带电粒子在匀强磁场中运动应用《回旋加速器》教学设计
带电粒子在匀强磁场中的运动之回旋加速器 高中物理选修教案教学设计 人教版
带电粒子在匀强磁场中的运动之回旋加速器微课教学设计【设计思想】“回旋加速器”是带电粒子在电场和磁场中运动的一个具体的综合实例。
本节微课的主要任务讲清楚回旋加速器的优势、工作原理。
本节课采用问题引导的方式，充分调动学生进行分析讨论。
【教学目标】1．了解回旋加速器的基本结构和优势2．理解回旋加速器的设计原理3．提升分析问题的能力【教学重点】回旋加速器工作原理【教学难点】1．加速电场与带电粒子运动周期的同步关系2．带电粒子最大动能和最大速度的影响因素【教学过程】一、引入1．问题导向引入如何获得一个高速带电粒子？学生很容易想到带电粒子在加速电场中加速，回顾分析加速电场的原理，引导学生思考如何获得更高能量？部分学生会想到多级加速器。
这种直线多级加速器的弊端是什么？出示直线加速器图片（北京正负电子对撞机注入器），全长204米。
是否占据太大空间？2．课题引入如何解决直线加速器的的弊端，让粒子不断地进入加速电场，猜测加速器应该具有的结构，利用磁场来控制轨迹，使其多次进入同一个电场。
二、回旋加速器的原理1．加速原理利用动画展示回旋加速器的工作原理，让学生边看边思考D形盒狭缝加的电场能不能是匀强电场？为什么？有什么要求？学生可以通过播放器的暂停、重复多看几遍微课，真正搞清楚回旋加速器的工作原理，细心的学生会观察到狭缝中的电场方向有规律的变化，思考是什么规律，边看边思考粒子的在磁场中运动周期会随着速度变大而变化吗？复习带电粒子在磁场中做圆周运动的周期规律。
2.交变电场的规律讨论加速电压的变化问题，明确加速电压应与粒子运动相配合。
讨论加速电压周期和粒子圆周运动周期的关系，并讨论粒子圆周运动周期的特点。
（通过讨论，最终得到加速电压周期与粒子圆周运动周期相同（同步条件），并且不随速度增大而改变。
）3.展示实际中的回旋加速器通过实物图片让学生真正看到物理规律的具体实践应用，增强学习物理的兴趣三、思考与讨论问题1.粒子速度和运动半径越来越大，那么周期是否会变化？引导学生通过前面的学习找到相应的理论依据来回答这个问题问题2.如果D型盒半径为r，则该加速器能将质量为m，电荷量为q的粒子加速到多大的速度？这个最大速度跟什么因素有关？引导学生学习用理论推导出正确的结论，从而提升解决问题的能力四、思考与拓展思考1。
《洛伦兹力的应用—回旋加速器》教学设计
提出适度开放问题，启发利用已有知识设计方案来解决区分电性问题，充分唤醒学生已有知识，在原有基础上不断生长，诱导了学生无穷的创造力。
换个角度学习知识，以前都是采用宣讲的方法，告诉学生利用偏转磁场、偏转电场可测带电粒子电性，让学生通过带电粒子的运动轨迹判断电性。
2：带电粒子的速度方向垂直于磁场方向将做什么运动?
3：推导出在B⊥v情况下的两个重要公式
4：除磁场外，什么“场”对电荷也有力的作用，列举这种“场”对电荷作用的典型情况
关于教学策略选择的阐述
本节课采用学生课前预习、课堂中组成学习小组、板卡互动（EEPO模式）、探究式教学等方法相结合。
课堂教学过程设计思路
1、
理解
理解运动电荷垂直进入匀强磁场时，电荷在洛仑兹力的作用下做匀速圆周运动。
2、
理解
了解带电粒子在磁场中偏转规律在现代科学技术中的应用，了解高能物理领域中的科技发展状况。
3、
应用
能应用所学知识解决电场、磁场的简单的综合问题
项目
内容
解决措施
教学重点
掌握运动电荷在磁场中圆周运动的半径和周期的计算公式以及运用公式分析各种实际问题。
本次教学换个角度处理这个问题，让学生自己设计方案区分电性，开阔了学生的思路，提高了学生学习兴趣
教师选择小组发言、点评，
该组代表到本组大卡前阐述本小组设计方案，其他同学倾听
学生交流的过程也是相互学习的过程，既给学生提供充分展示自己的机会，又使聆听的学生从别人的设计中得到有益的启发，使学生充分认识到合作与交流的重要性。
与本节
(课)相关
的学生特
征的分析
从学生角度看，学生已基本掌握洛伦兹力的相关知识，本节的探究活动采用的是提出适度开放问题，启发利用公式、设计仪器方案来解决带电粒子在电场、磁场中运动问题，充分唤醒学生已有知识，在原有基础上不断生长，诱导了学生无穷的创造力。
回旋加速器教案
回旋加速器教案一、教学目标1.了解回旋加速器的定义和用途。
2.掌握回旋加速器的工作原理。
3.理解回旋加速器对物质进行加速和研究的意义。
4.能够解释回旋加速器与其他加速器的区别。
5.培养学生的科学实验观察和推理能力。
二、教学内容1.回旋加速器的定义和用途。
2.回旋加速器的工作原理。
3.回旋加速器的应用。
4.回旋加速器与其他加速器的比较。
三、教学过程导入：1.显示图片或视频，引导学生思考：什么是回旋加速器？回旋加速器有什么用途？知识讲解：2.定义和用途：回旋加速器是一种用于将离子或高速粒子加速的装置。
它能够产生高能量的电子、质子、中子等粒子束，用于核物理实验、生物学和医学研究等领域。
例如，回旋加速器被用于产生高能量的正电子和反质子，用于医学成像和放射性疗法。
3.工作原理：回旋加速器利用静电力和磁场力的相互作用，将带电粒子不断加速。
一般来说，回旋加速器由环形磁场和交变电压构成。
当带电粒子进入回旋加速器后，会被磁场束缚在环形轨道上，然后通过交变电压的作用不断加速，最终达到所需的能量。
4.应用：回旋加速器广泛应用于核物理和粒子物理的实验研究中。
例如，回旋加速器可以加速质子和重离子，用于研究原子核的性质和结构。
此外，回旋加速器还可以生产反物质，用于研究宇宙起源和物质构成等问题。
5.比较：与其他加速器相比，回旋加速器具有以下特点：首先，回旋加速器能够加速带电粒子到非常高的能量，远远超过线性加速器的限制。
其次，回旋加速器可以将粒子束稳定地束缚在环形轨道上，使得粒子束的稳定性得到保证。
最后，回旋加速器相对来说比较复杂，建设和维护成本较高。
实践探究：6.学生小组讨论：回旋加速器的工作原理和应用。
7.学生设计实验：利用模拟回旋加速器的装置，观察带电粒子在磁场和电场的作用下的运动轨迹。
8.学生通过实验观察和讨论，总结回旋加速器的工作原理和优点。
知识拓展：总结提高：10.教师总结：回旋加速器是一种重要的科学实验装置，对于物质结构和性质的研究具有重要意义。
高二物理-回旋加速器教案
高二物理－回旋加速器教案一、教学目标：1. 了解回旋加速器的原理和应用。
2. 理解电场、磁场的作用。
3. 掌握离子在回旋加速器中如何加速的过程。
4. 能够计算回旋加速器的磁场强度、电场强度、离子轨道。
二、教学重点：1. 回旋加速器的原理和应用。
2. 电场、磁场的作用。
3. 离子在回旋加速器中的加速过程。
三、教学难点：1. 离子在磁场和电场中的受力情况。
2. 如何确定离子的轨道和速度。
3. 如何设计出符合要求的磁场和电场。
四、教学过程：1. 回旋加速器的工作原理（1）介绍什么是回旋加速器，回旋加速器的工作原理。
（2）通过示意图介绍回旋加速器的结构，包括注入系统、加速器、减速器、探测系统等部分。
2. 离子在磁场和电场中的运动（1）介绍带电粒子在磁场中的受力情况，洛伦兹力的作用。
（2）介绍带电粒子在电场中的受力情况，库仑力的作用。
（3）掌握带电粒子在磁场和电场中的运动轨迹，以及如何计算力和速度。
3. 磁场和电场的设计（1）介绍如何设计符合要求的磁场。
（2）介绍如何设计符合要求的电场。
（3）通过示意图展示磁场和电场的结构和工作原理。
4. 回旋加速器的应用（1）介绍回旋加速器在物理、化学、医学等领域的应用。
（2）通过案例介绍回旋加速器的应用情况，如核物理实验、药物研究、疗法治疗等。
五、教学方法：1. 课堂讲授法。
2. 小组讨论法。
3. 实验法。
4. 视频观看法。
六、教学手段：1. 多媒体课件、视频资料。
2. 教学实验器材。
七、教学评价：1. 课堂练习和考试。
2. 学生提交实验报告和讨论文。
3. 听课笔记和课堂参与度。
最新完整版带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计
(1)当带电粒子以速度y平行于磁场方向进入匀强磁场后，粒子所受洛伦兹力为零，所以粒子将以速度1/做匀速直线运动•
(2)当带电粒子以一定的速度垂直进入磁场时做圆周运动，且圆周运动的半径与磁场的强弱及粒子的入射速度有关・
2、带电粒子在匀强磁场中的圆周运动
如图所示，带电粒子以速度1/垂直磁场方向入射, 在磁场中做匀速圆周运动，设带电粒子的质量为 0所带的电荷量为7求轨道半径和周期？
3、质谱仪
1 •结构：质谱仪由静电加速电极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成•(如图)
2 •原理：
