【教学目标】
1、了解了质谱仪的结构，就可以应用带电粒子在均匀磁场中圆周运动的规律来分析相关问题。
2、了解回旋加速器的结构和加速原理，了解粒子回旋周期与加速电场变化周期的关系。
【教学重点】
了解了质谱仪的结构，就可以应用带电粒子在均匀磁场中圆周运动的定律来分析相关问题。
【教学难点】
了解回旋加速器的结构和加速原理，了解粒子回旋周期与加速电场变化周期的关系。
【教学流程】
1. 审核导入
1. 示例：
如图所示，存在一个边界为圆形、半径为r的均匀磁场。 磁感应强度为 B。初始速度为 v0 的带电粒子（质量 m，电荷 q）沿磁场直径运动。 在洛伦兹力的作用下，从P点进入，从Q点离开磁场。
(1) 可以证明质点离开磁场时速度方向的反向延长线一定经过圆心。
(2) 假设质点离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了角度θ，则从图中的几何关系可以看出=r/R=
可见，对于某个带电粒子（m和q一定），可以通过调节B和B的大小来控制粒子的偏转角θ。
2、特点：
利用磁场控制带电粒子的运动只能改变粒子的运动方向，而不能改变粒子的速度。
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2、新课程教学
(1) 质谱仪
1.质谱仪的结构原理
质谱仪主要用于分析同位素并测定其质量、荷质比和含量比。 下图显示了常用的质谱仪。
(1)离子发生器：发射带电荷q、质量m的粒子。 不计算粒子从A中小孔S飘出时的速度；
(2)静电加速器C：静电加速器的两极板M、N的中心分别有小孔S1、S2。 粒子从S1孔进入后，受到电压为U的电场加速后，以速度v从S2孔飞出；
(3)速度选择器D：由正交均匀电场E0和均匀磁场B0组成。 通过调整E0和B0的大小，可以选择度数为v0=E0/B0的粒子通过速度选择器并从S3孔中喷射出来；
(4)偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3喷出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动；
(5)感光胶片F：粒子在偏转磁场中作半圆运动后，撞击感光胶片上的P点并被记录。 可以测量PS4之间的距离L。 装置内的五个小孔S、S1、S2、S3、S4在同一直线上。
2、问题讨论：
假设粒子的质量为m，电荷为q（不考虑重力），
电场加速粒子的动能定理如下：①；
粒子在偏转磁场中的圆周运动为：②；
①②的联合解为：;。
另一种表达形式
同位素荷质比和质量的测定：根据匀速运动的条件，粒子通过加速电场并通过速度选择器：。 若测得偏转磁场中粒子的轨道直径为L，则同位素的荷质比和质量分别为；。
注：①速度选择器适用于正、负电荷。
②速度选择器中E和B1的方向有一定的关系。 如果仅改变其中一个方向，则无法选择速度。
(2)回旋加速器
美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器是磁场和电场定律在科学技术中应用在移动电荷上的一个例子。 这也是高中物理教材中的一个难点。 有几个问题值得进一步讨论。
回旋加速器是一种用于加速带电粒子以获得高能量的装置。
1、回旋加速器的结构：回旋加速器的核心部分是两个D形金属扁盒（如图所示）。 两个盒子之间有一个狭窄的间隙，粒子源O放置在狭窄间隙的中心附近。 D形盒子安装在真空容器中，整个装置放置在巨大电磁铁的两极之间。 均匀磁场的方向垂直于D形盒的底面。 将两个D形盒连接到高频电源的两个极上。
2、回旋加速器的工作原理：如图所示，从粒子源O发射出的带电粒子，受到两个D形盒之间的电场加速后，沿 方向进入某个D形盒的垂直磁场。 在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，被磁场偏转半个周期后回到窄缝。 这时，窄缝之间的电场方向刚好改变，带电粒子在窄缝中再次加速，以更大的速度进入另一个D形盒子，做匀速圆周运动……这样，带电粒子不断加速，直到在 D 形盒子中沿着螺旋轨道运动，逐渐接近盒子的边缘。 当颗粒达到预期速度时，会使用特殊装置将它们引出。
3． 问题讨论。
(1)高频电源的频率。
带电粒子在均匀磁场中的运动周期。 带电粒子运动时，每经过狭窄的狭缝都会受到电场的加速，运动的速度不断增大，在磁场中运动的半径不断增大，但每半个时间粒子在磁场中的运动周期保持不变。 由于窄缝的宽度很小，因此粒子通过电场窄缝的时间很短，可以忽略不计。 粒子运动的总时间只考虑其在磁场中运动的时间。 因此，粒子每次通过窄缝时得到加速的条件是：高频电源的周期等于带电粒子运动的周期（同步），即频率高频电源是为了实现回旋加速。
(2) 粒子加速后的最大动能E。
由于D形盒的半径R不变，因此粒子在D形盒内加速的后半个周期的半径为R。可见，带电粒子的最大动能为。 虽然洛伦兹力对带电粒子不起作用，但E与B有关；
