1.4 带电粒子在电场中的运动 教学设计-2025-2026学年高二上学期物理鲁科版必修第三册

带电粒子在电场中的运动 《带电粒子在电场中加速问题》教学设计 课题名称 带电粒子在电场中加速问题 学科 物理 年级/班级 高二（1） 教材版本 鲁科版必修三 课时 1课时 授课教师 一、教材分析 本节内容是静电场知识的深化与应用，位于鲁科版高中物理必修第三册第二章第4节。教材通过分析带电粒子在匀强电场中的加速，将电场力、牛顿运动定律、动能定理等核心物理知识有机整合，体现了“从力和能量两个视角分析电磁现象”的新课标理念。 二、学情分析 本班多数学生能掌握基础概念和公式，但在知识综合运用、复杂情境建模上存在不足，面对实验探究和难题时易出现思路断层。学习习惯上，部分学生缺乏主动归纳和错题反思，课堂参与度中等，作业完成质量随难度波动。班级内分层明显，优生可应对拓展题，中等生需强化解题逻辑，学困生在概念理解和计算上存在短板，整体需在夯实基础的同时，注重提升知识迁移和综合分析能力。 三、教学目标 物理观念 理解带电粒子在匀强电场中受恒定电场力作用做匀变速直线运动，掌握其加速规律。 科学思维 培养学生将带电粒子在电场中的加速运动与力学知识相结合的能力，体会从力和能量两个角度分析问题的方法。 科学探究 通过“质子在匀强电场中的加速”实例，训练“确定研究对象—受力分析或运动过程分析—列方程求解物理量”的探究流程。 科学态度与责任 体会加速器和医用直线加速器在现代医学、科研中的重要意义，树立服务社会、造福人类的科学责任感。 四、教学重难点 · 教学重点：带电粒子在匀强电场中的加速规律，特别是动能定理的应用。 · 教学难点：让学生理解如何从力和能量两个角度分析带电粒子的加速过程，以及如何灵活运用相关知识解决实际问题。 五、 教学准备 · 教师准备： 多媒体课件、导学案、教学设计 · 学生准备： 预习课本完成导学案 六、 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 时间安排 （一） 情境导入 激发兴趣 【多媒体展示】 播放北京正负电子对撞机科普视频，指明本节课研究直线加速。 【复习回顾】 1.我们重点研究过哪些运动形式？ 2.对这些运动形式的研究主要采用的哪些方法？ 3.不管用那种方法研究物体的运动必须做的是什么？ 认真观看视频，思考电子加速的原因。 学生根据所提问题回顾复习以前所学内容。 激发学生兴趣 复习已学知识 3分钟 （二） 探究新知 合作学习 新课讲授 一、模型构建 情境1：一个质子的质量m=1.67×10-27 kg, 电荷量q=1.60×10-19 C，当它位于E=1.5×104V/m的电场中时: 问题1：受到的重力G为多大？ 问题2：受到的电场力F为多大？ 问题3：F/G=？你会发现什么？ 【总结】带电粒子的分类及受力特点 (1)带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。 (2)带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有 说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。 (3)某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运 动状态来判定。 情境2： 问题1：上图是什么电场？ 问题2：质子放入电场中做什么运动？ 【总结】对象模型→场模型→运动过程模型 小组讨论，学生根据问题，总结研究对象的特点并完成学案问题。 在已经学过的力学、电学知识的基础上进行分析、解答。 明确研究对象的特点 复习运动性质的判断方法 7分钟 新课讲授 二、带电粒子在电场中的平衡问题 情境3：如图，水平放置的平行板间的匀强电场正 中间P点，有一质量为m的带电粒子恰好处于静 止状态。求粒子的电性和带电量？ 问题1：题目中的研究对象及关键条件？ 