《帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì).doc

帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì) 內(nèi)蒙古 包鋼一中 趙玉國(guó)一、課程目標(biāo)（一）知識(shí)與技能1理解并掌握帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)能定理分析帶電粒子在電場(chǎng)中加速；能用運(yùn)動(dòng)分解的方法處理帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題。（二）過(guò)程與方法1體驗(yàn)從最簡(jiǎn)單的物理模型入手探究應(yīng)用原理的方法； 2從力和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律出發(fā)，分析如何利用電場(chǎng)使帶電粒子加速；3分析如何利用電場(chǎng)使帶電粒子速度方向改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并親歷推導(dǎo)過(guò)程；4體驗(yàn)“類平拋”運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化運(yùn)用運(yùn)動(dòng)分解來(lái)處理曲線運(yùn)動(dòng)的方法。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀1感受利用電場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的絕妙之處。2進(jìn)一步養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣。3. 感受嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度帶來(lái)的成功喜悅。二、教學(xué)方法： 啟發(fā)式教學(xué)三、重點(diǎn)分析：1.分析帶電粒子沿場(chǎng)強(qiáng)方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并用不同方法處理此類問(wèn)題；2.分析帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能用運(yùn)動(dòng)分解的方法處理曲線運(yùn)動(dòng)。四、難點(diǎn)分析：綜合運(yùn)用靜電力、電場(chǎng)力做功等概念研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、加速度、位移等物理量的改變及能量的轉(zhuǎn)化，尤其是帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)距離、偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算。五、教學(xué)策略：為了幫助學(xué)生順利地探索和研究，將本節(jié)課用到的已學(xué)知識(shí)整理成“資料庫(kù)”，供學(xué)生參考和查找相關(guān)內(nèi)容，避免遺忘的知識(shí)成為學(xué)習(xí)的障礙。六、教學(xué)過(guò)程：（一）、引入展示圖片：電子直線加速器和示波器及示波管這兩個(gè)在科學(xué)研究中不可缺少的儀器，其原理都是利用電場(chǎng)來(lái)控制帶電粒子（電子）的運(yùn)動(dòng)，本節(jié)課我們要研究的就是利用電場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法：改變粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小和改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向。（二）、新課教學(xué)1、關(guān)于電場(chǎng)：（1）電場(chǎng)對(duì)處在其中的帶電粒子有力的作用F=qE，可以改變粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力會(huì)對(duì)帶點(diǎn)粒子做功W=qU，從而改變粒子的能量。（2）兩個(gè)正對(duì)的帶電平行金屬板中存在勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)方向由正極板指向負(fù)極板。（圖示）2、關(guān)于帶電粒子：我們研究的帶電粒子分為兩類：（1）微觀帶電粒子如電子、質(zhì)子、離子、粒子等，所受的重力一般可以忽略，有說(shuō)明或明確暗示除外。（老師給出實(shí)例：粒子的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力）（2）帶電液滴、帶電小球等除有說(shuō)明或明確暗示外，處理問(wèn)題時(shí)均應(yīng)考慮重力。（老師給出實(shí)例：粒子的重力不遠(yuǎn)小于甚至大于電場(chǎng)力）3、帶電粒子的加速【提出問(wèn)題1】如何利用電場(chǎng)使帶電粒子只被加速而不改變運(yùn)動(dòng)方向？【學(xué)生活動(dòng)1】（1）結(jié)合相關(guān)知識(shí)提出設(shè)計(jì)方案并互相討論其可行性。（2）學(xué)生介紹自己的設(shè)計(jì)方案。（3）師生互動(dòng)歸納：方案1、方案2、方案3 分析典型方案：如圖【提出問(wèn)題2】如何控制加速的末速度？（提示）設(shè)粒子的質(zhì)量為m，兩極板間的距離為d，計(jì)算粒子的末速度跟哪些物理量有關(guān)【學(xué)生活動(dòng)2】（1）計(jì)算粒子加速后的末速度（2）學(xué)生展示計(jì)算過(guò)程（3）師生互動(dòng)歸納：不同的計(jì)算方法，得到的結(jié)果相同 并得出結(jié)論：只需控制兩極板的電壓，就能很方便地控制粒子的末速度。（介紹多級(jí)加速）（說(shuō)明） 動(dòng)能定理處理此類問(wèn)題有優(yōu)越性，原因是電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，適用于包括勻強(qiáng)電場(chǎng)在內(nèi)的任何電場(chǎng)。【例題1】 如圖，金屬絲經(jīng)電源E加熱后可發(fā)射電子。