1.4 质谱仪与回旋加速器（教学设计）-【上好课】高二物理同步高效课堂（人教版2019选择性必修第二册）

1.4 质谱仪与回旋加速器 教学设计 备课人 学科 物理 课题 1.4 质谱仪与回旋加速器 教学内容分析 本节教材的内容属于带电粒子在电场和磁场中运动的综合应用。既然电场、磁场都可以对运动的带电粒子施加作用力，那么利用电场、磁场就可以控制帶电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让帶电粒子做圆周运动。如果带电粒子的电荷量相同，加速电场的电压相同，偏转磁场的磁感应強度相同，而粒子的质量不同，那么圆周运动的半径就不同。19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿根据这一思路设计出了质谱仪。带电粒子在电场中的加速和带电粒子在匀強磁场中的匀速圆周运动的结合是一个难点，可以让学生尝试自主推导，在自主推导的过程中弄清楚其中各物理量的逻辑关系。 回旋加速器利用电场加速带电粒子、磁场控制帶电粒子的运动，理解其原理是学习的关键。教学中要明确：回旋加速器中电场的作用是什么?磁场的作用又是什么?带电粒子是怎样被加速的?这些问題可引导学生讨论。通过讨论既复习了前面学过的知识，又搞清楚了回旋加速器的原理。 学情分析 在本次课程中，学生对于质谱仪和回旋加速器的基本原理和结构有了较为深入的了解。但在实际操作环节，我发现部分学生对于这两者的区别和联系仍存在疑惑。 首先，质谱仪主要用于分析物质的质量，它通过电场和磁场将带电粒子按照质量分离，并测量其质量。相比之下，回旋加速器则主要用于加速带电粒子，特别是高能物理实验中常用的粒子。两者的目标和功能存在本质的差异。 其次，部分学生对于质谱仪和回旋加速器的结构和工作原理的细节仍不够熟悉。例如，有些学生对于回旋加速器的磁场设计和粒子轨迹计算存在疑惑。这可能是因为这部分知识较为抽象，需要更多的直观演示和实际操作来加深理解。 针对上述学情分析，我认为在未来的教学中需要作出以下调整： 加强理论与实践的结合：除了理论讲解外，应增加更多的实验环节，让学生亲自动手操作质谱仪和回旋加速器，以更好地理解其工作原理。 增加直观教学素材：对于抽象的知识点，如磁场设计和粒子轨迹计算，应准备更多的动画、视频等直观教学素材，帮助学生更好地理解。 组织小组讨论：鼓励学生分组讨论，通过交流与合作解决学习中遇到的问题，同时也能培养学生的团队协作能力。 个性化辅导：针对个别学生在学习中的困难，可以进行一对一的辅导，以更好地满足学生的学习需求。 教学目标 1.了解质谱仪和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。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。 教学重难点 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 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 新课导入 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？ 方案示例：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： （1）先加速 由：得： （2） 再偏转（类平抛运动） 纵向： 横向： 得： 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。 设计出可以分开电荷量相同、质量不同的带电粒子的方法并交流。 学生通过推导得出该方案是否把粒子分开。 情境引出本节课第一重点质谱仪。 新课教学 一、质谱仪 （1） 质谱仪的结构 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子加速电场：使带电粒子获得速度 偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 （2） 质谱仪的原理 你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？ （1）先加速 由：得： （2）再偏转(匀速圆周运动） 得： 这样比荷不同的粒子就可以被分开了。 质谱仪还可以完成其他实验任务吗？ （三）质谱仪的作用 质谱仪还可以计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有： 若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？ （四）质谱仪的改进 观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？ 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： （五）典例探究 【例1】　如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离