1、高中物理第六节回旋加速器教学设计教学目的使学生知道回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理；并通过教学，进一步激发学生的学习兴趣，培养他们运用物理知识分析和解决实际问题的能力教学过程师：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为了大量地产生高能粒子，就要用到一种叫做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28亿电子伏加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？这就是今天要学习的课题让我们都以探索者的身份，从已有的基础知识
2、出发，一起去寻求问题的答案吧(由加速器的重要应用以及我国科技新成就导出课题，可以激发学生的求知欲望；要求学生以探索者的身份进入角色，旨在将他们推上学习的主体地位)师：先请哪位同学回答：用什么方法可以加速带电粒子？生：利用电场可使带电粒子加速师：（板画图1）根据图示条件，带电粒子加速后可获得多大能量？生：Ek=mv2/2=qU师：回答正确由此看来，要获得高能量的带电粒子，就必须尽量提高加速电压但我们知道，实际能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，获得的能量也不够大，只能达到几十万至几兆电子伏请同学们想一想，如何突破电压限制，使带电粒子获得更大的能量呢？(疑问是思维的源头，
3、问题是探索的中心教学中及时、巧妙地存疑设问，是教师主导作用的重要体现)甲生：我想是否可以再加几个电场，让带电粒子逐一通过它们（教师根据学生回答，在图1上改画成图2）师：大家认为这种设想有道理吗？乙生：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加速得到的能量不是很大，但最后的总能量却可达到Ek=nqU，只要增加电场的数目n，就可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，这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：按图2所示的方案，真能实现多级加速吗？（学生陷入沉思顷刻，有部分同学恍然大悟）
4、丙生：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？丙生：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（在图2上改画成图3）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
5、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（在图3上改画成图4）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），你认为这个粒子能够“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贻尽师：说得很对我们有什么方法可解决这个矛盾吗？生：如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了师：好主意！你能对照图4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，带正电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负
6、B正，使粒子又能继续加速同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性，以后也是如此师：分析正确可见，为了实现带电粒子的多级加速，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，即要满足同步条件，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？甲生：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：谁还有不同的见解吗？乙生：我认为当电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随
7、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，各圆筒长之间究竟应符合怎样的关系才行呢？这个问题稍许复杂一点，但只要运用我们所学的有关知识，也是不难解决的有兴趣的同学在课后可以继续讨论，去完成这项设计任务(教学内容的安排应有弹性，注意留有余地，以贯彻“因材施教”的原则)师：通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出一台加速器的雏形了“麻雀虽小，五脏俱全”，它包含着一般加速器应具备的几个基本要素下面，就请同学们一起来小结（根据学生回答，归纳并板书，关键
8、字眼以彩笔突出）利用电场加速带电粒子；通过多级加速获得高能粒子；将加速电场以外的区域静电屏蔽；采用交变电源提供加速电压；电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件(此段小结很有必要它不仅可将前段探究活动的成果及时整理、提炼、充实和完善学生的认知结构，同时，也为接着学习回旋加速器奠定了基础，从而起到了承前启后的作用)师：刚才讨论的这类加速器，人们通常称之为直线加速器例如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，往往显得拖沓冗长于是，我们自然会想：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：（思考、议论
9、）师：（自言自语）如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还会再次返回，那就好了用什么方法能使粒子自动返回呢？生：（豁然开朗）外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速师：好，这确是个巧妙的构想，说不定它还会导致一种新型加速器的延生呢！（学主情绪亢奋，信心骤增）(学习上的探究活动，同样需要有情绪力量的投入为此，教师讲课不妨带些“情感色彩”，以利于渲染教学氛围，激活学习动因)师：下面就让我们按着这条思路，来具体分析一下工作原理（板画图5）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垂直进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
10、画出粒子的运动轨迹来吗？请每位同学都动手试试要边画图，边思考，并注意联系前面归纳出的几条结论（教师巡视，对有困难的学生予以指导多数学生完成之后，抽一人在图5上板画，得图6所示轨迹）师：同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了接下去，请大家思考几个问题第一，从画出轨迹看，它是条半径越来越大的螺旋线，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=mvBq，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此，半径也相应增大师：对再看第二个问题：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，并且，还必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步师：你能对照图6，再具体说
