高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器优质课教案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器优质课教案，共11页。教案主要包含了质谱仪，回旋加速器等内容，欢迎下载使用。

备课人
学科
物理
课题
1.4 质谱仪与回旋加速器
教学内容分析
本节教材的内容属于带电粒子在电场和磁场中运动的综合应用。既然电场、磁场都可以对运动的带电粒子施加作用力，那么利用电场、磁场就可以控制帶电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让帶电粒子做圆周运动。如果带电粒子的电荷量相同，加速电场的电压相同，偏转磁场的磁感应強度相同，而粒子的质量不同，那么圆周运动的半径就不同。19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿根据这一思路设计出了质谱仪。带电粒子在电场中的加速和带电粒子在匀強磁场中的匀速圆周运动的结合是一个难点，可以让学生尝试自主推导，在自主推导的过程中弄清楚其中各物理量的逻辑关系。
回旋加速器利用电场加速带电粒子、磁场控制帶电粒子的运动，理解其原理是学习的关键。教学中要明确：回旋加速器中电场的作用是什么?磁场的作用又是什么?带电粒子是怎样被加速的?这些问題可引导学生讨论。通过讨论既复习了前面学过的知识，又搞清楚了回旋加速器的原理。
学情分析
在本次课程中，学生对于质谱仪和回旋加速器的基本原理和结构有了较为深入的了解。但在实际操作环节，我发现部分学生对于这两者的区别和联系仍存在疑惑。
首先，质谱仪主要用于分析物质的质量，它通过电场和磁场将带电粒子按照质量分离，并测量其质量。相比之下，回旋加速器则主要用于加速带电粒子，特别是高能物理实验中常用的粒子。两者的目标和功能存在本质的差异。
其次，部分学生对于质谱仪和回旋加速器的结构和工作原理的细节仍不够熟悉。例如，有些学生对于回旋加速器的磁场设计和粒子轨迹计算存在疑惑。这可能是因为这部分知识较为抽象，需要更多的直观演示和实际操作来加深理解。
针对上述学情分析，我认为在未来的教学中需要作出以下调整：
加强理论与实践的结合：除了理论讲解外，应增加更多的实验环节，让学生亲自动手操作质谱仪和回旋加速器，以更好地理解其工作原理。
增加直观教学素材：对于抽象的知识点，如磁场设计和粒子轨迹计算，应准备更多的动画、视频等直观教学素材，帮助学生更好地理解。
组织小组讨论：鼓励学生分组讨论，通过交流与合作解决学习中遇到的问题，同时也能培养学生的团队协作能力。
个性化辅导：针对个别学生在学习中的困难，可以进行一对一的辅导，以更好地满足学生的学习需求。
教学目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
教学重难点
1、教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理
2、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
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
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？
方案示例：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
（1）先加速
由：得：
再偏转（类平抛运动）
纵向：
横向：
得：
由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。
设计出可以分开电荷量相同、质量不同的带电粒子的方法并交流。
学生通过推导得出该方案是否把粒子分开。
情境引出本节课第一重点质谱仪。
新课教学
一、质谱仪
质谱仪的结构
电离室：使中性气体电离，产生带电粒子加速电场：使带电粒子获得速度
偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
质谱仪的原理
你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？
（1）先加速
由：得：
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得：
这样比荷不同的粒子就可以被分开了。
质谱仪还可以完成其他实验任务吗？
（三）质谱仪的作用
质谱仪还可以计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有：
若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？
（四）质谱仪的改进
观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？
速度选择器E，B：
偏转磁场B0：
（五）典例探究
【例1】 如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求：
(1)粒子从加速电场射出时速度v的大小；
(2)粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应
强度B1的大小和方向；
(3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小．
答案：(1)eq \r(\f(2qU,m)) (2)Eeq \r(\f(m,2qU)) 方向垂直纸面向外
(3)eq \f(2,L) eq \r(\f(2mU,q))
解析：(1)在加速电场中，由qU＝eq \f(1,2)mv2可解得v＝eq \r(\f(2qU,m)).
(2)粒子在速度选择器中受到向右的电场力qE，应与洛伦兹力qvB1平衡，故磁场B1的方向应该垂直于纸面向外，
由qE＝qvB1得B1＝eq \f(E,v)＝Eeq \r(\f(m,2qU)).
(3)粒子在磁场B2中的轨迹半径r＝eq \f(1,2)L，由r＝eq \f(mv,qB2)得，B2＝eq \f(2,L) eq \r(\f(2mU,q)).
阅读课文并说明质谱仪各个部分的作用。
学生尝试利用推导说明质谱仪的原理。
回答可以计算质量。
提出自己合力的的方案并交流。
学生回答优点
解答例1并展示答案
锻炼培养学生的阅读归纳问题能力。
锻炼学生推导归纳问题的能力。
锻炼学生分析问题能力。
层层推进，锻炼学生的思维。
学以致用，锻炼学生对知识的应用能力。
二、回旋加速器
（一）问题引出
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。如何产生极高能量的粒子？
还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？
（二）直线加速器
设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有：
得
第 n 个圆筒的长度为
直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。有没有什么办法改进？
回旋加速器
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速。观察结构，并尝试说明其工作原理？
工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。
回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？
加速条件
带电粒子在D形盒中运行的周期：
每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。
粒子加速后的最大速度或最大能量是多少，它们由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？
粒子最大动能：
（离开半径与D形盒半径相同）
,
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？
粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
改进：
学生回答可以让带电粒子获得高能量的办法。
回答直线加速器的弊端是空间很大。
采用理论推导得出直线加速器的弊端。
引导学生可以让电荷做圆周运动。
学生阅读归纳回旋加速器的定义
在教师引导下回答加速器被加速的条件。
讨论出粒子最大动能原因有关。
在教师引导下提出改进意见。
引出加速器
层层推进，激发学生兴趣
不是直接讲，而是让学生先读，不包讲，提升学生学习主动性。
任务驱动，带动学生学习积极性。
课堂总结
动量
板书设计
质谱仪与回旋加速器
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中动量的概念和实验思路进行检测，一是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
在教学目标的设定上，我希望学生们能够理解质谱仪和回旋加速器的基本原理，掌握它们的操作方法，并理解它们在科学研究中的应用。在教学过程中，我努力确保信息的准确性和完整性，同时也注重培养学生的实践能力和创新思维。
在教学过程中，我采用了多种教学方法，包括讲解、演示、小组讨论和实验操作等。这些方法有助于激发学生们的学习兴趣，促进他们对知识的理解和掌握。然而，在操作质谱仪和回旋加速器实验时，部分学生表现出了一定的紧张感，对实验的操作不够熟练。
在教学内容方面，我着重讲解了质谱仪和回旋加速器的原理、结构和工作方式。通过图示和动态模型，我尽力将复杂的概念简单化，帮助学生更好地理解。同时，我也注重与实际应用的结合，让学生们了解到这两大仪器在科学研究中的重要地位。
对于学生的反馈，我进行了仔细的收集和分析。大部分学生对质谱仪和回旋加速器的原理有了基本的理解，但在实验操作上还需要加强。为此，我计划在后续的课程中增加更多的实践环节，提高学生的操作技能。
在今后的教学中，我将进一步完善教学方法和内容，特别是加强实验操作环节的指导和练习。同时，我也会注重培养学生的创新思维和批判性思维，鼓励他们对所学知识进行深入的思考和探究。
总的来说，这节课取得了一定的教学效果，但也有需要改进的地方。我会继续努力，为提高教学质量而不断探索和创新。