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2019-2020年人教版高中物理選修3《回旋加速器》表格式教學設計 一、教材分析 “回旋加速器”是《磁場》一章中“帶電粒子在電磁場中運動規(guī)律”的典型應用，這部分知識也是高考中的重點和難點。而且，回旋加速器作為一種高科技的實驗設備，學生往往對其懷有濃厚的學習興趣，有意識的讓學生到當今科學的前沿“圣地”去涉足一番，也將有助于他們開闊視野，培養(yǎng)志趣。 二、教學目標 知識與技能：了解回旋加速器的基本結構，理解它的工作原理，并能解決粒子在電磁場中運動的相關問題。 過程與方法：學生通過體驗自主設計回旋加速器的過程，提高學生應用物理知識分析、解決實際問題的能力。 情感態(tài)度與價值觀：在學生自主設計回旋加速器的過程中，體驗成功的樂趣，激發(fā)學生的思維狀態(tài)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識；并通過介紹我國在高能粒子研究領域的成就，增強學生的民族自豪感、培養(yǎng)學生的愛國熱情。 三、教學重難點 1、重點：了解回旋加速器的基本結構，理解它的工作原理。 2、難點：利用物理知識逐步探究設計回旋加速器的過程。 四、教學方法 新課程標準把探究式學習提到了學習方式的核心地位高度，但如何在教學中實現(xiàn)這種轉變是能否落實這一課程理念的重要問題。 本節(jié)課教材的編寫是平鋪直敘的介紹回旋加速器的原理和結構，回旋加速器雖然是一種高科技的實驗設備，但其原理和結構并不復雜，學生完全有能力在老師的引導下，自主探究設計出回旋加速器模型。因此本節(jié)課采用問題探究式教學法。 引入：設計高能粒子加速器 單級粒子加速器 多級串聯(lián) 回旋加速 要獲得更高能量？ 直線加速器 如何消除反向電場？ 減少設備？ 甄選設計方案 回旋加速器 講解結構、原理 讓學生從所學的電磁場知識出發(fā)，以探究設計高能粒子加速器為目標，輔之以一系列環(huán)環(huán)相扣的問題，引導學生在不斷的提出問題和解決問題的過程中“設計出”回旋加速器。這樣處理，可以使學生在學習過程中成為學習的主體，從而對回旋加速器的原理和結構的理解將更加深刻，而且理論分析能力和探究能力將同時得以訓練和培養(yǎng)；在學生探究過程中，教師以適當?shù)牡膯栴}進行點撥和引導，幫助學生突破思維障礙，從而突破教學難點。本節(jié)課的教學過程設計如下： 五、教學過程設計 教學環(huán)節(jié) 教學內(nèi)容 師生互動 設計意圖 引入 1、創(chuàng)設情景，提出探究問題：設計高能加速器。 師：在現(xiàn)代物理學中，為了研究物質的微觀結構，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。怎樣才能在實驗室大量地生產(chǎn)高能粒子呢？這就是我們今天所要學習的課題。讓我們以探索者的身份，從已有的知識出發(fā)，去設計一種用來加速粒子、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？ 以加速器的重要應用導出課題，激發(fā)學生的探索欲望；要求學生以探索者的身份進入角色，旨在將他們推上學習的主體地位。 新課 2、學生從自身原有的知識出發(fā)設計直線電場加速器。 ＋　 － v +q m U 圖1 （學生可以答出利用電場來加速帶電粒子。請學生畫出，見圖1） 師：根據(jù)圖示條件，帶電粒子加速后獲得多少能量？ （學生由動能定理可求得：EK＝mv2/2＝qU） 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，但我們知道實際能達到的加速電壓是有限的，約為幾百萬伏，那么得到的粒子的能量也只有幾兆電子伏，那么，我們能不能再改進我們的裝置，使帶電粒子獲得更大的能量呢？ （學生可以想到用多個加速電場，讓粒子逐一穿過它們獲得持續(xù)的加速。） 問題是探索的中心，疑問是思維的源頭。教學中及時、巧妙的設疑，是教師主導作用重要的體現(xiàn)。 3、通過學生之間的爭論和教師的設疑，完善直線加速器的設計。 ＋ － U ＋ － U ＋ － U ＋ － U +q m 圖2 師：（畫出板圖2）大家認為這樣有道理嗎？ （學生思考討論后可能有不同意見如下，若沒有則教師可提示學生從這兩個方面思考。） 有道理，依次加速最后的總能量可以達到EK＝nqU，只要增加電場的數(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，相鄰的加速電場中間，還夾著一個反向電場，當粒子通過它們時，又會受到阻礙而減速。 師：既然如此，那我們能不能把加速極板外的減速電場消除呢？ （根據(jù)學生的思考情況，可適當?shù)膯l(fā)學生：要防止外電場的干擾，可采用什么措施？） （用靜電屏蔽的辦法。將兩個加速電場之間的部分用金屬罩屏蔽起來。） U U U U +q m 圖3 U U U U +q m 圖4 師：好辦法。（修改如下圖3）而且我們還可以把圖3的設計進一步簡化（見圖4的設計），這正是直線加速器的基本原理。我國北京正負電子對撞機的注入部分，就是一個全長200多米的直線加速器。 4、教師繼續(xù)設疑，引導學生深入探究，如何既用一個電場，又可多次加速。 師：這類加速器固然有它的優(yōu)點，但實際實現(xiàn)時設備往往很長。我們能不能尋找一種既可使帶電粒子不斷加速，又不必增加設備長度的方法呢？ （學生思考、討論，教師適時啟發(fā)：只用一個電場，帶電粒子經(jīng)過加速后如果能再次返回，那就好了……） （學生可以想到外加磁場！利用帶電粒子在勻強磁場中作圓周運動的特點，使它重返電場，再次加速。） 師：這確實是一個巧妙的構思。那咱們就根據(jù)這個設想畫一下它的結構圖（見圖5），這樣就能使粒子重返電場了。 （學生很快就發(fā)現(xiàn)了問題：當粒子重返電場時，粒子進入的卻是反向的減速電場。） 師：那該怎樣改進呢？請大家都動手試試。 （學生思考、討論并提出修改建議。此處通?？赡苡腥缦聝煞N設計） － ＋ +q U 圖5 － ＋ +q 圖6 ＋ － － ＋ +q 圖7 U ～ 可以用兩個方向相反的加速電場（如圖6），這樣粒子就可以不斷的加速。 可以不斷的改變圖5中兩個極板上電場方向，當粒子每次返回到電場時都受到同向電場力的作用，這樣就可以不斷的加速了。（見圖7） 師：這兩種設計方案都非常的巧妙，但在實際設備制造過程中，加速電場的實現(xiàn)并非用通電極板實現(xiàn)，圖6所示的加速電場是很難實際實現(xiàn)的，因此實驗室中實際使用的是圖7所示的回旋加速器。不過，如果我們按照圖7的設計，要使帶電粒子不斷加速，提供電壓的電源應符合怎樣的要求呢？ （采用交變電流。讓學生根據(jù)圖7具體說明粒子加速和偏轉的過程） 師：那么交變電流也就是電場的頻率是遞變的還是恒定的呢？假設粒子質量m、電荷量為+q，磁感應強度為B，那么加速電場的頻率具體應該為多大呢？ （學生計算：f=1/T=qB/2πm，R=mv/qB，因此雖然粒子回旋半徑不斷變大，但電場的頻率是恒定的。在此，先不提示學生粒子在加速時所需的時間，留待下一個教學環(huán)節(jié)再解決。） 師：從上面的分析可以看出，電場的作用是粒子加速，磁場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行的同步條件。1932年美國物理學家勞倫思正是由于發(fā)明了這種加速器而獲得了當年的諾貝爾物理獎，從而使人類在獲得較高能量的粒子方面邁進了一大步。 再次激疑，用環(huán)環(huán)相扣的問題引導學生不斷的思考探究。 學生再次體驗到成功的喜悅，似乎也分享到了其中的一份榮耀。 5、在學生深入思考、成功“設計”出回旋加速器的基礎上，用多媒體課件演示它的結構圖，并用仿真模擬粒子回旋加速的過程，幫助學生深入理解回旋加速器的原理。 師：下面我們來看回旋加速器的基本結構。（多媒體課件出示回旋加速器的結構圖）回旋加速器主要由下列幾部分組成：D型盒、強電磁鐵、交變電源、引出裝置等。 （用多媒體課件根據(jù)設計繪出勻強磁場和交變電場并設置參數(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，兩個空心的D型金屬盒是它的核心部分，同學們能說明它的作用嗎？ （學生閱讀課本思考后，請同學們回答并補充） 是兩個電極，可在它們的縫間形成加速電場。 它還能起到靜電屏蔽的作用，使粒子在磁場中運動時只受磁場力而用圓周運動。 師：書中還有一個細節(jié)：“兩個D型盒之間留下個窄縫”，大家思考一下，為什么它們之間的縫能不能寬一些呢？ （此處學生并不容易想到，教師可做適當提示。學生思考、討論后回答：如果縫很寬，帶電粒子通過加速電場的時間就不能忽略不計，就會破壞同步條件，不能連續(xù)加速了。） 師：看來同學們對回旋加速器的原理和結構已有了一定的理解，那么我們再來思考一個問題，對于這樣一臺回旋加速器，采取哪些措施，才能使帶電粒子獲得更高的能量？ （學生根據(jù)剛才的推導及公式，可以得到下面的結論。教師還要及時總結。） 由EK＝nqU可知，可以增大加速電壓U和加速的次數(shù)n。 根據(jù)回旋加速器的結構及R=mv/qB，帶電粒子的速度越大，它的回轉半徑也越大，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，或者增大磁場的磁感應強度，就可以使粒子獲得更高的能量。 師：同學們能發(fā)表不同的見解，這很好。根據(jù)這上面的分析可以看出，粒子能夠達到的最大速度vm=BRq/m，與D型盒的半徑和磁場均成正比，與加速電壓是無關的。 多媒體課件的演示，使學生直觀的觀察到回旋加速器的構造和粒子回旋加速的過程，加深了學生對它的工作原理的理解，從而突出重點。 6、說明經(jīng)典的回旋加速器的局限性，介紹我國在高能粒子研究領域的成就，激勵學生學習本領、報效祖國。 師：講到這里，有的同學可能會想，如果盡量增大磁場的磁感應強度或加大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？（學生疑惑：難道不是嗎？） 實際并非如此，用經(jīng)典的回旋加速器加速粒子，最高能量只能達到20MeV。這是因為當粒子的速度大到接近光速時，按照相對論的理論，粒子的質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，人們還設計了其他的新型加速器。目前世界上最大的加速器已能使質子的能量達到1000GeV。 我國在高能粒子研究領域發(fā)展很快，并取得了多項舉世矚目的成就，我國北京的正負電子對撞機，能使電子束流的能量達到2.8GeV。希望同學們樹立志向，奮發(fā)學習，將來把祖國的科學技術推向世界的最前沿！ 本節(jié)課到此結束，為學生在課外的深入探討留下思考的空間。 通過介紹我國在高能粒子研究領域的成就，增強學生的民族自豪感、培養(yǎng)學生的愛國熱情。 7、練習、總結、作業(yè) 鞏固學習成果，加深理解。