基于核心素养的教学设计——带电粒子在电场中的运动

丁红明

(浙江省平湖中学 浙江 嘉兴 314200)

1 教材分析

学生在高一时就较为系统地学过力与运动的基本关系，通过在本章开始学习电场对微观粒子的作用，以及上一节“电容器”的学习，知道了匀强电场如何获得，在脑海中形成了“场”的观念，然后带电粒子在电场中运动，就顺理成章地摆在学生面前，引导学生思考相关内容，着眼于在学生脑海中构建粒子的运动观.本节内容分为“带电粒子的加速”“带电粒子的偏转”和“示波管的原理(加速、偏转的综合应用)”3个方面.力学知识在电场中的应用，由易到难，层层递进，符合学生的认知规律.

对于示波管的原理这部分内容，在本节课上仅仅点到为止，让学生清楚身边看似高大上的高科技仪器，其工作的基本原理并不复杂，就是我们今天所学的内容.详细解释粒子如何实现上下偏转、左右偏转和动态图像等，则放到下一课时解决.

2 教学思路

本节课教学从标题——“带电粒子在电场中的运动”出发，从“研究对象”——带电粒子，“所处环境”——电场中，以及“力与运动分析”入手，充分挖掘标题蕴含的物理信息，让学生学会从标题探知本节课我们要学习的内容，从而引入本节课的教学主题.

通过演示实验(铝箔小球在电场中的加速和偏转)，感受到电场力的存在，认识电场对粒子的作用.从小球的两种运动形式抛出话题，引导学生思考解决两类运动的角度和方法.最后通过示波管的介绍，让学生清楚基本物理模型在科技中的应用，感受到物理就在我们身边.

本节课教学贯穿的思维过程如图1所示.

图1 本节课的教学思维过程

3 教学过程

任务1：对本节标题“带电粒子在电场中的运动”的解读

情景：幻灯片展示本节课的标题

问题：(1)本节标题蕴含了哪些物理信息？(研究对象、所处环境、结果分析)

(2)带电粒子有哪些基本属性？我们平时研究时做了哪些合理的近似？

(3)我们已经学过哪些类型的电场，它们是如何产生的？

(4)到目前为止，我们学过哪些运动类型？

教学建议：

(1)一个同学可能回答不完整，请同学相互帮助.

(2)充分利用教材，让学生回顾教材，知道教材上对老师所提问题的描述.

(3)充分理解微观粒子间忽略引力作用，仅考虑电场力作用的原因.

(4)由学生说出已学过的运动，引导学生思考这些运动的条件.

学生思维引导：

(1)对于一切物体都是受到万有引力作用的，在微观领域也不例外，但是通过微观粒子受万有引力及静电力(电场力)计算比较(本章前面例题)，知道两者数量级相差实在太悬殊了，所以对于微观粒子，我们一般忽略万有引力，仅考虑电场力，但要注意忽略万有引力，不代表忽略质量.

(2)前面已经学过点电荷的电场，等量同种、异种点电荷的电场，通过上一节的学习已经知道，两块带等量异号电荷的平行金属板之间的电场是匀强电场.研究问题总是从现实中抽象到简单的理想化模型，以后由知识的积累再由简单到复杂.我们就从最简单的匀强电场出发，研究电场对带电粒子的作用.

任务2：寻找带电粒子在电场中加速后获得速度的方法

情景：演示实验——带电铝箔球在电场作用下直线加速

实验装置如图2所示.

图2 任务2演示实验装置

问题：(1)带电粒子(小球)在电场作用下，获得速度，小球在电场中到底做什么运动？小球加速完毕后的速度如何求解？以课件题目为例.

(2)如果电场改为非匀强电场，此时同学们提供的两套方案是否都可行？

(3)用动能定理处理带电粒子在非匀强电场中运动时，在求解速度时优越性体现在哪里？

(4)获得动能来源于哪里？(能量的观念)

教学建议：

(1)通过观察演示实验，让学生通过过程分析得出小球的运动规律，选取两位同学的演算过程(两种不同的方法)，用实物投影仪加以投影.

(2)对两位同学的作业加以肯定(充分尊重学生).

数学推理：

(3)让学生自己说出运用牛顿运动定律方法时，需要满足的条件，从而得出用动能定理解题的优越性.

(4)让学生自己回顾，说出动能定理的具体优越性(只需要关注初末位置，无需关注过程).

(5)结合书本例题，体会电子速度大小的数量级.

【例题】如图3所示，炽热的金属丝可以发射电子，金属丝和竖直金属板之间加以电压U=2 500 V，发射出的电子被加速后，从金属板上的小孔S射出．电子穿出时的速度有多大？设电子刚刚离开金属丝时的速度为零.

图3 例题题图

解：电荷量为e的电子从金属丝移动到金属板，两处的电势差为U，电势能的减少量为eU,减少的电势能全部转化为电子的动能，所以，根据动能定理

代入数据得

v≈3×107m/s

答：电子穿出时的速度为3×107m/s.

(6)如果初速度不为零，则相应方程该如何变换.(由特殊到一般)

学生思维引导:

(1)带电粒子在电场力作用下，合力(电场力)做正功，动能增大，电势能减少，要让学生树立能量的观念.

(2)通过不同方案的比较，得出这些方案的优劣(调动学生学习的积极性)，清晰某些方案是在特定条件下成立的(一般到特殊)，引导学生平时尽量采用通法解决问题.

任务3：寻找解决带电粒子偏转问题的解决方法

情景：演示实验——带电粒子在电场中偏转，实验装置如图4所示.

