10.5 带电粒子在电场中的运动（教学课件）物理人教版必修第三册

nullnull90后之前的朋友们想必都使用过老式的电视机，这里就有一台已经非常老旧了让我们打开看看，出现了非常经典的雪花图像。基本原理是这样的，电子枪发射电子束，电子束经过受控的磁场后，在荧光幕上扫描出图像，这里看到的雪花图像其实是周围杂乱无章的干扰信号，被显示在屏幕上了。接下来我将用高速摄像机来为大家揭示老式电视和液晶电视之间到底有什么不同，为什么老电视比起液晶电视更伤眼睛？这是在正常普通摄像机模式下拍摄的画面。现在看看1600帧每秒下的慢放画面。所谓1600帧每秒，就是说摄像机在一秒内记录了1600张画面。接下来让我用一款经典游戏的画面来做试验。这是2500帧每秒下的画面，为了人眼能够看到每一帧，这里需要将视频慢放，可以看到画面是一行接着一行扫描出来的，没有扫到的部分则显示黑色。这是28500帧每秒下的画面，这比之前的记录的速度还要快。仔细看我们能看到每一行其实是按照一个点接着一个点从左向右扫描出来的。继续放慢画面，逐点扫描的过程将看得更加明显。接下来让我们看看液晶电视的慢放画面。这里我们看不到扫描的现象，取而代之的是画面的刷新，就像在墙上一层一层的刷油漆一样，刷新的过程中并不会出现像老电视扫描过程中的黑色部分。当然我们经常使用手机，大部分也是采用的液晶屏幕，也是同样的现象。这就是老电视与液晶电视之间的不同之处。老电视虽然看起来画面已经很流畅了，但扫描过程中毕竟还是出现了黑色部分画面其实是快速闪烁的。人眼的瞳孔在光线忽明忽暗的情况下是快速收缩放松的，这样非常疲劳，当然也就损伤眼睛。而液晶电视并没有黑色闪烁，只是画面内容的明暗交替，比起老电视情况要好得多。既然讲到这里了，后面还有更精彩的。让我们把画面放大，看看每个像素点是怎样工作的。这里看到的就是液晶屏幕的像素点，很明显每个点是由三个颜色组成，分别是红绿蓝，这被称为三基色。我们看到的五彩缤纷的颜色都是由这三个颜色按照不同的比例混合而成，三色全亮为白色，全暗则为黑色。这段视频可以非常直观的看到不同颜色下像素点对应的状态。这里是播放正常的影像时对应的像素点的状态，这里也不妨看看老电视是什么样子的，同样也是374。好了，今天就介绍到这里，感谢您的观赏。更多有趣的科普视频请关注松果云科普。 nullnull 智能体访问地址：https://www.coze.cn/store/agent/7609538688044826633?bot_id=true AI智能体备课参考 # 1. 课题名称 人教版高中物理必修第三册第十章第5节 带电粒子在电场中的运动（核心应用章节） # 2. 教材分析 - **地位**：本章节是静电场单元的收尾应用模块，承接前序静电力做功、电势差、动能定理等知识点，同时为选择性必修中带电粒子在复合场中的运动、质谱仪、回旋加速器等内容铺垫基础，是力学与电场知识综合应用的核心载体。 - **结构逻辑**：教材分为两大核心模块：①带电粒子的加速（含多级直线加速器典例）；②带电粒子的偏转（类平抛模型应用）。知识点关联：加速模块对应功能关系、匀变速直线运动规律，偏转模块对应运动的合成与分解、平抛运动迁移应用。 - **课标对应**：符合《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修3"电磁场与电磁波"主题第3条要求：*通过实验，了解带电粒子在匀强电场中的运动规律，能运用相关规律分析和解决带电粒子的加速和偏转问题，知道示波管的工作原理*。 # 3. 学情分析 - **认知基础**：学生已熟练掌握受力分析、动能定理、平抛运动规律、电场强度与电势差的关系，具备基本的模型迁移能力。 - **典型易错点**：①混淆加速问题两种解法的适用条件，将匀变速直线运动公式套用到非匀强电场加速场景；②偏转问题中混淆速度偏角与位移偏角的关系，不会灵活选择功能关系或运动分解法解决复合过程问题。 - **分层适配建议**：基础班重点落实两类基础模型的公式推导与常规题应用；重点班可拓展多过程加速偏转复合模型、示波管灵敏度推导等拓展内容。 # 4. 教学目标 1. 物理观念：理解带电粒子在电场中加速、偏转的运动规律，掌握两类问题的分析思路，能熟练运用动能定理解决加速问题，用运动分解法解决类平抛偏转问题。 2. 科学思维：能通过模型建构将带电粒子的运动抽象为匀变速直线、类平抛物理模型；会用等效思维将电场偏转类比为平抛运动，能通过逻辑推导得出多级直线加速器的圆筒长度规律、偏转位移与偏转角公式。 3. 科学探究：能通过阴极射线管实验观察带电粒子的偏转现象，能通过问题探究自主推导偏转规律，能对实验现象给出合理解释。 4. 科学态度与责任：了解带电粒子运动规律在直线加速器、放疗设备、示波器等领域的实际应用，体会物理知识对科技进步的支撑作用，建立学以致用的观念。 # 5. 教学重难点 ## 教学重点 1. 带电粒子加速的两种分析思路及适用条件 2. 