2020屆高中物理 第9節(jié) 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)過(guò)程一 新人教版選修3-1

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1、第9節(jié)、帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 新課教學(xué)過(guò)程一 進(jìn)行新課 1、帶電粒子的加速 教師活動(dòng):提出問(wèn)題 要使帶電粒子在電場(chǎng)中只被加速而不改變運(yùn)動(dòng)方向該怎么辦? (相關(guān)知識(shí)鏈接:合外力與初速度在一條直線上,改變速度的大??;合外力與初速度成90°,僅改變速度的方向;合外力與初速度成一定角度θ,既改變速度的大小又改變速度的方向) 學(xué)生探究活動(dòng):結(jié)合相關(guān)知識(shí)提出設(shè)計(jì)方案并互相討論其可行性。 學(xué)生介紹自己的設(shè)計(jì)方案。 師生互動(dòng)歸納:(教師要對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)評(píng)價(jià)) 方案1:v0=0,僅受電場(chǎng)力就會(huì)做加速運(yùn)動(dòng),可達(dá)到目的。 方案2:v0≠0,僅受電場(chǎng)力,電場(chǎng)力的方向應(yīng)同v0同向才能達(dá)到加速的

2、目的。 教師投影:加速示意圖. 學(xué)生探究活動(dòng):上面示意圖中兩電荷電性換一下能否達(dá)到加速的目的? (提示:從實(shí)際角度考慮,注意兩邊是金屬板) 學(xué)生匯報(bào)探究結(jié)果:不可行,直接打在板上。 學(xué)生活動(dòng):結(jié)合圖示動(dòng)手推導(dǎo),當(dāng)v0=0時(shí),帶電粒子到達(dá)另一板的速度大小。 (教師抽查學(xué)生的結(jié)果展示、激勵(lì)評(píng)價(jià)) 教師點(diǎn)撥拓展: 方法一:先求出帶電粒子的加速度:a= 再根據(jù)vt2-v02=2ad 可求得當(dāng)帶電粒子從靜止開(kāi)始被加速時(shí)獲得的速度為:vt= 方法二:由W=qU及動(dòng)能定理:W=△Ek=mv2-0 得:qU=mv2 到達(dá)另一板時(shí)的速度為:v=. 深入探究: (1)結(jié)合牛頓第二

3、定律及動(dòng)能定理中做功條件(W=Fscosθ恒力 W=Uq 任何電場(chǎng))討論各方法的實(shí)用性。 (2)若初速度為v0(不等于零),推導(dǎo)最終的速度表達(dá)式。 學(xué)生活動(dòng):思考討論,列式推導(dǎo) (教師抽查學(xué)生探究結(jié)果并展示) 教師點(diǎn)撥拓展: (1)推導(dǎo):設(shè)初速為v0,末速為v,則據(jù)動(dòng)能定理得qU=mv2-mv02 所以v=(v0=0時(shí),v=) 方法滲透:理解運(yùn)動(dòng)規(guī)律,學(xué)會(huì)求解方法,不去死記結(jié)論。 (2)方法一:必須在勻強(qiáng)電場(chǎng)中使用(F=qE,F(xiàn)為恒力,E恒定) 方法二:由于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中,公式W=qU同樣適用,故后一種可行性更高,應(yīng)用程度更高。 實(shí)例探究:課本例題1 第一步:學(xué)生獨(dú)立推導(dǎo)

4、。 第二步:對(duì)照課本解析歸納方法。 第三步:教師強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。(計(jì)算先推導(dǎo)最終表達(dá)式,再統(tǒng)一代入數(shù)值運(yùn)算,統(tǒng)一單位后不用每個(gè)量都寫,只在最終結(jié)果標(biāo)出即可) 過(guò)渡:如果帶電粒子在電場(chǎng)中的加速度方向不在同一條直線上,帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況又如何呢?下面我們通過(guò)一種較特殊的情況來(lái)研究。 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 教師投影:如圖所示,電子以初速度v0垂直于電場(chǎng)線射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中. 問(wèn)題討論: (1)分析帶電粒子的受力情況。 (2)你認(rèn)為這種情況同哪種運(yùn)動(dòng)類似,這種運(yùn)動(dòng)的研究方法是什么? (3)你能類比得到帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的研究方法嗎? 學(xué)生活動(dòng):討論并回答上述問(wèn)題: (1)關(guān)于帶電粒子的

