高二物理《回旋加速器》教案.doc
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。
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。
高二物理《回旋加速器》教案
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E k =21mv 2=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？［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v 0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v 0进入磁场，当它运动半周后到达A 1时，电源极性应是“A 正A ′负”，粒子被电场加速，速度从v 0增加到v 1.然后粒子继续在磁场中运动半周，当它到达A 2′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v 1增加到v 2…［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=m rq B22 22，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.。
回旋加速器教案
回旋加速器棠湖中学王若彬教学目标：1.通过小组合作学习理解直线加速器的构造及原理。
了解直线加速器的优缺点。
2.通过小组合作学习理解回旋加速器的构造及原理。
并会计算交流电源的周期和带电粒子所能达到的最大速度及最大动能。
3.通过学习，让学生体会团队合作的重要性，并让学生养成勤于动手，勤于动脑的好习惯。
教学重点：回旋加速器所加交流电源的周期，及带电粒子所能达到的最大速度及最大动能。
教学难点：回旋加速器所加交流电源的周期，及带电粒子所能达到的最大速度及最大动能。
教学方法：学生小组合作解决问题，教师总结归纳。
教学过程：一．新课引入教师：提问：1. 为什么我们要制造粒子加速器？2. 常见的粒子加速器种类有哪些？这两个问题布置同学们课前上网查阅资料，并制成PPT，选一个小组代表上来为同学们展示成果。
教师：从同学们展示的PPT中，我们知道了粒子加速器的作用，也见识了形形色色的粒子加速器，那同学们想要了解这些粒子加速器的构造及原理吗？学生：想~~~教师：那好，我们今天就来研究这个问题。
下面请同学们完成学案上课前预习的几个问题。
二．完成课前预习问题，并展示。
课前预习1 如图所示，已知带电粒子质量为m，电荷量为q，两极板间的电压为U，粒子进入极板的初速度忽略不计，求粒子出射时的速度v？思考：由公式可知，对同种带电粒子（m,q相同），当越大，v越大2 当带电粒子垂直进入磁场时，粒子做运动。
由= 可得R=由公式可知，对同种带电粒子（m,q相同），当增大，R增大。
由= 可得T=由公式可知，带电粒子在磁场中运动周期和，，有关，与，无关。
3 洛伦兹力只改变速度的 ，不改变速度的 。
所以要对带电粒子加速只有 。
三． 课中小组合作学习1. 直线加速器教师：由预习可知，要对带电粒子加速，只有电场，而对同一带电粒子，要让它获得更高的速度，只有提高两极板间的电压，但是电压可以无限增大么？答案是否定的，为什么？学生回答。
教师：那同学们想个办法来解决一下这个问题，怎么做？学生：多级加速。
高二物理选修3-1《回旋加速器》教学设计
高二物理选修3-1《回旋加速器》教学设计教学目标一、知识目标：1．知道回旋加速器的基本构造和加速原理。
2．知道加速器的基本用途。
二、能力目标：通过学生对回旋加速器设计思想的讨论和原理图的构想的讨论，开发学生的思维能力和创新能力。
三、德育目标：通过对回旋加速器又一个科研成果在技术中应用的典型事例的学习，使学生更进一步认识到科学研究在推动人类技术进步中的重要作用。
重难点分析1.简单介绍直线加速器的构造、原理和问题。
教材中图16－29是直线加速器的示意图，粒子在每一级“＋〞、“－〞间被加速，在各级之间有金属圆筒容纳粒子进行匀速运动。
由于粒子的速度越来越大，在相同的时间里所运动的路程越来越大，容纳粒子运动的金属圆筒也要越来越长。
假设干个圆筒排列下来，加速装置所需的长度很大，技术上不好解决。
