10.5 带电粒子在电场中的运动 教学设计（表格式）

教学设计
课题 带电粒子在电场中的运动
教学内容分析
在前面研究静电场性质的基础上。本节处理带电粒子在电场中运动的问题。本节内容由带点粒子在电场中的加速带电粒子在电场中的偏转、示波管的原理三部分组成。教学内容的梯度适当安排也符合学生的认知规律，其中示波管的原理为拓展学习内容，不仅对力学、电学知识的综合能力有较高的要求，而且要求有一定的空间想象能力
学情分析
本节教学的重点和难点是围绕不同核心概念分析带电粒子的加速与偏转问题。由于力学与电学知识的综合应用程度逐渐提高，微观带电粒子的运动抽象，学生在学习这部分内容时常常会出现困难。教师应该帮助学生设计适当的研究任务，铺设合理的台阶，引导学生交流、讨论、解决问题，逐步提高他们的综合分析能力
学习目标
一、学习目标 1.学习运用静电力、电场强度等概念研究带电粒子在电场中运动时的加速度、速度和位移等物理量的变化。 2.学习运用静电力做功、电势、电势差、等势面等概念研究带电粒子在电场中运动时的能量转化。 3.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， 二、核心素养 物理观念：能够强化对电场这一概念的理解，并能综合应用力学和电学知识解决实际问题。 科学思维：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。 科学探究：通过学习处理带电粒子在电场中运动的问题,培养学生综合应用力学知识和电学知识的能力。 科学态度与责任：通过知识的应用，培养学生热爱科学的精神。
学习重点难点
教学重点：带电粒子在匀强电场中的运动规律。 教学难点：带电粒子在匀强电场中的运动规律、示波管工作原理
教学辅助支持
课件 视频 电子枪
教学活动设计
过程学习内容与教师活动学生任务/活动设计设计意图及对应目标达成环节一 教师活动1 1.给学生抛出2012年全世界粒子物理学界最振奋人心的消息：发现“上帝粒子”。 2.给大家讲述中国科学院卡弗里理论物理研究所2012年KITPC拓展项目活动，欧洲核子中心大型强子对撞机原理。 3.结合北京正负电子对撞机的图片介绍电子直线加速原理与世界粒子物理研究前沿对接，引入新课。 让学生谈谈对于带电粒子在电场中的运动有哪些了解 通过对科技前沿的知识介绍，渗透爱国主义教育，增强民族自豪感，激发对知识的探究兴趣环节二教师活动2 一、带电粒子在电场中的的平衡问题 问题1：水平放置的两平行金属板间有一匀强电场，已知板间距离为d=5cm有一质量为m=1.0×10-9kg、带负电的液滴悬浮其中，其电荷量为5.0×10-12C，要使液滴处于静止状态，两极板间应加多大的电势差？哪块极板的电势较高？ 二、带电粒子的直线加速问题 问题2：如图，两平行极板之间的距离为d，板间存在场强为E的匀强电场，有一电荷量为e，质量为m的电子，从左侧极板附近由静止加速，求：电子的加速度、到达右侧极板时的速度及所需时间。 问题3：如图，两平行极板之间的距离为d，板间电压为U，有一电荷量为e，质量为m的电子，从左侧极板附近由静止加速，求：电子的加速度、到达右侧极板时的速度及所需时间。 问题4：如图，两平行极板之间的距离为d，板间电压为U，有一电荷量为e，质量为m的电子，以初速度为v0从左侧极板附近加速，求：电子的加速度和到达右侧极板时的速度。 教学任务：拓展1 在加速问题中，如果两极板是其他形状，例如图中所示电场，中间的电场不再均匀，上面的结果是否仍然适用？为什么？ 学生活动2 学生回答平衡问题 学生分三组，分别完成问题2、问题3和问题4，分别汇报结果。 征求不同的解法和思路，总结出两种不同的处理思路：动力学观点和能量观点。 方法一：先求出带电粒子的加速度： 根据 可求得当带电粒子从静止开始被加速时获得的速度为： 方法二：由W=qU 及动能定理： 得： 到达另一板时的速度为： 深入探究： （1）结合牛顿第二定律及动能定理中做功条件（恒力任何电场）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 所以 v0=0时，） 方法渗透：理解运动规律，学会求解方法，不去死记结论。教师活动3 三．带电粒子的偏转 问题5：如图所示，电子以初速度v0垂直于电场线射入匀强电场中，两极板之间的电压为U，板长为l，板间距离为d，电子电荷量为e，质量为m，初速度为v0水平向右，电子能从极板右侧打出。 问题讨论： ①分析电子的受力情况。 ②你认为这种情境同哪种运动类似，这种运动的研究方法是什么 ③你能类比得到带电粒子在匀强电场中运动的研究方法吗 求：①电子在射出电场时竖直方向上的偏转距离。 ②电子在离开电场时的速度偏转角的正切值。 教学任务：拓展2、拓展3 拓展2： ①如果偏转电压增大，则电子的偏转位移和偏转角如何变化？ ②如果偏转电场的上极板带负电，下极板带正电，电子又会往哪儿偏？ ③如果偏转电场的两极板如图示竖直放置，电子会如何偏转呢？ 