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2019-2020年高中物理 1.9《帶電粒子在電場中的運動》教案 新人教版 一、教材分析 本專題是是歷年高考的重點內(nèi)容。本專題綜合性強(qiáng)，理論分析要求高，帶電粒子的加速是電場的能的性質(zhì)的應(yīng)用；帶電粒子的偏轉(zhuǎn)則側(cè)重于電場的力的性質(zhì)，通過類比恒力作用下的曲線運動（平拋運動），理論上探究帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。此外專題既包含了電場的基本性質(zhì)，又要運用直線和曲線運動的規(guī)律，還涉及到能量的轉(zhuǎn)化和守恒，有關(guān)類比和建模等科學(xué)方法的應(yīng)用也比較典型。探究帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)的規(guī)律，只要做好引導(dǎo)，學(xué)生自己是能夠完成的，而且可以提高學(xué)生綜合分析問題的能力。 二、教學(xué)目標(biāo)： （一）知識與技能 1、理解帶電粒子在電場中的運動規(guī)律，并能分析解決加速和偏轉(zhuǎn)方向的問題． 2、知道示波管的構(gòu)造和基本原理． （二）過程與方法 通過帶電粒子在電場中加速、偏轉(zhuǎn)過程分析，培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理能力 （三）情感、態(tài)度與價值觀 通過知識的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的精神 三、教學(xué)重點難點 重點：帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運動規(guī)律 難點：運用電學(xué)知識和力學(xué)知識綜合處理偏轉(zhuǎn)問題 四、學(xué)情分析 帶電粒子在場中的運動（重力場、電場、磁場）問題，由于涉及的知識點眾多，要求的綜合能力較高，因而是歷年來高考的熱點內(nèi)容，這里需要將幾個基本的運動，即直線運動中的加速、減速、往返運動，曲線運動中的平拋運動、圓周運動、勻速圓周運動進(jìn)行綜合鞏固和加深，同時需要將力學(xué)基本定律，即牛頓第二定律、動量定理、動量守恒定律、動能定理、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律等進(jìn)行綜合運用。 五、教學(xué)方法 講授法、歸納法、互動探究法 六、課前準(zhǔn)備 1．學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)牛頓第二定律的內(nèi)容是什么，能定理的表達(dá)式是什么，拋運動的相關(guān)知識點。 2．教師的教學(xué)準(zhǔn)備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展學(xué)案 3、教具：多媒體課件 七、課時安排：1課時 八、學(xué)過程 (一)預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑 教師活動：引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回顧相關(guān)知識點 （1）牛頓第二定律的內(nèi)容是什么? （2）動能定理的表達(dá)式是什么? （3）平拋運動的相關(guān)知識點。 （4）靜電力做功的計算方法。 學(xué)生活動：結(jié)合自己的實際情況回顧復(fù)習(xí)。 師生互動強(qiáng)化認(rèn)識： （1）a=F合/m（注意是F合） （2）W合=△Ek=mv2-mv02 （注意是合力做的功） （3）平拋運動的相關(guān)知識 （4）W=F?scosθ（恒力→勻強(qiáng)電場） W=qU（任何電場） 檢查落實了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況并了解了學(xué)生的疑惑，使教學(xué)具有了針對性。 （二）情景導(dǎo)入、展示目標(biāo) 帶電粒子在電場中受到電場力的作用會產(chǎn)生加速度，使其原有速度發(fā)生變化．在現(xiàn)代科學(xué)實驗和技術(shù)設(shè)備中，常常利用電場來控制或改變帶電粒子的運動。 具體應(yīng)用有哪些呢?本節(jié)課我們來研究這個問題．以勻強(qiáng)電場為例。 （三）合作探究、精講點撥 1、帶電粒子的加速 教師活動：提出問題 要使帶電粒子在電場中只被加速而不改變運動方向該怎么辦? （相關(guān)知識鏈接：合外力與初速度在一條直線上，改變速度的大小；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：結(jié)合相關(guān)知識提出設(shè)計方案并互相討論其可行性。 學(xué)生介紹自己的設(shè)計方案。 師生互動歸納：（教師要對學(xué)生進(jìn)行激勵評價） 方案1：v0=0，僅受電場力就會做加速運動，可達(dá)到目的。 方案2：v0≠0，僅受電場力，電場力的方向應(yīng)同v0同向才能達(dá)到加速的目的。 教師投影：加速示意圖． 學(xué)生探究活動：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：從實際角度考慮，注意兩邊是金屬板） 學(xué)生匯報探究結(jié)果：不可行，直接打在板上。 學(xué)生活動：結(jié)合圖示動手推導(dǎo)，當(dāng)v0=0時，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、激勵評價） 教師點撥拓展： 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)帶電粒子從靜止開始被加速時獲得的速度為： vt= 方法二：由W=qU及動能定理： W=△Ek=mv2-0 得： qU=mv2 到達(dá)另一板時的速度為： v=. 深入探究： （1）結(jié)合牛頓第二定律及動能定理中做功條件（W=Fscosθ恒力 W=Uq 任何電場）討論各方法的實用性。 （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：思考討論，列式推導(dǎo) （教師抽查學(xué)生探究結(jié)果并展示） 教師點撥拓展： （1）推導(dǎo)：設(shè)初速為v0，末速為v，則據(jù)動能定理得 qU=mv2-mv02 所以 v= （v0=0時，v=） 方法滲透：理解運動規(guī)律，學(xué)會求解方法，不去死記結(jié)論。 （2）方法一：必須在勻強(qiáng)電場中使用（F=qE，F(xiàn)為恒力，E恒定） 方法二：由于非勻強(qiáng)電場中，公式W=qU同樣適用，故后一種可行性更高，應(yīng)用程度更高。 