1.4 质谱仪与回旋加速器 —【新教材】人教版高中物理选择性必修第二册教案

教 案 上课时间： 年 月 日 题课 选择性必修二第一章第4节：质谱仪与回旋加速器 课型 新 课时 1 教 学 目 标 1.了解质谱仪与回旋加速器的工作原理。2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回放加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的 相互影响。 学习重点 质谱仪与回旋加速器的工作原理 学习难点 带电粒子在电场中加速与在磁场中做圆周运动相结合，综合分析能力。 教 学 过 程 教学环节（含备注） 教 学 内 容 引入新课 一.新课引入 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？ 二.新课教学 1．质谱仪： 带电粒子先经过电场加速，在磁场中转过半圈打在照相底片上， 粒子的比荷eq \f(q,m)＝eq \f(2U,B2r2)。 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖 -20 和氖 -22，证实了同位素的存在。 2．回旋加速器 由两个D形盒组成，带电粒子在D形盒中做圆周运动，每次在两个D形盒之间的窄缝区域被电场加速。 （1）带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 =交变电场的周期 T＝ 2πm /qB （2）qvB＝meq \f(v2,R) v＝eq \f(qBR,m)， 带电粒子最终获得的动能为Ek＝eq \f(q2B2R2,2m)，与加速电压无关。 （3）粒子速度比较大时，根据相对论，质量会发生变化，所经粒子速度增大到一定程度，就能继续使用回旋加速器加速。 3．带电粒子在叠加场或组合场中的运动（以学案检测第9-10题为例提示） 正确分析带电粒子的受力情况和运动情况，明确运动过程和运动性质，选择恰当的规律解答。 (1)带电粒子在组合场中运动 要依据粒子运动过程的先后顺序和受力特点辨别清楚粒子在电场中做什么运动，在磁场中做什么运动。 (2)带电粒子在叠加场中的运动 ①当带电粒子(带电体)在叠加场中做匀速直线运动时，根据平衡条件列方程求解。 ②当带电粒子(带电体)在叠加场中做匀速圆周运动时，往往同时应用牛顿第二定律和平衡条件列方程求解。 ③当带电粒子(带电体)在叠加场中做非匀变速曲线运动时，常选用动能定理或能量守恒定律列方程求解。 三.例题讲解（答案见学案后面） 1．(多选)质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用这种质谱仪对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中。氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。关于三种同位素进入磁场时速度的排列顺序以及a、b、c三条“质谱线”的排列顺序，下列判断正确的是(　　) A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 B．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕 C．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚 D．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕 2．回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每穿过窄缝时都得到加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的离子电荷量为q，质量为m，粒子的最大回旋半径为Rmax，磁感应强度大小为B。问： (1)金属盒内有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交变电流的频率应是多少？粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时的最大速度、最大动能分别为多少？ 四.课堂总结（见板书设计） 五.课后作业：（见“闯关检测题） 板书设计 质谱仪与回旋加速器 1．质谱仪：19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪 eq \f(q,m)＝eq \f(2U,B2r2)。 2．回旋加速器 （1）即带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 =交变电场的周期 （2）带电粒子最终获得的动能为Ek＝eq \f(q2B2R2,2m)，与加速电压无关。 课后反思 2 / 2 $