2019-2020年高二物理回旋加速器教案 人教版.doc

2019-2020年高二物理回旋加速器教案 人教版教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1.知道回旋加速器的基本構(gòu)造及工作原理.2.知道回旋加速器的基本用途.二、能力目標(biāo)先介紹直線加速器，然后引出回旋加速器，并對兩種加速器進(jìn)行對比評述，引導(dǎo)學(xué)生思維，開闊學(xué)生思路.三、德育目標(biāo)1.通過介紹兩種加速器的利和弊，告訴學(xué)生應(yīng)辯證地去看待某一事物.2.通過介紹回旋加速器不利的一面，希望學(xué)生掌握現(xiàn)在的基礎(chǔ)知識(shí)，將來能研究出更切合實(shí)際的加速器.教學(xué)重點(diǎn)回旋加速器的工作原理.教學(xué)難點(diǎn)回旋加速器的基本用途.教學(xué)方法閱讀法、電教法、對比法教學(xué)用具實(shí)物投影儀、CAI課件課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過程投影本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：1.知道回旋加速器的基本構(gòu)造及工作原理.2.知道加速器的基本用途.學(xué)習(xí)目標(biāo)完成過程一、引入新課在現(xiàn)代的物理學(xué)中，為了進(jìn)一步研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，需要能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，為了使帶電粒子獲得如此高的能量，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)能給粒子加速的裝置加速器.二、新課教學(xué)讓學(xué)生閱讀課文，然后回答以下問題：問題1用什么方法可把帶電粒子加速？學(xué)生答利用加速電場給帶電粒子加速.板書由動(dòng)能定理W=Ekqu=， v= 問題2帶電粒子一定，即q/m一定，要使帶電粒子獲得的能量增大，可采取什么方法？學(xué)生答帶電粒子一定，即q/m一定，要使帶電粒子獲得的能量增大，可增大加速電場兩極板間的電勢差.問題3實(shí)際所加的電壓，能不能使帶電粒子達(dá)到所需的能量？（不能）怎么辦？學(xué)生答實(shí)際所加的電壓，不能使帶電粒子達(dá)到所需要的能量.不能，可采用高極加速器.投影片出示高極加速帶電粒子增加的動(dòng)能E=qu=qu1+qu2+qun=q(u1+u2+u3+un)分析：方法可行，但所占的空間范圍大，能不能在較小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高級(jí)加速呢？1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明的回旋加速器解決了這一問題.板書回旋加速器讓學(xué)生閱讀課文，教師隨后就回旋加速器的工作原理進(jìn)行講解.實(shí)物投影右圖教師進(jìn)行講解：放在A0處的粒子源發(fā)出一個(gè)帶正電的粒子，它以某一速率v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過半個(gè)周期，當(dāng)它沿著半圓弧A0A1到達(dá)A1時(shí)，在A1A1處造成一個(gè)向上的電場，使這個(gè)帶電粒子在A1A1處受到一次電場的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).我們知道，粒子的軌道半徑跟它的速率成正比，因而粒子將沿著半徑增大了的圓周運(yùn)動(dòng)，又經(jīng)過半個(gè)周期，當(dāng)它沿著半圓弧A1A2到達(dá)A2時(shí)，在A2A2處造成一個(gè)向下的電場，使粒子又一次受到電場的加速，速率增加到v2，如此繼續(xù)下去，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A1A、A3 A3等處時(shí)都使它受到向上電場的加速，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A2A2、A4A4等處時(shí)都使它受到向下電場的加速，粒子將沿著圖示的螺線A0 A1 A1A2A2回旋下去，速率將一步一步地增大.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=2m/qB跟運(yùn)動(dòng)速率和軌道半徑無關(guān)，對一定的帶電粒子和一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度來說，這個(gè)周期是恒定的，因此，盡管粒子的速率和半徑一次比一次增大，運(yùn)動(dòng)周期T卻始終不變，這樣，如果在直線AA、AA處造成一個(gè)交變電場，使它以相同的周期T往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過直線AA和AA時(shí)都正好趕上適合的電場方向而被加速.