【教學(xué)目標(biāo)】
1、了解了質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，就可以應(yīng)用帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來(lái)分析相關(guān)問(wèn)題。
2、了解回旋加速器的結(jié)構(gòu)和加速原理，了解粒子回旋周期與加速電場(chǎng)變化周期的關(guān)系。
【教學(xué)重點(diǎn)】
了解了質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，就可以應(yīng)用帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的定律來(lái)分析相關(guān)問(wèn)題。
【教學(xué)難點(diǎn)】
了解回旋加速器的結(jié)構(gòu)和加速原理，了解粒子回旋周期與加速電場(chǎng)變化周期的關(guān)系。
【教學(xué)流程】
1. 審核導(dǎo)入
1. 示例：
如圖所示，存在一個(gè)邊界為圓形、半徑為r的均勻磁場(chǎng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B。初始速度為 v0 的帶電粒子（質(zhì)量 m，電荷 q）沿磁場(chǎng)直徑運(yùn)動(dòng)。 在洛倫茲力的作用下，從P點(diǎn)進(jìn)入，從Q點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng)。
(1) 可以證明質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)速度方向的反向延長(zhǎng)線一定經(jīng)過(guò)圓心。
(2) 假設(shè)質(zhì)點(diǎn)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)了角度θ，則從圖中的幾何關(guān)系可以看出=r/R=
可見(jiàn)，對(duì)于某個(gè)帶電粒子（m和q一定），可以通過(guò)調(diào)節(jié)B和B的大小來(lái)控制粒子的偏轉(zhuǎn)角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。
1 磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線的作用力
2 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力
3 帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第二冊(cè)_教師夢(mèng)想
4 質(zhì)譜儀與回旋加速器PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_施夢(mèng)園
1 楞次定律PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想成真
2 法拉第電磁感應(yīng)定律PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)
3 渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想
4 互感與自感PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想成真
1 交流電PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)
2 交流電PPT課件教案說(shuō)明下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想
3 變形金剛PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想成真
4電能的傳輸PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想
1 下載電磁振蕩PPT課件教案_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想
2 電磁場(chǎng)與電磁波PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師的夢(mèng)想
3 無(wú)線電波的發(fā)射與接收PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師的夢(mèng)想
4 電磁頻譜PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想成真
1 認(rèn)識(shí)傳感器PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)
2 常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修課第2冊(cè)_教師夢(mèng)想
3 利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置PPT課件教案下載_高中物理人教版(2019)選修必修卷2_教師的夢(mèng)想
全冊(cè)綜合PPT課件教案下載_高中物理人民教育版(2019)選修必修第二冊(cè)_教師夢(mèng)想成真
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本章綜合與測(cè)試_人民教育出版社高中物理選修必修課第二卷(2019年版)_教師之家
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2、新課程教學(xué)
(1) 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并測(cè)定其質(zhì)量、荷質(zhì)比和含量比。 下圖顯示了常用的質(zhì)譜儀。
(1)離子發(fā)生器：發(fā)射帶電荷q、質(zhì)量m的粒子。 不計(jì)算粒子從A中小孔S飄出時(shí)的速度；
(2)靜電加速器C：靜電加速器的兩極板M、N的中心分別有小孔S1、S2。 粒子從S1孔進(jìn)入后，受到電壓為U的電場(chǎng)加速后，以速度v從S2孔飛出；
(3)速度選擇器D：由正交均勻電場(chǎng)E0和均勻磁場(chǎng)B0組成。 通過(guò)調(diào)整E0和B0的大小，可以選擇度數(shù)為v0=E0/B0的粒子通過(guò)速度選擇器并從S3孔中噴射出來(lái)；
