資源簡介

2.4《帶電粒子在電場中的運動》課時教案
學(xué)科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 魯科版高中物理必修第三冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節(jié)內(nèi)容位于魯科版高中物理必修第三冊第二章第4節(jié)，是靜電場知識的深化與應(yīng)用。教材通過分析帶電粒子在勻強電場中的加速與偏轉(zhuǎn)，將電場力、牛頓運動定律、動能定理、類平拋運動等核心物理知識有機整合，體現(xiàn)了“從力和能量兩個視角分析電磁現(xiàn)象”的新課標理念。內(nèi)容具有承上啟下的作用，既鞏固了電場強度、電勢差等概念，又為后續(xù)學(xué)習(xí)示波器原理、質(zhì)譜儀、回旋加速器等現(xiàn)代科技應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
學(xué)情分析
高二學(xué)生已掌握牛頓運動定律、動能定理、平拋運動等力學(xué)知識，具備一定的矢量分析與運動合成能力。但對電場與力學(xué)的綜合應(yīng)用仍存在思維斷層，容易將電場力與重力混淆，難以建立“類平拋”模型。學(xué)生抽象思維能力正在發(fā)展，對微觀粒子運動缺乏直觀感知。因此，需通過實驗?zāi)M、動畫演示和生活類比降低認知門檻，引導(dǎo)學(xué)生從“受力—運動—能量”三重路徑構(gòu)建物理圖景，突破思維障礙。
課時教學(xué)目標
物理觀念
1. 理解帶電粒子在勻強電場中受恒定電場力作用，其運動可分解為沿電場方向的勻變速直線運動和垂直電場方向的勻速直線運動。
2. 掌握帶電粒子在電場中加速與偏轉(zhuǎn)的規(guī)律，能運用牛頓第二定律和動能定理解決相關(guān)問題。
科學(xué)思維
1. 能將帶電粒子在電場中的運動類比為平拋運動，建立“類平拋”物理模型，提升模型建構(gòu)能力。
2. 能從力和能量兩個角度分析帶電粒子的運動，體會多路徑解決問題的科學(xué)方法。
科學(xué)探究
1. 通過分析示波管工作原理，設(shè)計實驗探究帶電粒子偏轉(zhuǎn)規(guī)律，提升問題解決與方案設(shè)計能力。
2. 能利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)（如DIS）模擬粒子軌跡，進行數(shù)據(jù)采集與分析，發(fā)展實驗探究素養(yǎng)。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
1. 認識帶電粒子控制技術(shù)在示波器、醫(yī)學(xué)成像、粒子加速器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，體會物理與科技的緊密聯(lián)系。
2. 感悟科學(xué)家在微觀世界探索中的嚴謹態(tài)度與創(chuàng)新精神，增強社會責(zé)任感與科學(xué)使命感。
教學(xué)重點、難點
重點
1. 帶電粒子在勻強電場中的加速規(guī)律（動能定理應(yīng)用）。
2. 帶電粒子在勻強電場中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律（類平拋運動分析）。
難點
1. 建立“類平拋”運動模型，理解電場力方向與初速度方向垂直時的運動分解。
2. 綜合力學(xué)與電學(xué)知識，靈活選用牛頓定律或能量觀點解決復(fù)雜問題。
教學(xué)方法與準備
教學(xué)方法
情境探究法、合作探究法、講授法、實驗演示法
教具準備
多媒體課件、示波器實物或模型、電子束演示儀、DIS傳感器、激光筆、坐標紙
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動 學(xué)生活動
情境導(dǎo)入
【5分鐘】 一、科技之眼：示波器中的電子舞步 （一）、展示實物，激發(fā)興趣。
教師手持示波器模型或?qū)嵨铮徛D(zhuǎn)展示其外形，引導(dǎo)學(xué)生觀察屏幕上的亮斑。提問：“同學(xué)們，這是什么儀器？它在實驗室中常用來測量什么？”待學(xué)生回答后，繼續(xù)追問：“你們知道屏幕上那個跳動的光點，其實是無數(shù)高速電子撞擊熒光屏形成的嗎？這些微小的帶電粒子是如何被精確控制，在屏幕上畫出各種波形的？”通過設(shè)問，將學(xué)生的注意力從宏觀儀器引向微觀粒子的運動控制。
（二）、播放動畫，構(gòu)建圖景。
