2.4 带电粒子在电场中的运动 课时教案（表格式）2025--2026年鲁科版高中物理必修第三册

2.4《带电粒子在电场中的运动》课时教案
学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时
教材 鲁科版高中物理必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于鲁科版高中物理必修第三册第二章第4节，是静电场知识的深化与应用。教材通过分析带电粒子在匀强电场中的加速与偏转，将电场力、牛顿运动定律、动能定理、类平抛运动等核心物理知识有机整合，体现了“从力和能量两个视角分析电磁现象”的新课标理念。内容具有承上启下的作用，既巩固了电场强度、电势差等概念，又为后续学习示波器原理、质谱仪、回旋加速器等现代科技应用奠定基础。
学情分析
高二学生已掌握牛顿运动定律、动能定理、平抛运动等力学知识，具备一定的矢量分析与运动合成能力。但对电场与力学的综合应用仍存在思维断层，容易将电场力与重力混淆，难以建立“类平抛”模型。学生抽象思维能力正在发展，对微观粒子运动缺乏直观感知。因此，需通过实验模拟、动画演示和生活类比降低认知门槛，引导学生从“受力—运动—能量”三重路径构建物理图景，突破思维障碍。
课时教学目标
物理观念
1. 理解带电粒子在匀强电场中受恒定电场力作用，其运动可分解为沿电场方向的匀变速直线运动和垂直电场方向的匀速直线运动。
2. 掌握带电粒子在电场中加速与偏转的规律，能运用牛顿第二定律和动能定理解决相关问题。
科学思维
1. 能将带电粒子在电场中的运动类比为平抛运动，建立“类平抛”物理模型，提升模型建构能力。
2. 能从力和能量两个角度分析带电粒子的运动，体会多路径解决问题的科学方法。
科学探究
1. 通过分析示波管工作原理，设计实验探究带电粒子偏转规律，提升问题解决与方案设计能力。
2. 能利用数字化实验系统（如DIS）模拟粒子轨迹，进行数据采集与分析，发展实验探究素养。
科学态度与责任
1. 认识带电粒子控制技术在示波器、医学成像、粒子加速器等领域的广泛应用，体会物理与科技的紧密联系。
2. 感悟科学家在微观世界探索中的严谨态度与创新精神，增强社会责任感与科学使命感。
教学重点、难点
重点
1. 带电粒子在匀强电场中的加速规律（动能定理应用）。
2. 带电粒子在匀强电场中的偏转规律（类平抛运动分析）。
难点
1. 建立“类平抛”运动模型，理解电场力方向与初速度方向垂直时的运动分解。
2. 综合力学与电学知识，灵活选用牛顿定律或能量观点解决复杂问题。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验演示法
教具准备
多媒体课件、示波器实物或模型、电子束演示仪、DIS传感器、激光笔、坐标纸
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、科技之眼：示波器中的电子舞步 （一）、展示实物，激发兴趣。
教师手持示波器模型或实物，缓慢旋转展示其外形，引导学生观察屏幕上的亮斑。提问：“同学们，这是什么仪器？它在实验室中常用来测量什么？”待学生回答后，继续追问：“你们知道屏幕上那个跳动的光点，其实是无数高速电子撞击荧光屏形成的吗？这些微小的带电粒子是如何被精确控制，在屏幕上画出各种波形的？”通过设问，将学生的注意力从宏观仪器引向微观粒子的运动控制。
（二）、播放动画，构建图景。
播放一段高清动画：电子从阴极发射，在电场中被加速，随后进入偏转电极，在水平与竖直电场的共同作用下发生偏转，最终击中荧光屏特定位置发光。动画暂停在电子进入偏转板的瞬间，教师强调：“今天，我们就化身‘电子指挥官’，揭开带电粒子在电场中运动的神秘面纱，破解示波器背后的物理密码。”
（三）、提出挑战，明确任务。
教师在黑板上写下本节课的“终极挑战”：“如果你是示波器设计师，如何计算电子经过加速电压U 后获得的速度？又如何控制它在偏转电场中偏移的距离，让它精准命中目标？”以此任务驱动整节课的学习，让学生带着问题进入探究。 1. 观察示波器，回忆其功能。
2. 观看动画，感知电子运动轨迹。
