資源簡介

2.2《帶電粒子在電場中的運動》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 粵教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
本節內容位于粵教版高中物理必修第三冊第二章第二節，是靜電場知識的深化與應用。教材通過分析帶電粒子在勻強電場中的加速和偏轉規律，構建了“力—電—運動”三者之間的聯系，體現了物理學中“從受力出發研究運動”的基本思想。該節既是牛頓運動定律、動能定理等力學知識的綜合運用，也是后續學習示波器原理、質譜儀等現代科技設備的基礎，在整個電磁學體系中具有承上啟下的關鍵作用。
學情分析
高二學生已掌握庫侖定律、電場強度、電勢差等基本概念，并具備一定的力學分析能力，能夠運用牛頓第二定律和運動學公式解決直線運動問題。但將力學方法遷移到電場情境中仍存在思維障礙，尤其對“電場力做功與能量轉化”“類平拋運動的分解處理”等抽象過程理解困難。此外，學生普遍缺乏對微觀粒子運動的直觀感知，易產生畏難情緒。因此，教學需借助實驗模擬、動態圖示和生活化類比降低認知門檻，強化建模意識和科學推理能力。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解帶電粒子在電場中受力特點，掌握其在勻強電場中做加速直線運動和類平拋運動的條件與規律。
2. 能結合電場力做功特點，運用動能定理或功能關系分析帶電粒子的能量變化過程。
科學思維
1. 能將帶電粒子在電場中的復雜運動分解為沿電場方向和垂直電場方向的兩個分運動，體會“化曲為直、化繁為簡”的物理思想方法。
2. 能建立“電場加速—偏轉系統”的理想模型，推導粒子出射速度、偏移距離等關鍵表達式，并進行定量計算。
科學探究
1. 通過觀察陰極射線管實驗現象，提出“電子為何發生偏轉？”“偏轉程度與哪些因素有關？”等可探究問題。
2. 設計并參與模擬仿真活動，驗證電壓、板間距等因素對粒子軌跡的影響，提升證據意識與數據分析能力。
科學態度與責任
1. 感受帶電粒子控制技術在示波器、電視顯像管、粒子加速器等現代科技中的廣泛應用，增強科技報國的責任感。
2. 在合作探究中養成嚴謹求實、尊重證據的科學態度，體會物理規律揭示自然之美。
教學重點、難點
重點
1. 帶電粒子在勻強電場中的加速規律（動能定理的應用）。
2. 帶電粒子在勻強電場中的偏轉規律（類平拋運動的分析方法）。
難點
1. 類比平拋運動，建立帶電粒子偏轉的二維運動模型并進行數學推導。
2. 綜合運用動力學與能量觀點解決多階段電場中的粒子運動問題。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、講授法、合作探究法、實驗演示法
教具準備
陰極射線管演示儀、多媒體課件、仿真軟件、激光筆、白板、導學案
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入，激發興趣
【5分鐘】 一、重現經典，引發思考 （一）、演示陰極射線管實驗：
教師開啟陰極射線管裝置，在熒光屏上呈現一條明亮的直線光跡。隨后接通水平偏轉板電壓，光點明顯向一側移動；再接通豎直偏轉板電壓，光點繼續偏移，最終可在屏幕上任意位置定位。整個過程中，學生清晰看到電子束被“操控”的全過程。
提問引導：“同學們剛才看到的光跡是由高速電子流撞擊熒光物質產生的。為什么原本沿直線前進的電子會突然發生偏轉？是誰在‘指揮’它們改變方向？這種精確控制的背后隱藏著怎樣的物理規律？”
（二）、聯系生活，引出課題：
展示老式電視機顯像管內部結構動畫：“這根細細的電子槍不斷發射電子，通過周圍四組偏轉線圈產生的磁場（或早期電場）控制其掃描路徑，逐行繪制出畫面。我們每天使用的屏幕背后，其實是無數帶電粒子在電磁場中精準舞蹈的結果。”
過渡語：“今天，就讓我們化身‘粒子指揮官’，深入探究《帶電粒子在電場中的運動》這一神奇現象，揭開微觀世界運動控制的奧秘。” 1. 觀察實驗現象，描述電子束的變化。