播放一段高清動畫：電子從陰極發(fā)射，在電場中被加速，隨后進入偏轉(zhuǎn)電極，在水平與豎直電場的共同作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終擊中熒光屏特定位置發(fā)光。動畫暫停在電子進入偏轉(zhuǎn)板的瞬間，教師強調(diào)：“今天，我們就化身‘電子指揮官’，揭開帶電粒子在電場中運動的神秘面紗，破解示波器背后的物理密碼。”
（三）、提出挑戰(zhàn)，明確任務(wù)。
教師在黑板上寫下本節(jié)課的“終極挑戰(zhàn)”：“如果你是示波器設(shè)計師，如何計算電子經(jīng)過加速電壓U 后獲得的速度？又如何控制它在偏轉(zhuǎn)電場中偏移的距離，讓它精準命中目標？”以此任務(wù)驅(qū)動整節(jié)課的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題進入探究。 1. 觀察示波器，回憶其功能。
2. 觀看動畫，感知電子運動軌跡。
3. 思考問題，明確學(xué)習(xí)目標。
4. 進入“電子指揮官”角色。
評價任務(wù) 觀察專注：☆☆☆
問題提出：☆☆☆
任務(wù)理解：☆☆☆
設(shè)計意圖 以高科技儀器“示波器”為真實情境，通過實物展示與動畫演示，將抽象的微觀粒子運動可視化，激發(fā)學(xué)生好奇心與探究欲。提出“電子指揮官”的角色挑戰(zhàn)，賦予學(xué)習(xí)任務(wù)明確目標與意義，實現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，為后續(xù)知識建構(gòu)提供動力支持。
新知探究一：電場中的“加速器”
【10分鐘】 一、靜電力做功：從靜止到高速 （1）、構(gòu)建模型，分析受力。
教師在PPT上展示一幅帶電粒子（以電子為例，電荷量為-e）在兩塊平行金屬板間被加速的示意圖。左側(cè)板接地，右側(cè)板接正電壓U，兩板間距離為d。教師引導(dǎo)：“假設(shè)電子從負極板附近由靜止釋放，它將如何運動？受到哪些力？請畫出受力分析圖。”待學(xué)生思考后，教師用紅筆在圖上標出電場方向（從正極指向負極），并指出電子所受電場力F = eE，方向與電場方向相反，即指向正極板。強調(diào)：“在忽略重力的情況下，電子僅受恒定電場力作用，將做初速度為零的勻加速直線運動。”
（2）、雙路徑推導(dǎo)，建立規(guī)律。
教師提出：“我們?nèi)绾斡嬎汶娮拥竭_正極板時的速度v？請嘗試從兩個角度思考：一是從力和運動的關(guān)系（牛頓第二定律），二是從能量轉(zhuǎn)化的角度（動能定理）。”
路徑一（牛頓第二定律）：教師板書推導(dǎo)過程。由F = ma，F(xiàn) = eE，E = U/d，得加速度a = (eU)/(md)。再由v = 2ad，代入得v = F＝。
路徑二（動能定理）：教師強調(diào)：“電場力做功W = Fd = eEd = eU，根據(jù)動能定理W = ΔEk = mv - 0，直接得到 mv = eU，故v = 。”
教師對比兩種方法，總結(jié)：“動能定理更簡潔，不涉及中間過程，是解決加速問題的首選方法。”
（3）、深化理解，拓展應(yīng)用。
教師提問：“如果粒子帶正電（如質(zhì)子），結(jié)果會怎樣？”引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)公式v = 中q為電荷量絕對值，結(jié)論相同。再問：“如果粒子有初速度v ，公式如何修正？”引導(dǎo)學(xué)生得出 mv - mv = qU。最后，教師強調(diào)：“此結(jié)論與粒子質(zhì)量、電荷量具體值無關(guān)，只取決于電壓U和q/m比值，這正是質(zhì)譜儀工作的基礎(chǔ)。” 1. 分析受力，畫出受力圖。
2. 嘗試用兩種方法推導(dǎo)速度。
3. 比較方法，理解能量優(yōu)勢。
4. 討論變式，拓展認知邊界。
評價任務(wù) 受力分析：☆☆☆
公式推導(dǎo)：☆☆☆
能量應(yīng)用：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過構(gòu)建“平行板加速”物理模型，引導(dǎo)學(xué)生從受力分析入手，經(jīng)歷“牛頓定律”與“動能定理”兩條路徑的推導(dǎo)，深刻體會能量觀點在解決變力或復(fù)雜過程問題中的優(yōu)越性。通過正負電荷、有無初速度的變式討論，提升學(xué)生思維的嚴謹性與遷移能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)現(xiàn)代科技應(yīng)用埋下伏筆。
新知探究二：電場中的“偏轉(zhuǎn)舵”
