高中物理-帶電粒子在電場中的運動教學設計學情分析教材分析課后反思

教學目標

知識與技能：

（1）理解帶電粒子在電場中的加速和偏轉的有關規(guī)律，并能分析和解決加速偏轉的問題。

（2）培養(yǎng)學生綜合運用力學、電學的知識分析解決帶電粒子在電場中的運動。

過程與方法：

（1）通過對實驗現象的觀察，逐漸探究事物的本質，培養(yǎng)學生邏輯推理能力。

（2）學會運用類比法，由已知規(guī)律推導新規(guī)律，讓學生體會到問題間的內在聯系。

情感態(tài)度價值觀：

（1）了解帶電粒子在電場中運動在技術上的應用，體會物理與科技、生活的聯系,激發(fā)學生的學習興趣。

（2）嚴密的演繹推理，感悟理論研究須具備嚴謹的科學態(tài)度和科學精神。教學重點：

帶電粒子在電場中的加速和偏轉運動的有關規(guī)律

教學難點：

1、如何幫助學生在頭腦中建立電場對帶電粒子的加速、偏轉微觀過程的模型。

2、帶電粒子在電場中的偏轉問題，通過對比平拋規(guī)律歸納用力學規(guī)律處理帶電粒子在電場中運動的方法。學情分析

教學主體是普通高二年紀的學生，已經掌握了運動學和功能關系的知識以及簡單的靜電學的知識，

學生具有一定的分析推理能力，但是由于力學和電學的綜合程度已有提高，這對于學生的學習還是有一定的困難。

高中二年級學生處于高中學習的關鍵時期，理論和科技方面的知識都需要加強，而本節(jié)教學則恰是理論聯系現代科學實驗和技術設備的知識，對學生而言通過本節(jié)課的學習將是質的提升，也基于物理學習的宗旨，為往后的電磁學的學習打下（作為類比學習）基礎。教材分析《帶電粒子在在電場中的運動》是《普通高中物理課程標準》選修模塊3—1中第一章“靜電場”中的內容，其基本內容是要求“處理帶電粒子在電場中運動的問題”主要培養(yǎng)學生綜合應用力學知識和電學知識的能力。

本節(jié)課的教學內容選自人民教育出版普通高中課程標準教科書《物理》選修3—1第1章第9節(jié)。教材內容由“帶電粒子的加速”“帶電粒子的偏轉”“示波管原理”三部分組成，教學內容的梯度十分明顯，安排符合學生的認知規(guī)律，教材首先介紹了帶電粒子在電場中靜電力的作用會發(fā)生不同程度的偏轉，緊接著通過例題的形式來研究帶電粒子的加速和偏轉問題，這樣我們出現進行問題的處理，清晰明了，一步一步地進行分析求解，可以防止公式過多的出現，避免學生死記硬背的現象出現，讓學生從問題的本質出發(fā)，將復雜的問題簡單化。

示波管的原理部分不僅對力學、電學知識的綜合能力有較高的要求，而且要有一定的空間想象能力，因此教科書在“思考與討論”欄目中設置了四個問題，層次分明、循序漸進，給學生足夠的時間與空間的配置，對此部分內容的學習減輕了負擔。

1、研究帶電粒子在電場中運動的兩條主要線索帶電粒子在電場中的運動，是一個綜合電場力、電勢能的力學問題，研究的方法與質點動力學相同，它同樣遵循運動的合成與分解、力的獨立作用原理、牛頓運動定律、動能定理、功能原理等力學規(guī)律．研究時，主要可以按以下兩條線索展開．（1）力和運動的關系——牛頓第二定律根據帶電粒子受到的電場力，用牛頓第二定律找出加速度，結合運動學公式確定帶電粒子的速度、位移等．這條線索通常適用于恒力作用下做勻變速運動的情況．（2）功和能的關系——動能定理根據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，利用動能定理或從全過程中能量的轉化，研究帶電粒子的速度變化，經歷的位移等．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動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動可與重力作用下的運動類比．例如，垂直射入平行板電場中的帶電粒子的運動可類比于平拋，帶電單擺在豎直方向勻強電場中的運動可等效于重力場強度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，與路徑無關．它們分別引起電荷電勢能的變化和重力勢能的變化，從電荷運動的全過程中功能關系出發(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算．《帶電粒子在電場中的運動》教學設計金鄉(xiāng)一中一、課程目標（一）知識與技能