5、受力,學(xué)生的爭(zhēng)論焦點(diǎn)可能在是否考慮重力上。 教師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo):對(duì)于基本粒子,如電子、質(zhì)子、α粒子等,由于質(zhì)量m很小,所以重力比電場(chǎng)力小得多,重力可忽略不計(jì)。 對(duì)于帶電的塵埃、液滴、小球等,m較大,重力一般不能忽略。 (2)帶電粒子以初速度v0垂直于電場(chǎng)線方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí),受到恒定的與初速度方向成90°角的作用而做勻變速曲線運(yùn)動(dòng),類似于力學(xué)中的平拋運(yùn)動(dòng),平拋運(yùn)動(dòng)的研究方法是運(yùn)動(dòng)的合成和分解。 (3)帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)也可采用運(yùn)動(dòng)的合成和分解的方法進(jìn)行。 CAI課件分解展示: (1)帶電粒子在垂直于電場(chǎng)線方向上不受任何力,做勻速直線運(yùn)動(dòng)。 (2)在平行于電場(chǎng)線方向上,受到電

6、場(chǎng)力的作用做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 深入探究:如右圖所示,設(shè)電荷帶電荷量為q,平行板長(zhǎng)為L(zhǎng),兩板間距為d,電勢(shì)差為U,初速為v0.試求: (1)帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)問(wèn)t。 (2)粒子運(yùn)動(dòng)的加速度。 (3)粒子受力情況分析。 (4)粒子在射出電場(chǎng)時(shí)豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。 (5)粒子在離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)豎直方向的分速度。 (6)粒子在離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的速度大小。 (7)粒子在離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度θ。 [學(xué)生活動(dòng):結(jié)合所學(xué)知識(shí),自主分析推導(dǎo)。 (教師抽查學(xué)生活動(dòng)結(jié)果并展示,教師激勵(lì)評(píng)價(jià)) 投影示范解析: 解:由于帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受力僅有電場(chǎng)力(與初速度垂直且恒定),不考慮重力,

7、故帶電粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)。 粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t= 加速度a==qU/md 豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離:y=at2= 粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)豎直方向的速度為v1=at= 速度為:v= 粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度θ為:tanθ= 拓展:若帶電粒子的初速v0是在電場(chǎng)的電勢(shì)差U1下加速而來(lái)的(從零開(kāi)始),那么上面的結(jié)果又如何呢?(y,θ) 學(xué)生探究活動(dòng):動(dòng)手推導(dǎo)、互動(dòng)檢查。 (教師抽查學(xué)生推導(dǎo)結(jié)果并展示: 結(jié)論:y= θ=arctan與q、m無(wú)關(guān)。 3、示波管的原理 出示示波器,教師演示操作 ①光屏上的亮斑及變化。 ②掃描及變化。 ③豎直方向的偏移并調(diào)節(jié)使之變化。 ④機(jī)內(nèi)提供的正

8、弦電壓觀察及變化的觀察。 學(xué)生活動(dòng):觀察示波器的現(xiàn)象。 閱讀課本相關(guān)內(nèi)容探究原因。 教師點(diǎn)撥拓展,師生互動(dòng)探究: 多媒體展示:示波器的核心部分是示波管,由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成。 投影:示波管原理圖: 電子槍中的燈絲K發(fā)射電子,經(jīng)加速電場(chǎng)加速后,得到的速度為: θ v0= 如果在偏轉(zhuǎn)電極上加電壓電子在偏轉(zhuǎn)電極的電場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn).離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電極后沿直線前進(jìn),打在熒光屏上的亮斑在豎直方向發(fā)生偏移.其偏移量為=y+Ltanθ 因?yàn)閥= tan 所以=·U+L·=·U=(L+)tanθ 如果U=Umax·sinωt則=max·sinωt 學(xué)生活動(dòng):結(jié)合推導(dǎo)分

9、析教師演示現(xiàn)象。 課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 教師活動(dòng):讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié),其他同學(xué)在筆記本上總結(jié),然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng):認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容,并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié),看誰(shuí)的更好,好在什么地方。 點(diǎn)評(píng):總結(jié)課堂內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開(kāi),讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容,允許內(nèi)容的順序不同,從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 實(shí)例探究 帶電粒子在電場(chǎng)中加速 【例1】如圖所示,在點(diǎn)電荷+Q的電場(chǎng)中有A、B兩點(diǎn),將質(zhì)子和α粒子(氦的原子核)分別從A點(diǎn)由靜止釋放到達(dá)B點(diǎn)時(shí),它們的速度大小之比為多少? 解析:質(zhì)子