(4)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B：粒子從速度選擇器小孔S3噴出后，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)感光膠片F(xiàn)：粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中作半圓運(yùn)動(dòng)后，撞擊感光膠片上的P點(diǎn)并被記錄。 可以測(cè)量PS4之間的距離L。 裝置內(nèi)的五個(gè)小孔S、S1、S2、S3、S4在同一直線上。
2、問(wèn)題討論：
假設(shè)粒子的質(zhì)量為m，電荷為q（不考慮重力），
電場(chǎng)加速粒子的動(dòng)能定理如下：①；
粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)為：②；
①②的聯(lián)合解為：;。
另一種表達(dá)形式
同位素荷質(zhì)比和質(zhì)量的測(cè)定：根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)的條件，粒子通過(guò)加速電場(chǎng)并通過(guò)速度選擇器：。 若測(cè)得偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中粒子的軌道直徑為L(zhǎng)，則同位素的荷質(zhì)比和質(zhì)量分別為；。
注：①速度選擇器適用于正、負(fù)電荷。
②速度選擇器中E和B1的方向有一定的關(guān)系。 如果僅改變其中一個(gè)方向，則無(wú)法選擇速度。
(2)回旋加速器
美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明的回旋加速器是磁場(chǎng)和電場(chǎng)定律在科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用在移動(dòng)電荷上的一個(gè)例子。 這也是高中物理教材中的一個(gè)難點(diǎn)。 有幾個(gè)問(wèn)題值得進(jìn)一步討論。
回旋加速器是一種用于加速帶電粒子以獲得高能量的裝置。
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）。 兩個(gè)盒子之間有一個(gè)狹窄的間隙，粒子源O放置在狹窄間隙的中心附近。 D形盒子安裝在真空容器中，整個(gè)裝置放置在巨大電磁鐵的兩極之間。 均勻磁場(chǎng)的方向垂直于D形盒的底面。 將兩個(gè)D形盒連接到高頻電源的兩個(gè)極上。
2、回旋加速器的工作原理：如圖所示，從粒子源O發(fā)射出的帶電粒子，受到兩個(gè)D形盒之間的電場(chǎng)加速后，沿 方向進(jìn)入某個(gè)D形盒的垂直磁場(chǎng)。 在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)半個(gè)周期后回到窄縫。 這時(shí)，窄縫之間的電場(chǎng)方向剛好改變，帶電粒子在窄縫中再次加速，以更大的速度進(jìn)入另一個(gè)D形盒子，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)……這樣，帶電粒子不斷加速，直到在 D 形盒子中沿著螺旋軌道運(yùn)動(dòng)，逐漸接近盒子的邊緣。 當(dāng)顆粒達(dá)到預(yù)期速度時(shí)，會(huì)使用特殊裝置將它們引出。
3． 問(wèn)題討論。
(1)高頻電源的頻率。
帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期。 帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，每經(jīng)過(guò)狹窄的狹縫都會(huì)受到電場(chǎng)的加速，運(yùn)動(dòng)的速度不斷增大，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑不斷增大，但每半個(gè)時(shí)間粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期保持不變。 由于窄縫的寬度很小，因此粒子通過(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)間只考慮其在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。 因此，粒子每次通過(guò)窄縫時(shí)得到加速的條件是：高頻電源的周期等于帶電粒子運(yùn)動(dòng)的周期（同步），即頻率高頻電源是為了實(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不變，因此粒子在D形盒內(nèi)加速的后半個(gè)周期的半徑為R。可見(jiàn)，帶電粒子的最大動(dòng)能為。 雖然洛倫茲力對(duì)帶電粒子不起作用，但E與B有關(guān)；
因?yàn)椋梢钥闯觯铀匐妷旱母叩椭粫?huì)影響帶電粒子被加速的總次數(shù)，而不會(huì)影響回旋加速后的最大動(dòng)能。
（3）能否無(wú)限加速？
由于相對(duì)論效應(yīng)，當(dāng)帶電粒子的速度接近光速時(shí)，帶電粒子的質(zhì)量會(huì)顯著增加高中物理帶電粒子教學(xué)反思，因此帶電粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期會(huì)隨著帶電粒子質(zhì)量的增加而延長(zhǎng)。 如果施加在D形盒子兩極上的交變電場(chǎng)的周期不變，帶電粒子每次都會(huì)“遲到”一點(diǎn)，并且不能保證粒子每次總是被加速他們穿過(guò)狹窄的縫隙。 因此，同步條件被破壞，帶電粒子的速度無(wú)法再增加。
(4) 粒子在加速器內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：
假設(shè)加速電壓為U，質(zhì)量為m、電荷為q的粒子總共被加速n次。 如果不包括在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，則有：
所以
并且由于帶電粒子在一個(gè)周期內(nèi)被加速兩次，因此粒子在磁場(chǎng)中移動(dòng)所需的時(shí)間
如果計(jì)算粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，粒子在兩個(gè)D形盒子之間的運(yùn)動(dòng)可以看作是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 假設(shè)間隙為 d，我們有：