(1)粒子源及加速电场：使带电粒子获得速度V进入速度选择器，v = 2qUm).
(2)速度选择器：只有做匀速直线运动的粒子才能
1•构造：①粒子源；②两个。
形盒；(③匀强磁场；④高频电源；⑤粒子引出装置；•⑥真空容器•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周期性变化的电场•
作用：带电粒子经过该区域时被加速•
(2)磁场的特点及作用
特点：D形盒处于与盒面垂直的匀遐磁场中•
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,从而改变运动方向,至上周期后再次进入电场•。
带电粒子在匀强磁场中的运动 教学设计
物理学科课时教学设计课题名称带电粒子在匀强磁场中的运动核心素养描述1、通过课上演示实验及小组交流，会灵活运用qvBF=和左手定则计算洛伦兹力的大小以及方向；2、通过带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，会用rvmqvB2=和vrTπ2=推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式及数学几何知识（勾股定理、三角函数等）的应用；3、通过带电粒子在匀强磁场中的受力分析，灵活解决有关磁场的问题体会科技的创新与应用历程。
4、学生通过演示实验，掌握实验的科学思维和归纳总结能力；5、通过组内交流加强团队合作意识。
教材内容分析带电粒子在磁场中的运动是人教版高中物理选修3-1第三章磁场第六节的内容，本节课是场这一章内容的重中之重，在高考题中常以综合计算题形式出现，本节教材既联系了高一的速圆周运动内容，又承接前面带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的内容，既是力学部分和电磁部分旧知识的回忆复习，又是将这两部分有机整合进行全新理论的构建过程。
学好本节内容增强学生科学素质，能为今后进一步更好地掌握学习方法打下基础。
学情分析本课内容对学生的难度较大，能力要求比较高，因此要根据学生的实际情况灵活铺设台阶，要让不同层次的学生在讨论中有比较深刻的感受。
考纲要求考点内容要求命题规律洛伦兹力、洛伦兹力的方向Ⅰ（1）洛伦兹力方向的判断和大小的计算；（2）有界磁场中的临界问题；（3）带电粒子在匀强磁场中的多解问题；（4）带电粒子在组合场和复合场中的运动。
洛伦兹力公式Ⅱ带电粒子在匀强磁场中的运动Ⅱ质谱仪和回旋加速器Ⅰ重点（1）运动电荷半径及周期的计算公式推导以及应用；（2）培养学生解题前必须作图分析问题的意识及会用数学几何知识（勾股定理、三角函数等）解决问题。
难点确定垂直射入匀强磁场或复合场中的带电粒子运动是匀速圆周运动，并能用来分析有关问题。
[来源学科网]导学过程教师活动学生活动效果及问题预设问题：（带电粒子的运动。
带电粒子在匀强磁场中的运动教案
带电粒子在匀强磁场中的运动教案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN时间：星期：主备人：使用人：【教学主题】3.6带电粒子在匀强磁场中的运动【教学目标】1.推倒出匀速圆周的半径公式和周期公式2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理【知识梳理】学习过程1．带电粒子在匀强磁场中的运动(1)带电粒子的运动方向与磁场方向平行：做运动。
(2)带电粒子的运动方向与磁场方向垂直：粒子做运动且运动的轨迹平面与磁场方向。
轨道半径公式：周期公式：。
(3)带电粒子的运动方向与磁场方向成θ角：粒子在垂直于磁场方向作运动，在平行磁场方向作运动。
叠加后粒子作等距螺旋线运动。
2．质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的和分析的重要工具。
3．回旋加速器：(1)使带电粒子加速的方法有：经过多次直线加速；利用电场和磁场的作用，回旋速。
(2) 回旋加速器是利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在的范围内来获得的装置。
(3)为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个电压，产生交变电场的频率跟粒子运动的频率。
⑷带电粒子获得的最大能量与D形盒有关。
【典型例题】一、带电粒子在匀强磁场中的运动【例1】电子、质子、氘核、氚核以同样的速度垂直射入同一匀强磁场Array做匀速圆周运动，其中轨道半径最大的是（）A．电子 B．质子 C．氘核 D．氚核二、带电粒子做圆周运动的分析方法【例2】如图1所示，一束电子（电量为e)以速度V垂直射入磁感应强度为B、宽度为d 的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为300。
求 : (1) 电子的质量m= (2) 电子在磁场中的运动时间t=【例3】如图2所示，在半径为R 的圆的范围内，有匀强磁场，方向垂直圆所在平面向里．一带负电的质量为m电量为q粒子，从A点沿半径AO的方向射入，并从C点射出磁场．∠AOC＝120o．则此粒子在磁场中运行的时间t＝__________．(不计重力)．三、质谱仪【例4】如图3所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场。
高二物理《回旋加速器》教案.doc
- 1 -一、引入新课［师］在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律.怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢？这就要用到一种叫加速器的实验设备.同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏.［生］加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？［师］这就是今天我们要学习的课题.让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧！［生］根据动能定理带电粒子获得的动能E k=21mv2=qU. ［师］回答正确.由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法？［生］带电粒子一定，即q、m一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差.［师］但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏.我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢？［生甲］我想是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们. ［师］根据学生回答，投影出示图.大家认为这种设想有道理吗？［生乙］我认为有道理.这样一来，每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到E k=nqU,只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量.［师］说得对.采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗？- 2 -［生丙］这个方案不可能获得高能量的带电粒子！［师］你发现什么问题了吗？［生丙］从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用.［师］丙同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢？［生］…［师］（进一步启发）请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？［生］采用静电屏蔽.［师］对.我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示.这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响.［师］再让我们讨论一下电源.为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压，将左上图改画成右上图所示.