【教學(xué)目標(biāo)】


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。


3．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。


4．通過知識的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的精神。


【教學(xué)重點】


帶電粒子在勻強電場中的運動規(guī)律。


【教學(xué)難點】


綜合應(yīng)用力學(xué)和電學(xué)知識處理偏轉(zhuǎn)問題。


【教學(xué)過程】


一、新課導(dǎo)入


教師活動：給學(xué)生拋出2012年全世界粒子物理學(xué)界最振奮人心的消息：發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”。


給大家講述中國科學(xué)院卡弗里理論物理研究所2012年KITPC拓展項目活動，歐洲核子中心大型強子對撞機原理。


結(jié)合北京正負電子對撞機的圖片講述參觀感受，介紹電子直線加速原理與世界粒子物理研究前沿對接，引入新課。


二、新課教學(xué)


1．教學(xué)任務(wù)：帶電粒子在電場中的的平衡問題


師生活動：出示問題


問題1：水平放置的兩平行金屬板間有一勻強電場，已知板間距離為d=5cm，有一質(zhì)量為m=1.0×10-9kg、帶負電的液滴懸浮其中，其電荷量為5.0×10-12C，要使液滴處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩極板間應(yīng)加多大的電勢差？哪塊極板的電勢較高？


以提問的方式，師生共同分析得出結(jié)論，投影解題過程。


學(xué)生回答：略


2．教學(xué)任務(wù)：帶電粒子的加速


師生活動：出示問題


問題2：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間存在場強為E的勻強電場，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，從左側(cè)極板附近由靜止加速，求：電子的加速度、到達右側(cè)極板時的速度及所需時間。





問題3：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間電壓為U，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，從左側(cè)極板附近由靜止加速，求：電子的加速度、到達右側(cè)極板時的速度及所需時間。





問題4：如圖，兩平行極板之間的距離為d，板間電壓為U，有一電荷量為e，質(zhì)量為m的電子，以初速度為v0從左側(cè)極板附近加速，求：電子的加速度和到達右側(cè)極板時的速度。





學(xué)生分三組，分別完成問題2、問題3和問題4，分別匯報結(jié)果。


征求不同的解法和思路，總結(jié)出兩種不同的處理思路：動力學(xué)觀點和能量觀點。


方法一：先求出帶電粒子的加速度：


a=qUmd


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=2aS=2qUm


方法二：由W=qU及動能定理：


W=qU=12mv2-0


得：


v=2qUm


到達另一板時的速度為：


v=2qUm


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=Fscsθ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)最終的速度表達式。


學(xué)生思考討論，列式推導(dǎo)（教師抽查學(xué)生探究結(jié)果并展示）教師最后點撥拓展：


推導(dǎo)：設(shè)初速為v0，末速為v，則據(jù)動能定理得


qU=12mv2-12mv02


所以


v=v02+2qUm


v0=0時， v=2qUm）


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。


教學(xué)任務(wù)：拓展1


在加速問題中，如果兩極板是其他形狀，例如圖中所示電場，中間的電場不再均勻，上面的結(jié)果是否仍然適用？為什么？





3．教學(xué)任務(wù)：帶電粒子的偏轉(zhuǎn)


師生活動：投影問題5


問題5：如圖所示，電子以初速度v0垂直于電場線射入勻強電場中，兩極板之間的電壓為U，板長為l，板間距離為d，電子電荷量為e，質(zhì)量為m，初速度為v0水平向右，電子能從極板右側(cè)打出。


問題討論：


①分析電子的受力情況。


②你認(rèn)為這種情境同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么?


③你能類比得到帶電粒子在勻強電場中運動的研究方法嗎?


求：①電子在射出電場時豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離。


②電子在離開電場時的速度偏轉(zhuǎn)角的正切值。


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）


同桌對結(jié)果相互評議，針對不同意見進行討論，達成一致。


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=lv0


加速度


a=Fm=qEm=qUmd


豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離


y=12qUmd?lv02=qUl22mdv02


粒子離開電場時豎直方向的速度為


vy=qUmd?lv0=qUlmdv0


速度為


v=vy2+v02=(qUlmdv0)2+v02


粒子離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ為


tanθ=vyvx=qUlmdv02


教學(xué)任務(wù)：拓展2、拓展3


拓展2：


①如果偏轉(zhuǎn)電壓增大，則電子的偏轉(zhuǎn)位移和偏轉(zhuǎn)角如何變化？


②如果偏轉(zhuǎn)電場的上極板帶負電，下極板帶正電，電子又會往哪兒偏？


③如果偏轉(zhuǎn)電場的兩極板如圖示豎直放置，電子會如何偏轉(zhuǎn)呢？





拓展3


電子從靜止開始經(jīng)加速電壓U1加速后，沿垂直于電場線方向射入兩平行板中央，如何處理這種先加速后偏轉(zhuǎn)的問題？





4．教學(xué)任務(wù)：示波管


（1）示波器：用來觀察電信號隨時間變化的電子儀器，其核心部分是示波管。





師生活動：


多媒體展示：示波管原理圖：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。


（2）示波管的構(gòu)造及原理





認(rèn)識結(jié)構(gòu)：電子槍通電后會產(chǎn)生熱電子，電子在加速電場作用下被加速，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只是這里有兩組偏轉(zhuǎn)電極。


例題：已知加速電壓U1、極板長l、YY’偏轉(zhuǎn)電極的電壓U2、板間距d、板端到熒光屏的距離L。


求：電子射出偏轉(zhuǎn)電場時的偏向角正切值tanα及打到屏上電子的偏移量y'。





（3）常見波形




















三、鞏固練習(xí)


1.如圖所示，M、N是在真空中豎直放置的兩塊平行金屬板，質(zhì)量為m、電量為+??的質(zhì)子，以極小的初速度由小孔進入電場，當(dāng)M、N間電壓為??時，粒子到達N板的速度為??，如果要使這個帶電粒子到達N板的速度為2??，則下述方法能滿足要求的是（ ）


A、使M、N間電壓增加為2U


B、使M、N間電壓增加為4U


C、使M、N間電壓不變，距離減半


D、使M、N間電壓不變，距離加倍


2.氫的三種同位素氕、氘、氚的原子核分別為11H、12H 、13H。它們以相同的初動能垂直進入同一勻強電場，離開電場時，末動能最大的是（ ）


A．氕核 B．氘核 C．氚核 D．一樣大


3.如圖所示，電子在電勢差為U1的電場中加速后，垂直進入電勢差為U2的偏轉(zhuǎn)電場，在滿足電子能射出的條件下，下列四種情況中，一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角θ變大的是( )


A．U1變大、U2變大


B．U1變小、U2變大


C．U1變大、U2變小


D．U1變小、U2變小


4.（多選）如圖，二價氦離子和質(zhì)子的混合體，經(jīng)同一加速電場加速后垂直射入同一偏轉(zhuǎn)電場中，偏轉(zhuǎn)后打在同一熒光屏上，則它們（ ）


A．側(cè)移相同


B．偏轉(zhuǎn)角相同


C．到達屏上同一點


D．到達屏上不同點

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