資源簡介

教學(xué)設(shè)計
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 高一 學(xué)期 春學(xué)期
課題 帶電粒子在電場中的運動
教學(xué)目標(biāo)
1.通過帶電粒子加速和偏轉(zhuǎn)的分析，深化對位移、速度、加速度、合運動與分運動、電場、電場力做功、電勢能、電勢差、等重要概念的理解。形成從相互作用與運動、功與能兩方面分析同一運動過程的思維路徑。 2.通過對加速和偏轉(zhuǎn)的方案設(shè)計、理論探究和實驗論證，理解帶電粒子在電場中運動的性質(zhì)和規(guī)律，會用運動合成與分解來處理帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題，提升分析綜合、推理論證能力。 3.經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，通過提出問題、方案設(shè)計、科學(xué)論證、論證反思、協(xié)作交流的過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。 4.了解直線加速器、示波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，體會物理模型在科技中的應(yīng)用，加深對物理源于自然和生活,服務(wù)于社會的科學(xué)責(zé)任的認(rèn)識。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點： 1. 從相互作用與運動、功與能兩方面分析帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。
教學(xué)難點： 2. 帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律的得出及應(yīng)用。
教學(xué)過程
1.情境導(dǎo)入：兩則科技應(yīng)用實例 師：來看兩項與“帶電粒子在電場中的運動”有關(guān)的科技應(yīng)用實例。 科技應(yīng)用（1）：如圖1，北京正負(fù)電子對撞機中的正負(fù)電子對撞之前，電子要加速到接近光速。 圖1 科技應(yīng)用（2）：如圖2，示波器的心臟——示波管，是通過控制電子的加速和偏轉(zhuǎn)來工作的。 圖2 設(shè)計意圖：以北京正負(fù)電子對撞機和示波管為情境引入課題，拉近科學(xué)技術(shù)與物理學(xué)習(xí)之間的距離，既呈現(xiàn)了后續(xù)科學(xué)探究的問題載體，也給予學(xué)生增強民族自信、科技自信的教育，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，為新知識學(xué)習(xí)鋪設(shè)了臺階。 2.科學(xué)探究：如何讓電子加速 2.1設(shè)計、論證電子在電場中加速的方案 師：在兩個實際應(yīng)用的例子中，都需要對帶電粒子進行加速。如何讓帶電粒子加速？請設(shè)計一個讓電子由靜止加速的可行方案。 生：設(shè)計方案，交流方案。 活動：在學(xué)生設(shè)計方案中篩選有代表性的，通過投影，組織學(xué)生交流、論證。 師：如圖3，此方案將電子置于勻強電場中，能否使其加速？ 圖3 生：電子受到向左的電場力，產(chǎn)生加速度，做勻加速直線運動。 師：很好，以此為背景，同學(xué)們求解電子加速到B點的末速度V0 生：交流求解過程： 師：從力與運動關(guān)系出發(fā)，通過加速度，以及其與速度、位移的關(guān)系，最終求得 加速的末速度。還有不同方法求末速度V0嗎？ 生：運用動能定理求V0，展示求解過程： 師：電子在電場力作用下加速的過程，也是電場力做功，電勢能和動能發(fā)生轉(zhuǎn)化的過程，因此，兩種方法都能計算末速度V0，其表達(dá)式也是一致的。還有其他方案也能讓電子加速嗎？ 生：如圖4，在電子前方放置一正點電荷，也能讓電子加速。 圖4 師：在這一方案中，電子加速達(dá)到B點的速度又該如何求解呢？延續(xù)上面的兩大分析思路，試一試。 生：電子在點電荷的電場中受到的電場力是變力，加速度也是變化的，從力與運動求末速度行不通。從功與能的角度考慮，雖然電場力做功是變力做功，但只要初末位置的電勢差U1 已知，也是可以求末速度的。 