大单元教学设计1.4 质谱仪与回旋加速器 人教版高中物理选择性必修第二册.docx

第一章安培力与洛伦兹力

第4节质谱仪与回旋加速器

教材分析：

本节教材的内容涵盖了带电粒子在组合场的应用，这是一个极具实践意义的主题。教材以质谱仪和回旋加速器为实例，深入浅出地介绍了这两种设备的原理和应用。通过学习，学生不仅能够理解带电粒子在组合场中的运动规律，还能掌握这些知识在实际应用中的运用。

质谱仪是一种分析化学物质的常用仪器，它能通过对样品进行离子化、分离和检测，从而实现对化学成分的精确分析。回旋加速器则是物理学领域中一种重要的实验设备，它可以用于加速带电粒子，以便进行高能物理研究。这两种设备在科研和工业领域具有广泛的应用，是现代科学技术发展的重要支柱。

教材在介绍质谱仪和回旋加速器的过程中，充分体现了理论联系实际的原则。学生在学习过程中，不仅可以掌握相关的理论知识，还能了解这些设备在实际中的应用价值。这种教学方法旨在培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，使他们成为具备创新精神和实践能力的高素质人才。

物理核心素养：

物理观念∶知道其质谱仪和回旋加速器工作原理，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和回旋加速器中的运动分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。

科学探究：了解质谱仪和回旋加速器的结构，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。

教学重难点：

教学重点：质谱仪和回旋加速器工作原理。

教学难点：回旋加速器中粒子的加速周期与电场变化周期之间的关系的表达式。

教学方法与教具：

媒体课件质谱仪和回旋加速器模型

教学过程：

一、新课引入

科研和工业生产有时候得把一串电荷量相同但质量不同的粒子分开，这样才能了解它们包含的物质成分。那你能不能利用学到的知识，设计一个方法来区分这些电荷量相同、质量不同的带电粒子呢？

二、新课教学

（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=2r

（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