2019-2020年高中物理 第一章 静电场 第九节 带电粒子在电场中的运动第一课时示范教案 新人教版选修3-1.doc
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2019-2020年高中物理 第一章 静电场 第九节 带电粒子在电场中的运动第一课时示范教案 新人教版选修3-1 教学分析在前面学习的静电场的基本性质的基础上,本节学习处理带电粒子在电场中运动的问题。本节内容主要培养学生综合应用力学知识和电学知识的能力。本节内容由“带电粒子的加速”“带电粒子的偏转”“示波管的原理”三部分组成。教学内容的梯度十分明显,这样的安排也符合学生的认知规律。教科书是通过例题的形式来研究带电粒子的加速和偏转问题的,这样既防止处理问题公式化,又加强了学生研究问题时的物理意识。示波管原理部分是对力学、电学知识的综合应用的提高,要求学生有一定的空间想象能力,为此教课书采取了层层递进的方式进行讲解,教学中也要循序渐进,给学生足够的思考空间。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。教学重点难点带电微粒在电场中运动是电场知识和力学知识的结合,分析方法和力学的分析方法是基本相同的:先受力分析,再分析运动过程,选择恰当的物理规律解题。处理问题所需的知识都在电场和力学中学习过了,关键是怎样把学过的知识有机地组织起来,这就需要有较强的分析与综合的能力。为有效突破难点,学习中应重视以下几方面:1在分析物体受力时,是否考虑重力要依据具体情况而定。(1)基本粒子:如电子、质子、粒子、离子等,一般都忽略不计。(2)带电颗粒:如尘埃、液滴、小球等,除有说明或有明确的暗示以外一般都不能忽略。2加强力学知识与规律公式的基础教学,循序渐进地过渡到带电粒子在电场中的运动,注意揭示相关知识的区别和联系。3注重带电粒子在电场中运动的过程分析与运动性质分析(平衡、加速或减速、轨迹是直线还是曲线),注意从力学思路和能量思路考虑问题,且两条思路并重;同时选择好解决问题的物理知识和规律。教学方法与手段本节属于派生性的知识,采用合作探究式的教学方法,以教师为主导,学生为主体,思维训练为主线。通过实验演示创设物理情景,激发学生学习兴趣;通过微机模拟电子运动,使微观粒子运动的过程宏观化;通过恰当的问题设置和类比方法的应用,点拨了学生分析问题的方法思路;引导学生进行分析、讨论、归纳、总结,使学生动口、动脑、动手,亲身参与获取知识,提高学生的综合素质。另外,应用计算机、多媒体课件、示波器、大屏幕投影等现代化手段,既节约了时间,又提高了效率。教学媒体多媒体课件示波器知识准备牛顿第二定律、动能定理、平抛运动规律导入新课 事件1教学任务:创设情景,导入新课师生活动:图片导入:示波器、电视机、粒子直线加速器、丁肇中获诺贝尔奖照片带电粒子在电场中受到电场力的作用会产生加速度,使其原有速度发生变化。在现代科学实验和技术设备中,常常利用电场来控制或改变带电粒子的运动。美籍华人丁肇中领导的MIT小组用直线加速器、正负电子对撞机主要设备发现了J粒子,因此获得了1976诺贝尔物理奖。具体应用有哪些呢?本节课我们来研究这个问题,以匀强电场为例。这是一节典型力学搭台,电学唱戏的应用课。事件2教学任务:知识回顾,为本节课做好知识的铺垫师生活动:引导学生复习回顾相关知识点(投影思考题)(1)牛顿第二定律的内容是什么?(2)动能定理的表达式是什么?(3)平抛运动的相关知识点。(4)静电力做功的计算方法学生结合自己的实际情况回顾复习,师生互动强化(1)aF合/m(注意是F合)(2)W合EkEk2Ek1(注意是合力做的功)(3)平抛运动的相关知识(4)WFscos(恒力匀强电场)WqU(任何电场)设计思想:引导学生回顾以前学习过的知识和方法,为本节的重点、难点(分解思路)做好铺垫。特别应强调的是曲线运动分解成直线运动思想。推进新课事件3教学任务:带电粒子的加速师生活动:提出问题:要使带电粒子在电场中只被加速而不改变运动方向该怎么办?(相关知识链接:合外力与初速度在一条直线上,改变速度的大小;合外力与初速度成90,仅改变速度的方向;合外力与初速度成一定角度,既改变速度的大小又改变速度的方向)学生探究活动:结合相关知识提出设计方案并互相讨论其可行性。学生介绍自己的设计方案。师生互动归纳:(教师要对学生进行激励评价)方案1:v00,仅受电场力就会做加速运动,可达到目的。方案2:v00,仅受电场力,电场力的方向应同v0同向才能达到加速的目的。加速示意图。学生结合图示动手推导,当v00时,带电粒子到达另一板的速度大小。(教师抽查学生的结果展示、激励评价)教师点拨拓展:方法一:先求出带电粒子的加速度:a再根据vv2ad可求得当带电粒子从静止开始被加速时获得的速度为:vt。方法二:由WqU及动能定理:WEkmv20得:qUmv2到达另一板时的速度为:v。深入探究:(1)结合牛顿第二定律及动能定理中做功条件(WFscos恒力WUq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qUmv2mv所以v(v00时,v)方法渗透:理解运动规律,学会求解方法,不去死记结论。