【教學(xué)目標(biāo)】
1．知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造，會(huì)應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析相關(guān)問(wèn)題。
2．知道回旋加速器的構(gòu)造和加速原理，理解粒子的回旋周期與加速電場(chǎng)的變化周期的關(guān)系。
【教學(xué)重點(diǎn)】
知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造，會(huì)應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析相關(guān)問(wèn)題。
【教學(xué)難點(diǎn)】
知道回旋加速器的構(gòu)造和加速原理，理解粒子的回旋周期與加速電場(chǎng)的變化周期的關(guān)系。
【教學(xué)過(guò)程】
一、復(fù)習(xí)導(dǎo)入
1．實(shí)例：
如圖所示為一具有圓形邊界、半徑為r的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，一個(gè)初速度大小為v0的帶電粒子（質(zhì)量為m，電荷量為q）沿該磁場(chǎng)的直徑方向從P點(diǎn)射入，在洛倫茲力的作用下從Q點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng)。
（1）可以證明，該粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)速度方向的反向延長(zhǎng)線(xiàn)必過(guò)圓心。
（2）設(shè)粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)相比偏轉(zhuǎn)了θ角，則由圖中幾何關(guān)系可以看出tanθ2＝r/R＝qBrmv0
可見(jiàn)，對(duì)于一定的帶電粒子（m，q一定），可以通過(guò)調(diào)節(jié)B和v0的大小來(lái)控制粒子的偏轉(zhuǎn)角度θ。
2．特點(diǎn)：
利用磁場(chǎng)控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，只能改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向而不能改變粒子的速度大小。
二、新課教學(xué)
（一）質(zhì)譜儀
1．質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)原理
質(zhì)譜儀主要用于分析同位素、測(cè)定其質(zhì)量、荷質(zhì)比和含量比，如圖所示為一種常用的質(zhì)譜儀。
（1）離子發(fā)生器：發(fā)射出電量q、質(zhì)量m的粒子，粒子從A中小孔S飄出時(shí)速度大小不計(jì)；
（2）靜電加速器C：靜電加速器兩極板M和N的中心分別開(kāi)有小孔S1、S2，粒子從S1進(jìn)入后，經(jīng)電壓為U的電場(chǎng)加速后，從S2孔以速度v飛出；
（3）速度選擇器D：由正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)E0和勻強(qiáng)磁場(chǎng)B0構(gòu)成，調(diào)整E0和B0的大小可以選擇度為v0＝E0/B0的粒子通過(guò)速度選擇器，從S3孔射出；
（4）偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B：粒子從速度選擇器小孔S3射出后，從偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)邊界擋板上的小孔S4進(jìn)入，做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)；
（5）感光片F(xiàn)：粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中做半圓運(yùn)動(dòng)后，打在感光膠片的P點(diǎn)被記錄，可以測(cè)得PS4間的距離L。裝置中S、S1、S2、S3、S4五個(gè)小孔在同一條直線(xiàn)上。
2．問(wèn)題討論：
設(shè)粒子的質(zhì)量為m、帶電量為q（重力不計(jì)），
粒子經(jīng)電場(chǎng)加速由動(dòng)能定理有：qU=12mv2①；
粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)有：L=2mvBq②；
聯(lián)立①②解得：m=qB2L28U；qm=8UB2L2。
另一種表達(dá)形式
同位素荷質(zhì)比和質(zhì)量的測(cè)定：粒子通過(guò)加速電場(chǎng)，通過(guò)速度選擇器，根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)的條件：v=EB0。若測(cè)出粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌道直徑為L(zhǎng)，則L=2R=2mvBq=2mEB0Bq，所以同位素的荷質(zhì)比和質(zhì)量分別為qm=2EB0BL；m=B0BqL2E。
說(shuō)明：①速度選擇器適用于正、負(fù)電荷。
②速度選擇器中的E、B1的方向具有確定的關(guān)系，僅改變其中一個(gè)方向，就不能對(duì)速度做出選擇。
（二）回旋加速器
1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明的回旋加速器，是磁場(chǎng)和電場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用規(guī)律在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用典例，也是高中物理教材中的一個(gè)難點(diǎn)，其中有幾個(gè)問(wèn)題值得我們進(jìn)一步探討。
回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使之獲得高能量的裝置。
1．回旋加速器的結(jié)構(gòu)：回旋加速器的核心部分是兩個(gè)D形金屬扁盒（如圖所示），在兩盒之間留有一條窄縫，在窄縫中心附近放有粒子源O。D形盒裝在真空容器中，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵的兩極之間，勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直于D形盒的底面。把兩個(gè)D形盒分別接到高頻電源的兩極上。
2．回旋加速器的工作原理：如圖所示，從粒子源O放射出的帶電粒子，經(jīng)兩D形盒間的電場(chǎng)加速后，垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入某一D形盒內(nèi)，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)半個(gè)周期后又回到窄縫。此時(shí)窄縫間的電場(chǎng)方向恰好改變，帶電粒子在窄縫中再一次被加速，以更大的速度進(jìn)入另一D形盒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)……這樣帶電粒子不斷被加速，直至它在D形盒內(nèi)沿螺線(xiàn)軌道運(yùn)動(dòng)逐漸趨于盒的邊緣，當(dāng)粒子達(dá)到預(yù)期的速率后，用特殊裝置將其引出。
3．問(wèn)題討論。
（1）高頻電源的頻率f。
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T=2πmqB。帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，每次經(jīng)過(guò)窄縫都被電場(chǎng)加速，運(yùn)動(dòng)速度不斷增加，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑不斷增大，但粒子在磁場(chǎng)中每運(yùn)動(dòng)半周的時(shí)間t=T2=πmqB不變。由于窄縫寬度很小，粒子通過(guò)電場(chǎng)窄縫的時(shí)間很短，可以忽略不計(jì)，粒子運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間只考慮它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。因此，要使粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫時(shí)都能被加速的條件是：高頻電源的周期與帶電粒子運(yùn)動(dòng)的周期相等（同步），即高頻電源的頻率為f=qB2πm，才能實(shí)現(xiàn)回旋加速。