2.保留多级加速的设想，把原来粒子在金属圆筒中的匀速直线运动改变为匀速圆周运动，是回旋加速器的基本思路。
由于运动电荷在磁场中做匀速圆周运动，可以在粒子运动的平面上加上垂直的匀强磁场，是粒子在这个平面上做匀速圆周运动。
由与半径与速度成正比，随着粒子运动速度的增加，粒子的运动半径也增加。
由于粒子做匀速圆周运动的周期与速度无关，保证了粒子在两级加速之间运动的时间相等。
(配用课件：回旋加速器原理)3.本节从知识上已经运用了带电粒子在电场中被加速，在磁场做匀速圆周运动。
首先可以把带电粒子在电场中和在磁场中的受力情况、运动情况进行对比。
并做一些相应的练习。
做抛物线运动电荷速度大小、方向都改变课题引入1.提出问题：在现代科学技术中，为了得到高能量的粒子，怎样使它们的速度增加上去？回答是利用电场加速，Uq＝△E k。
2.由于设备问题，很难得到很高的电压，因此必须象接力赛一样，一级一级的逐渐的加速，这就是直线加速器。
由于直线加速器占地很大，人们想到利用磁场的偏转作用，让粒子回旋，引出了回旋加速器。
教具：计算机多媒体课件学法引导1、教师通过复习提问法导入，创设物理情境启发学生思考讨论，总结规律．2、学生复习电场知识，积极思考想象，在教师指导下推导，总结回旋加速器的工作原理和规律．师生互动活动设计教师先复习提问电场知识导入，通过设问让学生思考想象出回旋加速器原理，在教师指导下，学生分析、讨论、总结规律，再通过例题讲解加深理解．课外组织学生讨论粒子运动半径不变的加速器原理．新课教学：●引入新课在现代物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要能量很高的带电粒子去轰击原子核，为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设计一个能给带电粒子加速的装置——加速器．[板书]第六节回旋加速器●进行新课教师提出问题：问题：1．用什么方法可把带电粒子加速？学生回答：利用加速电场给带电粒子加速．[板书]由动能定理W=ΔE k采取什么方法？问题3．实际所加的电压，能不能使带电子达到所需要的能量？(不能)怎么办？[板书]多极加速投影qU=qU1＋qU2＋…＋qU n=q(U1＋U2＋U3＋…＋U n)分析：方法可行，但所占的空间X围大，能不能在较小的X围内实现多级加速呢？1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器解决了这一问题．[板书]回旋加速器1．构造：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的．2．工作原理：(1)磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时，只在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期和速率与半径无关．使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后，平行于电场方向进入电场中加速．(2)电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场，加速就是在这个区域完成的．(3)交变电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能提问：①在加速区有没有磁场？对带电粒子加速有没有影响？②粒子所能获得的最大速度与什么因素有关？可见：带电粒子获得的最大能量与D形盒半径有关．●巩固练习有一回旋加速器，它的交变电压的频率为1.2×106Hz，半圆形电极的半径为0.53m，加速氘核所需的磁场的磁感应强度要多大？氘核的最大动能是多大？(氘核的质量为3.3×10-27kg，电量为1.6×10-19C)●参考题1．质量为m，带电量为q的带电粒子在回旋加速器中间AO处由静止释放，经AO′AO处的电场加速后进入感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，设电场的加速电压为U，那么粒子第一次做匀速圆周运动的轨道半径r0=________，周期T=________．2．