56洛伦兹力与现代科技

课时计划课 题洛仑兹力与现代科技课堂类型新授课 课时 1 累计课时教学目标（一） 知识与技能了解回旋加速器、速度选择器、质谱仪的工作原理，弄清回旋加速器的加速和质谱仪分离同位素的过程；初步了解彩色电视机，电子显微镜中电子运动原理（二） 过程与方法了解运用洛伦兹力应用与现代高科技设备中的普遍特点，提高将理论应用于实际的能力（三） 情感态度与价值观通过了解洛伦兹力的应用及在社会发展中的作用，感受研究洛伦兹力的重要意义教学重点及难点重点：回旋加速器、速度选择器、质谱仪的工作原理难点：回旋加速器的加速和质谱仪分离同位素的过程主要教学方 法讲授法、理论推导教具CAI教学过程及时间分配主 要 教 学 内 容1、 当一个带电粒子垂直射入匀强磁场时做匀速圆周运动，其向心力是由洛伦兹力提供的2、 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径R和周期T的公式为：cmv2 mv 2nR 2nm由qVB=R'得R=qB；由T=v，得T=qB回旋加速器（1） 什么是加速器：使带电粒子获得高能量的设备。（2） 从直线加速器到回旋加速器思考与讨论：早期的加速器是通过什么方式提高粒子能量的？它与直线加速器都存在怎样的弊端？提示：

早期的加速器是用不断提高电源的电压来加速的。而实际所能达到的电压是有限的，因此粒子能量最高只能达到约lOMeV。直线加速器，是让带电粒子在多级电场的作用下进行多次加速，这样就导致整个加速器很长。（3）回旋加速器的原理构造：核心部分是两个D形金属扁盒，它们之间有一间隙，间隙中心A处是粒子源。D形金属扁盒装在真空室内，磁场方向垂直于D形盒的底面，使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。两个D形盒分别与高频电源的两极相连，使间隙中产生交变电场，用来加速带电粒子。原理：思考与讨论1：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与速度增大时，它的运动周期T是否变化?为什么？要保证粒子每次经过D形盒的间隙时，都能受到合适的电场力加速，高频电源的频率应符合怎样的要求？提示：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与速度增大时，它的运2兀m动周期T不变，周期T= ，与半径和速度没有关系；要保证粒子每次qB经过D形盒的间隙时，都能受到合适的电场力加速，需使粒子每转半圈，电场改变一次方向，即粒子转一圈，电场改变方向两次，电场的周期与粒2兀m子旋转周期相同T=qB思考与讨论2：普通的回旋加速器存在怎样的弊端？加速器又经历了怎样的创新历程？提示：普通加速器的磁场是均匀的，加速电场的频率也是不变的。由于相对论效应，粒子在加速过程中，能量的提高会引起它质量的增大，从而导致回旋周期增大，使粒子的回旋频率与加速电场粒子源回旋周期增大，使粒子的回旋频率与加速电场粒子源速度远择器照相底片加速电场速度远择器照相底片加速电场|U 1 的交变频率不再同步，因而粒子得不到持续的加速。为了得到更高能量的粒子，回旋加速器经历了三次革命：先是对高频加速电场的频率进行调整，研制同步回旋加速器；后又研制出磁场呈某种分布的回旋加速器，它能使不同质量的粒子在不同半径的轨道上回旋频率保持不变；后科学家运用对撞可使加速粒子能量得到充分利用的原理建成了对撞机，从此开创了加速器发展的新纪元。现在加速器的能力提高了9个数量级，每单位能量的造价降低了约4个数量级。质谱仪作用：分析同位素和测量带电粒子质量的精密仪器。原理：如右图所示：①经过加速电场后的粒子速度为多少？qU=mv2/2,v=72qU/m进入速度选择器的粒子具有怎样大小的速度，才能顺利进入磁场？Bqv=qE,V=E/B】求落点到入口的距离X?Bqv=mv2/R,R=mv/qB,X=2R=2mv/qB=2mE/qBB22212思考与讨论：洛伦兹力在现代科技中的广泛应用提示：回旋计算器、质谱仪、速度选择器、磁流体发电机、电子显微镜、彩色电视机等现代高科技仪器设备中，都要用到洛伦兹力来控制电荷的运动。例如，彩色电视机能显示色彩缤纷的活动图像：显像管内的真空电子管的电子枪高速电子束击中不同颜色的荧光块，电子束在