《帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

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1、教學(xué)設(shè)計(jì) 秦杰 一、教學(xué)任務(wù)分析 1、本節(jié)在教材中的地位和作用 本節(jié)是高中物理選修3-1第一章的最后節(jié)。本節(jié)是本章知識的重要應(yīng)用之一，是力學(xué)知識和電學(xué)知識的綜合。在教學(xué)大綱和考試說明中都把本節(jié)知識列為理解并掌握的內(nèi)容。通過對本節(jié)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠把電場知識和牛頓定律、動(dòng)能定理、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等力學(xué)知識有機(jī)地結(jié)合起來，加深對力、電知識的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生用物理規(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)。 2．教材的安排與編者意圖 這節(jié)教材先從能量角度入手研究了帶電粒子在電場中的加速，然后，又從分析粒子受力情況入手，類比重力場中的平拋運(yùn)動(dòng)，研究了

2、帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)問題。編者安排這一節(jié)，一方面是加深對前面所學(xué)知識的理解，另一方面是借助分析帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的能力。 二、學(xué)情分析 1.學(xué)生基礎(chǔ) 這節(jié)課是在學(xué)生已經(jīng)比較熟練地掌握了力學(xué)和電場的基本知識，初步具備了分析有關(guān)電場問題的能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本節(jié)教學(xué)任務(wù)時(shí)間點(diǎn)正好在文理分班后不久，考慮我們的學(xué)生基礎(chǔ)比較好，理解接受能力比較強(qiáng)，對物理學(xué)習(xí)興趣濃厚，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在共同的探討中掌握分析問題的方法。 2.教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn) 重點(diǎn)讓學(xué)生清楚帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的原理，這是本節(jié)內(nèi)容的中心。由于帶

3、電粒子的偏轉(zhuǎn)是曲線運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)，通過類比重力場中的平拋運(yùn)動(dòng)突破難點(diǎn)。 三、教學(xué)目標(biāo) （一）知識與技能 1．了解帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)——只受電場力，帶電粒子做勻變速運(yùn)動(dòng)。 2．重點(diǎn)掌握初速度與場強(qiáng)方向垂直的帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)(類平拋運(yùn)動(dòng))。 3．知道示波管的主要構(gòu)造和工作原理。 （二）過程與方法 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用力學(xué)和電學(xué)的知識分析解決帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)。 （三）情感態(tài)度與價(jià)值觀 1．滲透物理學(xué)方法的教育：運(yùn)用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，（不計(jì)粒子重力）。 2.運(yùn)用類比法研究電學(xué)與力學(xué)問題的綜

4、合。 3．培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力，體會(huì)物理知識的實(shí)際應(yīng)用。 本節(jié)課的知識結(jié)構(gòu)圖 帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng) 力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 功和能的關(guān) 系 合外力為零，做勻速直線運(yùn)動(dòng) 只受電場力且速度與電場力方向一致，做勻變速運(yùn)動(dòng) 受電場力（和重力）但是速度與合力方向不一致，做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，屬于類平拋運(yùn)動(dòng) 合外力為零，內(nèi)能改變量為零 只受電場力且速度與電場力方向一致，電場力做功改變粒子的內(nèi)能 受電場力（和重力）但是速度與合力方向不一致，合外力做功改變粒子的內(nèi)能 四、教學(xué)過程與教學(xué)策略 （一）、課前指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)，為新課準(zhǔn)備 1.牛頓定律：　　F與a方向相同 2.動(dòng)能定理：合外

5、力對物體做的功等于物體動(dòng)能的變化量， 3.平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律：水平分方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)　　　　 　　　　　　　　豎直分方向是自由落體運(yùn)動(dòng)　　 　 （二）新課教學(xué)： 1．帶電粒子所受重力的處理： （1）受電場力的基本粒子（如電子、質(zhì)子等），所受的重力一般可以忽略（在此老師給出一個(gè)質(zhì)子所受的重力約是，而一個(gè)質(zhì)子在的電場中所受的電場力約是，容易看出重力遠(yuǎn)小于電場力。以具體數(shù)值加深學(xué)生對此的理解和記憶）。 （2）微粒、小油滴再?zèng)]有說明時(shí)一般都要計(jì)它的重力 2．帶電粒子在電場中的直線運(yùn)動(dòng)情況： ⑴．帶電粒子在電場中所受合力為零（即∑F＝0）時(shí)，粒子將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 例 ：

