匯報人：

第一章

安培力與洛侖磁力

1.4質譜儀與回旋加速器新課導入為了便于存取，超市不同種類的豆子是分開存放

太陽每天都會向我們地球發(fā)射大量的帶電粒子為了了解這些粒子都是什么種類的粒子，我們也需要將這些粒子分開來研究。

在科學研究和工業(yè)生產中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質的成分。利用所學的知識，你能設計一個方案，以便分開電荷量相同、質量不同的帶電粒子嗎？方案一：先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強電場使帶電粒子偏轉，從而把它們分開。原理圖如圖所示：U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏轉（類平拋運動）由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質無關，無法分開比荷不同的粒子。還有其他方案嗎？學習目標1.了解質譜儀和回旋加速器的工作原理。2.經歷質譜儀工作原理的推導過程，體會邏輯推理的思維方法。3.了解回旋加速器面臨的技術難題，體會科學與技術之間的相互影響。一、質譜儀思考討論：如何分開電量相同而質量不同的帶電粒子利用電場和磁場（1）先加速由：得：（2）再偏轉(勻速圓周運動）得：U0Bm,q由粒子的軌道半徑表達式可知，比荷不同的帶電粒子的半徑不同，這種方法可以分開比荷不同的粒子。加速偏轉一、質譜儀

19世紀末，弗朗西斯·威廉·阿斯頓按照這樣的想法設計了質譜儀，并用質譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20和氖-22，證實了同位素的存在。后來經過多次改進，質譜儀已經成為一種十分精密的儀器，是科學研究和工業(yè)生產中的重要工具。弗朗西斯·威廉·阿斯頓FrancisWilliamAston一、質譜儀1.質譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質量的儀器。2.結構及作用：①電離室：使中性氣體電離，產生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度④偏轉磁場：使不同帶電粒子偏轉分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉位置及半徑電離室加速電場偏轉磁場照相底片速度選擇器③粒子速度選擇器：以相同速度進入偏轉磁場一、質譜儀3．原理：（1）帶電粒子通過加速電場的

速度為：＿＿＿＿；（2）帶電粒子通過速度選擇器的速度為：＿＿＿＿；（3）在偏轉磁場中做圓周運動的半徑：＿＿＿＿＿；（4）帶電粒子的荷質比＿＿＿＿＿＿。質譜儀是測量帶電粒子質量和分析同位素的重要工具qvB1=qE一、質譜儀4.作用：①可測粒子的質量及比荷②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素未知的元素對應了不同種類的原子，我們該如何去研究不同的原子組成成分呢？加速電場U1：偏轉磁場B：偏轉的距離為x一、質譜儀電荷量相同，質量不同的同位素，經同一電場U0加速后，經S3孔進入勻強磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線（叫作質譜線）。例如：氕、氘、氚三種同位素（q相同，m不同）二、回旋加速器

要認識原子核內部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。如何產生極高能量的粒子？粒子加速器粒子加速還記得必修三中學過的直線加速器嗎，他的工作原理是怎樣的，它有什么弊端？思考：如何產生極高能量的粒子二、回旋加速器設電子進入第n個圓筒后的速度為v，根據(jù)動能定理有：得第n個圓筒的長度為缺點:多級直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內制造直線加速器受到一定的限制。二、回旋加速器北京正負電子對撞機202米如何設計一種既能實現(xiàn)多次加速，又可以減少占地空間的加速器呢？歐洲強子對撞磁場加速器

27公里二、回旋加速器如果帶電粒子在一次加速后又轉回來被第二次加速，如此往復“轉圈圈”式地被加速，加速器裝置所占的空間就會大大縮小。而磁場正好能使帶電粒子“轉圈圈”，于是，人們依據(jù)這個思路設計出了用磁場控制軌道、用電場進行加速的回旋加速器。1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內進行多級加速。1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.二、回旋加速器1.回旋加速器的結構及作用①兩個大磁極：在帶電粒子運動范圍內產生很強的勻強

磁場，使帶電粒子做勻速圓周運動。②兩個D形盒：D形盒內部有磁場沒有電場。使帶電粒

子的圓周運動不受電場影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場加速。④交變電場：交變電場的周期等于粒子做勻速圓周運動

的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速。二、回旋加速器接高頻電源狹縫原理圖粒子源

①磁場的作用是什么？寫出粒子進入磁場后半徑表達式？周期？粒子在磁場中運動特點？半徑周期周期與粒子的速度無關2.回旋加速器的工作原理磁場的作用是使帶電粒子回旋，電場的作用是使帶電粒子加速。二、回旋加速器思考：兩個D形盒之間縫隙的電場方向應該如何變換呢？如果在兩盒間加一個交變電場，使它也以同樣的周期往復變化，那就可以保證粒子每經過電場區(qū)域時，都正好趕上適合的電場方向而被加速。

一個周期，加速兩次與粒子速度大小無關二、回旋加速器3.決定粒子射出D形盒時最大速率的因素：當粒子從D形盒邊緣引出時，最后半圓應滿足：即（vm與B、R有關，而與加速電壓U無關）U每次ΔvΔr次數(shù)少t短U每次ΔvΔr次數(shù)多t長4.帶電粒子的最終能量粒子的動能與加速電壓無關，與D型盒的半徑有關ⅡⅠ二、回旋加速器(n是粒子被加速次數(shù))，總時間為t＝t1＋t2，因為t1?t2，一般認為在盒內的時間近似等于t2。5.粒子在回旋加速器中運動的時間：在電場中運動的時間為t1，在磁場中運動的時間為

6.軌道半徑帶電粒子在D形金屬盒內運動的軌道半徑是不等距分布的，粒子第一次進入D形金屬盒Ⅱ，被加速一次，以后每次進入D形盒Ⅱ都被加速兩次，粒子第n次進入D形盒Ⅱ時，已經被加速（2n+1）次，帶電粒子在D形盒內任意兩個相鄰的圓形軌道半徑之比：二、回旋加速器

這個過程看似可以一直進行下去，但實際上由于相對論的效應，粒子的質量會隨著速度增，圓周運動的周期也增加，這樣電場于運動不在同步，也就沒辦法加速了。二、回旋加速器1.交變電流周期：2.粒子時的速度：3.離開時的動能：4.一共加速次數(shù)：5.磁場運動時間：6.電場運動時間：每換一種粒子都得調整交變電流周期速度與D型盒半徑以及磁感應強度有關，與U無關動能與D型盒半徑以及磁感應強度有關，與U無關加速次數(shù)與D型盒半徑、磁感應強度、電壓U有關磁場時間與D型盒半徑、磁感應強度、電壓U有關電場時間與縫間距、D型盒半徑、磁感應強度、電壓U有關回旋加速器的幾個常用結論

D2.(多選)如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強磁場中，并分別與高頻電源相連?，F(xiàn)分別加速氘核(H)和氦核(He)。下列說法中正確的是(

)

A．它們的最大速度相同B．它們的最大動能相同C．它們在D形盒中運動的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動能AC3.我國建造的第一臺回旋加速器工作原理如圖所示，回旋加速器的兩個D形金屬盒分別和一高頻交流電源兩極相接，電壓大小為U，忽略粒子在電場中的運動時間。下列說法正確的是

（）

A.電荷量為q的