帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)

1、 1.9帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)（人教版選修3-1）一、教學(xué)目標(biāo) 【知識與技能】1學(xué)習(xí)運(yùn)用靜電力、電場強(qiáng)度等概念研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度、速度和位移等物理量的變化。2學(xué)習(xí)運(yùn)用靜電力做功、電勢、電勢差等概念研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)能量的轉(zhuǎn)化。3.了解示波管的工作原理，體會(huì)靜電場知識對科學(xué)技術(shù)的影響?！具^程與方法】 經(jīng)歷理論探究過程，體驗(yàn)應(yīng)用類比學(xué)習(xí)的知識法和通過做功研究能量變化的方法?！厩楦袘B(tài)度與價(jià)值觀】 通過學(xué)習(xí)，樹立相互聯(lián)系、相互影響的看待事物的的觀點(diǎn)。了解電場規(guī)律在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。二、 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 【教學(xué)重點(diǎn)】:帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】: 綜合利用力學(xué)、電

2、學(xué)知識分析帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)問題。三、教學(xué)用具 電子流偏轉(zhuǎn)儀 示波器 四、教學(xué)過程 【新課引入】在前面學(xué)習(xí)靜電場性質(zhì)的基礎(chǔ)上，本節(jié)學(xué)習(xí)處理帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的問題。視頻電子流的運(yùn)動(dòng) 播放視頻，引入新課。（設(shè)計(jì)意圖：通過新奇的場景，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。）要實(shí)現(xiàn)電子的運(yùn)動(dòng)，首先要學(xué)會(huì)利用電場改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。其中最基本、最簡單的就是使帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)。 【板書】帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng) 【新課教學(xué)】 一、帶電粒子的加速要想讓電子“翩翩起舞”，先要讓它運(yùn)動(dòng)起來。在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)設(shè)備中，常常利用電場來改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。利用電場使帶電粒子加速，利

3、用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，就是兩種最簡單的情況。閱讀情境一，完成問題一?！厩榫场俊半娮又琛敝械碾娮右皠?dòng)”起來，是通過一個(gè)加速電場來完成的。兩極板間的電場是勻強(qiáng)電場，電壓為U，距離為d，一個(gè)電子電荷量為e，質(zhì)量為m，在真空中從靜止開始加速，從負(fù)極板向正極板運(yùn)動(dòng)，從正極板的小孔穿出。(不計(jì)電子的重力)【問題一】：電子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是什么？計(jì)算電子到達(dá)正極板時(shí)的速度大小？電子受到的電場力是恒力，做勻加速的直線運(yùn)動(dòng)。計(jì)算方法一：電子在電場中受電場力，由牛頓第二定律 得 由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式 可得 計(jì)算方法二：電場力對電子做功，由動(dòng)能定理 可得 【問題二】：若電子是從熾熱的金屬絲發(fā)射，在金屬絲和金屬板之間加電壓U，

4、發(fā)射后的電子在真空中從靜止開始加速，從右側(cè)金屬板的小孔穿出，計(jì)算電子獲得的速度？如何增大上述電子到達(dá)正極板的速度？ 提出問題：（1）請同學(xué)們特別注意，這兩個(gè)電場相同嗎？ 第一個(gè)問題是勻強(qiáng)電場，電場力是恒力；第二個(gè)問題是非勻強(qiáng)電場，電子受的力是變力。問題一中，兩塊金屬板是平行的，兩板板的電場是勻強(qiáng)電場。問題二中兩板板是不是平行板板，中間的電場也不再均勻，上面的結(jié)果是否仍然適用？為什么？（2）用什么方法來解決？動(dòng)力學(xué)的方法不能用了，動(dòng)能定理仍然可以。計(jì)算方法與問題一中方法二相同： 可得 通過求解的結(jié)果可知，增大加速電壓U就可增大電子的速度。粒子加速后的速度與加速電壓有關(guān)此式也適用于不是勻強(qiáng)電場的情

5、況二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)【情境】：“電子之舞”中的電子要“跳”起來，是通過一個(gè)偏轉(zhuǎn)電場實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。電子經(jīng)加速電場加速后，以一定速度v0垂直于電場方向射入勻強(qiáng)電場中，兩極板長度為l ，極板距離為d，電壓為U（電子電荷量為e，質(zhì)量為m，不計(jì)重力）設(shè)置物理情境，引入研究的問題。【問題】：計(jì)算電子飛出電場時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度.【思考討論】：（1）進(jìn)入勻強(qiáng)電場后電子做什么運(yùn)動(dòng)？（2）這種運(yùn)動(dòng)與那種運(yùn)動(dòng)相似？嘗試畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。（3）你能否通過類比得到這種運(yùn)動(dòng)的研究方法？電子做曲線運(yùn)動(dòng)，與平拋運(yùn)動(dòng)相似，軌跡向電場力的方向彎曲。電子在電場中偏轉(zhuǎn)的照片 介紹并總結(jié)：把電子的運(yùn)動(dòng)分成平行于