11、明一下吗？生：带正电粒子以速度v0进入磁场，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，速率从v0增加到v1为“A负A正”，使粒子再次加速，速率从v1增加到v2以后的情形就以此类推师：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，两者的分工非常明确，同时，它们又配合得十分默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一周，这正是确保加速器正常运行的同步条件（板书如下）师：还有第三个问题：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=2m/Bq
12、，它与速度无关师：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，我们就可免却随时调整电源频率以求同步的麻烦了从而为最终实施我们的上述构想，提供了极大的便利早在1932年，美国物理学家劳仑斯正是沿着与我们相仿的巧妙思路发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖(学生再次体验到成功的喜悦，似乎他们也分享到了其中的一份)师：下面让我们来看回旋加速器的基本结构（出示挂图）从图上可以看出，回旋加速器主要由下列几部分组成（板书）：D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等其中，两个空心的D形金属盒是它的核心部分同学
13、们能说明它的作用吗？（让学生自学课本，然后回答）甲生：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？乙生：它还起到静电屏蔽的作用使带电粒子在金属盒内只受磁场力作用，从而做匀速圆周运动师：书上还提到一个细节：“两个D形盒之间留一个窄缝，”想一下，为什么要留窄的缝？宽些就不成吗？丙生：丁生：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将随之变化，这就会破坏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了师：说得很对看来同学们对回旋加速器的原理和结构己有了一定的理解在此基础上
14、，请大家再讨论一个问题：假如由你来设计一台回旋加速器，要求能使带电粒子获得更高的能量，你打算采用哪些措施？(提出这种设计性问题的目的，在于深化学生思维，活化物理知识，使学习活动跨上更高的台阶)甲生：可以提高电源的电压由公式Ek=qU可知，电压值大了，粒子获得能量也大乙生：还可以加大D形盒的半径使带电粒子有更大的回旋余地，随着加速次数的增多，粒子具有的能量也就大丙生：也可以增加磁感应强度根据公式RmvBq，对应于一定的速度，B值越大，粒子的回旋半径B就越小，这样它在D形盒内就可以兜更多的圈，从而获得更大的能量师：对于上面几位同学的意见，大家有没有补充或不同的看法？丁生；我认为甲同学的说法不对因为
15、提高了电源的电压后，尽管可以使粒子每次加速获得的能量增大，但相应的回旋半径也要增大，这又会使得加速次数减少，最后粒子的总能量不见得就大师：同学们能发表不同的见解，这很好究竟谁是谁非呢？我们还可以进一步分析：在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带/2B2R2q22m这就告诉我们，对于给定的带电粒子来说，它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的关系讲到这里，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了吗？但实际并非如此例如：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
16、电子伏这是因为当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获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新的途径例如，设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋加速器除此之外，人们还设计制造出多种其它的新型加速器目前世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿电子伏以上的能量我国在高能粒子研究方面发展很快，并取得了多项世界瞩目的成就希望同学们树立志向，奋发学习，将来把祖国的科学技术推向世界的最前沿！教案说明一 关于课题选定回旋加速器作为一种高科技的实验设备，学生往往对其怀有
17、浓厚的学习兴趣，如能有意识地让学生到当今科学的前沿“圣地”去涉足一番，哪怕是十分粗浅，也将会有助于他们开阔视野，培养志趣同时，回旋加速器又是洛仑兹力应用的著名实例，藉此机会，可使学生对电磁学的有关知识作一次较广泛的复习和运用因此，本课题虽属选学内容，但在学生条件许可的情况下，仍然值得一学二 关于教材处理本节课的教材组织及教学流程，可用以下图式表示：这里值得说明的问题是：在顺序上，把直线加速器提在前，而将回旋加速器置于后，这样是否有悖史实？在内容上，回旋加速器是课题的中心，但却要化相当篇幅去讨论直线加速器，这样会否喧宾夺主？教学过程应该是有序的，这就必须牢牢把握两条脉胳：一是教材知识的内在联系，
18、二是学生认识的发展规律为此，教师应能驾驭教材，对教学内容作一番必要的剪辑或加工，这也是一种教学艺术的再创造本节教案作如上的安排，正是为了体现这种有序性从知识的内在联系看，直线加速器与回旋加速器的工作原理有着诸多相同之处，因此可将前者作为后者的铺垫在理解直线加速器原理的基础上，一旦突破“磁场回旋”这个拐点，回旋加速器的得出就是水到渠成的了再从学生的认知规律看，他们对直线加速器的理解，一般要比回旋加速器来得容易，于是可把前者当作后者的桥梁学生在解剖直线加速器这只“麻雀”的过程中，发现了加速器所应具备的若干重要条件，并经过他们自己的总结、整理，建立起来相应的认知结构以此为依托，有关回旋加速器的内容就
19、可以通过与结构中的有关知识互相作用，实现同化，从而顺利达成知识的迁移三 关于教法设计这类课题如果沿用“讲解原理，介绍结构”的传统教法，很可能造成教师呆板地讲、学生被动地听的局面学生所获得的也只是些静态的知识（现成结论），而那些蕴含于研究过程中的动态知识（科学方法等），却得不到应有的开发这实在是教学上的重大失策本课试图改变这种状况，按照“教师为主导，学生为主体，过程为主线”的教学设想，采取了引导探究的教学方法即把教材内容有机地划分成若干个探究阶段，并辅之以一系列环环相扣的问题，铺设成一条通往知识高峰的阶梯，并力求拓展课题的探究过程，尽量扩大学生的活动空间在整个过程中，既有学生的积极参与、拾级攀登，又有教师的点拨引导、及时调控通过师生双边的信息交流，不断地将教学活动引向深入，使学生在获取新知的同时，还亲身经验到科学研究的思想方法，进一步培养了他们的能力。
