摘 要:学习了电视机显像管的工作原理之后学生就会自然地产生一个教材中所没有提到的实际疑问:为什么显像管中是运用线圈加偏转磁场控制电子束,而没有采用与示波管中类似的通过平行金属板加偏转电场来控制电子束,这可以通过两道题目的计算解决。
关键词:电偏转 磁偏转 扫描
《普通课程标准实验教科书物理选修3-1》第三章第五节是磁场对运动电荷的作用力,在本节课的最后一部分介绍了电子束的磁偏转,并且与实际相联系讲解了电视机显像管的工作原理,以此来加深学生对带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的理解。学生学习后知道电视机是靠控制电子束的偏转迅速打亮荧光屏上的所有点使荧光屏发光显像,也知道了其中的电子束的偏转控制叫做扫描。一说到扫描学生并不陌生,因为在之前第一章第九节带电粒子在电场中的运动一节的示波管工作原理中就已经接触到了扫描。于是很多学生就会自然地产生一个教材中所没有提到的实际疑问:示波管和显像管都是通过控制电子束偏转而迅速扫描而显示出图像的,那为什么显像管中是运用线圈加偏转磁场控制电子束,而没有采用与示波管中类似的通过平行金属板加偏转电场来控制电子束呢?
其实学生这个疑问的本质正是高中物理电磁学的一个重要问题电偏转和磁偏转的区别与联系。学生既然产生了这样的疑问就证明其对前后所学的知识进行了深入的思考,已经观察出了电偏转和磁偏转的相同之处,也就是它们的联系。这是教学的一个很好的契机,这时教师就可以通过以下两道计算题的引入帮助学生探究出电偏转和磁偏转的重要区别。
首先是一道带电粒子在匀强电场中的偏转的计算题。
已知电子质量m=0.9×10-30kg,电量e=1.6×10-19C,电子以v0=-3.0×107m/s速度射入平行金属板间,板间电压U=200V,板间距d=2cm,板长l=6.0cm,若要求电子在荧光屏上的偏移距离y′=24cm,则板的末端与荧光屏的距离L为多少?(把两板间电场看作匀强电场)
解析:设电子从板末端飞出时偏移量为y,偏转角为?准,垂直于板方向的速度分量为vy
电子在板间做类平抛运动,在平行于板方向有l=v0t
这样学生就能联想到示波器的外形为什么是“小脸蛋长身躯”了,也大致感觉到了为什么电视机显像管中不能用电场来控制电子束进行扫描。那么通过磁场就能很好地完成扫描任务吗?这就可以通过另一道带电粒子在匀强磁场中偏转的计算题让学生再来探究一下。
果然,电子束在磁场中的偏转效果满足实际的要求。实际上电视机偏转线圈中的磁场在0.1T左右,比本例中的磁场还要强一些,所以实际的偏转效果就会更好一些。
其实这两道计算题是高中电磁学中常见的典型题目,也是高考的重要考点和一直以来高考的热点;而电视机显像管为什么不用电偏转也是很多学生在前后联系知识,构建自己的电磁学知识体系时很容易产生的一大困惑,也是教师容易忽视的问题。学生由于实际经验的限制,不可能想到自己手头经常会遇到的两道题正是解决心头这一困惑的法宝。这时的教师如果能为即将要探究的物理问题认真地创设一些情境,让学生在观察和体验后有所发现、有所联想,这样就会达到帮助学生提高自主学习能力、养成良好的思维习惯、学会运用物理知识和科学探究方法解决一些问题的目的。在以上的两个问题中教师就是将一些抽象的字母推导题引入实际生活中的数据改为数字计算题,再引导学生对算出的数据进行观察分析,计算释疑,学生心头的困惑就会荡然无存。同时学生也会由此牢固掌握电偏转与磁偏转的区别与联系,在自己的电磁学知识体系中自然而牢牢地扣上了一环。无形中也让学生感受到电磁场规律在科学技术、生产和生活应用中的重要基础地位。最后教师的这一做法也是对具有一定的质疑能力的学生的一种鼓励,激发了学生的学习兴趣。
作者单位:辽宁省大连市第三中学
