《回旋加速器》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、回旋加速器教學(xué)設(shè)計(jì)大港一中魏新歌一、教材分析“回旋加速器”是磁場(chǎng)一章中“帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的典型應(yīng)用，這部分知識(shí)也是高考中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而且，回旋加速器作為一種高科技的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生往往對(duì)其懷有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，有意識(shí)的讓學(xué)生到當(dāng)今科學(xué)的前沿“圣地”去涉足一番，也將有助于他們開(kāi)闊視野，培養(yǎng)志趣。二、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能：了解回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)，理解它的工作原理，并能解決粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題。過(guò)程與方法：學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)自主設(shè)計(jì)回旋加速器的過(guò)程，提高學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。情感態(tài)度與價(jià)值觀：在學(xué)生自主設(shè)計(jì)回旋加速器的過(guò)程中，體驗(yàn)成功的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生的思維狀態(tài)，培養(yǎng)學(xué)

2、生的創(chuàng)新意識(shí)；并通過(guò)介紹我國(guó)在高能粒子研究領(lǐng)域的成就，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感、培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情。三、教學(xué)重難點(diǎn)1、重點(diǎn)：了解回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)，理解它的工作原理。2、難點(diǎn)：利用物理知識(shí)逐步探究設(shè)計(jì)回旋加速器的過(guò)程。四、教學(xué)方法新課程標(biāo)準(zhǔn)把探究式學(xué)習(xí)提到了學(xué)習(xí)方式的核心地位高度，但如何在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變是能否落實(shí)這一課程理念的重要問(wèn)題。本節(jié)課教材的編寫(xiě)是平鋪直敘的介紹回旋加速器的原理和結(jié)構(gòu)，回旋加速器雖然是一種高科技的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但其原理和結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，學(xué)生完全有能力在老師的引導(dǎo)下，自主探究設(shè)計(jì)出回旋加速器模型。因此本節(jié)課采用問(wèn)題探究式教學(xué)法。引入：設(shè)計(jì)高能粒子加速器單級(jí)粒子加速器多級(jí)串聯(lián)回旋

3、加速要獲得更高能量？直線加速器如何消除反向電場(chǎng)？減少設(shè)備？甄選設(shè)計(jì)方案回旋加速器講解結(jié)構(gòu)、原理讓學(xué)生從所學(xué)的電磁場(chǎng)知識(shí)出發(fā)，以探究設(shè)計(jì)高能粒子加速器為目標(biāo)，輔之以一系列環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在不斷的提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中“設(shè)計(jì)出”回旋加速器。這樣處理，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中成為學(xué)習(xí)的主體，從而對(duì)回旋加速器的原理和結(jié)構(gòu)的理解將更加深刻，而且理論分析能力和探究能力將同時(shí)得以訓(xùn)練和培養(yǎng)；在學(xué)生探究過(guò)程中，教師以適當(dāng)?shù)牡膯?wèn)題進(jìn)行點(diǎn)撥和引導(dǎo)，幫助學(xué)生突破思維障礙，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)如下：五、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容師生互動(dòng)設(shè)計(jì)意圖引入1、創(chuàng)設(shè)情景，提出探究問(wèn)題：設(shè)計(jì)高能加速

4、器。師：在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，人們用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”，去轟擊各種原子核，以觀察它們的變化規(guī)律。怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室大量地生產(chǎn)高能粒子呢？這就是我們今天所要學(xué)習(xí)的課題。讓我們以探索者的身份，從已有的知識(shí)出發(fā)，去設(shè)計(jì)一種用來(lái)加速粒子、從而產(chǎn)生高能粒子的加速器。師：用什么方法可以使帶電粒子加速？以加速器的重要應(yīng)用導(dǎo)出課題，激發(fā)學(xué)生的探索欲望；要求學(xué)生以探索者的身份進(jìn)入角色，旨在將他們推上學(xué)習(xí)的主體地位。新課2、學(xué)生從自身原有的知識(shí)出發(fā)設(shè)計(jì)直線電場(chǎng)加速器。 v+qmU圖1（學(xué)生可以答出利用電場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子。請(qǐng)學(xué)生畫(huà)出，見(jiàn)圖1）師：根據(jù)圖示條件，帶電粒子加速后獲得多少能量？

