基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)
——帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

丁紅明

(浙江省平湖中學(xué) 浙江 嘉興 314200)

1 教材分析

學(xué)生在高一時(shí)就較為系統(tǒng)地學(xué)過(guò)力與運(yùn)動(dòng)的基本關(guān)系，通過(guò)在本章開(kāi)始學(xué)習(xí)電場(chǎng)對(duì)微觀粒子的作用，以及上一節(jié)“電容器”的學(xué)習(xí)，知道了勻強(qiáng)電場(chǎng)如何獲得，在腦海中形成了“場(chǎng)”的觀念，然后帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，就順理成章地?cái)[在學(xué)生面前，引導(dǎo)學(xué)生思考相關(guān)內(nèi)容，著眼于在學(xué)生腦海中構(gòu)建粒子的運(yùn)動(dòng)觀.本節(jié)內(nèi)容分為“帶電粒子的加速”“帶電粒子的偏轉(zhuǎn)”和“示波管的原理(加速、偏轉(zhuǎn)的綜合應(yīng)用)”3個(gè)方面.力學(xué)知識(shí)在電場(chǎng)中的應(yīng)用，由易到難，層層遞進(jìn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

對(duì)于示波管的原理這部分內(nèi)容，在本節(jié)課上僅僅點(diǎn)到為止，讓學(xué)生清楚身邊看似高大上的高科技儀器，其工作的基本原理并不復(fù)雜，就是我們今天所學(xué)的內(nèi)容.詳細(xì)解釋粒子如何實(shí)現(xiàn)上下偏轉(zhuǎn)、左右偏轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)圖像等，則放到下一課時(shí)解決.

2 教學(xué)思路

本節(jié)課教學(xué)從標(biāo)題——“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”出發(fā)，從“研究對(duì)象”——帶電粒子，“所處環(huán)境”——電場(chǎng)中，以及“力與運(yùn)動(dòng)分析”入手，充分挖掘標(biāo)題蘊(yùn)含的物理信息，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從標(biāo)題探知本節(jié)課我們要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而引入本節(jié)課的教學(xué)主題.

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)(鋁箔小球在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn))，感受到電場(chǎng)力的存在，認(rèn)識(shí)電場(chǎng)對(duì)粒子的作用.從小球的兩種運(yùn)動(dòng)形式拋出話(huà)題，引導(dǎo)學(xué)生思考解決兩類(lèi)運(yùn)動(dòng)的角度和方法.最后通過(guò)示波管的介紹，讓學(xué)生清楚基本物理模型在科技中的應(yīng)用，感受到物理就在我們身邊.

本節(jié)課教學(xué)貫穿的思維過(guò)程如圖1所示.

圖1 本節(jié)課的教學(xué)思維過(guò)程

3 教學(xué)過(guò)程

任務(wù)1：對(duì)本節(jié)標(biāo)題“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”的解讀

情景：幻燈片展示本節(jié)課的標(biāo)題

問(wèn)題：(1)本節(jié)標(biāo)題蘊(yùn)含了哪些物理信息？(研究對(duì)象、所處環(huán)境、結(jié)果分析)

(2)帶電粒子有哪些基本屬性？我們平時(shí)研究時(shí)做了哪些合理的近似？

(3)我們已經(jīng)學(xué)過(guò)哪些類(lèi)型的電場(chǎng)，它們是如何產(chǎn)生的？

(4)到目前為止，我們學(xué)過(guò)哪些運(yùn)動(dòng)類(lèi)型？

教學(xué)建議：

(1)一個(gè)同學(xué)可能回答不完整，請(qǐng)同學(xué)相互幫助.

(2)充分利用教材，讓學(xué)生回顧教材，知道教材上對(duì)老師所提問(wèn)題的描述.

(3)充分理解微觀粒子間忽略引力作用，僅考慮電場(chǎng)力作用的原因.

(4)由學(xué)生說(shuō)出已學(xué)過(guò)的運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生思考這些運(yùn)動(dòng)的條件.

