2020屆高中物理 第9節(jié) 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)過程一 新人教版選修3-1

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1、第9節(jié)、帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 新課教學(xué)過程一 進(jìn)行新課 1、帶電粒子的加速 教師活動(dòng)：提出問題 要使帶電粒子在電場(chǎng)中只被加速而不改變運(yùn)動(dòng)方向該怎么辦? （相關(guān)知識(shí)鏈接：合外力與初速度在一條直線上，改變速度的大??；合外力與初速度成90°，僅改變速度的方向；合外力與初速度成一定角度θ，既改變速度的大小又改變速度的方向） 學(xué)生探究活動(dòng)：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。 學(xué)生介紹自己的設(shè)計(jì)方案。 師生互動(dòng)歸納：（教師要對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)評(píng)價(jià)） 方案1：v0=0，僅受電場(chǎng)力就會(huì)做加速運(yùn)動(dòng)，可達(dá)到目的。 方案2：v0≠0，僅受電場(chǎng)力，電場(chǎng)力的方向應(yīng)同v0同向才能達(dá)到加速的

2、目的。 教師投影：加速示意圖． 學(xué)生探究活動(dòng)：上面示意圖中兩電荷電性換一下能否達(dá)到加速的目的? （提示：從實(shí)際角度考慮，注意兩邊是金屬板） 學(xué)生匯報(bào)探究結(jié)果：不可行，直接打在板上。 學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合圖示動(dòng)手推導(dǎo)，當(dāng)v0=0時(shí)，帶電粒子到達(dá)另一板的速度大小。 （教師抽查學(xué)生的結(jié)果展示、激勵(lì)評(píng)價(jià)） 教師點(diǎn)撥拓展： 方法一：先求出帶電粒子的加速度：a= 再根據(jù)vt2-v02=2ad 可求得當(dāng)帶電粒子從靜止開始被加速時(shí)獲得的速度為：vt= 方法二：由W=qU及動(dòng)能定理：W=△Ek=mv2-0 得：qU=mv2 到達(dá)另一板時(shí)的速度為：v=. 深入探究： （1）結(jié)合牛頓第二

3、定律及動(dòng)能定理中做功條件（W=Fscosθ恒力 W=Uq 任何電場(chǎng)）討論各方法的實(shí)用性。 （2）若初速度為v0（不等于零），推導(dǎo)最終的速度表達(dá)式。 學(xué)生活動(dòng)：思考討論，列式推導(dǎo) （教師抽查學(xué)生探究結(jié)果并展示） 教師點(diǎn)撥拓展： （1）推導(dǎo)：設(shè)初速為v0，末速為v，則據(jù)動(dòng)能定理得qU=mv2-mv02 所以v=（v0=0時(shí)，v=） 方法滲透：理解運(yùn)動(dòng)規(guī)律，學(xué)會(huì)求解方法，不去死記結(jié)論。 （2）方法一：必須在勻強(qiáng)電場(chǎng)中使用（F=qE，F(xiàn)為恒力，E恒定） 方法二：由于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中，公式W=qU同樣適用，故后一種可行性更高，應(yīng)用程度更高。 實(shí)例探究：課本例題1 第一步：學(xué)生獨(dú)立推導(dǎo)

4、。 第二步：對(duì)照課本解析歸納方法。 第三步：教師強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。（計(jì)算先推導(dǎo)最終表達(dá)式，再統(tǒng)一代入數(shù)值運(yùn)算，統(tǒng)一單位后不用每個(gè)量都寫，只在最終結(jié)果標(biāo)出即可） 過渡：如果帶電粒子在電場(chǎng)中的加速度方向不在同一條直線上，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況又如何呢?下面我們通過一種較特殊的情況來研究。 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 教師投影：如圖所示，電子以初速度v0垂直于電場(chǎng)線射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中． 問題討論： （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，這種運(yùn)動(dòng)的研究方法是什么? （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)：討論并回答上述問題： （1）關(guān)于帶電粒子的