如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A正B负，你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗？［生］不可能.因为按这样的极性，带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽.［师］说得很对.我们有什么方法可解决这个矛盾呢？［生］如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了.［师］好主意！你能对照右上图具体说明一下这“及时”的含义吗？［生］设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速.同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性… ［师］分析正确.可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在.那么，如何做到这一点呢？如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗？［生甲］不能满足.因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它每次穿越的时间就会越来越短.如要保证同步，电源频率应该越来越高才行. ［师］谁还有不同的见解呢？［生乙］我认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了.［师］甲、乙两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件.在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案.很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度.那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢？这个问题稍微复杂一点，有兴趣的同- 3 -学在课后可以继续讨论.通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出了一台加速器的雏形了，这样的加速器我们把它称之什么加速器呢？［生］直线加速器.［师］北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长200多米的直线加速器.这类加速器固然有其优点，但它的设备一字儿排开，往往很长.于是，我们自然会想到：能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢？［生］展开激烈的讨论.［师］如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还能再次返回，那就好了.用什么方法才能使粒子自动返回呢？［生］外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速.［师］好，这的确是个巧妙的设想.这也正是我们要讨论的第二种加速器——回旋加速器. 2.回旋加速器［师］投影出示图，如左下图所示.设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率v0垂直进入匀强磁场中.如果它在电场和磁场的协同配合下，不断地得到加速，你能大致画出粒子的运动轨迹吗？请每位同学都动手试试.［生］作图.［师］巡回指导，并请一位同学把画出的轨迹投影在屏幕上，如右上图所示. ［师］同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了.请同学们思考以下几个问题：［问题1］从画出的轨迹看，是一条半径越来越大的许多半圆连成的曲线，这是什么缘故？［生］根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r=qBmv，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此半径也相应增大.［问题2］为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？［生］要采用交变电源，且必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步.具体地说，正粒子以速度v0进入磁场，当它运动半周后到达A1时，电源极性应是“A正A′负”，粒子被电场加速，速度从v0增加到v1.然后粒子继续在磁场中运动半周，当它到达A2′时，电源极性又及时地变为“A负A′正”，使粒子再次加速，速率从v1增加到v2… ［师］回答正确.从刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确，同时它们又配合默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件.［问题3］随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？［生］不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T=qBm?2，与运动速率无关.［师］说得对.对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的.有了这一条，我们就可免去随时调整电源频率以求同步的麻烦，为回旋加速提供了极大的便利.早- 4 -在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了回旋加速器，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理学奖.［问题4］观察挂图，回旋加速器主要由哪几部分构成？［生］D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等.［问题5］两个空心的D形金属盒是它的核心部分，同学们能说出它的作用吗？［生甲］这两个D形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场. ［师］谁还有补充吗？［生乙］它还起到静电屏蔽的作用，使带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动.［问题6］两个D形盒之间的缝宽些行不行？［生］如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略.而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也随之变化，这就破坏了同步条件.如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦. ［师］说得很对.看来同学们对回旋加速器的原理和结构已有一定的了解. ［问题7］带电粒子的最高能量与哪些因素有关？［生甲］与加速电场的电压有关.由公式E k=qU可知，电压值大了，粒子获得的能量也大. ［生乙］与D形盒的半径有关.D形盒的半径越大，粒子回旋加速的次数就越多，粒子具有的能量也越大.［生丙］与磁场的磁感应强度有关.根据公式R=qBmv可知，B值越大，粒子回旋半径越小，回旋加速的次数就越多，从而获得更大的能量.［师］同学们能发表不同的见解，这很好.究竟谁是谁非呢？在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带电粒子能达到的最大速率为v m=mBqr，则相应的最高能量为E m=21mv m2=mrqB2222.这就告诉我们，对于给定的带电粒子来说，它所能获得的最高能量与D形电极半径的平方成正比，与磁感应强度的平方成正比，而与加速电压无直接关系.讲到这里，有的同学可能会想，如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们不就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？实际并非如此.例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到20兆电子伏.这是因为粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件.为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们还设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器等等.这些加速器可以把带电粒子加速到几十亿电子伏以上.目前世界上最大的质子同步加速器，能使质子的能量达到1 000 GeV.我国1989年初投入运行的高能粒子加速器——北京正负电子对撞机，能使电子束流的能量达到2.8+2.8 GeV.三、小结通过本节课学习，主要学习了以下几个问题：1.直线性加速器的加速原理E k=nqU.2.回旋加速器的主要构造：D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置.3.回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同.- 5 -4.在回旋加速器中，带电粒子的最高能量E m=mrqB2222，在带电粒子一定的条件下，E m决定于D形盒的最大半径和磁感应强度.。
