人教版(新教材)高中物理選擇性必修2教學設(shè)計3：1 4質(zhì)譜儀與回旋加速器教案

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE11.4質(zhì)譜儀與回旋加速器上課時間：年月日題課選擇性必修二第一章第4節(jié)：質(zhì)譜儀與回旋加速器課型新課時1教學目標1.了解質(zhì)譜儀與回旋加速器的工作原理。2.經(jīng)歷質(zhì)譜儀工作原理的推理過程，體會邏輯推理的思維方法。3.了解回旋加速器面臨的技術(shù)難題，體會科學與技術(shù)之間的相互影響。學習重點質(zhì)譜儀與回旋加速器的工作原理學習難點帶電粒子在電場中加速與在磁場中做圓周運動相結(jié)合，綜合分析能力。教學過程教學環(huán)節(jié)(含備注)教學內(nèi)容引入新課一、新課引入在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用同學們的現(xiàn)有知識，你能設(shè)計一個實驗方案，對不同比荷的帶電粒子進行有效分離嗎？二、新課教學首先，我們同學可能會想到前面學習過，電場中有這樣一個情景。（1）首先在電場中加速由：qU0=12mv2得：（2）然后進入偏轉(zhuǎn)電場做類平拋x=vt得：通過分析發(fā)現(xiàn)帶電粒子的運動軌跡跟電荷量和粒子質(zhì)量無關(guān)，顯然是分不開的，也就是說當x等于板長L時，所有帶電粒子都將從同一偏移位置離開偏轉(zhuǎn)場。那我們同學自然會想到，既然加速后的粒子在偏轉(zhuǎn)電場中不能分離，磁場也能讓帶電粒子偏轉(zhuǎn)，可不可以用磁場偏轉(zhuǎn)來分離呢？加速后的帶電粒子垂直磁場左邊界垂直進入磁場，洛倫茲力與速度垂直，剛好充當圓周運動的向心力，做勻速圓周運動。由：qvB=mv2r代入v=，得：顯然，根據(jù)r這個表達式，B、U0一定時，不同比荷（q/m）的帶電粒子進入磁場后將沿不同的半徑做圓周運動，因此可以分離。當然，如果我們在磁場的上邊界適當處放置一張感光底片，大量的不同帶電粒子打在照相底片的不同地方感光，通過測量感光點與入射點的距離就可以測出圓周運動的半徑r，進而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的質(zhì)量，這種儀器叫做質(zhì)譜儀。在19世紀末，英國物理學家湯姆孫的學生阿斯頓就按照這樣的想法設(shè)計了質(zhì)譜儀，他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實了化學中同位素的存在?，F(xiàn)在經(jīng)過多次改進，質(zhì)譜儀已經(jīng)成為一種十分精密的儀器，是粒子物理科學研究和分析同位素的重要工具。例如：讓某種中性氣體分子在電離室A內(nèi)被電離成離子，大量的電荷量相同，質(zhì)量不同的同位素，經(jīng)同一電場S1、S2加速后，經(jīng)S3孔進入勻強磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線。不同質(zhì)量對應著不同的確定譜線，由此，可利用該儀器對某種元素進行測量。在粒子物理學的研究中，經(jīng)常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？同學們可能立即會想到電場中學習過的多級直線加速器：NqU=eq\f(1,2)mv2當然這種方法是可行的，但是我們知道，多級直線加速器中金屬圓筒的長度跟圓筒的序號的平方根n成正比,為了獲得足夠高能量，采用多級直線加速器的加速裝置要很長很長，這是我們北京正負電子對撞機俯視圖，藍色的部分像個巨大的“網(wǎng)球拍”，狹長的把手位置就是直線加速器，足足有202米長，北京的正負電子對撞機是世界上幾大高能加速器之一。這是歐美的強子對撞直線加速器達到幾公里長度。那我們能不能設(shè)計一種能實現(xiàn)多次加速，又減少占地空間的加速器呢？