在金屬絲和金屬板間加以電壓U=180V，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(kāi)金屬絲時(shí)的速度為0。(電子的質(zhì)量kg，電子的電荷量C)【學(xué)生活動(dòng)3】獨(dú)立計(jì)算并得出結(jié)果解：電荷量為的電子從金屬絲移動(dòng)到金屬板，兩處的電勢(shì)差為U，電場(chǎng)力做功W=。由動(dòng)能定理得解出速度并把數(shù)值代入，得=m/s4、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)要使帶電粒子進(jìn)入電場(chǎng)后運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，應(yīng)該讓帶電粒子的速度方向與電場(chǎng)的方向不在一條直線上。本節(jié)課我們研究帶電粒子垂直電場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)的情況。（設(shè)置情景）如圖所示，兩個(gè)相同極板的長(zhǎng)度為l，相距為d，極板間的電壓為U。一個(gè)電子沿平行于板面的方向射入電場(chǎng)中，射入時(shí)的速度v0。把兩板間的電場(chǎng)看做勻強(qiáng)電場(chǎng)，分析電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況【提出問(wèn)題1】（1）分析帶電粒子的受力情況。（2）你認(rèn)為這種情況同哪種運(yùn)動(dòng)類似，用什么方法處理這種運(yùn)動(dòng)呢?（3）你能類比得到帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的研究方法嗎?【學(xué)生活動(dòng)1】討論并回答上述問(wèn)題：粒子只受到與運(yùn)動(dòng)方向垂直的靜電力作用，且靜電力恒定，故粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)與平拋物體的運(yùn)動(dòng)類似，屬于勻變速曲線運(yùn)動(dòng)。處理這種運(yùn)動(dòng)的方法是：運(yùn)動(dòng)的分解。 粒子在運(yùn)動(dòng)方向上不受力的作用，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；在垂直運(yùn)動(dòng)方向上受恒定的靜電力作用，做初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度由靜電力提供?！咎岢鰡?wèn)題2】 帶電粒子在什么位置射出電場(chǎng)？ （提示）帶電粒子出電場(chǎng)的位置可用垂直于板面方向偏移的距離y表示。帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t粒子運(yùn)動(dòng)的加速度a粒子射出電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)距離y【學(xué)生活動(dòng)2】電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場(chǎng)不隨時(shí)間改變，而且是勻強(qiáng)電場(chǎng)，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。加速度是電子射出電場(chǎng)時(shí)，在垂直于板面方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【提出問(wèn)題3】粒子在出電場(chǎng)時(shí)速度方向改變了多少？（提示）速度方向的改變可以用出電場(chǎng)時(shí)速度方向與進(jìn)電場(chǎng)時(shí)速度方向的夾角來(lái)表示，稱之為速度的偏轉(zhuǎn)角。將出電場(chǎng)時(shí)的速度正交分解粒子在離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)垂直板面方向的分速度v粒子在離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度【學(xué)生活動(dòng)3】由于電子在平行于板面的方向不受力，它離開(kāi)電場(chǎng)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(kāi)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度可由下式確定（提示）由以上分析，很容易求出粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)速度的大小?！旧钊敕治觥坑闪Ｗ与x開(kāi)電場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度的表達(dá)式可以知道：若偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)確定，粒子偏轉(zhuǎn)角度的大小與粒子本身特征（粒子的電荷量和質(zhì)量）和粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度大小有關(guān)。5、問(wèn)題與練習(xí)氫和氘是同位素，氘核的質(zhì)量是氫核質(zhì)量的2倍，而它們的電荷量相同。（1）兩個(gè)粒子通過(guò)相同電場(chǎng)，由靜止開(kāi)始加速，它們獲得的動(dòng)能之比是Ek氫Ek氘= （2）兩個(gè)粒子通過(guò)同一對(duì)平行板形成的電場(chǎng)，進(jìn)入時(shí)速度方向與板面平行，若它們的初速度相同，離開(kāi)時(shí)粒子偏轉(zhuǎn)角的正切之比tan(氫) tan（氘）= ；若它們的初動(dòng)能相同，離開(kāi)時(shí)粒子垂直板面方向的偏轉(zhuǎn)距離之比y氫y氘= 。解答：（1）由動(dòng)能定理可知Ek氫Ek氘=11（2）出電場(chǎng)時(shí)垂直板面的分速度，偏轉(zhuǎn)角的正切，所以tan(氫) tan（氘）= 21由得，可知y氫y氘= 116、小結(jié)研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的兩種途徑（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(chǎng)力及初