設(shè)計意圖：基于力與運動的關(guān)系來設(shè)計電子加速的可行方案，以求解加速運動的末速度為核心任務(wù)推進學(xué)習(xí)進程。從力與運動、功與能兩方面來進行科學(xué)論證，建立同一運動過程兩方面分析思考的思維方法，為后續(xù)科學(xué)探究指明路徑，也進一步加深對勻強電場和非勻強電場差別的認(rèn)知。在方案的設(shè)計、交流、論證中促進能力的提升。 2.2探究多級直線加速器原理 呈現(xiàn)材料：北京正負(fù)電子對撞機，整體外觀像一個羽毛球拍。如圖5，球拍的直柄部分是一臺202米長的直線加速器，可以將電子加速獲得2.5x109eV的能量。 圖5 師：需要多大的電壓直接給電子加速，才能使其獲得2.5x109eV的能量？ 生：由動能定理：電場力做功，加速電壓為 伏 師：相當(dāng)于25億伏的電壓直接給電子加速！如此高的電壓對裝置的運行和維護都帶來了巨大的挑戰(zhàn)和困難！能否用相對較小的加速電壓，也讓粒子獲得同樣大的速度和能量呢？ 請同學(xué)們嘗試畫出你的解決方案。 生：畫設(shè)計草圖，論證交流。把電壓較小的勻強電場沿直線有序排列，靠增加加速的次數(shù)來補償。 師：科學(xué)家也是這樣設(shè)計的。我們一起來論證一下這樣設(shè)計的合理性。 從功能關(guān)系出發(fā)，將一次加速電場力做的總功分解為多次加速電場力做功，隨著加速次數(shù)n的增多，即使每次加速電壓U1減小，也能是粒子獲得較大的速度和能量。 介紹直線加速器的原理：如圖6，金屬圓筒之間的間隙是加速電場，帶電粒子在電場中加速運動，在金屬圓筒中勻速運動，交替進行，逐級加速，最終達(dá)到很大的速度。 圖6 師：同學(xué)們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，供粒子勻速運動的金屬圓筒為何要越來越長呢？課后可以參考課本的相關(guān)材料來自主探究。 設(shè)計意圖：本探究環(huán)節(jié)分為兩個層次進行，首先基于正負(fù)電子對撞機的真實素材，讓學(xué)生通過簡單估算產(chǎn)生對超高電壓的強烈注意，引導(dǎo)學(xué)生提出需要解決的問題，即如何在達(dá)到較大的目標(biāo)速度的前提下減小加速電壓。其次，基于功能關(guān)系引導(dǎo)學(xué)生進行合理的推導(dǎo)和設(shè)計，達(dá)到解決實際問題的目的，為直線加速器原理的解讀打下基礎(chǔ)。教學(xué)中以學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，從感性到理性，從猜想到論證，注重科學(xué)探究的落實，注重科學(xué)思維方法的培養(yǎng)。 2.3實驗演示帶點小球的多級加速 師：基于帶電粒子的加速原理，老師利用實驗室常見的器材，也設(shè)計了一個多級加速器。如圖7，用靜電感應(yīng)起電機讓鋁箔條帶異種電荷，鋁箔條間形成3級加速電場，讓鋁箔包裹的輕質(zhì)球帶電，在電場間加速。演示實驗，請同學(xué)們觀察實驗現(xiàn)象。 圖7 設(shè)計意圖：突破電子常態(tài)下不可見的困難，基于物理規(guī)律，巧妙設(shè)計演示實驗，將多級加速過程搬到了學(xué)生面前，從科學(xué)推導(dǎo)到實驗驗證，形成完整的探究學(xué)習(xí)過程，強化了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。 3.科學(xué)探究：如何讓電子偏轉(zhuǎn) 3.1設(shè)計電子在電場中偏轉(zhuǎn)的方案 師：采用多級加速的辦法可以用較小的電壓獲取較大的速度。加速后的粒子如何實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)呢？如圖8，請設(shè)計方案，讓加速后的粒子擊中正前方偏下的C點。 圖8 生：設(shè)計方案，交流方案。 活動：在學(xué)生設(shè)計方案中篩選有代表性的，通過投影，組織學(xué)生交流、論證。 師：如圖9，這位同學(xué)的方案是，在B、C兩點裝一對傾斜的平行極板，讓電子在電場力的作用下沿BC方向作直線運動，擊中C點。這一方案能實現(xiàn)嗎？ 圖9 生：顯然電場力與初速度方向不共線，電子作曲線運動，不能沿BC方向做直線運動。 