高二物理回旋加速器
人教版物理高二上册选修磁场回旋加速器课件
＋
－
m +q
Ek=1/2mv2=qu 实际电压值不可能太高
? 如何突破电压限制
＋－＋－ ＋－ ＋－
m +q
方向两次；
交变电压的周期＝带电粒子在磁
场中运动的周期 Ｔ交＝Ｔ磁
回旋加速器的几点注意：
（１）带电粒子在D形盒中的轨道半径:
r mv qB
（２）带电粒子每次在每个D形盒中的运动时间:
t T m
2 qB
（３）带电粒子从加速器飞出时的速度：
vmqm B其 R R 中 指回旋D 加 形速 盒器 的
（４）带电粒子从加速器飞出时的动能：
（b）若考虑带电粒子在电场中的运动时间， （且假设电场是等间距的匀强电场）
t总 t磁t电 将带电粒子在电场运中动的视作匀加速直动线 , 运
则mqudt电 2
其中,n为加速次,数 u为加速电,压 d为极板间电. 压
回旋加速器的缺点：
最高能量只能达到20兆电子伏特.
因为当带电粒子的速率大到接近光速时, 按照相对论原理,粒子的质量随速率增大而明 显增加,从而使粒子的回旋周期也随之变化,破 坏了加速器的同步条件.
加速的动能增量越大，回旋半径也增大得越多，
Ek=1/2mv2=qu 最高能量只能达到20兆电子伏特. 显增加,从而使粒子的回旋周期也随之变化,破
Ek=1/2mv2=qu
虽然电场使带电粒子加速，但粒子的最大动能却 回旋加速器的工作原理：
回旋加速器各组成部分的作用: 注意：虽然洛伦兹力不做功，但带电粒子
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。
高二物理回旋加速器知识点
高二物理回旋加速器知识点回旋加速器是一种用于将带电粒子加速到高速的装置。
它广泛应用于高能物理实验和医学放射治疗等领域，具有重要的科学研究和应用价值。
一、回旋加速器的基本原理回旋加速器的基本原理是利用交变电压和磁场相互作用产生的回旋力，使带电粒子在磁场中做回旋运动，并通过逐渐加大电压和磁场的方式，不断增加粒子的动能，实现对粒子的加速。
二、回旋加速器的主要部件1. 加速腔回旋加速器的核心部件是加速腔，它负责产生高频电场，将带电粒子加速。
加速腔通常采用谐振腔结构，具有较高的品质因数和稳定的谐振频率。
2. 磁铁系统磁铁系统包括磁铁和磁场调节系统，它们共同产生稳定的磁场，用于控制粒子的运动轨道和回旋半径。
磁铁通常采用超导磁体，具有较高的磁场强度和较小的能量损耗。
3. 真空系统由于粒子在加速过程中需要在真空环境中运动，所以回旋加速器还需要配备高度精密的真空系统，以保证实验的稳定进行。
三、回旋加速器的工作过程回旋加速器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 加速腔产生高频电场。
2. 加速器中的粒子进入加速腔并受到电场力加速。
3. 粒子由于受到磁场力的作用，开始做回旋运动。
4. 通过逐渐增加电压和磁场强度，不断增加粒子的动能和速度。
5. 在达到所需能量后，粒子被提取出来，用于后续实验或应用。
四、回旋加速器的应用回旋加速器在物理学研究和应用中具有广泛的应用价值，主要体现在以下几个方面：1. 高能物理实验回旋加速器在高能物理实验中扮演着重要的角色，能够加速粒子到高速，并产生高能束流，用于对物质的结构和性质进行研究，深入探索物质构成的最基本粒子。
2. 医学放射治疗回旋加速器被广泛应用于医学放射治疗领域，可以用于肿瘤的放疗，通过加速带电粒子的运动，辐射到肿瘤组织，达到治疗的效果，同时最大限度地减少周围正常组织的损伤。
3. 同位素生产回旋加速器还可以用于同位素生产，通过改变回旋加速器中的粒子种类和能量，实现对目标物质的放射性同位素的生成，用于医学诊断、环境监测等领域。
质谱仪与回旋加速器-高二物理课件(人教版2019选择性必修第二册)
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
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对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
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
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
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”。产生这些高能“炮弹”的“工 厂”就是各种各样的粒子加速器。
问题：如何才能把粒子加速？
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。
质谱仪与回旋加速器-高二物理课件(人教版2019选择性必修第二册)
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
5．如图所示，为回旋加速器的原理图.其中D1和D2是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电压为U 的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计）， 粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量 为q、质量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
质谱仪
质谱仪的结构及其作用
1、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。
2、结构及作用 ：
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
第4节:质谱仪与回旋加速器
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
温故知新
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径
qvB m v2 r
r = mv qB
T= 2 r 2 m
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
质谱仪
质谱仪的工作原理
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：
qU0
1 2
mv 2
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得： v 2qU0
人教版高二物理 质谱仪与回旋加速器-练习题
