高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 带电粒子在电场中的运动教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 带电粒子在电场中的运动教学设计，共6页。


《带电粒子在电场中的运动》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“静电场”主题下的内容。课程标准要求为：能分析带电粒子在电场中的运动，能解释相关的物理现象。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程的标准的解读为：让学生通过对电场加速器、减速器、示波管等仪器的工作原理的初步了解（对于带电粒子在电场中偏转，只要通过实验了解即可），认识电场对带电粒子的作用，会计算带电粒子在电场中的运动问题。
本节内容由带电粒子在电场中的加速、带电粒子在电场中偏转、示波管的原理三部分组成。教学内容梯度逐渐加深，符合学生认知规律。示波管的原理对学生力学、电学知识的综合能力有较高的要求，学生需具备一定的空间想象能力。
学生学习了匀变速直线运动的运动规律和动能定理，根据带电粒子在匀强电场中的运动性质，从运动学角度和能量角度求解带电粒子在电场中加速后获得的速度。在物理必修2了解平面曲线运动需要建立平面直角坐标系，将曲线运动分解为两个方向直线运动的思想，能利用平行四边形定则求解合速度大小与方向。从能力层面，学生具备一定的模型建构能力、抽象思维能力，但这些能力仍需进行进一步的培养。学生在数学课程中学习了立体几何知识，空间位置关系和想象能力有所发展，有助于理解示波管原理。
1.学生会从运动和力的关系的角度、从功和能量的角度分析带电粒子在匀强电场中的加速问题。
2.学生知道带电粒子垂直于电场线进入匀强电场的运动特点，并能对偏转距离、偏转角度、离开电场时的速度等物理量分析计算。
3.学生了解示波管的工作原理，体会静电场知识对科学技术的影响。
4.学生通过解决带电粒子在电场中加速和偏转问题，加深对从牛顿运动定律和功能关系两个角度分析物体运动的认识，以及将匀变速曲线运动分解为两个方向上的简单运动来处理的思路的认识。
教学重点：计算带电粒子在电场中加速获得速度、带电粒子在电场中的偏转规律
教学难点：带电粒子在电场中的偏转规律、示波管原理
教学方法：讲授法、启发式教学、对话教学
中国散裂中子源包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站，以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。
主要原理是通过离子源产生负氢离子，利用一系列直线加速器将负氢离子加速到80MeV，之后将负氢离子经剥离作用变成质子后注入到一台快循环同步加速器中，将质子束流加速到16亿电子伏特，速度相当于0.9倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击产生中子，射向样品，科学家通过围绕样品的谱仪“收集”被散射的中子，获得样品物质结构的信息
问题：带电粒子是如何加速获得很高的动能的？如何计算加速后带电粒子的动能？
1.带电粒子在电场中的加速
情境：真空中有一对平行金属板间距为l，两板电势差为U.质量为m、带正电荷q的粒子，在静电力作用下由静止开始运动.计算到达负极板的速度.
问题1：两板间是什么电场？带电粒子所受静电力有何特点？
问题2：金属板间的场强是多大？如何求带电粒子运动的加速度？
问题3：根据匀变速直线运动规律，粒子到达负极板的速度是多大？
问题4：静电力做功使得带电粒子动能增加。静电力做多少功？到达负极板的动能是多少？带电粒子恰好到达负极板的速度是多大？
问题5：若两板间是非匀强电场，但两板电压不变。带电粒子到达负极板速度是多大？
问题6：解决带电粒子做匀加速运动的思路有哪些？应用动能定理有什么优越性？
解法1：用匀变速直线运动规律求解
带电粒子合力是静电力，板间场强 E= eq \f(U,l)
根据牛顿第二定律，Eq=ma
a= eq \f(Uq,ml)
由速度位移公式，v2=2al
解得 v= eq \r(\f(2Uq,m))
解法2：动能定理
静电力做功等于粒子动能的增加量，
eq \f(1,2)mv2= Uq
解得v= eq \r(\f(2Uq,m))
设计意图：使用匀变速规律和能量两种思路求解，体会用动能定理求解的简便性和快捷。当是非匀强电场，运动学公式不能使用，动能定理依然可求解问题。
例题1 教材44页例题1
分析思路：由于静电屏蔽，带电粒子在圆筒内不受力，做匀速直线运动；在两个圆筒间做匀加速直线运动。在两个圆筒间隙运动增加的动能相同，均为Ue，进入第n个圆筒，加速次数为n，获得动能为nUe，求出进入第n个圆筒时的速度，根据匀速直线运动求出圆筒长度.
