仿真物理实验室在物理教学中的课例应用：以带电粒子在电场中的运动为例 -2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

仿真物理实验室在物理教学中的课例应用 以带电粒子在电场中的运动为例 1、 仿真软件简介 1、 软件界面 仿真物理实验室一款简单已操作的物理仿真软件，该软件为绿色软件不需要安装可以直接打开进行操作 2、 菜单项 3、打开文件新建并对坐标进行数据编辑 4、工具箱------根据需要选择合适的模型工具 5、实验设置------可以对实验环境进行设置 二．课例展示 10.5带电粒子在电场中的运动 一、教材分析 《带电粒子在电场中的运动》是普通高中教科书物理必修第三册第十章第5节的内容。本节内容是电学中的重点、难点，它带电粒子在电场中的受力分析和运动情况分析，综合了运动的合成与分解以及能量转化问题，要求学生能够综合运用力学方法解决电学问题，加深对力、电知识的理解，有利于培养学生应用类比方法和物理规律解决实际问题的能力，同时也为以后学习带电粒子在磁场中的运动打下基础。 二、学情分析 学习本节之前，学生已掌握了一些力学和电场的基本知识，同时具备了分析有关电场的力学分析能力和能量的初步知识。本节结合实际情景对学生合理引导，培养学生解决简单问题的能力，并且结合重力场中的平抛运动。采用类比法，将运动的合成与分解应用于电场的问题分析当中。使得大多数学生的便于理解容易接受。同时借助于学生的数学能力，发现在类平抛中的数量关系，从而调动学生的主动性和引导学生发现物理规律。 三、教学目标 （一）物理观念 通过对带电粒子在电场中的运动规律的学习，培养学生的物质观念和运动与相互作用观念。 （二）科学思维 从分析粒子受力情况入手，类比重力场中的平抛运动，培养学生应用类比方法和物理知识解决实际问题的能力。 （三）科学探究 通过解决加速和偏转方向问题的探究，理解加速和偏转问题的本质。 （四）科学态度与责任 通过对粒子加速器的学习了解带电粒子在电场中运动在生活上的应用，体会物理与科技、生活的联系激发学生的学习兴趣。 四、教学重点 1．会从运动学和能量两个角度分析计算带电粒子在电场中的加速问题。 2．会从力和运动的合成与分解的角度分析计算带电粒子在电场中的偏转。 五、教学难点 1．通过分析，推导多级加速器的加速原理。 2．通过对带电粒子在电场中的偏转的学习掌握偏转的分析方法和规律。 六、教学流程创设情境 引入新课 建构模型 定量研究 提出问题 理论推导 类比分析 迁移应用 课堂小结查漏补缺 七、教学过程 （一）创设情境，引入新课 电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。图中展示了一台医用电子直线加速器。电子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？ （二）建构模型，定量研究 1.请同学们思考：带电粒子在电场中要受到哪些力的作用？在什么情况下不考虑重力？ 2.研究质子、电子、离子等带电粒子在电场中运动时，重力一般远小于电场力，重力可以忽略，重力势能可以不考虑（但并不能忽略质量）。研究小球、液滴、油滴等带电微粒在电场中运动时，重力一般不能忽略。 3.研究物体运动的一般思路是什么？决定物体做什么运动的条件又是什么？ 两种分析思路 (1)利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式分析，适用于解决的问题属于匀强电场且涉及运动时间等描述运动过程的物理量时。 (2)利用静电力做功结合动能定理来分析，适用于问题只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场的情景。 例1平行金属板A、B间有一正电荷，极板间电压为U，场强方向向右，两板相距为d，并处于真空中，电荷量大小为q，质量为m，只在电场力作用下从静止释放。重力不计。 （1）电荷将做什么性质的运动？ （2）求电荷到达负极板时的速度？ 利用仿真软件进行仿真------操作如下： 1、建立加速电场 2.设置带电粒子 3.拓展-------先减速再反向加速 例题如图所示，两平行金属板相距为d，电势差U未知，一个电子从O点沿垂直于极板的方向以速度v射出，最远到达A点，然后返回，已知O、A相距为h，电子的质量为m，电荷量为e，则两金属板间的电势差U为（       ）    A． B． C． D． 4.仿真运动图像 【例3】一电子水平射入如图所示的电场中，射入时的速度v0=3.0×107m/s。两极板的长度为L=6.0cm，相距d=2cm，极板间电压U=200V。求电子离开偏转电场时沿垂直板面方向的偏移距离Δy、偏转的角度φ。 1.处理方法：不计重力，初速度垂直于电场方向飞入匀强电场类似平抛运动的分析方法。 结论：带电粒子初速度垂直于电场方向飞入匀强电场的问题就是一个类平抛的问题。 粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动 粒子在与电场平行的方向上做初速为零的匀加速运动 2.仿真操作 例4、一价氢离子（H）和二价氦离子（He）的混合物由静止开始经过同一加速电场加速后，垂直射入同一偏转电场中，偏转后打在同一接收屏上。不计粒