资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 高一 学期 春学期
课题 带电粒子在电场中的运动
教学目标
1.通过带电粒子加速和偏转的分析，深化对位移、速度、加速度、合运动与分运动、电场、电场力做功、电势能、电势差、等重要概念的理解。形成从相互作用与运动、功与能两方面分析同一运动过程的思维路径。 2.通过对加速和偏转的方案设计、理论探究和实验论证，理解带电粒子在电场中运动的性质和规律，会用运动合成与分解来处理带电粒子的偏转问题，提升分析综合、推理论证能力。 3.经历完整的科学探究过程，通过提出问题、方案设计、科学论证、论证反思、协作交流的过程，培养学生科学探究的能力。 4.了解直线加速器、示波器的基本结构和工作原理，体会物理模型在科技中的应用，加深对物理源于自然和生活,服务于社会的科学责任的认识。
教学内容
教学重点： 1. 从相互作用与运动、功与能两方面分析带电粒子在电场中加速和偏转的规律。
教学难点： 2. 带电粒子在电场中的偏转规律的得出及应用。
教学过程
1.情境导入：两则科技应用实例 师：来看两项与“带电粒子在电场中的运动”有关的科技应用实例。 科技应用（1）：如图1，北京正负电子对撞机中的正负电子对撞之前，电子要加速到接近光速。 图1 科技应用（2）：如图2，示波器的心脏——示波管，是通过控制电子的加速和偏转来工作的。 图2 设计意图：以北京正负电子对撞机和示波管为情境引入课题，拉近科学技术与物理学习之间的距离，既呈现了后续科学探究的问题载体，也给予学生增强民族自信、科技自信的教育，激发学生学习的兴趣，为新知识学习铺设了台阶。 2.科学探究：如何让电子加速 2.1设计、论证电子在电场中加速的方案 师：在两个实际应用的例子中，都需要对带电粒子进行加速。如何让带电粒子加速？请设计一个让电子由静止加速的可行方案。 生：设计方案，交流方案。 活动：在学生设计方案中筛选有代表性的，通过投影，组织学生交流、论证。 师：如图3，此方案将电子置于匀强电场中，能否使其加速？ 图3 生：电子受到向左的电场力，产生加速度，做匀加速直线运动。 师：很好，以此为背景，同学们求解电子加速到B点的末速度V0 生：交流求解过程： 师：从力与运动关系出发，通过加速度，以及其与速度、位移的关系，最终求得 加速的末速度。还有不同方法求末速度V0吗？ 生：运用动能定理求V0，展示求解过程： 师：电子在电场力作用下加速的过程，也是电场力做功，电势能和动能发生转化的过程，因此，两种方法都能计算末速度V0，其表达式也是一致的。还有其他方案也能让电子加速吗？ 生：如图4，在电子前方放置一正点电荷，也能让电子加速。 图4 师：在这一方案中，电子加速达到B点的速度又该如何求解呢？延续上面的两大分析思路，试一试。 生：电子在点电荷的电场中受到的电场力是变力，加速度也是变化的，从力与运动求末速度行不通。从功与能的角度考虑，虽然电场力做功是变力做功，但只要初末位置的电势差U1 已知，也是可以求末速度的。 设计意图：基于力与运动的关系来设计电子加速的可行方案，以求解加速运动的末速度为核心任务推进学习进程。从力与运动、功与能两方面来进行科学论证，建立同一运动过程两方面分析思考的思维方法，为后续科学探究指明路径，也进一步加深对匀强电场和非匀强电场差别的认知。在方案的设计、交流、论证中促进能力的提升。 2.2探究多级直线加速器原理 呈现材料：北京正负电子对撞机，整体外观像一个羽毛球拍。如图5，球拍的直柄部分是一台202米长的直线加速器，可以将电子加速获得2.5x109eV的能量。 图5 师：需要多大的电压直接给电子加速，才能使其获得2.5x109eV的能量？ 生：由动能定理：电场力做功，加速电压为 伏 师：相当于25亿伏的电压直接给电子加速！如此高的电压对装置的运行和维护都带来了巨大的挑战和困难！能否用相对较小的加速电压，也让粒子获得同样大的速度和能量呢？ 请同学们尝试画出你的解决方案。 生：画设计草图，论证交流。把电压较小的匀强电场沿直线有序排列，靠增加加速的次数来补偿。 师：科学家也是这样设计的。我们一起来论证一下这样设计的合理性。 