5、（學(xué)生由動(dòng)能定理可求得：EKmv2/2qU）師：由上式可以看出，要獲得高能量的帶電粒子，就必須盡量提高加速電壓U，但我們知道實(shí)際能達(dá)到的加速電壓是有限的，約為幾百萬(wàn)伏，那么得到的粒子的能量也只有幾兆電子伏，那么，我們能不能再改進(jìn)我們的裝置，使帶電粒子獲得更大的能量呢？（學(xué)生可以想到用多個(gè)加速電場(chǎng)，讓粒子逐一穿過(guò)它們獲得持續(xù)的加速。）問(wèn)題是探索的中心，疑問(wèn)是思維的源頭。教學(xué)中及時(shí)、巧妙的設(shè)疑，是教師主導(dǎo)作用重要的體現(xiàn)。3、通過(guò)學(xué)生之間的爭(zhēng)論和教師的設(shè)疑，完善直線加速器的設(shè)計(jì)。 U U U U+qm圖2師：（畫(huà)出板圖2）大家認(rèn)為這樣有道理嗎？（學(xué)生思考討論后可能有不同意見(jiàn)如下，若沒(méi)有則教師可提示學(xué)

6、生從這兩個(gè)方面思考。）有道理，依次加速最后的總能量可以達(dá)到EKnqU，只要增加電場(chǎng)的數(shù)目n，就可以使粒子獲得足夠大的能量。不可能獲得高能量的粒子，從圖上看，相鄰的加速電場(chǎng)中間，還夾著一個(gè)反向電場(chǎng)，當(dāng)粒子通過(guò)它們時(shí)，又會(huì)受到阻礙而減速。師：既然如此，那我們能不能把加速極板外的減速電場(chǎng)消除呢？（根據(jù)學(xué)生的思考情況，可適當(dāng)?shù)膯l(fā)學(xué)生：要防止外電場(chǎng)的干擾，可采用什么措施？）（用靜電屏蔽的辦法。將兩個(gè)加速電場(chǎng)之間的部分用金屬罩屏蔽起來(lái)。）UUUU+qm圖3UUUU+qm圖4師：好辦法。（修改如下圖3）而且我們還可以把圖3的設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化（見(jiàn)圖4的設(shè)計(jì)），這正是直線加速器的基本原理。我國(guó)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

7、的注入部分，就是一個(gè)全長(zhǎng)200多米的直線加速器。4、教師繼續(xù)設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生深入探究，如何既用一個(gè)電場(chǎng)，又可多次加速。師：這類(lèi)加速器固然有它的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)備往往很長(zhǎng)。我們能不能尋找一種既可使帶電粒子不斷加速，又不必增加設(shè)備長(zhǎng)度的方法呢？（學(xué)生思考、討論，教師適時(shí)啟發(fā)：只用一個(gè)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)加速后如果能再次返回，那就好了）（學(xué)生可以想到外加磁場(chǎng)！利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使它重返電場(chǎng)，再次加速。）師：這確實(shí)是一個(gè)巧妙的構(gòu)思。那咱們就根據(jù)這個(gè)設(shè)想畫(huà)一下它的結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖5），這樣就能使粒子重返電場(chǎng)了。（學(xué)生很快就發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：當(dāng)粒子重返電場(chǎng)時(shí)，粒子進(jìn)入的卻是反向的減速電場(chǎng)。）

8、師：那該怎樣改進(jìn)呢？請(qǐng)大家都動(dòng)手試試。（學(xué)生思考、討論并提出修改建議。此處通?？赡苡腥缦聝煞N設(shè)計(jì)）+qU圖5+q圖6+q圖7U可以用兩個(gè)方向相反的加速電場(chǎng)（如圖6），這樣粒子就可以不斷的加速?？梢圆粩嗟母淖儓D5中兩個(gè)極板上電場(chǎng)方向，當(dāng)粒子每次返回到電場(chǎng)時(shí)都受到同向電場(chǎng)力的作用，這樣就可以不斷的加速了。（見(jiàn)圖7）師：這兩種設(shè)計(jì)方案都非常的巧妙，但在實(shí)際設(shè)備制造過(guò)程中，加速電場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)并非用通電極板實(shí)現(xiàn)，圖6所示的加速電場(chǎng)是很難實(shí)際實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際使用的是圖7所示的回旋加速器。不過(guò)，如果我們按照?qǐng)D7的設(shè)計(jì)，要使帶電粒子不斷加速，提供電壓的電源應(yīng)符合怎樣的要求呢？（采用交變電流。讓學(xué)生根據(jù)圖7

9、具體說(shuō)明粒子加速和偏轉(zhuǎn)的過(guò)程）師：那么交變電流也就是電場(chǎng)的頻率是遞變的還是恒定的呢？假設(shè)粒子質(zhì)量m、電荷量為+q，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，那么加速電場(chǎng)的頻率具體應(yīng)該為多大呢？（學(xué)生計(jì)算：f=1/T=qB/2m，R=mv/qB，因此雖然粒子回旋半徑不斷變大，但電場(chǎng)的頻率是恒定的。在此，先不提示學(xué)生粒子在加速時(shí)所需的時(shí)間，留待下一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)再解決。）師：從上面的分析可以看出，電場(chǎng)的作用是粒子加速，磁場(chǎng)的作用則使粒子回旋，兩者分工明確；電源交替變化一周，粒子被加速兩次，并恰好回旋一圈，這正是確保加速器正常運(yùn)行的同步條件。1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫思正是由于發(fā)明了這種加速器而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，從而使人