1．理解并掌握帶電粒子在電場中加速和偏轉的運動規(guī)律；

2．能用牛頓運動定律和動能定理分析帶電粒子在電場中加速；能用運動分解的方法處理帶電粒子在電場中的偏轉問題。（二）過程與方法

1．體驗從最簡單的物理模型入手探究應用原理的方法；

2．從力和運動的規(guī)律出發(fā)，分析如何利用電場使帶電粒子加速；

3．分析如何利用電場使帶電粒子速度方向改變而發(fā)生偏轉，并親歷推導過程；

4．體驗“類平拋”運動，強化運用運動分解來處理曲線運動的方法。（三）情感、態(tài)度與價值觀

1．感受利用電場控制帶電粒子運動的絕妙之處。

2．進一步養(yǎng)成科學思維的習慣。3.感受嚴謹的態(tài)度帶來的成功喜悅。二、教學方法：啟發(fā)式教學三、重點分析：1.分析帶電粒子沿場強方向做勻加速直線運動的規(guī)律，并用不同方法處理此類問題；2.分析帶電粒子在電場中偏轉時的運動規(guī)律，能用運動分解的方法處理曲線運動。四、難點分析：綜合運用靜電力、電場力做功等概念研究帶電粒子在電場中運動時速度、加速度、位移等物理量的改變及能量的轉化，尤其是帶電粒子在電場中偏轉時的偏轉距離、偏轉角的計算。五、教學策略：為了幫助學生順利地探索和研究，將本節(jié)課用到的已學知識整理成“資料庫”，供學生參考和查找相關內容，避免遺忘的知識成為學習的障礙。六、教學過程：（一）、引入展示圖片：電子直線加速器和示波器及示波管這兩個在科學研究中不可缺少的儀器，其原理都是利用電場來控制帶電粒子（電子）的運動，本節(jié)課我們要研究的就是利用電場控制帶電粒子運動的兩種基本方法：改變粒子運動速度的大小和改變粒子運動的方向。

