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教學(xué)目的

使學(xué)生知道回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)，理解它的工作原理；并通過教學(xué)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們運用物理知識分析和解決實際問題的能力．

教學(xué)過程

師：在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，人們往往利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．為了大量地產(chǎn)生高能粒子，就要用到一種叫做加速器的實驗設(shè)備．同學(xué)們一定聽說過北京正負(fù)電子對撞機吧，它就是我國于1989年初投入運行的第一臺高能粒子加速器，它能使正負(fù)電子束流的能量分別達(dá)到28億電子伏．

加速器究竟是怎樣產(chǎn)生高能帶電粒子的呢？這就是今天要學(xué)習(xí)的課題．讓我們都以探索者的身份，從已有的基礎(chǔ)知識出發(fā)，一起去尋求問題的答案吧．

(由加速器的重要應(yīng)用以及我國科技新成就導(dǎo)出課題，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲望；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．)

師：先請哪位同學(xué)回答：用什么方法可以加速帶電粒子？

生：利用電場可使帶電粒子加速．

師：（板畫圖1）根據(jù)圖示條件，帶電粒子加速后可獲得多大能量？

生：Ek=mv2/2=qU

師：回答正確．由此看來，要獲得高能量的帶電粒子，就必須盡量提高加速電壓．但我們知道，實際能達(dá)到的電壓值總是有限的，不可能太高，因而用這種方法加速粒子，獲得的能量也不夠大，只能達(dá)到幾十萬至幾兆電子伏．請同學(xué)們想一想，如何突破電壓限制，使帶電粒子獲得更大的能量呢？

(疑問是思維的源頭，問題是探索的中心．教學(xué)中及時、巧妙地存疑設(shè)問，是教師主導(dǎo)作用的重要體現(xiàn)．)

甲生：我想是否可以再加幾個電場，讓帶電粒子逐一通過它們．

（教師根據(jù)學(xué)生回答，在圖1上改畫成圖2）

師：大家認(rèn)為這種設(shè)想有道理嗎？

乙生：我認(rèn)為有道理．這樣一來，每個電場的電壓就不必很高．盡管帶電粒子每次加速得到的能量不是很大，但最后的總能量卻可達(dá)到Ek=nqU，只要增加電場的數(shù)目n，就可使粒子獲得足夠大的能量．

師：說得對．采用多個電場，使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，這確是突破電壓限制的好方法．同學(xué)們能提出這樣富有創(chuàng)見的設(shè)想，十分可貴，但是，我們再仔細(xì)推敲一下它的可行性：按圖2所示的方案，真能實現(xiàn)多級加速嗎？

（學(xué)生陷入沉思．頃刻，有部分同學(xué)恍然大悟）

丙生：這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子！

師：你發(fā)現(xiàn)什么問題了嗎？

丙生：從圖上可以看出，在相鄰兩級加速電場的中間，還夾著一個反向電場，當(dāng)帶電粒子通過它們時，將會受到阻礙作用．

師：丙同學(xué)考慮問題很全面，他不但看到了加速電場這有利的一面，同時還注意到了存在減速電場這不利的一面．那么我們能否“興利除弊”，設(shè)法把加速極板外側(cè)的減速電場消除呢？

生：……

師：（進(jìn)一步啟發(fā)）請大家聯(lián)系已學(xué)的知識：要防止外界電場的干擾，可采用什么措施？

生：采用靜電屏蔽．

師：對．我們可用金屬圓筒代替原來的極板．（在圖2上改畫成圖3）這樣，既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場，又使得圓筒內(nèi)部的場強為零，從而消除了減速電場的不利影響．

師：再讓我們討論一下電源．為了簡化裝置，我們可用一個公用電源來提供各級的加速電壓．（在圖3上改畫成圖4）．如果我們要加速一帶正電的粒子，若電源的極性保持恒定（始終為A正B負(fù)），你認(rèn)為這個粒子能夠“一路順風(fēng)”，不斷加速嗎？

生：不可能．因為，按這樣的極性，帶電粒子在第一級電場中能得到加速，但到了下一級就會減速．粒子從加速電場得到的能量，將在減速電場中喪失貽盡．

師：說得很對．我們有什么方法可解決這個矛盾嗎？

生：如果能及時地改變電源的極性，就可以解決了．

師：好主意！你能對照圖4具體說明一下這“及時”的含義嗎？

生：設(shè)開始時電源極性為A正B負(fù)，帶正電粒子在第一級電場中加速，當(dāng)它穿過第一只圓筒即將進(jìn)入第二級電場時，電源極性應(yīng)立即變?yōu)锳負(fù)B正，使粒子又能繼續(xù)加速．同理，當(dāng)它穿過第二只圓筒剛要進(jìn)入第三級電場時，電源又及時地改變極性，……以后也是如此．

