人教版(新教材)高中物理选择性必修2教学设计1：1 4质谱仪与回旋加速器教案

人教版（新教材）高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE11.4质谱仪与回旋加速器教材分析本节教材的内容属于带电粒子在组合场的应用，教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用，让学生在这一学习过程中对理论与实践相结合的研究方法有所体会，并且在学习过程中尝到成功的喜悦，体会科学技术对社会发展的促进作用。教学目标1.质谱仪与回旋加速器的工作原理；2.如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子。教学过程〖知识回顾〗微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？带电粒子在匀强磁场中的运动就是洛伦兹力充当向心力qvB=mv2r得r=mvqB〖新课学习〗一、质谱仪1.质谱仪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。2.质谱仪的构造质谱仪主要由以下几部分组成：①带电粒子注入器②加速电场(U)③速度选择器(B1、E)④偏转磁场(B2)⑤照相底片3.质谱仪的工作原理（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即（2）在速度选择器中，只有满足qvB1=qE，即粒子才能通过速度选择器（3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：（4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为x=2r（5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为（6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，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的谱线，叫作质谱线。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在图1.4-2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。二、回旋加速器1.回旋加速器的发明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。2.回旋加速器的工作原理利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。2.回旋加速器的工作原理（1）磁场的作用带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。（2）电场的作用回旋加速器两个D形盒之间的窄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，带电粒子经过该区域时被加速。（3）交变电场的作用及变化周期为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。（4）带电粒子的轨迹特点粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。3.带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由半径公式得若D形盒半径为R则带电粒子的最终动能可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度B和D形盒半径R有关。作业布置：课本19页练习题教学反思本节课我们学习回顾了二种场对带电粒子的作用，当带电粒子只受场力作用时，电场E即可以对带电粒子加速，也能使带电粒子偏转；而带电粒子在磁场中只能做匀速圆周运动进行回旋偏转。1.4质谱仪与回旋加速器教材分析本节教材的内容属于带电粒子在组合场的应用，教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用，让学生在这一学习过程中对理论与实践相结合的研究方法有所体会，并且在学习过程中尝到成功的喜悦，体会科学技术对社会发展的促进作用。教学目标1.质谱仪与回旋加速器的工作原理；2.如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子。教学过程〖知识回顾〗微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？带电粒子在匀强磁场中的运动就是洛伦兹力充当向心力qvB=mv2r得r=mvqB〖新课学习〗一、质谱仪1.质谱仪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。2.质谱仪的构造质谱仪主要由以下几部分组成：①带电粒子注入器②加速电场(U)③速度选择器(B1、E)④偏转磁场(B2)⑤照相底片3.质谱仪的工作原理（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即（2）在速度选择器中，只有满足qvB1=qE，即粒子才能通过速度选择器（3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：（4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为x=2r（5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为（6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，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的谱线，叫作质谱线。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在图1.4-2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。二、回旋加速器1.回旋加速器的发明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。2.回旋加速器的工作原理利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。2.回旋加速器的工作原理（1）磁场的作用带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。（2）电场的作用回旋加速器两个D形盒之间的窄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，带电粒子经过该区域时被加速。（3）交变电场的作用及变化周期为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。（4）带电粒子的轨迹特点粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。3.带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由半径公式得若D形盒半径为R则带电粒子的最终动