【教學目標】
1、了解了質譜儀的結構，就可以應用帶電粒子在均勻磁場中圓周運動的規律來分析相關問題。
2、了解回旋加速器的結構和加速原理，了解粒子回旋周期與加速電場變化周期的關系。
【教學重點】
了解了質譜儀的結構，就可以應用帶電粒子在均勻磁場中圓周運動的定律來分析相關問題。
【教學難點】
了解回旋加速器的結構和加速原理，了解粒子回旋周期與加速電場變化周期的關系。
【教學流程】
1. 審核導入
1. 示例：
如圖所示，存在一個邊界為圓形、半徑為r的均勻磁場。 磁感應強度為 B。初始速度為 v0 的帶電粒子（質量 m，電荷 q）沿磁場直徑運動。 在洛倫茲力的作用下，從P點進入，從Q點離開磁場。
(1) 可以證明質點離開磁場時速度方向的反向延長線一定經過圓心。
(2) 假設質點離開磁場時的速度方向與進入磁場時相比偏轉了角度θ，則從圖中的幾何關系可以看出=r/R=
可見，對于某個帶電粒子（m和q一定），可以通過調節B和B的大小來控制粒子的偏轉角θ。
2、特點：
利用磁場控制帶電粒子的運動只能改變粒子的運動方向，而不能改變粒子的速度。
1 磁場對載流導線的作用力
2 磁場對運動電荷的作用力
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2、新課程教學
(1) 質譜儀
1.質譜儀的結構原理
質譜儀主要用于分析同位素并測定其質量、荷質比和含量比。 下圖顯示了常用的質譜儀。
(1)離子發生器：發射帶電荷q、質量m的粒子。 不計算粒子從A中小孔S飄出時的速度；
(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孔進入后，受到電壓為U的電場加速后，以速度v從S2孔飛出；
(3)速度選擇器D：由正交均勻電場E0和均勻磁場B0組成。 通過調整E0和B0的大小，可以選擇度數為v0=E0/B0的粒子通過速度選擇器并從S3孔中噴射出來；
(4)偏轉磁場B：粒子從速度選擇器小孔S3噴出后，從偏轉磁場邊界擋板上的小孔S4進入，做半徑為r的勻速圓周運動；
(5)感光膠片F：粒子在偏轉磁場中作半圓運動后，撞擊感光膠片上的P點并被記錄。 可以測量PS4之間的距離L。 裝置內的五個小孔S、S1、S2、S3、S4在同一直線上。
2、問題討論：
假設粒子的質量為m，電荷為q（不考慮重力），
電場加速粒子的動能定理如下：①；
粒子在偏轉磁場中的圓周運動為：②；
①②的聯合解為：;。
另一種表達形式
同位素荷質比和質量的測定：根據勻速運動的條件，粒子通過加速電場并通過速度選擇器：。 若測得偏轉磁場中粒子的軌道直徑為L，則同位素的荷質比和質量分別為；。
注：①速度選擇器適用于正、負電荷。
②速度選擇器中E和B1的方向有一定的關系。 如果僅改變其中一個方向，則無法選擇速度。
(2)回旋加速器
美國物理學家勞倫斯于1932年發明的回旋加速器是磁場和電場定律在科學技術中應用在移動電荷上的一個例子。 這也是高中物理教材中的一個難點。 有幾個問題值得進一步討論。
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、回旋加速器的結構：回旋加速器的核心部分是兩個D形金屬扁盒（如圖所示）。 兩個盒子之間有一個狹窄的間隙，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，整個裝置放置在巨大電磁鐵的兩極之間。 均勻磁場的方向垂直于D形盒的底面。 將兩個D形盒連接到高頻電源的兩個極上。
2、回旋加速器的工作原理：如圖所示，從粒子源O發射出的帶電粒子，受到兩個D形盒之間的電場加速后，沿 方向進入某個D形盒的垂直磁場。 在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，被磁場偏轉半個周期后回到窄縫。 這時，窄縫之間的電場方向剛好改變，帶電粒子在窄縫中再次加速，以更大的速度進入另一個D形盒子，做勻速圓周運動……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動，逐漸接近盒子的邊緣。 當顆粒達到預期速度時，會使用特殊裝置將它們引出。
3． 問題討論。
(1)高頻電源的頻率。
帶電粒子在均勻磁場中的運動周期。 帶電粒子運動時，每經過狹窄的狹縫都會受到電場的加速，運動的速度不斷增大，在磁場中運動的半徑不斷增大，但每半個時間粒子在磁場中的運動周期保持不變。 由于窄縫的寬度很小，因此粒子通過電場窄縫的時間很短，可以忽略不計。 粒子運動的總時間只考慮其在磁場中運動的時間。 因此，粒子每次通過窄縫時得到加速的條件是：高頻電源的周期等于帶電粒子運動的周期（同步），即頻率高頻電源是為了實現回旋加速。
(2) 粒子加速后的最大動能E。