课程基本信息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：人民教育出版社学生信息姓名学校班级学号课后练习练习与应用（教材19页）第1题、第2题、第4题补充练习：1.质谱仪是测量带电粒子的比荷和分析同位素的重要工具。
如图所示，带电粒子从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。
现有某种元素的三种同位素的原子核由容器A进入质谱仪，最后分别打在底片P1、P2、P3三个位置。
不计粒子重力。
则打在P1处的粒子A．质量最小B．比荷最小C．动能最小D．动量最小2．在高能物理研究中，回旋加速器起着重要作用，其工作原理如图所示。
D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差。
两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。
中央A处的粒子源产生的α粒子，在两盒之间被电场加速，α粒子进入磁场后做匀速圆周运动。
忽略α粒子在电场中的加速时间，不考虑相对论效应。
下列说法正确的是A．α粒子运动半个圆周之后，电场的方向必须改变B．α粒子在磁场中运动的周期越来越大C．磁感应强度越大，α粒子离开加速器时的动能就越大D．两盒间电势差越大，α粒子离开加速器时的动能就越大3．质谱仪是一种精密仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
图中所示的质谱仪是由加速电场和偏转磁场组成。
带电粒子从容器A下方的小孔S1飘入电势差为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为B 的匀强磁场中，最后打到照相底片D 上。
不计粒子重力。
（1）若由容器A 进入电场的是质量为m 、电荷量为q的粒子，求：a ．粒子进入磁场时的速度大小v ；b ．粒子在磁场中运动的轨道半径R 。
（2）若由容器A 进入电场的是互为同位素的两种原子核P 1、P 2，由底片上获知P 1、P 2在磁场中运动轨迹的直径之比是2: 1。
高二物理(回旋加速器)
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中 心之一.1988年10月16日，两束正负电子在北京西 郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了 我国高能物理研究的新篇章。
二、回旋加速器 结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有 磁场和交变的电场。将一粒子置于两个 D形盒的缝隙处。
加速条件：
交变电压的周期和粒子做圆周运 动的周期相等。
2m T qB
1.每一个周期加速两次. 2.电场加速过程中,时间极短,可忽略
讨论：加速粒子的最终能量由哪 些因素决定 ？
若D形盒半径为R，磁感应强度B. qBR •粒子最终速度： m m
第十五章
磁场
第六节
带电粒子在匀强磁场中的运动
使带电粒子不断地加速以获得很 大能量的一种装置叫做加速器。
1、直线加速器
q U
qU E K
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？
q(U1 U 2 U n ) E K
直线加速器
直线加速器有多个加速 电场,从而能使带电粒子获得 更大的能量.
•所获动能为：
qBR 1 2 EK m m 2 2m
2
•提高加速粒子最后的能量的方法： 增大磁感应强度B 增大加速器的半径R
直径为10.2cm的第一台回旋加速器。
近几十年，加速器的能量每 10年提高一个量级，加速器的尺 寸由数米费 米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产 生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
靶
+
+
A
1
2
3
4
U~
U/v
Um
思考: 带电粒 子穿越第n个圆筒 时的动能为多大?
回旋加速器的教学设计
回旋加速器的教学设计课题回旋加速器学科物理学校丰台第一中学教师姓名孙卫刚教材版本人教版职称中学二级年级高二性别难学历大学本科年龄 30一、指导思想与理论指导:新的物理课程标准中明确的提出了高中物理教学的目标:学习科学探究方在法，经历科学探究过程，认识科学探究的意义，发展科学探索兴趣，提高自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。
探究学习可以让学生通过已有的知识，结合对问题的理解，进行积极的科学探索，借助老师的指导，模拟科学家解决问题的方式，使学生体会如何科学面对疑难情境，学会搜集和加工需要的新信息、新资料，从而获得在真实生活情境中发现问题，解决问题的能力。
真正意义上的探究学习在目前实际教学中存在着一定的局限性，如教师教学理念的转变，教育教学条件的差异等等。
就拿物理这一学科来说，作为一门实验学科，大量理论知识和实际应用都建立在实验的基础上，若没有实验作为理论的支撑，物理学习就会失去应有的意义。
中学中带电粒子在电磁场中的各种运动和应用一直停留在纯理论推导上，因实验室条件的限制，不能使学生得到直观的认识。
信息时代的到来为中学物理教学提供了一个很好的平台，《仿真物理实验室》软件更为物理教学中难于实现的实验环境创造了可能。
因此我在讲授《回旋加速器》一课时,把探究式教学与信息技术进行了一次大胆的整合尝试。
二、教学背景分析: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。
学生分析: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。
高二物理质谱仪和回旋加速器试题答案及解析
高二物理质谱仪和回旋加速器试题答案及解析1.回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示，它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，在两盒间的窄缝中形成交变电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。