（2）粒子加速后的最大動(dòng)能E。
由于D形盒的半徑R一定，粒子在D形盒中加速的最后半周的半徑為R，由qvB=mv2R可知v=BqRm，所以帶電粒子的最大動(dòng)能E=mv22=B2q2R22m。雖然洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功，但E卻與B有關(guān)；
由于nqU=mv22=E，由此可知，加速電壓的高低只會(huì)影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響回旋加速后的最大動(dòng)能。
（3）能否無(wú)限制地回旋加速。
由于相對(duì)論效應(yīng)，當(dāng)帶電粒子速率接近光速時(shí)，帶電粒子的質(zhì)量將顯著增加，從而帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期將隨帶電粒子質(zhì)量的增加而加長(zhǎng)。如果加在D形盒兩極的交變電場(chǎng)的周期不變的話(huà)，帶電粒子由于每次“遲到”一點(diǎn)，就不能保證粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫時(shí)總被加速。因此，同步條件被破壞，也就不能再提高帶電粒子的速率了。
（4）粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：
設(shè)加速電壓為U，質(zhì)量為m、帶電量為q的粒子共被加速了n次，若不計(jì)在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，有：nqU=Emax=B2q2R22m
所以n=B2qR22mU
又因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)帶電粒子被加速兩次，所以粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t磁=n2T=πBR22U
若計(jì)上粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，則粒子在兩D形盒間的運(yùn)動(dòng)可視為初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)間隙為d，有：nd=12qUmd?t電2
所以t電=2nd2mqU=BdRU
故粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為t=t電+t磁=BR(2d+πR)2U
因?yàn)镽?d，所以t磁?t電，故粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間可以忽略。
三、鞏固練習(xí)
1．正誤判斷（正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”）
（1）帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角等于運(yùn)動(dòng)軌跡圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角的2倍。（ ）
（2）帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)，速度的方向改變而速度的大小不變。（ ）
（3）速度選擇器既可以選擇粒子的速度，也可以選擇粒子的電性。（ ）
（4）應(yīng)用質(zhì)譜儀可以測(cè)定帶電粒子的比荷。（ ）
（5）回旋加速器兩狹縫可以接直流電源。（ ）
2．（多選）如圖為一“速度選擇器”裝置的示意圖。、為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經(jīng)小孔進(jìn)入、兩板之間。為了選取具有某種特定速率的電子，可在、間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使所選電子仍能夠沿水平直線(xiàn)′運(yùn)動(dòng)，由′射出，不計(jì)重力作用?？赡苓_(dá)到上述目的的辦法是（ ）
A．使板電勢(shì)高于板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里
B．使板電勢(shì)低于板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里
C．使板電勢(shì)高于板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向外
D．使板電勢(shì)低于板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向外
3．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，則下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A．增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓
B．減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
C．減小周期性變化的電場(chǎng)的頻率
D．增大D形金屬盒的半徑
4．1922年英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，則下列相關(guān)說(shuō)法中正確的是（ ）
A．該束帶電粒子帶負(fù)電
B．速度選擇器的P1極板帶負(fù)電
C．在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子，比荷/越小
D．在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子，質(zhì)量越大
5．如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來(lái)加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)區(qū)時(shí)，都恰好在電壓為U時(shí)被加速，且電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng)，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說(shuō)法正確的是（ ）
A．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子的能量E將越大
B．磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，質(zhì)子的能量E將越大
C．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間將越長(zhǎng)
D．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間將越短
6．薄鋁板將同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)分成Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)區(qū)域，高速帶電粒子可穿過(guò)鋁板一次，在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖所示，半徑R1>R2。假定穿過(guò)鋁板前后粒子電荷量保持不變，則該粒子（ ）
A．帶正電
B．在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速度大小相同
C．在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同
D．從Ⅱ區(qū)域穿過(guò)鋁板運(yùn)動(dòng)到Ⅰ區(qū)域
7．如圖所示，一質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，最后打到底片D上。
（1）粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。
（2）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。
8．1989年初，我國(guó)投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV；若改用直線(xiàn)加速器加速，設(shè)每級(jí)的加速電壓為U=2.0×105V，則需要幾級(jí)加速？
答案：
1．×√×√×
2．AD
3．D
4．C
5．BD
6．C
7．（1）v=2qUm
（2）r=2muqB2
8．1.4×104（級(jí)）