从功能关系出发，将一次加速电场力做的总功分解为多次加速电场力做功，随着加速次数n的增多，即使每次加速电压U1减小，也能是粒子获得较大的速度和能量。 介绍直线加速器的原理：如图6，金属圆筒之间的间隙是加速电场，带电粒子在电场中加速运动，在金属圆筒中匀速运动，交替进行，逐级加速，最终达到很大的速度。 图6 师：同学们可能已经发现，供粒子匀速运动的金属圆筒为何要越来越长呢？课后可以参考课本的相关材料来自主探究。 设计意图：本探究环节分为两个层次进行，首先基于正负电子对撞机的真实素材，让学生通过简单估算产生对超高电压的强烈注意，引导学生提出需要解决的问题，即如何在达到较大的目标速度的前提下减小加速电压。其次，基于功能关系引导学生进行合理的推导和设计，达到解决实际问题的目的，为直线加速器原理的解读打下基础。教学中以学生作为学习的主体，从感性到理性，从猜想到论证，注重科学探究的落实，注重科学思维方法的培养。 2.3实验演示带点小球的多级加速 师：基于带电粒子的加速原理，老师利用实验室常见的器材，也设计了一个多级加速器。如图7，用静电感应起电机让铝箔条带异种电荷，铝箔条间形成3级加速电场，让铝箔包裹的轻质球带电，在电场间加速。演示实验，请同学们观察实验现象。 图7 设计意图：突破电子常态下不可见的困难，基于物理规律，巧妙设计演示实验，将多级加速过程搬到了学生面前，从科学推导到实验验证，形成完整的探究学习过程，强化了学生的学习体验。 3.科学探究：如何让电子偏转 3.1设计电子在电场中偏转的方案 师：采用多级加速的办法可以用较小的电压获取较大的速度。加速后的粒子如何实现偏转呢？如图8，请设计方案，让加速后的粒子击中正前方偏下的C点。 图8 生：设计方案，交流方案。 活动：在学生设计方案中筛选有代表性的，通过投影，组织学生交流、论证。 师：如图9，这位同学的方案是，在B、C两点装一对倾斜的平行极板，让电子在电场力的作用下沿BC方向作直线运动，击中C点。这一方案能实现吗？ 图9 生：显然电场力与初速度方向不共线，电子作曲线运动，不能沿BC方向做直线运动。 师：虽然不能实现目标，但是这一方案倒是启发我们，能否调整极板的位置，如图10，使电场力与初速度方向垂直，电子作曲线运动，向下偏转击中C点呢？ 图10 设计意图：通过开放性问题的设置，在方案的设计和论证中兼顾课堂教学中随机生成的问题的解答，运用已有知识，来辨明正误，抓住解决本问题的关键。强化了紧扣力与运动的关系来分析问题和设计方案的重要性。 3.2实验论证电子偏转的方案 师：在加速实验装置的基础上，加装了一对平行金属板，使其带异种电荷，在其间形成水平面前后方向的匀强电场。如图11，请同学们观察，加速后的小球进入偏转电场后的运动。 图11 生：带电小球加速后进入偏转电场，的确发生了偏转，打在了下极板上。 设计意图：考虑对偏转运动性质分析和理解的认知难度，在方案提出后，优先进行实验论证，基于成功的实验现象，提升学习的兴趣和解决复杂问题的信心，小球偏转后打在极板上，没有穿出电场的现象也为后续课堂反馈环节提供了应用本节课物理知识反思和解决实际问题的契机。 3.3理论分析电子偏转的规律 师：实验证明方案是可行的！粒子先加速，后偏转，其偏转运动的规律我们同样围绕其末速度的求解这一核心问题来进行探究。如图12，已知偏转电场电压为U2，极板长度为L，间距为d2，求电子偏转到达C点的速度Vc？ 图12 师：我们还是从力与运动的关系来分析，在偏转电场中电子受到的电场力是恒力，初状态电场力与初速度垂直，这样的运动时什么性质的曲线运动？和我们熟知的什么运动相类似？我们是如何处理这一类运动的？请同学们思考。 生：和平抛运动类似，也是加速度不变的匀变速运动。可以用运动分解的方法，在水平和竖直两个方向来分析。 师：同样的运动性质，我们采取同样的处理方法。在水平方向不受力，电子以初速度V0做匀速直线运动；竖直方向受到恒力作用，做匀加速直线运动。请同学们列出两个方向分位移和分速度的表达式，看看能否求解偏转末速度的大小和方向？ 生：由运动的分解，从两个方向上来列式求解，交流学习成果。 位移：水平方向， ； 竖直方向， ， 速度：水平方向， 竖直方向， 合速度大小 合速度方向 师：我们从力与运动关系分析了偏转运动的性质和规律。