第4节 带电粒子在电场中的运动（表格式教学设计）物理鲁科版必修第三册

本文围绕带电粒子在电场中的运动展开，涵盖加速、偏转及示波管原理等核心知识。承接力学与电学基础，为后续物理学习奠基。通过分析推理、实验模拟等环节，培养学生物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该设计创新点在于结合实际案例与视频辅助教学。特色教法能提升学生综合运用知识能力，为教师提供清晰授课路径，有效突破运用运动分解法处理类平抛运动这一教学难点。

第4节 带电粒子在电场中的运动（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第4节 带电粒子在电场中的运动 教学 目标 物理观念 能理解带电粒子在电场中的受力特点（仅受电场力时），掌握其加速和偏转的运动规律，建立“电场力决定带电粒子运动状态”的物理观念。 科学思维 能运用牛顿运动定律和运动合成与分解分析带电粒子的类平抛运动，推导偏转位移、偏转角等物理量的表达式，提升综合运用知识解决复杂问题的能力。 科学探究 能通过模拟实验或理论分析，探究带电粒子在不同电场（匀强电场、非匀强电场简化模型）中的运动轨迹，归纳运动规律，提升科学探究与分析推理能力。 科学态度 与责任 通过了解带电粒子在电场中运动的原理在质谱仪、回旋加速器等设备中的应用，认识物理知识对科技发展的推动作用，培养崇尚科学、勇于探索的精神。 教学 重难点 重点：掌握带电粒子在电场中的加速规律和偏转的分析方法。 难点：运用运动分解法处理带电粒子的类平抛运动问题。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 中国散裂中子源包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站，以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。 主要原理是通过离子源产生负氢离子，利用一系列直线加速器将负氢离子加速到80MeV，之后将负氢离子经剥离作用变成质子后注入到一台快循环同步加速器中，将质子束流加速到16亿电子伏特，速度相当于0.9倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击产生中子，射向样品，科学家通过围绕样品的谱仪“收集”被散射的中子，获得样品物质结构的信息 问题：带电粒子是如何加速获得很高的动能的？如何计算加速后带电粒子的动能？ 用力学和电学知识思考。 新课讲授 一、带电粒子在电场中的加速 情境1：真空中有一对平行金属板间距为l，两板电势差为U.质量为m、带正电荷q的粒子，在静电力作用下由静止开始运动.计算到达负极板的速度. 问题1：两板间是什么电场？带电粒子所受静电力有何特点？ 问题2：金属板间的场强是多大？如何求带电粒子运动的加速度？ 问题3：根据匀变速直线运动规律，粒子到达负极板的速度是多大？ 问题4：静电力做功使得带电粒子动能增加。静电力做多少功？到达负极板的动能是多少？带电粒子恰好到达负极板的速度是多大？ 问题5：若两板间是非匀强电场，但两板电压不变。带电粒子到达负极板速度是多大？ 问题6：解决带电粒子做匀加速运动的思路有哪些？应用动能定理有什么优越性？ 情境2： 问题1：如图多级平行板连接，能否加速粒子？ 问题2：怎样调整才能使粒子被连续加速？ →多级直线加速器示意图： 因交变电压的变化周期相同，故粒子在每个加速电场中的运动时间相等。 在已经学过的力学、电学知识的基础上进行分析、解答。 思考并回答：在粒子每穿过一组极板、每进入下一组极板时，极板的极性转变，也就是让每一组极板都改为连接交流电。 新课讲授 二、带电粒子在电场中的偏转 情境3：两平行金属板接在电压为U 的电源正、负极上.板长为l，两板间距为d.电荷q、质量为m，以速度v0沿中间连线方向进入电场. 问题1：画出电荷受到的静电力方向。静电力变化吗？加速度变化吗？电荷做什么运动？ 问题2：电荷受力方向和初速度方向有何关系？轨迹是直线还是曲线？ 问题3：如何研究带电粒子在偏转电场中的运动？ 问题4：粒子在电场中的运动时间是多少？ 问题5：粒子离开电场时速度是多大？速度偏向角是多少？ 问题6：粒子离开电场，沿电场方向偏移的距离y是多少？ 带电粒子静电力不变，加速度不变，做匀变速曲线运动。沿初速度方向做匀速直线运动，在电场中的运动时间为 t= 沿电场方向，加速度为 a= 偏转位移 y=at2=()2 沿电场方向速度 vy=at= 离开电场时的速度 v= 速度偏向角 tanθ= 问题7：如果偏转电极的放置方式不同，粒子的运动会有何不同呢？ 学生讨论并回答问题 新课讲授 三、示波管的原理 情境4： 甲 示波管的结构 乙 荧光屏(甲图中从右向左看) 介绍示波管结构：加速电极、两个偏转电极、荧光屏。 