2020屆高中物理 第9節(jié) 帶電粒子在電場中的運動教學過程一 新人教版選修3-1

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1、第9節(jié)、帶電粒子在電場中的運動 新課教學過程一 進行新課 1、帶電粒子的加速 教師活動：提出問題 要使帶電粒子在電場中只被加速而不改變運動方向該怎么辦? （相關(guān)知識鏈接：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） 學生探究活動：結(jié)合相關(guān)知識提出設(shè)計方案并互相討論其可行性。 學生介紹自己的設(shè)計方案。 師生互動歸納：（教師要對學生進行激勵評價） 方案1：v0=0，僅受電場力就會做加速運動，可達到目的。 方案2：v0≠0，僅受電場力，電場力的方向應(yīng)同v0同向才能達到加速的

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

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

4、。 第二步：對照課本解析歸納方法。 第三步：教師強調(diào)注意事項。（計算先推導(dǎo)最終表達式，再統(tǒng)一代入數(shù)值運算，統(tǒng)一單位后不用每個量都寫，只在最終結(jié)果標出即可） 過渡：如果帶電粒子在電場中的加速度方向不在同一條直線上，帶電粒子的運動情況又如何呢?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垂直于電場線射入勻強電場中． 問題討論： （1）分析帶電粒子的受力情況。 （2）你認為這種情況同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么? （3）你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎? 學生活動：討論并回答上述問題： （1）關(guān)于帶電粒子的

5、受力，學生的爭論焦點可能在是否考慮重力上。 教師應(yīng)及時引導(dǎo)：對于基本粒子，如電子、質(zhì)子、α粒子等，由于質(zhì)量m很小，所以重力比電場力小得多，重力可忽略不計。 對于帶電的塵埃、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垂直于電場線方向飛入勻強電場時，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動，類似于力學中的平拋運動，平拋運動的研究方法是運動的合成和分解。 （3）帶電粒子垂直進入電場中的運動也可采用運動的合成和分解的方法進行。 CAI課件分解展示： （1）帶電粒子在垂直于電場線方向上不受任何力，做勻速直線運動。 （2）在平行于電場線方向上，受到電

6、場力的作用做初速為零的勻加速直線運動。 深入探究：如右圖所示，設(shè)電荷帶電荷量為q，平行板長為L，兩板間距為d，電勢差為U，初速為v0．試求： （1）帶電粒子在電場中運動的時問t。 （2）粒子運動的加速度。 （3）粒子受力情況分析。 （4）粒子在射出電場時豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。 （5）粒子在離開電場時豎直方向的分速度。 （6）粒子在離開電場時的速度大小。 （7）粒子在離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ。 [學生活動：結(jié)合所學知識，自主分析推導(dǎo)。 （教師抽查學生活動結(jié)果并展示，教師激勵評價） 投影示范解析： 解：由于帶電粒子在電場中運動受力僅有電場力（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動。 粒子在電場中的運動時間t= 加速度a==qU/md 豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離：y=at2= 粒子離開電場時豎直方向的速度為v1=at= 速度為：v= 粒子離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ為：tanθ= 拓展：若帶電粒子的初速v0是在電場的電勢差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） 學生探究活動：動手推導(dǎo)、互動檢查。 （教師抽查學生推導(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機內(nèi)提供的正

8、弦電壓觀察及變化的觀察。 學生活動：觀察示波器的現(xiàn)象。 閱讀課本相關(guān)內(nèi)容探究原因。 教師點撥拓展，師生互動探究： 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)電極的電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)．離開偏轉(zhuǎn)電極后沿直線前進，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 因為y= tan 所以=·U+L·=·U=（L+）tanθ 如果U=Umax·sinωt則=max·sinωt 學生活動：結(jié)合推導(dǎo)分

9、析教師演示現(xiàn)象。 課堂總結(jié)、點評 教師活動：讓學生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學到黑板上總結(jié)，其他同學在筆記本上總結(jié)，然后請同學評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、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。 點評：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生概括總結(jié)能力。 教師要放開，讓學生自己總結(jié)所學內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識框架。 實例探究 帶電粒子在電場中加速 【例1】如圖所示，在點電荷+Q的電場中有A、B兩點，將質(zhì)子和α粒子（氦的原子核）分別從A點由靜止釋放到達B點時，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點釋放將受電場力作用加速運動到B點。設(shè)AB兩點間的電勢差為U，由動能定理有 對質(zhì)子： 對α粒子： ∴ 說明：該電場為非勻強電場，帶電粒子在AB間的運動為變加速運動，不可能通過力和加速度的途徑解出該題。但注意到電場力做功W=qU這一關(guān)系對勻強電場和非勻強電場都適用，因此從能量的觀點入手由動能定理來求解該題。 帶電粒子在電場中偏轉(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入平行板間的勻強電場，如圖所示，若兩板間距d=1.0 cm，板長l=5.0 cm，那么，要使電子能從平行板間飛出，兩個極板上最多能加多大電壓? 解析：在加

11、速電壓一定時，偏轉(zhuǎn)電壓U′越大，電子在極板間的偏距就越大。當偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出，此時的偏轉(zhuǎn)電壓，即為題目要求的最大電壓。 加速過程，由動能定理得 ① 進入偏轉(zhuǎn)電場，電子在平行于板面的方向上做勻速運動 l=v0t ② 在垂直于板面的方向做勻加速直線運動，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、是一個較典型的帶電粒子先加速再偏轉(zhuǎn)的題目。通過該題要認真體會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，兩板間的電勢差為300 V。如果兩板間電勢差減小到60 V，則帶電小球運動到極板上需多長時間? 解析：取帶電小球為研究對象，設(shè)它帶電量為q，則帶電小球受重力mg和電場力qE的作用。 當U1＝300 V時，小球平衡： ①

13、 當Ｕ2＝60 V時，帶電小球向下板做勻加速直線運動： ② 又 ③ 由①②③得： s=4.5×10－2 s 說明：這是一道典型的力學綜合題，涉及力的平衡、牛頓第二定律及勻變速運動的規(guī)律等知識。復(fù)習好力學知識，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”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“科學足跡”和“科學漫步”中的兩篇文章。 板書設(shè)計： 1、帶電粒子的加速 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 3、示波管的原理 教學體會 本節(jié)知識與力學知識聯(lián)系很緊，在講解本節(jié)內(nèi)容之前要復(fù)習一下有關(guān)的知識，以產(chǎn)生知識的遷移，由于帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的公式較復(fù)雜，所以在教學中要使學生在學習中掌握解題的思維和方法，而不是記公式。