在回旋加速器中，如果两个D形盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请说明理由，并在图中感性画出粒子的运动轨迹(至少画两个周期)．●说明回旋加速器是现代高能物理所需的重要的仪器，为进一步研究物质微观结构做出了贡献．但它也有不利的一面，因为在粒子能量很高的情况下，它运动的速度接近光速，按照爱因斯坦的狭义相对论，这时粒子的质量也将发生变化，从而影响粒子在磁场中回旋一周的时间发生变化，又使电场的频率不再跟粒子运动的频率一致，这也就破坏了加速器的工作条件，因此要进一步提高粒子的能量就必须采取其它的加速方法，希望学生掌握好现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器．●例题分析回旋加速器的磁场为1.5T，加速器的最大回旋半径为0.50m。
高中物理质子回旋加速器的原理教案
高中物理质子回旋加速器的原理教案一、引言物理学家通过长期的研究和实践，发展出了多种粒子加速器来探索物质的本质和宇宙的奥秘。
而质子回旋加速器是其中一种重要的加速器类型。
本教案将详细介绍高中物理中质子回旋加速器的原理，以帮助学生更好地理解和掌握这一概念。
二、质子回旋加速器的定义与作用质子回旋加速器（Proton Synchrotron，简称PS）是一种用来加速质子的大型环形装置，其主要作用是将质子加速到高能量以便进行物理实验研究。
质子回旋加速器的出现为科学家提供了观察更高能量粒子相互作用的机会，从而深入研究物质的基本组成和性质。
三、质子回旋加速器的结构1. 磁铁系统质子回旋加速器主要由多个磁铁组成，这些磁铁用于产生稳定的磁场，将质子束引导在闭合的轨道上。
通过调节磁铁的电流，可以控制质子束的轨道半径和速度，从而实现加速。
2. 高频系统质子回旋加速器中的高频系统主要用于加速质子束。
高频系统通过电磁场作用，为质子加速器提供正向的能量，使得质子达到更高的速度和能量。
高频系统通常由高频电源和加速腔组成。
3. 真空系统为了减少质子与空气分子的碰撞，质子回旋加速器中需要保持高真空状态。
真空系统主要包括真空室、真空泵等组件，确保质子束在加速过程中不受到气体分子的干扰。
四、质子回旋加速器的工作原理1. 慢加速阶段在质子回旋加速器开始工作的初期，质子束的能量较低。
在这个阶段，高频系统通过电磁场逐渐提供能量，使得质子的速度逐渐增加。
同时，磁铁系统的磁场调整使得质子束在加速器的轨道上保持稳定。
2. 加速阶段随着质子束速度的增加，加速器将逐渐增加高频系统的频率和磁铁的电流，以提供更多的能量给质子束。
质子在磁场和电场的作用下，不断绕着加速器的环形轨道运动，并且逐渐加速。
3. 达到设计能量当质子束加速到设计所需的能量时，加速器会停止进一步的加速，而是继续保持质子束在轨道上稳定运转。
五、质子回旋加速器的应用质子回旋加速器广泛应用于粒子物理学、核物理学、生物医学等领域的研究。
高中物理带电粒子在匀强磁场中运动应用回旋加速器教学设计新人教版选修
《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。
回旋加速器
回旋加速器
《回旋加速器》教学设计
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。
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。
《回旋加速器》教学设计
《回旋加速器》教学设计课 型：新授课 授课年级：高三 课时安排：1课时 教学目标：1、 知识与技能目标：①了解回旋加速器的作用； ②理解回旋加速器的原理；③掌握回旋加速器内带电粒子最大动能和运动时间的计算； 2、 过程与方法目标：通过多媒体课件、动画演示和教师启发式教学相结合的方法，培养学生自主学习的水平，并能让学生掌握本节课的知识。
3、 情感态度价值观：通过本节课的学习，意在培养学生科学严谨的思维品质和灵活变通的意识。
教学重点、难点：重点：回旋加速器的原理难点：理解回旋加速器的原理并能计算带电粒子最大动能和运动时间。
教师学生活动 设计意图 新课导入：如何让一个带电粒子获得一个动能如何让一个带电粒子获得一个较大的动能 播放视频：回旋加速器新课学习：一、回旋加速器构造两个Ｄ形金属盒，在金属盒之间留有一条窄缝，在窄缝中心附近放有粒子源Ｏ。