YY'方向加偏转电压，控制电子束打在YY'方向位置，电压越大，YY'方向偏转距离越大；XX'方向加偏转电压，控制电子束打在XX'方向位置，电压越大，沿XX'方向偏转距离越大。 思考与讨论： 问题1.XX'和YY'均不加电压，电子打在荧光屏上哪一个位置？ 问题2：XX'不加电压，YY'分别加图示电压，荧光屏上显示什么形状？ 问题3：YY'加正弦电压 XX'加锯齿形电压，画出荧光屏上的图形形状。 视频课堂：示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。示波器的核心部件是示波管。 在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。 【例题1】如图所示，某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，静止的质子被电场强度大小的匀强电场沿直线加速到，然后轰击肿瘤，杀死细胞。已知质子的质量，电荷量，则整个加速过程中质子的位移大小为（　　） A．2m B．2.5m C．4m D．5m 【答案】B 【详解】根据动能定理有 解得整个加速过程中质子的位移大小 故选B。 针对训练1如图甲、乙所示为示波管的原理图，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。现在偏转电极YY'之间加如图丙所示电压。加速电压U0的调节不仅影响电子速度，还能间接控制波形显示的缩放比例，是示波器校准的重要参数。若仅将加速电压U0增大为原来的2倍，其他条件不变，则电子在竖直方向的最大侧移量变为原来的（　　） A． B． C． D．2倍 【答案】B 【详解】若加速电压U0增大为原来的2倍，电子射出加速电场时的速度v0增大为原来的倍，则电子在偏转电极间运动的时间变为原来的，竖直方向的最大侧移量对应UY的峰值，在电场中的加速度不变，则侧移量变为原来的，电子射出偏转电场后至运动到荧光屏的时间也变为原来的，射出偏转电场时沿竖直方向的速度变为原来的，所以电子射出偏转电场后至运动到荧光屏时沿竖直方向的侧移量也变为原来的。 故选B。 理解示波器的用途，尝试利用前面学习的带电粒子在电场中的加速、偏转分析示波管的工作原理。 观看视频，进一步了解示波管的工作原理。 课 堂 练 习 1．在如图所示的匀强电场中，若一个点电荷从P点由静止释放，只受到电场力的作用。则以下说法中正确的是（　　） A．该点电荷受到的电场力逐渐增大 B．该点电荷一定向右做匀速运动 C．该点电荷一定做匀加速直线运动 D．该点电荷一定做匀减速直线运动 【答案】C 【详解】A．电荷在匀强电场中受力不变，故A错误； B．因电性未知，所以无法判断运动方向，且点电荷合外力不为零，其一定不会做匀速运动，故B错误； CD．由静止释放，在恒定电场力作用下一定做匀加速直线运动，故C正确，D错误。 故选C。 2.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。图甲展示了一台医用电子直线加速器，其原理如图乙所示：从阴极射线管的阴极K发射出来的电子（速度可忽略），经电势差的绝对值为U的电场加速后获得速度v，加速电场两极板间的距离为d，不计电子所受重力。下列操作可使v增大的是（　　） A．仅增大U B．仅减小U C．仅增大d D．仅减小d 【答案】A 【详解】电子在电场中加速，由动能定理可得 解得 易知可使v增大的操作是仅增大U。 故选A。 3.如图甲所示，将一束质子流注入长27 km的对撞机隧道，使其加速后相撞，创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态相类似的条件，为研究宇宙起源和各种基本粒子特性提供强有力的手段，设n个金属圆筒沿轴线排成一串，各筒相间地连到正负极周期性变化的电源上，图乙所示为其简化示意图。质子束以一定的初速度v0沿轴线射入圆筒实现加速，则（　　） A．质子在每个圆筒内都做加速运动 B．质子只在圆筒间的缝隙处做加速运动 C．质子穿过每个圆筒时，电源的正负极要改变 D．每个筒长度都是相等的 【答案】BC 【详解】由于同一个金属筒所在处的电势相同，内部无场强，故质子在筒内必做匀速直线运动；而前后两筒间有电势差，故质子每次穿越缝隙时将被电场加速，B正确，A错误；质子要持续加速，下一个金属筒的电势要低，所以电源正负极要改变，C正确；质子速度增加，而电源正、负极改变时间一定，则沿质子运动方向，金属筒的长度要越来越长，D错误。故选BC。 4.某静电除尘装置的原理截面图如图，一对间距为，极板长为的平行金属板，下板中点为，两板接多挡位稳压电源；均匀分布在、两点间的个（数量很多）带负电灰尘颗粒物，均以水平向右的初速度从左侧进入两板间。