資源簡介

1.4 質譜儀與回旋加速器 ---教學評大單元分課時教學設計
課 題 人教版高中物理·選擇性必修·第二冊 第一章 第4節 質譜儀與回旋加速器
課 型 新授課 復習課□ 試卷講評課□ 其他課□
授課班級 授課時間
教學內容分析 課標要求：了解質譜儀和回旋加速器的工作原理。 教材分析：本節內容屬于洛倫茲力的應用，教材介紹了質譜儀、多級加速器和回旋加速器。值得重點介紹的是質譜儀的用途，它可以精確測定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。回旋加速器注意它半徑與周期對粒子加速的影響。 教學重點：質譜儀和回旋加速器工作原理。 教學難點：回旋加速器中粒子的加速周期與電場變化周期之間的關系的表達式。
學情分析 本節屬于帶電粒子在組合場的應用，教材介紹了質譜儀與回旋加速器，從理論到實際應用，讓學生在這一學習過程中對理論與實踐相結合的研究方法有所體會，并且在學習過程中嘗到成功的喜悅，體會科學技術對社會發展的促進作用。
核心素養 物理觀念∶知道其質譜儀和回旋加速器工作原理，會解決帶電粒子運動的相關問題。 科學思維∶通過帶電粒子在質譜儀和回旋加速器中的運動分析，體會物理模型在探索自然規律中的作用。 科學探究：了解質譜儀和回旋加速器的結構，知道其工作原理，會解決帶電粒子加速的相關問題。 科學態度與責任∶通過質譜儀和回旋加速器在實際生活中的應用，體會科學技術對社會發展的促進作用。
教學準備 多媒體課件。
活動設計
教學內容 教師活動 學生活動 評價任務
環節一：導入新課
在科學研究和工業生產中，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的成分。利用所學的知識，你能設計一個方案，以便分開電荷量相同、質量不同的帶電粒子嗎 提出問題讓學生進行思考。 巡視課堂并做相引導。 思考老師提出的問題。 聽學生的回答情況，評價學生的表達能力和思維。
環節二：新課教學 活動一：質譜儀
19世紀末，湯姆孫的學生阿斯頓就按照這樣的想法設計了質譜儀，并用質譜儀發現了氖-20 和氖-22，證實了同位素的存在。后來經過多次改進，質譜儀已經成為一種十分精密的儀器，是科學研究和工業生產中的重要工具。 質譜儀是用來分離同位素的、檢測它們的相對原子質量和相對豐度的儀器。用它測定的原子質量的精度超過化學測量方法。（最后動圖展示質譜儀分離同位素的畫面） 1.下質譜儀的基本結構。 ①粒子源：能生成離子束。 ②加速電場：離子束經過加速電場獲得了一定的速度。 ③偏轉磁場：進入偏轉磁場做勻速圓周運動，運動半個圓周后打到照相底片的某個位置。 ④照相底片：粒子在底片上顯示出相應的位置。（最后動圖展示帶電粒子在質譜儀中的運動畫面） 2.質譜儀的工作原理 ①在電場中被加速而得到的速度，可以用動能定理求解，解方程得。 ②在偏轉磁場中，洛倫茲力提供向心力，r就等于。聯立以上兩式于是就有。 粒子垂直進入偏轉磁場做勻速圓周運動，運動半個圓周后打到照相底片的某個位置。 ③在偏轉磁場中，偏轉的距離為x，x=2r 由這個式子可知同位素電荷量相同，但質量有微小差別。那x就會不同，也就是說在照相底片上會打到不同的位置，從而在底片上出現一系列的分立的亮線，這就稱為質譜線或譜線。一根譜線對應著一種質量的離子。 ④由上式可得粒子的質量和比荷： ， 我們知道，電場可以對帶電粒子施加作用力，磁場也可以對運動的帶電粒子施加作用力，可以利用電場和磁場來控制帶電粒子的運動。 解得：。 由可知，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑與質量有關，如果B、v相同，m不同，則r不同，這樣就可以把不同的粒子分開。 由式子可以知道，質譜儀可以準確的測出各種同位素的原子質量。質譜儀的原理就是這樣。 培養學生的觀察、分析和總結的能力。 評價學生的合作討論情況。
活動二：回旋加速器