5、受力，學(xué)生的爭(zhēng)論焦點(diǎn)可能在是否考慮重力上。 教師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)：對(duì)于基本粒子，如電子、質(zhì)子、α粒子等，由于質(zhì)量m很小，所以重力比電場(chǎng)力小得多，重力可忽略不計(jì)。 對(duì)于帶電的塵埃、液滴、小球等，m較大，重力一般不能忽略。 （2）帶電粒子以初速度v0垂直于電場(chǎng)線方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，受到恒定的與初速度方向成90°角的作用而做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，類似于力學(xué)中的平拋運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)的研究方法是運(yùn)動(dòng)的合成和分解。 （3）帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)也可采用運(yùn)動(dòng)的合成和分解的方法進(jìn)行。 CAI課件分解展示： （1）帶電粒子在垂直于電場(chǎng)線方向上不受任何力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。 （2）在平行于電場(chǎng)線方向上，受到電

6、場(chǎng)力的作用做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 深入探究：如右圖所示，設(shè)電荷帶電荷量為q，平行板長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩板間距為d，電勢(shì)差為U，初速為v0．試求： （1）帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)問t。 （2）粒子運(yùn)動(dòng)的加速度。 （3）粒子受力情況分析。 （4）粒子在射出電場(chǎng)時(shí)豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。 （5）粒子在離開電場(chǎng)時(shí)豎直方向的分速度。 （6）粒子在離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小。 （7）粒子在離開電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度θ。 [學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合所學(xué)知識(shí)，自主分析推導(dǎo)。 （教師抽查學(xué)生活動(dòng)結(jié)果并展示，教師激勵(lì)評(píng)價(jià)） 投影示范解析： 解：由于帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受力僅有電場(chǎng)力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，

7、故帶電粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)。 粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t= 加速度a==qU/md 豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離：y=at2= 粒子離開電場(chǎng)時(shí)豎直方向的速度為v1=at= 速度為：v= 粒子離開電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度θ為：tanθ= 拓展：若帶電粒子的初速v0是在電場(chǎng)的電勢(shì)差U1下加速而來的（從零開始），那么上面的結(jié)果又如何呢?（y，θ） 學(xué)生探究活動(dòng)：動(dòng)手推導(dǎo)、互動(dòng)檢查。 （教師抽查學(xué)生推導(dǎo)結(jié)果并展示： 結(jié)論：y= θ=arctan與q、m無關(guān)。 3、示波管的原理 出示示波器，教師演示操作 ①光屏上的亮斑及變化。 ②掃描及變化。 ③豎直方向的偏移并調(diào)節(jié)使之變化。 ④機(jī)內(nèi)提供的正

8、弦電壓觀察及變化的觀察。 學(xué)生活動(dòng)：觀察示波器的現(xiàn)象。 閱讀課本相關(guān)內(nèi)容探究原因。 教師點(diǎn)撥拓展，師生互動(dòng)探究： 多媒體展示：示波器的核心部分是示波管，由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成。 投影：示波管原理圖： 電子槍中的燈絲K發(fā)射電子，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后，得到的速度為： θ v0= 如果在偏轉(zhuǎn)電極上加電壓電子在偏轉(zhuǎn)電極的電場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)．離開偏轉(zhuǎn)電極后沿直線前進(jìn)，打在熒光屏上的亮斑在豎直方向發(fā)生偏移．其偏移量為=y+Ltanθ 因?yàn)閥= tan 所以=·U+L·=·U=（L+）tanθ 如果U=Umax·sinωt則=max·sinωt 學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合推導(dǎo)分

9、析教師演示現(xiàn)象。 課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。 點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 實(shí)例探究 帶電粒子在電場(chǎng)中加速 【例1】如圖所示，在點(diǎn)電荷+Q的電場(chǎng)中有A、B兩點(diǎn)，將質(zhì)子和α粒子（氦的原子核）分別從A點(diǎn)由靜止釋放到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，它們的速度大小之比為多少? 解析：質(zhì)子