拓展3 电子从静止开始经加速电压U1加速后，沿垂直于电场线方向射入两平行板中央，如何处理这种先加速后偏转的问题？ 学生活动3 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。 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 加速度 竖直方向的偏转距离 粒子离开电场时竖直方向的速度为 速度为 粒子离开电场时的偏转角度θ为 学生讨论分析，得出结论 通过学生自主推导带电粒子的偏转问题，得出相关结论，为理解示波器打下基础环节二教师活动4 4．示波管构造、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。 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。 （2）示波管的构造及原理 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，经过偏转电场发生偏转，只是这里有两组偏转电极。 学生任务/活动4. 学生活动4 电子枪中的灯丝K发射电子 ，经加速电场加速后，得到的速度 。 如果在偏转电极YY'上加电压， 电子在偏转电极YY'的电场中发生偏转。电子离开偏转电极YY'后沿直线前进，打在荧光屏上的亮斑在 竖直方向发生偏移，其偏移量 。 因为， ， 如果， 则。 学生活动：观察示波器的现象，阅读教材相关内容探究原因。 通过实物展示及课件，让学生理解示波器的基本原理课堂小结1.带电粒子在电场中的直线加速问题 2.带电粒子在电场中的偏转问题 3.示波管的工作原理学生完成，教师点评考察学生本节课的吸收理解情况
板书设计 一、带电粒子在电场中的加速 1.初速度为零时，在匀强电场E中， qEd= 。 2.初速度为零时，在非匀强电场中，若粒子运动的初末位置的电势差为U，动能定理表达成 qU= 。 二、带电粒子在电场中的偏转 1.粒子在V0的方向上做匀速直线运动x=V0t；穿越两极板的时间为 2.粒子在垂直于V0的方向上做初速度为零的匀加速直线运动 y=at2 加速度为： 3.离开电场时的偏转角 4.离开电场时的偏移距离
作业与拓展学习设计
1．(多选)示波管中电子枪的原理示意图如图所示，示波管内被抽成真空。A为发射电子的阴极，K为接在高电势点的加速阳极，A、K间电压为U，电子离开阴极时的速度可以忽略，电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v。下面的说法正确的是(　　) A．如果A、K间距离减半而电压仍为U，则电子离开K时的速度仍为v B．如果A、K间距离减半而电压仍为U，则电子离开K时的速度变为 C．如果A、K间距离不变而电压减半，则电子离开K时的速度变为v D．如果A、K间距离不变而电压减半，则电子离开K时的速度变为 2.氢的三种同位素氕、氘、氚的原子核分别为、、。它们以相同的初动能垂直进入同一匀强电场，离开电场时，末动能最大的是（ ） A．氕核 B．氘核 C．氚核 D．一样大 3.如图所示，电子在电势差为U1的电场中加速后，垂直进入电势差为U2的偏转电场，在满足电子能射出的条件下，下列四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是( ) A．U1变大、U2变大 B． U1变小、U2变大 C．U1变大、U2变小 D． U1变小、U2变大小 4.（多选）如图，二价氦离子和质子的混合体，经同一加速电场加速后垂直射入同一偏转电场中，偏转后打在同一荧光屏上，则它们（ ） A．侧移相同 B．偏转角相同 C．到达屏上同一点 D．到达屏上不同点 5．示波器是一种常见的电学仪器，示波管是示波器的核心部件，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，如图所示，若X′、Y′极接稳压电源的正极，X、Y接稳压电源的负极，则在示波器荧光屏上可能会看到的图形是(　　) 6.如图甲所示为示波管的原理图。如果在电极YY′之间所加的电压按如图乙所示的规律变化，在电极XX′之间所加的电压按如图丙所示的规律变化，则在荧光屏上看到的图形是(　　)
特色学习资源分析、技术手段应用说明
电子枪实物展示、演示带电粒子的偏转，示波器的使用
教学反思与改进
本节教学的重点和难点是围绕不同核心概念分析带电粒子的加速与偏转问题。由于力学与电学知识的综合应用程度逐渐提高，微观带电粒子的运动抽象，学生在学习这部分内容时常常会出现困难。教师应该帮助学生设计适当的研究任务，铺设合理的台阶，引导学生交流、讨论、解决问题，逐步提高他们的综合分析能力。教学中可以为学生创设需要解决的真实问题情境，使学生产生求知欲望，用所学知识、方法、自主展开研究活动。可以从现代科学实验和技术设备中选取典型实例，如环形加速器、示波器等。