3. 思考问题，明确学习目标。
4. 进入“电子指挥官”角色。
评价任务 观察专注：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
任务理解：☆☆☆
设计意图 以高科技仪器“示波器”为真实情境，通过实物展示与动画演示，将抽象的微观粒子运动可视化，激发学生好奇心与探究欲。提出“电子指挥官”的角色挑战，赋予学习任务明确目标与意义，实现从“要我学”到“我要学”的转变，为后续知识建构提供动力支持。
新知探究一：电场中的“加速器”
【10分钟】 一、静电力做功：从静止到高速 （1）、构建模型，分析受力。
教师在PPT上展示一幅带电粒子（以电子为例，电荷量为-e）在两块平行金属板间被加速的示意图。左侧板接地，右侧板接正电压U，两板间距离为d。教师引导：“假设电子从负极板附近由静止释放，它将如何运动？受到哪些力？请画出受力分析图。”待学生思考后，教师用红笔在图上标出电场方向（从正极指向负极），并指出电子所受电场力F = eE，方向与电场方向相反，即指向正极板。强调：“在忽略重力的情况下，电子仅受恒定电场力作用，将做初速度为零的匀加速直线运动。”
（2）、双路径推导，建立规律。
教师提出：“我们如何计算电子到达正极板时的速度v？请尝试从两个角度思考：一是从力和运动的关系（牛顿第二定律），二是从能量转化的角度（动能定理）。”
路径一（牛顿第二定律）：教师板书推导过程。由F = ma，F = eE，E = U/d，得加速度a = (eU)/(md)。再由v = 2ad，代入得v = F＝。
路径二（动能定理）：教师强调：“电场力做功W = Fd = eEd = eU，根据动能定理W = ΔEk = mv - 0，直接得到 mv = eU，故v = 。”
教师对比两种方法，总结：“动能定理更简洁，不涉及中间过程，是解决加速问题的首选方法。”
（3）、深化理解，拓展应用。
教师提问：“如果粒子带正电（如质子），结果会怎样？”引导学生发现公式v = 中q为电荷量绝对值，结论相同。再问：“如果粒子有初速度v ，公式如何修正？”引导学生得出 mv - mv = qU。最后，教师强调：“此结论与粒子质量、电荷量具体值无关，只取决于电压U和q/m比值，这正是质谱仪工作的基础。” 1. 分析受力，画出受力图。
2. 尝试用两种方法推导速度。
3. 比较方法，理解能量优势。
4. 讨论变式，拓展认知边界。
评价任务 受力分析：☆☆☆
公式推导：☆☆☆
能量应用：☆☆☆
设计意图 通过构建“平行板加速”物理模型，引导学生从受力分析入手，经历“牛顿定律”与“动能定理”两条路径的推导，深刻体会能量观点在解决变力或复杂过程问题中的优越性。通过正负电荷、有无初速度的变式讨论，提升学生思维的严谨性与迁移能力，为后续学习现代科技应用埋下伏笔。
新知探究二：电场中的“偏转舵”
【15分钟】 一、类平抛运动：水平飞行，竖直偏移 （1）、演示实验，直观感知。
教师开启电子束演示仪，让学生观察电子束在无偏转电场时沿直线传播，在施加竖直方向偏转电压后，光点在屏幕上发生水平方向的偏移（注意：示波器中水平偏转板产生竖直电场，导致电子水平偏移）。教师引导：“为什么电场竖直，偏移却是水平的？请大家思考电子进入偏转电场时的初速度方向。”待学生意识到电子沿水平方向射入后，教师总结：“关键在于初速度与电场力方向垂直，这与平抛运动中水平初速度与竖直重力垂直极为相似。”
（2）、模型建构，分解运动。
教师在黑板上绘制带电粒子以初速度v 水平射入匀强电场（电场方向竖直向下）的示意图。提出问题：“如何研究这种复杂运动？”引导学生回忆平抛运动的处理方法——运动的合成与分解。教师明确：“我们将粒子的运动分解为两个方向：x方向（水平）不受力，做匀速直线运动；y方向（竖直）受恒定电场力F = qE，做初速度为零的匀加速直线运动。这就是‘类平抛’模型。”
（3）、定量推导，掌握规律。
教师引导学生建立坐标系，设偏转电极长度为l，板间电压为U ，距离为d，则电场强度E = U /d。推导过程如下：
x方向：x = v t → t = x/v
y方向：y = at = (qE/m)t = (qU /md)(x /v )
