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匀强电场中电势差与电场强调的关系示波管原理
一、教学目标
【知识与技能】
1.学习运用静电力、电场强度等概念研究带电粒子在电场中运动时的加速度、速度和位移物理量的变化。
2.学习运用静电力做功、电势、电势差等概念研究带电粒子在电场中运动时能量的转化。
3.了解示波管的工作原理,体会静电场知识对科学技术的影响。
【过程与方法】
经历理论探究过程,体验应用类比学习的知识法和通过做功研究能量变化的方法。
【情感态度与价值观】
通过学习,树立相互联系、相互影响的看待事物的的观点。了解电场规律在科学技术中的应用。
二、教学重点、难点
【教学重点】:带电粒子在电场中的加速和偏转。
【教学难点】:综合利用力学、电学知识分析带电粒子在电场中的加速和偏转问题。
三、教学用具:多媒体播放
四、教学过程
【新课引入】在前面学习静电场性质的基础上,本节学习处理带电粒子在电场中运动的问题。我们知道,把一个带电粒子放进电场中,它就受到电场力的作用并具有一定的电势能,因此它可能会做各种各样的运动,这在现代科学技术设备中有广泛的应用。
COS510示波器北京正负电子对撞机;播放视频,引入新课。(设计意图:通过新奇的场景,吸引学生的注意力,激发学生的学习兴趣。)今天我们来学习示波器的原理。
【板书】示波器原理
【新课教学】
学生自行阅读课本内容,了解示波器构造。
示波器是一种可以显示电信号随时间变化情况的仪器。通过加速电场和偏转电场来实现带电粒子在电场中加速和偏转。
一、电子(带电粒子)在电场中加速
电子的加速是通过一个加速电场来完成的。两极板间的电场是匀强电场,电压为U,距离为d,一个电子电荷量为e,质量为m,在真空中从静止开始加速,从负极板向正极板运动,从正极板的小孔穿出。(不计电子的重力)
【问题一】若电子质量为m,则加速后的速度v0
计算方法一:电子在电场中受电场力,由牛顿第二定律
【问题二】若阴阳两极所加电场不是匀强电场,电压仍为u1,电子质量为m,则加速后的速度v
提出问题:
(1)请同学们特别注意,这两个电场相同吗?第一个问题是匀强电场,电场力是恒力;第二个问题是非匀强电场,电子受的力是变力。问题一中,两块金属板是平行的,两板板的电场是匀强电场。问题二中两板板是不是平行板板,中间的电场也不再均匀,上面的结果是否仍然适用?为什么?
(2)用什么方法来解决?动力学的方法不能用了,动能定理仍然可以。计算方法与问题一中方法二相同:
【问题三】
若被加速的粒子为一般负电荷,电荷质量为m,则加速后的速度v0
【问题四】
若被加速的粒子为一般正电荷,电荷质量为m,则加速后的速度v0
结论:无论是怎样的电荷进入加速电场,均可用动能定理解体;不同的在于电量的符号表示。
二、电子(带电粒子)在匀强电场中偏转
【情境】电子的偏转,是通过一个偏转电场实现的,如图所示。电子经加速电场加速后,以一定速度v0垂直于电场方向射入匀强电场中,两极板长度为l
【思考讨论】:
(1)进入匀强电场后电子做什么运动?
(2)这种运动与那种运动相似?尝试画出运动轨迹。
(3)你能否通过类比得到这种运动的研究方法?电子做曲线运动,与平抛运动相似,这类运动称为类平抛,轨迹向电场力的方向弯曲。
介绍并总结:把电子的运动分成平行于板面方向的分运动,和沿垂直于板面方向的分运动。平行于板面方向不受外力,做匀速直线运动,位移大小等于l。垂直于板面方向,受电场力,做初速度为零的匀加速直线运动,加速度大小由电场力提供。处理方法与平抛相同。用这种研究方法完成物理情境中的问题。
可见,带电粒子再电场中的偏转与平抛拥有相同的数学结论,处理方法也相似,主要采用运动的分解。
前面两种控制电子运动的方法组合在一起,就是示波管的工作原理。
【反思】1、研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索带电粒子在电场中的运动,是一个综合电场力、电势能的力学问题,研究的方法与质点动力学相同,它同样遵循运动的合成与分解、力的独立作用原理、牛顿运动定律、动能定理、功能原理等力学规律.研究时,主要可以按以下两条线索展开.
(1)力和运动的关系——牛顿第二定律根据带电粒子受到的电场力,用牛顿第二定律找出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等.这条线索通常适用于恒力作用下做匀变速运动的情况。
(2)功和能的关系——动能定理根据电场力对带电粒子所做的功,引起带电粒子的能量发生变化,利用动能定理或从全过程中能量的转化,研究带电粒子的速度变化,经历的位移等.这条线索同样也适用于不均匀的电场。
2、研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧电场力和重力都是恒力,在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比.例如,垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛,带电单摆在竖直方向匀强电场中的运动
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