【教學目標】
1、了解了質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，就可以應用帶電粒子在均勻磁場中圓周運動的規(guī)律來分析相關(guān)問題。
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變化周期的關(guān)系。
【教學重點】
了解了質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，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(guān)問題。
【教學難點】
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變化周期的關(guān)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(zhì)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(zhì)點離開磁場時速度方向的反向延長線一定經(jīng)過圓心。
(2) 假設(shè)質(zhì)點離開磁場時的速度方向與進入磁場時相比偏轉(zhuǎn)了角度θ，則從圖中的幾何關(guān)系可以看出=r/R=
可見，對于某個帶電粒子（m和q一定），可以通過調(diào)節(jié)B和B的大小來控制粒子的偏轉(zhuǎn)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。
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2、新課程教學
(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(diào)整E0和B0的大小，可以選擇度數(shù)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(zhuǎn)磁場B：粒子從速度選擇器小孔S3噴出后，從偏轉(zhuǎn)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(xiàn)：粒子在偏轉(zhuǎn)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(nèi)的五個小孔S、S1、S2、S3、S4在同一直線上。
2、問題討論：
假設(shè)粒子的質(zhì)量為m，電荷為q（不考慮重力），
電場加速粒子的動能定理如下：①；
粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的圓周運動為：②；
①②的聯(lián)合解為：;。
另一種表達形式
同位素荷質(zhì)比和質(zhì)量的測定：根據(jù)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(zhuǎn)磁場中粒子的軌道直徑為L，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(fā)明的回旋加速器是磁場和電場定律在科學技術(shù)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(jié)構(gòu)：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(fā)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(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)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(nèi)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(guān)；
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(shù)，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(zhì)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(zhì)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(nèi)運動的時間：
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。 如果不包括在電場中運動的時間，則有：
所以
并且由于帶電粒子在一個周期內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(xiàn)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(nèi)
B、使極板電位低于極板，磁場方向垂直于紙面朝內(nèi)
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(fā)明質(zhì)譜儀以及對同位素和質(zhì)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(zhì)譜儀，其運動軌跡如圖所示，則下列有關(guān)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(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)過電場區(qū)時，正好在電壓為U時被加速，可見電場是均勻電場，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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(qū)域：I和II。 高速帶電粒子可以一次穿過鋁板。 兩個區(qū)域的運動軌跡如圖所示，半徑R1>R2。 假設(shè)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(qū)和Ⅱ區(qū)的移動速度相同
C.Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的運動時間相同
D.從Ⅱ區(qū)穿過鋁板移動到Ⅰ區(qū)
7、如圖所示，一個質(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(yōu)。
(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(shè)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）