（二）、新課教學1、關于電場：（1）電場對處在其中的帶電粒子有力的作用F=qE，可以改變粒子的運動狀態(tài)；帶電粒子在電場中運動時，電場力會對帶點粒子做功W=qU，從而改變粒子的能量。（2）兩個正對的帶電平行金屬板中存在勻強電場，場強方向由正極板指向負極板。（圖示）2、關于帶電粒子：我們研究的帶電粒子分為兩類：（1）微觀帶電粒子如電子、質子、離子、α粒子等，所受的重力一般可以忽略，有說明或明確暗示除外。（老師給出實例：粒子的重力遠小于電場力）（2）帶電液滴、帶電小球等除有說明或明確暗示外，處理問題時均應考慮重力。（老師給出實例：粒子的重力不遠小于甚至大于電場力）3、帶電粒子的加速【提出問題1】如何利用電場使帶電粒子只被加速而不改變運動方向？【學生活動1】（1）結合相關知識提出設計方案并互相討論其可行性。（2）學生介紹自己的設計方案。（3）師生互動歸納：方案1、方案2、方案3……分析典型方案：如圖【提出問題2】如何控制加速的末速度？（提示）設粒子的質量為m，兩極板間的距離為d，計算粒子的末速度跟哪些物理量有關【學生活動2】（1）計算粒子加速后的末速度（2）學生展示計算過程（3）師生互動歸納：不同的計算方法，得到的結果相同并得出結論：只需控制兩極板的電壓，就能很方便地控制粒子的末速度。（介紹多級加速）（說明）動能定理處理此類問題有優(yōu)越性，原因是電場力做功與路徑無關，適用于包括勻強電場在內的任何電場。【例題1】如圖，金屬絲經電源E加熱后可發(fā)射電子。在金屬絲和金屬板間加以電壓U=180V，發(fā)射出的電子在真空中加速后，從金屬板的小孔穿出。電子穿出時的速度有多大？設電子剛剛離開金屬絲時的速度為0。(電子的質量kg，電子的電荷量C)【學生活動3】獨立計算并得出結果解：電荷量為的電子從金屬絲移動到金屬板，兩處的電勢差為U，電場力做功W=。由動能定理得解出速度并把數值代入，得=m/s4、帶電粒子的偏轉要使帶電粒子進入電場后運動方向發(fā)生變化，應該讓帶電粒子的速度方向與電場的方向不在一條直線上。本節(jié)課我們研究帶電粒子垂直電場方向進入勻強電場的情況。（設置情景）如圖所示，兩個相同極板的長度為l，相距為d，極板間的電壓為U。一個電子沿平行于板面的方向射入電場中，射入時的速度v0。把兩板間的電場看做勻強電場，分析電子在電場中的運動情況．【提出問題1】（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，用什么方法處理這種運動呢?（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1】討論并回答上述問題：粒子只受到與運動方向垂直的靜電力作用，且靜電力恒定，故粒子在電場中的運動與平拋物體的運動類似，屬于勻變速曲線運動。處理這種運動的方法是：運動的分解。粒子在運動方向上不受力的作用，做勻速直線運動；在垂直運動方向上受恒定的靜電力作用，做初速度為0的勻加速運動，加速度由靜電力提供。【提出問題2】帶電粒子在什么位置射出電場？（提示）帶電粒子出電場的位置可用垂直于板面方向偏移的距離y表示。帶電粒子在電場中運動的時間帶電粒子在電場中運動的時間t粒子運動的加速度a粒子射出電場時的偏轉距離y【學生活動2】電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場不隨時間改變，而且是勻強電場，所以整個運動中在垂直于板面的方向上加速度是不變的。加速度是電子射出電場時，在垂直于板面方向偏移的距離為其中為飛行時間。由于電子在平行于板面的方向不受力，所以在這個方向做勻速運動，由可求得將和代入的表達式中，得到【提出問題3】粒子在出電場時速度方向改變了多少？（提示）速度方向的改變可以用出電場時速度方向與進電場時速度方向的夾角θ來表示，稱之為速度的偏轉角。將出電場時的速度正交分解將出電場時的速度正交分解粒子在離開電場時垂直板面方向的分速度v⊥粒子在離開電場時的偏轉角度θ【學生活動3】由于電子在平行于板面的方向不受力，它離開電場時，這個方向的分速度仍是，而垂直于板面的分速度是離開電場時的偏轉角度可由下式確定（提示）由以上分析，很容易求出粒子離開電場時速度的大小?！旧钊敕治觥坑闪Ｗ与x開電場時偏轉角度的表達式可以知道：若偏轉電場確定，粒子偏轉角度的大小與粒子本身特征（粒子的電荷量和質量）和粒子進入電場時的速度大小有關。5、問題與練習氫和氘是同位素，氘核的質量是氫核質量的2倍，而它們的電荷量相同。（1）兩個粒子通過相同電場，由靜止開始加速，它們獲得的動能之比是Ek氫∶Ek氘=（2）兩個粒子通過同一對平行板形成的電場，進入時速度方向與板面平行，若它們的初速度相同，離開時粒子偏轉角的正切之比tanθ(氫)∶tanθ（氘）=；若它們的初動能相同，離開時粒子垂直板面方向的偏轉距離之比y氫∶y氘=。解答：（1）由動能定理可知Ek氫∶Ek氘=1∶1（2）出電場時垂直板面的分速度，偏轉角的正切，所以tanθ(氫)∶tanθ（氘）=2∶1由得，可知y氫∶y氘=1∶16、小結研究帶電粒子在電場中運動的兩種途徑（1）力和運動的關系——牛頓第二定律根據帶電粒子受到的電場力及初速度情況，用牛頓第二定律找出加速度，結合運動學公式確定帶電粒子的速度、位移等．這條途徑通常適用于勻強電場中粒子做勻變速運動的情況．（2）功和能的關系——動能定理電場力對帶電粒子做功，引起帶電粒子的能量發(fā)生變化.利用功能關系研究帶電粒子的速度變化、通過的位移、能量的變化等．這條途徑也適用于非勻強電場．《帶電粒子在電場中的運動》評測練習1.如圖所示，A處有一個靜止不動的帶電體Q，若在c處有初速度為零的質子和α粒子，在電場力作用下由c點向d點運動，已知質子到達d時速度為v1，α粒子到達d時速度為v2，那么v1、v2等于：（）A.:1 B.2∶1 C.2∶1 D.1∶22.如圖所示，一電子沿等量異種電荷的中垂線由A→O→B勻速運動，電子重力不計，則電子除受電場力外，所受的另一個力的大小和方向變化情況是：（）A．先變大后變小，方向水平向左B．先變大后變小，方向水平向右C．先變小后變大，方向水平向左D．先變小后變大，方向水平向右3.讓、、的混合物沿著與電場垂直的方向進入同一有界勻強電場偏轉，要使它們的偏轉角相同，則這些粒子必須具有相同的()A.初速度B.初動能C.質量D.荷質比4.如圖所示，有三個質量相等，分別帶正電，負電和不帶電的小球，從上、下帶電平行金屬板間的P點.以相同速率垂直電場方向射入電場，它們分別落到A、B、C三點，則