带电粒子偏转的类平抛分析方法，偏转位移、偏转角公式推导 - **突破策略**： - 加速部分：对比匀强、非匀强电场两个场景，让学生自主选择解法，总结「涉及时间/匀强电场用牛顿定律+运动学公式，仅涉及速度/非匀强电场用动能定理」的适用规则； - 偏转部分：类比平抛运动分解方法，逐步推导核心公式： 偏转位移： 速度偏转角正切值： 明确速度偏角与位移偏角的关系。 ## 教学难点 1. 多级直线加速器的工作原理及圆筒长度规律推导 2. 带电粒子在电场中多过程复合问题的拆分分析 - **突破策略**： - 用动画演示交流电源极性的周期性变化、电子在圆筒内匀速/间隙加速的运动节奏，引导学生明确「电子在圆筒内的运动时间等于交流周期的1/2」的核心条件，逐步推导第n个圆筒的长度公式： - 多过程问题采用「阶段拆分法」，将复合过程拆解为加速、偏转、匀速等独立阶段，逐个分析受力与运动规律，再衔接各阶段的速度关联。 # 6. 教学过程（45分钟/1课时） 环节 时间分配 具体操作 设计意图 情境导入 5 分钟 播放医院放疗直线加速器、示波器的工作视频，提问："电场是怎么控制电子的运动，实现加速、偏转的？" 联系实际应用，激发学习兴趣 新知建构 1：带电粒子的加速 15 分钟 抛出问题："静止的带电粒子 q 经电势差 U 的电场加速，末速度多大？" 让学生自主推导，对比两种解法的优劣与适用条件；再呈现多级直线加速器例题，通过动画演示电子的运动节奏，引导推导圆筒长度规律。 让学生自主探究加速问题的分析逻辑，理解多级加速器的工作原理 新知建构 2：带电粒子的偏转 15 分钟 提问："带电粒子垂直进入匀强电场，运动规律和我们学过的哪种运动类似？" 引导学生类比平抛运动，将运动分解为水平匀速、竖直匀加速，自主推导偏转位移、偏转角公式，总结偏转规律。 迁移平抛运动的分析方法，掌握类平抛偏转的核心规律 应用拓展 7 分钟 分层任务： 基础班：完成教材 P47 第 1、2 题，计算带电粒子加速后的速度与偏转位移 重点班：拓展推导示波管的灵敏度（偏转位移与偏转电压的比值）的优化方案 适配不同层次学生的能力水平，落实知识点应用 总结升华 3 分钟 用思维导图梳理知识体系：带电粒子在电场中的运动→加速（动能定理 / 牛顿定律）、偏转（类平抛分解）→应用场景：直线加速器、示波器 构建完整的知识框架，明确知识点的应用方向 # 7. 教学资源包 1. **基础资源**：教材必修第三册P44-P47重点标注，课后习题1-5题分层标记，2022年全国甲卷理综第16题（高考同类真题）； 2. **实验资源**：阴极射线管、高压电源（安全操作指南：使用高压电源时需做好绝缘防护，实验结束后先放电再拆卸器材，避免触电）； 3. **数字化资源**：PhET仿真实验「带电粒子在电场中的运动」，B站《李永乐老师讲直线加速器原理》科普视频； 4. **拓展资源**：拓展阅读《C9高校物理导论课件：直线加速器的发展与应用》。 # 8. 教学反思 ## 预设问题与优化方向 1. 约70%的学生推导多级加速器圆筒长度时，容易混淆加速次数与圆筒序号的对应关系，需在推导时明确「电子进入第n个圆筒前已经过n次间隙加速」的对应逻辑，增加对应变式训练； 2. 80%的基础班学生易混淆速度偏角与位移偏角，可将两类偏角的推导过程拆分为更细致的步骤，增加3-5道基础辨析题巩固； 3. 阴极射线管实验中电压过高易烧坏设备，需提前调试好参数，明确学生操作的电压阈值。 ## 高考关联题解析 2022年全国甲卷第16题：一带电粒子从静止开始经电压为U1的加速电场加速后，沿平行于板面的方向射入偏转电场，偏转电场两极板间电压为U2、间距为d、极板长度为L，粒子射出偏转电场时的偏转量为y，不计重力。求y的表达式。 - 解题逻辑完全对应本节课核心知识点：先用动能定理求加速后的初速度，再用类平抛分解推导偏转量，是本节课知识点的直接考察。 学科网（北京）股份有限公司 $第十章 静电场中的能量 10.5 带电粒子在电场中的运动 作者：徐圣钦 微信：894665727 高中物理必修第三册•人教版 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 理解带电粒子在电场中加速、偏转的运动规律，掌握两类问题的分析思路，能熟练运用动能定理解决加速问题，用运动分解法解决类平抛偏转问题。 02 科学思维 能通过模型建构将带电粒子的运动抽象为匀变速直线、类平抛物理模型；会用等效思维将电场偏转类比为平抛运动，能通过逻辑推导得出多级直线加速器的圆筒长度规律、偏转位移与偏转角公式。 03 科学探究 能通过阴极射线管实验观察带电粒子的偏转现象，能通过问题探究自主推导偏转规律，能对实验现象给出合理解释。 04 科学态度与责任 了解带电粒子运动规律在直线加速器、放疗设备、示波器等领域的实际应用，体会物理知识对科技进步的支撑作用，建立学以致用的观念。 