10、類(lèi)在獲得較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步。再次激疑，用環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生不斷的思考探究。學(xué)生再次體驗(yàn)到成功的喜悅，似乎也分享到了其中的一份榮耀。5、在學(xué)生深入思考、成功“設(shè)計(jì)”出回旋加速器的基礎(chǔ)上，用多媒體課件演示它的結(jié)構(gòu)圖，并用仿真模擬粒子回旋加速的過(guò)程，幫助學(xué)生深入理解回旋加速器的原理。師：下面我們來(lái)看回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)。（多媒體課件出示回旋加速器的結(jié)構(gòu)圖）回旋加速器主要由下列幾部分組成：D型盒、強(qiáng)電磁鐵、交變電源、引出裝置等。（用多媒體課件根據(jù)設(shè)計(jì)繪出勻強(qiáng)磁場(chǎng)和交變電場(chǎng)并設(shè)置參數(shù)，引入粒子使之在仿真模擬的回旋加速器中不斷回旋加速。）其中，兩個(gè)空心的D型金屬盒是它的核心部分，同學(xué)們能說(shuō)

11、明它的作用嗎？（學(xué)生閱讀課本思考后，請(qǐng)同學(xué)們回答并補(bǔ)充）是兩個(gè)電極，可在它們的縫間形成加速電場(chǎng)。它還能起到靜電屏蔽的作用，使粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)只受磁場(chǎng)力而用圓周運(yùn)動(dòng)。師：書(shū)中還有一個(gè)細(xì)節(jié)：“兩個(gè)D型盒之間留下個(gè)窄縫”，大家思考一下，為什么它們之間的縫能不能寬一些呢？（此處學(xué)生并不容易想到，教師可做適當(dāng)提示。學(xué)生思考、討論后回答：如果縫很寬，帶電粒子通過(guò)加速電場(chǎng)的時(shí)間就不能忽略不計(jì)，就會(huì)破壞同步條件，不能連續(xù)加速了。）師：看來(lái)同學(xué)們對(duì)回旋加速器的原理和結(jié)構(gòu)已有了一定的理解，那么我們?cè)賮?lái)思考一個(gè)問(wèn)題，對(duì)于這樣一臺(tái)回旋加速器，采取哪些措施，才能使帶電粒子獲得更高的能量？（學(xué)生根據(jù)剛才的推導(dǎo)及公式，可

12、以得到下面的結(jié)論。教師還要及時(shí)總結(jié)。）由EKnqU可知，可以增大加速電壓U和加速的次數(shù)n。根據(jù)回旋加速器的結(jié)構(gòu)及R=mv/qB，帶電粒子的速度越大，它的回轉(zhuǎn)半徑也越大，決定粒子出射速度的是D型盒的大小，因此可以增大D型盒的半徑，或者增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，就可以使粒子獲得更高的能量。師：同學(xué)們能發(fā)表不同的見(jiàn)解，這很好。根據(jù)這上面的分析可以看出，粒子能夠達(dá)到的最大速度vm=BRq/m，與D型盒的半徑和磁場(chǎng)均成正比，與加速電壓是無(wú)關(guān)的。多媒體課件的演示，使學(xué)生直觀的觀察到回旋加速器的構(gòu)造和粒子回旋加速的過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)它的工作原理的理解，從而突出重點(diǎn)。6、說(shuō)明經(jīng)典的回旋加速器的局限性，介紹我國(guó)在高

13、能粒子研究領(lǐng)域的成就，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)本領(lǐng)、報(bào)效祖國(guó)。師：講到這里，有的同學(xué)可能會(huì)想，如果盡量增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度或加大D型盒的半徑，我們不就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？（學(xué)生疑惑：難道不是嗎？）實(shí)際并非如此，用經(jīng)典的回旋加速器加速粒子，最高能量只能達(dá)到20MeV。這是因?yàn)楫?dāng)粒子的速度大到接近光速時(shí)，按照相對(duì)論的理論，粒子的質(zhì)量將隨速率的增大而明顯增大，從而使粒子的回旋周期也隨之變化，這就破壞了加速器的同步條件，使粒子不能連續(xù)加速。為了獲得更高的帶電粒子，人們又繼續(xù)尋找新的途徑。例如，設(shè)法使交變電源的周期始終與粒子的回旋周期保持一致，于是就出現(xiàn)了同步回旋加速器。除此之外，人們還設(shè)計(jì)了其他的新型加速器。目前世界上最大的