【教案】带电粒子在电场中的运动（教学设计）（人教版2019必修第三册）

第5节带电粒子在电场中的运动教学设计备课人学科物理课题带电粒子在电场中的运动教学内容分析本节内容是第九、第十两章知识点的综合运用，既包含了静电场部分的知识，也应用了力学部分的很多内容。教材的内容主要由带电粒子在电场中的加速和偏转组成，也介绍了示波管的工作原理。这样的安排，难度逐步递增，符合学生的认知规律。在教学过程中，教师应该根据学生的实际情况，将教学内容的梯度加以细分，引导学生进行由浅入深的分析，逐步提高学生的综合分析能力。学情分析带电粒子在电场中的运动涉及了很多知识点,对学生的综合能力有较高的要求,是高考的常考热点内容。学生已经通过以往的学习，对本节涉及的匀变速直线运动、平抛运动等运动形式有所了解，对分析中要用到的牛顿运动定律、动能定理等也已有了一定的了解。但学生在综合运用知识点的方面仍存在不足，需要教师通过环节安排、问题设定、习题选择等引导学生由易到难地逐步开展分析，逐步建立起整个过程的物理情景。教学目标1、会从运动和力的关系的角度、从功和能量变化的关系的角度分析带电粒子在匀强电场中的加速问题。2、知道带电粒子垂直于电场线进入匀强电场运动的特点，并能对偏移距离、偏转角度、离开电场时的速度等物理量进行分析与计算。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。4、通过解决带电粒子在电场中加速和偏转的问题，加深对从牛顿运动定律和功能关系两个角度分析物体运动的认识，以及将匀变速直线运动分解为两个方向上的简单运动来处理的思路的认识。教学重难点教学重点：围绕不同核心概念分析带电粒子的加速与偏转问题。教学难点：围绕不同核心概念分析带电粒子的加速与偏转问题。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图新课导入【提问】电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。在原子物理、核物理等领域，带电粒子被加速成高能粒子，轰击原子、原子核，帮助人类认识物质微观结构。电子在加速器中是受到什么力作用而加速的呢？结合以往的力学和电学知识思考。提出问题，同时引导学生使用力学知识进行分析思考。环节一带电粒子在电场中的加速【提问】如图，一个质量为m、带正电荷q的粒子，只在静电力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动。试计算粒子到达负极板时的速度？方法一：动力学观点：主要用牛顿运动定律和匀变速直线运动的规律。∵，∴方法二：能量观点：利用动能定理∵∴总结：粒子加速后的速度只与加速电压有关。【提问】若两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解？利用能量观点——动能定理。若粒子的初速度为零，则：若粒子的初速度不为零，则：【提问】如图多级平行板连接，能否加速粒子？【提问】怎样调整才能使粒子被连续加速？→多级直线加速器示意图：→因交变电压的变化周期相同，故粒子在每个加速电场中的运动时间相等。【例题】【讲述】分析带电粒子加速的问题，常有两种思路：一种是利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式分析；另一种是利用静电力做功结合动能定理分析。→当解决的问题属于匀强电场且涉及运动时间等描述运动过程的物理量时，适合运用前一种思路分析;当问题只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场情景时，适合运用后一种思路分析。在已经学过的力学、电学知识的基础上进行分析、解答。在分析习题的基础上，进一步思考。结合一组极板加速粒子的原理，思考并回答：不能实现加速，在两组极板之间，粒子会受到使其减速的电场力。思考并回答：在粒子每穿过一组极板、每进入下一组极板时，极板的极性转变，也就是让每一组极板都改为连接交流电。结合前面的讨论进行审题、分析、解答。在前面练习的基础上进行方法的总结。从相对简单的匀加速运动开始分析，及符合示波管结构的顺序，也符合学生的认知规律。从不同角度引导学生解决问题，可以培养学生练习一题多解的意识，也可以通过这一环节培养学生多从能量角度考虑问题的习惯。在对匀强加速电场进行分析后，再对非匀强场做进一步的探讨，培养学生利用现有知识解决更复杂问题的能力。在一级加速电场的基础上引入多级加速电场，并引导学生分析采用多级加速的理由，及实现多级加速的方法。通过例题对上述知识点进行巩固。对分析加速电场的方法进行及时小结。环节二带电粒子在电场中的偏转【提问】电荷能不能在电场中走出一条我们想要的曲线呢？【提问】如图，一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度v0射入电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？→→【提问】粒子做什么运动？→粒子做类平抛运动。【提问】如图，粒子以初速度v0射入电场，求射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和速度偏转的角度θ。1、飞行时间：2、加速度：3、竖直分速度：4、竖直分位移：5、速度偏转角：→推论：①初速度相同的带电粒子，无论m、q是否相同，只要q/m相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。（即轨迹重合）②初动能相同的带电粒子，只要q相同，无论m是否相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。（即轨迹重合）【提问】如果偏转电极的放置方式不同，粒子的运动会有何不同呢？思考。对粒子进行受力分析：粒子仅受到竖直向下的电场力。运用以往所学知识，推导静电力的大小，进而计算粒子的加速度的大小。在上述分析的基础上思考并作答：垂直电场方向：匀速直线运动沿电场方向：初速度为零的匀加速直线运动在上述分析的基础上推导作答。在前面推导结果的基础上分析、理解。观察图片，思考作答：若金属平行板水平放置，电子将在竖直方向发生偏转。若金属平行板竖直放置，电子将在水平方向发生偏转。引出由直线到曲线的问题。对带电粒子在偏转电场中的受力进行分析，并通过分析引导学生发现带电粒子所做的运动为类平抛运动。结合平抛部分的知识点，对带电粒子的类平抛运动规律加以分析。结合上述定量的分析结论，得出带电粒子在偏转电场中做类平抛运动的两点推论。