质谱仪和回旋加速器导学案
高二【物理(人教版)】质谱仪与回旋加速器-教学设计
课程基本信息课例编号学科物理年级高二学期第一学课题质谱仪与回旋加速器教科书书名：物理选择性必修2出版社：人民教育出版社出版日期： 2019年 8 月教学人员姓名单位授课教师指导教师教学目标教学目标：带电粒子在电磁场中运动的基本分析方法教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理教学难点：如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子教学过程时间教学环节主要师生活动1回顾2新课引入知识回顾：微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？带电粒子在匀强磁场中的运动就是洛伦兹力充当向心力qvB=m v2r得r=mvqBT=2πrv=2πmqB由此就可以判断粒子的速度、磁场的强弱对带电粒子运动的影响啦。
在科学研究和工业生产中，常常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。
利用同学们的现有知识，你能设计一个实验方案,对不同比荷的带电粒子进行有效分离吗？首先，我们同学可能会想到前面学习过，电场中有这样一个情景。
（1）首先在电场中加速由：212qU mv=得：02qUvm=（2）然后进入偏转电场做类平抛x v t=⋅212qUy tmd=⋅⋅得：24Uy xdU=⋅通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的，也就是说当x 等于板长L 时，所有带电粒子都将从同一偏移位置24UL y dU =离开偏转场。
那我们同学自然会想到，既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离，磁场也能让带电粒子偏转，可不可以用磁场偏转来分离呢？加速后的带电粒子垂直磁场左边界垂直进入磁场，洛伦兹力与速度垂直，刚好充当圆周运动的向心力，做匀速圆周运动。
由：2v qvB m r = 得：mv r qB= 代入加速求得的v 得：012mU r B q= 显然，根据r 这个表达式，B 、U 0一定时，不同比荷（q/m ）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。
1.4质谱仪与回旋加速器教学设计2023-2024学年高二下学期物理人教版2019选择性必修第二册
课题第4节质谱仪与回旋加速器课型新授课1.教学内容分析本节教材的内容属于带电粒子在组合场的应用，教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用，让学生在这一学习过程中对理论与实践相结合的研究方法有所体会，并且在学习过程中尝到成功的喜悦，体会科学技术对社会发展的促进作用。
2.学习者分析教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用；从知识学习的理论升华到解决生活问题的实际应用。
3.学习目标确定物理观念：知道其工作原理，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回旋加速器的运动分析，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。
4.学习重点难点教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理教学难点：如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子5.学习评价设计能了解到质谱仪分离粒子的原理及粒子的比荷才是影响的相关主要因素，同时针对回旋加速器的最大速度能从理论上得出对应影响因素。
6.学习活动设计教师活动知识回顾：1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件：粒子垂直进入匀强磁场、粒子只受洛伦兹力2、规律：洛伦兹力充当向心力qvB=m v2r224mBvq rTπ=3、重要结论：2mTBq2kmEmvrBq Bq学生活动思考利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？环节一： 教师活动1一、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 ( B 1、E )④ 偏转磁场 ( B 2)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221mv qU = （2）在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE ，即1B Ev =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：2qB mv r =学生活动1 学生根据所学知识归纳总结： 1、在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r2、联立各式可得粒子的比荷和质量分别为2228=q U m B x222=8qB x m U3、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。
学案2：1.4质谱仪与回旋加速器
1.4质谱仪与回旋加速器【学习目标】1.掌握质谱仪的结构及工作原理，掌握粒子在磁场中运动的半径和粒子的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素.【自主学习】一、质谱仪1.质谱仪构造：主要构件有加速、偏转和照相底片.2.运动过程(如图)(1) 带电粒子经过电压为U的加速电场加速，_____＝12m v2(2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝_____，可得r＝________.3.分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的.二、回旋加速器1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强中，如图.2.工作原理(1)电场的特点及作用特点：两个D 形盒之间的窄缝区域存在 的电场.作用：带电粒子经过该区域时被 .(2)磁场的特点及作用特点：D 形盒处于与盒面垂直的 磁场中.作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 运动，从而改变运动 ， 圆周后再次进入电场.合作探究知识点一 质谱仪1．质谱仪的结构质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。