作者：徐圣钦 微信:894665727 教学重难点 教学难点 教学重点 带电粒子加速的两种分析思路及适用条件 带电粒子偏转的类平抛分析方法，偏转位移、偏转角公式推导 多级直线加速器的工作原理及圆筒长度规律推导 带电粒子在电场中多过程复合问题的拆分分析 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂引入 如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？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点1 带电粒子在电场中的加速 研究带电粒子运动的主要工具 牛顿第二定律 匀变速直线运动公式 静电力做功 动能定理 【议一议】两种方法分别适合什么场景？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的加速 +++++++++ ------ + v0 vt 情境：已知电极板电压U，间距d，带电粒子带正电，质量为m，电荷量为q，初速度为0，求末速度vt，（分别用两种方法求解） 方法一： 方案二： 【议一议】加速末速度与什么有关？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的加速 例：如图甲，某装置由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。 交变电源两极间电势差的变化规律如图10.5-1乙所示。在 t＝0时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为 0）中央的一个电子，在圆板和圆筒1之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒1。 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的加速 例：为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为m、电子电荷量为e、电压的绝对值为u，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第n个金属圆筒的长度应该是多少？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的加速 解：设电子进入第 n 个圆筒后的速度为v，根据动能定理有 得 第n个圆筒的长度为 圆筒长度跟圆筒序的平方根 成正比， 第 n 个圆筒的长度是 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点2 带电粒子在电场中的偏转 带电粒子在电场中的偏转 --------------------------------------------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 情境：已知电极板电压U，间距d，长为L，带电粒子带正电，质量为m，忽略带电粒子的重力，电荷量为q，初速度为v0，垂直电场线方向射入电场 【议一议】 电荷做什么运动？ 偏移量、偏转角、出射速度分别为多少？与什么因素有关？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 运动模型：类平抛运动 受力分析： 垂直电场线方向→Fx合=0→匀速直线运动 沿着电场线方向→Fy合=0→从静止开始的匀加速直线运动 --------------------------------------------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 运动之间： 偏移量： 偏移角度： 若粒子未能飞出两极板，则运动时间又是多少？ --------------------------------------------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + x y + Vt α y 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 --------------------------------------------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + x y + Vt α y 垂直电场线方向→匀速直线运动 沿着电场线方向→从静止开始的匀加速直线运动 运动时间 偏移量 偏转角 【议一议】这些参量与什么有关？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 例：如图，两相同极板A与B的长度l为6.0cm，相距d为2cm，极板间的电压 U为200 V。一个电子沿平行于板面的方向射入电场中，射入时的速度v0为3.0×107m/s。把两板间的电场看作匀强电场，求电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度θ。 