三）科學(xué)探究通過解決加速和偏轉(zhuǎn)方向問題的探究，理解加速和偏轉(zhuǎn)問題的本質(zhì)。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過對(duì)粒子加速器的學(xué)習(xí)了解帶電粒子在電場中運(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)和能量兩個(gè)角度分析計(jì)算帶電粒子在電場中的加速問題。2．會(huì)從力和運(yùn)動(dòng)的合成與分解的角度分析計(jì)算帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)。五、教學(xué)難點(diǎn)1．通過分析，推導(dǎo)多級(jí)加速器的加速原理。2．通過對(duì)帶電粒子在電場中的偏轉(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)模型，定量研究1.請(qǐng)同學(xué)們思考：帶電粒子在電場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中運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力一般遠(yuǎn)小于電場力，重力可以忽略，重力勢能可以不考慮（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？兩種分析思路(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，適用于解決的問題屬于勻強(qiáng)電場且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過程的物理量時(shí)。(2)利用靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理來分析，適用于問題只涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場的情景。例1平行金屬板A、B間有一正電荷，極板間電壓為U，場強(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？利用仿真軟件進(jìn)行仿真操作如下：1、建立加速電場2.設(shè)置帶電粒子3.拓展先減速再反向加速例題如圖所示，兩平行金屬板相距為d，電勢差U未知，一個(gè)電子從O點(diǎn)沿垂直于極板的方向以速度v射出，最遠(yuǎn)到達(dá)A點(diǎn)，然后返回，已知O、A相距為h，電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，則兩金屬板間的電勢差U為（

）A． B． C． D．4.仿真運(yùn)動(dòng)圖像【例3】一電子水平射入如圖所示的電場中，射入時(shí)的速度v0=3.0×107m/s。兩極板的長度為L=6.0cm，相距d=2cm，極板間電壓U=200V。求電子離開偏轉(zhuǎn)電場時(shí)沿垂直板面方向的偏移距離Δy、偏轉(zhuǎn)的角度φ。1.處理方法：不計(jì)重力，初速度垂直于電場方向飛入勻強(qiáng)電場類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法。結(jié)論：帶電粒子初速度垂直于電場方向飛入勻強(qiáng)電場的問題就是一個(gè)類平拋的問題。粒子在與電場垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子在與電場平行的方向上做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)2.仿真操作例4、一價(jià)氫離子（H）和二價(jià)氦離子（He）的混合物由靜止開始經(jīng)過同一加速電場加速后，垂直射入同一偏轉(zhuǎn)電場中，偏轉(zhuǎn)后打在同一接收屏上。不計(jì)粒子重力及其相互作用力，那么（）A．兩離子將同時(shí)打在顯示屏的同一位置B．兩離子將先后打在顯示屏的同一位置C．偏轉(zhuǎn)電場對(duì)一價(jià)氫離子和二價(jià)氦離子做功一樣多D．偏轉(zhuǎn)電場對(duì)一價(jià)氫離子和二價(jià)氦離子做功不一樣多1.解析：設(shè)加速電場電壓為，偏轉(zhuǎn)電場電壓為，在偏轉(zhuǎn)電場中兩極板之間的距離為，極板長度為，粒子的豎直偏移量為，則在加速電場中，由動(dòng)能定理可得在偏轉(zhuǎn)電場中，豎直方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則有水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則有速度偏轉(zhuǎn)角為聯(lián)立解得由于兩粒子豎直位移、速度偏轉(zhuǎn)角與比荷無關(guān)，因此兩粒子將打在同一位置，由于帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與比荷有關(guān)，因此兩粒子是先后打在顯示屏上，故A錯(cuò)誤，B正確；CD．由上可得，因此偏轉(zhuǎn)電場對(duì)粒子做的功為偏轉(zhuǎn)電場對(duì)粒子做的功與粒子所帶的電荷量有關(guān)，偏轉(zhuǎn)電場對(duì)一價(jià)氫離子和二價(jià)氦離子做功不一樣多，故C錯(cuò)誤，D正確；故選BD。2.仿真操作設(shè)置三個(gè)帶電和質(zhì)量不同的帶電粒子從同一位置由靜止進(jìn)入電場先加速在偏轉(zhuǎn)，三個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡相同但是時(shí)間不同。3.類似例題讓一價(jià)氫離子、一價(jià)氦離子和二價(jià)氦離子的混合物由靜止開始經(jīng)過同一加速電場加速，然后在同一偏轉(zhuǎn)電場里偏轉(zhuǎn)，最后都從偏轉(zhuǎn)電場右側(cè)離開，圖中畫出了其中一種粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，下列說法正確的是（）A．在加速電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長的是一價(jià)氫離子B．經(jīng)加速電場加速度后動(dòng)能最小的是二價(jià)氦離子C．在偏轉(zhuǎn)電場中三種