带电粒子在电场中的运动

1、1.9 带电粒子在电场中的运动（人教版选修 3-1 ）一、教学目标【知识与技能】1学习运用静电力、电场强度等概念研究带电粒子在电场中运动时的加速度、速度和位移等物理量的变化。2学习运用静电力做功、电势、电势差等概念研究带电粒子在电场中运动时能量的转化。3. 了解示波管的工作原理，体会静电场知识对科学技术的影响。【过程与方法】经历理论探究过程，体验应用类比学习的知识法和通过做功研究能量变化的方法。【情感态度与价值观】通过学习，树立相互联系、相互影响的看待事物的的观点。了解电场规律在科学技术中的应用。二、 教学重点、难点【教学重点】 : 带电粒子在电场中的加速和偏转。【教学难点】 : 综合利用力学

2、、电学知识分析带电粒子在电场中的加速和偏转问题。三、教学用具电子流偏转仪示波器四、教学过程【新课引入】在前面学习静电场性质的基础上，本节学习处理带电粒子在电场中运动的问题。视频电子流的运动 播放视频，引入新课。（设计意图：通过新奇的场景，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。）要实现电子的运动， 首先要学会利用电场改变或控制带电粒子的运动。其中最基本、 最简单的就是使带电粒子在电场中加速和偏转。【板书】带电粒子在电场中的运动【新课教学】一、带电粒子的加速要想让电子“翩翩起舞” ，先要让它运动起来。在现代科学实验和技术设备中， 常常利用电场来改变或控制带电粒子的运动。 利用电场使带电粒子加速，利

3、用电场使带电粒子偏转，就是两种最简单的情况。阅读情境一，完成问题一。【情境】“电子之舞”中的电子要“动”起来，是通过一个加速电场来完成的。两极板间的电场是匀强电场，电压为 U，距离为 d，一个电子电荷量为 e，质量为 m，在真空中从静止开始加速，从负极板向正极板运动，从正极板的小孔穿出。 ( 不计电子的重力 )【问题一】：电子的运动性质是什么？计算电子到达正极板时的速度大小？电子受到的电场力是恒力，做匀加速的直线运动。计算方法一：电子在电场中受电场力，由牛顿第二定律得 FeEe Ud由运动学公式FeUamdm可得v 2ad2计算方法二：电场力对电子做功，由动能定理可得v2eUM【问题二】：若电

4、子是从炽热的金属丝发射， 在金属丝和金属板之间加电压 U，发射后的电子在真空中从静止开始加速，从右侧金属板的小孔穿出，计算电子获得的速度？如何增大上述电子到达正极板的速度？提出问题：（ 1）请同学们特别注意，这两个电场相同吗？第一个问题是匀强电场，电场力是恒力；第二个问题是非匀强电场，电子受的力是变力。问题一中，两块金属板是平行的，两板板的电场是匀强电场。问题二中两板板是不是平行板板，中间的电场也不再均匀，上面的结果是否仍然适用？为什么？（ 2）用什么方法来解决？动力学的方法不能用了，动能定理仍然可以。计算方法与问题一中方法二相同：可得v2eUM通过求解的结果可知， 增大加速电压 U 就可增大

5、电子的速度。 粒子加速后的速度与加速电压有关此式也适用于不是匀强电场的情况二、带电粒子的偏转【情境】：“电子之舞”中的电子要“跳”起来，是通过一个偏转电场实现的，如图所示。电子经加速电场加速后，以一定速度 v0 垂直于电场方向射入匀强电场中，两极板长度为 l ，极板距离为 d，电压为 U（电子电荷量为 e，质量为 m，不计重力）设置物理情境，引入研究的问题。【问题】：计算电子飞出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y 和偏转的角度 .【思考讨论】：（ 1）进入匀强电场后电子做什么运动？（ 2）这种运动与那种运动相似？尝试画出运动轨迹。（ 3）你能否通过类比得到这种运动的研究方法？电子做曲线运动，与

6、平抛运动相似，轨迹向电场力的方向弯曲。电子在电场中偏转的照片介绍并总结：把电子的运动分成平行于板面方向的分运动，和沿垂直于板面方向的分运动。平行于板面方向不受外力，做匀速直线运动，位移大小等于 l 。垂直于板面方向，受电场力，做初速度为零的匀加速直线运动，加速度大小由电场力提供。用这种研究方法完成物理情境中的问题。解：电子在电场中受电场力，由牛顿第二定律得aFeUeUmmmd在竖直方向上y21at 2在水平方向上tlv 01eU2由以上三式可得yL2mdv 0电子在竖直方向上的速度eULv atmd v0由几何关系tanveULvmdv 200【思考讨论】：（ 1）怎样改变电子偏移的距离？可以

7、改变 U、d、l 、v0（ 2）以上探讨的是电子在竖直方向发生偏转的问题，怎样让电子在水平方向偏转？竖直放置两块金属板，加偏转电压。前面两种控制电子运动的方法组合在一起，就是示波管的工作原理。三、示波管的原理有一种电子仪器叫示波器， 可以用来观察电信号随时间变化的情况。 示波器的核心部件是示波管， 它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。电子枪的作用是产生高速飞行的一束电子。前面问题二实际上就是电子枪的原理。这是一种常见的示波器，可用来观察电信号随时间的变化情况【介绍示波管的构造】由电子枪、偏转电极、荧光屏组成。思考讨论以下问题：（ 1）如果在偏转电极 XX 、上不加电压，电子如何运动

8、？（ 2）只在偏转电极 YY上加电压，电子如何运动？（ 3）只在偏转电极 XX上加电压，电子如何运动？在学案的图上大体标注一下三个位置。配合演示三种情况中电子的运动。用动画演示，注意观察。 （演示固定电压、变化电压并总结。 ）中学使用的示波器除了可以演示这三种情况外，还可以演示更复杂的情况。一般情况 YY加待显示的信号电压。当然了，要想呈现录像中那种绚丽效果的话， 光凭这样的示波器是无法实现的， 必须对电子进行更加复杂的控制才行。下一节课我们会继教深入研究。【反思】：1、研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索带电粒子在电场中的运动，是一个综合电场力、电势能的力学问题，研究的方法与质点动力学相同

9、，它同样遵循运动的合成与分解、 力的独立作用原理、牛顿运动定律、动能定理、功能原理等力学规律研究时，主要可以按以下两条线索展开.（ 1）力和运动的关系牛顿第二定律根据带电粒子受到的电场力，用牛顿第二定律找出加速度, 结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等这条线索通常适用于恒力作用下做匀变速运动的情况。（ 2）功和能的关系动能定理根据电场力对带电粒子所做的功，引起带电粒子的能量发生变化，利用动能定理或从全过程中能量的转化，研究带电粒子的速度变化，经历的位移等这条线索同样也适用于不均匀的电场。2、研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧（ 1）类比与等效电场力和重力都是恒力， 在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比 例如，垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛， 带电单摆在竖直方向匀强电场中的运动可等效于重力场强度g 值的变化等（ 2）整体法 ( 全过程法 )电荷间的相互作用是成对出现的， 把电荷系统的整体作为研究对象， 就可以不必考虑其间的相互作用电场力的功与重力的功一样， 都只与始末位置有关， 与路径无关 它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化，从电荷运动的全过程中功能关系出发 ( 尤其从静止出发末速度为零的问题 ) 往往能迅速找到解题