6、如右圖所示，兩平行板電容器的板間距離為d，電壓為U，電性如圖，一質(zhì)量為m的帶電粒子在電場中處于靜止?fàn)顟B(tài)，試確定帶電粒子的電性及電量？ 分析：帶電粒子處于靜止?fàn)顟B(tài)，∑F＝0，，因?yàn)樗苤亓ωQ直向下，所以所受電場力必為豎直向上。又因?yàn)閳鰪?qiáng)方向豎直向下，所以帶電粒子帶負(fù)電。又有，得 ⑵．帶電粒子在電場中只受電場力作用且與初速度方向在同一直線上時(shí)，帶電粒子將做加速或減速直線運(yùn)動(dòng) (變速直線運(yùn)動(dòng))。 例：如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為，帶電量為的正粒子以初速度從左板射入電壓為、間距為的平行板電容器之間，試求粒子運(yùn)動(dòng)到右板時(shí)的動(dòng)能？ （先讓學(xué)生分兩組分別用動(dòng)力學(xué)、動(dòng)能定理求解本問題，展示學(xué)生的做題過程，讓學(xué)

7、生親身體驗(yàn)兩種解法的優(yōu)劣） 總結(jié)：帶電粒子在電場中的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)不涉及到運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)時(shí)一般用動(dòng)能定理求解比較簡單。 例：熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。在金屬絲和金屬板之間加以電壓（如圖），發(fā)射出的電子在真空中加速后，從金屬板的小孔穿出。電子穿出時(shí)的速度有多大？設(shè)電子剛剛離開金屬絲時(shí)的速度為零。 解：電荷量為的電子從金屬絲移動(dòng)到金屬板，兩處的電勢差為U，電勢能的減少量是。減少的電勢能全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，所以 解出速度并把數(shù)值代入，得 【思考與討論】若帶電粒子所在的電場是非勻強(qiáng)電場，那么以上的解答還正確嗎？為什么？（老師組織好這一思考題的討論，把課堂還給學(xué)生。通過本討論讓學(xué)生再

8、次領(lǐng)會(huì)用動(dòng)能定理解題的優(yōu)越性） 3．帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)（不計(jì)重力，且初速度⊥E，即電場力⊥，則帶電粒子將在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng)），本類問題一般應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的分解來處理：在初速度方向做勻速運(yùn)動(dòng)，電場力方向做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。（通過以下例題讓學(xué)生體會(huì)并掌握這類題的處理方法） 例：如圖，兩個(gè)相同極板與的長度，相距，極板間的電壓。一個(gè)電子沿平行于板面的方向射入電場中，射入時(shí)的速度。把兩板間的電場看做勻強(qiáng)電場，求電子射出電場時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離和偏轉(zhuǎn)的角度。 解：電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場不隨時(shí)間改變，而且是勻強(qiáng)電場，所以整個(gè)運(yùn)動(dòng)中在垂直于板面的方向上加速度是不變的。加

9、速度是 電子射出電場時(shí)，在垂直于板面訃向偏移的距離為 其中為飛行時(shí)間。由于電子在平行于板面的方向不受力，所以在這個(gè)方向做勻速運(yùn)動(dòng)，由可求得 將和代入的表達(dá)式中，得到 代入數(shù)值后，得： 即電子射出時(shí)沿垂直于板面的方向偏離0.36cm。 由于電子在平行于板面的方向不受力，它離開電場時(shí)，這個(gè)方向的分速度仍是，而垂直于板面的分速度是 離開電場時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度可由下式確定 代入數(shù)值后，得 總結(jié)：帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)，跟重物在重力場中的運(yùn)動(dòng)相似，有時(shí)像自由落體運(yùn)動(dòng)，有時(shí)像拋體運(yùn)動(dòng)，依初速度是否為零而定。不過，重物在重力場中受到的力跟質(zhì)量成正比，因此不同質(zhì)量的

10、物體具有相同的加速度。但是帶電粒子在電場中受到的力跟它的電荷量成正比，而電荷量相同的粒子可能質(zhì)量不同，因而它們在電場中的加速度一般不會(huì)相同，這是靜電場與重力場的重要區(qū)別。 【討論】：若這里的粒子不是電子，而是一般的帶電粒子，則需考慮重力，以上各式又需怎樣調(diào)整？（老師可通過引導(dǎo)及提示，指導(dǎo)學(xué)生列出方程，求出結(jié)果） 4．下面看一個(gè)帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)的例子——示波管 （1）示波器：用來觀察電信號隨時(shí)間變化的電子儀器。其核心部分是示波管 （2）示波管的構(gòu)造：由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空（如圖）。 （3）原理：利用了電子的慣性小、熒光物質(zhì)的熒光特性和人的視覺暫留等，靈敏、直

