高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器教案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器教案设计，共8页。

课 题
人教版高中物理·选择性必修·第二册
第一章 第4节 质谱仪与回旋加速器
课 型
新授课☑ 复习课□ 试卷讲评课□ 其他课□
授课班级
授课时间
教学内容分析
课标要求：了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
教材分析：本节内容属于洛伦兹力的应用，教材介绍了质谱仪、多级加速器和回旋加速器。值得重点介绍的是质谱仪的用途，它可以精确测定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。回旋加速器注意它半径与周期对粒子加速的影响。
教学重点：质谱仪和回旋加速器工作原理。
教学难点：回旋加速器中粒子的加速周期与电场变化周期之间的关系的表达式。
学情分析
本节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。
核心素养
物理观念∶知道其质谱仪和回旋加速器工作原理，会解决带电粒子运动的相关问题。
科学思维∶通过带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
科学探究：了解质谱仪和回旋加速器的结构，知道其工作原理，会解决带电粒子加速的相关问题。
科学态度与责任∶通过质谱仪和回旋加速器在实际生活中的应用，体会科学技术对社会发展的促进作用。
教学准备
多媒体课件。
活动设计
教学内容
教师活动
学生活动
评价任务
环节一：导入新课
在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗?
提出问题让学生进行思考。
巡视课堂并做相引导。
思考老师提出的问题。
听学生的回答情况，评价学生的表达能力和思维。
环节二：新课教学
活动一：质谱仪
19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
质谱仪是用来分离同位素的、检测它们的相对原子质量和相对丰度的仪器。用它测定的原子质量的精度超过化学测量方法。（最后动图展示质谱仪分离同位素的画面）

1.下质谱仪的基本结构。
①粒子源：能生成离子束。
②加速电场：离子束经过加速电场获得了一定的速度。
③偏转磁场：进入偏转磁场做匀速圆周运动，运动半个圆周后打到照相底片的某个位置。
④照相底片：粒子在底片上显示出相应的位置。（最后动图展示带电粒子在质谱仪中的运动画面）
2.质谱仪的工作原理

①在电场中被加速而得到的速度，可以用动能定理求解，解方程得。
②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力，r就等于。联立以上两式于是就有。
粒子垂直进入偏转磁场做匀速圆周运动，运动半个圆周后打到照相底片的某个位置。
③在偏转磁场中，偏转的距离为x，x=2r
由这个式子可知同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那x就会不同，也就是说在照相底片上会打到不同的位置，从而在底片上出现一系列的分立的亮线，这就称为质谱线或谱线。一根谱线对应着一种质量的离子。
④由上式可得粒子的质量和比荷：
，
我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
解得：。
由可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开。
由式子可以知道，质谱仪可以准确的测出各种同位素的原子质量。质谱仪的原理就是这样。
培养学生的观察、分析和总结的能力。
评价学生的合作讨论情况。
活动二：回旋加速器
1.多级直线加速器
可以利用静电力对带电粒子做功，从而增加粒子的动能，qU = ΔEk，加速电压越高，粒子获得的动能就越高。然而产生过高的电压在技术上是很困难的。
解决上述困难的一个途径是采用多次（多级）加速的方法，困难是加速装置要很长。
解决上述困难的途径是把加速电场“卷起来”，利用磁场改变带电粒子的运动轨迹，让粒子如此往复"转圈圈"式地被加速。于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。
2.回旋加速器
（1）回旋加速器基本构造
在真空容器中存在匀强磁场，里面有两个D形金属盒，这是高频电源里面有粒子源，最后这个粒子引出装置。两个D形盒隔开相对放置上面加高频交变电压，在这个间隙处就会产生高频交变电场。由于金属盒的屏蔽作用，金属盒内部的电场为零。
（2）回旋加速器工作原理
①粒子源：A0处的粒子源某一时刻发出一个带正电的粒子，它以一定的初速度v0进入下方D形盒。
②在下方匀强磁场中：做匀速圆周运动，半个周期后到达缝隙边缘A1处。
③在电场中：如果这时候间隙处正好是是向上的电场，那粒子就会被加速，速率由v0变为v1。接着从处进入上方D形盒。
④在上方匀强磁场中继续做匀速圆周运动。
我们知道粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径 ，由于粒子的速度增加了，所以半径也相应增加，所以会到达这个处。如果这时电场方向正好变成向下，粒子将再次加速速率变成v2。如果能一直这样下去，粒子就会不断的加速。（最后动图展示带电粒子在回旋加速器中的运动画面）
这个频率就是周期的倒数即
粒子的速率越大，圆周运动的半径越大。当粒子做圆周运动的半径与D形盒半径R相同时，即r=R，粒子将会从粒子引出口飞出D形盒，结束加速的过程。
附加知识：r=R时，即，可以得出最大速度，以及相应的最大动能。
可见粒子能获得的最大动能取决于D形盒半径R和磁感应强度B，与加速电压的大小无关。
回旋加速器缺点
这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于运动不在同步，也就没办法加速了。
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。
组织学生开展思考与讨论。
困难：那么怎么控制电场的变化呢？
必须得保证粒子从上面出来时电场方向向下，从下面出来时电场向上。那么粒子，每一次都会被加速。
我们以前就知道磁场中圆周运动的周期
对一定的带电粒子和一定的磁场来说，这个周期是不变的，尽管粒子的速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。所以粒子每次在D形盒中完成半个周期所需的时间都是一样的。
那加速电压在这里充当什么角色？
办法：如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。即：
只要让电场的频率跟粒子的圆周运动的频率相同就可以了。
加速电压越大，每次速度的增量Δv越大，圆周运动的半径变化Δr也越大。粒子在D形盒中绕的圈数少，加速的次数少，粒子的加速时间短。反之，则加速的次数多，加速的时间长。
评价学生的表达能力和思维能力。
培养学生的合作精神、表达能力。
活动三：应用
例1：同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场便捷、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？（2）这些速度的大小关系为？（3）三束粒子从O点出发分贝到达1、2、3点所用时间的大小关系是？
提示：（1）同一种带电粒子进入同一磁场，速度不同使轨道半径不同，所以带电粒子进入磁场的速度值有三个。（2）r1