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为了探究仿真实验在高中物理电磁学学习中的积极作用，我们课题组成员在全市范围内进行了广泛的实践探索，事实表明，仿真实验的确功能强大，其实践性和高效性非常显著，兹仅以“带电粒子在电场中运动”为例展示如下。
一、知识与技能
1.理解并掌握带电粒子在电场中加速的规律，会利用做功与动能的关系求解经加速之后的带电粒子的末速度；
2.熟悉平抛运动的规律并能将其应用于带电粒子在电场中的偏转问题；
3.了解示波管的基本工作原理。
二、过程与方法
1.通过研究电场作用与带电粒子能量的关系，学会研究带电粒子在电场中加速的一般方法。
2.通过复习回顾平抛运动的运动规律，学会将相关规律迁移到带电粒子在电场中的偏转问题中来，即学会处理类平抛运动的一般方法。
3.在观看相关模拟演示实验的过程中，学会自主构建带电粒子在电场或复合场中的运动图景，提高分析和解决问题的能力。
三、情感态度与价值观
1.通过学习与仿真实验的模拟，培养构图意识。
2.进一步激发学习兴趣，减小为难情绪，提高创新意识。
重点：能够分析并处理带电粒子在电场中的加速与偏转问题。
難点：带电粒子在几个电场组合场中加速与偏转问题——示波管的基本原理。
（一）带电粒子在电场中的直线运动
1.加速问题：若不计粒子的重力，则电场力对带电粒子做的功等于带电粒子的动能的增量。
（1）在匀强电场中：W=qEd=qU=12mv2-12mv20。
（2）在非匀强电场中：W=qU=12mv2-12mv20。
2.重力作用下静电场中带电小球的运动，如图1所示：
图1
通过模拟演示发现，带电小球在重力与等量同种点电荷形成的电场的力的作用下在竖直方向上做往复运动。
3.带电粒子在电场中的直线运动的分析方法，如图2所示：
图2
例1反射式速调管是常用的微波器件之一，它利用电子团在电场中的振荡来产生微波，其振荡原理与下述过程类似。如图3所示，在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场，一带电微粒从A点由静止开始，在静电力作用下沿直线在A、B两点间往返运动。已知电场强度的大小分别是E1=2.0×103 N/C和E2=4.0×103 N/C，方向如图所示。带电微粒质量m=1.0×10-20 kg，带电荷量q=-1.0×10-9 C，A点距虚线MN的距离d1=1.0 cm，不计带电微粒的重力，忽略相对论效应。求：
图3
（1）B点距虚线MN的距离d2；
（2）带电微粒从A点运动到B点所经历的时间t。
仿真实验模拟如图4所示：相关参数完全按照题目所给参数设置。
图4
二、带电粒子在电场中的偏转
1.基本规律：设粒子带电荷量为q，质量为m，两平行金属板间的电压为U，板长为l，板间距离为d（忽略重力影响）。
（1）加速度：a=Fm=qEm=qUmd。
（2）在电场中的运动时间：t=lv0。
（3）位移vxt=v0t=l，12at2=y，
y=12at2=qUl22mv20d。
（4）速度vx=v0，vy=at，vy=qUtmd，
v=v2x+v2y，
tanθ=vyvx=qUlmv20d。
注：相关推论与平抛运动一致。
图5
例2如图5所示，在两条平行的虚线内存在着宽度为L、场强为E的匀强电场，在与右侧虚线相距也为L处有一与电场平行的屏。现有一电荷量为+q、质量为m的带电粒子（重力不计），以垂直于电场线方向的初速度v0射入电场中，v0方向的延长线与屏的交点为O。试求：
（1）粒子从射入到打到屏上所用的时间；
（2）粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值tanα；
（3）粒子打到屏上的点P到O点的距离x。
仿真实验模拟如图6所示：
图6
反思：仿真实验室在本节内容的应用体现了其强大的功能和优势，学生可以通过观看仿真实验的模拟演示，使不可视的物理情境变得可视化，帮助学生理解并分析带电粒子在电场中的加速与偏转问题。但是在本节内容的学习过程中也表现出一些实验平台的局限性，如带电粒子在交变电场中的运动在该平台上尚不能演示，相信如果可以实现，将会有更大的价值。
