2022年人教版高中物理選修3-1 1.9帶電粒子在電場中的運動教案

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1、2022年人教版高中物理選修3-1 1.9 帶電粒子在電場中的運動 教案 帶電粒子在電場中的運動是電磁學(xué),甚至整個高中物理的核心內(nèi)容之一,高考大綱中也要求這部分內(nèi)容需要重點掌握。 我們先來回顧一下帶電粒子,如果我們的研究對象是基本粒子,比如質(zhì)子、電子、α粒子、離子等等,需不需要考慮重力的作用呢? 生:不考慮,因為重力相對電場力而言可以忽略不計。 師:如果研究對象是帶電顆粒,如帶電油滴、小球、塵埃等,重力是不可忽略的。 在確定研究對象時,一定要認(rèn)真審題,還要注意題目中的隱含條件,從而確定是否需要考慮重力。 今天我們一起來討論帶電粒子

2、在勻強(qiáng)電場中的兩種運動形式,加速和偏轉(zhuǎn)。我們先來看帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的加速運動。 例題1: 真空中有一對平行金屬板AB,板間加以電壓U,靠近正極板附近有一個帶正電粒子,電荷量為q,質(zhì)量為m,在電場力的作用下從靜止開始運動,求到達(dá)負(fù)極板時的速度v?(不計重力) 【引導(dǎo)學(xué)生解題,教師在黑板板書】 師:帶電粒子在勻強(qiáng)電場中做什么運動? 生:勻加速直線運動 師:何以見得是勻加速運動? 生:電場是勻強(qiáng)電場,所受的電場力恒定 師:對于勻加速直線運動,可以用什么方法求解末速度v? 生:用運動學(xué)公式 師:可以

3、用其他方法做嗎?【點人回答】 師:如果是在非勻強(qiáng)電場中,那么還能用牛頓第二定律和運動學(xué)方法求解嗎? 生:不能,因為此方法只適用于勻強(qiáng)電場。 師:在非勻強(qiáng)電場中動能定理還適用嗎?請問公式中的U指什么? 生:動能定理仍然適用,U是初末位置之間的電勢差,與其中的場強(qiáng)分布無關(guān)。 師:如果我將電荷從靠近負(fù)極板1/3處釋放,這個時候怎么列動能定理呢? 生:.......【點人回答】 【PPT展示帶電粒子在電場中的加速問題基本思路】 可見,帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運動是以電場為背景,增加一個電場力的作用,但運用到的物理規(guī)律仍然是我們前面所學(xué)習(xí)

4、的運動學(xué)與牛頓運動定律,或者應(yīng)用功能關(guān)系解決,可謂“電學(xué)搭臺,力學(xué)唱戲”! 我們看到例題2:如圖所示,有一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的油滴,在豎直放置的兩平行金屬板間的勻強(qiáng)電場中的中線上由靜止釋放,可以判定( ) A.油滴在電場中做拋物線運動 B.油滴在電場中做勻速直線運動 C.油滴在電場中做勻加速直線運動 D.油滴運動到極板上的時間只取決于兩板間距離 ABC要分析油滴的運動狀態(tài),做什么運動?【點4名學(xué)生回答】 D要討論運動時間,如何分析?【點學(xué)生回答】 不論電荷在電場中受重力還是不受重力,要分析電荷的運動狀態(tài),仍然要結(jié)合受力情況和初始狀態(tài)綜合分析。這道題對于時間的求解,運用到了

5、運動的合成和分解,合運動和分運動具有等時性。 我們再來看看帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)。 如圖一帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)方向以初速度v0射入電場,若不計粒子的重力,帶電粒子將做什么運動?運動實質(zhì)是什么呢? 生:做勻變速曲線運動(類平拋運動)。 師:我們研究類平拋運動的方法是什么? 生:運動的合成和分解 師:我們將運動分解為垂直于電場線方向的勻速直線運動,沿電場線方向的初速度為0的勻加速直線運動。 已知:電壓U、極板間距d、初速度v0、板長L、電荷量q、質(zhì)量m ①粒子穿越電場的時間t; ②粒子離開電場時的偏移量y; ③粒子離開電場時的速度v ; ④粒子離開電場時的速度

6、偏向角θ; 【教師板書,引導(dǎo)學(xué)生分析】 ①時間根據(jù)沿v0方向勻速直線運動求解L=v0t得 ②沿電場方向: 如果電荷沒有射出電場呢?t?y? 如果電荷剛好射出電場呢?x?y? ③合速度 師:有沒有其他的方法求解合速度v?【點人回答動能定理求解合速度的表達(dá)式】 ④速度偏向角 還有一條重要的推論:將速度反向延長,過水平位移的中點。 加速和偏轉(zhuǎn)是帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運動的最基本的形式,當(dāng)然,我也可以把它們組合在一起,先加速再偏轉(zhuǎn)。 我們來思考這個問題: 質(zhì)子和α粒子由靜止經(jīng)電壓U1加速后,又垂直進(jìn)入電壓為U2的勻強(qiáng)電場,它們偏移量之比是多少?飛出電場時的

7、方向有什么關(guān)系? 師:這道題是要我們比較什么? 生:...... 師:我們是不是要先把y1求出來,再求y2,在比?應(yīng)該直接求出y和tanθ的通式,看它們和q、m是什么關(guān)系!這樣的比較方法在數(shù)學(xué)里叫“通式法”! 【點人上臺求解,其他學(xué)生在學(xué)案上完成】 即偏移量之比為1:1,飛出方向相同 師:經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),偏移量y和速度偏向角與入射粒子的質(zhì)量和帶電量都沒有關(guān)系,那么質(zhì)子和α粒子在電場中的路徑是相同的。 例4: 質(zhì)量為m=6.4×10-27kg,電荷量為q=1.6×10-19c的正電荷(不計重力)由靜止經(jīng)相同電

8、壓U1=200V加速后,又垂直進(jìn)入電壓為u隨如圖所示規(guī)律變化的勻強(qiáng)電場,已知偏轉(zhuǎn)極板間距d=10cm,板長L=10cm,試求該電荷出極板后偏轉(zhuǎn)位移的最大值? 【教師引導(dǎo)】我發(fā)現(xiàn)大家看到這樣的交變電壓不知道如何下筆,不知道大家心里有沒有這樣的想法:如果這是勻強(qiáng)電場就太好了???什么情況下可以把它當(dāng)做勻強(qiáng)電場來處理呢?(電荷在偏轉(zhuǎn)電場中運動的時間非常短)大家先算一下在偏轉(zhuǎn)電場中運動的時間!【學(xué)生在學(xué)案上計算,點一名學(xué)生在黑板上計算板書】 得到的時間非常非常小,可以認(rèn)為電荷在穿過平行板的過程中電壓是不變的,這不就轉(zhuǎn)化成勻強(qiáng)電場的問題了嗎? 那么什么情況下偏轉(zhuǎn)位移為最大值呢?請大家得出偏轉(zhuǎn)位移的表達(dá)式! ......

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