課 題
人教版高中物理·選擇性必修·第二冊(cè)
第一章 第4節(jié) 質(zhì)譜儀與回旋加速器
課 型
新授課? 復(fù)習(xí)課□ 試卷講評(píng)課□ 其他課□
授課班級(jí)
授課時(shí)間
教學(xué)內(nèi)容分析
課標(biāo)要求：了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。
教材分析：本節(jié)內(nèi)容屬于洛倫茲力的應(yīng)用，教材介紹了質(zhì)譜儀、多級(jí)加速器和回旋加速器。值得重點(diǎn)介紹的是質(zhì)譜儀的用途，它可以精確測(cè)定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。回旋加速器注意它半徑與周期對(duì)粒子加速的影響。
教學(xué)重點(diǎn)：質(zhì)譜儀和回旋加速器工作原理。
教學(xué)難點(diǎn)：回旋加速器中粒子的加速周期與電場(chǎng)變化周期之間的關(guān)系的表達(dá)式。
學(xué)情分析
本節(jié)屬于帶電粒子在組合場(chǎng)的應(yīng)用，教材介紹了質(zhì)譜儀與回旋加速器，從理論到實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生在這一學(xué)習(xí)過程中對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法有所體會(huì)，并且在學(xué)習(xí)過程中嘗到成功的喜悅，體會(huì)科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用。
核心素養(yǎng)
物理觀念∶知道其質(zhì)譜儀和回旋加速器工作原理，會(huì)解決帶電粒子運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問題。
科學(xué)思維∶通過帶電粒子在質(zhì)譜儀和回旋加速器中的運(yùn)動(dòng)分析，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用。
科學(xué)探究：了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的結(jié)構(gòu)，知道其工作原理，會(huì)解決帶電粒子加速的相關(guān)問題。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶通過質(zhì)譜儀和回旋加速器在實(shí)際生活中的應(yīng)用，體會(huì)科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用。
教學(xué)準(zhǔn)備
多媒體課件。
活動(dòng)設(shè)計(jì)
教學(xué)內(nèi)容
教師活動(dòng)
學(xué)生活動(dòng)
評(píng)價(jià)任務(wù)
環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入新課
在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎?
提出問題讓學(xué)生進(jìn)行思考。
巡視課堂并做相引導(dǎo)。
思考老師提出的問題。
聽學(xué)生的回答情況，評(píng)價(jià)學(xué)生的表達(dá)能力和思維。
環(huán)節(jié)二：新課教學(xué)
活動(dòng)一：質(zhì)譜儀
19世紀(jì)末，湯姆孫的學(xué)生阿斯頓就按照這樣的想法設(shè)計(jì)了質(zhì)譜儀，并用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20 和氖-22，證實(shí)了同位素的存在。后來經(jīng)過多次改進(jìn)，質(zhì)譜儀已經(jīng)成為一種十分精密的儀器，是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具。
質(zhì)譜儀是用來分離同位素的、檢測(cè)它們的相對(duì)原子質(zhì)量和相對(duì)豐度的儀器。用它測(cè)定的原子質(zhì)量的精度超過化學(xué)測(cè)量方法。（最后動(dòng)圖展示質(zhì)譜儀分離同位素的畫面）

1.下質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)。
①粒子源：能生成離子束。
②加速電場(chǎng)：離子束經(jīng)過加速電場(chǎng)獲得了一定的速度。
③偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)半個(gè)圓周后打到照相底片的某個(gè)位置。
④照相底片：粒子在底片上顯示出相應(yīng)的位置。（最后動(dòng)圖展示帶電粒子在質(zhì)譜儀中的運(yùn)動(dòng)畫面）
2.質(zhì)譜儀的工作原理