2. 思考并回答教師提出的問題。
3. 聯想生活中類似的技術應用。
4. 明確本節課的學習主題。
評價任務 現象描述：☆☆☆
問題提出：☆☆☆
興趣激發：☆☆☆
設計意圖 通過真實可感的實驗現象沖擊視覺，迅速吸引學生注意力；以“誰在指揮電子？”這一核心問題驅動思維啟動；結合電視顯像管等生活實例，凸顯知識價值，使抽象課題具象化、意義化，實現“從生活走向物理”的課程理念。
新知建構，層層遞進
【18分鐘】 一、單一電場中的加速運動 （一）、構建模型，提出問題：
課件出示兩塊平行金屬板A、B，分別連接電源正負極，形成水平向右的勻強電場E。在A板內側靜止釋放一個質量為m、電荷量為+q的粒子。設兩板間電壓為U，間距為d。
提問：“該粒子將如何運動？請結合受力分析說明理由。”引導學生回顧電場力F=qE的方向與大小，并指出此力恒定，故粒子做初速度為零的勻加速直線運動。
（二）、動力學與能量雙視角分析：
首先采用牛頓第二定律：加速度a = F/m = qE/m；位移x = at ；速度v = at。強調這是時間t的函數。
接著引入動能定理視角：“電場力做功W = qU，全部轉化為粒子動能增量。”列出方程： mv - 0 = qU → v = v = 。指出此式不涉及時間與加速度，更為簡潔高效。
對比總結：“當只關心始末狀態的速度時，優先選用功能關系；若需研究中間過程如時間、加速度，則使用動力學方法。”
二、復合電場中的偏轉運動 （一）、創設情境，類比遷移：
假設上述粒子不是從A板靜止釋放，而是以水平初速度v 從兩板中央飛入。此時粒子同時受到水平方向的電場力作用，其運動軌跡將發生彎曲。
提問：“這種運動與我們學過的哪種運動最為相似？”引導學生聯想平拋運動——水平方向勻速，豎直方向自由落體。
明確：“我們將這種‘水平勻速+豎直勻加速’的運動稱為‘類平拋運動’，可用完全相同的分解思想來處理。”
（二）、數學建模，推導規律：
建立直角坐標系：x軸沿初速度方向，y軸沿電場方向。
水平方向（x）：不受力，vx = v ，x = v t
豎直方向（y）：受恒力F = qE，ay = qE/m，vy = ayt，y = ayt
消去時間t得軌跡方程：y = (qE)/(2mv ) x —— 一條拋物線！
進一步推導離開電場時的偏移量Y和偏轉角θ：
設極板長度為L，則飛行時間t = L/v
偏移量Y = (qE/m)(L/v ) = (qUL )/(2mdv )
偏轉角tanθ = vy/vx = (qEL)/(mv ) = (qUL)/(mdv )
強調各物理量的意義及影響因素，幫助學生建立完整的定量認知框架。 1. 分析帶電粒子受力情況。
2. 運用動能定理解決加速問題。
3. 類比平拋運動理解偏轉機制。
4. 參與公式推導并記錄關鍵結論。
評價任務 模型構建：☆☆☆
公式推導：☆☆☆
規律掌握：☆☆☆
設計意圖 遵循“由簡到繁、循序漸進”的認知規律，先解決單一方向的加速問題，再過渡到二維偏轉；通過“動能定理 vs 牛頓定律”的比較，培養學生選擇最優解題策略的能力；利用“類比遷移”打通新舊知識聯系，降低理解難度；完整的數學推導過程鍛煉學生的邏輯思維與運算能力，體現“用數學工具描述物理規律”的學科本質。
實驗驗證，深化理解
【10分鐘】 一、虛擬仿真實驗操作 （一）、分組探究任務布置：
將學生分為四組，每組分配一臺裝有“帶電粒子在電場中運動”仿真軟件的平板電腦。給出探究任務卡：
任務1：固定v 、L、d不變，改變加速電壓U，觀察粒子偏移量Y的變化趨勢，并記錄數據繪制圖像。
任務2：固定其他參數，僅改變偏轉電壓U'（即E=U'/d），重復上述操作。
任務3：保持U、U'不變，調整初速度v （可通過調節前級加速電壓實現），觀察軌跡變化。
任務4：嘗試改變粒子電荷量q或質量m（如換成α粒子），看軌跡有何不同。
（二）、巡視指導，啟發思維：
教師巡視各小組，及時解答操作疑問，提醒學生注意變量控制法的科學性。鼓勵學生大膽預測結果，如：“如果增大偏轉電壓，你認為光點會上移還是下移？幅度會變大還是變小？”