【15分鐘】 一、類平拋運動：水平飛行，豎直偏移 （1）、演示實驗，直觀感知。
教師開啟電子束演示儀，讓學(xué)生觀察電子束在無偏轉(zhuǎn)電場時沿直線傳播，在施加豎直方向偏轉(zhuǎn)電壓后，光點在屏幕上發(fā)生水平方向的偏移（注意：示波器中水平偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生豎直電場，導(dǎo)致電子水平偏移）。教師引導(dǎo)：“為什么電場豎直，偏移卻是水平的？請大家思考電子進入偏轉(zhuǎn)電場時的初速度方向。”待學(xué)生意識到電子沿水平方向射入后，教師總結(jié)：“關(guān)鍵在于初速度與電場力方向垂直，這與平拋運動中水平初速度與豎直重力垂直極為相似。”
（2）、模型建構(gòu)，分解運動。
教師在黑板上繪制帶電粒子以初速度v 水平射入勻強電場（電場方向豎直向下）的示意圖。提出問題：“如何研究這種復(fù)雜運動？”引導(dǎo)學(xué)生回憶平拋運動的處理方法——運動的合成與分解。教師明確：“我們將粒子的運動分解為兩個方向：x方向（水平）不受力，做勻速直線運動；y方向（豎直）受恒定電場力F = qE，做初速度為零的勻加速直線運動。這就是‘類平拋’模型。”
（3）、定量推導(dǎo)，掌握規(guī)律。
教師引導(dǎo)學(xué)生建立坐標系，設(shè)偏轉(zhuǎn)電極長度為l，板間電壓為U ，距離為d，則電場強度E = U /d。推導(dǎo)過程如下：
x方向：x = v t → t = x/v
y方向：y = at = (qE/m)t = (qU /md)(x /v )
教師強調(diào)：“這是粒子在偏轉(zhuǎn)電場內(nèi)的軌跡方程，是一條拋物線。”接著推導(dǎo)離開電場時的偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ：
當x = l時，y = (qU l )/(2mdv )
vy = at = (qU l)/(mdv )，tanθ = vy/v = (qU l)/(mdv )
教師指出：“偏轉(zhuǎn)距離y與偏轉(zhuǎn)電壓U 成正比，與加速電壓U （影響v ）成反比，這正是示波器調(diào)節(jié)波形幅度的原理。”
（4）、合作探究，解決問題。
教師分發(fā)任務(wù)卡：已知電子經(jīng)100V電壓加速后，進入長5cm、間距1cm的偏轉(zhuǎn)板，偏轉(zhuǎn)電壓為20V。求電子離開偏轉(zhuǎn)電場時的偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ的正切值tanθ。學(xué)生分組計算，教師巡視指導(dǎo)，最后展示典型解法并點評。 1. 觀察實驗，提出疑問。
2. 回憶平拋，構(gòu)建類比模型。
3. 參與推導(dǎo)，記錄關(guān)鍵公式。
4. 合作計算，解決實際問題。
評價任務(wù) 模型構(gòu)建：☆☆☆
公式應(yīng)用：☆☆☆
合作計算：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過實驗演示將抽象概念具象化，利用“類比平拋”的思維方法，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)“類平拋”物理模型，實現(xiàn)知識的遷移與創(chuàng)新。通過完整的定量推導(dǎo)，讓學(xué)生掌握偏轉(zhuǎn)規(guī)律的核心公式，并理解其物理意義。合作探究任務(wù)強化了公式的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的計算能力與團隊協(xié)作精神。
綜合應(yīng)用：破解示波器之謎
【10分鐘】 一、科技解密：從原理到應(yīng)用 （1）、整合模型，還原系統(tǒng)。
教師展示示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化圖，指出電子槍（對應(yīng)加速）、水平偏轉(zhuǎn)板（產(chǎn)生豎直電場，控制x方向掃描）、豎直偏轉(zhuǎn)板（產(chǎn)生水平電場，控制y方向信號輸入）三大核心部件。引導(dǎo)學(xué)生將前兩部分所學(xué)知識整合：“電子先被高壓U 加速獲得高速v ，然后依次通過水平和豎直偏轉(zhuǎn)板。水平偏轉(zhuǎn)板加上鋸齒波電壓，使電子束從左到右勻速掃描；豎直偏轉(zhuǎn)板加上待測信號電壓，使電子束上下偏移。兩者的合成運動就在屏幕上描繪出信號波形。”
（2）、情境任務(wù)，深化理解。