图4 任务3演示实验装置

过渡：同样为了体现由简单到复杂的研究策略，我们从最简单的垂直入射出发，分析粒子的运动.

问题：通过观察演示实验(左右加偏转电压)，请学生分析带电小球在电场中偏转时的运动规律.

(1)带电粒子(小球)在电场中发生偏转，做曲线运动，这个运动和我们以前学过的哪个运动相似？比较与学过运动的异同点(类比思想的体现).

(2)如果小球所处空间存在的是匀强电场，则可以用什么规律来处理.

(3)我们一般采用什么样的方法去解决粒子的这种运动？或者分别从加速方向和偏转方向看，是什么运动？如何处理？(体现运动的合成与分解的思想)

教学建议:

(1)通过实验的观察，让学生回顾已学过的平抛运动.

(2)分析平抛运动的定义，类比平抛运动，给本运动下个定义，提出解决问题的方案.

(3)让学生写出运动规律，推导出粒子偏出电场时的各个运动参数(碰到物理矢量时，分方向研究的方法).

数学推理:

水平方向L=vtvx=v0

(4)投影学生的推导过程.

(5)让其他学生对投影的推导过程进行点评，教师加以总结.

学生思维引导:

(1)从实验现象的观察联想到这个运动初速度与受力方向垂直，和高一时候学过的平抛运动相似.

(2)解决粒子在电场中的偏转问题，对于新问题而言，我们能否从以往学过的知识找到启发，很显然前面的问题已经帮助了我们.本问题的解决和平抛运动的解决思路如出一辙——分方向研究.

(3)学生的演算推导过程，重在原始问题，原始公式的分析理解，而非本问题的结论或者最后的表达式，待学生做熟悉了以后，自然而然就能理解其中的含义.

任务4：示波管原理的介绍

情景：向学生展示示波管，显示动态图像，并拆开外壳，展示示波管的构造.

过渡：平时在医院里面看到的动态心电记录仪，脑电波显示仪等等，其基本工作原理就是我们今天所学的粒子的加速和偏转.

问题：(1)请同学们思考平时在哪里也会看到这个仪器.

(2)粒子在示波管里面分别做什么运动？(回顾总结、外加匀速).

教学建议:

(1)本节课关于示波管的展示、教学，意在引导学生认识这个仪器，体会物理就在我们身边，具体细节的知识可以放到下一课时进行.

(2)通过示波器的展示，结合课件与书本插图，让学生知道示波管的大概工作原理.

书本插图如图5所示.

图5 书本插图

课件图片如图6所示.

图6 课件图片

(3)做好铺垫，让学生思考粒子偏转出来后匀速运动，如何确定打到荧光屏的具体位置.

学生思维引导:

(1)示波管在屏幕上呈现不同的图像，是因为带电粒子在不同的加速、偏转电压下，到达屏幕上的不同位置，轰击荧光屏造成的结果.

(2)粒子在示波器里面的运动，就是我们刚才学习的两种运动的综合应用.

总结归纳:

运动1：带电粒子的直线加速.

规律1：动能定理，牛顿运动定律(局限于匀强电场).

运动2：带电粒子的曲线偏转.

规律2：类平抛运动，分方向处理.

4 设计点评

“带电粒子在电场中的运动”是电场知识的重要应用之一，是力学知识与电学知识的综合应用.本课的教学设计构思严谨巧妙，通过4个学习任务，使学生能够把电场知识和牛顿运动定律、动能定理、运动的合成与分解等力学知识有机地结合起来，加深对力学、电学知识的理解，有利于培养学生用物理知识解决实际问题等核心素养.

(1)注重从学生的视角“原生态”重演知识的认知过程

本课的教学设计不急于单刀直入地进行知识方法的教学，而是从标题“带电粒子在电场中的运动”出发，从“研究对象”——带电粒子、“所处环境”——电场中、“力与运动分析”入手， 充分挖掘标题蕴含的物理信息，让学生学会从标题探知要学习的内容，从而引入教学主题.面对学生最为迷茫的粒子重力是否可忽略问题，本课教学案例也能结合以前所学的万有引力知识，不惜花时间先期进行重点的讨论与突破，为学生的后续学习直接扫除不必要的认知疑惑.

(2)注重从学生的体验进行演示实验的创设

对于“带电粒子在电场中的运动”课例而言，演示实验显得不是特别容易，本课例能千方百计创设实验情境：带电铝箔球在电场作用下直线加速和类平抛偏转；向学生展示示波管，显示动态图像，并拆开外壳，展示示波管的构造，同时拓展平时在医院里面看到的动态心电记录仪，脑电波显示仪等等，让学生真切地感受到带电粒子在电场中的运动是真真实实在现实中存在的，而不是单纯的思维游戏和脑力体操.

(3)注重从学生的需求进行“问题链”的探究讨论

本课案例以“问题链”的形式引导学生进行带电粒子在电场中的运动的相关探究讨论，设置了近20个“问题链”来逐步深入的学习，并不是急于将知识直接交给学生，而是要回溯到它创生时的原始状态，引导学生去经历知识的发生过程，以使他们从中理解“带电粒子在电场中运动”的本质，汲取知识的营养.“授之以鱼不如授之以渔”，这样的课例设计更能培养学生自主的观察、分析、推理、总结、理论联系实际的学习能力，使学生在联系旧有知识的基础上归纳总结出新的规律，在此基础上完成学习任务，真正做到“把属于学生的东西还给学生”，达到理想课堂的最本真效果.

(点评教师：平湖中学 吴瑞娟、胡晓强)