1.4 质谱仪与回旋加速器 教案（表格式）高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

课题 1.1 磁场对通电导线的作用力
教学目标 1. 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 2. 经历质谱仪和回旋加速器的工作原理推导过程，体会逻辑推理逻辑思维。
重点 初步掌握电荷在电场、磁场和重力场的复合场中的运动问题的方法。
难点 经历质谱仪和回旋加速器的工作原理推导过程。
教学过程 一、新课引入 师：在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？ 生：可以用电场和磁场。 师：电场和磁场分别可以对电荷产生什么作用？ 生：电场可以加速，磁场可以偏转。 师：根据，当质量不同时，半径就不同，可以把粒子分开。 二、新课教学 师：质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
教学过程 师：电离室的作用是使中性气体电离，产生带电粒子；加速电场可以使粒子加速，速度选择器可以筛选一定速度的粒子，在偏转电场中带电粒子做匀速圆周运动，偏转电场中的偏转距离为2r，所以联立方程可以得到，质量为，由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量不同，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同谱线，叫作质谱线。 例1. (多选)如图所示是质谱议的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( ABC ) A. 质谱仪是分析同位素的重要工具 B. 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C. 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D. 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小 例2. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为+e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？
教学过程 （2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 师：要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 如图所示的多级加速器中，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。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长很长。 师：1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。他利用电场对电荷进行加速，磁场对电荷偏转，这样就大大减小了占用空间。 问：磁场的作用？ 生：粒子做匀速圆周运动。 问：电场的作用？ 生：两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子被加速。 问：交变电场的作用及变化周期？
教学过程 生：为保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，则在狭缝两侧加的交变电压与带电粒子在D形盒中运动周期相同。 问：带电粒子的轨迹特点？ 生：根据r = ，粒子每加速一次，其轨道半径就大一些；但根据，粒子做圆周运动的周期不变。 师：由于两个D形盒之间的窄缝很小很小，故带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。 问：带电粒子被加速后最终的能量是多少呢？（设D形盒半径为R） 生：计算得出Ekm = ，与加速电压无关，只与磁感应强度B和D形盒半径R有关。 例1. 如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核()和氦核()。下列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．两次所接高频电源的频率相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能 三、课堂小结 总结质谱仪和回旋加速器原理。
教后反思 本节课是电场和磁场的复合场问题，学生理解需要时间。