()A、A帶正電、B不帶電、C帶負電B、三小球在電場中運動時間相等C、在電場中加速度的關系是aC>aB>aAD、到達正極板時動能關系EA>EB>EC5．如圖所示，實線為不知方向的三條電場線，從電場中M點以相同速度垂直于電場線方向飛出a、b兩個帶電粒子，運動軌跡如圖中虛線所示，不計粒子重力及粒子之間的庫侖力，則（）A．a一定帶正電，b一定帶負電B．a的速度將減小，b的速度將增加C．a的加速度將減小，b的加速度將增加D．兩個粒子的動能，一個增加一個減小6．空間某區(qū)域內存在著電場，電場線在豎直平面上的分布如圖所示，一個質量為m、電荷量為q的小球在該電場中運動，小球經過A點時的速度大小為v1，方向水平向右，運動至B點時的速度大小為v2，運動方向與水平方向之間的夾角為，A、B兩點之間的高度差與水平距離均為H，則以下判斷中正確的是（） A．若v2>v1，則電場力一定做正功 B．A、B兩點間的電勢差 C．小球運動到B點時所受重力的瞬時功率 D．小球由A點運動到B點，電場力做的功7.如圖所示的真空管中，質量為m，電量為e的電子從燈絲Ｆ發(fā)出，經過電壓Ｕ１加速后沿中心線射入相距為d的兩平行金屬板Ｂ、Ｃ間的勻強電場中，通過電場后打到熒光屏上，設Ｂ、Ｃ間電壓為Ｕ２，Ｂ、Ｃ板長為L1,平行金屬板右端到熒光屏的距離為L２,求：（1）電子離開勻強電場時的速度與進入時速度間的夾角．（2）電子打到熒光屏上的位置偏離屏中心距離．8.在真空中存在空間范圍足夠大的、水平向右的勻強電場．若將一個質量為m、帶正電電量q的小球在此電場中由靜止釋放，小球將沿與豎直方向夾角為的直線運動?，F將該小球從電場中某點以初速度豎直向上拋出，求運動過程中（?。?）小球受到的電場力的大小及方向；（2）小球運動的拋出點至最高點之間的電勢差U．帶電粒子在電場中的運動答案1.A2.B3.B4.AC5.C6.D7.解析:電子在真空管中的運動過分為三段，從Ｆ發(fā)出在電壓Ｕ１作用下的加速運動；進入平行金屬板Ｂ、Ｃ間的勻強電場中做類平拋運動；飛離勻強電場到熒光屏間的勻速直線運動．⑴設電子經電壓Ｕ１加速后的速度為v1，根據動能定理有：電子進入Ｂ、Ｃ間的勻強電場中，在水平方向以v1的速度做勻速直線運動，豎直方向受電場力的作用做初速度為零的加速運動，其加速度為：電子通過勻強電場的時間電子離開勻強電場時豎直方向的速度vy為：電子離開電場時速度v2與進入電場時的速度v1夾角為α（如圖５）則∴⑵電子通過勻強電場時偏離中心線的位移圖５圖５電子離開電場后，做勻速直線運動射到熒光屏上，豎直方向的位移∴電子打到熒光屏上時，偏離中心線的距離為8.解析：（1）根據題設條件，電場力大小 ①電場力的方向向右（2）小球沿豎直方向做初速為的勻減速運動，到最高點的時間為，則： ②沿水平方向做初速度為0的勻加速運動，加速度為 ③此過程小球沿電場方向位移為： ④小球上升到最高點的過程中，電場力做功為： ⑤效果分析一、提出先行組織者，逐步分化，綜合貫通從3個方面執(zhí)行知識的先行組織：1、通過示波管輝光和示波器正弦波型演示，激發(fā)學生強烈興趣，然后在大屏幕投影出學習目標，形成學習動機。2、復習相關已有知識，如自由落體運動規(guī)律、電場知識。3、在知識的組織結構功能方面，表現出形式圖式的性質和特征：設計理解示波管工作原理的表格，目標任務一目了然。

