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回旋加速器教学设计
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上传时间: 2014-08-16
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《回旋加速器》教学设计
一、教材分析
“回旋加速器”是《磁场》一章中“带电粒子在电磁场中运动规律”的典型应用，这部分知识也是高考中的重点和难点。而且，回旋加速器作为一种高科技的实验设备，学生往往对其怀有浓厚的学习兴趣，有意识的让学生到当今科学的前沿“圣地”去涉足一番，也将有助于他们开阔视野，培养志趣。
二、教学目标
知识与技能：了解回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理，并能解决粒子在电磁场中运动的相关问题。
过程与方法：学生通过体验自主设计回旋加速器的过程，提高学生应用物理知识分析、解决实际问题的能力。
情感态度与价值观：在学生自主设计回旋加速器的过程中，体验成功的乐趣，激发学生的思维状态，培养学生的创新意识；并通过介绍我国在高能粒子研究领域的成就，增强学生的民族自豪感、培养学生的爱国热情。
三、教学重难点
1、重点：了解回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理。
2、难点：利用物理知识逐步探究设计回旋加速器的过程。
四、教学方法
新课程标准把探究式学习提到了学习方式的核心地位高度，但如何在教学中实现这种转变是能否落实这一课程理念的重要问题。
本节课教材的编写是平铺直叙的介绍回旋加速器的原理和结构，回旋加速器虽然是一种高科技的实验设备，但其原理和结构并不复杂，学生完全有能力在老师的引导下，自主探究设计出回旋加速器模型。因此本节课采用问题探究式教学法。
让学生从所学的电磁场知识出发，以探究设计高能粒子加速器为目标，辅之以一系列环环相扣的问题，引导学生在不断的提出问题和解决问题的过程中“设计出”回旋加速器。这样处理，可以使学生在学习过程中成为学习的主体，从而对回旋加速器的原理和结构的理解将更加深刻，而且理论分析能力和探究能力将同时得以训练和培养；在学生探究过程中，教师以适当的的问题进行点拨和引导，帮助学生突破思维障碍，从而突破教学难点。本节课的教学过程设计如下：
五、教学过程设计
教学环节
教学内容
师生互动
设计意图
引入
1、创设情景，提出探究问题：设计高能加速器。
师：在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们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。怎样才能在实验室大量地生产高能粒子呢？这就是我们今天所要学习的课题。让我们以探索者的身份，从已有的知识出发，去设计一种用来加速粒子、从而产生高能粒子的加速器。
师：用什么方法可以使带电粒子加速？
以加速器的重要应用导出课题，激发学生的探索欲望；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。
新课
2、学生从自身原有的知识出发设计直线电场加速器。
（学生可以答出利用电场来加速带电粒子。请学生画出，见图1）
师：根据图示条件，带电粒子加速后获得多少能量？
（学生由动能定理可求得：EK＝mv2/2＝qU）
师：由上式可以看出，要获得高能量的带电粒子，就必须尽量提高加速电压U，但我们知道实际能达到的加速电压是有限的，约为几百万伏，那么得到的粒子的能量也只有几兆电子伏，那么，我们能不能再改进我们的装置，使带电粒子获得更大的能量呢？
（学生可以想到用多个加速电场，让粒子逐一穿过它们获得持续的加速。）
问题是探索的中心，疑问是思维的源头。教学中及时、巧妙的设疑，是教师主导作用重要的体现。
3、通过学生之间的争论和教师的设疑，完善直线加速器的设计。
师：（画出板图2）大家认为这样有道理吗？
（学生思考讨论后可能有不同意见如下，若没有则教师可提示学生从这两个方面思考。）
有道理，依次加速最后的总能量可以达到EK＝nqU，只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量。
不可能获得高能量的粒子，从图上看，相邻的加速电场中间，还夹着一个反向电场，当粒子通过它们时，又会受到阻碍而减速。
师：既然如此，那我们能不能把加速极板外的减速电场消除呢？
（根据学生的思考情况，可适当的启发学生：要防止外电场的干扰，可采用什么措施？）
（用静电屏蔽的办法。将两个加速电场之间的部分用金属罩屏蔽起来。）
师：好办法。（修改如下图3）而且我们还可以把图3的设计进一步简化（见图4的设计），这正是直线加速器的基本原理。我国北京正负电子对撞机的注入部分，就是一个全长200多米的直线加速器。
4、教师继续设疑，引导学生深入探究，如何既用一个电场，又可多次加速。
师：这类加速器固然有它的优点，但实际实现时设备往往很长。我们能不能寻找一种既可使带电粒子不断加速，又不必增加设备长度的方法呢？
（学生思考、讨论，教师适时启发：只用一个电场，带电粒子经过加速后如果能再次返回，那就好了……）
（学生可以想到外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的特点，使它重返电场，再次加速。）