師：分析正確．可見，為了實現(xiàn)帶電粒子的多級加速，應(yīng)該采用交變電源；并且，電源極性的變化還必須與粒子的運動配合默契，步調(diào)一致，即要滿足同步條件，這是確保加速器正常工作的關(guān)鍵所在．那么，如何做到這一點呢？如果使交變電源以恒定的頻率交替改變極性，能夠滿足同步條件嗎？

甲生：不能滿足．因為帶電粒子加速之后的速度越來越大，若金屬圓筒的長度相等，則它每次穿越的時間就會越來越短．如要保證同步，電源頻率應(yīng)該越來越高才行．

師：誰還有不同的見解嗎？

乙生：我認(rèn)為當(dāng)電源頻率恒定時，也有可能滿足同步條件，只要使得金屬圓筒的長度隨著粒子速度的增大而相應(yīng)地加長就行了．

師：甲、乙兩位同學(xué)的意見可謂異曲同工，都有可能滿足同步條件．在具體實施時，人們一般采用的是后一種方案．很明顯，實施這種方案的關(guān)鍵，在于合理地設(shè)計金屬圓筒的長度．那么，各圓筒長之間究竟應(yīng)符合怎樣的關(guān)系才行呢？這個問題稍許復(fù)雜一點，但只要運用我們所學(xué)的有關(guān)知識，也是不難解決的．有興趣的同學(xué)在課后可以繼續(xù)討論，去完成這項設(shè)計任務(wù)．

(教學(xué)內(nèi)容的安排應(yīng)有彈性，注意留有余地，以貫徹“因材施教”的原則．)

師：通過以上的探索和研究，我們實際上已經(jīng)勾畫出一臺加速器的雛形了．“麻雀雖小，五臟俱全”，它包含著一般加速器應(yīng)具備的幾個基本要素．下面，就請同學(xué)們一起來小結(jié)．

（根據(jù)學(xué)生回答，歸納并板書，關(guān)鍵字眼以彩筆突出．）

①利用電場加速帶電粒子；

②通過多級加速獲得高能粒子；

③將加速電場以外的區(qū)域靜電屏蔽；

④采用交變電源提供加速電壓；

⑤電場交替變化與帶電粒子運動應(yīng)滿足同步條件．

(此段小結(jié)很有必要．它不僅可將前段探究活動的成果及時整理、提煉、充實和完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，同時，也為接著學(xué)習(xí)回旋加速器奠定了基礎(chǔ)，從而起到了承前啟后的作用．)

師：剛才討論的這類加速器，人們通常稱之為直線加速器．例如北京正負(fù)電子對撞機的注入器部分，就是一個全長200多米的直線加速器．這類加速器固然有其優(yōu)點，但它的設(shè)備一字兒排開，往往顯得拖沓冗長．于是，我們自然會想：能否尋找一種既可使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，又不必增加設(shè)備長度的方法呢？

生：……（思考、議論）

師：（自言自語）如果只用一個電場，帶電粒子經(jīng)過加速后還會再次返回，那就好了．……用什么方法能使粒子自動返回呢？……

生：（豁然開朗）外加磁場！利用帶電粒子在勻強磁場中作圓周運動的特點，可使它重返電場，再次加速．

師：好，這確是個巧妙的構(gòu)想，說不定它還會導(dǎo)致一種新型加速器的延生呢！

（學(xué)主情緒亢奮，信心驟增）

(學(xué)習(xí)上的探究活動，同樣需要有情緒力量的投入．為此，教師講課不妨帶些“情感色彩”，以利于渲染教學(xué)氛圍，激活學(xué)習(xí)動因．)

師：下面就讓我們按著這條思路，來具體分析一下工作原理．（板畫圖5）

設(shè)位于加速電場中心的粒子源發(fā)出一個帶正電粒子，以速率v0垂直進(jìn)入勻強磁場中．如果它在電場和磁場的協(xié)同配合下，不斷地得到加速，你能大致畫出粒子的運動軌跡來嗎？請每位同學(xué)都動手試試．要邊畫圖，邊思考，并注意聯(lián)系前面歸納出的幾條結(jié)論．

（教師巡視，對有困難的學(xué)生予以指導(dǎo)．多數(shù)學(xué)生完成之后，抽一人在圖5上板畫，得圖6所示軌跡．）

師：同學(xué)們都已把帶電粒子的運動軌跡畫出來了．接下去，請大家思考幾個問題．第一，從畫出軌跡看，它是條半徑越來越大的螺旋線，這是什么緣故？

生：根據(jù)帶電粒子在勻強磁場中運動的半徑公式R=mv／Bq，隨著粒子不斷加速，它的速度越來越大，因此，半徑也相應(yīng)增大．

師：對．再看第二個問題：為使帶電粒子不斷得到加速，提供加速電壓的電源應(yīng)符合怎樣的要求？

生：要采用交變電源，并且，還必須使電源極性的變化與粒子的運動保持同步．

師：你能對照圖6，再具體說明一下嗎？

生：帶正電粒子以速度v0進(jìn)入磁場，當(dāng)它運動半周后到達(dá)A1時，電源極性應(yīng)是“A正A′負(fù)”，粒子被電場加速，速率從v0增加到v1．