二、知識建構

通過復習舊知識，構建新知識，著眼于學生的最近發(fā)展區(qū)，為學生提供帶有難度的內容，調動學生的積極性，發(fā)揮其潛能，超越其最近發(fā)展區(qū)而達到其困難發(fā)展區(qū)的水平，然后在此基礎上進行下一個發(fā)展區(qū)的發(fā)展。

三、支架式教學

采用“剝殼”方式，將示波管原理的難度層層分解，使學生從最低一級“支架”逐漸往上“爬”，“爬”不上去還可以從目標表格退回學習，理解后繼續(xù)前進，讓學生一步步取得成功。

四、探究式學習

1、讓學生自己根據已有知識推導出帶電粒子在勻強電場中的加速和偏轉規(guī)律，獲得合理知識結構。

2、設計表格，讓學生自己探究出示波管的工作原理。

3、學生分組探究，培養(yǎng)學生的協(xié)作、溝通、表達能力和團隊精神。觀課記錄一、本節(jié)課做的比較好的方面：1、講練結合：學生是課堂的主體，在每一道例題后面都有一道變式訓練題，讓學生在理解之后能自行動筆進行訓練，鞏固所學知識，加深理解及練習中及時的發(fā)現問題。2、設計了當堂檢測:針對所教班級的實際情況，在新課教學的過程中設計了當堂檢測，彌補學生知識準備不足的缺憾，從最基本點入手，嚴格低起點、小步調，這樣既是對舊知識的復習鞏固，又可消除學生學習新知識的“恐懼”，教學效果會更好。3、內容全面，重難點突出4、師生互動良好5、板書工整二、看完這節(jié)課，受益匪淺，感覺能夠從以下幾個方面加以改進：1、教學設計：這節(jié)課的教學設計注意了知識的廣度，主要是帶電粒子在電場中的曲線運動的常見情形和基本解題方法的講解，而知識點間的聯系不夠，有沒有一種更好的學生更容易接受的模式呢?我覺得本節(jié)課可以只講授帶點粒子在勻強電場中的偏轉及其應用，通過展示學生的完成情況，發(fā)現問題所在，針對所出現問題進行重