“回旋加速器”的探究式教学设计，本文主要内容关键词为：加速器论文,式教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学探究的基本过程是：提出问题、设计方案、搜集证据、分析证据、形成结论或假设、验证结论、交流报告、反思等。一堂课要探究什么？怎样探究才能“让所有的学生都受到必需的、有区别的物理教育。”这就需要教师正确的指导。
教师的指导作用主要有两方面：一是为学生能顺利开展探究性学习创设一定的问题情景，提供相关的资料、信息环境；二是在实施过程中关注教学目标的落实，引导探究、指出误区、把握探究方向，以及排除学生自己无法解决的困难。在探究过程中，最有价值探究的地方是教师发挥指导作用的地方，在此处要让学生的思维得到充分的展开。现以“回旋加速器”教学为例设计如下。
一、教学设想
1.“回旋加速器”是学生在学习带电粒子在电场和磁场中运动的基础上研究的一个重要的物理实验设备。它在科学研究方面都有广泛的应用。
2.通过探究学习，要让学生自主认知的知识目标是：知道回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理；并能根据带电粒子在电场中的加速原理和在磁场中的运动特点处理有关回旋加速器的问题。
3.通过探究过程，要培养达到的技能目标是：培养学生的观察能力、分析推理能力，通过对加速器的由简单到复杂、由低级到高级的探究过程，体会在物理学习过程中“归纳法”在推理时的重要作用，培养学生科学的研究态度和方法，培养学生运用带电粒子在电磁场运动的知识解决简单实际问题的能力。
二、教学过程
1.设疑引入课题——“回旋加速器”
1.1教师介绍：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。
1.2提出设问：加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？
1.3引出课题：这就是今天要学习的课题。让我们都以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧。
2.认识探究——带电粒子的加速
2.1利用电场加速带电粒子：
(2)由上可知，要获得高能粒子，就必须尽量提高加速电压，但用这种方法加速粒子，只能达到几十万至几兆电子伏。
(3)设问：如何才能突破电压限制，使带电粒子加速后可获得更大能量？
图1
图2
2.2通过多级加速获得高能粒子：
(1)如图2，可加几个电场，由
可知，只要增加电场的数目n，就可使粒子获得足够大的能量。
(2)采用多个电场，可使粒子多级加速，突破电压限制。但在两加速电场中间必夹着一个反向电场，当粒子通过时，将受到阻碍，实际不能实现多级加速。
(3)设问：怎样才能消除反向电场的影响，真正实现多级加速呢？
2.3采用静电屏蔽和交变电源提供加速电压：
(1)采用静电屏蔽。可用金属圆筒代替原来的极板。如图3，这样，既可在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内场强为零，可消除减速电场的影响。
图3
图4
(2)如图4，接上电源，提供各级的加速电压，若电源的极性保持恒定，粒子在第一级电场得到加速，到第二级又减速，还是不能实现加速。
(3)为“及时”地改变AB间极性，就要给AB之间加上交变电压。但用等长圆筒，随着带正电粒子的加速，电压交变的时间越来越短；用电源频率恒定的交变电压，就要使金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而增长。这样的加速器所占有的空间就大，人们通常称之为直线加速器。
(4)设问：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？
3.探究升华——带电粒子的回旋加速
3.1提出设想：如用一个电场，粒子经加速后进入磁场，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，再加速。如此循环，就可制成回旋加速器。
3.2推理探究：
如图5所示，设位于加速电场中心的粒子源发出带正电粒子，以速率
垂直进入匀强磁场中，如果它在电场和磁场的作用下，不断地得到加速，把粒子的运动轨迹大致描绘如图6所示，并从运动轨迹归纳出的几个特点。
第一，从画出轨迹看，是一条半径越来越大螺旋线，这是因为带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式为
，随着粒子不断加速，速度越来越大，半径也相应增大。
图5
图6
第二，为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应采用交变电源，并且，还须使电源极性变化与粒子的运动保持同步。
因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期为
，它与速度无关。所以对于给定的带电粒子，它在匀强磁场中运动的周期是恒定的。
第三，粒子在电场中运动的时间，从回旋加速器的基本结构看，其主要的组成是：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。这两个D形盒既是两个电极，还起到静电屏蔽的作用，它们的窄缝间形成加速电场，所以在电场中运动的时间极短，可忽略不计，所以电源的频率也应是恒定的。
3.3历史回顾：早在1932年，美国物理学家劳伦斯正是沿着这条思路，发明了回旋加速器，使人类在获得高能的粒子方面迈进了一大步。为此，劳伦斯荣获了诺贝尔物理学奖。
3.4回旋加速器的局限性：能否设想尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，来获得任意高能量的粒子呢？实际并非如此，因为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。
3.5粒子加速的展望：为了获得更高能量的粒子，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他的新型加速器。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。
三、教学反思
1.关于课题的选定
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，回旋加速器又是劳伦斯力应用的著名实例，借此机会，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。
2.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：
图7
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络：一是教材知识的内在联系，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，一旦突入“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。
3.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，于是进一步培养了他们的物理思维能力。
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