由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成，运动过程如图所示。
① 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子② 加速电场：使带电粒子获得速度③ 粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场④ 偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤ 照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径2.质谱仪的工作原理设粒子的质量为m 、带电量为q （重力不计），粒子经电场加速由动能定理有：qU ＝12m v 2。
①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有： q v B ＝m v 2r②； 由①②两式可以求出粒子的半径r 、质量m 、比荷q m 等。
其中由r ＝1B2mU q可知电荷量相同时，半径将随质量变化。
3. 质谱仪的应用可以测定带电粒子的质量和分析同位素。
《质谱仪与回旋加速器》教学
《质谱仪与回旋加速器》教学电场、磁场联手控制带电粒子。
本节内容属于带电粒子在电磁场中的综合应用。
电场和磁场都可以对带电粒子产生作用力，因此可以通过电场和磁场对粒子的运动进行控制。
核工业上需要对微观的带电粒子进行分离。
常用的方法就是利用电、磁场对带电粒子有作用力这一特征，通过施加作用力来改变或控制粒子的运动轨迹，从而达到分离的目的。
一.电分离分离：分道扬镳。
通过电场的偏转可以实现。
前提：射入匀强电场的速度方向相同。
1.带电粒子电性不同：垂直通过同一匀强电场，偏转方向发生变化，从而实现分离的目的。
2.带电粒子电性相同：偏转角由此式决定，3.4.相关参量不同时，可使粒子发生分离。
二.磁分离前提：射入磁场时粒子的速度方向相同1.异种电荷:以相同的速度方向进入同一匀强磁场中，磁场力方向不同，粒子偏转方向不同，实现分离。
2.同种电荷：在匀强磁场中的偏转半径由此式决定：参量不同，偏转半径可能不同，可以分离离子。
质谱仪原理。
三.升级版质谱仪——精挑细选带电粒子的利器。
精度高到可以发现同位素。
原理：三个功能区A.加速区；B.速选区；C.偏转区只有速度，比荷满足要求的粒子才可被精准挑选出来。
四.回旋加速器粒子物理中需要“”炮弹，炮弹打得“远”，关键看速度。
粒子炮弹如何提速呢？重力场中能否提速，理论可以，实际无效。
人推马拉行不？对对微观带电粒子，目前能实现其提速目的的只有电场。
我国北京的正负电子对撞机，欧洲的核子中心，都是给带电粒子加速的大型设备。
实际给粒子加速时，电压大小有限，一次加速的效果欠佳，所以采用了多次加速，逐步提高的手段。
美国建成的世界最大加速器，长约三公里，占地面积十分可观。
如何实现既能加速，占地面积相对又小的熊掌和鱼兼得的美好结果呢？磁场能否使粒子加速？磁场能使粒子转圈，而且转动过程中速度大小不变，打出去可以转回来，就像武林高手耍飞镖，飞出去，转回来，加一次速，再转回来，再加一次速，电场加速，磁场回旋，周而复始，在小空间内实现加速的目的。
1-4 质谱仪与回旋加速器 教案
1.4质谱仪与回旋加速器〖教材分析〗本节内容属于洛伦兹力的应用，教材介绍了质谱仪、多级加速器和回旋加速器。
值得重点介绍的是质谱仪的用途，它可以精确测定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。
回旋加速器注意它半径与周期对粒子加速的影响。
〖教学目标与核心素养〗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。
〖教学准备〗多媒体课件〖教学过程〗一、新课引入在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。
利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗?二、新课教学（一）质谱仪我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
由 qB mv r = 可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B 、v 相同，m 不同，则r 不同，这样就可以把不同的粒子分开。
19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。
后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
质谱仪是用来分离同位素的、检测它们的相对原子质量和相对丰度的仪器。
用它测定的原子质量的精度超过化学测量方法。
（最后动图展示质谱仪分离同位素的画面）1.下质谱仪的基本结构。
①粒子源：能生成离子束。
②加速电场：离子束经过加速电场获得了一定的速度。
1.4质谱仪与回旋加速器教学设计高二下学期物理人教版选择性
了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。
1.知识层面学生已经对带电粒子在磁场和电场中的运动有了一定的认识，能够进行基本的分析，知道了一些物理模型。
2.思维层面学生虽然对事物的认知已经由具体形象思维慢慢过渡到抽象的逻辑思维，但是建立过程仍需时间。
3.能力层面处理电场和磁场综合性问题时仍有些不够熟练，在解决实际应用问题时仍有不足。
物理观（一）环节一：科学探究质谱仪1.任务一：你能设计一个方案，以便分开电荷量相同质量不同的带电粒子吗？先用电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使电场加速 qU = mv 2电场偏转 L =vt ，y =21 at 2 =21 md qU t2y = U ×L 2得： 4dU 0结论：轨迹相同，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无 法分开比荷不同的粒子。
方案二、同一电场加速再通过同一磁场偏转 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子， 再用匀强磁 场使带电粒子偏转，从而把它们分 开。
原理图如图所示：1 r1 2mU r =B q结论：由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同， 这种方法可以分开比荷不同的粒 子。