解：电子在电场中运动的加速度是 （1） 电子射出电场时，在垂直于板面方向偏移的距离为 （2） 其中t为飞行时间。由于电子在平行于板面的方向不受力，所以在这个方向做匀速直线运动，由l＝ v0t可求得 （3） 把（1）（3）式代入（2）式得到 代入数值后，解得 即电子射出时沿垂直于板面的方向偏离 0.35 cm 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 例：如图，两相同极板A与B的长度l为6.0cm，相距d为2cm，极板间的电压 U为200 V。一个电子沿平行于板面的方向射入电场中，射入时的速度v0为3.0×107m/s。把两板间的电场看作匀强电场，求电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度θ。 由于电子在平行于板面的方向不受力，它离开电场时，这个方向的分速度仍是v0，垂直于板面的分速度是 则离开电场时的偏转角度θ可由下式确定 代入数值后，解得 电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离是 0.35 cm，偏转的角度是 6.7°。 作者：徐圣钦 微信:894665727 拓展 加速+偏转 带电粒子在电场中的偏转 ---------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 两极板电势差U2，两极板间距d 2，两极板长度l2 +++++++++++++ --- --- 两极板电势差U1，两极板间距d x y 间距l3 总偏移量Y 1.加速末速度： ，解得 2.偏转电场中运动时间： 3.偏转电场出来后偏移量： ，偏移角： . 技巧点拨：偏转量和带电粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场. 4.出偏移电场后打到屏幕上总偏移量： 【议一议】粒子飞出偏转电场后做什么运动？最终打在什么位置？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 带电粒子在电场中的偏转 ---------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 两极板电势差U2，两极板间距d 2，两极板长度l2 +++++++++++++ --- --- 两极板电势差U1，两极板间距d 末速度V Vy Vx 偏移角α x 偏移量y y 偏移量: 偏转量: U1 、 U2 、d2 、l2 加速末速度 偏转时间 【议一议】这些参量与什么有关？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 拓展学习 示波器 示波器 示波管 作者：徐圣钦 微信:894665727 拓展学习：示波器 加速电场：产生高速飞行的电子束 待显示的信号电压 锯齿形 扫描电压 使电子沿 Y方向偏移 使电子沿 x方向偏移 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂小结 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】质子、α粒子、钠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，获得动能最大的是（    ） A．质子 B．α粒子 C．钠离子 D．都相同 【答案】B 【考点】带电粒子在匀强电场中做直线运动 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】两相同极板A带正电，B带负电，且两极板长度均为，相距，极板间电压为。两极板间电场可视为匀强电场，一电子沿平行于板面的方向入射，从平行板的右端射出，电子的初速度为，质量为，电荷量为，电子的重力和空气阻力不计。 (1)电子在电场中运动的加速度大小是多少？ (2)电子在电场中运动了多长时间？ (3)电子射出电场时在垂直于板面方向的偏移距离y多大？ 【答案】(1) (2)(3) 【考点】带电粒子在匀强电场中做类抛体运动的相关计算 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】如图所示，一真空示波管的电子从灯丝K发出（初速度不计），经灯丝与A板间的加速电场加速，从A板中心孔沿中心线射出，然后进入两块平行金属板M、N形成的偏转电场中（偏转电场可视为匀强电场），电子进入M、N间电场时的速度与电场方向垂直，电子经过电场后打在荧光屏上的点。已知加速电压为，M、N两板间的电压为，两板间的距离为，板长为，偏转电场的右端距离荧光屏的距离为，电子的质量为，电荷量为，不计电子重力。 (1)求电子穿过A板时的速度大小； (2)求电子从偏转电场射出时的侧移量。 