问题2：粒子受到几个力及方向，合力大小？ 【总结】平衡状态（静止或匀速）→合外力为0→ 研究对象受力分析→列平衡条件关系式求解 小组讨论，学生根据所提问题思考，然后计算并分析最终答案，总结方法。 明确电场中平衡问题的解决方法及步骤。 5分钟 新课讲授 三、带电粒子在电场中的加速问题 情境4：如图，带等量电荷的两平行金属板所产生的匀强电场，极板间电势差为U，两板间的距离为d，从正极板处由静止释放一质子，质子质量为m，带电量为q，求质子到达负极板时的速度大小。 问题1：题目中的研究对象及关键条件？ 问题2：质子受到电场力的大小及方向？ 问题3：质子做什么运动？ 问题4：可以用几种办法求解质子到达负极板的速 度？ 问题5：若两极板间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？ 【总结】解题思路：①动力学方法（匀强电场） ②能量（任何电场） 拓展1：若初速度不为0，如何求末速度？哪种方法更简便？ 拓展2：若保持极板间电压不变，增大两板间距离为2d，质子到达极板时所用的时间为原来的 ________倍，质子到达B板的速率为________ 。 【总结】分析带电粒子在电场中加速运动的两种方 场中法的选择。 （1）牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式，只能解决带电粒子在匀强电场中的加速运动问题，适用于涉及时间、不同位置的速度等描述运动过程的物理量的问题。 （2）无论电场是匀强电场还是非匀强电场，动能定理均可解决带电粒子的加速运动问题，当问题中不涉及运动过程的细节时优先选用动能定理。 小组讨论，学生根据所提问题思考，然后利用两种方法计算并分析最终答案，总结方法。 小组讨论，学生利用两种方法思考问题得出结论。 明确电场中加速问题的解决思路。 明确带电粒子在电场中加速运动两种解题方法的选择及末速度决定因素。 15分钟 （三） 典例精析 巩固提升 1、在如图所示的装置中，A、B是真空中竖直放置的两块平行金属板，它们与分压电路相连，两板间的电压可以根据需要而改变。当两板间的电压为U时，两块平行金属板间形成匀强电场，一个质量为 m、带电荷量为﹣q的带电粒子，以初速度v0从A板上的中心小孔沿垂直两板的虚线射入电场中，在非常接近B板处沿原路返回。在不计重力的情况下，要想使带电粒子进入电场后在A、B板的中心处返回，可以采用的方法是（ ） A．使带电粒子的初速度变为v02 B．使A、B板间的电压增加到 C．使初速度v0和电压U都减小到原来的 D．使初速度v0和电压U都增加到原来的2倍 【答案】C 2、如图示，一质量为 m，带电量为 +q 的液滴自由下落，并从小孔进入相距为 d 的两带电平行板，液滴下落的最大深度为，极板电压为U，液滴开始下落的高度 h 为（ ） A. B. C. D. 【答案】B 3、如图所示，水平放置的平行金属板，上板带正电，下板带负电，当两极板间的电势差U1=300V时，一带负电的小球在两极板之间处于静止状态，小球距下极板的距离h=1.44cm。如果两极板间电势差突然减小到U2=60 V，则带电小球运动到极板上需多长时间？（重力加速度g=10 m/s2) 【答案】 静止： U1 > U2 竖直向下匀加速直线 牛顿第二定律 小组讨论，学生根据本节教学内容梳理解题思路并解决问题。小组内互评分析错因、总结出正确的解法投影展示，小组间对比解题思路，分析易错点，强化记忆。 通过实践应用内化知识，精准定位知识漏洞，学会从他人错误中吸取经验，避免重复踩坑，强化知识的深度记忆，形成带电粒子在电场中平衡和加速问题的解题技能。 10分钟 （四） 课堂小结 体系构建 学生回顾梳理，归纳带电粒子在电场中加速问题解题思路并做好笔记。 帮助学生形成结构化知识网络。 5分钟 七、 板书设计 带电粒子在电场中加速 一、平衡问题 静止或匀速→合外力=0→研究对象受力分析→列平衡条件关系式求解 二、加速问题 1、运动和力（匀强电场） 2、功和能（任何电场） 八、 作业设计 · 基础性作业： （面向全体，巩固基础。） 