1.4质谱仪和回旋加速器（教案） 高中物理人教版（2019）选择性必修第二册

1.4质谱仪与回旋加速器
教学分析：　　　　　
本节教材的内容属于洛伦兹力知识的应用，教科书采用了先实验探究，再理论分析与推导的顺序。这样的过程比较符合一般的认知规律，会降低学习的难度。但是，如果学生整体水平较高，就可以采用先理论分析，再实验验证的顺序，给学生提供较高强度的思维训练。这样使学生既有思维能力训练，又有感性认识体验，在理论与实践的结合中体会到成功的喜悦，同时也进一步体会理论联系实践的研究方法。
教学目标　
1．能用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动的问题，了解质谱仪和回旋加速器的工作原理,而且能够解决相关问题。
2．通过实验和理论探究、合作探讨，体会科学探究的乐趣。
教学媒体　　　　　
质谱仪、回旋加速器
知识准备　　　　　
复习洛伦兹力的定义、洛伦兹力的特点。
导入新课　　
[事件1]
教学任务：质谱仪
师生活动：
思考与讨论：能否从气泡室中带电粒子的轨迹得到启发设计一个仪器，将带电量和质量比值(比荷)不同、初速度几乎为零的带电粒子分开？
可能思考：可以将这些带电粒子经过电场加速后射入磁场，根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径不一样，从而可以将带电粒子分开。
呈现例题：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上，求：
(1)求粒子进入磁场时的速率。
(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。
质谱仪
设计说明：质谱仪的问题是带电粒子在磁场中的运动的运用，它的出现采用学生先思考讨论进行设计再出现题目情景的办法，其主要目的是要让学生在合作交流和设计的过程中体会到成就感，设计的过程可以针对不同的学情给以提示，降低台阶，愉悦学习。
[事件2]
教学任务：回旋加速器
师生活动：
背景介绍：为什么要制造加速器？在现代物理学中，为了探索原子核的结构和得到各种元素的同位素，研究人员需要大量的高能粒子去轰击原子核，由此研究制造出能在实验室里产生大量高能粒子的加速器。
思考与讨论1：怎样才能使粒子加速？
可能分析：利用电场加速，加速电压越高，粒子获得的能量就越大。
【课件展示】 普通加速器构造、原理
思考与讨论2：怎样才能获得高能粒子呢？
参考分析：多级电场加速。
【课件展示】 多级加速器构造、原理。(加速装置要很长，占用空间很大。)
多级加速器。各加速区的两板之间用独立电源供电，
所以粒子从P2飞向P3，从P4飞向P5……时不会减速。
思考与讨论3：有何办法让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，从而节省空间？
参考分析：让带电粒子经过磁场做圆周运动，从而可以第二次被加速。
【课件展示】 回旋加速器构造、原理图片
回旋加速器的原理
思考与讨论4：假如粒子每两次经过盒缝的时间间隔相同，控制两盒间电势差的正负变换是比较容易的。但是粒子的运动越来越快，也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样吗？
图中，粒子每经过一次加速，它的轨道半径就大一些，这样画对吗？
利用带电粒子在匀强磁场中运动的知识，分别计算粒子运动的周期(绕圆运动一周的时间)与速度的关系和半径与速度的关系，就能回答这两个问题。
讨论分析：由周期公式可知，粒子做圆周运动的周期与粒子运动速度和半径无关，所以不会发生变化。
思考与讨论5：带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期与两D形盒所连接的高频交流电源的周期有什么关系？
讨论分析：与交变电流的周期相同。
思考与讨论6：带电粒子的最高能量与哪些因素有关？
讨论分析：带电粒子做圆周运动的半径最大只能等于D形盒的半径，根据半径公式，粒子运动的最大速度v＝qBR/m，那么粒子获得的最大能量为：E＝q2B2R2/2m
设计说明：回旋加速器的问题，先是从加速器的制造意图开始介绍，进而介绍在科学发展的历史上的加速器的种类，从普通加速器开始，利用静电力做功增加离子的能量，电压越高，粒子增加的能量越大，遇到的难题是技术上不能产生过高的电压；到为了满足时代需求出现的多级加速器，也就是直线加速器，缺点是加速设备很长；进而介绍到为了节约空间而巧妙设计的回旋加速器，将加速器“卷”起来；让学生在不断的递进中体会创造的快乐。回旋加速器的周期问题是难点同时也是最精彩的地方，这里让学生通过合作交流来解决，在交流、争论的火花中体会回旋加速器的精妙所在，进一步体会带电粒子在匀强磁场中的圆周运动周期与速度无关在实际中的运用。关于回旋加速器的局限性，D形盒的半径不可能无限制增大，这一点学生很好理解，也能够想到，但另一个受到相对论的制约需有老师针对学情加以介绍。
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