Ｄ形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大的电磁铁的两极之间，匀强磁场方向垂直于Ｄ形盒的底面。
把两个Ｄ形盒分别接到高频电源的两极上。
二、回旋加速器的工作原理学生思考回答学生观看。
Ppt 课件演示 学生观察回旋加速器的结构及作用。
通过观看视频激发学生学习兴趣，并初步理解回旋加速器。
放射源 导出装置磁场电场磁场磁场3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为qU E k =∆所有各次半径之比为：4、磁场中的运动时间电场的运动时间五、练习1.1930年，劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示.这台加速器由两个铜质D 形盒D1、D2构成，其间留有空隙.下列说法准确的是( )A.离子由加速器的中心附近进入加 速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量2．有一回旋加速器，它的交变电压频率为f ，半圆形电极的半径为R ，加速氘核所需的磁场的磁感应强度要多大？氘核的最大动能是多大？设两Ｄ形盒间距离为d ，其间电压为Ｕ，电场视为匀强电场，加速到最大能量所需回旋的周数？所用时间为多少？（已知氘核的质量m ，电量为q ）六、小结本节课学习了回旋加速器的结构、原理、特点。
高二物理教案回旋加速器
高二物理教案第十五章第６节课题名称回旋加速器课时 1课题类型新课练习课复习课实验课教学目标１知道回旋加速器的基本构造及工作原理２知道回旋加速器的基本用途３能解决有关回旋加速器的问题４通过研究讨论使学生体会到成功的快乐教学重点回旋加速器的工作原理教学难点及难点突破回旋加速器的工作原理教学方法教学用具：多媒体课件回旋加速器挂图教学过程教师活动预设学生活动预计课堂情况随笔1．初速为零、质量为m、电量为q的电荷在电势差为U的两极间加速后，离开电场时的速率为_____．2．质量为m，带电量为q的带电粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中，以速率v做匀速圆周运动的周期为_____，轨道半径为引导学生设计加速器：引导学生分析直线加速器有什么局限性？应该如何改进更好？_____．答案：1．mqU/22．qBm2，qBm v一、直线加速器直线加速器是利用电场多次对带电粒子进行加速的原理制成，如果带电量为q的粒子经U1、U2、…、U n加速后，其动能可以达到E k＝q(U1＋U2＋、…＋U n)，故直线加速器又常称为“多级加速器”．目前建成的直线加速器有几千米甚至几十千米．在老师的引导和学生讨论的基础之上得出回旋加速器的构造和注意事项：回旋加速器的用途：产生高能量的带电粒子．回旋加速器的基本组成部分：①粒子源．②两个D形金属盒．③匀强磁场．④高频电源．⑤粒子引出装置．⑥真空容器．教学小结发散一：粒子在回旋加速器中，要保持每次经过窄缝时被加速，必须将D 形盒接在高频交流电源上，且交流电的周期与粒子在D 形盒做圆周运动的周期相同，即T 交＝T 粒＝qB m2．发散二：回旋加速器不能无限制地给带电粒子加速．回旋加速器不能无限制地给带电粒子加速．在粒子的能量很高时，它的速度越接近光速，根据爱因斯坦的狭义相对论，这时粒子的质量将随着速率的增加而显著地增大，从而使粒子回旋周期变大，这样交变电场的周期难以与粒子回旋周期一致，破坏了加速器工作条件，也就无法提高速率了．作业情况反馈学生对回旋加速器获得最大速度只与盒的半径大小有关的认识还比较模糊！教育教学反思及后记本节课的重点内容放在了，引导学生自已设计一个加速器，然后逐步设置思维障碍并引导学生突破思维障碍，从而在设计过程去理解回旋加速器中各部分的作用，及工作原理。
高中物理-高二回旋加速器教案
高中物理-高二回旋加速器教案教学目标：1. 了解高二回旋加速器的基本原理和构造；2. 掌握回旋加速器的工作过程，能够分析其加速粒子的原理；3. 了解回旋加速器在现代物理研究中的应用。
教学内容：1. 回旋加速器的基本原理2. 回旋加速器的构造和工作过程3. 回旋加速器在物理研究中的应用教学步骤：第一步：回旋加速器的基本原理1. 引入通过问学生什么是加速器，有哪些种类以及有什么作用等问题来引入本节课的教学内容，并对加速器的分类和特点进行讲解。