師：雖然不能實現(xiàn)目標(biāo)，但是這一方案倒是啟發(fā)我們，能否調(diào)整極板的位置，如圖10，使電場力與初速度方向垂直，電子作曲線運動，向下偏轉(zhuǎn)擊中C點呢？ 圖10 設(shè)計意圖：通過開放性問題的設(shè)置，在方案的設(shè)計和論證中兼顧課堂教學(xué)中隨機生成的問題的解答，運用已有知識，來辨明正誤，抓住解決本問題的關(guān)鍵。強化了緊扣力與運動的關(guān)系來分析問題和設(shè)計方案的重要性。 3.2實驗論證電子偏轉(zhuǎn)的方案 師：在加速實驗裝置的基礎(chǔ)上，加裝了一對平行金屬板，使其帶異種電荷，在其間形成水平面前后方向的勻強電場。如圖11，請同學(xué)們觀察，加速后的小球進入偏轉(zhuǎn)電場后的運動。 圖11 生：帶電小球加速后進入偏轉(zhuǎn)電場，的確發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，打在了下極板上。 設(shè)計意圖：考慮對偏轉(zhuǎn)運動性質(zhì)分析和理解的認(rèn)知難度，在方案提出后，優(yōu)先進行實驗論證，基于成功的實驗現(xiàn)象，提升學(xué)習(xí)的興趣和解決復(fù)雜問題的信心，小球偏轉(zhuǎn)后打在極板上，沒有穿出電場的現(xiàn)象也為后續(xù)課堂反饋環(huán)節(jié)提供了應(yīng)用本節(jié)課物理知識反思和解決實際問題的契機。 3.3理論分析電子偏轉(zhuǎn)的規(guī)律 師：實驗證明方案是可行的！粒子先加速，后偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)運動的規(guī)律我們同樣圍繞其末速度的求解這一核心問題來進行探究。如圖12，已知偏轉(zhuǎn)電場電壓為U2，極板長度為L，間距為d2，求電子偏轉(zhuǎn)到達(dá)C點的速度Vc？ 圖12 師：我們還是從力與運動的關(guān)系來分析，在偏轉(zhuǎn)電場中電子受到的電場力是恒力，初狀態(tài)電場力與初速度垂直，這樣的運動時什么性質(zhì)的曲線運動？和我們熟知的什么運動相類似？我們是如何處理這一類運動的？請同學(xué)們思考。 生：和平拋運動類似，也是加速度不變的勻變速運動。可以用運動分解的方法，在水平和豎直兩個方向來分析。 師：同樣的運動性質(zhì)，我們采取同樣的處理方法。在水平方向不受力，電子以初速度V0做勻速直線運動；豎直方向受到恒力作用，做勻加速直線運動。請同學(xué)們列出兩個方向分位移和分速度的表達(dá)式，看看能否求解偏轉(zhuǎn)末速度的大小和方向？ 生：由運動的分解，從兩個方向上來列式求解，交流學(xué)習(xí)成果。 位移：水平方向， ； 豎直方向， ， 速度：水平方向， 豎直方向， 合速度大小 合速度方向 師：我們從力與運動關(guān)系分析了偏轉(zhuǎn)運動的性質(zhì)和規(guī)律。從功能關(guān)系能否求出偏轉(zhuǎn)的末速度。 生：運用動能定理，，可以很方便的求出末速度的大小。 師：展示學(xué)習(xí)成果，組織討論，方程中的U是偏轉(zhuǎn)極板間的電壓U2 嗎？ 生：方程中的U對應(yīng)初末位置BC所在等勢面間的電勢差，而不是偏轉(zhuǎn)極板間的電壓U2。 師：如圖13，同學(xué)們對初末位置和所處等勢面之間的電勢差的對應(yīng)關(guān)系分析到位。還可以從場強和電勢差的關(guān)系來論證，U=Ey、U2=Ed2，偏轉(zhuǎn)距離y比極板間距小，所以對應(yīng)電勢差比偏轉(zhuǎn)電壓低。 圖13 設(shè)計意圖：對實驗現(xiàn)象展開理論探究，再次圍繞如何求解偏轉(zhuǎn)末速度的任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生的思維活動持續(xù)進行。延續(xù)從力與運動、功與能兩方面分析運動過程的路徑，緊扣受力不變的特征，將偏轉(zhuǎn)與平拋在運動性質(zhì)、運動規(guī)律和處理方法等方面進行了聯(lián)系和遷移，獲得了問題解決的成功體驗。通過科學(xué)探究的課堂落實，達(dá)成了培養(yǎng)科學(xué)思維、提升核心素養(yǎng)的目標(biāo)。 4.課堂反饋：實例分析應(yīng)用 4.1對演示實驗的改進建議 師：如圖14，演示實驗中，加速后的小球向下偏轉(zhuǎn)，并沒有穿出偏轉(zhuǎn)電場，而是打在了極板上，該如何改進，才能讓帶電小球穿出偏轉(zhuǎn)電場？ 