从功能关系能否求出偏转的末速度。 生：运用动能定理，，可以很方便的求出末速度的大小。 师：展示学习成果，组织讨论，方程中的U是偏转极板间的电压U2 吗？ 生：方程中的U对应初末位置BC所在等势面间的电势差，而不是偏转极板间的电压U2。 师：如图13，同学们对初末位置和所处等势面之间的电势差的对应关系分析到位。还可以从场强和电势差的关系来论证，U=Ey、U2=Ed2，偏转距离y比极板间距小，所以对应电势差比偏转电压低。 图13 设计意图：对实验现象展开理论探究，再次围绕如何求解偏转末速度的任务，驱动学生的思维活动持续进行。延续从力与运动、功与能两方面分析运动过程的路径，紧扣受力不变的特征，将偏转与平抛在运动性质、运动规律和处理方法等方面进行了联系和迁移，获得了问题解决的成功体验。通过科学探究的课堂落实，达成了培养科学思维、提升核心素养的目标。 4.课堂反馈：实例分析应用 4.1对演示实验的改进建议 师：如图14，演示实验中，加速后的小球向下偏转，并没有穿出偏转电场，而是打在了极板上，该如何改进，才能让带电小球穿出偏转电场？ 图14 生：从力与运动关系、采用运动分解的方法，在两个方向上来分析。 打在极板上，水平方向：， 竖直方向， 要穿出偏转电场，水平位移要满足x=L, 方法一，增大初速度V0，可以通过增加加速电场的电压来实现。 方法二，增大小在偏转场中的运动时间t，由竖直位移表达式可知，能通过减小偏转加速度来解决。由加速度的表达式可以推知，减弱偏转电压U2或是增大极板间距d2可以实现目标。 设计意图：从演示实验的现象出发，合理的设置问题，引导学生用本节课学习物理知识、科学方法来解决课堂发生的实际问题。对知识进行课堂反馈的同时，进一步提升科学思维水平。培养了细致观察、勤于反思的学习习惯，养成实事求是的科学态度。也为课后兴趣小组的研究性学习提供了课题和素材。 4.2示波器的工作原理分析 实物展示：拆下一边的外壳、接通电源的示波器调得一稳定波形，将研究对象从现象引到核心部件——示波管。如图15，结合结构图认知工作原理。 图15 师：示波管由：电子枪、偏转电极、荧光屏三部分组成。其中偏转电极有两对，改变其正负极性，能实现什么方向的偏转呢？ 生：X和X’电极使电子做横向的水平前后偏转，Y和Y’电极使电子做纵向的竖直上下偏转。 师：这样通过控制偏转极板的正负极性和偏转电压的大小，就可以控制电子在两个维度上的运动，使其打到荧光屏上任意位置。这就是示波管的工作原理。 设计意图：与课堂导入环节的情境相呼应，运用所学知识和方法，认识和理解示波器结构和工作原理，既巩固了知识，也获取了良好的学习体验。 5.课堂小结：聚焦科学方法 5.1对本节课进行小结 师生一起结合板书进行课堂总结。 1.基本方法：用力与运动的观点分析带电粒子和带电体在电场中的运动。用功与能观点分析带电粒子和带电体在电场中的运动。 2.基本规律：（V0、y、Vc 、tanθ等） 3.基本应用：直线加速器、示波管的原理 5.2强调带电粒子的界定 师：最后我们聚焦本节课研究的对象“带电粒子”，无论是理论探究中以电子为例，还是实验探究中以带电小球为例，无论是求加速度，还是考虑合外力做的总功，都没有考虑重力，只考虑了电场力，这样合理吗？理由是什么？ 生：电子不考虑重力是因为一般其重力远小于电场力，实验中小球在水平面上运动，其受到的支持力与重力平衡，可以认为只受电场力作用。 师：的确如此，具体问题中以电子、质子、离子等为代表的微观粒子在电场中一般其重力远小于电场力，近似忽略。此外带电的小球、液滴等物体，其重力是否考虑要具体受力分析视情况来界定。 设计意图：引导学生对本节课的基本方法、规律以及应用做系统的回顾整理。聚焦带电粒子是否考虑重力、辨析带电小球是否属于带电粒子范畴，经历抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想模型的过程，培养学生积极反思的习惯，实事求是的科学态度，训练思维的严谨性。

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