學(xué)生思維引導(dǎo)：

(1)對(duì)于一切物體都是受到萬(wàn)有引力作用的，在微觀領(lǐng)域也不例外，但是通過(guò)微觀粒子受萬(wàn)有引力及靜電力(電場(chǎng)力)計(jì)算比較(本章前面例題)，知道兩者數(shù)量級(jí)相差實(shí)在太懸殊了，所以對(duì)于微觀粒子，我們一般忽略萬(wàn)有引力，僅考慮電場(chǎng)力，但要注意忽略萬(wàn)有引力，不代表忽略質(zhì)量.

(2)前面已經(jīng)學(xué)過(guò)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，等量同種、異種點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，通過(guò)上一節(jié)的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道，兩塊帶等量異號(hào)電荷的平行金屬板之間的電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng).研究問(wèn)題總是從現(xiàn)實(shí)中抽象到簡(jiǎn)單的理想化模型，以后由知識(shí)的積累再由簡(jiǎn)單到復(fù)雜.我們就從最簡(jiǎn)單的勻強(qiáng)電場(chǎng)出發(fā)，研究電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用.

任務(wù)2：尋找?guī)щ娏Ｗ釉陔妶?chǎng)中加速后獲得速度的方法

情景：演示實(shí)驗(yàn)——帶電鋁箔球在電場(chǎng)作用下直線加速

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 任務(wù)2演示實(shí)驗(yàn)裝置

問(wèn)題：(1)帶電粒子(小球)在電場(chǎng)作用下，獲得速度，小球在電場(chǎng)中到底做什么運(yùn)動(dòng)？小球加速完畢后的速度如何求解？以課件題目為例.

(2)如果電場(chǎng)改為非勻強(qiáng)電場(chǎng)，此時(shí)同學(xué)們提供的兩套方案是否都可行？

(3)用動(dòng)能定理處理帶電粒子在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在求解速度時(shí)優(yōu)越性體現(xiàn)在哪里？

(4)獲得動(dòng)能來(lái)源于哪里？(能量的觀念)

教學(xué)建議：

(1)通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)過(guò)程分析得出小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選取兩位同學(xué)的演算過(guò)程(兩種不同的方法)，用實(shí)物投影儀加以投影.

(2)對(duì)兩位同學(xué)的作業(yè)加以肯定(充分尊重學(xué)生).

數(shù)學(xué)推理：

(3)讓學(xué)生自己說(shuō)出運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律方法時(shí)，需要滿(mǎn)足的條件，從而得出用動(dòng)能定理解題的優(yōu)越性.

(4)讓學(xué)生自己回顧，說(shuō)出動(dòng)能定理的具體優(yōu)越性(只需要關(guān)注初末位置，無(wú)需關(guān)注過(guò)程).

(5)結(jié)合書(shū)本例題，體會(huì)電子速度大小的數(shù)量級(jí).

【例題】如圖3所示，熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子，金屬絲和豎直金屬板之間加以電壓U=2 500 V，發(fā)射出的電子被加速后，從金屬板上的小孔S射出．電子穿出時(shí)的速度有多大？設(shè)電子剛剛離開(kāi)金屬絲時(shí)的速度為零.

圖3 例題題圖

解：電荷量為e的電子從金屬絲移動(dòng)到金屬板，兩處的電勢(shì)差為U，電勢(shì)能的減少量為eU,減少的電勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，所以，根據(jù)動(dòng)能定理

代入數(shù)據(jù)得

v≈3×107m/s

答：電子穿出時(shí)的速度為3×107m/s.

(6)如果初速度不為零，則相應(yīng)方程該如何變換.(由特殊到一般)

學(xué)生思維引導(dǎo):

(1)帶電粒子在電場(chǎng)力作用下，合力(電場(chǎng)力)做正功，動(dòng)能增大，電勢(shì)能減少，要讓學(xué)生樹(shù)立能量的觀念.

(2)通過(guò)不同方案的比較，得出這些方案的優(yōu)劣(調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性)，清晰某些方案是在特定條件下成立的(一般到特殊)，引導(dǎo)學(xué)生平時(shí)盡量采用通法解決問(wèn)題.

