1、带电粒子在电场中的运动教案武清区梅厂中学谢自成20070426【教学目标】（一）知识与技能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（二）过程与方法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（三）情感、态度与价值观通过知识的应用，培养学生热爱科学的精神【教学重点】带电粒子在匀强电场中的运动规律【教学难点】运用电学知识和力学知识综合处理偏转问题【教学方法】讲授法、归纳法、互动探究法【教学用具】多媒体课件、示波器【教学活动】（一）引入新课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
2、术设备中，常常利用电场来控制或改变带电粒子的运动。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。（二）进行新课教师活动：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。学生活动：结合自己的实际情况回顾复习。师生互动强化认识：（1）a=F合/m（注意是F合）（2）W合=Ek=（注意是合力做的功）（3）平抛运动的相关知识（4）W=Fscos（恒力匀强电场） W=qU（任何电场）1、带电粒子的加速教师活动：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
3、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：v0=0，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。教师投影：加速示意图学生探究活动：上面示意图中两电荷电性换一下能否达到加速的目的?（提示：从实际角度考虑，注意两边是金属板）学生汇报探究结果：不可行，直接打在板上。学生活动：结合图示动手推导，当v0=
4、0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vt2-v02=2ad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W=qU及动能定理：W=Ek=mv2-0得：qU=mv2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（W=Fscos恒力 W=Uq 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。学生活动：思考讨论，列式推导（教师抽查学生探究结果并展示）教师点拨拓展：（1）推导：设初速为v0，末速为v，则据动能定理得qU=m
5、v2-mv02所以 v=（v0=0时，v=）方法渗透：理解运动规律，学会求解方法，不去死记结论。（2）方法一：必须在匀强电场中使用（F=qE，F为恒力，E恒定）方法二：由于非匀强电场中，公式W=qU同样适用，故后一种可行性更高，应用程度更高。实例探究：课本例题1第一步：学生独立推导。第二步：对照课本解析归纳方法。第三步：教师强调注意事项。（计算先推导最终表达式，再统一代入数值运算，统一单位后不用每个量都写，只在最终结果标出即可）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。2、带电粒子的偏转教师投影：如图所示，电子以初速
6、度v0垂直于电场线射入匀强电场中问题讨论：（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?学生活动：讨论并回答上述问题： （1）关于带电粒子的受力，学生的争论焦点可能在是否考虑重力上。教师应及时引导：对于基本粒子，如电子、质子、粒子等，由于质量m很小，所以重力比电场力小得多，重力可忽略不计。对于带电的尘埃、液滴、小球等，m较大，重力一般不能忽略。（2）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
7、是运动的合成和分解。（3）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。CAI课件分解展示：（1）带电粒子在垂直于电场线方向上不受任何力，做匀速直线运动。（2）在平行于电场线方向上，受到电场力的作用做初速为零的匀加速直线运动。深入探究：如右图所示，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问t。（2）粒子运动的加速度。（3）粒子受力情况分析。（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
8、，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）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 a=qU/md竖直方向的偏转距离：y=at2=粒子离开电场时竖直方向的速度为v1=at=速度为： v=粒子离开电场时的偏转角度为：tan=拓展：若带电粒子的初速v0是在电场的电势差U1下加速而来的（从零开始），那么上面的结果又如何呢?（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：y=arctan与q、m无关。3、示波管的原理出示示波器，教师演示操作光屏上
9、的亮斑及变化。扫描及变化。竖直方向的偏移并调节使之变化。机内提供的正弦电压观察及变化的观察。学生活动：观察示波器的现象。阅读课本相关内容探究原因。教师点拨拓展，师生互动探究：多媒体展示：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。投影：示波管原理图： 电子枪中的灯丝K发射电子，经加速电场加速后，得到的速度为：v0=如果在偏转电极上加电压电子在偏转电极的电场中发生偏转离开偏转电极后沿直线前进，打在荧光屏上的亮斑在竖直方向发生偏移其偏移量为=y+Ltan因为y= tan所以=U+L =U=（L+）tan如果U=Umaxsint则=maxsint学生活动：结合推导分析教师演示现象。（三
10、）课堂总结、点评教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。（四）实例探究带电粒子在电场中加速【例1】如图所示，在点电荷+Q的电场中有A、B两点，将质子和粒子（氦的原子核）分别从A点由静止释放到达B点时，它们的速度大小之比为多少?解析：质子和粒子都是正离子，从A点释放将受电场力作用加速
11、运动到B点。设AB两点间的电势差为U，由动能定理有对质子：对粒子：说明：该电场为非匀强电场，带电粒子在AB间的运动为变加速运动，不可能通过力和加速度的途径解出该题。但注意到电场力做功W=qU这一关系对匀强电场和非匀强电场都适用，因此从能量的观点入手由动能定理来求解该题。带电粒子在电场中偏转【例2】一束电子流在经U=5000 V的加速电压加速后，在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示，若两板间距d=1.0 cm，板长l=5.0 cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最多能加多大电压?解析：在加速电压一定时，偏转电压U越大，电子在极板间的偏距就越大。当偏转电压大到使电子刚好
12、擦着极板的边缘飞出，此时的偏转电压，即为题目要求的最大电压。加速过程，由动能定理得 进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动l=v0t 在垂直于板面的方向做匀加速直线运动，加速度 偏距 能飞出的条件为 y 解式得UV=4.0102 V即要使电子能飞出，所加电压最大为400 V说明：（1）此题是一个较典型的带电粒子先加速再偏转的题目。通过该题要认真体会求解这类问题的思路和方法，并注意解题格式的规范化。（2）粒子恰能飞出极板和粒子恰不能飞出极板，对应着同一临界状态“擦边球”。根据题意找出临界状态，由临界状态来确定极值，也是求解极值问题的常用方法。力电综合问题【例3】如图所示，带负电的小球静
13、止在水平放置的平行板电容器两板间，距下板0.8 cm，两板间的电势差为300 V。如果两板间电势差减小到60 V，则带电小球运动到极板上需多长时间?解析：取带电小球为研究对象，设它带电量为q，则带电小球受重力mg和电场力qE的作用。当U1300 V时，小球平衡： 当260 V时，带电小球向下板做匀加速直线运动： 又 由得： s=4.5102 s说明：这是一道典型的力学综合题，涉及力的平衡、牛顿第二定律及匀变速运动的规律等知识。复习好力学知识，是求解加速和偏转问题的前提。【课后作业】1、书面完成P38“问题与练习”第3、4、5题；思考并回答第1、2题。2、课下阅读课本36页和7页“科学足迹”和“科学漫步”中的两篇文章。