由于D形盒的半徑R不變，因此粒子在D形盒內加速的后半個周期的半徑為R。可見，帶電粒子的最大動能為。 雖然洛倫茲力對帶電粒子不起作用，但E與B有關；
因為，可以看出，加速電壓的高低只會影響帶電粒子被加速的總次數，而不會影響回旋加速后的最大動能。
（3）能否無限加速？
由于相對論效應，當帶電粒子的速度接近光速時，帶電粒子的質量會顯著增加高中物理帶電粒子教學反思，因此帶電粒子圓周運動的周期會隨著帶電粒子質量的增加而延長。 如果施加在D形盒子兩極上的交變電場的周期不變，帶電粒子每次都會“遲到”一點，并且不能保證粒子每次總是被加速他們穿過狹窄的縫隙。 因此，同步條件被破壞，帶電粒子的速度無法再增加。
(4) 粒子在加速器內運動的時間：
假設加速電壓為U，質量為m、電荷為q的粒子總共被加速n次。 如果不包括在電場中運動的時間，則有：
所以
并且由于帶電粒子在一個周期內被加速兩次，因此粒子在磁場中移動所需的時間
如果計算粒子在電場中運動的時間，粒子在兩個D形盒子之間的運動可以看作是初速度為零的勻加速直線運動。 假設間隙為 d，我們有：
所以
因此，粒子在回旋加速器中運動的總時間為
因為，因此，粒子在電場中運動的時間可以忽略不計。
3、鞏固實踐
1、正確與錯誤的判斷（正確則打“√”，錯誤則打“×”）
(1)帶電粒子在磁場中運動的偏轉角等于運動軌跡圓弧對應的中心角的兩倍。 ( )
(2) 當帶電粒子在磁場中偏轉時，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譜儀來測量。 ( )
(5)回旋加速器的兩個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兩塊板之間水平方向的小孔進入。 為了選擇具有特定速度的電子，可以在效應之間施加電壓。 實現上述目的的可能途徑是（ ）
A．使極板電位高于極板，磁場方向垂直于紙面朝內
B、使極板電位低于極板，磁場方向垂直于紙面朝內
C、使極板電位高于極板，磁場方向垂直于紙面朝外
D.使極板電位低于極板，磁場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。 其核心部分是兩個連接高頻交流電極的D形金屬盒。 兩個盒子之間的狹縫中形成的周期性變化的電場使粒子穿過狹縫。 兩個D形金屬盒子處于垂直于盒子底部的均勻磁場中。 如圖所示，要增加帶電粒子噴射時的動能，下列正確的說法是（ ）
A．增大均勻電場間的加速電壓
B.降低磁場的磁感應強度
C.降低周期性變化電場的頻率
D.增大D形金屬盒的半徑
4、1922年，英國物理學家、化學家阿斯頓因發明質譜儀以及對同位素和質譜的研究而獲得諾貝爾化學獎。 若同一束具有相同速度的粒子從左端進入質譜儀，其運動軌跡如圖所示，則下列有關說法正確的是（ ）
A．這束帶電粒子帶負電
B、速度選擇器P1板帶負電
C.B2磁場中運動半徑較大的粒子比電荷較小/
D.B2磁場中運動半徑越大的粒子質量越大。
5、如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用于加速質量為m、電荷為q的質子。 質子每次經過電場區時，正好在電壓為U時被加速，可見電場是均勻電場，將質子從靜止加速到能量E，然后從空穴中噴出A、下列說法正確的是（ ）
A。 D形盒的半徑R和磁感應強度B保持不變。 加速電壓U越高，質子的能量E越大。
B.磁感應強度B保持不變。 如果加速電壓U不變，D形盒的半徑R越大，質子的能量E越大。
C、D形盒的半徑R和磁感應強度B保持不變。 加速電壓U越高，質子在加速器中的運動時間就越長。
D、D形盒子的半徑R和磁感應強度B保持不變。 加速電壓U越高，質子在加速器中的運動時間就越短。
6、薄鋁板將同一均勻磁場分為兩個區域：I和II。 高速帶電粒子可以一次穿過鋁板。 兩個區域的運動軌跡如圖所示，半徑R1>R2。 假設粒子通過鋁板前后所帶電荷保持不變，則粒子 ( )
A．帶正電
B.Ⅰ區和Ⅱ區的移動速度相同
C.Ⅰ區和Ⅱ區的運動時間相同
D.從Ⅱ區穿過鋁板移動到Ⅰ區
7、如圖所示，一個質量為m、電荷為q的粒子從容器A下方的小孔S1中飄入一個電勢差為U的加速電場中，然后讓該粒子垂直進入一個具有磁力的磁場中。感應強度B，最后擊中板材D優。
(1) 粒子進入磁場時的速度。
(2) 求在磁場中運動的粒子的軌道半徑。
8、1989年初，我國投入運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，假設每級加速電壓U=2.0×105V，需要多少級加速？
回答：
1.×√×√×
2.公元
3． D
4.C
5.BD
6.C
7.（1）
(2)
8.1.4×104（水平）
