單英明

摘? ?要：帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。文章以“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例，通過設(shè)計(jì)問題清單、學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，教師對(duì)課前學(xué)習(xí)情況進(jìn)行精準(zhǔn)診斷，依據(jù)診斷結(jié)果重新整合教學(xué)資源，圍繞“解決問題”優(yōu)化教學(xué)過程，在教學(xué)設(shè)計(jì)中以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)教學(xué)過程，通過問題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：帶電粒子;任務(wù)驅(qū)動(dòng);加速;偏轉(zhuǎn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）9-0072-3

1? ? 教學(xué)背景分析

1.1? ? 教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對(duì)“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”的要求是：“能分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，能解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象。”2017年版課標(biāo)直指學(xué)科核心素養(yǎng)中的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念、能量觀念以及科學(xué)思維中的模型建構(gòu)，說明帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為電磁學(xué)中的一個(gè)核心內(nèi)容，且本節(jié)知識(shí)與現(xiàn)代科技聯(lián)系較多，綜合性較強(qiáng)，又有很明顯的力學(xué)特征。課堂的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該放在帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析，物理模型的建構(gòu)，特別是“通過類比力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律——構(gòu)建類平拋模型”的教學(xué)上。

1.2? ? 學(xué)生情況分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓第二定律、動(dòng)能定理、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差、電場(chǎng)力做功等知識(shí)，掌握了解決自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)這兩類問題的一般方法，但是對(duì)電場(chǎng)知識(shí)的綜合應(yīng)用還存在一定難度，運(yùn)用已有的知識(shí)來獲取新知識(shí)的能力還需進(jìn)一步提升。

通過診斷學(xué)生課前的自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的前期預(yù)習(xí)掌握情況如下：

（1）帶電粒子重力可以忽略的條件。多數(shù)學(xué)生能回答出，當(dāng)所受電場(chǎng)力遠(yuǎn)大于重力時(shí)，粒子的重力可以忽略。

（2）能通過分析、對(duì)比，得出初速度為零、不計(jì)重力的帶電粒子在電場(chǎng)中做什么運(yùn)動(dòng)。

（3）多數(shù)學(xué)生能正確畫出帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，只受電場(chǎng)力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（4）能通過類比得出帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)做類似平拋的運(yùn)動(dòng)（在課上應(yīng)讓學(xué)生經(jīng)歷勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速曲線運(yùn)動(dòng)等理想模型的建構(gòu)過程，體會(huì)物理模型在研究物理問題中的重要作用）。

存在問題主要如下：

（1）部分學(xué)生不能很好地解決帶電粒子在電場(chǎng)中的加速問題。主要表現(xiàn)為，不能通過類比力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，總結(jié)出帶電粒子在電場(chǎng)中加速問題的解決方法。

（2）多數(shù)學(xué)生對(duì)于帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)只受電場(chǎng)力作用下的類平拋運(yùn)動(dòng)理解不夠深入，主要體現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)過程分析不清。

（3）多數(shù)學(xué)生基于現(xiàn)象得出結(jié)論并作出解釋的能力還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

2? ? 教學(xué)目標(biāo)

2.1? ? 物理觀念

（1）學(xué)生通過對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分析，深化對(duì)位移、速度、加速度、合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)等重要概念的理解，進(jìn)一步提高關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系、做功與能量關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

（2）學(xué)生通過將帶電粒子的運(yùn)動(dòng)納入到機(jī)械運(yùn)動(dòng)體系，建立不同運(yùn)動(dòng)形式之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步深化對(duì)概念和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

（3）能分析和解決帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際問題。

2.2? ? 科學(xué)思維

（1）經(jīng)歷勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速曲線運(yùn)動(dòng)等理想模型的建構(gòu)過程（忽略重力），體會(huì)物理模型在研究物理問題中的重要作用。

（2）使學(xué)生通過研究帶電粒子在電場(chǎng)中的加速、偏轉(zhuǎn)，體會(huì)物理學(xué)中化繁為簡(jiǎn)（曲線變直線）、等效替代（合成與分解）的研究方法。

2.3? ? 科學(xué)探究

通過提出問題、猜想和假設(shè)、基于證據(jù)得出結(jié)論、并對(duì)結(jié)論作出解釋、分析、交流的過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。

2.4? ? 科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

通過“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”的應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的關(guān)系，形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力。

3? ? 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

3.1? ? 教學(xué)重點(diǎn)

（1）帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律。

（2）物理學(xué)中化繁為簡(jiǎn)（曲線變直線）、等效替代（合成與分解）的研究方法。

3.2? ? 教學(xué)難點(diǎn)

帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題。

4? ? 教學(xué)過程

任務(wù)一：帶電粒子加速問題的整合

例1 如圖1甲中一個(gè)質(zhì)量為m的小球，只受重力作用，從靜止開始運(yùn)動(dòng)，下落h高度時(shí)，求其速度為多大？

例2 如圖1乙所示，在真空中有一對(duì)平行金屬板，兩板間電壓為U，兩板間距為d，兩板間有一個(gè)帶正電荷q的帶電粒子，質(zhì)量為m，它在電場(chǎng)力的作用下，由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)，到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度有多大？ （不計(jì)帶電粒子所受重力）

（一）問題導(dǎo)入，師生研討

師：請(qǐng)大家思考這兩個(gè)問題，質(zhì)點(diǎn)所受到的力是否具有相同的特征？如有，它們相同的特征是什么？

生：有，它們相同的特征是都受到大小、方向不變的恒力。

師：請(qǐng)?jiān)俜治鲆幌?，這兩個(gè)問題中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征是否相同？如果相同，那么它們都屬于哪一類型的運(yùn)動(dòng)？

生：運(yùn)動(dòng)特征相同，圖1甲中小球自由下落，由于初速度為零，并且只受到重力作用，因而小球做勻加速直線運(yùn)動(dòng)（自由落體運(yùn)動(dòng)）。通過類比的方法判定，圖1乙中初速度為零，不計(jì)重力的帶電粒子在電場(chǎng)中做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

師：通過類比分析不難得出，圖1乙中粒子在電場(chǎng)中只受到電場(chǎng)力的作用，并且初速度為零，根據(jù)牛頓定律可知，粒子應(yīng)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

（二）方法遷移，拓展應(yīng)用

師：它們都在做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那么，這兩個(gè)問題能不能用同一種方法解決呢？

生：可以。

師：請(qǐng)大家用動(dòng)能定理解決。

（三）教師小結(jié)

這兩個(gè)問題是相通的，同時(shí)可以看出，具有相同特征的問題可以用相同或相類似的方法解決。

任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題的整合

（一）問題導(dǎo)入，師生研討

例1? 圖2甲中小球質(zhì)量為m，以初速度v0水平拋出，落地時(shí)水平射程為L(zhǎng)，求：

（1）下落高度h為多少？

（2）落地時(shí)豎直分速度vy為多大？

（3）末速度方向與初速度方向間的速度偏轉(zhuǎn)角的正切值為多大？

例2 圖2乙中一質(zhì)子質(zhì)量為m，電量為q，以初速度v0從平行板電容器中央水平射入，平行板長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩板間電壓為U，板間距為d，（質(zhì)子重力不計(jì)）求：

①質(zhì)子射出兩板間時(shí)，沿電場(chǎng)方向的偏移量h為多少？

②射出時(shí)質(zhì)子沿電場(chǎng)方向的分速度vy為多大？

③射出時(shí)質(zhì)子末速度方向與初速度方向間的速度偏轉(zhuǎn)角的正切值為多大？

師：請(qǐng)大家分析這兩個(gè)問題中質(zhì)點(diǎn)所受到的力是否具有相同的特征？如有，它們相同的特征是什么？

生：有，它們都受到大小、方向都不變的恒力，且恒力方向都與初速度方向垂直。

師：請(qǐng)大家再分析一下，這兩個(gè)問題中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征是否相同？如果相同，那么它們都屬于哪一類型的運(yùn)動(dòng)？

生：相同，它們都是在水平方向上有一個(gè)初速度，受到與初速度方向垂直的恒力作用，因而做平拋運(yùn)動(dòng)或與平拋運(yùn)動(dòng)具有相同特征的運(yùn)動(dòng)。

師：通過類比分析得出圖2乙中初速度不為零、不計(jì)重力的帶電粒子在電場(chǎng)中做類似平拋的運(yùn)動(dòng)。

（二）教師小結(jié)

這種運(yùn)動(dòng)特征與平拋運(yùn)動(dòng)相同的運(yùn)動(dòng)，我們一般稱為類平拋運(yùn)動(dòng)，所以，帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是一種類平拋運(yùn)動(dòng)。

（三）方法遷移，拓展應(yīng)用

師：根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，它們相同或相似的解法是什么？

5? ? 教學(xué)反思

本節(jié)課以學(xué)生課前學(xué)習(xí)診斷中存在的問題為出發(fā)點(diǎn)，圍繞學(xué)生自學(xué)過程中思維上和方法上的困難點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)教學(xué)過程。

教學(xué)中，應(yīng)注意把課堂還給學(xué)生，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生提出問題，通過小組討論、交流總結(jié)解決問題。在學(xué)生積極參與的過程中，發(fā)展其解決實(shí)際問題的物理學(xué)科思維能力和科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生樹立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和責(zé)任。

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（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）