任務(wù)3：尋找解決帶電粒子偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的解決方法

情景：演示實(shí)驗(yàn)——帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

圖4 任務(wù)3演示實(shí)驗(yàn)裝置

過(guò)渡：同樣為了體現(xiàn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的研究策略，我們從最簡(jiǎn)單的垂直入射出發(fā)，分析粒子的運(yùn)動(dòng).

問(wèn)題：通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)(左右加偏轉(zhuǎn)電壓)，請(qǐng)學(xué)生分析帶電小球在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

(1)帶電粒子(小球)在電場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做曲線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)和我們以前學(xué)過(guò)的哪個(gè)運(yùn)動(dòng)相似？比較與學(xué)過(guò)運(yùn)動(dòng)的異同點(diǎn)(類(lèi)比思想的體現(xiàn)).

(2)如果小球所處空間存在的是勻強(qiáng)電場(chǎng)，則可以用什么規(guī)律來(lái)處理.

(3)我們一般采用什么樣的方法去解決粒子的這種運(yùn)動(dòng)？或者分別從加速方向和偏轉(zhuǎn)方向看，是什么運(yùn)動(dòng)？如何處理？(體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解的思想)

教學(xué)建議:

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的觀察，讓學(xué)生回顧已學(xué)過(guò)的平拋運(yùn)動(dòng).

(2)分析平拋運(yùn)動(dòng)的定義，類(lèi)比平拋運(yùn)動(dòng)，給本運(yùn)動(dòng)下個(gè)定義，提出解決問(wèn)題的方案.

(3)讓學(xué)生寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)出粒子偏出電場(chǎng)時(shí)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(碰到物理矢量時(shí)，分方向研究的方法).

數(shù)學(xué)推理:

水平方向L=vtvx=v0

(4)投影學(xué)生的推導(dǎo)過(guò)程.

(5)讓其他學(xué)生對(duì)投影的推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，教師加以總結(jié).

學(xué)生思維引導(dǎo):

(1)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察聯(lián)想到這個(gè)運(yùn)動(dòng)初速度與受力方向垂直，和高一時(shí)候?qū)W過(guò)的平拋運(yùn)動(dòng)相似.

(2)解決粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，對(duì)于新問(wèn)題而言，我們能否從以往學(xué)過(guò)的知識(shí)找到啟發(fā)，很顯然前面的問(wèn)題已經(jīng)幫助了我們.本問(wèn)題的解決和平拋運(yùn)動(dòng)的解決思路如出一轍——分方向研究.

(3)學(xué)生的演算推導(dǎo)過(guò)程，重在原始問(wèn)題，原始公式的分析理解，而非本問(wèn)題的結(jié)論或者最后的表達(dá)式，待學(xué)生做熟悉了以后，自然而然就能理解其中的含義.

任務(wù)4：示波管原理的介紹

情景：向?qū)W生展示示波管，顯示動(dòng)態(tài)圖像，并拆開(kāi)外殼，展示示波管的構(gòu)造.

過(guò)渡：平時(shí)在醫(yī)院里面看到的動(dòng)態(tài)心電記錄儀，腦電波顯示儀等等，其基本工作原理就是我們今天所學(xué)的粒子的加速和偏轉(zhuǎn).

問(wèn)題：(1)請(qǐng)同學(xué)們思考平時(shí)在哪里也會(huì)看到這個(gè)儀器.

(2)粒子在示波管里面分別做什么運(yùn)動(dòng)？(回顧總結(jié)、外加勻速).

教學(xué)建議:

(1)本節(jié)課關(guān)于示波管的展示、教學(xué)，意在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)這個(gè)儀器，體會(huì)物理就在我們身邊，具體細(xì)節(jié)的知識(shí)可以放到下一課時(shí)進(jìn)行.

(2)通過(guò)示波器的展示，結(jié)合課件與書(shū)本插圖，讓學(xué)生知道示波管的大概工作原理.

書(shū)本插圖如圖5所示.

圖5 書(shū)本插圖

課件圖片如圖6所示.

圖6 課件圖片

(3)做好鋪墊，讓學(xué)生思考粒子偏轉(zhuǎn)出來(lái)后勻速運(yùn)動(dòng)，如何確定打到熒光屏的具體位置.