1．质子（）、α粒子（）、一价的锂离子（）三个粒子分别从静止状态经过电压为U的同一电场加速后，获得动能最大的粒子是（　　） A．质子（） B．α粒子（） C．锂离子（） D．一样大 【答案】B 【详解】粒子从静止状态经过电压为U的同一电场加速后，根据动能定理有 解得 可知，由于三个粒子经过同一电压U加速，则动能大小仅取决于电荷量q，α粒子电荷量大小最大，则获得动能最大的粒子是α粒子。 2．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 3．如图所示，一负电荷仅在静电力作用下从点M运动到点N，在点M的速度大小为，方向与电场方向相同。该电荷从点M到点N的v-t图像可能正确的是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】由图可知M到N过程中，电场线分布越来越稀疏，则电场强度减小，所以负电荷所受电场力减小，根据牛顿第二定律，则电荷的加速度也减小，负电荷受到的电场力方向和场强方向相反，因为仅在电场力作用下运动，则电荷做加速度不断减小的减速运动，v-t图像的斜率表示加速度，根据图像分析可得正确的是C选项。 4．如图所示，水平虚线表示匀强电场中的两等势面，电势分别为-2V和-3V，两等势面相距0.1m。将一带电荷量为的点电荷从a点匀速移动到b点，如，不计重力，则下列说法中正确的是（　　） A．所加外力大小为 B．所加外力沿ab方向 C．外力做的功是 D．点电荷所受合力一定沿ab方向 【答案】C 【详解】A．电场强度大小为 点电荷从a点匀速移动到b点，所加外力等于电场力，则有，故A错误； B．电场强度的方向与等势面垂直且从电势高处指向电势低处，则电场强度的方向竖直向下；负电荷受电场力方向与电场强度的方向相反，故电场力方向竖直向上。点电荷从a点匀速移动到b点，所加外力与电场力方向相反，外力方向竖直向下，故B错误； C．外力做的功为，故C正确； D．点电荷从a点匀速移动到b点，点电荷所受合力为零，故D错误。 5．（多选）一个电子在匀强电场中运动，且只受电场力作用，则在一段时间内（　　） A．电子的速率一定增大 B．电子的动能可能减小 C．电子的速率一定减小 D．电子一定做匀变速运动 【答案】BD 【详解】ABC．一个电子在匀强电场中运动，且只受电场力作用，但电子有无初速度，初速度方向与电场力方向关系如何都不清楚，所以电子的速率可能增大，也可能减小，则电子的动能有可能减小，故AC错误，B正确； D．因是匀强电场，且电子只受电场力作用，故电子受到的电场力恒定，则加速度恒定，所以电子一定做匀变速运动，故D正确。 6．（多选）如图，P、Q是真空中竖直放置的两块平行金属板，在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动。已知两极板间电势差为U，板间距为d，电子质量为m、电荷量为e，不计重力。则关于电子在两板间的运动情况，下列叙述正确的是（　　） A．若将板间距d增大一倍，则电子到达Q板的速率保持不变 B．若将板间距d增大一倍，则电子到达Q板的速率也增大一倍 C．若将两极板间电势差U增大为原来的四倍，则电子到达Q板的时间保持不变 D．若将两极板间电势差U增大为原来的四倍，则电子到达Q板的时间减为原来的 【答案】AD 【详解】AB．根据动能定理得，可得电子到达Q板的速度，将板间距增大一倍，因为电压不变，则电子到达Q板的速率不变，故A正确，B错误； CD．电子的加速度 根据，得，U增大四倍，则电子到达Q板的时间变为原来的，故C错误，D正确。 7．如图所示，两带电金属板间的电场可视为匀强电场，金属板外无电场，两极板间的距离为d，上极板正中央有一小孔，一质量为m、带电荷量为＋q的小球从小孔正上方高h处静止开始下落，穿过小孔到达下极板处速度恰为零，空气阻力不计，重力加速度为g。