相關(guān)教案

物理4 生活中的圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)：

這是一份物理4 生活中的圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)，共28頁(yè)。

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教案：

這是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教案，共7頁(yè)。教案主要包含了新課導(dǎo)入，新課內(nèi)容等內(nèi)容，歡迎下載使用。

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教學(xué)設(shè)計(jì)及反思：

這是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教學(xué)設(shè)計(jì)及反思，共7頁(yè)。教案主要包含了單元等內(nèi)容，歡迎下載使用。

英語(yǔ)朗讀寶

相關(guān)教案 更多

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 機(jī)械能守恒定律教案

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 機(jī)械能守恒定律教案
高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 機(jī)械能守恒定律教案設(shè)計(jì)

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)4 機(jī)械能守恒定律教案設(shè)計(jì)
物理必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教案

物理必修 第二冊(cè)4 宇宙航行教案
高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)1 功與功率教案及反思

高中物理人教版 (2019)必修 第二冊(cè)1 功與功率教案及反思
資料下載及使用幫助
版權(quán)申訴
版權(quán)申訴
若您為此資料的原創(chuàng)作者，認(rèn)為該資料內(nèi)容侵犯了您的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，請(qǐng)掃碼添加我們的相關(guān)工作人員，我們盡可能的保護(hù)您的合法權(quán)益。
入駐教習(xí)網(wǎng)，可獲得資源免費(fèi)推廣曝光，還可獲得多重現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)，申請(qǐng) 精品資源制作， 工作室入駐。
版權(quán)申訴二維碼
高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第二冊(cè)電子課本

4 質(zhì)譜儀與回旋加速器

版本： 人教版 (2019)

年級(jí)： 選擇性必修 第二冊(cè)

切換課文
  • 課件
  • 教案
  • 試卷
  • 學(xué)案
  • 更多
所有DOC左下方推薦
歡迎來(lái)到教習(xí)網(wǎng)
  • 900萬(wàn)優(yōu)選資源，讓備課更輕松
  • 600萬(wàn)優(yōu)選試題，支持自由組卷
  • 高質(zhì)量可編輯，日均更新2000+
  • 百萬(wàn)教師選擇，專(zhuān)業(yè)更值得信賴(lài)
微信掃碼注冊(cè)
qrcode
二維碼已過(guò)期
刷新

微信掃碼，快速注冊(cè)

手機(jī)號(hào)注冊(cè)
手機(jī)號(hào)碼

手機(jī)號(hào)格式錯(cuò)誤

手機(jī)驗(yàn)證碼 獲取驗(yàn)證碼

手機(jī)驗(yàn)證碼已經(jīng)成功發(fā)送，5分鐘內(nèi)有效

設(shè)置密碼

6-20個(gè)字符，數(shù)字、字母或符號(hào)

注冊(cè)即視為同意教習(xí)網(wǎng)「注冊(cè)協(xié)議」及「隱私條款」
QQ注冊(cè)
手機(jī)號(hào)注冊(cè)
微信注冊(cè)

注冊(cè)成功

返回
頂部