因为，可以看出，加速电压的高低只会影响带电粒子被加速的总次数，而不会影响回旋加速后的最大动能。
（3）能否无限加速？
由于相对论效应，当带电粒子的速度接近光速时，带电粒子的质量会显着增加高中物理带电粒子教学反思，因此带电粒子圆周运动的周期会随着带电粒子质量的增加而延长。 如果施加在D形盒子两极上的交变电场的周期不变，带电粒子每次都会“迟到”一点，并且不能保证粒子每次总是被加速他们穿过狭窄的缝隙。 因此，同步条件被破坏，带电粒子的速度无法再增加。
(4) 粒子在加速器内运动的时间：
假设加速电压为U，质量为m、电荷为q的粒子总共被加速n次。 如果不包括在电场中运动的时间，则有：
所以
并且由于带电粒子在一个周期内被加速两次，因此粒子在磁场中移动所需的时间
如果计算粒子在电场中运动的时间，粒子在两个D形盒子之间的运动可以看作是初速度为零的匀加速直线运动。 假设间隙为 d，我们有：
所以
因此，粒子在回旋加速器中运动的总时间为
因为，因此，粒子在电场中运动的时间可以忽略不计。
3、巩固实践
1、正确与错误的判断（正确则打“√”，错误则打“×”）
(1)带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧对应的中心角的两倍。 ( )
(2) 当带电粒子在磁场中偏转时，速度方向改变，但速度大小保持不变。 ( )
(3)速度选择器既可以选择粒子的速度高中物理带电粒子教学反思，也可以选择粒子的电特性。 ( )
(4)带电粒子的比电荷可以使用质谱仪来测量。 ( )
(5)回旋加速器的两个狭缝均可连接直流电源。 ( )
2.（多选）下图为“速度选择器”装置示意图。 ，是水平放置的平行金属板。 一束不同速度的电子通过两块板之间水平方向的小孔进入。 为了选择具有特定速度的电子，可以在效应之间施加电压。 实现上述目的的可能途径是（ ）
A．使极板电位高于极板，磁场方向垂直于纸面朝内
B、使极板电位低于极板，磁场方向垂直于纸面朝内
C、使极板电位高于极板，磁场方向垂直于纸面朝外
D.使极板电位低于极板，磁场方向垂直于纸面朝外
3． 回旋加速器是一种加速带电粒子的装置。 其核心部分是两个连接高频交流电极的D形金属盒。 两个盒子之间的狭缝中形成的周期性变化的电场使粒子穿过狭缝。 两个D形金属盒子处于垂直于盒子底部的均匀磁场中。 如图所示，要增加带电粒子喷射时的动能，下列正确的说法是（ ）
A．增大均匀电场间的加速电压
B.降低磁场的磁感应强度
C.降低周期性变化电场的频率
D.增大D形金属盒的半径
4、1922年，英国物理学家、化学家阿斯顿因发明质谱仪以及对同位素和质谱的研究而获得诺贝尔化学奖。 若同一束具有相同速度的粒子从左端进入质谱仪，其运动轨迹如图所示，则下列有关说法正确的是（ ）
A．这束带电粒子带负电
B、速度选择器P1板带负电
C.B2磁场中运动半径较大的粒子比电荷较小/
D.B2磁场中运动半径越大的粒子质量越大。
5、如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用于加速质量为m、电荷为q的质子。 质子每次经过电场区时，正好在电压为U时被加速，可见电场是均匀电场，将质子从静止加速到能量E，然后从空穴中喷出A、下列说法正确的是（ ）
A。 D形盒的半径R和磁感应强度B保持不变。 加速电压U越高，质子的能量E越大。
B.磁感应强度B保持不变。 如果加速电压U不变，D形盒的半径R越大，质子的能量E越大。
C、D形盒的半径R和磁感应强度B保持不变。 加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间就越长。
D、D形盒子的半径R和磁感应强度B保持不变。 加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间就越短。
6、薄铝板将同一均匀磁场分为两个区域：I和II。 高速带电粒子可以一次穿过铝板。 两个区域的运动轨迹如图所示，半径R1>R2。 假设粒子通过铝板前后所带电荷保持不变，则粒子 ( )
A．带正电
B.Ⅰ区和Ⅱ区的移动速度相同
C.Ⅰ区和Ⅱ区的运动时间相同
D.从Ⅱ区穿过铝板移动到Ⅰ区
7、如图所示，一个质量为m、电荷为q的粒子从容器A下方的小孔S1中飘入一个电势差为U的加速电场中，然后让该粒子垂直进入一个具有磁力的磁场中。感应强度B，最后击中板材D优。
(1) 粒子进入磁场时的速度。
(2) 求在磁场中运动的粒子的轨道半径。
8、1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器，可将电子能量加速到2.8GeV； 如果改用直线加速器，假设每级加速电压U=2.0×105V，需要多少级加速？
回答：
1.×√×√×
2.公元
3． D
4.C
5.BD
6.C
7.（1）
(2)
8.1.4×104（水平）
