1.4 质谱仪与回旋加速器（教学设计）-【新教材精创】2020-2021学年高中物理新教材同步备课（人教版选择性必修第二册)

第一章　安培力与洛伦兹力 第4节　质谱仪与回旋加速器 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。 物理观念：知道其工作原理，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回旋加速器的运动分析，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。 1、教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理 2、教学难点：如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子 媒体课件 知识回顾： 1、 带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件： 粒子垂直进入匀强磁场、粒子只受洛伦兹力 2、规律：洛伦兹力充当向心力 3、重要结论： 思考 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？ 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 = 2 r （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。 例.（多选）如图所示是质谱议的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是（ ） A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P ，粒子的荷质比越小 例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？ （2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 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