2020学年高中物理 6 带电粒子在匀强磁场中的运动

2020学年高中物理 6 带电粒子在匀强磁场中的运动

‎6　带电粒子在匀强磁场中的运动 ‎ 教学建议 本节教材的内容属于洛伦兹力知识的应用,教材采用了先实验探究,再理论分析与推导的顺序。带着实验得到的感性材料,再用学过的知识进行理论分析,从理论的高度推导出实验现象的必然性。这样先实验观察再理论论证比较符合一般的认知过程,降低了学习的难度。当然,如果学生的整体水平比较高,需要高强度的思维训练,也可以采用先理论分析,再实验验证的顺序。不管采用怎样的顺序,都应该使学生既有丰富的感性材料,又有清晰的理论依据,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。‎ 作为带电粒子在匀强磁场中运动的知识在现代科学技术中广泛应用的实例,质谱仪和回旋加速器也是本节的重要内容,可以培养学生综合运用力学知识和电学知识的能力。‎ 理解电子垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动是学习的难点。教学时可以让学生分组讨论,通过合作学习、教师梳理,可以明确以下几点:‎ ‎①洛伦兹力总是垂直于带电粒子的速度方向,洛伦兹力对带电粒子不做功,带电粒子的动能不变。‎ ‎②洛伦兹力大小不变且方向始终与带电粒子运动方向垂直,刚好提供了带电粒子做圆周运动所需的向心力,即qvB=。‎ ‎③根据洛伦兹力作为向心力推导出带电粒子的半径和周期表达式,讨论r、T与哪些因素有关,并与实验现象相比较,让学生注意到粒子的运动周期与它的速度无关。‎ 教科书通过一个例题的形式介绍了质谱仪,应用静电力做功、动能定理和洛伦兹力等知识,学生不难得到带电粒子在匀强磁场中运动的半径表达式。值得重点介绍的是质谱仪的用途,它可以精确测定粒子的比荷,分析同位素,测定带电粒子的质量,也可以介绍测定粒子的比荷。‎ 教科书首先提出“打开”原子核需要高能“炮弹”,并指出加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。‎ 引入回旋加速器的思路应该十分清晰:‎ ‎①可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量,ΔEk=qU,电压越高,粒子增加的能量越大。遇到的困难是技术上不能产生过高的电压。‎ ‎②解决上述困难的一个途径是进行多级(次)加速,这就是直线加速器,遇到的困难是加速设备很长。‎ ‎③解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来”,利用磁场改变带电粒子的运动轨迹,让粒子“转圈圈”式地多级(次)加速,这就引入了回旋加速器。‎ ‎④介绍回旋加速器的主要装置和原理:‎ ‎·粒子每次经过磁场时必须被加速,所以粒子运动半个周期,电源必须改变方向。“思考与讨论”栏目中问到,电源的变化周期是否越来越短,这个问题应该让学生讨论后得出结论。‎ ‎·D形盒和盒间电场都应该在真空中。‎ 参考资料 回旋加速器 等时性回旋加速器 ‎20世纪60年代后,在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器是由3个扇极组合的回旋加速器,能量可变,以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。在第一偕波中,质子被加速到6~30 MeV,氘核在12.5~25 MeV,α粒子在25~50 MeV,H离子在18~62 MeV。磁场的变化通过9对圆形的调节线圈来完成,磁场的梯度与半径的比率为(4.5~3.5)×10-3 T/cm。磁场方位角通过六对偕波线圈进行校正。RF系统由180°的两个Dee组成,其操作电压达到80 kV,RF振荡器是一种典型的6级振荡器,其频率范围在8.5~19 MHz。通常典型的离子源呈放射状,并且可以通过控制系统进行遥控,在中心区域有一个可以活动的狭缝进行相位调节和中心定位。使用非均匀电场的静电偏转仪和磁场屏蔽通道进行束流提取,在偏转仪上的最大电势可达到70 kV。对30 MeV强度为15 mA质子在径向和轴向的发射度为16 pmm.mrad。能量扩散为0.6%,亮度高,在靶内的束流可达到几百毫安。用不同的探针进行束流强度的测量,这些探针有普通TV的可视性探针;薄层扫描探针和非截断式束流诊断装置。系统对束流的敏感性为1 mA,飞行时间精确到0.2 ns。束流可以传送到六个靶位,可完成100%的传送。该回旋加速器最早在1972年由INP建造,它可使质子加速达到1 MeV,束流强度为几百毫安,主要用于回旋加速器系统(离子源、磁场等)的研究。‎ ‎20世纪70年代以来,为了适应重离子物理研究的需要,成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全离子、可变能量的等时性回旋加速器,使每台加速器的使用效益大大提高。此外,近年来还发展了超导磁体的等时性回旋加速器。超导技术的应用对减小加速器的尺寸、扩展能量范围和降低运行费用等方面为加速器的发展开辟新的领域。目前的同步加速器可以产生笔尖型的细小束流,其离子的能量可以达到天然辐射能的100 000倍。通过设计边缘磁场来改变每级加速管的离子轨道半径。‎ 劳伦斯因此获得1939年诺贝尔物理学奖。‎