10、和α粒子都是正離子,從A點(diǎn)釋放將受電場(chǎng)力作用加速運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。設(shè)AB兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為U,由動(dòng)能定理有 對(duì)質(zhì)子: 對(duì)α粒子: ∴ 說(shuō)明:該電場(chǎng)為非勻強(qiáng)電場(chǎng),帶電粒子在AB間的運(yùn)動(dòng)為變加速運(yùn)動(dòng),不可能通過(guò)力和加速度的途徑解出該題。但注意到電場(chǎng)力做功W=qU這一關(guān)系對(duì)勻強(qiáng)電場(chǎng)和非勻強(qiáng)電場(chǎng)都適用,因此從能量的觀點(diǎn)入手由動(dòng)能定理來(lái)求解該題。 帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn) 【例2】一束電子流在經(jīng)U=5000 V的加速電壓加速后,在距兩極板等距處垂直進(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)電場(chǎng),如圖所示,若兩板間距d=1.0 cm,板長(zhǎng)l=5.0 cm,那么,要使電子能從平行板間飛出,兩個(gè)極板上最多能加多大電壓? 解析:在加

11、速電壓一定時(shí),偏轉(zhuǎn)電壓U′越大,電子在極板間的偏距就越大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出,此時(shí)的偏轉(zhuǎn)電壓,即為題目要求的最大電壓。 加速過(guò)程,由動(dòng)能定理得 ① 進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),電子在平行于板面的方向上做勻速運(yùn)動(dòng) l=v0t ② 在垂直于板面的方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度 ③ 偏距 ④ 能飛出的條件為 y≤ ⑤ 解①~⑤式得 U′≤V=4.0×102 V 即要使電子能飛出,所加電壓最大為400 V 說(shuō)明:(1)此題

12、是一個(gè)較典型的帶電粒子先加速再偏轉(zhuǎn)的題目。通過(guò)該題要認(rèn)真體會(huì)求解這類問(wèn)題的思路和方法,并注意解題格式的規(guī)范化。 (2)粒子恰能飛出極板和粒子恰不能飛出極板,對(duì)應(yīng)著同一臨界狀態(tài)——“擦邊球”。根據(jù)題意找出臨界狀態(tài),由臨界狀態(tài)來(lái)確定極值,也是求解極值問(wèn)題的常用方法。 力電綜合問(wèn)題 【例3】如圖所示,帶負(fù)電的小球靜止在水平放置的平行板電容器兩板間,距下板0.8 cm,兩板間的電勢(shì)差為300 V。如果兩板間電勢(shì)差減小到60 V,則帶電小球運(yùn)動(dòng)到極板上需多長(zhǎng)時(shí)間? 解析:取帶電小球?yàn)檠芯繉?duì)象,設(shè)它帶電量為q,則帶電小球受重力mg和電場(chǎng)力qE的作用。 當(dāng)U1=300 V時(shí),小球平衡: ①

13、 當(dāng)U2=60 V時(shí),帶電小球向下板做勻加速直線運(yùn)動(dòng): ② 又 ③ 由①②③得: s=4.5×10-2 s 說(shuō)明:這是一道典型的力學(xué)綜合題,涉及力的平衡、牛頓第二定律及勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律等知識(shí)。復(fù)習(xí)好力學(xué)知識(shí),是求解加速和偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的前提。 課后作業(yè) 1、書(shū)面完成課本“問(wèn)題與練習(xí)”第3、4、5題;思考并回答第1、2題。 2、課下閱讀課本36頁(yè)和7頁(yè)“科學(xué)足跡”和“科學(xué)漫步”中的兩篇文章。 板書(shū)設(shè)計(jì): 1、帶電粒子的加速 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 3、示波管的原理 教學(xué)體會(huì) 本節(jié)知識(shí)與力學(xué)知識(shí)聯(lián)系很緊,在講解本節(jié)內(nèi)容之前要復(fù)習(xí)一下有關(guān)的知識(shí),以產(chǎn)生知識(shí)的遷移,由于帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的公式較復(fù)雜,所以在教學(xué)中要使學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握解題的思維和方法,而不是記公式。

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