两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出，如果用同一回旋加速器分别加速氚核（H）和粒子（He），比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，可知A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大【答案】A【解析】因为加速器所加的高频交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相等，而粒子在磁场中做圆周运动的周期与粒子的运动速度还没关系，故由公式T=可知，氚核的交流电源的周期=，将氚核与氦核的相关较大，故C、D均错误；再根据最大动能Ek电荷量与质量代入，发现氚核获得的最大动能较小，故A正确，B错误。
【考点】加旋加速器。
2.回旋加速器是加速带电粒子的装置．其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是()A．减小磁场的磁感应强度B．增大匀强电场间的加速电压C．增大D形金属盒的半径D．减小狭缝间的距离【答案】C【解析】粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，速度达最大时，粒子运动的半径与D型盒半径相等，由圆周运动规律有：,，则，可见要增大粒子射出时的动能，可增大磁场的磁感应强度或增大D形盒的半径，与加速电压无关，故C正确；【考点】考查了回旋加速器原理3.如图是质谱仪工作原理示意图．带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E．平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1 A2．S下方有磁感应强度为B的匀强磁场．下列表述正确的是A．质谱仪是分析同位素的重要工具B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于，与粒子带何种电荷无关D．带电量相同的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的质量越大【答案】ABC【解析】进入B的粒子满足，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；B、假设粒子带正电，则受电场力向左，由左手定则可判断磁场方向垂直直面向外，故B正确；C、由，得，此时离子受力平衡，可沿直线穿过选择器，故C正确；D、由，知R越小，荷质比越大；粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子圆周运动的半径越小荷质比越大；故D错误；【考点】质谱仪的工作原理4.如图所示，回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，D形盒半径为R．用该回旋加速器加速质子（质量数为1，核电荷数为1）时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电周期为T．（粒子通过狭缝的时间忽略不计）则A．质子在D形盒中做匀速圆周运动的周期为2TB．质子被加速后的最大速度可能超过C．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关D．不改变B和T，该回旋加速器也能用于加速α粒子（质量数为4，核电荷数为2）【答案】C【解析】回旋加速器粒子在磁场中运动的周期和高频交流电的周期相等．故A错误；当粒子从D形盒中出来时速度最大，故B错误；根据，得，与加速的电压无关．故C正确。
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。
【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！。
- 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)。
费米梦想的加速器 诺贝尔物理奖获得者费 米曾在1954年提出环绕地 球建一台加速器的设想， 称为费米的梦。其能量可 达数千TeV（十亿）
•
有人建议沿我们的万里 长城建一台加速器，其能 量可达134TeV，这些都是 梦，要建造更高能量的加 速器，必须在新技术、新 原理方面进行探索。
•
【思考与讨论】:名师P88
若D形盒半径为R，磁感应强度B. •粒子最终速度： qBR m m
•所获动能为：
1 qBR 2 EK m m 2 2m
2
•提高加速粒子最后的能量的方法： 增大磁感应强度B 增大加速器的半径R
直径为10.2cm的第一台回旋加速器。
近几十年，加速器的能量每 10年提高一个量级，加速器的尺 寸由数米增加到数十公里。
目前世界上最大的回旋加速器在美国费米 加速实验室，环形管道的半径为2公里。产生 的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
狭义相对论
当 可与光速比较时:
m m0
1
c
2 2
粒子回旋周期:
2m T qB
2m0
qB 1 2 c
2
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中 心之一.1988年10月16日，两束正负电子在北京西 郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了 我国高能物理研究的新篇章。
精品课件！
精品课件！
钓鱼 精神病院里有一病人成天坐在一空鱼缸旁 拿着钓杆钓鱼，医生习己为常。
一天，医生心情不错，路过时问：“今天 钓到了几条？” 病人白了他一眼：“笨蛋！没看到这是空 鱼缸吗？”
二、回旋加速器 二、回旋加速器 结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有 磁场和交变的电场。将一粒子置于两个 D形盒的缝隙处。
加速条件：
交变电压的周期和粒子做圆周运 动的周期相等。
2m T qB
1.每一个周期加速两次. 2.电场加速过程中,时间极短,可忽略
讨论：加速粒子的最终能量由哪 些因素决定 ？
使带电粒子不断地加速以获得很 大能量的一种装置叫做加速器。
1、直线加速器
q U
qU E K
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？
q(U1 U 2 U n ) E K
直线加速器
直线加速器有多个加速 电场,从而能使带电粒子获得 更大的能量.
靶
+
+
A
1
2
3
穿越第n个圆筒 时的动能为多大?
T 2T
0
—Um
E k = nqUm
直线加速器
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
直线加速器可使粒子获得足够大的 能量．但它占地太长，能否既让带电 粒子多次加速，获得较高能量，又尽 可能减少占地长度呢？
劳伦斯（1901－1958）：美国物理学家