求： （1）小球到达小孔处的速度v的大小 （2）两极板间的电场强度E。 【答案】（1） （2） 【详解】（1）根据动能定理 解得 （2）根据动能定理 解得 · 拓展性作业： （面向学有余力的学生，提升能力。） 8. 如图甲所示，两个平行金属板、正对且竖直放置，两金属板间加上如图乙所示的交流电压，时，板的电势比板的电势高。在两金属板的正中央点处有一电子（电子所受重力可忽略）在电场力作用下由静止开始运动，已知电子在时间内未与两金属板相碰，则（    ） A．时间内，电子的动能减小 B．时刻，电子的电势能最大 C．时间内，电子运动的方向不变 D．时间内，电子运动的速度方向向右，且速度逐渐减小 【答案】AD 【详解】A．在时间内，电场方向水平向右，电子所受电场力方向向左，所以电子向左做匀加速直线运动；在时间内，电场方向水平向左，电子所受电场力方向向右，电子向左做匀减速直线运动，电场力做负功，电子的电势能增加，动能减小，故A正确； BC．时刻电子的速度为零，在时间内，电场方向水平向左，电子所受电场力方向向右，电子向右做初速度为零的匀加速直线运动，运动方向发生改变，时刻速度最大，动能最大，电势能并不是最大，故BC错误； D．在时间内，电场方向水平向右，电子的加速度方向向左，电子向右做匀减速直线运动，到时刻速度为零，恰好又回到M点，故D正确。 9．如图所示，一竖直绝缘轻弹簧的下端固定在地面上，上端连接一带正电小球，小球所处的空间存在着方向竖直向上的匀强电场，小球平衡时，弹簧恰好处于原长状态。现给小球一竖直向上的初速度，小球最高能运动到点。在小球从开始运动到运动至最高点的过程中（　　） A．小球的电势能减小 B．小球机械能的改变量等于电场力做的功 C．弹簧弹性势能的增加量等于小球动能的减少量 D．小球动能的减少量等于电场力和重力做功的代数和 【答案】AC 【详解】A．小球带正电，电场方向竖直向上，电场力做正功，电势能减小，故A正确； B．根据功能关系，小球机械能的改变量等于电场力与弹簧弹力做功之和，故B错误； CD．由题意可知，小球平衡时，弹簧恰好处于原长状态，所以电场力等于小球重力，在运动过程中，小球受的合外力就是弹簧的弹力，根据动能定理，克服弹力做的功等于小球动能的减小量，而克服弹力做的功等于弹性势能的增加量，而由于电场力等于小球重力，所以电场力和重力做功的代数和为零，故C正确，D错误。 10．如图甲所示，光滑绝缘斜面固定在水平地面上，倾角为，斜面足够长。以点为坐标原点，沿斜面向下建立轴，空间存在方向平行纸面的静电场，轴上电场强度的方向沿轴正方向，其电场强度随坐标变化的图像如图乙所示。现将一质量为、电荷量为的带负电小滑块从点由静止释放。已知点处的电场强度大小为，处的电场强度大小为。求 （1）带电小滑块刚释放时加速度的大小； （2）带电小滑块在处的动能； （3）带电小滑块在沿斜面向下运动过程中电势能增量的最大值。 【答案】（1） （2） （3） 【详解】（1）带电小滑块刚释放时由牛顿第二定律 解得 （2）从开始释放到到达处由动能定理 其中 解得 （3）当速度减为零时电势能最大，则由动能定理 其中 解得， 11．如图所示，水平地面上方有一匀强电场，电场的电场强度方向与水平面的夹角。质量m=0.2kg，电荷量的带正电物块在绝缘水平地面上向右做匀速直线运动时，地面对物块的支持力大小。取重力加速度大小。 (1)请画出物块的受力分析示意图； (2)求匀强电场的电场强度大小E； (3)求物块与地面间的动摩擦因数。 【答案】（1） （2） （3） 【详解】（1）物块的受力分析示意图如图所示 （2）对物块受力分析，竖直方向上有 其中 解得 （3）对物块受力分析，水平方向上有 其中 解得 九、 教学反思 本节课流程紧凑，板书规范，学生抢答积极，推导思路清晰，科学探究意识初显，目标基本达成。但学生计算时间上较为拖沓，今后教学中要注意学生计算能力的训练。 第 1 页 共 6 页 学科网（北京）股份有限公司 $