1.多級直線加速器 可以利用靜電力對帶電粒子做功，從而增加粒子的動能，qU = ΔEk，加速電壓越高，粒子獲得的動能就越高。然而產生過高的電壓在技術上是很困難的。 解決上述困難的一個途徑是采用多次（多級）加速的方法，困難是加速裝置要很長。 解決上述困難的途徑是把加速電場“卷起來”，利用磁場改變帶電粒子的運動軌跡，讓粒子如此往復"轉圈圈"式地被加速。于是，人們依據這個思路設計出了用磁場控制軌道、用電場進行加速的回旋加速器。 2.回旋加速器 （1）回旋加速器基本構造 在真空容器中存在勻強磁場，里面有兩個D形金屬盒，這是高頻電源里面有粒子源，最后這個粒子引出裝置。兩個D形盒隔開相對放置上面加高頻交變電壓，在這個間隙處就會產生高頻交變電場。由于金屬盒的屏蔽作用，金屬盒內部的電場為零。 （2）回旋加速器工作原理 ①粒子源：A0處的粒子源某一時刻發出一個帶正電的粒子，它以一定的初速度v0進入下方D形盒。 ②在下方勻強磁場中：做勻速圓周運動，半個周期后到達縫隙邊緣A1處。 ③在電場中：如果這時候間隙處正好是是向上的電場，那粒子就會被加速，速率由v0變為v1。接著從處進入上方D形盒。 ④在上方勻強磁場中繼續做勻速圓周運動。 我們知道粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑 ，由于粒子的速度增加了，所以半徑也相應增加，所以會到達這個處。如果這時電場方向正好變成向下，粒子將再次加速速率變成v2。如果能一直這樣下去，粒子就會不斷的加速。（最后動圖展示帶電粒子在回旋加速器中的運動畫面） 這個頻率就是周期的倒數即 粒子的速率越大，圓周運動的半徑越大。當粒子做圓周運動的半徑與D形盒半徑R相同時，即r=R，粒子將會從粒子引出口飛出D形盒，結束加速的過程。 附加知識：r=R時，即，可以得出最大速度，以及相應的最大動能。 可見粒子能獲得的最大動能取決于D形盒半徑R和磁感應強度B，與加速電壓的大小無關。 回旋加速器缺點 這個過程看似可以一直進行下去，但實際上由于相對論的效應，粒子的質量會隨著速度增，圓周運動的周期也增加，這樣電場于運動不在同步，也就沒辦法加速了。 要認識原子核內部的情況，必須把核"打開"進行"觀察"。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為"炮彈"去轟擊，才能把它"打開"。產生這些高能"炮彈"的"工廠"就是各種各樣的粒子加速器。 組織學生開展思考與討論。 困難：那么怎么控制電場的變化呢？ 必須得保證粒子從上面出來時電場方向向下，從下面出來時電場向上。那么粒子，每一次都會被加速。 我們以前就知道磁場中圓周運動的周期 對一定的帶電粒子和一定的磁場來說，這個周期是不變的，盡管粒子的速率和半徑一次比一次大，運動周期卻始終不變。所以粒子每次在D形盒中完成半個周期所需的時間都是一樣的。 那加速電壓在這里充當什么角色？ 辦法：如果在兩盒間加一個交變電場，使它也以同樣的周期往復變化，那就可以保證粒子每經過電場時，都正好趕上適合的電場方向而被加速。即： 只要讓電場的頻率跟粒子的圓周運動的頻率相同就可以了。 加速電壓越大，每次速度的增量Δv越大，圓周運動的半徑變化Δr也越大。粒子在D形盒中繞的圈數少，加速的次數少，粒子的加速時間短。反之，則加速的次數多，加速的時間長。 評價學生的表達能力和思維能力。 培養學生的合作精神、表達能力。
活動三：應用
例1：同一種帶電粒子以不同的速度垂直磁場便捷、垂直磁感線射入勻強磁場中，其運動軌跡如圖所示，則可知：（1）帶電粒子進入磁場的速度值有幾個？（2）這些速度的大小關系為？（3）三束粒子從O點出發分貝到達1、2、3點所用時間的大小關系是？ 提示：（1）同一種帶電粒子進入同一磁場，速度不同使軌道半徑不同，所以帶電粒子進入磁場的速度值有三個。（2）r1環節三：課堂小結 環節四：課堂小結
學到了什么？ 引導學生小結 小組討論，總結本節課得失
環節四：作業設計
練習與應用 指導學生完成練習，面批練習。 按要求完成練習。 從完成情況和書寫情況等方面進行評價。
主板書設計
1.4質譜儀與回旋加速器 1.質譜儀 ①在電場中加速：。 ②在偏轉磁場中，洛倫茲力提供向心力： ③在偏轉磁場中，偏轉的距離為x=2r ④由上式可得粒子的質量和比荷， 2.多級直線加速器 ①加速原理：在電場中加速，qU = ΔEk。 ②缺點：占有的空間范圍大 3.回旋加速器 ①當粒子做圓周運動的半徑與D形盒半徑R相同時：r=R 最大速度 最大動能 加速次數： 加速總時間： ②缺點：受相對論影響，無法一直加速
教學反思

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