事件4教学任务:带电粒子的偏转师生活动:过渡:如果带电粒子在电场中的加速度方向不在同一条直线上,带电粒子的运动情况又如何呢?下面我们通过一种较特殊的情况来研究。教师投影:如图所示,电子以初速度v0垂直于电场线射入匀强电场中(不计重力)。问题讨论:(1)分析带电粒子的受力情况。(2)你认为这种情况同哪种运动类似?这种运动的研究方法是什么?(3)你能类比得到带电粒子在电场中运动的研究方法吗?学生讨论并回答上述问题,得出结论:(1)带电粒子以初速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场时,受到恒定的与初速度方向成90角的作用而做匀变速曲线运动,类似于力学中的平抛运动,平抛运动的研究方法是运动的合成和分解。(2)带电粒子垂直进入电场中的运动也可采用运动的合成和分解的方法进行。深入探究:如下图所示,设电荷带电荷量为q,平行板长为L,两板间距为d,电势差为U,初速为v0。试求:(1)带电粒子在电场中运动的时间t。(2)粒子受力情况分析。(3)粒子运动的加速度。(4)粒子在射出电场时竖直方向上的偏转距离。(5)粒子在离开电场时竖直方向的分速度。(6)粒子在离开电场时的速度大小。(7)粒子在离开电场时的偏转角度。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加速度aqU/md竖直方向的偏转距离:yat2()2U粒子离开电场时竖直方向的速度为v1at速度为:v粒子离开电场时的偏转角度为:tanUarctanU。课堂巩固事件5教学任务:通过例题巩固带电粒子偏转问题2已知板长度l6.0 cm,相距d2 cm,板间电压U200 V,电子q1.61019 C,射入速度v03.0107 m/s。求出电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度。学生代入数据可以得出结果:y0.36 cm,6.8拓展:若带电粒子先经过电势差为U1的电场加速后再通过偏转电场,那么上面的结果又如何呢?(不计初速度,求y、)学生探究活动:动手推导、互动检查。教师抽查学生推导结果并展示:结论:yarctan与q、m无关。事件6教学任务:示波管的原理师生活动: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。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的过程就是例题1讨论的情景,电子经过偏转电场的过程就是例题2讨论的情景,只是这里有两组偏转电极。思考与讨论:1如果在电极XX之间不加电压,但在YY之间加不变的电压,使Y的电势比Y高(有时说这种情况是“Y正,Y负”),电子束运动过程中受哪个方向的力?电子将打在荧光屏的什么位置?试着在图丙中标出来。如果在YY之间不加电压,而在XX之间加不变的电压(X正,X负),电子将打在荧光屏的什么位置?试着在图丙中标出来。2如果在电极XX之间不加电压,而在电极YY之间所加的电压按如图乙所示的规律随时间变化,在荧光屏上会看到什么图形?试着画出来。 图甲YY之间的电压 图乙XX之间的电压3如果YY之间的电压仍然如图甲所示,而在电极XX之间加不变的电压(X正,X负)。在荧光屏上会看到什么图形?若XX之间的电压是“X负,X正”呢?试着画出来。图丙通过学生讨论完成思考讨论问题1,确定亮斑在屏幕中的哪个象限,再通过示波器给同学们演示验证结论,肯定同学们取得的成绩。注意:循序渐进在讨论完1后,并不能马上做出2,这里需要同学讨论画出尽可能多的点,依次画出O、A、B、C、t1、E、D、F、t2时刻点的位置。再依次画出沿X方向移动一定距离的O、A、B、C、t1、E、D、F、t2时刻点的位置,解决了问题3。4如果YY之间的电压仍然如图甲所示,而在电极XX之间所加的电压按图乙所示的规律变化。在荧光屏上会看到什么图形?建议按以下步骤画图。(1)在白纸上按图丙的样子画出荧光屏的放大图;(2)在图上分别标出O、A、B、C、t1、D、E、F、t2几个时刻光点在荧光屏上的位置;(3)根据以上光点的位置,画出荧光屏上的图形。思考讨论4这是最难的一个问题,让学生按照要求画出九个点的位置,再过这些点描出光滑的曲线即可,最后演示肯定同学们的成绩。事件7教学任务:课堂小结,引导学生完成本节讲解的重点系统知识,布置作业。这一节是电场综合课,对学生的能力要求很高,需要不断地加强练习才能掌握这一节的知识,在课下应该深入拓展以达到高考的要求。1深入研究先经电场加速,然后再进入偏转电场后的偏转位移,偏转角度。2完成课后习题中3、4、5。9带电粒子在电场中的运动一、带电粒子的加速二、带电粒子的偏转类平抛运动三、示波管的原理教学设计(二) 教学目标(一)知识与技能1了解带电粒子在电场中的运动只受电场力,带电粒子做匀变速运动。2重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动(类平抛运动)。3知道示波管的主要构造和工作原理。(二)过程与方法培养学生综合运用力学和电学的知识分析解决带电粒子在电场中的运动。