本文是甘肃省教育科学“十二五”规划立项课题“计算机虚拟仿真实验室与高中物理电磁学动态问题教学整合的行动研究”（GSGB[2015]MSZX083）的研究成果之一。
作者单位：甘肃省天水市第二中学
一、知识与技能
1.理解并掌握带电粒子在电场中加速的规律，会利用做功与动能的关系求解经加速之后的带电粒子的末速度；
2.熟悉平抛运动的规律并能将其应用于带电粒子在电场中的偏转问题；
3.了解示波管的基本工作原理。
二、过程与方法
1.通过研究电场作用与带电粒子能量的关系，学会研究带电粒子在电场中加速的一般方法。
2.通过复习回顾平抛运动的运动规律，学会将相关规律迁移到带电粒子在电场中的偏转问题中来，即学会处理类平抛运动的一般方法。
3.在观看相关模拟演示实验的过程中，学会自主构建带电粒子在电场或复合场中的运动图景，提高分析和解决问题的能力。
三、情感态度与价值观
1.通过学习与仿真实验的模拟，培养构图意识。
2.进一步激发学习兴趣，减小为难情绪，提高创新意识。
重点：能够分析并处理带电粒子在电场中的加速与偏转问题。
難点：带电粒子在几个电场组合场中加速与偏转问题——示波管的基本原理。
（一）带电粒子在电场中的直线运动
1.加速问题：若不计粒子的重力，则电场力对带电粒子做的功等于带电粒子的动能的增量。
（1）在匀强电场中：W=qEd=qU=12mv2-12mv20。
（2）在非匀强电场中：W=qU=12mv2-12mv20。
2.重力作用下静电场中带电小球的运动，如图1所示：
图1
通过模拟演示发现，带电小球在重力与等量同种点电荷形成的电场的力的作用下在竖直方向上做往复运动。
3.带电粒子在电场中的直线运动的分析方法，如图2所示：
图2
例1反射式速调管是常用的微波器件之一，它利用电子团在电场中的振荡来产生微波，其振荡原理与下述过程类似。如图3所示，在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场，一带电微粒从A点由静止开始，在静电力作用下沿直线在A、B两点间往返运动。已知电场强度的大小分别是E1=2.0×103 N/C和E2=4.0×103 N/C，方向如图所示。带电微粒质量m=1.0×10-20 kg，带电荷量q=-1.0×10-9 C，A点距虚线MN的距离d1=1.0 cm，不计带电微粒的重力，忽略相对论效应。求：
图3
（1）B点距虚线MN的距离d2；
（2）带电微粒从A点运动到B点所经历的时间t。
仿真实验模拟如图4所示：相关参数完全按照题目所给参数设置。
图4
二、带电粒子在电场中的偏转
1.基本规律：设粒子带电荷量为q，质量为m，两平行金属板间的电压为U，板长为l，板间距离为d（忽略重力影响）。
（1）加速度：a=Fm=qEm=qUmd。
（2）在电场中的运动时间：t=lv0。
（3）位移vxt=v0t=l，12at2=y，
y=12at2=qUl22mv20d。
（4）速度vx=v0，vy=at，vy=qUtmd，
v=v2x+v2y，
tanθ=vyvx=qUlmv20d。
注：相关推论与平抛运动一致。
图5
例2如图5所示，在两条平行的虚线内存在着宽度为L、场强为E的匀强电场，在与右侧虚线相距也为L处有一与电场平行的屏。现有一电荷量为+q、质量为m的带电粒子（重力不计），以垂直于电场线方向的初速度v0射入电场中，v0方向的延长线与屏的交点为O。试求：
（1）粒子从射入到打到屏上所用的时间；
（2）粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值tanα；
（3）粒子打到屏上的点P到O点的距离x。
仿真实验模拟如图6所示：
图6
反思：仿真实验室在本节内容的应用体现了其强大的功能和优势，学生可以通过观看仿真实验的模拟演示，使不可视的物理情境变得可视化，帮助学生理解并分析带电粒子在电场中的加速与偏转问题。但是在本节内容的学习过程中也表现出一些实验平台的局限性，如带电粒子在交变电场中的运动在该平台上尚不能演示，相信如果可以实现，将会有更大的价值。
本文是甘肃省教育科学“十二五”规划立项课题“计算机虚拟仿真实验室与高中物理电磁学动态问题教学整合的行动研究”（GSGB[2015]MSZX083）的研究成果之一。
作者单位：甘肃省天水市第二中学