教師提出：“如果待測信號電壓增大一倍，屏幕上的波形會發(fā)生什么變化？如果掃描電壓頻率變慢呢？”引導(dǎo)學(xué)生運用y ∝ U 和掃描周期T = 1/f的知識進行分析，得出“波形幅度變大”和“波形變寬”的結(jié)論。再問：“為什么示波器能‘凍結(jié)’快速變化的信號？”引導(dǎo)學(xué)生理解“余輝”效應(yīng)與人眼視覺暫留的原理。
（3）、拓展視野，聯(lián)系前沿。
教師簡要介紹帶電粒子控制技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用：如醫(yī)學(xué)中的電子束放療（精準打擊癌細胞）、粒子物理中的大型強子對撞機（LHC，將質(zhì)子加速到接近光速）、質(zhì)譜儀（通過q/m比值分析物質(zhì)成分）。播放一段LHC加速質(zhì)子的震撼視頻片段，讓學(xué)生感受人類探索微觀世界的偉大力量。 1. 觀察結(jié)構(gòu)圖，整合知識模塊。
2. 分析參數(shù)變化，預(yù)測波形變化。
3. 思考科學(xué)問題，理解技術(shù)原理。
4. 感受科技魅力，拓寬科學(xué)視野。
評價任務(wù) 系統(tǒng)整合：☆☆☆
現(xiàn)象預(yù)測：☆☆☆
視野拓展：☆☆☆
設(shè)計意圖 以“破解示波器之謎”為綜合任務(wù)，將加速與偏轉(zhuǎn)兩大知識點有機整合，還原真實科技產(chǎn)品的物理本質(zhì)，實現(xiàn)“從物理到技術(shù)”的跨越。通過情境化問題深化對規(guī)律的理解，并借助前沿科技視頻，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與科學(xué)探索熱情，落實“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的核心素養(yǎng)。
課堂總結(jié)
【5分鐘】 一、知識升華：微觀世界的指揮藝術(shù) （1）、結(jié)構(gòu)化回顧。
教師引導(dǎo)學(xué)生共同回顧：“今天我們破解了帶電粒子在電場中運動的兩大密碼：一是‘加速密碼’——利用動能定理qU = mv ，實現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)化；二是‘偏轉(zhuǎn)密碼’——構(gòu)建‘類平拋’模型，實現(xiàn)運動精準控制。這兩套密碼，正是現(xiàn)代電子科技的基石。”
（2）、升華式總結(jié)。
教師深情總結(jié)：“同學(xué)們，每一個在示波器屏幕上跳動的光點，都是人類智慧對微觀世界的溫柔觸摸。從湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，到勞倫斯發(fā)明回旋加速器，科學(xué)家們用一個個精巧的電場，指揮著看不見的粒子，為我們打開了認識宇宙的新窗口。正如居里夫人所說：‘生活中沒有什么可怕的東西，只有需要理解的東西。’希望你們保持這份好奇與勇氣，未來也能在科學(xué)的星空中，留下屬于自己的軌跡。讓我們記住：物理不僅是公式與計算，更是人類探索未知、改變世界的詩篇。” 1. 回顧知識框架。
2. 理解物理本質(zhì)。
3. 感悟科學(xué)精神。
4. 樹立遠大志向。
評價任務(wù) 知識梳理：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
價值認同：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過結(jié)構(gòu)化回顧，幫助學(xué)生構(gòu)建清晰的知識網(wǎng)絡(luò)。以居里夫人的名言為引，將物理知識升華至科學(xué)精神與人文情懷的層面，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動力與社會責(zé)任感，實現(xiàn)知識、能力、情感的三維統(tǒng)一，讓課堂在理性與詩意中圓滿落幕。
作業(yè)設(shè)計
一、基礎(chǔ)鞏固：公式應(yīng)用
1. 一個質(zhì)子（質(zhì)量m，電荷+e）從靜止開始，經(jīng)過電壓為U的電場加速后，進入偏轉(zhuǎn)電場。偏轉(zhuǎn)電極長l，間距d，所加電壓為U 。求：
（1）質(zhì)子進入偏轉(zhuǎn)電場時的速度v 。
（2）質(zhì)子離開偏轉(zhuǎn)電場時的偏轉(zhuǎn)距離y。
（3）若將質(zhì)子換成α粒子（質(zhì)量4m，電荷+2e），其他條件不變，y將變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮?br/>二、能力提升：實際應(yīng)用
