2020學(xué)年高中物理 3.6帶電粒子在勻強磁場中的運動素材 新人教版選修3-1

1、6帶電粒子在勻強磁場中的運動 教學(xué)建議本節(jié)教材的內(nèi)容屬于洛倫茲力知識的應(yīng)用,教材采用了先實驗探究,再理論分析與推導(dǎo)的順序。帶著實驗得到的感性材料,再用學(xué)過的知識進行理論分析,從理論的高度推導(dǎo)出實驗現(xiàn)象的必然性。這樣先實驗觀察再理論論證比較符合一般的認知過程,降低了學(xué)習(xí)的難度。當(dāng)然,如果學(xué)生的整體水平比較高,需要高強度的思維訓(xùn)練,也可以采用先理論分析,再實驗驗證的順序。不管采用怎樣的順序,都應(yīng)該使學(xué)生既有豐富的感性材料,又有清晰的理論依據(jù),讓學(xué)生在這一學(xué)習(xí)過程中對理論與實踐相結(jié)合的研究方法有所體會,并且在學(xué)習(xí)過程中嘗到成功的喜悅。作為帶電粒子在勻強磁場中運動的知識在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的實例,

2、質(zhì)譜儀和回旋加速器也是本節(jié)的重要內(nèi)容,可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用力學(xué)知識和電學(xué)知識的能力。理解電子垂直進入勻強磁場做勻速圓周運動是學(xué)習(xí)的難點。教學(xué)時可以讓學(xué)生分組討論,通過合作學(xué)習(xí)、教師梳理,可以明確以下幾點:洛倫茲力總是垂直于帶電粒子的速度方向,洛倫茲力對帶電粒子不做功,帶電粒子的動能不變。洛倫茲力大小不變且方向始終與帶電粒子運動方向垂直,剛好提供了帶電粒子做圓周運動所需的向心力,即qvB=。根據(jù)洛倫茲力作為向心力推導(dǎo)出帶電粒子的半徑和周期表達式,討論r、T與哪些因素有關(guān),并與實驗現(xiàn)象相比較,讓學(xué)生注意到粒子的運動周期與它的速度無關(guān)。教科書通過一個例題的形式介紹了質(zhì)譜儀,應(yīng)用靜電力做功、動能定理和

3、洛倫茲力等知識,學(xué)生不難得到帶電粒子在勻強磁場中運動的半徑表達式。值得重點介紹的是質(zhì)譜儀的用途,它可以精確測定粒子的比荷,分析同位素,測定帶電粒子的質(zhì)量,也可以介紹測定粒子的比荷。教科書首先提出“打開”原子核需要高能“炮彈”,并指出加速器就是制造高能“炮彈”的“工廠”。引入回旋加速器的思路應(yīng)該十分清晰:可以利用靜電力對帶電粒子做功增加粒子的能量,Ek=qU,電壓越高,粒子增加的能量越大。遇到的困難是技術(shù)上不能產(chǎn)生過高的電壓。解決上述困難的一個途徑是進行多級(次)加速,這就是直線加速器,遇到的困難是加速設(shè)備很長。解決上述困難的一個途徑是把加速電場“卷起來”,利用磁場改變帶電粒子的運動軌跡,讓粒子

4、“轉(zhuǎn)圈圈”式地多級(次)加速,這就引入了回旋加速器。介紹回旋加速器的主要裝置和原理:粒子每次經(jīng)過磁場時必須被加速,所以粒子運動半個周期,電源必須改變方向。“思考與討論”欄目中問到,電源的變化周期是否越來越短,這個問題應(yīng)該讓學(xué)生討論后得出結(jié)論。D形盒和盒間電場都應(yīng)該在真空中。參考資料回旋加速器等時性回旋加速器20世紀60年代后,在世界范圍掀起了研發(fā)等時性回旋加速器的高潮。等時性回旋加速器是由3個扇極組合的回旋加速器,能量可變,以第一和第三偕波模式對正離子進行加速。在第一偕波中,質(zhì)子被加速到630 MeV,氘核在12.525 MeV,粒子在2550 MeV,H離子在1862 MeV。磁場的變化通過

5、9對圓形的調(diào)節(jié)線圈來完成,磁場的梯度與半徑的比率為(4.53.5)10-3 T/cm。磁場方位角通過六對偕波線圈進行校正。RF系統(tǒng)由180的兩個Dee組成,其操作電壓達到80 kV,RF振蕩器是一種典型的6級振蕩器,其頻率范圍在8.519 MHz。通常典型的離子源呈放射狀,并且可以通過控制系統(tǒng)進行遙控,在中心區(qū)域有一個可以活動的狹縫進行相位調(diào)節(jié)和中心定位。使用非均勻電場的靜電偏轉(zhuǎn)儀和磁場屏蔽通道進行束流提取,在偏轉(zhuǎn)儀上的最大電勢可達到70 kV。對30 MeV強度為15 mA質(zhì)子在徑向和軸向的發(fā)射度為16 pmm.mrad。能量擴散為0.6%,亮度高,在靶內(nèi)的束流可達到幾百毫安。用不同的探針進

6、行束流強度的測量,這些探針有普通TV的可視性探針;薄層掃描探針和非截斷式束流診斷裝置。系統(tǒng)對束流的敏感性為1 mA,飛行時間精確到0.2 ns。束流可以傳送到六個靶位,可完成100%的傳送。該回旋加速器最早在1972年由INP建造,它可使質(zhì)子加速達到1 MeV,束流強度為幾百毫安,主要用于回旋加速器系統(tǒng)(離子源、磁場等)的研究。20世紀70年代以來,為了適應(yīng)重離子物理研究的需要,成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全離子、可變能量的等時性回旋加速器,使每臺加速器的使用效益大大提高。此外,近年來還發(fā)展了超導(dǎo)磁體的等時性回旋加速器。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用對減小加速器的尺寸、擴展能量范圍和降低運行費用等方面為加速器的發(fā)展開辟