投影片出示板書1.回旋加速器是利用電場對電荷的加速作用和磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子的裝置.2.回旋加速器的工作原理.（1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時(shí)，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其中周期和速率與半徑無關(guān)，使帶電粒子每次進(jìn)入D形盒中都能運(yùn)動(dòng)相等時(shí)間（半個(gè)周期）后，平行于電場方向進(jìn)入電場中加速.（2）電場的作用：回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒直徑的勻強(qiáng)電場，加速就是在這個(gè)區(qū)域完成的.（3）交變電壓：為了保證每次帶電粒子經(jīng)過狹縫時(shí)均被加速，使之能量不斷提高，要在狹縫處加一個(gè)與T=2m/qB相同的交變電壓.實(shí)物投影回旋加速器的D形盒讓學(xué)生閱讀課文后回答下列問題：1.D形金屬扁盒的主要作用是什么？2.在加速區(qū)有沒有磁場？對帶電粒子加速有沒有影響？3.粒子所能獲得的最大能量與什么因素有關(guān)？師生共同分析得出結(jié)論：1.D形金屬扁盒的主要作用是起到靜電屏蔽作用，使得盒內(nèi)空間的電場極弱，這樣就可以使運(yùn)動(dòng)的粒子只受洛倫茲力的作用做勻速圓周運(yùn)動(dòng).2.在加速區(qū)域中也有磁場，但由于加速區(qū)間距離很小，磁場對帶電粒子的加速過程的影響很小，因此，可以忽略磁場的影響.3.設(shè)D形盒的半徑為R，則粒子可能獲得的最大動(dòng)能由qvB=m得Ekm=.可見：帶電粒子獲得的最大能量與D形盒半徑有關(guān).由于受D形盒半徑R的限制，帶電粒子在這種加速器中獲得的能量也是有限的.為了獲得更大的能量，人類又發(fā)明各種類型的新型加速器.讓學(xué)生繼續(xù)閱讀課文，回答以下問題使用回旋加速器加速帶電粒子有何局限性？學(xué)生答回旋加速器的出現(xiàn)，使人類在獲得具有較高能量的粒子方面前進(jìn)了一步，但是要想進(jìn)一步提高粒子的能量就很困難了.這是因?yàn)椋诹Ｗ拥哪芰亢芨叩臅r(shí)候，它的運(yùn)動(dòng)速度接近于光速，按照狹義相對論（以后會(huì)介紹），這時(shí)粒子的質(zhì)量將隨著速率的增加而顯著地增大，粒子在磁場中回旋一周所需的時(shí)間要發(fā)生變化，交變電場的頻率不再跟粒子運(yùn)動(dòng)的頻率一致，這就破壞了加速器的工作條件，進(jìn)一步提高粒子的速率就不可能了.投影片出示練習(xí)題例1 N個(gè)長度逐漸增大的金屬圓筒和一個(gè)靶，它們沿軸線排列成一串，如圖3所示（圖中畫出五、六個(gè)圓筒，作為示意圖）.各筒和靶相間地連接到頻率為，最大電壓值為u的正弦交流電源的兩端.整個(gè)裝置放在高真空容器中，圓筒的兩底面中心開有小孔.現(xiàn)有一電量為q，質(zhì)量為m的正離子沿軸線射入圓筒，并將在圓筒間及靶間的縫隙處受到電場力的作用而加速（設(shè)圓筒內(nèi)部沒有電場）.縫隙的寬度很小，離子穿縫隙的時(shí)間可以不計(jì)，已知離子進(jìn)入第一個(gè)圓筒左端的速度為v1，且此時(shí)第一、二兩個(gè)圓筒間的電勢差為u1-u2=-u.為使打在靶上的離子獲得最大能量，各個(gè)圓筒的長度應(yīng)滿足什么條件？并求出在這種情況下打到靶子上的離子的能量.解析：粒子在筒內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在縫隙處被加速，因此要求粒子穿過每個(gè)圓筒的時(shí)間均為T/2(即).N個(gè)圓筒至打在靶上被加速N次，每次電場力做的功均為qu.只有當(dāng)離子在各圓筒內(nèi)穿過的時(shí)間都為t=T/2=1/(2r)時(shí)，離子才有可能每次通過筒間縫隙都被加速，這樣第一個(gè)圓筒的長度L1=v1t=v1/2,當(dāng)離子通過第一、二個(gè)圓筒間的縫隙時(shí)，兩筒間電壓為u，離子進(jìn)入第二個(gè)圓筒時(shí)的動(dòng)能就增加了qu，所以E2=第二個(gè)圓筒的長度L2=v2t=/2如此可知離子進(jìn)入第三個(gè)圓筒時(shí)的動(dòng)能E3=速度v3=第三個(gè)圓筒長度L3=/2離子進(jìn)入第n個(gè)圓筒時(shí)的動(dòng)能EN=速度vN=第N個(gè)圓筒的長度LN=此時(shí)打到靶上離子的動(dòng)能Ek=EN+qu=例2 已知回旋加速器中D形盒內(nèi)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.5 T，D形盒的半徑為R= 60 cm，兩盒間電壓u=2104 V，今將粒子從近于間隙中心某處向D形盒內(nèi)近似等于零的初速度，垂直于半徑的方向射入，求粒子在加速器內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間的最大可能值.