高中物理 第一章 4质谱仪与回旋加速器 教案1.docx

优秀教案系列

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第4节质谱仪与回旋加速器

教学分析

教学分析

教学目标

1.知道质谱仪和回旋加速器的工作原理。

2.掌握带电粒子在电磁场中运动的分析方法,并会解决带电粒子运动的相关问题。

3.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。

教学重难点

重点:质谱仪与回旋加速器的工作原理。

难点:如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子。

教学方法

探究法、讲授法、讨论法。

课时安排

1课时

教学准备

多媒体辅助教学设备、学案等。

教学

教学设计

一、情境导入

[提出问题]微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期,与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢?

[学生回答]带电粒子在匀强磁场中运动时,洛伦兹力充当向心力,则

qvB=mv2r得

则T=2π

[教师总结]由此就可以判断粒子的速度、磁场的强弱对带电粒子运动的影响。

[提出问题]在科学研究和工业生产中,常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。利用同学们的现有知识,你能设计一个实验方案,对不同比荷的带电粒子进行有效分离吗?

[学生推导]前面学习过的电场中有这样一个情景:

图1.4-1

(1)首先在电场中加速,

由qU0=12mv2得v=

(2)然后进入偏转电场做类平抛运动,

L=v·t

y=12·qU

得y=U4d

[教师总结]通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关,显然是分不开的,所有带电粒子都将从同一偏移位置y=UL

二、新课讲授

(一)质谱仪

[提出问题]既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离,磁场也能让带电粒子偏转,可不可以用磁场偏转来分离带电粒子呢?

图1.4-2

[学生推导]加速后的带电粒子垂直磁场左边界进入磁场,洛伦兹力与速度垂直,刚好充当带电粒子做圆周运动的向心力,此时粒子的运动是匀速圆周运动。

由qU0=12mv2,得v=

由qvB=mv2r,得

代入求得的v得,r=1

[教师总结]显然,根据r这个表达式,B、U0一定时,不同比荷qm的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动,因此可以分离。当然,如果我们在磁场的上边界适当处放置一张照相底片,大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光,通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径r,进而可以算出粒子的比荷q

图1.4-3

[科学推理与论证]请同学们求出感光点与入射点的距离为x的粒子质量。

[学生推导]

(1)在加速电场中,带电粒子获得速度,即qU=12mv

(2)在偏转磁场中,带电粒子做匀速圆周运动,其运动半径为r=mv

(3)在偏转磁场中,带电粒子的偏转距离为x=2r

(4)联立以上各式可得粒子的质量为m=q

[教师总结]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,出现一系列不同的谱线,不同质量对应着不同的谱线,叫作质谱线。19世纪末,英国物理学家汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪并发现了氖-20和氖-22,证实了同位素的存在。后来经过多次改进,质谱仪已经成为一种十分精密的仪器,是科学研究和工业生产中的重要工具。

[例题展示]

【例题1】(多选)图1.4-4是质谱仪的工作原理示意图。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。下列描述正确的是()

图1.4-4

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

D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小

例题分析:设一带正电的粒子经过速度选择器,受水平向右的电场力,要使粒子沿直线通过场区,则须受水平向左的洛伦兹力,根据左手定则,知所加磁场方向垂直纸面向外,且满足qE=qvB,带电粒子的速率v=EB,故B、C项正确;通过狭缝P的粒子速率都相等,在磁场内做圆周运动,打在胶片上的位置与狭缝P的距离s=2r=2mvqB0,q

答案:ABC

本知识点设计说明:准确应用质谱仪解决实际生活问题。

(二)回旋加速器

[提出问题]在粒子物理学的研究中,经常需要高能粒子作为“炮弹”去轰击未知原子,以便“打开”其内部结构。那如何才能获得科学家需要的高能粒子呢?

[学生回答]根据电场中学习过的多级直线加速器原理:nqU=12mv2,得到高能粒子v=2

图1.4-5