统编人教版物理高中选修第二册《4 质谱仪与回旋加速器》优秀教案教学设计
质谱仪与回旋加速器【教学目标】1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。
2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
【教学重点】知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。
【教学难点】知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
【教学过程】一、复习导入1．实例：如图所示为一具有圆形边界、半径为r 的匀强磁场，磁感应强度大小为B ，一个初速度大小为v 0的带电粒子（质量为m ，电荷量为q ）沿该磁场的直径方向从P 点射入，在洛伦兹力的作用下从Q 点离开磁场。
（1）可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过圆心。
（2）设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tan θ2＝r/R ＝qBrmv 0 可见，对于一定的带电粒子（m ，q 一定），可以通过调节B 和v 0的大小来控制粒子的偏转角度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大小。
二、新课教学（一）质谱仪1．质谱仪的结构原理质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪。
（1）离子发生器：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计；（2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出；（3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出；（4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，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）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。
带电粒子在匀强磁场中的运动教案
带电粒子在匀强磁场中的运动教案带电粒子在匀强磁场中的运动教案1带电粒子在磁场中的圆周运动历来都是高考考查的重要内容!该课程的内容包括两部分：一、带电粒子在匀强磁场中的运动。
二、带电粒子在匀强磁场中的运动的实际应用———质谱仪和回旋加速器。
具体的教学目标是：①知道带电粒子垂直匀强磁场的运动轨迹是个圆，知道其半径与粒子的速度和磁感应强度有关。
②能从理论上分析带电粒子垂直于匀强磁场运动是匀速圆周运动，能推导做圆周运动的半径和周期公式。
③了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
由于前两部分内容都是教学的重点。
并且本节内容和以前的力学知识紧密结合，综合性较强，构成教学的难点。
在本节课的落实上，我采用了具体如下的实施。
1. 针对学生基础比较薄弱的实际情况，以复习洛伦兹力的大小和方向判断作为引子，引入新课，提出：“带电粒子在匀强磁场中将做什么运动?”。
从易到难，为学生学习本节课打基础、做铺垫。
其中在复习公式上，采用了学生上黑板板书的措施落实复习回顾。
2.有了必备的知识和方法作为基础，让学生先从力和运动的分析方法入手，结合课本与实验视频，让学生知道带电粒子垂直于磁场方向的运动轨迹是个圆，并且是匀速圆周运动，然后我指明带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的条件，进而让学生在教师的指点下能用学过的力学方法逐步的推导其运动半径和周期。
其中推导做圆周运动的半径和周期公式时，我让两名推导过程比较规范的学生上黑板板书与讲解的措施。
这样，既能锻炼讲解的学生的逻辑思维的能力和语言的表达能力，也能把学生之间的思维拉近，便于理解，之后通过相关的达标训练予以练习巩固;达到分解难点、消化重点的目的。
带电粒子在匀强磁场中的运动教案2教学目标知识目标1、理解带电粒子在匀强电场中的运动规律——只受电场力，带电粒子做匀变速运动.重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动——类平抛运动.2、知道示波管的构造和原理.能力目标1、渗透物理学方法的教育，让学生学习运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素的科学的研究方法.2、提高学生的分析推理能力.情感目标通过本节内容的学习，培养学生科学研究的意志品质.教学建议本节内容是电场一章中非常重要的知识点，里面涉及到电学与力学知识的综合运用，因此教师在讲解时，一是注意对力学知识的有效复习，以便于知识的迁移，另外，由于带电粒子在电场中的运动公式比较复杂，所以教学中需要注意使学生掌握解题的思维和方法，而不要一味的强调公式的记忆.在讲解时要渗透物理学方法的教育，让学生学习运用理想化方法、突出主要因素、忽略次要因素(忽略带电粒子的重力)的科学的研究方法.关于示波管的讲解，教材中介绍的非常详细，教师需要重点强调其工作原理，让学生理解加速和偏转问题——带电粒子在电场中加速偏转的实际应用.--示例第九节带电粒子在匀强电场中的运动1、带电粒子的加速教师讲解：这节课我们研究带电粒子在匀强电场中的运动，关于运动，在前面的学习中我们已经研究过了：物体在力的作用下，运动状态发生了改变，同样，对于电场中的带电粒子而言，受到电场力的作用，那么它的运动情况又是怎样的呢?带电粒子在电场中运动的过程中，电场力做的功大小为，带电粒子到达极板时动能，根据动能定理，，这个公式是利用能量关系得到的，不仅使用于匀强电场，而且适用于任何其它电场.分析课本113页的例题1.2、带电粒子的偏转根据能量的关系，我们可以得到带电粒子在任何电场中的运动的初末状态，下面，我们针对匀强电场具体研究一下带电粒子在电场中的运动情况.(教师出示图片)为了方便研究，我们选用匀强电场：平行两个带电极板之间的电场就是匀强电场.①若带电粒子在电场中所受合力为零时，即时，粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态.带电粒子处于静止状态，，，所受重力竖直向下，场强方向竖直向下，带电体带负电，所以所受电场力竖直向上.②若且与初速度方向在同一直线上，带电粒子将做加速或减速直线运动.(变速直线运动)A、打入正电荷，将做匀加速直线运动.B、打入负电荷，由于重力极小，可以忽略，电荷只受到电场力作用，将做匀减速直线运动.③若，且与初速度方向有夹角，带电粒子将做曲线运动.，合外力竖直向下，带电粒子做匀变速曲线运动.(如下图所示) 注意：若不计重力，初速度，带电粒子将在电场中做类平抛运动.复习：物体在只受重力的作用下，以一定水平速度抛出，物体的实际运动为这两种运动的合运动.水平方向上不受力作用，做匀速直线运动，竖直方向上只受重力，做初速度为零的自由落体运动.水平方向：竖直方向：与此相似，当忽略带电粒子的重力时，且，带电粒子在电场中将做类平抛运动.与平抛运动区别的只是在沿着电场方向上，带电粒子做加速度为的匀变速直线运动.例题讲解：已知，平行两个电极板间距为d，板长为l，初速度，板间电压为U，带电粒子质量为m，带电量为+q.