解析：帶電粒子在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其周期與速度和半徑無關(guān)，每一周期被加速兩次，每次加速獲得能量為qu，只要根據(jù)D形盒的半徑得到粒子具有的最低（也是最大）能量，即可求出加速次數(shù)，進(jìn)而可知經(jīng)歷了幾個(gè)周期，從而求總出總時(shí)間.粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的最大半徑為R則R=mvm/qBvm=RqB/m則其最大動(dòng)能為Ekm=粒子被加速的次數(shù)為n=Ekm/qu=B2qR2/2m-u則粒子在加速器內(nèi)運(yùn)行的總時(shí)間為t=n =4.310-5 s三、小結(jié)本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了1.回旋加速器的基本用途.2.回旋加速器的工作原理.3.回旋加速器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn).四、作業(yè)1.閱讀本節(jié)課文2.習(xí)題B組（2）（3）（4）3.預(yù)習(xí) 安培分子電流假說 磁性材料五、板書設(shè)計(jì)回旋加速器1.基本用途利用電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)來獲得高能粒子.2.工作原理（1）磁場的作用：使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)（2）電場的作用：加速帶電粒子（3）交變電壓：周期為T=2m/qB與帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同3.優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)1.一個(gè)回旋加速器，當(dāng)外加磁場一定時(shí)，可以把質(zhì)子的速率加速到v，質(zhì)子所獲得的能量為正.（1）這一加速器能把粒子加速到多大速率_A.vB.C.2vD. (2)這一加速器加速粒子的電場頻率跟加速質(zhì)子的電場頻率之比為_A.11B.21C.12D.142.利用回旋加速器來加速質(zhì)量為m，帶電量為q的帶電粒子，如果加速電壓u以及勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B已知，則將上述帶電粒子的能量加速到E所需的時(shí)間為多少？3.回旋加速器的D形盒半徑為R=0.60 m，兩盒間距為d=0.01 cm,用它來加速質(zhì)子時(shí)可使每個(gè)質(zhì)子獲得的最大能量為4.0 MeV，加速電壓為u=2.0104 V, 求：（1）該加速器中偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B.（2）質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間.（3）在整個(gè)加速過程中，質(zhì)子在電場中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間.（已知質(zhì)子的質(zhì)量為m=1.6710-27 kg，質(zhì)子的帶電量e=1.6010-19 C）4.如圖所示為一回旋加速器的示意圖，已知D形盒的半徑為R，中心上半面出口處O放有質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子源，若磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，求：（1）加在D形盒間的高頻電源的頻率.（2）離子加速后的最大能量.（3）離子在第n次通過窄縫前后的速度和半徑之比.5.如圖所示是回旋加速器示意圖，一個(gè)扁圓柱形的金屬盒子，盒子被分成兩半（D形電極）分別與高壓交變電源的兩極相連，在裂縫處形成一個(gè)交變電場，在兩D形電極裂縫的中心靠近一個(gè)D形盒處有一離子源K，D形電極位于勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于D形電極所在平面，由下向上，從離子源K發(fā)出的離子（不計(jì)初速，質(zhì)量為m、電量為q）在電場作用下，被加速進(jìn)入盒D，又由于磁場的作用，沿半圓形的軌道運(yùn)動(dòng)，并重新進(jìn)入裂縫，這時(shí)恰好改變電場的方向，此離子在電場中又一次加速，如此不斷循環(huán)進(jìn)行，最后在D盒邊緣被特殊裝置引出.