2.带电粒子在电场中的偏转
情境：两平行金属板接在电压为U 的电源正、负极上.板长为l，两板间距为d.电荷q、质量为m，以速度v0沿中间连线方向进入电场.
问题1：画出电荷受到的静电力方向。静电力变化吗？加速度变化吗？电荷做什么运动？
问题2：电荷受力方向和初速度方向有何关系？轨迹是直线还是曲线？
问题3：如何研究带电粒子在偏转电场中的运动？
问题4：粒子在电场中的运动时间是多少？
问题5：粒子离开电场时速度是多大？速度偏向角是多少？
问题6：粒子离开电场，沿电场方向偏移的距离y是多少？
带电粒子静电力不变，加速度不变，做匀变速曲线运动。沿初速度方向做匀速直线运动，在电场中的运动时间为
t= eq \f(l,v0)
沿电场方向，加速度为a= eq \f(Uq,dm)
偏转位移y= eq \f(1,2) at2= eq \f(1,2) eq \f(Uq,dm) ( eq \f(l,v0) )2
沿电场方向速度vy=at= eq \f(Ulq,dmv0)
离开电场时的速度v= eq \r(v02+vy2)
速度偏向角tanθ= eq \f(vy,v0)
【例题2】如图，电子以v0=2.4×107m/s速度进入平行金属板，偏转电压U=160V，板长l=4.0cm，间距d=1.0cm.在金属板右侧相距L=18cm处有一荧光屏.求：
(1)电子离开偏转电场时的偏距OP '；
(2)电子打在荧光屏上的偏距OP。
3.示波管的原理
甲 示波管的结构 乙 荧光屏(甲图中从右向左看)
介绍示波管结构：加速电极、两个偏转电极、荧光屏。
YY’方向加偏转电压，控制电子束打在YY’方向位置，电压越大，YY’方向偏转距离越大；XX’方向加偏转电压，控制电子束打在XX’方向位置，电压越大，沿XX’方向偏转距离越大。
思考与讨论：
问题1.XX'和YY'均不加电压，电子打在荧光屏上哪一个位置？
问题2：XX'不加电压，YY'分别加图示电压，荧光屏上显示什么形状？
问题3：YY'加正弦电压 XX'加锯齿形电压，画出荧光屏上的图形形状。
带电粒子在电场中的运动，是一个综合电场力、电势能的力学问题，研究的方法与质点动力学相同。研究时，主要可以按两条线索展开。(1)力和运动的关系——牛顿运动定律；（2）功和能的关系——动能定理。我们处理了带电粒子的加速，带电粒子的偏转问题。最后根据偏转问题处理方法讨论了示波管的原理。
作业：“练习与应用”第1、5、6题
第2、3、4写在教材上
§10.5 带电粒子在电场中的运动
一、带电粒子在电场中的加速
Uq= eq \f(1,2) mv2
二、带电粒子在电场中的偏转
沿极板方向：l=v0t
垂直极板：a= eq \f(Uq,md) vy=at 偏转距离 y=
速度：v= tanθ=
三、示波管的原理
带电粒子在电场中的运动是综合性非常强的知识点，对力和运动的关系以及能量的观点要求较高，是高考的热点之一，教学时要有一定的高度。学生对于带电粒子在电场中的运动的处理局限于记住偏转量和偏转角的公式，不能从力和运动的关系角度高层次的分析，要为授课注意的重点。该内容的教学，可引导学生先复习回顾平抛运动的处理方法，再进行新课内容教学。