①在電場(chǎng)中被加速而得到的速度，可以用動(dòng)能定理求解，解方程得。
②在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，洛倫茲力提供向心力，r就等于。聯(lián)立以上兩式于是就有。
粒子垂直進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)半個(gè)圓周后打到照相底片的某個(gè)位置。
③在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，偏轉(zhuǎn)的距離為x，x=2r
由這個(gè)式子可知同位素電荷量相同，但質(zhì)量有微小差別。那x就會(huì)不同，也就是說在照相底片上會(huì)打到不同的位置，從而在底片上出現(xiàn)一系列的分立的亮線，這就稱為質(zhì)譜線或譜線。一根譜線對(duì)應(yīng)著一種質(zhì)量的離子。
④由上式可得粒子的質(zhì)量和比荷：
，
我們知道，電場(chǎng)可以對(duì)帶電粒子施加作用力，磁場(chǎng)也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子施加作用力，可以利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。
解得：。
由可知，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與質(zhì)量有關(guān)，如果B、v相同，m不同，則r不同，這樣就可以把不同的粒子分開。
由式子可以知道，質(zhì)譜儀可以準(zhǔn)確的測(cè)出各種同位素的原子質(zhì)量。質(zhì)譜儀的原理就是這樣。
培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和總結(jié)的能力。
評(píng)價(jià)學(xué)生的合作討論情況。
活動(dòng)二：回旋加速器
1.多級(jí)直線加速器
可以利用靜電力對(duì)帶電粒子做功，從而增加粒子的動(dòng)能，qU = ΔEk，加速電壓越高，粒子獲得的動(dòng)能就越高。然而產(chǎn)生過高的電壓在技術(shù)上是很困難的。
解決上述困難的一個(gè)途徑是采用多次（多級(jí)）加速的方法，困難是加速裝置要很長(zhǎng)。
解決上述困難的途徑是把加速電場(chǎng)“卷起來”，利用磁場(chǎng)改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，讓粒子如此往復(fù)"轉(zhuǎn)圈圈"式地被加速。于是，人們依據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)出了用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速的回旋加速器。
2.回旋加速器
（1）回旋加速器基本構(gòu)造
在真空容器中存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，里面有兩個(gè)D形金屬盒，這是高頻電源里面有粒子源，最后這個(gè)粒子引出裝置。兩個(gè)D形盒隔開相對(duì)放置上面加高頻交變電壓，在這個(gè)間隙處就會(huì)產(chǎn)生高頻交變電場(chǎng)。由于金屬盒的屏蔽作用，金屬盒內(nèi)部的電場(chǎng)為零。
（2）回旋加速器工作原理
①粒子源：A0處的粒子源某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)帶正電的粒子，它以一定的初速度v0進(jìn)入下方D形盒。
②在下方勻強(qiáng)磁場(chǎng)中：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半個(gè)周期后到達(dá)縫隙邊緣A1處。
③在電場(chǎng)中：如果這時(shí)候間隙處正好是是向上的電場(chǎng)，那粒子就會(huì)被加速，速率由v0變?yōu)関1。接著從處進(jìn)入上方D形盒。
④在上方勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繼續(xù)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
我們知道粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑 ，由于粒子的速度增加了，所以半徑也相應(yīng)增加，所以會(huì)到達(dá)這個(gè)處。如果這時(shí)電場(chǎng)方向正好變成向下，粒子將再次加速速率變成v2。如果能一直這樣下去，粒子就會(huì)不斷的加速。（最后動(dòng)圖展示帶電粒子在回旋加速器中的運(yùn)動(dòng)畫面）
這個(gè)頻率就是周期的倒數(shù)即
粒子的速率越大，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑越大。當(dāng)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與D形盒半徑R相同時(shí)，即r=R，粒子將會(huì)從粒子引出口飛出D形盒，結(jié)束加速的過程。
附加知識(shí)：r=R時(shí)，即，可以得出最大速度，以及相應(yīng)的最大動(dòng)能。
可見粒子能獲得的最大動(dòng)能取決于D形盒半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，與加速電壓的大小無關(guān)。
回旋加速器缺點(diǎn)
這個(gè)過程看似可以一直進(jìn)行下去，但實(shí)際上由于相對(duì)論的效應(yīng)，粒子的質(zhì)量會(huì)隨著速度增，圓周運(yùn)動(dòng)的周期也增加，這樣電場(chǎng)于運(yùn)動(dòng)不在同步，也就沒辦法加速了。
要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核"打開"進(jìn)行"觀察"。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為"炮彈"去轟擊，才能把它"打開"。產(chǎn)生這些高能"炮彈"的"工廠"就是各種各樣的粒子加速器。
組織學(xué)生開展思考與討論。
困難：那么怎么控制電場(chǎng)的變化呢？
必須得保證粒子從上面出來時(shí)電場(chǎng)方向向下，從下面出來時(shí)電場(chǎng)向上。那么粒子，每一次都會(huì)被加速。
我們以前就知道磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的周期
對(duì)一定的帶電粒子和一定的磁場(chǎng)來說，這個(gè)周期是不變的，盡管粒子的速率和半徑一次比一次大，運(yùn)動(dòng)周期卻始終不變。所以粒子每次在D形盒中完成半個(gè)周期所需的時(shí)間都是一樣的。
那加速電壓在這里充當(dāng)什么角色？
辦法：如果在兩盒間加一個(gè)交變電場(chǎng)，使它也以同樣的周期往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過電場(chǎng)時(shí)，都正好趕上適合的電場(chǎng)方向而被加速。即：
只要讓電場(chǎng)的頻率跟粒子的圓周運(yùn)動(dòng)的頻率相同就可以了。
加速電壓越大，每次速度的增量Δv越大，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑變化Δr也越大。粒子在D形盒中繞的圈數(shù)少，加速的次數(shù)少，粒子的加速時(shí)間短。反之，則加速的次數(shù)多，加速的時(shí)間長(zhǎng)。
評(píng)價(jià)學(xué)生的表達(dá)能力和思維能力。
培養(yǎng)學(xué)生的合作精神、表達(dá)能力。
活動(dòng)三：應(yīng)用
例1：同一種帶電粒子以不同的速度垂直磁場(chǎng)便捷、垂直磁感線射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，則可知：（1）帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度值有幾個(gè)？（2）這些速度的大小關(guān)系為？（3）三束粒子從O點(diǎn)出發(fā)分貝到達(dá)1、2、3點(diǎn)所用時(shí)間的大小關(guān)系是？
提示：（1）同一種帶電粒子進(jìn)入同一磁場(chǎng)，速度不同使軌道半徑不同，所以帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度值有三個(gè)。（2）r1

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