進而我們會想到電場能讓粒子加速，而磁場能讓粒子反反復復的轉(zhuǎn)圈圈。如果我們讓帶電粒子在電場中加速一次后，能轉(zhuǎn)一圈回來被電場再接著加速，如此往復轉(zhuǎn)圈式的被加速，不就能實現(xiàn)多次加速又省地的想法了嗎？于是，人們設(shè)計出了用磁場控制軌道，用電場進行加速的裝置,這就是回旋加速器。這就是世界上第一臺回旋加速器（4.5英寸），是1931年由美國加利福尼亞州伯克利加州大學勞倫斯跟他人合作研制完成，結(jié)構(gòu)原理可以簡化為右邊這張圖，回旋加速器是由兩個D1和D2的中空的半圓形金屬盒組成，兩盒之間接有交流電源，用于加速帶電粒子。兩個半圓形盒處于勻強磁場B中，用于回旋帶電粒子，實現(xiàn)多次加速功能。請同學們來看一下回旋加速器。（1）為了保證帶電粒子每次到達D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場方向應該是恒定的還是變化的呢？由于粒子在D型盒內(nèi)每回旋半圈，進入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級直線加速器一樣，電場方向應該是變化的，所以我們需要在D形盒縫隙間接上交流電源，以便產(chǎn)生方向變化的電場。關(guān)于如何產(chǎn)生這種電場，我們將在后面學習。（2）如果這個變化電場的周期是恒定的，我們就容易控制和實現(xiàn)。如果不是恒定的，是不是控制和實現(xiàn)起來會有一定的技術(shù)困難。你認為這個電場變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據(jù)是什么呢？帶電粒子，在磁場中回旋半周，加速一次，需要電場變化一次方向。雖然帶電粒子加速后，速度發(fā)生變化，在磁場中回旋半徑r=mvqB發(fā)生變化，但帶電粒子在磁場中運動的周期T＝2πmqB注意1：在我們討論帶電粒子的回旋時間時，忽略了粒子在縫間的加速時間，為什么可以做這種忽略呢？答：因為兩個D形盒的縫寬遠小于盒的半徑，粒子在D形盒中經(jīng)過半周的回旋時間遠遠大于加速時間，因此可以忽略縫間加速時間。注意2：回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子,是否需要調(diào)整變化電場的周期?答：需要，因為帶電粒子的回旋周期T＝2π（3）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續(xù)加速后，帶電粒子的能量能無限增大嗎？這個最大能量跟加速電壓有關(guān)嗎？能量顯然是不能無限增大的，因為帶電粒子加速后隨速度增大，回旋的半徑r=mvqB也會增大，這個半徑是不能超過D形盒半徑的，否則粒子會在回旋過程中撞到盒壁上。也就是說當帶電粒子的回旋半徑接近那此能量由哪些因素決呢？由：r=mvqB得：v＝qBrmEk=eq\f(1,2)mv2＝eq\f(q2B2R2,2m)可此可知：Ek由回旋加速器D形盒的半徑r及盒內(nèi)磁感應強度B共同決定。注意：通過增大盒內(nèi)磁感應強度B或無限增大D形盒半徑r，能否無限增大帶電粒子的能量？答：實際上回旋加速器加速的帶電粒子，能量達到25至30MeV以后，就很難再增加了，原因是，按照我們在必修第二冊中學習的相對論知識，粒子質(zhì)量會隨速度增加而增加，質(zhì)量的增加會導致回旋周期的變化，從而破壞了與電場變化周期的同步，不能再持續(xù)加速。這是美國費米國家實驗室建造的目前世界上能量最高的超級粒子同步回旋加速器，直徑達2公里左右，能量可達500GeV。同學們課下可研究探討下為什么這個加速器能達到如此高的能量呢？通過我們的小討論,同學們是不是對回旋加速器還有你自己的一些想法,包括對儀器裝置的一些改進,那就讓我們?yōu)閷砟軐崿F(xiàn)你自己的想法而努力學習吧！三、課堂總結(jié)（見板書設(shè)計）四、課后作業(yè)：（見《步步高》配套練習）板書設(shè)計1.4