\帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)目標(biāo)知道質(zhì)譜儀的原理和基本用途知道回旋加速器的基本構(gòu)造和加速原理重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：回旋加速器對(duì)帶電粒子的加速原理難點(diǎn)：加速電場(chǎng)與帶電粒子運(yùn)動(dòng)周期的同步關(guān)系教與學(xué)教學(xué)過(guò)程：同學(xué)們，我們已經(jīng)知道，電場(chǎng)可以對(duì)帶電粒子產(chǎn)生作用，磁場(chǎng)也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子施加影響，當(dāng)然，電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同存在時(shí)對(duì)帶電粒子也會(huì)有影響。請(qǐng)看：質(zhì)譜儀例1：一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔s1飄入電勢(shì)差為u的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)s3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上，求：（1）粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率；（2）粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道半徑。拓展：1、已知電壓U和磁場(chǎng)強(qiáng)度B，根據(jù)打到照相底片的位置求出半徑r，由公式q/m=2u/B2r2，求出帶電粒子的比荷（q/m）。2、若容器A中粒子是幾種同位素（問(wèn)：同位素有什么特點(diǎn)？），加速后進(jìn)入磁場(chǎng)的速度就會(huì)不同，從而導(dǎo)致沿不同的半徑做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因而打到照相底片不同的地方，根據(jù)不同的半徑r，由m=qB2r2/2u計(jì)算出質(zhì)量之比或質(zhì)量m。這樣的儀器叫質(zhì)譜儀——測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具在有些題目中常出現(xiàn)這種質(zhì)譜儀請(qǐng)同學(xué)們看這樣一道題：例2：如圖所示：A為加速器，B為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，C為偏轉(zhuǎn)分離器,現(xiàn)有碳的三種同位素（不計(jì)重力），經(jīng)加速后，通過(guò)速度選擇器，進(jìn)入分離器后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則下面說(shuō)法可能正確的是：（BD）A、分離器中有三條粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡分離器中有一條粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡分離器中有兩條粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡D、分離器中沒(méi)有粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡拓展：可以求出被分離出來(lái)粒子的比荷嗎？[分析]：（二）回旋加速器同學(xué)們,在高能實(shí)驗(yàn)室里要用到能量很高的帶電粒子,就需要加速器。電場(chǎng)可以使帶電粒子加速，早期制成的加速器就是利用高壓電源的電勢(shì)差來(lái)加速帶電粒子的。（1）受實(shí)際所能達(dá)到的電壓限制，粒子所獲能量并不太高；（2）電壓高，要把兩極板間距離拉開，占空間范圍大。怎樣解決這兩個(gè)問(wèn)題呢？學(xué)生思考一個(gè)加速電場(chǎng)可以多次利用。通過(guò)磁場(chǎng)可以不改變粒子速度的大小而改變速度的方向，讓粒子回頭再利用原來(lái)的電場(chǎng)進(jìn)行加速?；匦铀倨鞯脑韼д姷牧Ｗ右运俾蕍0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)半個(gè)周期后，在AA’間加一個(gè)向上的電場(chǎng)對(duì)粒子進(jìn)行加速，速率由v0變成v1，然后粒子以速率v1在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由于半徑r與v成正比，所以粒子將會(huì)沿著半徑增大的圓周運(yùn)動(dòng)，又經(jīng)過(guò)半個(gè)周期，在AA’間要加一個(gè)向下的電場(chǎng)對(duì)粒子進(jìn)行加速，速率由v1變成v2，然后粒子以速率v2在磁場(chǎng)中做半徑再大一點(diǎn)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)……如此繼續(xù)下去，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到…等處時(shí)都使它受到向下的電場(chǎng)加速；每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到…等處時(shí)都使它受到向上的電場(chǎng)加速，這樣回旋下去，速率一步一步地增大——回旋加速器，它占空間小又合實(shí)際。下面請(qǐng)你們說(shuō)說(shuō)回旋加速器的構(gòu)造需要那些材料?；匦铀倨鞯臉?gòu)造學(xué)生回答：磁體、電源、兩個(gè)半圓形軌道等看圖講解：核心部分是兩個(gè)D形的金屬扁盒，D形盒之間留有窄縫，在中心附近放有粒子源，整個(gè)裝置放在巨大的電磁體的兩極之間，磁場(chǎng)方向垂直于D形盒底面由于加速過(guò)程中要改變電場(chǎng)方向，D形盒分別接在高頻交流電源的兩極上。我們來(lái)看一下整個(gè)加速過(guò)程：[播放]思考1：在加速過(guò)程中電場(chǎng)的方向多長(zhǎng)時(shí)間變化一次？思考2：每加速一次，粒子的動(dòng)能改變多少？思考3：經(jīng)半徑為R的回旋加速器加速后，帶電粒子的最終能量為______,回旋的周數(shù)為____,所需時(shí)間______結(jié)論：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動(dòng)能增量越大，回旋半徑也增加越多，導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越多，可見(jiàn)加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時(shí)的速度和最終的能量。下面我們來(lái)看幾道題：例3：回旋加速器D形盒中央為質(zhì)子，D形盒間的交變電壓為U＝2×104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R＝1m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m＝1.67×10－27kg例4：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，正確的是()A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)例5：用同一回旋加速器分別加速α粒子（氦的原子核）和質(zhì)子，則它們飛出D形盒時(shí)的速度之