10、和α粒子都是正離子，從A點(diǎn)釋放將受電場(chǎng)力作用加速運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。設(shè)AB兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為U，由動(dòng)能定理有 對(duì)質(zhì)子： 對(duì)α粒子： ∴ 說明：該電場(chǎng)為非勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子在AB間的運(yùn)動(dòng)為變加速運(yùn)動(dòng)，不可能通過力和加速度的途徑解出該題。但注意到電場(chǎng)力做功W=qU這一關(guān)系對(duì)勻強(qiáng)電場(chǎng)和非勻強(qiáng)電場(chǎng)都適用，因此從能量的觀點(diǎn)入手由動(dòng)能定理來求解該題。 帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn) 【例2】一束電子流在經(jīng)U=5000 V的加速電壓加速后，在距兩極板等距處垂直進(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)電場(chǎng)，如圖所示，若兩板間距d=1.0 cm，板長(zhǎng)l=5.0 cm，那么，要使電子能從平行板間飛出，兩個(gè)極板上最多能加多大電壓? 解析：在加

11、速電壓一定時(shí)，偏轉(zhuǎn)電壓U′越大，電子在極板間的偏距就越大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出，此時(shí)的偏轉(zhuǎn)電壓，即為題目要求的最大電壓。 加速過程，由動(dòng)能定理得 ① 進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，電子在平行于板面的方向上做勻速運(yùn)動(dòng) l=v0t ② 在垂直于板面的方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度 ③ 偏距 ④ 能飛出的條件為 y≤ ⑤ 解①～⑤式得 U′≤V=4.0×102 V 即要使電子能飛出，所加電壓最大為400 V 說明：（1）此題

12、是一個(gè)較典型的帶電粒子先加速再偏轉(zhuǎn)的題目。通過該題要認(rèn)真體會(huì)求解這類問題的思路和方法，并注意解題格式的規(guī)范化。 （2）粒子恰能飛出極板和粒子恰不能飛出極板，對(duì)應(yīng)著同一臨界狀態(tài)——“擦邊球”。根據(jù)題意找出臨界狀態(tài)，由臨界狀態(tài)來確定極值，也是求解極值問題的常用方法。 力電綜合問題 【例3】如圖所示，帶負(fù)電的小球靜止在水平放置的平行板電容器兩板間，距下板0.8 cm，兩板間的電勢(shì)差為300 V。如果兩板間電勢(shì)差減小到60 V，則帶電小球運(yùn)動(dòng)到極板上需多長(zhǎng)時(shí)間? 解析：取帶電小球?yàn)檠芯繉?duì)象，設(shè)它帶電量為q，則帶電小球受重力mg和電場(chǎng)力qE的作用。 當(dāng)U1＝300 V時(shí)，小球平衡： ①

13、 當(dāng)Ｕ2＝60 V時(shí)，帶電小球向下板做勻加速直線運(yùn)動(dòng)： ② 又 ③ 由①②③得： s=4.5×10－2 s 說明：這是一道典型的力學(xué)綜合題，涉及力的平衡、牛頓第二定律及勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律等知識(shí)。復(fù)習(xí)好力學(xué)知識(shí)，是求解加速和偏轉(zhuǎn)問題的前提。 課后作業(yè) 1、書面完成課本“問題與練習(xí)”第3、4、5題；思考并回答第1、2題。 2、課下閱讀課本36頁和7頁“科學(xué)足跡”和“科學(xué)漫步”中的兩篇文章。 板書設(shè)計(jì)： 1、帶電粒子的加速 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 3、示波管的原理 教學(xué)體會(huì) 本節(jié)知識(shí)與力學(xué)知識(shí)聯(lián)系很緊，在講解本節(jié)內(nèi)容之前要復(fù)習(xí)一下有關(guān)的知識(shí)，以產(chǎn)生知識(shí)的遷移，由于帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的公式較復(fù)雜，所以在教學(xué)中要使學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握解題的思維和方法，而不是記公式。