示波管的原理
高中物理 必修三 第十章 第5节 第2课时
简介
本节内容属于高中物理必修三《带电粒子在电场中的运动》一节的第二课时。由于这一块内容比较抽象，学生理解起来比较困难。因此，本节借助矩道VR虚拟现实课堂软硬件设施，将示波管内部的原理构造转换成直观的3D模型，动态展示带电粒子在电场中的偏转，从而打造成一节自主探究的VR创新课堂。
教学目标
一、教学目标
1. 认识示波管的结构，知道示波管的基本原理。
2. 理解带电粒子在匀强电场中的运动规律，分析解决加速偏转方面的问题。
3. 分析示波管得到正弦图像的条件。
二、重难点
教学重点：带电粒子在电场中的偏转规律。
教学难点：综合运用电学和力学知识处理偏转问题。
教学过程
01
新课导入
上一节我们已经讲过了电场对带电粒子的加速和偏转的作用。它的一个实际应用就是示波器，示波器的核心部件叫示波管，能够用来观察电信号随时间的波形，这种波形是如何产生的呢？今天的这节课我们就一起来探究示波管的工作原理。
02
示波管的结构
介绍示波器的组成，重点介绍核心部件——示波管。通过介绍电子枪、加速电极、相互垂直的偏转电极和荧光屏，让学生初步形成对示波管结构的认识。
【VR观察环节】
教师借助矩道播控系统统一下发课件，让学生在VR情境下进行沉浸式观察示波管的结构。
03
示波管的工作原理
【VR探究环节】
让学生在VR下操作体验带电粒子在加速电压及偏转电压下的加速和偏转过程，并探究以下问题：
（1）闭合电源开关，只调节加速电压大小，你观察到什么？为什么？
（2）两偏转电极均不施加电压，电子打在何处？
（3）在YY’电极上施加电压，电子打在何处？分析电子的受力，电子在电场中作何种运动？增大电压后电子打在何处？
（4）同时在两偏转电极上施加电压，电子打在何处？
过程分析
电子在示波管中的三段运动示意图：
加速电场：电子在加速电场中做匀加速直线运动。
偏转电场：电子在偏转电场中做类平抛运动。
电子在平行于电场方向的偏转距离y：
电子射出偏转电场时速度与水平方向的夹角φ:
荧光屏：电子射出偏转电场后做匀速直线运动。
电子打在荧光屏上的位置距中心点的距离y’：
04
各种图像的形成
01
分析电子随电压变化时的位置变化
在学生了解了示波管的基本工作原理后，向学生提问：
（1）如果在YY’或XX’偏转电极上施加正弦交变电压，能在荧光屏上能看到什么？
（2）如果一组偏转电极上施加正弦交变电压，另一组将电压调至某一定值，荧光屏上的图像如何变化？
学生先自己猜想，然后在VR下操作验证是否正确，最后分析原因。
【VR探究环节】
在YY’偏转电极上施加正弦交变电压：
在XX’偏转电极上施加一定的电压值：
荧光屏上的亮斑会随着电子的移动在竖直方向或水平方向做简谐运动。由于电压变化快，亮斑移动速度快，加上人眼视觉暂留的影响，看起来就形成了一条竖直亮线或水平亮线。
02
正弦图像的形成
教师：如果在YY’偏转电极上施加正弦电压，在XX’偏转电极上施加同周期的扫描电压，能在荧光屏上得到什么图像？如果改变正弦电压初始相位（正弦电压的初始值），图像发生什么变化？为什么？
【VR探究环节】
在YY’偏转电极上施加正弦电压，在XX’偏转电极上施加同周期的扫描电压，能在荧光屏上得到在一个周期内随时间变化的稳定图像：
改变正弦电压初始相位后得到的波形：
在一个周期内，Ux∝t，说明电子在水平方向做匀速运动；而Uy是正弦变化，说明电子在竖直方向做简谐运动。水平方向和竖直方向的运动合成，形成如上图所示的正弦波。改变正弦电压的相位后，荧光屏上的图像也发生相应的变化。
03
【拓展】圆或椭圆图像的形成
教师：如果将XX’偏转电极上的扫描电压更改为正弦电压，能在荧光屏上得到什么图像？如果改变正弦电压的初始相位，图像会发生什么变化？为什么？
【VR探究环节】
将XX’偏转电极上的扫描电压更改为正弦电压后得到的图像：
改变正弦电压的初始相位后得到的图像：
从数学角度看，圆的方程为：
可改写为：
因此，如果在x方向输入正弦电压，y方向输入余弦电压，则电子在荧光屏上的轨迹是一个圆。如果改变电压的初始值，轨迹则为椭圆。
04
【拓展】不同周期的电压
教师：如果在两偏转电极上施加不同周期的电压，将会得到什么样的图像？这个问题留待课后供学生探讨。
点 评
通过VR自主探究的教学方式，既降低了老师的讲解难度，又促进了学生的理解吸收；同时，突出了将学生作为主体、以学生为本的教育理念，符合新课标中“引导学生自主学习、积极参与、乐于探究、促进学生核心素养发展”的基本理念。
END