教师强调：“这是粒子在偏转电场内的轨迹方程，是一条抛物线。”接着推导离开电场时的偏转距离y和偏转角θ：
当x = l时，y = (qU l )/(2mdv )
vy = at = (qU l)/(mdv )，tanθ = vy/v = (qU l)/(mdv )
教师指出：“偏转距离y与偏转电压U 成正比，与加速电压U （影响v ）成反比，这正是示波器调节波形幅度的原理。”
（4）、合作探究，解决问题。
教师分发任务卡：已知电子经100V电压加速后，进入长5cm、间距1cm的偏转板，偏转电压为20V。求电子离开偏转电场时的偏转距离y和偏转角θ的正切值tanθ。学生分组计算，教师巡视指导，最后展示典型解法并点评。 1. 观察实验，提出疑问。
2. 回忆平抛，构建类比模型。
3. 参与推导，记录关键公式。
4. 合作计算，解决实际问题。
评价任务 模型构建：☆☆☆
公式应用：☆☆☆
合作计算：☆☆☆
设计意图 通过实验演示将抽象概念具象化，利用“类比平抛”的思维方法，引导学生主动建构“类平抛”物理模型，实现知识的迁移与创新。通过完整的定量推导，让学生掌握偏转规律的核心公式，并理解其物理意义。合作探究任务强化了公式的应用，培养了学生的计算能力与团队协作精神。
综合应用：破解示波器之谜
【10分钟】 一、科技解密：从原理到应用 （1）、整合模型，还原系统。
教师展示示波器内部结构简化图，指出电子枪（对应加速）、水平偏转板（产生竖直电场，控制x方向扫描）、竖直偏转板（产生水平电场，控制y方向信号输入）三大核心部件。引导学生将前两部分所学知识整合：“电子先被高压U 加速获得高速v ，然后依次通过水平和竖直偏转板。水平偏转板加上锯齿波电压，使电子束从左到右匀速扫描；竖直偏转板加上待测信号电压，使电子束上下偏移。两者的合成运动就在屏幕上描绘出信号波形。”
（2）、情境任务，深化理解。
教师提出：“如果待测信号电压增大一倍，屏幕上的波形会发生什么变化？如果扫描电压频率变慢呢？”引导学生运用y ∝ U 和扫描周期T = 1/f的知识进行分析，得出“波形幅度变大”和“波形变宽”的结论。再问：“为什么示波器能‘冻结’快速变化的信号？”引导学生理解“余辉”效应与人眼视觉暂留的原理。
（3）、拓展视野，联系前沿。
教师简要介绍带电粒子控制技术在其他领域的应用：如医学中的电子束放疗（精准打击癌细胞）、粒子物理中的大型强子对撞机（LHC，将质子加速到接近光速）、质谱仪（通过q/m比值分析物质成分）。播放一段LHC加速质子的震撼视频片段，让学生感受人类探索微观世界的伟大力量。 1. 观察结构图，整合知识模块。
2. 分析参数变化，预测波形变化。
3. 思考科学问题，理解技术原理。
4. 感受科技魅力，拓宽科学视野。
评价任务 系统整合：☆☆☆
现象预测：☆☆☆
视野拓展：☆☆☆
设计意图 以“破解示波器之谜”为综合任务，将加速与偏转两大知识点有机整合，还原真实科技产品的物理本质，实现“从物理到技术”的跨越。通过情境化问题深化对规律的理解，并借助前沿科技视频，激发学生的民族自豪感与科学探索热情，落实“科学态度与责任”的核心素养。
课堂总结
【5分钟】 一、知识升华：微观世界的指挥艺术 （1）、结构化回顾。
教师引导学生共同回顾：“今天我们破解了带电粒子在电场中运动的两大密码：一是‘加速密码’——利用动能定理qU = mv ，实现能量高效转化；二是‘偏转密码’——构建‘类平抛’模型，实现运动精准控制。这两套密码，正是现代电子科技的基石。”
（2）、升华式总结。
教师深情总结：“同学们，每一个在示波器屏幕上跳动的光点，都是人类智慧对微观世界的温柔触摸。从汤姆孙发现电子，到劳伦斯发明回旋加速器，科学家们用一个个精巧的电场，指挥着看不见的粒子，为我们打开了认识宇宙的新窗口。正如居里夫人所说：‘生活中没有什么可怕的东西，只有需要理解的东西。’希望你们保持这份好奇与勇气，未来也能在科学的星空中，留下属于自己的轨迹。让我们记住：物理不仅是公式与计算，更是人类探索未知、改变世界的诗篇。” 1. 回顾知识框架。
2. 理解物理本质。
3. 感悟科学精神。
4. 树立远大志向。
