高中物理人教版1第一章靜電場第9節(jié)帶電粒子在電場中的運動 說課一等獎

人教版選修3－1第一章第9節(jié)帶電粒子在電場中的運動教學目標1.知道帶電粒子在電場中受力情況。2.會用動能定理和牛頓運動定律計算帶電粒子在電場中的加速問題。3.會利用運動合成與分解分析解決帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題，會計算偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)角度。4.通過帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)的推導過程，理解研究粒子在電場中運動的處理方法。教材分析帶電粒子在電場中的運動問題是物理電學中的重點、難點，它涉及到帶電粒子在電場中的受力分析，能量轉(zhuǎn)化，運動合成與分解等諸多知識點，通過對本節(jié)知識的學習，學生能夠把電場知識和牛頓定律、動能定理、運動的合成與分解等力學知識有機地結(jié)合起來，加深對力、電知識的理解，有利于培養(yǎng)學生用物理規(guī)律解決實際問題的能力，同時也為以后學習帶電粒子在磁場中的運動打下基礎。教材是通過問題探究和例題的形式來研究帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)問題，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動，研究了帶電粒子在勻強電場中的偏轉(zhuǎn)問題。重點難點帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律教學過程【導入】演示實驗，導入新課（1）出示示波器，說明示波器的作用。（2）介紹示波器的主要結(jié)構(gòu)：示波管，其顯示屏是一個熒光屏。（3）打開示波器，使熒光屏上出現(xiàn)一亮斑，改變亮斑的亮度及位置，再使熒光屏上出現(xiàn)一正弦曲線，如圖3甲、乙、丙、丁，說明示波器上的亮斑是電子打在熒光屏上而產(chǎn)生的。（4）提出問題：示波管電子來自哪里？它怎么會運動？它為什么會打在不同的位置上？它為什么會出現(xiàn)一條曲線？由此引入新課?！驹O計意圖】故設懸念，激發(fā)學生對電子（帶電粒子）運動的探究欲?；顒?【活動】帶電粒子的加速問題問題1：打在顯像管屏幕上的電子來自哪里？

這是一個簡單的問題。熾熱的金屬可以發(fā)射出電子，這叫熱電子。一般金屬在溫度高于1000℃左右時，就會向外發(fā)射出大量的電子。所以，只要給一個燈絲加熱，就可以讓燈絲變成熾熱，而向外發(fā)出電子。由此，在上圖上作補充，得下圖。問題2：燈絲發(fā)射出來的電子一般都聚焦在燈絲附近，（這些電子還會阻礙燈絲繼續(xù)發(fā)出熱電子）怎樣使發(fā)出的電子離開燈絲并獲得很大的速度？

（1）教師將問題轉(zhuǎn)化（考慮更為一般的問題）：如何對帶電粒子加速？并讓學生分組討論。

（2）教師提示學生考慮：

①用什么樣的電場加速？

——都可以，先考慮用簡單的電場，即勻強電場，可以從平行板電容器兩板間獲得，如圖。②重力是否要考慮？

教師給出具體數(shù)值：電子質(zhì)量,電量。設電場強度，由學生計算。因重力遠遠小于粒子的電場力，故重力可以忽略不計。

教師進一步指出一般而言微觀粒子如電子、質(zhì)子等除有明確說明和明確暗示外，不記重力，但并不能忽略質(zhì)量。一般而言帶電液滴、小球等除有明確說明和明確暗示外，應該考慮重力。

③帶電粒子有沒有初速度？

帶電粒子可能有初速度，但先從簡單的運動——初速度為零的情形入手。（3）學生推導【設計意圖】體現(xiàn)開始研究物理問題時的簡單化原則：受力的簡單化，運動的簡單化。（4）引導學生回顧：