圖14 生：從力與運動關(guān)系、采用運動分解的方法，在兩個方向上來分析。 打在極板上，水平方向：， 豎直方向， 要穿出偏轉(zhuǎn)電場，水平位移要滿足x=L, 方法一，增大初速度V0，可以通過增加加速電場的電壓來實現(xiàn)。 方法二，增大小在偏轉(zhuǎn)場中的運動時間t，由豎直位移表達(dá)式可知，能通過減小偏轉(zhuǎn)加速度來解決。由加速度的表達(dá)式可以推知，減弱偏轉(zhuǎn)電壓U2或是增大極板間距d2可以實現(xiàn)目標(biāo)。 設(shè)計意圖：從演示實驗的現(xiàn)象出發(fā)，合理的設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生用本節(jié)課學(xué)習(xí)物理知識、科學(xué)方法來解決課堂發(fā)生的實際問題。對知識進行課堂反饋的同時，進一步提升科學(xué)思維水平。培養(yǎng)了細(xì)致觀察、勤于反思的學(xué)習(xí)習(xí)慣，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度。也為課后興趣小組的研究性學(xué)習(xí)提供了課題和素材。 4.2示波器的工作原理分析 實物展示：拆下一邊的外殼、接通電源的示波器調(diào)得一穩(wěn)定波形，將研究對象從現(xiàn)象引到核心部件——示波管。如圖15，結(jié)合結(jié)構(gòu)圖認(rèn)知工作原理。 圖15 師：示波管由：電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏三部分組成。其中偏轉(zhuǎn)電極有兩對，改變其正負(fù)極性，能實現(xiàn)什么方向的偏轉(zhuǎn)呢？ 生：X和X’電極使電子做橫向的水平前后偏轉(zhuǎn)，Y和Y’電極使電子做縱向的豎直上下偏轉(zhuǎn)。 師：這樣通過控制偏轉(zhuǎn)極板的正負(fù)極性和偏轉(zhuǎn)電壓的大小，就可以控制電子在兩個維度上的運動，使其打到熒光屏上任意位置。這就是示波管的工作原理。 設(shè)計意圖：與課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)的情境相呼應(yīng)，運用所學(xué)知識和方法，認(rèn)識和理解示波器結(jié)構(gòu)和工作原理，既鞏固了知識，也獲取了良好的學(xué)習(xí)體驗。 5.課堂小結(jié)：聚焦科學(xué)方法 5.1對本節(jié)課進行小結(jié) 師生一起結(jié)合板書進行課堂總結(jié)。 1.基本方法：用力與運動的觀點分析帶電粒子和帶電體在電場中的運動。用功與能觀點分析帶電粒子和帶電體在電場中的運動。 2.基本規(guī)律：（V0、y、Vc 、tanθ等） 3.基本應(yīng)用：直線加速器、示波管的原理 5.2強調(diào)帶電粒子的界定 師：最后我們聚焦本節(jié)課研究的對象“帶電粒子”，無論是理論探究中以電子為例，還是實驗探究中以帶電小球為例，無論是求加速度，還是考慮合外力做的總功，都沒有考慮重力，只考慮了電場力，這樣合理嗎？理由是什么？ 生：電子不考慮重力是因為一般其重力遠(yuǎn)小于電場力，實驗中小球在水平面上運動，其受到的支持力與重力平衡，可以認(rèn)為只受電場力作用。 師：的確如此，具體問題中以電子、質(zhì)子、離子等為代表的微觀粒子在電場中一般其重力遠(yuǎn)小于電場力，近似忽略。此外帶電的小球、液滴等物體，其重力是否考慮要具體受力分析視情況來界定。 設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生對本節(jié)課的基本方法、規(guī)律以及應(yīng)用做系統(tǒng)的回顧整理。聚焦帶電粒子是否考慮重力、辨析帶電小球是否屬于帶電粒子范疇，經(jīng)歷抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想模型的過程，培養(yǎng)學(xué)生積極反思的習(xí)慣，實事求是的科學(xué)態(tài)度，訓(xùn)練思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

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