分析带电粒子的运动情况：①粒子在与电场方向垂直的方向上做匀速直线运动，;在沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动，，称为侧移.若粒子能穿过电场，而不打在极板上，侧移量为多少呢?②射出时的末速度与初速度的夹角称为偏向角.③反向延长线与延长线的交点在处.证明：.注意：以上结论均适用于带电粒子能从电场中穿出的情况.如果带电粒子没有从电场中穿出，此时不再等于板长l，应根据情况进行分析.得到了带电粒子在匀强电场中的基本运动情况，下面，我们看看其实际的应用示例.3、示波管的原理：学生首先自己研究，对照例题，自学完成，教师可以通过放映有关示波器的视频资料加深学生对本节内容的理解.4、教师总结：教师讲解：本节内容是关于带电粒子在匀强电场中的运动情况，是电学和力学知识的综合，带电粒子在电场中的运动，常见的有加速、减速、偏转、圆运动等等，规律跟力学是相同的，只是在分析物体受力时，注意分析电场力，同时注意：为了方便问题的研究，对于微观粒子的电荷，因为重力非常小，我们可以忽略不计.对于示波管，实际就是带电粒子在电场中的加速偏转问题的实际应用.5、布置课后作业带电粒子在匀强磁场中的运动教案3一、教学目标(一)知识与技能1、理解洛伦兹力对粒子不做功.2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动.3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题. 知道质谱仪的工作原理。
带电粒子在匀强磁场中的运动教案
时间：星期：主备人：使用人：【教学主题】带电粒子在匀强磁场中的运动【教学目标】1.推倒出匀速圆周的半径公式和周期公式2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理【知识梳理】学习过程）1．带电粒子在匀强磁场中的运动(1)带电粒子的运动方向与磁场方向平行：做运动。
(2)带电粒子的运动方向与磁场方向垂直：粒子做运动且运动的轨迹平面与磁场方向。
轨道半径公式：周期公式：。
(3)带电粒子的运动方向与磁场方向成θ角：粒子在垂直于磁场方向作运动，在平行磁场方向作运动。
叠加后粒子作等距螺旋线运动。
2．质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的和分析的重要工具。
3．回旋加速器：(1)使带电粒子加速的方法有：经过多次直线加速；利用电场和磁场的作用，回旋速。
(2) 回旋加速器是利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在的范围内来获得的装置。
$(3)为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个电压，产生交变电场的频率跟粒子运动的频率。
⑷带电粒子获得的最大能量与D形盒有关。
【典型例题】一、带电粒子在匀强磁场中的运动【例1】电子、质子、氘核、氚核以同样的速度垂直射入同一匀强磁场!做匀速圆周运动，其中轨道半径最大的是（）A．电子B．质子C．氘核D．氚核二、带电粒子做圆周运动的分析方法【例2】如图1所示，一束电子（电量为e)以速度V垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为300。
求: (1) 电子的质量m= (2) 电子在磁场中的运动时间t=【例3】如图2所示，在半径为R 的圆的范围内，有匀强磁场，方向垂直圆所在平面向里．一带负电的质量为m电量为q粒子，从A点沿半径AO的方向射入，并从C点射出磁场．∠AOC＝120o．则此粒子在磁场中运行的时间t＝__________．(不计重力)．、三、质谱仪【例4】如图3所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场。
回旋加速器教学设计
回旋加速器教学设计第一篇：回旋加速器教学设计3.6教学设计——回旋加速器人教版选修3-1 第三章第6节一、教材分析本节教材是从学生已经学过的知识入手，先简单介绍直线加速器的设想，提出不足，进而引出回旋加速器，分析其工作原理，并简单介绍回旋加速器的结构。
通过对比多级直线加速器和回旋加速器的优缺点，显示科学发展的规律和发展的方向，引导学生思维，开阔学生思路，强化学生探索意识，激发学生学习兴趣。
二、学情分析学生对电场和磁场的相关知识有了一定的了解，能够通过自己的分析探索带电粒子的加速原理，进而得到回旋加速器的基本构造。
根据本节课内容特点和学生现状，采取探究学习的方法，锻炼学生的探索创新能力、分析解决问题能力，升华情感态度和价值观。
具体教学策略是首先提出实际问题，激发学生的学习兴趣，引导学生分析问题，激发学生的思维，结合所学知识提出解决问题的方案，最后达到解决问题的目的，让学生体验成功的喜悦，树立科学探索精神。
三、教学目标 1.知识与技能a.知道回旋加速器的基本构造和加速原理。
b.知道加速器的基本用途；c.通过情景设置, 培养学分析实际问题、解决实际问题的能力；d.通过师生、生生思维碰撞, 开阔学生, 思维锻炼学生的创新意识.2.过程与方法通过问题提出，结合所学知识，引导学生探究，最后达到知道加速器的基本结构和加速原理的教学目的，让学生体会研究、设计新仪器的思路。
3.情感态度和价值观a.介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机, 培养民族自豪感, 激发学生的学习兴趣；b.体验探究乐趣, 激发创新意识。
四、教学重难点教学重点: 回旋加速器的构造和加速原理；教学难点: 交变电压的周期和粒子的运动周期相同。
五、教学方法预习检测、教师引导、课堂交流讨论六、教学过程预习任务回顾：1.阅读课本101页至102页回旋加速器相关内容；2.完成《新新学案》大册子87页预习内容填空。
一、预习情况交流：1.为什么要对带电微粒进行加速？答：认识原子核内部结构的需要，加速粒子充当“炮弹”；追问：原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，为什么质子和质子之间没有因为斥力而解散呢？目的：引导学生回答出强相互作用，并复习四种基本相互作用。
《带电粒子在匀强磁场中运动》教学设计
《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计因为本节内容较多，因此分成两节课来上，本节课学习带电粒子在匀强磁场中的运动规律及回旋加速器的原理。
一、教学目标（一）知识与技能1、知道带电粒子初速度与磁场垂直时，粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动；2、知道带电粒子在匀强磁场中作圆周运动时，向心力的来源、半径公式和周期公式的推导；3、了解回旋加速器的原理、粒子的最大速度的决定因素。
（二）过程与方法1、培养观察能力；2、培养学生推理能力和逻辑思维能力。
（三）情感、态度与价值观1、培养科研精神；2、培养爱国热情和为祖国科学献身的精神。
二、教学重点1、带电粒子在匀强磁场中运动的规律；2、回旋加速器中粒子获得最大速度的推导。
三、教学难点1、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的原因。
2、回旋加速器中粒子获得的最大速度与加速电压无关。
四、教学方法讲授、讨论、实验演示、计算机辅助五、教学过程（一）复习洛伦兹力的有关知识：1、洛伦兹力是运动电荷在磁场中所受的作用力；2、当带电粒子速度方向与磁场方向平行时，粒子不受磁场力作用；，3、当带电粒子速度方向与磁场方向垂直时，粒子受到磁场作用力大小为f qvB方向由左手定则判定；4、洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向，不改变粒子速度大小，对粒子不做功。
（二）观看回旋加速器和高速粒子应用的视频，引入带电粒子在磁场中的运动在生产生活中的应用。
（三）介绍洛伦兹力演示器的结构，并演示电子初速度与磁场垂直时，电子在磁场中作圆周运动，学生填好导学案上对应的表格。
（四）学生根据记录的内容，分组讨论以下问题：二、思考与讨论1、电子在匀强磁场中做匀速圆周运动还是变速圆周运动？为什么？2、若电子质量为m，带电量为e，进入磁场时初速度大小为v，匀强磁场磁感应强度大小为B，试推导电子在匀强磁场中做圆周运动的轨道半径公式和周期公式。
（五）小组代表上台交流，得出结果1、电子在匀强磁场中运动时，如果初速度方向与磁场方向垂直且只受洛伦兹力作用，则其做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力提供。
关于回旋加速器一课的教学设计与反思.