為“A負(fù)A′正”，使粒子再次加速，速率從v1增加到v2……以后的情形就以此類推．

師：回答正確．從剛才的分析可以看出，電場的作用是使粒子加速，磁場的作用則使粒子回旋，兩者的分工非常明確，同時，它們又配合得十分默契：電源交替變化一周，粒子被加速兩次，并恰好回旋一周，這正是確保加速器正常運行的同步條件．（板書如下）

師：還有第三個問題：隨著粒子不斷加速它的速度和半徑都在不斷增大，為了滿足同步條件，電源的頻率也要相應(yīng)變化嗎？

生：不需變化，因為帶電粒子在勻強磁場中的運動周期T=2πm/Bq，它與速度無關(guān)．

師：說得對．對于給定的帶電粒子，它在一定的勻強磁場中運動的周期是恒定的．有了這一條，我們就可免卻隨時調(diào)整電源頻率以求同步的麻煩了．從而為最終實施我們的上述構(gòu)想，提供了極大的便利．

早在1932年，美國物理學(xué)家勞侖斯正是沿著與我們相仿的巧妙思路．發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步．為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎．

(學(xué)生再次體驗到成功的喜悅，似乎他們也分享到了其中的一份．)

師：下面讓我們來看回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)．（出示掛圖）從圖上可以看出，回旋加速器主要由下列幾部分組成（板書）：D形盒、強電磁鐵、交變電源、粒子源、引出裝置等．其中，兩個空心的D形金屬盒是它的核心部分．同學(xué)們能說明它的作用嗎？

（讓學(xué)生自學(xué)課本，然后回答）

甲生：這兩個D形盒就是兩個電極，可在它們的縫間形成加速電場．

師：誰還有補充嗎？

乙生：它還起到靜電屏蔽的作用．使帶電粒子在金屬盒內(nèi)只受磁場力作用，從而做勻速圓周運動．

師：書上還提到一個細(xì)節(jié)：“兩個D形盒之間留一個窄縫，……”想一下，為什么要留窄的縫？寬些就不成嗎？

丙生：……

丁生：如果縫很寬，粒子穿越電場所用的時間就不容忽略．而這個時間是要隨粒子運動速度的增加而變化的，從而使得粒子回旋一周所需的時間也將隨之變化，這就會破壞同步條件．如果是窄縫，粒子在電場中運動的時間可以不計，就可避免不同步的麻煩了．

師：說得很對．看來同學(xué)們對回旋加速器的原理和結(jié)構(gòu)己有了一定的理解．在此基礎(chǔ)上，請大家再討論一個問題：假如由你來設(shè)計一臺回旋加速器，要求能使帶電粒子獲得更高的能量，你打算采用哪些措施？

(提出這種設(shè)計性問題的目的，在于深化學(xué)生思維，活化物理知識，使學(xué)習(xí)活動跨上更高的臺階．)

甲生：可以提高電源的電壓．由公式Ek=qU可知，電壓值大了，粒子獲得能量也大．

乙生：還可以加大D形盒的半徑．使帶電粒子有更大的回旋余地，隨著加速次數(shù)的增多，粒子具有的能量也就大．

丙生：也可以增加磁感應(yīng)強度．根據(jù)公式R＝mv／Bq，對應(yīng)于一定的速度，B值越大，粒子的回旋半徑B就越小，這樣它在D形盒內(nèi)就可以兜更多的圈，從而獲得更大的能量．

師：對于上面幾位同學(xué)的意見，大家有沒有補充或不同的看法？

丁生；我認(rèn)為甲同學(xué)的說法不對．因為提高了電源的電壓后，盡管可以使粒子每次加速獲得的能量增大，但相應(yīng)的回旋半徑也要增大，這又會使得加速次數(shù)減少，最后粒子的總能量不見得就大．

師：同學(xué)們能發(fā)表不同的見解，這很好．究竟誰是誰非呢？我們還可以進(jìn)一步分析：在回旋加速器的最大半徑和磁場都確定的條件下，帶/2＝B2R2q2／2m．這就告訴我們，對于給定的帶電粒子來說，它能獲得的最高能量與D形電極半徑的平方成正比，與磁感應(yīng)強度的平方成正比，而與加速電壓無直接的關(guān)系．