师：这确实是一个巧妙的构思。那咱们就根据这个设想画一下它的结构图（见图5），这样就能使粒子重返电场了。
（学生很快就发现了问题：当粒子重返电场时，粒子进入的却是反向的减速电场。）
师：那该怎样改进呢？请大家都动手试试。
（学生思考、讨论并提出修改建议。此处通常可能有如下两种设计）
可以用两个方向相反的加速电场（如图6），这样粒子就可以不断的加速。
可以不断的改变图5中两个极板上电场方向，当粒子每次返回到电场时都受到同向电场力的作用，这样就可以不断的加速了。（见图7）
师：这两种设计方案都非常的巧妙，但在实际设备制造过程中，加速电场的实现并非用通电极板实现，图6所示的加速电场是很难实际实现的，因此实验室中实际使用的是图7所示的回旋加速器。不过，如果我们按照图7的设计，要使带电粒子不断加速，提供电压的电源应符合怎样的要求呢？
（采用交变电流。让学生根据图7具体说明粒子加速和偏转的过程）
师：那么交变电流也就是电场的频率是递变的还是恒定的呢？假设粒子质量m、电荷量为+q，磁感应强度为B，那么加速电场的频率具体应该为多大呢？
（学生计算：f=1/T=qB/2πm，R=mv/qB，因此虽然粒子回旋半径不断变大，但电场的频率是恒定的。在此，先不提示学生粒子在加速时所需的时间，留待下一个教学环节再解决。）
师：从上面的分析可以看出，电场的作用是粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确；电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件。1932年美国物理学家劳伦思正是由于发明了这种加速器而获得了当年的诺贝尔物理奖，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步。
再次激疑，用环环相扣的问题引导学生不断的思考探究。
学生再次体验到成功的喜悦，似乎也分享到了其中的一份荣耀。
5、在学生深入思考、成功“设计”出回旋加速器的基础上，用多媒体课件演示它的结构图，并用仿真模拟粒子回旋加速的过程，帮助学生深入理解回旋加速器的原理。
师：下面我们来看回旋加速器的基本结构。（多媒体课件出示回旋加速器的结构图）回旋加速器主要由下列几部分组成：D型盒、强电磁铁、交变电源、引出装置等。
（用多媒体课件根据设计绘出匀强磁场和交变电场并设置参数，引入粒子使之在仿真模拟的回旋加速器中不断回旋加速。）
其中，两个空心的D型金属盒是它的核心部分，同学们能说明它的作用吗？
（学生阅读课本思考后，请同学们回答并补充）
是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场。
它还能起到静电屏蔽的作用，使粒子在磁场中运动时只受磁场力而用圆周运动。
师：书中还有一个细节：“两个D型盒之间留下个窄缝”，大家思考一下，为什么它们之间的缝能不能宽一些呢？
（此处学生并不容易想到，教师可做适当提示。学生思考、讨论后回答：如果缝很宽，带电粒子通过加速电场的时间就不能忽略不计，就会破坏同步条件，不能连续加速了。）
师：看来同学们对回旋加速器的原理和结构已有了一定的理解，那么我们再来思考一个问题，对于这样一台回旋加速器，采取哪些措施，才能使带电粒子获得更高的能量？
（学生根据刚才的推导及公式，可以得到下面的结论。教师还要及时总结。）
由EK＝nqU可知，可以增大加速电压U和加速的次数n。
根据回旋加速器的结构及R=mv/qB，带电粒子的速度越大，它的回转半径也越大，决定粒子出射速度的是D型盒的大小，因此可以增大D型盒的半径，或者增大磁场的磁感应强度，就可以使粒子获得更高的能量。
师：同学们能发表不同的见解，这很好。根据这上面的分析可以看出，粒子能够达到的最大速度vm=BRq/m，与D型盒的半径和磁场均成正比，与加速电压是无关的。
多媒体课件的演示，使学生直观的观察到回旋加速器的构造和粒子回旋加速的过程，加深了学生对它的工作原理的理解，从而突出重点。
6、说明经典的回旋加速器的局限性，介绍我国在高能粒子研究领域的成就，激励学生学习本领、报效祖国。
师：讲到这里，有的同学可能会想，如果尽量增大磁场的磁感应强度或加大D型盒的半径，我们不就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？（学生疑惑：难道不是吗？）
实际并非如此，用经典的回旋加速器加速粒子，最高能量只能达到20MeV。这是因为当粒子的速度大到接近光速时，按照相对论的理论，粒子的质量将随速率的增大而明显增大，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，使粒子不能连续加速。
为了获得更高的带电粒子，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，人们还设计了其他的新型加速器。目前世界上最大的加速器已能使质子的能量达到1000GeV。
我国在高能粒子研究领域发展很快，并取得了多项举世瞩目的成就，我国北京的正负电子对撞机，能使电子束流的能量达到2.8GeV。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！
本节课到此结束，为学生在课外的深入探讨留下思考的空间。
通过介绍我国在高能粒子研究领域的成就，增强学生的民族自豪感、培养学生的爱国热情。
7、练习、总结、作业
巩固学习成果，加深理解。
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