(忽略粒子在裂縫中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間)（1）試證明交變電源的周期T=.（2）為使離子獲得E的能量，需加速多長時(shí)間？（已知加速電壓為u，裂縫間距為d，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B）（3）試說明粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌道是不等間距分布的.6.試述回旋加速器的優(yōu)缺點(diǎn).參考答案：1.(1)B (2)C2.Em/q2uB提示：粒子經(jīng)n次加速后獲得的能量為E=nqu,則粒子加速的總時(shí)間為t=T3.(1)B=0.48 T(2)質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為1.410-3s(3)質(zhì)子在電場中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為1.410-9 s提示：（1）最后一圈的半徑與盒的半徑相同（2）n=E/qu=200,則t=100 T(3）帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)連接起來，相當(dāng)于發(fā)生了200d位移的初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，即200d=4.解析：（1）帶電粒子在一個(gè)D形盒內(nèi)做半圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)窄縫時(shí)，只有高頻電源的電壓也經(jīng)歷了半個(gè)周期的變化，才能保證帶電粒子在到達(dá)窄縫時(shí)總是遇到加速電場，這是帶電粒子能不能被加速的前提條件，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T=2m/qB.T與圓半徑r和速度v無關(guān)，只決定于粒子的荷質(zhì)比q/m和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，所以粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期保持不變，由于兩D形盒之間窄縫距離很小，可以忽略粒子穿過窄縫所需的時(shí)間，因此只要高頻電源的變化周期與粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等，就能實(shí)現(xiàn)粒子在窄縫中總是被電場加速，故高頻電源的頻率應(yīng)取f=.(2)離子加速后，從D形盒引出時(shí)的能量最大，當(dāng)粒子從D形盒中引出時(shí)，粒子做最后一圈圓周運(yùn)動(dòng)的半徑就等于D形盒半徑R，由帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式可知R=mv/qB=所以被加速粒子的最大動(dòng)能為Ek=q2B2R2/2m由此可知，在帶電粒子的質(zhì)量、電量確定的情況下，粒子所能獲得的最大動(dòng)能只與加速器的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓無關(guān).（3）設(shè)加在兩D形盒電極之間的高頻電壓為u，粒子從粒子源中飄出時(shí)的速度很小，近似為零，則粒子第一次被加速后進(jìn)入下方D形盒的動(dòng)能、速度、半徑分別為Ek1=qu v1= r1=當(dāng)粒子第n次通過窄縫時(shí)，由動(dòng)能定理可知，粒子的動(dòng)能為Ekn=mqu vn=由此可知，帶電粒子第n次穿過窄縫前后的速率和半徑之比為 從上面的式子可知，隨著粒子運(yùn)動(dòng)圈數(shù)增加，粒子在D形盒做圓周運(yùn)動(dòng)半徑的增加越來越慢，軌道半徑越來越密.5.解析：（1）由qvB=mv2/r得v=qBR/m經(jīng)過半圓的時(shí)間t1=R/v=m/qB故交變電流的周期T=2t1=2m/qB（2）離子只有經(jīng)過縫隙時(shí)才能獲得能量，每經(jīng)過一次增加的能量為qu，要獲得E的能量，經(jīng)過縫隙次數(shù)必須為n=E/qu.所需時(shí)間t=nt1=Em/q2vB（3）設(shè)加速k次的速率為vk,半徑為Rkk+1次的速度為vk+1，半徑為Rk+1則kqu=可得vk=同理vk+1又Rk=vk,故因k取不同的值時(shí)，Rk/Rk+1的值不同，故軌道是不等間距分布的.6.回旋加速器的優(yōu)點(diǎn)是使帶電粒子在較小的空間受到電場的多次加速，而使粒子獲得較高的能量.缺點(diǎn)是這種經(jīng)典的加速器使粒子獲得的能量不會(huì)很高，因?yàn)榱Ｗ幽芰亢芨邥r(shí)，它的運(yùn)動(dòng)速度接近光速，按照狹義相對論，粒子質(zhì)量將隨著速率的增加而顯著地增