學(xué)生思維引導(dǎo):

(1)示波管在屏幕上呈現(xiàn)不同的圖像，是因?yàn)閹щ娏Ｗ釉诓煌募铀?、偏轉(zhuǎn)電壓下，到達(dá)屏幕上的不同位置，轟擊熒光屏造成的結(jié)果.

(2)粒子在示波器里面的運(yùn)動(dòng)，就是我們剛才學(xué)習(xí)的兩種運(yùn)動(dòng)的綜合應(yīng)用.

總結(jié)歸納:

運(yùn)動(dòng)1：帶電粒子的直線加速.

規(guī)律1：動(dòng)能定理，牛頓運(yùn)動(dòng)定律(局限于勻強(qiáng)電場(chǎng)).

運(yùn)動(dòng)2：帶電粒子的曲線偏轉(zhuǎn).

規(guī)律2：類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，分方向處理.

4 設(shè)計(jì)點(diǎn)評(píng)

“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”是電場(chǎng)知識(shí)的重要應(yīng)用之一，是力學(xué)知識(shí)與電學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用.本課的教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)思嚴(yán)謹(jǐn)巧妙，通過(guò)4個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生能夠把電場(chǎng)知識(shí)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等力學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，加深對(duì)力學(xué)、電學(xué)知識(shí)的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題等核心素養(yǎng).

(1)注重從學(xué)生的視角“原生態(tài)”重演知識(shí)的認(rèn)知過(guò)程

本課的教學(xué)設(shè)計(jì)不急于單刀直入地進(jìn)行知識(shí)方法的教學(xué)，而是從標(biāo)題“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”出發(fā)，從“研究對(duì)象”——帶電粒子、“所處環(huán)境”——電場(chǎng)中、“力與運(yùn)動(dòng)分析”入手， 充分挖掘標(biāo)題蘊(yùn)含的物理信息，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從標(biāo)題探知要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而引入教學(xué)主題.面對(duì)學(xué)生最為迷茫的粒子重力是否可忽略問(wèn)題，本課教學(xué)案例也能結(jié)合以前所學(xué)的萬(wàn)有引力知識(shí)，不惜花時(shí)間先期進(jìn)行重點(diǎn)的討論與突破，為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)直接掃除不必要的認(rèn)知疑惑.

(2)注重從學(xué)生的體驗(yàn)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)

對(duì)于“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”課例而言，演示實(shí)驗(yàn)顯得不是特別容易，本課例能千方百計(jì)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境：帶電鋁箔球在電場(chǎng)作用下直線加速和類(lèi)平拋偏轉(zhuǎn)；向?qū)W生展示示波管，顯示動(dòng)態(tài)圖像，并拆開(kāi)外殼，展示示波管的構(gòu)造，同時(shí)拓展平時(shí)在醫(yī)院里面看到的動(dòng)態(tài)心電記錄儀，腦電波顯示儀等等，讓學(xué)生真切地感受到帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是真真實(shí)實(shí)在現(xiàn)實(shí)中存在的，而不是單純的思維游戲和腦力體操.

(3)注重從學(xué)生的需求進(jìn)行“問(wèn)題鏈”的探究討論

本課案例以“問(wèn)題鏈”的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的相關(guān)探究討論，設(shè)置了近20個(gè)“問(wèn)題鏈”來(lái)逐步深入的學(xué)習(xí)，并不是急于將知識(shí)直接交給學(xué)生，而是要回溯到它創(chuàng)生時(shí)的原始狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生去經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)生過(guò)程，以使他們從中理解“帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)”的本質(zhì)，汲取知識(shí)的營(yíng)養(yǎng).“授之以魚(yú)不如授之以漁”，這樣的課例設(shè)計(jì)更能培養(yǎng)學(xué)生自主的觀察、分析、推理、總結(jié)、理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生在聯(lián)系舊有知識(shí)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出新的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上完成學(xué)習(xí)任務(wù)，真正做到“把屬于學(xué)生的東西還給學(xué)生”，達(dá)到理想課堂的最本真效果.

(點(diǎn)評(píng)教師：平湖中學(xué) 吳瑞娟、胡曉強(qiáng))