2. 示波器中，電子經(jīng)電壓U =500V加速后射入偏轉(zhuǎn)電極。偏轉(zhuǎn)電極長l=4.0cm，板間距離d=1.0cm。要使電子束在熒光屏上的偏轉(zhuǎn)距離達到y(tǒng)=2.0cm（已知偏轉(zhuǎn)電極到熒光屏的距離L=20cm，且偏轉(zhuǎn)角很小時，可認為電子離開電場后做勻速直線運動），求偏轉(zhuǎn)電壓U 應(yīng)調(diào)至多大？
三、拓展探究：科學(xué)視野
3. 查閱資料，簡述質(zhì)譜儀的工作原理，并說明其中如何應(yīng)用了本節(jié)課所學(xué)的帶電粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn)規(guī)律。
【答案解析】
一、基礎(chǔ)鞏固
（1）由動能定理：eU = mv → v =
（2）y = (eU l )/(2mdv ) = (eU l )/(2md·2eU/m) = (U l )/(4dU)
（3）α粒子：q=2e, m'=4m → y' = (2eU l )/(2·4m·d·v ) ，而v = 2·2eU/(4m) = eU/m → y' = (2eU l )/(8md·eU/m) = (U l )/(4dU) = y，故為1倍。
二、能力提升
電子在偏轉(zhuǎn)電場中：y = (eU l )/(2mdv )，v = 2eU /m → y = (U l )/(4dU )
離開電場后勻速運動：偏轉(zhuǎn)角tanθ ≈ y /L = (vy/v )/L，而vy = at = (eU /md)(l/v ) → tanθ = (eU l)/(mdv ) = (U l)/(dU )
總偏轉(zhuǎn)距離y = y + y ≈ y + L·tanθ = (U l )/(4dU ) + L·(U l)/(dU ) = (U l)/(dU ) · (l/4 + L)
代入數(shù)據(jù)：2.0 = (U ×4.0)/(1.0×500) × (1.0 + 20) → U = (2.0×500×1.0)/(4.0×21) ≈ 11.9V
板書設(shè)計
《帶電粒子在電場中的運動》
┌──────────────────────┐
│ 一、加速：動能定理 │
│ qU = mv → v = │
│ │
│ 二、偏轉(zhuǎn)：類平拋模型 │
│ x方向：v 恒定，x = v t │
│ y方向：a = qE/m，y = at │
│ 軌跡：y = (qU x )/(2mdv ) │
│ 出場：y = (qU l )/(2mdv ) │
│ tanθ = (qU l)/(mdv ) │
│
│ 三、應(yīng)用：示波器、質(zhì)譜儀、加速器 │
└──────────────────────┘
【主線】加速 → 偏轉(zhuǎn) → 應(yīng)用
【關(guān)鍵詞】能量轉(zhuǎn)化、運動分解、科技之眼
教學(xué)反思
成功之處
1. 以“示波器”為真實情境貫穿始終，通過“電子指揮官”的角色任務(wù)驅(qū)動，極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，實現(xiàn)了知識學(xué)習(xí)與科技應(yīng)用的深度融合。
2. 成功引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“類平拋”物理模型，通過與平拋運動的類比，降低了認知難度，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與模型建構(gòu)能力。
3. 板書設(shè)計清晰呈現(xiàn)了“加速—偏轉(zhuǎn)—應(yīng)用”的知識主線，配合關(guān)鍵詞與圖形，幫助學(xué)生構(gòu)建了系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)。
不足之處
1. 在合作計算環(huán)節(jié)，部分學(xué)生對公式中各物理量的單位換算不夠熟練，導(dǎo)致計算耗時較長，今后需加強單位制的訓(xùn)練。
2. 對“偏轉(zhuǎn)角很小”這一近似條件的物理意義解釋不夠深入，部分學(xué)生理解模糊，應(yīng)在后續(xù)課程中通過作圖進一步強化。
3. 數(shù)字化實驗（DIS）的應(yīng)用未能充分展開，受限于設(shè)備數(shù)量，未能讓所有學(xué)生動手操作，未來應(yīng)爭取更多資源，提升實驗探究的覆蓋面。

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