高中物理选修带电粒子在复合场中的运动 教案

\带电粒子在复合场中的运动教学目标知道质谱仪的原理和基本用途知道回旋加速器的基本构造和加速原理重点难点重点：回旋加速器对带电粒子的加速原理难点：加速电场与带电粒子运动周期的同步关系教与学教学过程：同学们，我们已经知道，电场可以对带电粒子产生作用，磁场也可以对运动的带电粒子施加影响，当然，电场和磁场共同存在时对带电粒子也会有影响。请看：质谱仪例1：一个质量为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）粒子进入磁场时的速率；（2）粒子在磁场中运动时的轨道半径。拓展：1、已知电压U和磁场强度B，根据打到照相底片的位置求出半径r，由公式q/m=2u/B2r2，求出带电粒子的比荷（q/m）。2、若容器A中粒子是几种同位素（问：同位素有什么特点？），加速后进入磁场的速度就会不同，从而导致沿不同的半径做匀速圆周运动，因而打到照相底片不同的地方，根据不同的半径r，由m=qB2r2/2u计算出质量之比或质量m。这样的仪器叫质谱仪——测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具在有些题目中常出现这种质谱仪请同学们看这样一道题：例2：如图所示：A为加速器，B为速度选择器，磁场与电场正交，C为偏转分离器,现有碳的三种同位素（不计重力），经加速后，通过速度选择器，进入分离器后做匀速圆周运动，则下面说法可能正确的是：（BD）A、分离器中有三条粒子运动的轨迹分离器中有一条粒子运动的轨迹分离器中有两条粒子运动的轨迹D、分离器中没有粒子运动的轨迹拓展：可以求出被分离出来粒子的比荷吗？[分析]：（二）回旋加速器同学们,在高能实验室里要用到能量很高的带电粒子,就需要加速器。电场可以使带电粒子加速，早期制成的加速器就是利用高压电源的电势差来加速带电粒子的。（1）受实际所能达到的电压限制，粒子所获能量并不太高；（2）电压高，要把两极板间距离拉开，占空间范围大。怎样解决这两个问题呢？学生思考一个加速电场可以多次利用。通过磁场可以不改变粒子速度的大小而改变速度的方向，让粒子回头再利用原来的电场进行加速。回旋加速器的原理带正电的粒子以速率v0垂直进入匀强磁场，在匀强磁场中做匀速圆周运动，经半个周期后，在AA’间加一个向上的电场对粒子进行加速，速率由v0变成v1，然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动，由于半径r与v成正比，所以粒子将会沿着半径增大的圆周运动，又经过半个周期，在AA’间要加一个向下的电场对粒子进行加速，速率由v1变成v2，然后粒子以速率v2在磁场中做半径再大一点的匀速圆周运动……如此继续下去，每当粒子运动到…等处时都使它受到向下的电场加速；每当粒子运动到…等处时都使它受到向上的电场加速，这样回旋下去，速率一步一步地增大——回旋加速器，它占空间小又合实际。下面请你们说说回旋加速器的构造需要那些材料。回旋加速器的构造学生回答：磁体、电源、两个半圆形轨道等看图讲解：核心部分是两个D形的金属扁盒，D形盒之间留有窄缝，在中心附近放有粒子源，整个装置放在巨大的电磁体的两极之间，磁场方向垂直于D形盒底面由于加速过程中要改变电场方向，D形盒分别接在高频交流电源的两极上。我们来看一下整个加速过程：[播放]思考1：在加速过程中电场的方向多长时间变化一次？思考2：每加速一次，粒子的动能改变多少？思考3：经半径为R的回旋加速器加速后，带电粒子的最终能量为______,回旋的周数为____,所需时间______结论：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，电粒子在D形盒中的回旋次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和最终的能量。下面我们来看几道题：例3：回旋加速器D形盒中央为质子，D形盒间的交变电压为U＝2×104V，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径R＝1m，磁场的磁感应强度B＝0.5T，质子的质量m＝1.67×10－27kg例4：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动例5：用同一回旋加速器分别加速α粒子（氦的原子核）和质子，则它们飞出D形盒时的速度之