課程基本信息課題質譜儀與回旋加速器教科書書名：物理選擇性必修2出版社：人民教育出版社出版日期：2019年8月教學目標教學目標：帶電粒子在電磁場中運動的基本分析方法教學重點：質譜儀與回旋加速器的工作原理教學難點：如何分離不同的帶電粒子以及如何獲得高能粒子教學過程時間教學環節主要師生活動1回顧2新課引入知識回顧：微觀帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的圓半徑和周期，與粒子運動的速度、磁場的磁感應強度有什么關系呢？帶電粒子在勻強磁場中的運動就是洛倫茲力充當向心力qvB=mv2r得r=由此就可以判斷粒子的速度、磁場的強弱對帶電粒子運動的影響啦。在科學研究和工業生產中，常常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質的成分。利用同學們的現有知識，你能設計一個實驗方案,對不同比荷的帶電粒子進行有效分離嗎？首先，我們同學可能會想到前面學習過，電場中有這樣一個情景。（1）首先在電場中加速由：得：（2）然后進入偏轉電場做類平拋得：通過分析發現帶電粒子的運動軌跡跟電荷量和粒子質量無關，顯然是分不開的，也就是說當x等于板長L時，所有帶電粒子都將從同一偏移位置離開偏轉場。那我們同學自然會想到，既然加速后的粒子在偏轉電場中不能分離，磁場也能讓帶電粒子偏轉，可不可以用磁場偏轉來分離呢？加速后的帶電粒子垂直磁場左邊界垂直進入磁場，洛倫茲力與速度垂直，剛好充當圓周運動的向心力，做勻速圓周運動。由：得：代入加速求得的得：顯然，根據r這個表達式，B、U0一定時，不同比荷（q/m）的帶電粒子進入磁場后將沿不同的半徑做圓周運動，因此可以分離。當然，如果我們在磁場的上邊界適當處放置一張感光底片，大量的不同帶電粒子打在照相底片的不同地方感光，通過測量感光點與入射點的距離就可以測出圓周運動的半徑r，進而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的質量，這種儀器叫做質譜儀。在19世紀末，英國物理學家湯姆孫的學生“阿斯頓”就按照這樣的想法設計了質譜儀，他用質譜儀發現了氖20和氖22，證實了化學中同位素的存在?，F在經過多次改進，質譜儀已經成為一種十分精密的儀器，是粒子物理科學研究和分析同位素的重要工具。例如：讓某種中性氣體分子在電離室A內被電離成離子，大量的電荷量相同，質量不同的同位素，經同一電場S1、S2加速后，經S3孔進入勻強磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現一系列的譜線。不同質量對應著不同的確定譜線，由此，可利用該儀器對某種元素進行測量。同學們可以看一下上述過程的仿真實驗在粒子物理學的研究中，經常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開”其內部結構。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？同學們可能立即會想到電場中學習過的多級直線加速器：當然這種方法是可行的，但是我們知道，多級直線加速器中金屬圓筒的長度跟圓筒的序號的平方根n成正比,為了獲得足夠高能量，采用多級直線加速器的加速裝置要很長很長，這是我們北京正負電子對撞機俯視圖，藍色的部分像個具大的“網球拍”，狹長的把手位置就是直線加速器，足足有202米長，北京的正負電子對撞機是世界上幾大高能加速器之一。這是歐美的強子對撞直線加速器達到幾公里長度。那我們能不能設計一種能實現多次加速，又減少占地空間的加速器呢？進而我們會想到電場能讓粒子加速，而磁場能讓粒子反反復復的轉圈圈。如果我們讓帶電粒子在電場中加速一次后，能轉一圈回來被電場再接著加速，如此往復轉圈式的被加速，不就能實現多次加速又省地的想法了嗎？于是，人們設計出了用磁場控制軌道，用電場進行加速的裝置,這就是回旋加速器。這就是世界上第一臺回旋加速器（4.5英寸），是1931年由美國加利福尼亞州伯克利加州大學勞倫斯跟他人合作研制完成，結構原理可以簡化為右邊這張圖，回旋回速器是由兩個D1和D2的中空的半圓形金屬盒組成，兩盒之間接有交流電源，用于加速帶電粒子。兩個半圓形盒處于勻強磁場B中，用于回旋帶電粒子，實現多次加速功能。請同學們來看一下回旋加速器的視頻演示。（1）視頻中，為了保證帶電粒子每次到達D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場方向應該是恒定的還是變化的呢？由于粒子在D型盒內每回旋半圈，進入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級直線加速器一樣，電場方向應該是變化的，所以我們需要在D形盒縫隙間接上交流電源，以便產生方向變化的電場。關于如何產生這種電場，我們將在后面學習。（2）如果這個變化電場的周期是恒定的，我們就容易控制和實現。如果不是恒定的，是不是控制和實現起來會有一定的技術困難。你認為這個電場變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據是什么呢？帶電粒子，在磁場中回旋半周，加速一次，需要電場變化一次方向。雖然帶電粒子加速后，速度發生變化，在磁場中回旋半徑發生變化，但帶電粒子在磁場中運動的周期跟速度無關，也就是說只要每隔固定的時間變化一次電場方向就能保證每次帶電粒子到達盒縫間都能再次被加速。電場變化兩次方向為一個完整周期，因此只要保證電場變化的周期就可以實現穩定的持續的加速回旋過程。注意1：在我們討論帶電粒子的回旋時間時，忽略了粒子在縫間的加速時間，為什么可以做這種忽略呢？答：因為兩個D形盒的縫寬遠小于盒的半徑，粒子在D形盒中經過半周的回旋時間遠遠大于加速時間，因此可以忽略縫間加速時間。注意2.回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調整變化電場的周期?答：需要，因為帶電粒子的回旋周期跟比荷有關，而電場的變化周期應該等于帶電粒子的回旋周期。（3）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續加速后，帶電粒子的能量能無限增大嗎？這個最大能量跟加速電壓有關嗎？能量顯然是不能無限增大的，因為帶電粒子加速后隨速度增大，回旋的半徑也會增大，這個半徑是不能超過D形盒半徑的，否則粒子會在回旋過程中撞到盒壁上。也就是說當帶電粒子的回旋半徑接近D形盒半徑時，就要通過其它方法，把加速后的帶電粒子引出回旋加速器，結束加速的過程。因此帶電粒子的能量是不能無限增大的。那此能量由哪些因素決呢？由：得：可此可知：Ek由回旋加速器D形盒的半徑r及盒內磁感應強度B共同決定。注意：通過增大盒內磁感應強度B或無限增大D形盒半徑r，能否無限增大帶電粒子的能量？答：實際上回旋回速器加速的帶電粒子，能量達到25至30MeV以后，就很難再增加了，原因是，按照我們在必修2中學習的相對論知識，粒子質量會隨速度增加而增加，質量的增加會導致回旋周期的變化，從而破壞了與電場變化周期的同步，不能再持續加速。這是美國費米國家實驗室建造的目前世界上能量最高的超級粒子同步回旋加速器，直徑達2公里左右，能量可達500GeV。同學們課下可研究探討下為什么這個加速器能達到如此高的能量呢？通過我們的小討