所以
因此，粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為
因?yàn)椋虼耍Ｗ釉陔妶?chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間可以忽略不計(jì)。
3、鞏固實(shí)踐
1、正確與錯(cuò)誤的判斷（正確則打“√”，錯(cuò)誤則打“×”）
(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)軌跡圓弧對(duì)應(yīng)的中心角的兩倍。 ( )
(2) 當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)，速度方向改變，但速度大小保持不變。 ( )
(3)速度選擇器既可以選擇粒子的速度高中物理帶電粒子教學(xué)反思，也可以選擇粒子的電特性。 ( )
(4)帶電粒子的比電荷可以使用質(zhì)譜儀來(lái)測(cè)量。 ( )
(5)回旋加速器的兩個(gè)狹縫均可連接直流電源。 ( )
2.（多選）下圖為“速度選擇器”裝置示意圖。 ，是水平放置的平行金屬板。 一束不同速度的電子通過(guò)兩塊板之間水平方向的小孔進(jìn)入。 為了選擇具有特定速度的電子，可以在效應(yīng)之間施加電壓。 實(shí)現(xiàn)上述目的的可能途徑是（ ）
A．使極板電位高于極板，磁場(chǎng)方向垂直于紙面朝內(nèi)
B、使極板電位低于極板，磁場(chǎng)方向垂直于紙面朝內(nèi)
C、使極板電位高于極板，磁場(chǎng)方向垂直于紙面朝外
D.使極板電位低于極板，磁場(chǎng)方向垂直于紙面朝外
3． 回旋加速器是一種加速帶電粒子的裝置。 其核心部分是兩個(gè)連接高頻交流電極的D形金屬盒。 兩個(gè)盒子之間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)使粒子穿過(guò)狹縫。 兩個(gè)D形金屬盒子處于垂直于盒子底部的均勻磁場(chǎng)中。 如圖所示，要增加帶電粒子噴射時(shí)的動(dòng)能，下列正確的說(shuō)法是（ ）
A．增大均勻電場(chǎng)間的加速電壓
B.降低磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
C.降低周期性變化電場(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、化學(xué)家阿斯頓因發(fā)明質(zhì)譜儀以及對(duì)同位素和質(zhì)譜的研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 若同一束具有相同速度的粒子從左端進(jìn)入質(zhì)譜儀，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，則下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（ ）
A．這束帶電粒子帶負(fù)電
B、速度選擇器P1板帶負(fù)電
C.B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑較大的粒子比電荷較小/
D.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，用于加速質(zhì)量為m、電荷為q的質(zhì)子。 質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)區(qū)時(shí)，正好在電壓為U時(shí)被加速，可見(jiàn)電場(chǎng)是均勻電場(chǎng)，將質(zhì)子從靜止加速到能量E，然后從空穴中噴出A、下列說(shuō)法正確的是（ ）
A。 D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。 加速電壓U越高，質(zhì)子的能量E越大。
B.磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。 如果加速電壓U不變，D形盒的半徑R越大，質(zhì)子的能量E越大。
C、D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。 加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)。
D、D形盒子的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。 加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越短。
6、薄鋁板將同一均勻磁場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域：I和II。 高速帶電粒子可以一次穿過(guò)鋁板。 兩個(gè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，半徑R1>R2。 假設(shè)粒子通過(guò)鋁板前后所帶電荷保持不變，則粒子 ( )
A．帶正電
B.Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的移動(dòng)速度相同
C.Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同
D.從Ⅱ區(qū)穿過(guò)鋁板移動(dòng)到Ⅰ區(qū)
7、如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為m、電荷為q的粒子從容器A下方的小孔S1中飄入一個(gè)電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)中，然后讓該粒子垂直進(jìn)入一個(gè)具有磁力的磁場(chǎng)中。感應(yīng)強(qiáng)度B，最后擊中板材D優(yōu)。
(1) 粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度。
(2) 求在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的粒子的軌道半徑。
8、1989年初，我國(guó)投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器，可將電子能量加速到2.8GeV； 如果改用直線加速器，假設(shè)每級(jí)加速電壓U=2.0×105V，需要多少級(jí)加速？
回答：
1.×√×√×
2.公元
3． D
4.C
5.BD
6.C
7.（1）
(2)
8.1.4×104（水平）