11、觀地顯示出電信號隨間變化的圖線。 （4）例析：若間不加電壓，在間加上如右圖所示的電壓，則在熒光屏上得到一條與軸重合的直線；若再在間加上如左圖所示的電壓，則在熒光屏上就可得到如右圖的圖形。 （5）示波管的加的是待顯示的電壓信號，通常加的是機(jī)器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓（如圖），叫做掃描電壓。若電壓信號是周期性的，且掃描電壓和信號電壓周期相同，就可在熒光屏上得到待測信號在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖像。 （三）小結(jié)： 1、研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的兩條主要線索 （1）力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系——牛頓第二定律 根據(jù)帶電粒子受到的電場力，用牛頓第二定律找出加速度，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定帶電粒子的速度、位移等．

12、這條線索通常適用于恒力作用下做勻變速運(yùn)動(dòng)的情況． （2）功和能的關(guān)系——?jiǎng)幽芏ɡ? 根據(jù)電場力對帶電粒子所做的功，引起帶電粒子的能量發(fā)生變化，利用動(dòng)能定理或從全過程中能量的轉(zhuǎn)化，研究帶電粒子的速度變化，經(jīng)歷的位移等．這條線索同樣也適用于不均勻的電場． 2、研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的兩類重要的思維技巧 （1）類比與等效：電場力和重力都是恒力，在電場力作用下的運(yùn)動(dòng)可與重力作用下的運(yùn)動(dòng)類比．例如，垂直射入平行板電場中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可類比于平拋。 （2）整體法(全過程法)：電場力的功與重力的功一樣，都只與始末位置有關(guān)，與路徑無關(guān)．它們分別引起電荷電勢能的變化和重力勢能的變化，從電荷運(yùn)動(dòng)的全過

13、程中功能關(guān)系出發(fā)往往能迅速找到解題入口或簡化計(jì)算． （四）課后作業(yè)： P38 問題與練習(xí)1、4、5 五、教學(xué)資源 教材、教學(xué)參考書、課件、網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)儀器（陰極射線管、學(xué)生示波器） 六、板書設(shè)計(jì) 七、教學(xué)效果形成性評價(jià) ? 本節(jié)屬于派生性的知識主要采用講授式的教學(xué)方法，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，思維訓(xùn)練為主線。通過實(shí)驗(yàn)演示創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過微機(jī)模擬電子運(yùn)動(dòng)，使微觀粒子運(yùn)動(dòng)的過程宏觀化；通過恰當(dāng)?shù)膯栴}設(shè)置和類比方法的應(yīng)用，點(diǎn)撥了學(xué)生分析問題的方法思路；引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、討論、歸納、總結(jié)，使學(xué)生動(dòng)口、動(dòng)腦、動(dòng)手，親身參與獲取知識，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。另外

14、，應(yīng)用計(jì)算機(jī)、大屏幕投影等現(xiàn)代化手段，既節(jié)約了時(shí)間，又提高了效率。? ? 附：形成性評價(jià)調(diào)查表? ?班級：________姓名：_______________學(xué)號：___________? 請根據(jù)學(xué)習(xí)這節(jié)課的情況，實(shí)事求是地回答以下問題： 1．我在討論中發(fā)表了自己的意見。 ?①同意???②不知道???③不同意? 2．我注意汲取其他同學(xué)回答問題時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，找出同學(xué)問題回答中的錯(cuò)誤。 ?①同意???②不知道???③不同意? 3．我會(huì)利用牛頓定律與平拋知識推導(dǎo)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題。 ?①同意???②不知道???③不同意? 4．我已經(jīng)了解掌握了示波器的工作原理。? ①同意???②不知道???③不同意? 5．對于接下來要深入研究的電學(xué)問題，我將會(huì)運(yùn)用類比的辦法，將動(dòng)力學(xué)與能量學(xué)的知識與技能應(yīng)用到電學(xué)的研究中去。? ①同意???②不知道???③不同意