关于回旋加速器一课的教学设计与反思一、教材分析本节课既联系了高一的圆周运动的知识，又承接了带电粒子在电场中加速和在磁场中偏转的运动规律，综合应用以上理论知识对直线加速器和回旋加速器的工作原理进行分析，并对其发明历史背景和应用做了一定的介绍和阐述。
二、学生分析回旋加速器是一种高科技仪器，学生对其原理和应用的的掌握充满期待，且学生对电场和磁场对带电粒子的作用已经有所了解和掌握，由于学生为我校普通班学生，故本节课主要目的是培养学生对物理学习的兴趣和对科学的向往．三、教学目标1．知识与技能①知道回旋加速器的基本构造和加速原理．②了解加速器的基本用途．③通过演示教学培养学对比、类比和综合分析问题的能力2．过程与方法①通过本节教学，使学生能由直线加速器的工作原理逐步迁移到回旋加速器．②通过多媒体展示和教具演示，使学生能够在轻松愉快的环境中直观形象地接受知识．③通过设置的问题，引爆学生思维，展开讨论，在此过程中升华学生的知识和思维．④通过回旋加速器的应用讲解，让学生初步了解现代科技，并在此基础上培养学生的学习兴趣和对科技的憧憬．3．情感、态度和价值观①通过介绍我国的四台加速器和世界最大的加速器，培养民族自豪感和对科学的向往．②通过讲解加速器的工作原理，培养学生分析问题、解决问题的科学严谨的态度．③通过介绍加速器应用，培养学生学习科学，使用科技来解决社会现实问题的态度，并初步形成对社会的责任感，激发同学们学习科学报效祖国的热情．四、重点难点疑点1、重点回旋加速器的加速原理．2、难点①加速电场的平行极板接的是交变电压，且它的周期和粒子的运动周期相同．②两种计算回旋加速器加速后粒子最大动能的表达式的区别与联系．3、疑点直线加速器和回旋加速器哪个更重要．五、教学用具弓箭玩具枪多媒体课件六、教学过程设计教学过程：教师先由宏观“炮弹”的发射介绍引入微观“炮弹”—带电粒子的发射装置加速器；由电场和磁场对带电粒子的作用入手引出直线加速器；由直线加速器遇到的困难再引出回旋加速器；接着重点讲解回旋加速器的工作原理及其相关的一些重要重要知识点；最后介绍加速器应用中的三个方面，从而提升学生的学习兴趣和对科学的向往。
《回旋加速器》教学设计
《回旋加速器》教学设计大港一中魏新歌一、教材分析“回旋加速器”是《磁场》一章中“带电粒子在电磁场中运动规律”的典型应用，这部分知识也是高考中的重点和难点。
而且，回旋加速器作为一种高科技的实验设备，学生往往对其怀有浓厚的学习兴趣，有意识的让学生到当今科学的前沿“圣地”去涉足一番，也将有助于他们开阔视野，培养志趣。
二、教学目标知识与技能：了解回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理，并能解决粒子在电磁场中运动的相关问题。
过程与方法：学生通过体验自主设计回旋加速器的过程，提高学生应用物理知识分析、解决实际问题的能力。
情感态度与价值观：在学生自主设计回旋加速器的过程中，体验成功的乐趣，激发学生的思维状态，培养学生的创新意识；并通过介绍我国在高能粒子研究领域的成就，增强学生的民族自豪感、培养学生的爱国热情。
三、教学重难点1、重点：了解回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理。
2、难点：利用物理知识逐步探究设计回旋加速器的过程。
四、教学方法新课程标准把探究式学习提到了学习方式的核心地位高度，但如何在教学中实现这种转变是能否落实这一课程理念的重要问题。
本节课教材的编写是平铺直叙的介绍回旋加速器的原理和结构，回旋加速器虽然是一种高科技的实验设备，但其原理和结构并不复杂，学生完全有能力在老师的引导下，自主探究设计出回旋加速器模型。
因此本节课采用问题探究式教学法。
让学生从所学的电磁场知识出发，以探究设计高能粒子加速器为目标，辅之以一系列环环相扣的问题，引导学生在不断的提出问题和解决问题的过程中“设计出”回旋加速器。
这样处理，可以使学生在学习过程中成为学习的主体，从而对回旋加速器的原理和结构的理解将更加深刻，而且理论分析能力和探究能力将同时得以训练和培养；在学生探究过程中，教师以适当的的问题进行点拨和引导，帮助学生突破思维障碍，从而突破教学难点。
本节课的教学过程设计如下：五、教学过程设计。
【物理】高二物理回旋加速器教案
【关键字】物理江苏省苏州市蓝缨学校高二物理《回旋加速器》教案一、引入新课［师］在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律.怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢？这就要用到一种叫加速器的实验设备.同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏.［生］加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？［师］这就是今天我们要学习的课题.让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧！［生］根据动能定理带电粒子获得的动能Ek=mv2=qU.［师］回答正确.由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法？［生］带电粒子一定，即q、m一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差.［师］但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏.我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢？［生甲］我想是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们.［师］根据学生回答，投影出示图.大家认为这种设想有道理吗？［生乙］我认为有道理.这样一来，每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到Ek=nqU,只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量.［师］说得对.采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗？［生丙］这个方案不可能获得高能量的带电粒子！［师］你发现什么问题了吗？［生丙］从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用.［师］丙同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢？［生］…［师］（进一步启发）请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？［生］采用静电屏蔽.［师］对.我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示.这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响.［师］再让我们讨论一下电源.为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压，将左上图改画成右上图所示.如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A正B负，你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗？［生］不可能.因为按这样的极性，带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽.［师］说得很对.我们有什么方法可解决这个矛盾呢？［生］如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了.