颗粒物可视为质点，其质量均为，电荷量均为，板间视为匀强电场。若不计重力、空气阻力和颗粒物之间的相互作用力，且颗粒物能够全部被收集在下极板，则（　　） A．上极板带正电 B．电源电压至少为 C．电源电压为时，净化过程中电场力对颗粒物做的总功为 D．点左侧和右侧收集到的颗粒数之比可能为1∶4 【答案】C 【详解】A．颗粒物要被下板收集，则所受电场力方向必向下，因其带负电，故场强方向向上，故上板应带负电，故A错误； B．电源电压最小时，沿上板边缘进入的颗粒物恰好落到下板右端，设其在板间运动的时间为t，加速度大小为a，则沿极板方向有 垂直极板方向有 又 联立解得 故B错误； C．因初始时刻颗粒物均匀分布，由 可得净化过程中电场力对颗粒物做的总功为 故C正确； D．电源电压最小时，O点左侧和右侧收集到的颗粒数之比最小，沿极板方向由 可知，落到O点和下板右端的颗粒在板间运动的时间之比为 垂直极板方向，由 可知，落到O点和下板右端的颗粒的初始高度之比为 因初始时刻颗粒物均匀分布，故O点左侧和右侧收集到的颗粒数之比最少为 故D错误。 故选C。 5.图甲是极板长度为的平行板电容器，虚线为电容器的中心线，两极板接在图乙所示的交变电压源上（时板带负电）。在时，一带正电的粒子以的速度沿虚线方向射入电容器并能飞出，不计粒子的重力，则该粒子在极板间运动的轨迹可能是（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】粒子在水平方向做匀速直线运动，穿过板的时间为 一带正电的粒子以的速度沿虚线方向射入电容器，内，板带负电，粒子受合力向上，竖直方向做匀加速直线运动，轨迹曲线向上弯曲，粒子所受合力向下，轨迹曲线向下弯曲，在竖直方向上先减速到零，后加速向下，轨迹先向上后向下， 粒子所受合力向上，轨迹曲线向上弯曲，先在竖直方向向下减速到零，后加速向上，轨迹先向下后向上，粒子的运动情况与粒子运动情况相同，B选项轨迹符合题意。 故选B。 6.如图所示，长为L的绝缘细线一端连着带正电小球（视为点电荷），另一端固定在O点，小球在竖直平面内绕O点做圆周运动。已知小球的质量为m、电荷量为q，匀强电场的电场强度大小为E、方向水平向右，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（　　） A．小球经过最低点时速度最大 B．若细线断裂，小球将做匀变速运动 C．小球运动过程中的最小速度可能为 D．若小球做逆时针运动，从B点运动到D点的过程中，其动能、重力势能和电势能之和先增加后减少 【答案】B 【详解】如下图所示，把小球受到的重力和电场力合成，因为重力和电场力是恒力，所以也为恒力，小球等效成在和绳子的拉力作用下的圆周运动，过O点作直径EK，使EK和的方向平行。 A．根据圆周运动的规律可知小球过K点的速度最大，绳子的拉力也最大，故A错误； B．若细线断裂，小球将受重力和电场力的合力作用，为恒力，根据牛顿第二定律可知，小球将做匀变速运动，故B正确； C．根据完整圆周运动的条件可知，当小球在E点，提供向心力时，此时细线拉力为零，速度最小，即 解得 故C错误； D．若小球做逆时针运动，从B点运动到D点的过程中，根据能量守恒定律可知，动能、重力势能和电势能之和不变，故D错误。 故选B。 课 堂 小 结 研究时，主要可以按两条线索展开。(1)力和运动的关系——牛顿运动定律；（2）功和能的关系——动能定理。我们处理了带电粒子的加速，带电粒子的偏转问题。最后根据偏转问题处理方法讨论了示波管的原理。 板 书 设 计 第4节 带电粒子在电场中的运动 1、 带电粒子在电场中的加速 Uq=mv2 2、 带电粒子在电场中的偏转 沿极板方向：l=v0t 垂直极板：a= vy=at 偏转距离 y= 速度：v= tanθ= 三、示波管的原理 作业 布置 1.电子经U=1000V电压加速后进入E=200V/m的匀强电场，偏转板长L=0.1m、间距d=0.02m，求电子离开电场时的侧移量（需列出动能定理和类平抛运动分步计算过程）。 2.对比示波管中带电粒子加速与偏转的物理原理，结合电场力做功分析电势能与动能转化的条件（要求用文字+示意图说明）。 3.分析静电喷枪工作原理，说明高压电场中带电涂料微粒的加速与偏转过程（200字内，需包含U=Ed公式的应用场景）。 教学反思 1.忽略重力处理基本粒子时，学生易忽略实际情境（如带电液滴），需通过对比案例强化条件判断意识。 2.动能定理与运动学公式求解加速末速度时，部分学生仅机械套用，应增加非匀强电场中变力做功的拓展讨论。 3.将平抛运动类比带电粒子偏转时，学生对类平抛运动分解的矢量性理解不足，需借助动态轨迹模拟强化分运动独立性认知。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$