回旋加速器教學(xué)設(shè)計(jì)

1、3.6 教學(xué)設(shè)計(jì)回旋加速器人教版 選修 3-1 第三章第6 節(jié)一、教材分析本節(jié)教材是從學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的知識入手，先簡單介紹直線加速器的設(shè)想，提出不足，進(jìn)而引出回旋加速器，分析其工作原理，并簡單介紹回旋加速器的結(jié)構(gòu)。通過對比多級直線加速器和回旋加速器的優(yōu)缺點(diǎn)，顯示科學(xué)發(fā)展的規(guī)律和發(fā)展的方向，引導(dǎo)學(xué)生思維，開闊學(xué)生思路，強(qiáng)化學(xué)生探索意識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。二、學(xué)情分析學(xué)生對電場和磁場的相關(guān)知識有了一定的了解，能夠通過自己的分析探索帶電粒子的加速原理，進(jìn)而得到回旋加速器的基本構(gòu)造。根據(jù)本節(jié)課內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生現(xiàn)狀，采取探究學(xué)習(xí)的方法，鍛煉學(xué)生的探索創(chuàng)新能力、分析解決問題能力，升華情感態(tài)度和價值觀。具體教學(xué)

2、策略是首先提出實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，激發(fā)學(xué)生的思維，結(jié)合所學(xué)知識提出解決問題的方案，最后達(dá)到解決問題的目的，讓學(xué)生體驗(yàn)成功的喜悅，樹立科學(xué)探索精神。三、教學(xué)目標(biāo)1.a.知道回旋加速器的基本構(gòu)造和加速原理。b.知道加速器的基本用途；c.通過情景設(shè)置, 培養(yǎng)學(xué)分析實(shí)際問題、解決實(shí)際問題的能力；d.通過師生、生生思維碰撞, 開闊學(xué)生, 思維鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意 識.2.通過問題提出，結(jié)合所學(xué)知識，引導(dǎo)學(xué)生探究，最后達(dá)到知道加速器的基本結(jié)構(gòu)和加速原理的教學(xué)目的，讓學(xué)生體會研究、設(shè)計(jì)新儀器的思路。3.a.介紹我國高能粒子加速器北京正負(fù)電子對撞機(jī) , 培養(yǎng)民族自豪感 , 激發(fā)學(xué)生的學(xué)

3、習(xí)興趣；b.體驗(yàn)探究樂趣, 激發(fā)創(chuàng)新意識。四、教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn): 回旋加速器的構(gòu)造和加速原理；教學(xué)難點(diǎn): 交變電壓的周期和粒子的運(yùn)動周期相同。五、教學(xué)方法預(yù)習(xí)檢測、教師引導(dǎo)、課堂交流討論六、教學(xué)過程預(yù)習(xí)任務(wù)回顧：1 . 閱讀課本101 頁至 102 頁回旋加速器相關(guān)內(nèi)容；2 .完成新新學(xué)案大冊子87 頁預(yù)習(xí)內(nèi)容填空。一、預(yù)習(xí)情況交流：1 . 為什么要對帶電微粒進(jìn)行加速？答：認(rèn)識原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的需要，加速粒子充當(dāng)“炮彈”；追問：原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成，為什么質(zhì)子和質(zhì)子之間沒有因?yàn)槌饬Χ馍⒛?？目的：引?dǎo)學(xué)生回答出強(qiáng)相互作用，并復(fù)習(xí)四種基本相互作用。2 .對帶電微粒進(jìn)行加速，選用

4、電場還是磁場？答：選用電場。因?yàn)槁鍌惼澚\(yùn)動電荷不做功追問：為什么洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功？目的：引導(dǎo)學(xué)生回憶左手定則。3 .如何實(shí)現(xiàn)帶電粒子在電場中的加速，請畫出示意圖并計(jì)算粒子獲得的動能？(假設(shè)已知m 、 q、 u 、 E、 d、 v0 0)此處邀請學(xué)生上黑板演板并由學(xué)生直接講解。答：電場中加速的示意圖如下：單級加速多級加速單級加速：qU 1 mv2212多級加速：qU1 qU2qUn q(U1 U2Un) 2 mv4 .采用電場對帶電粒子進(jìn)行加速遇到的問題？答：單級加速無法實(shí)現(xiàn)較高電壓；多級加速占據(jù)空間很大。此處給學(xué)生一組資料，讓學(xué)生感知單級和多級加速遇到的問題。相關(guān)資料受到高壓設(shè)備及

5、絕緣的限制，加速電壓不能過高，導(dǎo)致一次加速的方式能得到的帶電粒子能量較低。譬如加速電壓為2 萬伏特， 質(zhì)子由靜止開始加速，其最終獲得的能量只有2 104eV( 3.2 10 15J)。萊潑正負(fù)電子對撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦與法國交界處, 是一個建于地表下50 至 170 米深， 周長 27 公里， 直徑 3.8 米的圓環(huán)形通道, 該工程由 14 個國家共同投資建設(shè).附： 北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPC) 是世界八大高能加速器中心之一， 是我國第一臺高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施;由長202 米的直線加速器、輸運(yùn)線、 周長 240 米的圓型加速器(也稱儲存環(huán) )、高 6 米重 500 噸

