人教版 (2019)必修 第三册第十章 静电场中的能量5 带电粒子在电场中的运动教学设计及反思

这是一份人教版 (2019)必修 第三册第十章 静电场中的能量5 带电粒子在电场中的运动教学设计及反思，共7页。教案主要包含了教学目标，教学重点，教学难点，教学过程等内容，欢迎下载使用。




【教学目标】


1．理解带电粒子在电场中的运动规律，并能分析解决加速和偏转方向的问题。


2．知道示波管的构造和基本原理。


3．通过带电粒子在电场中加速、偏转过程分析，培养学生的分析、推理能力。


4．通过知识的应用，培养学生热爱科学的精神。


【教学重点】


带电粒子在匀强电场中的运动规律。


【教学难点】


综合应用力学和电学知识处理偏转问题。


【教学过程】


一、新课导入


教师活动：给学生抛出2012年全世界粒子物理学界最振奋人心的消息：发现“上帝粒子”。


给大家讲述中国科学院卡弗里理论物理研究所2012年KITPC拓展项目活动，欧洲核子中心大型强子对撞机原理。


结合北京正负电子对撞机的图片讲述参观感受，介绍电子直线加速原理与世界粒子物理研究前沿对接，引入新课。


二、新课教学


1．教学任务：带电粒子在电场中的的平衡问题


师生活动：出示问题


问题1：水平放置的两平行金属板间有一匀强电场，已知板间距离为d=5cm，有一质量为m=1.0×10-9kg、带负电的液滴悬浮其中，其电荷量为5.0×10-12C，要使液滴处于静止状态，两极板间应加多大的电势差？哪块极板的电势较高？


以提问的方式，师生共同分析得出结论，投影解题过程。


学生回答：略


2．教学任务：带电粒子的加速


师生活动：出示问题


问题2：如图，两平行极板之间的距离为d，板间存在场强为E的匀强电场，有一电荷量为e，质量为m的电子，从左侧极板附近由静止加速，求：电子的加速度、到达右侧极板时的速度及所需时间。





问题3：如图，两平行极板之间的距离为d，板间电压为U，有一电荷量为e，质量为m的电子，从左侧极板附近由静止加速，求：电子的加速度、到达右侧极板时的速度及所需时间。





问题4：如图，两平行极板之间的距离为d，板间电压为U，有一电荷量为e，质量为m的电子，以初速度为v0从左侧极板附近加速，求：电子的加速度和到达右侧极板时的速度。





学生分三组，分别完成问题2、问题3和问题4，分别汇报结果。


征求不同的解法和思路，总结出两种不同的处理思路：动力学观点和能量观点。


方法一：先求出带电粒子的加速度：


a=qUmd


再根据


vt2-v02=2ad


可求得当带电粒子从静止开始被加速时获得的速度为：


vt=2aS=2qUm


方法二：由W=qU及动能定理：


W=qU=12mv2-0


得：


v=2qUm


到达另一板时的速度为：


v=2qUm


深入探究：


（1）结合牛顿第二定律及动能定理中做功条件（W=Fscsθ恒力W=Uq任何电场）讨论各方法的实用性。


（2）若初速度为v0（不等于零），推导最终的速度表达式。


学生思考讨论，列式推导（教师抽查学生探究结果并展示）教师最后点拨拓展：


推导：设初速为v0，末速为v，则据动能定理得


qU=12mv2-12mv02


所以


v=v02+2qUm


v0=0时， v=2qUm）


方法渗透：理解运动规律，学会求解方法，不去死记结论。


教学任务：拓展1


在加速问题中，如果两极板是其他形状，例如图中所示电场，中间的电场不再均匀，上面的结果是否仍然适用？为什么？





3．教学任务：带电粒子的偏转


师生活动：投影问题5


问题5：如图所示，电子以初速度v0垂直于电场线射入匀强电场中，两极板之间的电压为U，板长为l，板间距离为d，电子电荷量为e，质量为m，初速度为v0水平向右，电子能从极板右侧打出。


问题讨论：


①分析电子的受力情况。


②你认为这种情境同哪种运动类似，这种运动的研究方法是什么?


③你能类比得到带电粒子在匀强电场中运动的研究方法吗?


求：①电子在射出电场时竖直方向上的偏转距离。


②电子在离开电场时的速度偏转角的正切值。


学生活动：结合所学知识，自主分析推导。（教师抽查学生活动结果并展示，教师激励评价）


同桌对结果相互评议，针对不同意见进行讨论，达成一致。


投影示范解析：


解：由于带电粒子在电场中运动受力仅有电场力（与初速度垂直且恒定），不考虑重力，故带电粒子做类平抛运动。


粒子在电场中的运动时间


t=lv0


加速度


a=Fm=qEm=qUmd


竖直方向的偏转距离


y=12qUmd∙lv02=qUl22mdv02


粒子离开电场时竖直方向的速度为


vy=qUmd∙lv0=qUlmdv0


速度为


v=vy2+v02=(qUlmdv0)2+v02


粒子离开电场时的偏转角度θ为


tanθ=vyvx=qUlmdv02


教学任务：拓展2、拓展3


拓展2：


①如果偏转电压增大，则电子的偏转位移和偏转角如何变化？


②如果偏转电场的上极板带负电，下极板带正电，电子又会往哪儿偏？


③如果偏转电场的两极板如图示竖直放置，电子会如何偏转呢？





拓展3


电子从静止开始经加速电压U1加速后，沿垂直于电场线方向射入两平行板中央，如何处理这种先加速后偏转的问题？





4．教学任务：示波管


（1）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器，其核心部分是示波管。





师生活动：


多媒体展示：示波管原理图：示波器的核心部分是示波管，由电子枪、偏转电极和荧光屏组成。


（2）示波管的构造及原理





认识结构：电子枪通电后会产生热电子，电子在加速电场作用下被加速，经过偏转电场发生偏转，只是这里有两组偏转电极。


例题：已知加速电压U1、极板长l、YY’偏转电极的电压U2、板间距d、板端到荧光屏的距离L。


求：电子射出偏转电场时的偏向角正切值tanα及打到屏上电子的偏移量y'。





（3）常见波形




















三、巩固练习


1.如图所示，M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m、电量为+??的质子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为??时，粒子到达N板的速度为??，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2??，则下述方法能满足要求的是（ ）


A、使M、N间电压增加为2U


B、使M、N间电压增加为4U


C、使M、N间电压不变，距离减半


D、使M、N间电压不变，距离加倍


2.氢的三种同位素氕、氘、氚的原子核分别为11H、12H 、13H。它们以相同的初动能垂直进入同一匀强电场，离开电场时，末动能最大的是（ ）


A．氕核 B．氘核 C．氚核 D．一样大


3.如图所示，电子在电势差为U1的电场中加速后，垂直进入电势差为U2的偏转电场，在满足电子能射出的条件下，下列四种情况中，一定能使电子的偏转角θ变大的是( )


A．U1变大、U2变大


B．U1变小、U2变大


C．U1变大、U2变小


D．U1变小、U2变小


4.（多选）如图，二价氦离子和质子的混合体，经同一加速电场加速后垂直射入同一偏转电场中，偏转后打在同一荧光屏上，则它们（ ）


A．侧移相同


B．偏转角相同


C．到达屏上同一点


D．到达屏上不同点