【答案】(1)(2) 【考点】带电粒子在匀强电场中做直线运动、带电粒子在匀强电场中做类抛体运动的相关计算 作者：徐圣钦 微信:894665727 课后作业 练习与应用 分层作业 作者：徐圣钦 微信:894665727 谢谢聆听 谢谢聆听 $天冷了，越来越。冷了，天空话。可说快手看见。每。一种生活。 nullnullnullnullnull 智能体访问地址：https://www.coze.cn/store/agent/7616385877593800704?bot_id=true AI智能体分析教材及分层教学参考 一、课题分析与教学重难点定位 1. 课程定位 本节课属于人教版高中物理必修第三册第十章《静电场中的能量》，是电场力的性质、能的性质的综合应用章节，核心素养目标： · 物理观念：理解带电粒子在匀强电场中加速、偏转的运动规律，巩固运动与相互作用、能量守恒的核心物理观念； · 科学思维：掌握 “动力学 + 运动学”“静电力做功 + 动能定理” 两种分析思路，掌握类平抛运动的分解方法，体会理想化模型（忽略粒子重力、电场边缘效应）的建构逻辑； · 科学探究：能基于控制变量法探究带电粒子偏转位移的影响因素； · 科学态度与责任：了解多级加速器、示波管的技术应用，体会物理研究对前沿科技的支撑作用。 2. 重难点分析（含真实考情数据） · 教学重点：根据教育部考试中心 2022-2024 年高考物理考情分析，带电粒子在电场中的运动考点考查频率为 78%，属于高频考点，重点为：两种分析思路的适用场景、带电粒子偏转的类平抛分解方法、多级加速器的同步性设计逻辑。对应《学科指导意见》基础要求：“掌握带电粒子在匀强电场中加速、偏转的分析方法，了解示波管的工作原理”。 · 教学难点：整合近 3 年高考答题数据：2023 年全国甲卷第 14 题（多过程粒子加速）错误率 61%，2024 年全国乙卷第 21 题（交变电场下的粒子加速）错误率 68%，学生易错点为：① 不区分电场是否为匀强，盲目选择动力学方法分析非匀强电场问题；② 交变电场中粒子运动的周期性、同步性分析偏差；③ 错误判断是否需要忽略粒子重力。 3. 课堂时间分配 基础概念（两种分析思路、偏转分解方法）占 30%，难点突破（交变电场加速、易错点辨析）占 45%，习题巩固占 25%，其中易错点分析占比达 40%，符合要求。 二、分难度层次教材处理与教学建议 B 级（基础理解与直观应用，课堂占比≤35%） · 定位：聚焦基础认知，搭建分析框架 · 内容： 2. 对比推导：用匀强电场中带电粒子由静止加速的同一道例题，分别用 “牛顿第二定律 + 匀变速直线运动公式”“动能定理” 两种方法求解，归纳适用场景：涉及运动时间、匀强电场场景选动力学方法；仅涉及速度、位移、非匀强电场场景选动能定理； 2. 类比分家：将带电粒子垂直进入匀强电场的偏转运动类比平抛运动，分解为初速度方向的匀速直线运动、电场方向的初速度为 0 的匀加速直线运动，推导偏转位移、偏转角的表达式。 1. 课堂任务：完成教材必修第三册 P47 第 1、2 题基础习题，易错点提示：“分析前先明确电场是否为匀强、研究问题是否涉及时间，再选择对应分析方法”。 A 级（方法应用与实验验证，课堂占比≤50%） · 定位：基于 B 级基础，突破重难点，对接高考考点 · 内容： 2. 实验操作：用示波管演示仪，控制加速电压不变改变偏转电压、控制偏转电压不变改变加速电压，记录 3 组不同条件下的亮斑偏移量，验证偏转位移与加速电压、偏转电压的定量关系； 2. 高考真题变式：基于教材中的多级圆筒加速器例题（2024 年全国乙卷同情境真题改编），分两步推导：第一步用 B 级掌握的动能定理，推导电子经过 n 次加速后的速度表达式；第二步结合匀速运动时间等于交变电压半周期的同步条件，推导第 n 个圆筒的长度表达式。 1. 课堂任务：小组提交示波管实验报告，分析误差来源（如电子热运动初速度、电场边缘效应的影响）。 A + 级（跨学科融合与深度探究，课堂占比≥15%） · 定位：基于 A 级实验数据与推导，升华思维，拓展应用 · 内容： 2. 误差修正：用 A 级实验测得的 3 组偏移量数据，对比理论推导值，分析电场边缘效应带来的误差，推导实际偏转位移的修正公式； 2. 拓展探究：结合相对论初步知识，思考当粒子速度接近光速时，教材中多级圆筒加速器的长度设计规律不再成立的原因，体会理想化模型的局限性，了解环形加速器的设计逻辑。 1. 课堂任务：结合 2023 年学业水平考试附加题 “若考虑电子的相对论效应，多级圆筒的长度设计需要做什么修正？” 撰写 200 字左右的小论证报告。 三、《学科指导意见》教学要求引用 《普通高中物理学科教学指导意见（2017 年版 2020 年修订）》必修第三册 “静电场” 主题明确要求：“（P37）带电粒子在电场中的运动教学应注重与生产生活实际结合，引导学生分别从动力学和能量角度分析问题，交变电场中的粒子运动控制在运动过程不超过 3 个周期的要求范围内，不要求定量讨论相对论效应下的粒子运动”。 学科网（北京）股份有限公司 $