當某組發現Y∝U或Y∝1/v 的關系時，及時表揚：“你們的數據完美驗證了理論推導的結論，這就是科學的力量！”
（三）、成果匯報，歸納結論：
邀請每組代表分享發現，教師同步在黑板上整理：
“實驗表明：偏移量Y隨偏轉電壓U'增大而增大，隨初速度v 增大而減小，且符合Y ∝ U'/v 的關系，與理論公式高度一致。”
再次強調：“理論預言 + 實驗驗證 = 科學真理”，增強學生的實證意識。 1. 操作仿真軟件進行參數調節。
2. 記錄實驗數據并分析變化規律。
3. 小組討論并形成初步結論。
4. 派代表匯報探究成果。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據分析：☆☆☆
結論提煉：☆☆☆
設計意圖 通過數字化實驗手段彌補傳統課堂無法直接觀測微觀粒子運動的缺陷，讓學生“看見”看不見的現象；設置多維度探究任務，促進學生主動參與、動手實踐；在“預測—驗證—反思”循環中發展科學探究能力；小組協作培養團隊精神與溝通表達能力，落實“做中學”的教育理念。
典例精析，遷移應用
【7分鐘】 一、綜合問題解析 （一）、出示典型例題：
題目：如圖所示，電子以初速度v =2.0×10 m/s沿兩塊長L=6.0cm、間距d=2.0cm的平行金屬板中線射入。板間電壓U=120V。已知電子質量m=9.1×10 kg，電荷量e=1.6×10 C。求：（1）電子穿過電場時的偏移量Y；（2）電子離開電場時的速度大小與方向。
（二）、引導審題，建立模型：
提問：“這個問題包含幾個運動階段？每個階段適用什么規律？”引導學生識別“進入前無電場→進入后受恒定電場力→類平拋運動”三個階段。
強調：“第一步先判斷是否能穿出電場——計算飛行時間t=L/v =3.0×10 s，遠小于通常響應時間，合理。”
（三）、示范解題，規范步驟：
板書詳細解答過程：
（1）由Y = (eUL )/(2mdv )代入數據得Y ≈ 1.18×10 m = 1.18 cm
（2）水平分速vx = v = 2.0×10 m/s
豎直分速vy = (eUL)/(mdv ) ≈ 7.9×10 m/s
合速度v = ≈ 2.14×10 m/s
偏轉角tanθ = vy/vx ≈ 0.395 → θ ≈ 21.6°
強調單位換算、數量級估算和矢量合成的重要性，培養學生嚴謹的解題習慣。 1. 閱讀題目并理解物理情景。
2. 參與問題拆解與模型識別。
3. 跟隨教師思路記錄解題步驟。
4. 思考不同解法的優劣比較。
評價任務 審題能力：☆☆☆
建模能力：☆☆☆
計算準確：☆☆☆
設計意圖 選取貼近實際裝置參數的經典例題，增強真實性；通過“審題—建模—列式—計算”全流程示范，教會學生解決綜合問題的方法論；突出物理量的數量級意識和單位統一要求，糾正常見錯誤；在速度合成環節強化矢量觀念，為后續電磁復合場學習打下基礎。
課堂總結，升華情感
【5分鐘】 一、結構化回顧 （一）、知識網絡梳理：
利用思維導圖形式快速回顧：
“今天我們沿著‘力→運動→能量’主線，系統研究了帶電粒子在電場中的兩類典型運動：
① 加速運動：v = ，適用于直線加速器、CRT前置加速級；
② 偏轉運動：Y = (qUL )/(2mdv )，tanθ = (qUL)/(mdv )，是示波管、質譜儀分離區的核心原理。”
（二）、升華式收尾：
“同學們，當我們仰望星空，宇宙射線中的高能粒子正穿越億萬光年而來；當我們凝視屏幕，億萬電子正在微米級通道中精準躍動。這些看似遙遠或細微的運動，都被同一套簡潔優美的物理定律所支配。
正如費曼所說：‘自然界用最簡單的方程書寫最復雜的詩篇。’我們今天所學的每一個公式，都是人類智慧對自然之美的深情告白。愿你們保持好奇，勇敢探索，在未來的科研道路上，也能寫出屬于自己的‘物理詩行’。” 1. 跟隨教師回顧主要知識點。
2. 構建個人知識結構圖。
3. 感悟物理規律的簡潔與美感。
4. 樹立投身科學研究的理想。
評價任務 知識整合：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