（其他方案：让粒子束通过一速度选择器，再进入同 一电场偏转）了解弗朗西斯阿斯顿设计质谱仪证实了同位素 的存在，了解质谱仪对科技发展的作用。
任务二：理解质谱仪的结构和工作原理 得出：[课堂练习]问题①：什么样的带电微粒偏转半径越大呢？ 问题②：你能否标注分别对应的轨迹？了解粒子加速器的作用（二） 环节二：科学探究回旋加速器1.任务一： 直线加速器①一级加速 ②多级加速设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v ，根据动能定 理有 1 2 1 2nqU =2 mv 2mv 0 直线加速器的缺陷：占有空间范围大，在有限的空间 范围内制造直线加速器受到一定的限制。
2.任务二： 了解回旋加速器的结构， 理解其工作原理。
观看回旋加速器的工作原理， 注意观察加速 特点和回旋过程。
选必2.1.4质谱仪与回旋加速器学历案
选必2.1.4 质谱仪与回旋加速器【内容出处】人教版选择性必修二第一章第4节【内容要求】2.1.3 例4了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
【学习目标】1.通过自主推理，了解质谱仪的工作原理，体会逻辑推理的思维方法。
2.通过自主推理，了解回旋加速器的工作原理和面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
【学习过程】一、课前准备1.通读课本，做好笔记。
二、课中学习任务一：质谱仪活动1：方案设计在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。
利用所学的知识，你能设计一个方案，控制带电粒子的运动，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？提示：①如何使粒子加速获得速度？大小和方向怎么控制？答案：电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力。
可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
利用电场让带电粒子获得一定的速度。
②如何使粒子束分离？答案：磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，利用磁场让粒子做圆周运动。
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B 、v相同，m不同，则不同，这样就可以把不同的粒子分开。
活动2：质谱仪工作原理19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖20 和氖22，证实了同位素的存在。
后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
如图所示，质量为m 、电荷量为q 的粒子，从容器A 下方的小孔S 1飘入（实际工作中，往往让中性的气体分子进入电离室 A ， 在那里被电离成离子）电势差为U 的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S 3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度B 的匀强磁场中，最后打到照相底片D 上。
请说明质谱仪工作原理和用途。
答案：粒子进入磁场时的速度v 等于它在电场中被加速而得到的速度。
由动能定理求得。
粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动求出圆周的半径。
1.4.质谱仪与回旋加速器中的运动教学设计 .-
1.4质谱仪与回旋加速器一、教材分析物理课程标准：知道质谱仪和回旋加速器的基本原理,以及相应的工作过程，理解在电场、磁场中的运动规律。
教材内容及体系安排：通过前面学习，知道电荷在电场、磁场中的分别受到电场力、洛伦兹力，当电荷（粒子）在匀强电场中运动的方向与电场强度方向平行时。
匀强电场对电荷（粒子）起到加速的作用，当运动的电荷（粒子）运动的方向。
与匀强磁场中磁感应强度的方向不平行时，运动的电荷（粒子）受到洛伦兹力作用。
改变运动的方向，轨迹发生偏转。
洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力。
二、学情分析授课学生对象：高二年级的学生知识储备：带电粒子（微粒）在电场、磁场中的运动特点能力基础：理解粒子收到电场力的作用，会对带电粒子起到加速、偏转作用，磁场会起到偏转作用。
思维方式：比较抽象，不能用空间解释带电粒子的运动情况分析。
想象不到具体的运动情况，以及找相应的运动轨迹。
三、教学目标与核心素养物理观念学生知道带电粒子在匀强电场、磁场中运动的特点，以及遵循的相关规律，清楚在生活中的重要性。
科学思维∶训练学生运用电场和磁场的知识解决实际问题，培养其科学思维能力。
培养学生的逻辑思维能力和分析问题的能力，科学探究通过演示实验的引导，培养学生实验动手操作能力。
让学生能够从理论学习走向实践操作，培养学生的物理思维能力。
科学态度与责任通过演示实验的引导，培养学生团队合作精神，数据的处理追求实事求是的科学责任。
四、教学重难点教学重点：①带电粒子在电场和磁场中的运动特点及规律②质谱仪、回旋加速器的工作原理和生活中的应用教学难点：①质谱仪和回旋加速器的原理和应用，理解质谱仪用来测量同位素、质量比、半径比关系，回旋加速器最大初动能与加速电压无关原因。
五、教法学法教法：讲授法、实验探究法、练习法学法：自主探究法、讨论交流法、六、教学准备多媒体课件、圆规、绳子、细线七、教学过程温故知新、复习导入复习洛伦兹力、安培力的内容，相应的方向、大小的计算。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
练习：1、（多选）在回旋加速器中，带电粒子在D形盒内经过半个圆周所需的时间t与下列物理量无关的是() A．带电粒子的质量和电荷量B．带电粒子的速度
C．加速器的磁感应强度D．带电粒子运动的轨道半径
2、（双选）回旋加速器要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是( )
A．增大匀强电场的加速电压B．增大磁场的磁感应强度
C．减小狭缝间的距离D．增大D形金属盒的半径
3、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，该粒子恰能竖直通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动．则：
（1）粒子的速度v为多少？
（2）速度选择器的电压U2为多少？
（3）粒子在磁场B2中做匀速圆周运
动的半径R为多大？
我的收获。