(三)情感态度与价值观1渗透物理学方法的教育:运用理想化方法,突出主要因素,忽略次要因素,不计粒子重力。2培养学生综合分析问题的能力,体会物理知识的实际应用。教学重点难点带电粒子在电场中的加速和偏转规律,带电粒子在电场中的偏转问题及应用。教学过程 (一)复习力学及本章前面相关知识要点:动能定理、平抛运动规律、牛顿定律、场强等。(二)新课教学1带电粒子在电场中的运动情况(平衡、加速和减速)(1)若带电粒子在电场中所受合力为零时,即F0时,粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态。例:带电粒子在电场中处于静止状态,该粒子带正电还是负电?分析:带电粒子处于静止状态,F0,qEmg,因为所受重力竖直向下,所以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下,所以带电体带负电。(2)若F0(只受电场力)且与初速度方向在同一直线上,带电粒子将做加速或减速直线运动。(变速直线运动)打入正电荷(如图),将做匀加速直线运动。设电荷所带的电荷量为q,板间场强为E电势差为U,板距为d,电荷到达另一极板的速度为v,则电场力所做的功为:WqUqEL粒子到达另一极板的动能为:Ekmv2由动能定理有:qUmv2(或qELmv2对恒力)若初速为v0,则上面各式又应怎么样?让学生讨论并列出。若打入的是负电荷(初速为v0),将做匀减速直线运动,其运动情况可能如何?请学生讨论,并得出结论。请学生思考和讨论课本P33问题分析讲解例题1。(详见课本P33)【思考与讨论】若带电粒子在电场中所受合力F0,且与初速度方向有夹角(不等于0,180),则带电粒子将做什么运动?(曲线运动)引出2带电粒子在电场中的偏转(不计重力,且初速度v0E,则带电粒子将在电场中做类平抛运动)复习:物体在只受重力的作用下,被水平抛出,在水平方向上不受力,将做匀速直线运动,在竖直方向上只受重力,做初速度为零的自由落体运动。物体的实际运动为这两种运动的合运动。详细分析讲解例题2。解:电子以速度v0在电场中做类平抛运动沿电场方向匀速运动,所以有:Lv0t电子射出电场时,在垂直于电场方向偏移的距离为:yat2粒子在垂直于电场方向的加速度:a由得:y()2代入数据得:y0.36 m即电子射出时沿垂直于板面方向偏离0.36 m电子射出电场时沿电场方向的速度不变仍为v0,而垂直于电场方向的速度:vat故电子离开电场时的偏转角为:tan代入数据得:6.8。【讨论】若这里的粒子不是电子,而是一般的带电粒子,则需考虑重力,上面各式又需怎样列?指导学生列出。3示波管的原理(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。(2)示波管的构造:由电子枪、偏转电极和荧光屏组成(如图)。(3)原理:利用了电子的惯性小、荧光物质的荧光特性和人的视觉暂留等,灵敏、直观地显示出电信号随间变化的图线。让学生对P36的【思考与讨论】进行讨论。(三)小结1研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索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,它同样遵循运动的合成与分解、力的独立作用原理、牛顿运动定律、动能定理、功能原理等力学规律。研究时,主要可以按以下两条线索展开。(1)力和运动的关系牛顿第二定律根据带电粒子受到的电场力,用牛顿第二定律找出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等。这条线索通常适用于恒力作用下做匀变速运动的情况。(2)功和能的关系动能定理根据电场力对带电粒子所做的功,引起带电粒子的能量发生变化,利用动能定理或从全过程中能量的转化,研究带电粒子的速度变化,经历的位移等。这条线索同样也适用于不均匀的电场。2研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧(1)类比与等效电场力和重力都是恒力,在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比。例如,垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛,带电单摆在竖直方向匀强电场中的运动可等效于重力场强度g值的变化等。(2)整体法(全过程法)电荷间的相互作用是成对出现的,把电荷系统的整体作为研究对象,就可以不必考虑其间的相互作用。电场力的功与重力的功一样,都只与始末位置有关,与路径无关。它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化,从电荷运动的全过程中功能关系出发(尤其从静止出发末速度为零的问题)往往能迅速找到解题入口或简化计算。(四)巩固新课1引导学生完成问题与练习。1、3、4做练习。2阅读教材内容,【科学足迹】【科学漫步】。- 配套讲稿:
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