實例探究：課本例題1 第一步：學(xué)生獨立推導(dǎo)。 第二步：對照課本解析歸納方法。 第三步：教師強(qiáng)調(diào)注意事項。（計算先推導(dǎo)最終表達(dá)式，再統(tǒng)一代入數(shù)值運算，統(tǒng)一單位后不用每個量都寫，只在最終結(jié)果標(biāo)出即可） 過渡：如果帶電粒子在電場中的加速度方向不在同一條直線上，帶電粒子的運動情況又如何呢?下面我們通過一種較特殊的情況來研究。 2、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 教師投影：如圖所示，電子以初速度v0垂直于電場線射入勻強(qiáng)電場中． 問題討論： （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動類似，這種運動的研究方法是什么? （3）你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎? 學(xué)生活動：討論并回答上述問題： （1）關(guān)于帶電粒子的受力，學(xué)生的爭論焦點可能在是否考慮重力上。 教師應(yīng)及時引導(dǎo)：對于基本粒子，如電子、質(zhì)子、α粒子等，由于質(zhì)量m很小，所以重力比電場力小得多，重力可忽略不計。 對于帶電的塵埃、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垂直于電場線方向飛入勻強(qiáng)電場時，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動，類似于力學(xué)中的平拋運動，平拋運動的研究方法是運動的合成和分解。 （3）帶電粒子垂直進(jìn)入電場中的運動也可采用運動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線方向上不受任何力，做勻速直線運動。 （2）在平行于電場線方向上，受到電場力的作用做初速為零的勻加速直線運動。 深入探究：如右圖所示，設(shè)電荷帶電荷量為q，平行板長為L，兩板間距為d，電勢差為U，初速為v0． 試求： （1）帶電粒子在電場中運動的時問 （2）粒子運動的加速度。 （3）粒子受力情況分析。 （4）粒子在射出電場時豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。 （5）粒子在離開電場時豎直方向的分速度。 （6）粒子在離開電場時的速度大小。 （7）粒子在離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ。 [學(xué)生活動：結(jié)合所學(xué)知識，自主分析推導(dǎo)。 （教師抽查學(xué)生活動結(jié)果并展示，教師激勵評價） 投影示范解析： 解：由于帶電粒子在電場中運動受力僅有電場力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，故帶電粒子做類平拋運動。 粒子在電場中的運動時間 t= 加速度 a==qU/md 豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離： y=at2= 粒子離開電場時豎直方向的速度為 v1=at= 速度為： v= 粒子離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ為： tanθ= 拓展：若帶電粒子的初速v0是在電場的電勢差U1下加速而來的（從零開始），那么上面的結(jié)果又如何呢?（y，θ） 學(xué)生探究活動：動手推導(dǎo)、互動檢查。 （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)提供的正弦電壓觀察及變化的觀察。 學(xué)生活動：觀察示波器的現(xiàn)象。 閱讀課本相關(guān)內(nèi)容探究原因。 教師點撥拓展，師生互動探究： 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 的電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)．離開偏轉(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 因為y= tan 所以=U+L =U=（L+）tanθ 如果U=Umax?sinωt則=maxsinωt 學(xué)生活動：結(jié)合推導(dǎo)分析教師演示現(xiàn)象。 （四）反思總結(jié)，當(dāng)堂檢測。 教師組織學(xué)生反思總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容，并進(jìn)行當(dāng)堂檢測。 1．帶電粒子的加速 (1)動力學(xué)分析：帶電粒子沿與電場線平行方向進(jìn)入電場，受到的電場力與運動方向在同一直線上，做加(減)速直線運動，如果是勻強(qiáng)電場，則做勻加(減)速運動． (2)功能關(guān)系分析：粒子只受電場力作用，動能變化量等于電勢能的變化量． (初速度為零)； 此式適用于一切電場． 2．帶電粒子的偏轉(zhuǎn) (1)動力學(xué)分析：帶電粒子以速度v0垂直于電場線方向飛入兩帶電平行板產(chǎn)生的勻強(qiáng)電場中，受到恒定的與初速度方向成900角的電場力作用而做勻變速曲線運動 (類平拋運動)． (2)運動的分析方法(看成類平拋運動)： ①沿初速度方向做速度為v0的勻速直線運動． ②沿電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動． （五）發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí)。 1、書面完成 “問題與練習(xí)”第3、4、5題；思考并回答第1、2題。 2、課下閱讀課本“科學(xué)足跡”和“科學(xué)漫步”中的兩篇文章。 九板書設(shè)計 帶電粒子在電場中的運動 (一)、帶電粒子的加速 由W=qU及動能定理： W=△Ek=mv2-0 得： qU=mv2 到達(dá)另一板時的速度為： v= 設(shè)初速為v0，末速為v，則據(jù)動能定理得 qU=mv2-mv02 所以 v= （v0=0時，v=） （二）、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) y=at2= tanθ= （三）、示波管的原理 十、教學(xué)反思 本節(jié)內(nèi)容是關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運動情況，是電學(xué)和力學(xué)知識的綜合， 帶電粒子在電場中的運動，常見的有加速、減速、偏轉(zhuǎn)、圓運動等等，規(guī)律跟力學(xué)是相同的，只是在分析物體受力時，注意分析電場力，同時注意：為了方便問題的研究，對于微觀粒子的電荷，因為重力非常小，我們可以忽略不計．對于示波管，實際就是帶電粒子在電場中的加速偏轉(zhuǎn)問題的實際應(yīng)用．