6、板面方向的分運(yùn)動(dòng)，和沿垂直于板面方向的分運(yùn)動(dòng)。平行于板面方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，位移大小等于 l。垂直于板面方向，受電場力，做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小由電場力提供。用這種研究方法完成物理情境中的問題。解：電子在電場中受電場力，由牛頓第二定律得 在豎直方向上 在水平方向上 由以上三式可得 電子在豎直方向上的速度 由幾何關(guān)系 【思考討論】：（1）怎樣改變電子偏移的距離？ 可以改變U、d、l、v0（2）以上探討的是電子在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的問題，怎樣讓電子在水平方向偏轉(zhuǎn)？豎直放置兩塊金屬板，加偏轉(zhuǎn)電壓。前面兩種控制電子運(yùn)動(dòng)的方法組合在一起，就是示波管的工作原理。三、示波管的原理有一

7、種電子儀器叫示波器，可以用來觀察電信號隨時(shí)間變化的情況。示波器的核心部件是示波管，它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空。電子槍的作用是產(chǎn)生高速飛行的一束電子。前面問題二實(shí)際上就是電子槍的原理。這是一種常見的示波器，可用來觀察電信號隨時(shí)間的變化情況 【介紹示波管的構(gòu)造】 由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏組成。思考討論以下問題：（1）如果在偏轉(zhuǎn)電極XX 、上不加電壓，電子如何運(yùn)動(dòng)？ （2）只在偏轉(zhuǎn)電極 YY上加電壓，電子如何運(yùn)動(dòng)？（3）只在偏轉(zhuǎn)電極 XX上加電壓，電子如何運(yùn)動(dòng)？在學(xué)案的圖上大體標(biāo)注一下三個(gè)位置。配合演示三種情況中電子的運(yùn)動(dòng)。用動(dòng)畫演示，注意觀察。（演示固定電壓、變化電壓并總結(jié)。

8、）中學(xué)使用的示波器除了可以演示這三種情況外，還可以演示更復(fù)雜的情況。一般情況YY加待顯示的信號電壓。當(dāng)然了，要想呈現(xiàn)錄像中那種絢麗效果的話，光憑這樣的示波器是無法實(shí)現(xiàn)的，必須對電子進(jìn)行更加復(fù)雜的控制才行。下一節(jié)課我們會(huì)繼教深入研究。 【反思】：1、研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的兩條主要線索帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)綜合電場力、電勢能的力學(xué)問題，研究的方法與質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)相同，它同樣遵循運(yùn)動(dòng)的合成與分解、力的獨(dú)立作用原理、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、功能原理等力學(xué)規(guī)律研究時(shí)，主要可以按以下兩條線索展開.（1）力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系牛頓第二定律根據(jù)帶電粒子受到的電場力，用牛頓第二定律找出加速度,結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定

9、帶電粒子的速度、位移等這條線索通常適用于恒力作用下做勻變速運(yùn)動(dòng)的情況。（2）功和能的關(guān)系動(dòng)能定理根據(jù)電場力對帶電粒子所做的功，引起帶電粒子的能量發(fā)生變化，利用動(dòng)能定理或從全過程中能量的轉(zhuǎn)化，研究帶電粒子的速度變化，經(jīng)歷的位移等這條線索同樣也適用于不均勻的電場。2、研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的兩類重要的思維技巧（1）類比與等效電場力和重力都是恒力，在電場力作用下的運(yùn)動(dòng)可與重力作用下的運(yùn)動(dòng)類比例如，垂直射入平行板電場中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可類比于平拋，帶電單擺在豎直方向勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)可等效于重力場強(qiáng)度g值的變化等（2）整體法(全過程法)電荷間的相互作用是成對出現(xiàn)的，把電荷系統(tǒng)的整體作為研究對象，就可以不必考慮其間的相互作用電場力的功與重力的功一樣，都只與始末位置有關(guān)，與路徑無關(guān)它們分別引起電荷電勢能的變化和重力勢能的變化，從電荷運(yùn)動(dòng)的全過程中功能關(guān)系出發(fā)(尤其從靜止出發(fā)末速度為零的問題)往往能迅速找到解題入口或簡化計(jì)算