未來展望：☆☆☆
設計意圖 通過結構化總結幫助學生形成清晰的知識脈絡；引用費曼名言提升課堂文化品位，將科學知識升華為審美體驗與人生激勵；連接宇宙尺度與微觀世界，展現物理的普適魅力；以“寫物理詩篇”作喻，點燃學生科學夢想，實現“知識—能力—素養—人格”的全人教育目標。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 一個質量為m、電荷量為q的帶正電粒子，從靜止開始經電壓U加速后，垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中做圓周運動。求其軌道半徑R。（提示：先用電場加速求速度）
2. 兩平行金屬板相距d=0.5cm，加有電壓U=100V。一個電子（m=9.1×10 kg, e=1.6×10 C）以v =1.0×10 m/s的速度從板間中線水平射入。板長L=10cm。求：
（1）電子在電場中運動的時間；
（2）電子穿出電場時的偏移量；
（3）電子離開電場時的速度方向與初速度方向的夾角。
二、拓展探究題
查閱資料了解“質譜儀”的工作原理，畫出其結構簡圖，并用本節課所學知識解釋它是如何根據粒子偏轉程度區分不同質量離子的。寫成一篇300字左右的小報告。
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 解：由動能定理 qU = mv 得 v = √(2qU/m)
在磁場中洛倫茲力提供向心力：qvB = mv /R → R = mv/(qB) = (1/B)√(2mU/q)
2. 解：
（1）t = L/v = 0.1 / 1.0×10 = 1.0×10 s
（2）Y = (eUL )/(2mdv ) = (1.6×10 ×100×0.1 )/(2×9.1×10 ×0.005×(1.0×10 ) ) ≈ 1.76×10 m = 1.76 cm
（3）vy = (eUL)/(mdv ) = (1.6×10 ×100×0.1)/(9.1×10 ×0.005×1.0×10 ) ≈ 3.52×10 m/s
tanθ = vy/v = 0.352 → θ ≈ 19.4°
二、拓展探究題
質譜儀先將離子源產生的離子經電場加速獲得相同動能，然后垂直進入勻強磁場。由于不同質量m的離子在相同速度下慣性不同，導致在磁場中偏轉半徑R = mv/(qB)不同。質量越大，偏轉越小；質量越小，偏轉越大。通過檢測屏上的落點位置即可測定粒子質量，實現同位素分離。
板書設計
§2.2 帶電粒子在電場中的運動
【左側主板書】
一、加速運動
條件：初速為0，沿電場線方向
動力學：a = qE/m，v = at
能量法： mv = qU v = v =
二、偏轉運動（類平拋）
條件：v ⊥E
x方向：勻速 x = v t
y方向：勻加速 y = at ，a = qE/m
軌跡：y = (qE)/(2mv )x
偏移量 Y = (qUL )/(2mdv )
偏轉角 tanθ = (qUL)/(mdv )
【右側副板書】
實驗現象 → 提出問題 → 建立模型 → 理論推導 → 仿真驗證 → 應用拓展
↓
科學探究流程圖
【底部框圖】
實際應用：示波器、電視顯像管、質譜儀、粒子加速器
教學反思
成功之處
1. 以陰極射線管實驗開場，視覺沖擊力強，有效激發學生探究欲望，課堂氛圍活躍。
2. 采用“理論推導+虛擬仿真”雙輪驅動模式，既保證邏輯嚴密性，又增強直觀體驗，突破了微觀運動難以觀察的教學瓶頸。
3. 例題選取典型且數據真實，有助于學生建立工程量級感，提升解決實際問題的信心。
不足之處
1. 仿真環節時間略緊，部分小組未能完成全部探究任務，下次可提前分發預習材料或延長探究時間。
2. 對于數學基礎較弱的學生，公式推導過程仍顯吃力，應增加中間步驟的講解密度。
3. 拓展作業中“質譜儀”涉及磁場知識，部分學生尚未學習，造成理解障礙，今后需做好跨章節銜接提示。

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