评价任务 知识梳理：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
价值认同：☆☆☆
设计意图 通过结构化回顾，帮助学生构建清晰的知识网络。以居里夫人的名言为引，将物理知识升华至科学精神与人文情怀的层面，激发学生的内在动力与社会责任感，实现知识、能力、情感的三维统一，让课堂在理性与诗意中圆满落幕。
作业设计
一、基础巩固：公式应用
1. 一个质子（质量m，电荷+e）从静止开始，经过电压为U的电场加速后，进入偏转电场。偏转电极长l，间距d，所加电压为U 。求：
（1）质子进入偏转电场时的速度v 。
（2）质子离开偏转电场时的偏转距离y。
（3）若将质子换成α粒子（质量4m，电荷+2e），其他条件不变，y将变为原来的多少倍？
二、能力提升：实际应用
2. 示波器中，电子经电压U =500V加速后射入偏转电极。偏转电极长l=4.0cm，板间距离d=1.0cm。要使电子束在荧光屏上的偏转距离达到y=2.0cm（已知偏转电极到荧光屏的距离L=20cm，且偏转角很小时，可认为电子离开电场后做匀速直线运动），求偏转电压U 应调至多大？
三、拓展探究：科学视野
3. 查阅资料，简述质谱仪的工作原理，并说明其中如何应用了本节课所学的带电粒子在电场中的加速与偏转规律。
【答案解析】
一、基础巩固
（1）由动能定理：eU = mv → v =
（2）y = (eU l )/(2mdv ) = (eU l )/(2md·2eU/m) = (U l )/(4dU)
（3）α粒子：q=2e, m'=4m → y' = (2eU l )/(2·4m·d·v ) ，而v = 2·2eU/(4m) = eU/m → y' = (2eU l )/(8md·eU/m) = (U l )/(4dU) = y，故为1倍。
二、能力提升
电子在偏转电场中：y = (eU l )/(2mdv )，v = 2eU /m → y = (U l )/(4dU )
离开电场后匀速运动：偏转角tanθ ≈ y /L = (vy/v )/L，而vy = at = (eU /md)(l/v ) → tanθ = (eU l)/(mdv ) = (U l)/(dU )
总偏转距离y = y + y ≈ y + L·tanθ = (U l )/(4dU ) + L·(U l)/(dU ) = (U l)/(dU ) · (l/4 + L)
代入数据：2.0 = (U ×4.0)/(1.0×500) × (1.0 + 20) → U = (2.0×500×1.0)/(4.0×21) ≈ 11.9V
板书设计
《带电粒子在电场中的运动》
┌──────────────────────┐
│ 一、加速：动能定理 │
│ qU = mv → v = │
│ │
│ 二、偏转：类平抛模型 │
│ x方向：v 恒定，x = v t │
│ y方向：a = qE/m，y = at │
│ 轨迹：y = (qU x )/(2mdv ) │
│ 出场：y = (qU l )/(2mdv ) │
│ tanθ = (qU l)/(mdv ) │
│
│ 三、应用：示波器、质谱仪、加速器 │
└──────────────────────┘
【主线】加速 → 偏转 → 应用
【关键词】能量转化、运动分解、科技之眼
教学反思
成功之处
1. 以“示波器”为真实情境贯穿始终，通过“电子指挥官”的角色任务驱动，极大提升了学生的学习兴趣与参与度，实现了知识学习与科技应用的深度融合。
2. 成功引导学生构建“类平抛”物理模型，通过与平抛运动的类比，降低了认知难度，培养了学生的科学思维与模型建构能力。
3. 板书设计清晰呈现了“加速—偏转—应用”的知识主线，配合关键词与图形，帮助学生构建了系统的知识网络。
不足之处
1. 在合作计算环节，部分学生对公式中各物理量的单位换算不够熟练，导致计算耗时较长，今后需加强单位制的训练。
2. 对“偏转角很小”这一近似条件的物理意义解释不够深入，部分学生理解模糊，应在后续课程中通过作图进一步强化。
3. 数字化实验（DIS）的应用未能充分展开，受限于设备数量，未能让所有学生动手操作，未来应争取更多资源，提升实验探究的覆盖面。