对改变电极电性的情况进行讨论，为后续对示波管原理的分析做铺垫。环节三带电粒子在电场中的加速和偏转【提问】如图，如果电子在电场中既加速又偏转会怎样呢？→→→若粒子能从极板的右边缘飞出偏转电场，则末速度反向延长线交于水平位移的中点,粒子好像从极板间L/2处沿直线射出一样。【提问】若粒子是从静止经过电场加速电压U1加速后进入偏转电场U2发生侧移y；离开电场后，打在荧光屏上形成光斑，光斑距荧光屏中心的距离Y。请结合前面结论，推出y与Y的表达式。→→→→【提问】在上述分析过程中，为什么没有分析粒子的重力？→①带电的基本粒子（微观）：如电子、质子、α粒子、正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但不能忽略质量）。→②带电微粒（宏观）：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。→某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定。【提问】粒子恰好飞出或飞不出偏转电场的条件是什么？→带电粒子能否飞出偏转电场，关键看带电粒子在电场中的侧移量y。如质量为m、电荷量为q的带电粒子沿中线以v0垂直射入板长为l、板间距为d的匀强电场中，要使粒子飞出电场，则应满足t＝l/v0时，y≤d/2，若t＝l/v0时，y>d/2，则粒子打在板上，不能飞出电场。【播放视频】带电粒子的偏转。【播放视频】带电粒子在电场中加速、偏转。结合前面两部分的分析，对粒子先在加速电场中做匀加速直线运动，再在偏转电场中做类平抛运动的过程进行思考、分析并作答。在上一步分析的基础上，结合前面的分析结论以及粒子在飞离偏转电场后做匀速运动的过程进行思考、分析并作答。回顾前面的分析过程，进行思考。结合上述分析的模型，判断粒子是否飞出偏转电场的临界条件。观看视频，验证前面对临界条件的判断。观看视频，总结带电粒子在电场中的加速、偏转相关知识点。将加速电场与偏转电场连在一起，并将定量结论结合起来进行进一步的推导。对粒子飞出偏转电场后的情况进行分析，结合前面分析的结论，以及后续的匀速运动，计算带电粒子打在荧光屏上的位置，为后续的示波管原理做铺垫。针对前面的分析提出进一步的问题，引导学生思考忽略带电粒子重力的理由。结合上述分析，对带电粒子能够飞出偏转电场的条件进行讨论。通过视频，使学生对理论分析有更直观地认知。环节四示波管的原理【提问】带电粒子在电场中的加速、偏转在生活中有什么应用吗？【讲述】示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。示波器的核心部件是示波管。→在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。【讲述】介绍示波管的结构、用途。【提问】如果在电极XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间也不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？【提问】如果在电极XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加不变电压，使Y的电势比Yˊ高，电子将打在荧光屏的什么位置？【提问】如果在电极XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加不变电压，使Yˊ的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？【提问】如果在XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？【提问】如果在电极YYˊ之间不加电压，而在XXˊ之间加不变电压，使X的电势比Xˊ高，电子将打在荧光屏的什么位置？【提问】如果在电极YYˊ之间不加电压，而在XXˊ之间加不变电压，使Xˊ的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？【提问】若XXˊ所加的电压为特定的周期性变化电压，则在荧光屏会看到的什么样的图形？【提问】如果在YYˊ之间加如图所示的交变电压，同时在XXˊ之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？【讲述】如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像。【播放视频】示波管原理。【随堂练习】思考。理解示波器的用途，尝试利用前面学习的带电粒子在电场中的加速、偏转分析示波管的工作原理。观察图片，思考示波管各部分的工作原理。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中心。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中心上方某处。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中心下方某处。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中央一条竖直的亮线。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中心右侧某处。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中心左侧某处。结合粒子在电场中偏转的知识点作答：荧光屏中央一条水平的亮线。结合前面的分析及运动的合成相关知识，思考作答。在上一步分析的基础上加以理解。观看视频，进一步了解示波管的工作原理。练习巩固本节知识点。提出问题，引发思考。提出示波管，引导学生分析示波管的基本工作过程就是上述分析的带电粒子依次在加速电场、偏转电场、飞离电场的运动。由浅入深地分析示波管中的电子束在不同条件下打在荧光屏上的位置，便于学生理解后面在荧光屏上呈现图像的原理。对电子束在扫描电压、信号电压的各自作用下在荧光屏上呈现出简单图像的原理进行分析。在上述分析的基础上，分析带电粒子在扫描电压、信号电压的共同作用下呈现出图像的过程及呈现稳定图像的条件。通过视频，帮助学生更直观地认识示波管的工作原理。课堂总结一、带电粒子在电场中的加速：1、动力学观点2、能量观点：利用动能定理→3、多级直线加速器二、带电粒子在电场中的偏转：类平抛运动1、静电力：2、加速度：