2. 回旋加速器的基本原理回旋加速器利用交变电场和静磁场交替作用的原理把带电粒子加速到高速，他的基本原理是利用静磁场将带电粒子引入同心的加速螺旋运动轨道，再通过交变电场的作用改变粒子电荷的方向进而改变粒子的运动轨道，在不断加速的过程中达到初始的高速度。
第二步：回旋加速器的构造和工作过程1. 构造简介回旋加速器主要由加速器环，注入器和各种探测装置等组成。
其中加速器环是回旋加速器的核心，它是由许多圆形的磁铁和电极构成的。
注入器则是把带电粒子引入加速器环的设备。
2. 工作过程在加速过程中，首先需要注入带电粒子，这些带电粒子首先进入的是“注入器”，然后经过“前区加速器”进入“主区加速器”，在主区加速器内逐渐加速到高能态，最后进入“后区加速器”，在这里可以产生所需的新粒子。
第三步：回旋加速器在物理研究中的应用1. 回旋加速器在核物理研究中的应用回旋加速器可以产生高能粒子束，使得研究人员可以在极短的时间内获得极高能级的束流，并对物质结构、性质和反应等方面的基本性质进行有效的研究。
在核物理研究中，回旋加速器被广泛用于研究同位素分析、核衰变等领域。
2. 回旋加速器在粒子物理研究中的应用回旋加速器在粒子物理研究中同样具有重要的应用，它可以产生高能的带电粒子束，对粒子的性质进行研究，例如电荷量、质量等等。
在此领域，回旋加速器主要用于研究基本粒子的进一步扩展研究。
教学方法：1. 幻灯片课件演示教学。
高中物理回旋加速器教案人教版二册
15．6 回旋加速器一、教学目标1．明白回旋加速器的大体构造及工作原理2．明白回旋加速器的大体用途。
3．能解决有关回旋加速器的问题。
4．通过研究讨论使学生体会到成功的快乐。
二、重点、难点分析回旋加速器的工作原理是本节课的教学重点， 解决有关加速器的问题是教学的难点。
三、教 具：运算机、投影仪、多媒体课件四、教 法：讨论与讲解相结合、多媒体辅助教学五、课时安排：1课时六、教学进程（一）引入新课在现代物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核。
为了使带电粒子取得如此高的能量，就必需设计一个能给带电粒子加速的装置----加速器。
（二）进行新课教师提出问题：讨论：使一个小金属球取得较大的速度，怎么办？点评：学生会设计出多种方案。
①如图1，按照动能定理：221mv mgH = gH v 2= 所以H 越大，速度也就越大。
②如图2按照动量定理： Ft=mv ，所以作用在小球上的力越大，，作历时刻越长，速度也就越大。
点评：教师对学生的方案要给与肯定，使学生体验到成功的喜悦。
问题1．如何使一个带电的微粒取得速度（能量）？学生回答：利用加速电场给带电粒子加速如图3。
【板书】由动能定理K E W ∆= 221mv qU = m qU v 2= 图1 图2 图3问题2.如何使一个带电粒子取得专门大的速度(能量)?点评:学生一样会设计出多种方案,如: ①增大加速电压；②使微粒的核质比增大，等等。
问题3.带电粒子必然，即q/m 必然，要使带电粒子取得的能量增大，可采取什么方式？问题4.实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需要的能量？（不能）怎么办？【板书】多级加速投影如图4。
带电粒子增加的动能为)(212132121202n n U U U U q qU qU qU qU mv mv E ++++=+++==-=∆ 分析：方式可行，但所占的空间范围大。
能不能在较小的范围内实现多级加速呢？ 引导学生念书：1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，从而解决了这一问题。
回旋加速器高中二年级教案
知识目标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．能力目标通过由直线加速器迁移到回旋加速器的教学，培养学生解决实际问题的能力，开阔学生解决问题的思路．情感目标通过介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机的研制，培养民族自豪感，激发同学们学习科学报效祖国的热情．教学建议教材分析本节重点是回旋加速器的加速原理．在通过前面带电粒子在磁场中的运动规律的学习，学生通过反复习电场的相关知识后在理解本节知识时比较容易，需要强调的是：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、当粒子加速到接近光速时，加速粒子就不可能了．教法建议由于前面已经学习了带电粒子在磁场中的运动规律，因此本节内容在教法上可以通过复习相关的电场知识后在，让学生思考想象加速器的原理，最后得出回旋加速器原理．在讲解时，教师可以通过介绍中国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机的开发以及研制过程，激发学生的民族自豪感，培养学生的爱国主义热情。