［师］好主意！你能对照右上图具体说明一下这“及时”的含义吗？［生］设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆筒即将加入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速.同理，当它穿过第二只圆筒刚要加入第三级电场时，电源又及时地改变极性…［师］分析正确.可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在.那么，如何做到这一点呢？如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗？［生甲］不能满足.因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它每次穿越的时间就会越来越短.如要保证同步，电源频率应该越来越高才行.［师］谁还有不同的见解呢？［生乙］我认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了.［师］甲、乙两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件.在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案.很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度.那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢？这个问题稍微复杂一点，有兴趣的同学在课后可以继续讨论.通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出了一台加速器的雏形了，这样的加速器我们把它称之什么加速器呢？［生］直线加速器.［师］北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长200多米的直线加速器.这类加速器固然有其优点，但它的设备一字儿排开，往往很长.于是，我们自然会想到：能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢？［生］展开激烈的讨论.［师］如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还能再次返回，那就好了.用什么方法才能使粒子自动返回呢？［生］外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速.［师］好，这的确是个巧妙的设想.这也正是我们要讨论的第二种加速器——回旋加速器.2.回旋加速器［师］投影出示图，如左下图所示.设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率v0垂直加入匀强磁场中.如果它在电场和磁场的协同配合下，不断地得到加速，你能大致画出粒子的运动轨迹吗？请每位同学都动手试试.［生］作图.［师］巡回指导，并请一位同学把画出的轨迹投影在屏幕上，如右上图所示.［师］同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了.请同学们思考以下几个问题：［问题1］从画出的轨迹看，是一条半径越来越大的许多半圆连成的曲线，这是什么缘故？［生］根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r=，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此半径也相应增大.［问题2］为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？［生］要采用交变电源，且必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步.具体地说，正粒子以速度v0加入磁场，当它运动半周后到达A1时，电源极性应是“A 正A′负”，粒子被电场加速，速度从v0增加到v1.然后粒子继续在磁场中运动半周，当它到达A2′时，电源极性又及时地变为“A 负A ′正”，使粒子再次加速，速率从v1增加到v2…［师］回答正确.从刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确，同时它们又配合默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件.［问题3］随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？［生］不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T =qBm 2，与运动速率无关. ［师］说得对.对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的.有了这一条，我们就可免去随时调整电源频率以求同步的麻烦，为回旋加速提供了极大的便利.早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了回旋加速器，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理学奖.［问题4］观察挂图，回旋加速器主要由哪几部分构成？［生］D 形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等.［问题5］两个空心的D 形金属盒是它的核心部分，同学们能说出它的作用吗？［生甲］这两个D 形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场.［师］谁还有补充吗？［生乙］它还起到静电屏蔽的作用，使带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动.［问题6］两个D 形盒之间的缝宽些行不行？［生］如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略.而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也随之变化，这就破坏了同步条件.如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦.［师］说得很对.看来同学们对回旋加速器的原理和结构已有一定的了解.［问题7］带电粒子的最高能量与哪些因素有关？［生甲］与加速电场的电压有关.由公式E k =qU 可知，电压值大了，粒子获得的能量也大. ［生乙］与D 形盒的半径有关.D 形盒的半径越大，粒子回旋加速的次数就越多，粒子具有的能量也越大.［生丙］与磁场的磁感应强度有关.根据公式R =qBmv 可知，B 值越大，粒子回旋半径越小，回旋加速的次数就越多，从而获得更大的能量.［师］同学们能发表不同的见解，这很好.究竟谁是谁非呢？在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带电粒子能达到的最大速率为v m =mBqr ，则相应的最高能量为E m =21mv m 2=m r q B 2222.这就告诉我们，对于给定的带电粒子来说，它所能获得的最高能量与D 形电极半径的平方成正比，与磁感应强度的平方成正比，而与加速电压无直接关系.讲到这里，有的同学可能会想，如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D 形盒半径，我们不就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？实际并非如此.