①評價兩種解法：方法一適用勻強電場，且可進一步求出帶電粒子的運動時間。方法二對勻強電場和非勻強電場均適用，但要注意U與粒子初末位置的對應。

②變化條件：若把兩極板的距離增大，則到達的速度如何變化？加速時間如何變化？

由此得出：加速獲得的末速度與加速電壓有關，與時間無關。雖然加速的時間變長了，但帶電粒子受到的電場力和運動的加速度變小了。

③如果帶電粒子具有初速度v0，經(jīng)電場加速后，得到的末速度為。

（5）整合完成熱電子發(fā)出后加速的任務。[演示實驗]：陰極射線管觀察電子徑跡（如圖）。用此實驗類比示波器中熱電子加速過程，使學生設計的模型具體化?！驹O計意圖】培養(yǎng)學生能夠獨立設計模型，明確問題的處理分析方法，比較辨別各種方法的不同。同時，讓學生體會到：運用牛頓第二運動定律結(jié)合運動學公式和運用動能定理是處理帶電粒子在電場運動的兩種基本方法，兩種方法各有所長，應根據(jù)問題實際，靈活選取。活動3【活動】帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題問題3：從圖可見，經(jīng)過加速的熱電子通過小孔后只能打在屏幕的正中間，怎樣使這個點偏離中央位置呢？（1）教師將問題轉(zhuǎn)化（提出更一般的問題）：如圖所示，如何使一個運動的帶電粒子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)？并讓學生進行討論？

教師提示學生考慮：

①用什么電場偏轉(zhuǎn)更好？

——用一對分別帶有正、負電荷的平行金屬板形成的電場。因為其中電場處處相等，更容易根據(jù)電場的強弱控制偏離的大小。

②金屬板怎樣放置較好？

——金屬板與帶電粒子射入的方向平行更好，這樣電場力的方向與粒子初速度的方向垂直。于是得到圖8。

（3）回到示波管問題，應當在示波管內(nèi)加一對平行金屬板，如圖所示。（4）師生共同解決問題：在真空放置一對平行金屬板，板長為l，板間距為d，兩板之間的電壓為U，一個電荷量為q的正電荷沿平行于金屬的方向以速度v0射入電場。求電荷射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度θ。

啟發(fā)引導學生討論以下問題：

①分析帶電粒子的受力情況，作出受力示意圖。

——受到恒定的電場力，重力可以忽略不計，受力示意圖如圖所示。

②帶電粒子在電場中做什么運動？這種情況同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么?

——做曲線運動，與平拋運動類似，應采用運動分解的方法解決。

③對粒子的運動進行分解，沿哪兩個方向分解？

——沿與金屬板平行和垂直兩個方向進行分解。引導學生分別從公式的數(shù)學關系和物理的角度去分析y與v0和U的關系，v0增大偏轉(zhuǎn)時間減小所以偏移量y減少；而U變化時改變加速從而改變y?！驹O計意圖】創(chuàng)設平臺，逐步引導學生通過問題支架的方法尋找問題的突破口，得出結(jié)論，同時讓學生通過類比和比較感受類平拋問題的處理方法（5）引導學生進行回顧：①比較y，tanθ的結(jié)果的相似性，可推出：

即速度反向延長線經(jīng)過水平位移的中點，粒子從電場中射出位置與射出角度是一一對應的。

假設熒光屏到極板的距離為L，求打在屏上偏離中心位置豎直位移Y′。②帶電粒子的初速v0是在前面的加速電壓U1下加速而來的，推算帶電粒子偏移量y和偏轉(zhuǎn)角正切的表達式?（推演時啟發(fā)學生對mv02作整體因子代換）即粒子先經(jīng)加速電場再射入偏轉(zhuǎn)電場的情況下，偏轉(zhuǎn)位移和偏轉(zhuǎn)角度與兩個電壓值U、U1、板長L和兩板間距d有關，而與電荷量無關。

引導學生討論有什么辦法增大粒子側(cè)移量。

提問：當電壓U隨時間變化如圖右時光斑如何變化，如果U隨時間變化非?？炷?由于y∝U∝t，所以光斑隨時間在屏幕布上做勻速移動，如果U隨時間變化很快，由于熒光屏上的光亮會保持一段時間和人眼的視覺暫留現(xiàn)象，所以會顯示出連續(xù)的線。

問題4：如果要使電子在水平方向也要偏轉(zhuǎn)，示波管內(nèi)還應該有什么裝置

（1）引導學生通過討論得出：還需要加一對偏轉(zhuǎn)電極，與原來的偏轉(zhuǎn)電極相互垂直。如圖12所示。（2）示波管就是因兩個偏轉(zhuǎn)電極上電壓的變化，而使電子打到屏幕上的位置發(fā)生變化。（3）如果兩對偏轉(zhuǎn)電極上分別加如圖所示的電壓，則在示波器的顯示屏上出現(xiàn)什么圖像。在屏幕上出現(xiàn)的