1.4 质谱仪与回旋加速器 教学设计-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

课题 第4节　质谱仪与回旋加速器 课型 新授课 1.教学内容分析 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。 2.学习者分析 教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用；从知识学习的理论升华到解决生活问题的实际应用。 3.学习目标确定 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。 4.学习重点难点 教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理 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 5.学习评价设计 能了解到质谱仪分离粒子的原理及粒子的比荷才是影响的相关主要因素，同时针对回旋加速器的最大速度能从理论上得出对应影响因素。 6.学习活动设计 教师活动 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： 学生活动 思考 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？ 环节一： 教师活动1 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： 学生活动1 学生根据所学知识归纳总结： 1、在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r 2、联立各式可得粒子的比荷和质量分别为 3、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。 活动意图说明： 通过教师讲解，得出对应有关应用——质谱仪. 环节二： 教师活动2 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 （2）电场的作用 （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，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。 （5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。 3. 带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由半径公式得若 D 形盒半径为R则带电粒子的最终动能 可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。 学生活动2 1、学生分析磁场的作用： 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、学生分析电场的作用： 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。 活动意图说明 区别于直线加速器与多级加速器的进一步应用 10.板书设计 第4节　质谱仪与回旋加速器 一、质谱仪 1. 质谱仪：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： 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 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， 2. 回旋加速器的工作原理 （1）磁场的作用（2）电场的作用（3）交变电场的作用及变化周期 （4）带电粒