例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到20兆电子伏.这是因为粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件.为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们还设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器等等.这些加速器可以把带电粒子加速到几十亿电子伏以上.目前世界上最大的质子同步加速器，能使质子的能量达到 1 000 GeV.我国1989年初投入运行的高能粒子加速器——北京正负电子对撞机，能使电子束流的能量达到2.8+2.8 GeV.三、小结通过本节课学习，主要学习了以下几个问题：1.直线性加速器的加速原理E k =nqU .2.回旋加速器的主要构造：D 形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置.3.回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同.4.在回旋加速器中，带电粒子的最高能量E m =mr q B 2222，在带电粒子一定的条件下，E m 决定于D 形盒的最大半径和磁感应强度.此文档是由网络收集并进行重新排版整理.word 可编辑版本！。
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《回旋加速器》教学设计
【设计思想】
本节课“回旋加速器”是带电粒子在电场和磁场中运动的一个具体的综合实例。
本节课的主要任务在于提高学生应用所学知识分析解决问题的能力，并在应用过程中加深对电场和洛仑兹力的理解，同时体会科学研究的方法和思想。
因此，本节课采用问题引导的方式，充分调动学生进行分析讨论，让学生如同身临其境地“参与”加速器的“设计”和“改进”，这样能更好地让学生体验并深入理解回旋加速器的设计原理和结构、用途。
【教学目标】
1．了解回旋加速器的基本结构，理解回旋加速器的设计原理
2．理解回旋加速器加速带电粒子的特点
3．通过回旋加速器的设计过程，加深对磁场和电场特点的认识
4．经历回旋加速器的设计过程，体会科学研究的方法和思想
【教学重点】
回旋加速器对带电粒子的加速原理及特点
【教学难点】
1．加速电场与带电粒子运动周期的同步关系
2．带电粒子最大动能和最大速度的影响因素
【教学过程】
一、引入
1．类比情景导入
出示一个核桃，如果需要知道它内部是怎样的，需要怎么做？
（打开看个究竟，用锤砸开）
2．课题引入
科学研究也是如此，对于原子核，要深入研究或者让原子核发生反应，也必须用“炮弹”把它轰开。
这样的“炮弹”需要用高能粒子来充当，通常为质子、电子、中子、氦核等。
首先需要解决的问题是，如何获得高能粒子。
二、加速器的实现和改进
1．加速原理
如何获得高能粒子呢？对于带电粒子来说很容易想到办法，让带电粒子加速。
（带电粒子在电场中加速）
带电粒子经过电场加速后，能够获得多大的能量？怎样使这个能量高一些？（ΔE K=qU，提高能量，可以提高加速电压）
当初科学家也是这么想的，进行了许多尝试去获得高电压，采用多级变压器，静电发生器等。
但产生高压要受到许多限制，那个年代大概只能到几十万伏，不足以得到所需的高能粒子。
必须考虑其它的办法。
2．加速器的改进
科学家们希望能够利用较低的电压，把粒子加速到高能量。
（多级加速）
多级加速思想如何实现？画出示意图，解释原理。
根据示意图，提出问题，两个加速电场之间会产生一个减速，如何解决这个问题？（引导学生考虑静电屏蔽的方法）
根据学生解释的原理，介绍直线加速器，简单说明真实的直线加速器的实现（采用交流电提供电压，各屏蔽筒长度不等）
出示直线加速器图片（北京正负电子对撞机注入器），全长204米。
是否占据太大空间？
三、回旋加速器的设计及结构
1．设计思想
能否进行改进，节省空间？
（在同一个加速电场中反复加速）
引导学生讨论，总结得到设计方法：利用电场加速，磁场控制轨道。
2．设计思想的实现——原理
画出电场、磁场示意图，请学生思考讨论，具体应该如何实现，带电粒子如何被反复加速，大致轨道是什么样的。
请学生自己尝试画出带电粒子的运动轨迹。
引导学生思考回答，同时在黑板上分析粒子在回旋加速器中加速的原理，逐步分析每一阶段带电粒子的速度、受力、轨道半径（用半径公式分析）。
要使带电粒子在经过电场时始终加速，加速电压的正负极有何要求？
讨论加速电压的变化问题，明确加速电压应与粒子运动相配合。
讨论加速电压周期和粒子圆周运动周期的关系，并讨论粒子圆周运动周期的特点。
（通过讨论，最终得到加速电压周期与粒子圆周运动周期相同（同步条件），并且不随速度增大而改变。
）
3．回旋加速器的结构
引导学生讨论：电场、磁场如何提供？粒子在磁场中运动时装置对电场的屏蔽？粒子加速后从何处引出？
介绍D形盒的巧妙之处：作为电极在缝隙间形成加速电场；中空D形盒给粒子运动提供空间；D形盒内部可屏蔽电场；用不易被磁化的铜材料制作。
再介绍回旋加速器各个部分及作用（D形盒、交流电源、真空装置、强电磁铁、粒子源、引出装置）。
四、带电粒子在回旋加速器中运动的讨论
1．带电粒子最终能量的影响因素
叙述带电粒子在回旋加速器中的运动过程：带电粒子从中心处的粒子源出发，进入电场加速，再进入磁场做半个周期的圆周运动，回到已变换方向的电场再次加速，再进入磁场做半径更大的圆周运动，如此反复，直到粒子贴近D形盒盒壁，半径达到最大值时被引出以供使用。
提出问题，让学生思考：如果要使加速后的粒子获得更大的能量，可以采取哪些措施？
（引导学生讨论，首先让学生明确最终能量即粒子被引出加速器时刻的能量。
充分利用学生之间的不同意见，让学生最终通过自己的讨论得到影响因素：D形盒半径、磁感应强度B。
并且通过学生的争论，明确加速电压U只影响单次加速粒子的能量增量，同时加速次数会减少，对最终能量没有影响。
讨论过程中，得到最大能量的表达式。
）
在核物理研究中，为了进行更深入的研究，需要更高能量的粒子去轰击原子核，因此回旋加速器不断地改进，得到的粒子能量也不断提高。
从4.5吋、9吋、11吋、27吋、36吋，到60吋（1吋=2.54厘米），质子加速后能量可以达到几十兆电子伏特。
27吋回旋加速器所用电磁铁芯75吨，励磁线圈铜线8吨。
非常庞大复杂的工程。
2．回旋加速器的制约因素与加速器的改进
在建造更大的回旋加速器时，在基本原理上出现了问题，粒子运动周期不再稳定，同步条件被破坏。
请学生猜想分析原因。
（粒子能量很高时，速度很大，必须考虑相对论效应，粒子质量随速度增大而增大，回转周期发生变化）
若使电子和氘核具有相同能量，由于电子质量远小于氘核，其速度就应远大于氘核，它将很快收到上述相对论效应的限制。
因而回旋加速器一般用来加速较大质量的粒子，不用以加速电子。
加速电子可用“电子感应加速器”。
要得到更大能量的粒子，需要采用同步稳相原理，建造同步加速器。
并且，再看直线加速器并不存在这个问题，可以把直线加速器做得非常大，几公里甚至几十公里的长度。
3．带电粒子在回旋加速器中的半径和运动时间的定量讨论
请课后思考：
（1）前面考虑过带电粒子在磁场中运动时，半径不断增大，相邻轨道间距离是相等的吗？两相邻轨道半径大小有什么关系呢？
（不等距，）
（2）我们清楚了带电粒子在回旋加速器中的运动过程，那如果需要你计算带电粒子在回旋加速器中运动的总时间，应该怎样考虑这个问题？
（分别考虑磁场和电场中的运动时间。
磁场中运动时，考虑运动了多少圈；电场中运动时，考虑速度从0加速到最大速度的全过程）
五、总结
1．本节课的主要内容是回旋加速器，经历了加速器的整个设计改进过程。
2．本节课的几个重点：回旋加速器的基本设计思想（电场加速、磁场控制轨道）；交变电压周期与粒子回旋周期相同；粒子加速后的最大能量与最大半径和磁场强弱有关，与加速电压无关。
3．带电粒子在电场和磁场中运动的特点比较。
【板书设计】。