6、的北京譜儀和圍繞儲存環(huán)的同步輻射實(shí)驗(yàn)裝置等幾部分組成，外型象一只碩大的羽毛球拍。北京正負(fù)電子對撞機(jī)是當(dāng)時世界上唯一在輕子和粲粒子產(chǎn)生閾附近研究-粲物理的大型正負(fù)電子對撞實(shí)驗(yàn)裝置，也是該能區(qū)迄今為止亮度最高的對撞機(jī)。本段資料的主要任務(wù)是讓學(xué)生了解我國加速器的發(fā)展情況，增強(qiáng)國家認(rèn)同和民族自豪感。5 .如何解決上述問題？答：磁場偏轉(zhuǎn)、電場加速，制作出回旋加速器。追問：磁場和電場應(yīng)該分開，還是共存在同一區(qū)域？目的：為后續(xù)講解回旋加速器的結(jié)構(gòu)做鋪墊。6 .回旋加速器的構(gòu)造及運(yùn)行方式？本問題中先由教師提問，學(xué)生回答回旋加速器的結(jié)構(gòu)。再由教師引導(dǎo)學(xué)生，得到回旋加速器的運(yùn)行方式。7 .回旋加速器遇到的問題及解

7、決策略？答：粒子能量達(dá)到25 30MeV 后，很難再加速。粒子受到狹義相對論質(zhì)速關(guān)系的約束，影響運(yùn)動周期。解決策略：回歸直線加速。此問題， 回旋加速器遇到的問題學(xué)生很容易在書上找出答案，但是解決策略則需要學(xué)生思考，基本能得出兩種答案：1. 調(diào)整電場變化的周期，使電場變化的周期與粒子在磁場中運(yùn)動的周期始終保持一致； 2.回歸多級直線加速器。二、思考與討論1 . 帶電粒子從回旋加速器射出的最大速度與加速電壓是否相關(guān)？（ B、 Rmax一定）解： 由 qvB m v2 ，得： r mv ，變形知：v qBr ，所以，對同一粒子rqBm而言， 速度僅與半徑相關(guān)。而從回旋加速器中離開粒子的最大繞行半qB

8、rmax。度與加速電壓無關(guān)。有以上分析知：vmax徑均為回旋加速器的半徑，所以帶電粒子從回旋加速器射出的最大速m2 .帶電粒子運(yùn)行第一個半圈、第二個半圈、第三個半圈······第解：粒子第一次加速，有：qU 12 mv12，qv1B m v1 ，得：r1r1m 2qU qB m粒子第二次加速，有：qU 12 mv22 21 mv12122qU mv2v22m 4qUm 2 2qU又 qv2B m 2 ，得：r2r2qB mqB m粒子第三次加速，有：qU 1 mv32 1 mv2222又 qv3B mv23，得：r3 m 6qU m

9、2 3qUr3qB m qB m123qU mv3 ，經(jīng)過觀察與思考，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)粒子進(jìn)行第n 次加速時，有：2nqU2mv2n0，qvnBmrnn，得：rnqBmq經(jīng)以上分析，可得：r1 : r2 : r3 : rn 1: 2 : 3 : n ，由此可得：r1（:r2 -r1）（:r3- r2）:（:rn - rn-1）1（:2 -1）（:3-2）:（: n - n-1）3.帶電粒子在回旋加速器中的運(yùn)動時間？(已知m、 q、 B、 Rmax、u、 d)解： 經(jīng)分析知，t總t磁 t電 ，但不論是求t磁 還是t電 ，都需要知道粒子在回旋加速器中加速的次數(shù)，也就是粒子在磁場中做半圈勻速圓周運(yùn)動的次數(shù)。

10、有思考與討論1 知，vmaxqBrmax ，而nqU 1 mv2max 0，聯(lián)立以上m2兩式， 得到粒子在電場中加速的次數(shù)，也就是粒子在磁場中做半圈勻速圓周運(yùn)動的次數(shù)n222mv max qB R max2qU 2mUT BR 2max, 所以t磁n。2 2U對于粒子在電場中的加速時間，若省去磁場中的勻速圓周運(yùn)動而言，可看作t電 vmax qBR max md dBR max , 由此可以到到粒子在回旋a mqU U2加速器中運(yùn)動的總時間：t總t磁 t電B2RUmaxdBRUmax ，進(jìn)一步化簡可得：t總t磁t電2BU ( R2max 2dRmax)，大多數(shù)情況下，電場區(qū)域的寬2度 d 較小，

11、即t 磁t電 ，可認(rèn)為t總 t磁B2RUmax 。三、課堂小結(jié)課堂小結(jié)由學(xué)生完成。教師預(yù)備發(fā)言：本節(jié)課學(xué)習(xí)了回旋加速器，知道了回旋加速器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式，并對回旋加速器的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。四、課堂演練例 1. 1932 年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質(zhì)D 形盒 D1 、 D2 構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是()A. 離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B.離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C. 離子從磁場中獲得能量D.離子從電場中獲得能量答案： AD例 2.一個用于加速質(zhì)子的回旋加速器,其 D形盒半徑為R,垂直D 形盒底面的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,兩盒

12、分別與交流電源相連，下列說法正確的是()A.質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、 R 的增大而增大B.質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大C. 只要 R 足夠大 ,D.不需要改變?nèi)魏瘟?這個裝置也能用于加速粒子答案： A五、作業(yè)布置1 . 完成練習(xí)冊回旋加速器相關(guān)習(xí)題2 .查找相關(guān)資料，了解加速器的發(fā)展情況，下節(jié)課進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。3 .預(yù)習(xí)教材質(zhì)譜儀相關(guān)內(nèi)容，完成新新學(xué)案大冊子86 頁內(nèi)容六、課后反思作為一節(jié)公開課，回旋加速器這節(jié)內(nèi)容比較順利的講完了，有一些心得與收獲，在此記下來：自己的設(shè)想是想讓學(xué)生的提前預(yù)習(xí)，然后通過預(yù)習(xí)互動，推動課堂發(fā)展，但學(xué)生的預(yù)習(xí)并不到位、不深入，導(dǎo)致預(yù)習(xí)交流階段的課堂推進(jìn)緩慢。評課過程中，各位老師提出的建議，我很贊同：1