教学设计方案回旋加速器一、素质教育目标（一）知识教学点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．（二）能力训练点通过由直线加速器迁移到回旋加速器的教学，培养学生解决实际问题的能力，开阔学生解决问题的思路．（三）德育渗透点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，激发同学们学习科学报效祖国的热情．（四）美育渗透点用优美的语言介绍我国高能粒子加速器的构造原理，用严密的推理，解释回旋加速器的工作原理，让学生充分体会物理教学的语言美及推理过程的逻辑美．二、学法引导1、教师通过复习提问法导入，创设物理情境启发学生思考讨论，总结规律．2、学生复习电场知识，积极思考想象，在教师指导下推导，总结回旋加速器的工作原理和规律．三、重点·难点·疑点及解决办法1、重点回旋加速器的加速原理．2、难点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．3、疑点当粒子加速到接近光速时，加速粒子就不可能了．4、解决办法应用上节学习的粒子在磁场中运动半径和周期公式，着力讲清回旋加速器加速带电粒子的原理．四、课时安排1课时五、教具学具准备回旋回速器挂图六、师生互动活动设计教师先复习提问电场知识导入，通过设问让学生思考想象出回旋加速器原理，在教师指导下，学生分析、讨论、总结规律，再通过例题讲解加深理解．课外组织学生讨论粒子运动半径不变的加速器原理．七、教学步骤（一）明确目标（略）（二）整体感知本节课讲述带电粒子在磁场中运动在高科技领域中的一个具体运用，首先要引导同学们从直线加速器迁移到回旋加速器，然后分析回旋加速器的加速过程，从而理解它的加速原理，最后比较直线加速器和回旋加速器的优缺点．（三）重点、难点的学习与目标完成过程1、直线加速器我们知道电场可以对带电粒子加速，如果加速电压为u，带电粒子电量为q．带电粒子从静止可加速到能量，由于电压的限制，所以一次加速后粒子获得的能量较小，如何获得较大的能量呢？（让学生充分讨论．）可采取多级加速的办法，经过几次加速后粒子的能量，所以直线加速器可使粒子获得足够大的能量．但它占地面积太大，能否既让带电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地面积呢？（让学生展开想象）2、回旋加速器利用带电粒子在磁场中作圆周运动的特点，可使带电粒子回旋，为使粒子每经过两极板时都得到加速，极板间需接上一个交变电压，每加速粒子一次，带电粒子运动速率和运动半径都会增加，它运动的周期会变化吗？所接在两极板间的交变电压的周期t等于多少呢？（让学生回答）请同学们讨论：加速粒子的最终能量由哪些因素决定？当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即，即，再由动能定理得：，所以要提高加速粒子最后的能量，应尽可能增大磁感应强度b和加速器的半径．请同学们课后思考，为什么带电粒子加速后的能量与加速电压无关呢？3、回旋加速器和直线加速器的比较介绍我国正、负电子对撞机．（四）总结、扩展本节课我们学习了回旋回速器的加速原理，希望同学们将来在工作和生活中遇到实际问题时，要开阔思路，注意知识的迁移和综合运用．八、布置作业1、1989年初，我国投入运行的高能粒子加速器可把电子的能量加速到2.8gev，若每级的加速电压 v，需采用几级加速器？九、板书设计一、直线加速器1、单级加速2、多级加速二、回旋加速器。
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- 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.。