講到這里，有的同學(xué)可能會想，如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大D形盒半徑，我們不就可以使帶電粒子獲得任意高的能量了嗎？但實際并非如此．例如：用這種經(jīng)典的回旋加速器來加速粒子，最高能量只能達(dá)到20兆電子伏．這是因為當(dāng)粒子的速率大到接近光速時，按照相對論原理，粒子的質(zhì)量將隨速率增大而明顯地增加，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．

為了獲得更高能量的帶電粒子，人們又繼續(xù)尋找新的途徑．例如，設(shè)法使交變電源的變化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)計制造出多種其它的新型加速器．目前世界上最大的加速器已能使質(zhì)子達(dá)到10000億電子伏以上的能量．

我國在高能粒子研究方面發(fā)展很快，并取得了多項世界矚目的成就．希望同學(xué)們樹立志向，奮發(fā)學(xué)習(xí)，將來把祖國的科學(xué)技術(shù)推向世界的最前沿！

教案說明

一關(guān)于課題選定

回旋加速器作為一種高科技的實驗設(shè)備，學(xué)生往往對其懷有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，如能有意識地讓學(xué)生到當(dāng)今科學(xué)的前沿“圣地”去涉足一番，哪怕是十分粗淺，也將會有助于他們開闊視野，培養(yǎng)志趣．同時，回旋加速器又是洛侖茲力應(yīng)用的著名實例，藉此機會，可使學(xué)生對電磁學(xué)的有關(guān)知識作一次較廣泛的復(fù)習(xí)和運用．因此，本課題雖屬選學(xué)內(nèi)容，但在學(xué)生條件許可的情況下，仍然值得一學(xué)．

二關(guān)于教材處理

本節(jié)課的教材組織及教學(xué)流程，可用以下圖式表示：

這里值得說明的問題是：在順序上，把直線加速器提在前，而將回旋加速器置于后，這樣是否有悖史實？在內(nèi)容上，回旋加速器是課題的中心，但卻要化相當(dāng)篇幅去討論直線加速器，這樣會否喧賓奪主？

教學(xué)過程應(yīng)該是有序的，這就必須牢牢把握兩條脈胳：一是教材知識的內(nèi)在聯(lián)系，二是學(xué)生認(rèn)識的發(fā)展規(guī)律．為此，教師應(yīng)能駕馭教材，對教學(xué)內(nèi)容作一番必要的剪輯或加工，這也是一種教學(xué)藝術(shù)的再創(chuàng)造．

本節(jié)教案作如上的安排，正是為了體現(xiàn)這種有序性．從知識的內(nèi)在聯(lián)系看，直線加速器與回旋加速器的工作原理有著諸多相同之處，因此可將前者作為后者的鋪墊．在理解直線加速器原理的基礎(chǔ)上，一旦突破“磁場回旋”這個拐點，回旋加速器的得出就是水到渠成的了．再從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律看，他們對直線加速器的理解，一般要比回旋加速器來得容易，于是可把前者當(dāng)作后者的橋梁．學(xué)生在解剖直線加速器這只“麻雀”的過程中，發(fā)現(xiàn)了加速器所應(yīng)具備的若干重要條件，并經(jīng)過他們自己的總結(jié)、整理，建立起來相應(yīng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)．以此為依托，有關(guān)回旋加速器的內(nèi)容就可以通過與結(jié)構(gòu)中的有關(guān)知識互相作用，實現(xiàn)同化，從而順利達(dá)成知識的遷移．

三關(guān)于教法設(shè)計

這類課題如果沿用“講解原理，介紹結(jié)構(gòu)”的傳統(tǒng)教法，很可能造成教師呆板地講、學(xué)生被動地聽的局面．學(xué)生所獲得的也只是些靜態(tài)的知識（現(xiàn)成結(jié)論），而那些蘊含于研究過程中的動態(tài)知識（科學(xué)方法等），卻得不到應(yīng)有的開發(fā)．這實在是教學(xué)上的重大失策．

本課試圖改變這種狀況，按照“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，過程為主線”的教學(xué)設(shè)想，采取了引導(dǎo)探究的教學(xué)方法．即把教材內(nèi)容有機地劃分成若干個探究階段，并輔之以一系列環(huán)環(huán)相扣的問題，鋪設(shè)成一條通往知識高峰的階梯，并力求拓展課題的探究過程，盡量擴大學(xué)生的活動空間．在整個過程中，既有學(xué)生的積極參與、拾級攀登，又有教師的點撥引導(dǎo)、及時調(diào)控．通過師生雙邊的信息交流，不斷地將教學(xué)活動引向深入，使學(xué)生在獲取新知的同時，還親身經(jīng)驗到科學(xué)研究的思想方法，進(jìn)一步培養(yǎng)了他們的能力。