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1、《回旋加速器》教學設(shè)計
【設(shè)計思想】
本節(jié)課“回旋加速器”是帶電粒子在電場和磁場中運動的一個具體的綜合實例。本節(jié)課的主要任務(wù)在于提高學生應(yīng)用所學知識分析解決問題的能力，并在應(yīng)用過程中加深對電場和洛侖茲力的理解，同時體會科學研究的方法和思想。因此，本節(jié)課采用問題引導的方式，充分調(diào)動學生進行分析討論，讓學生如同身臨其境地“參與”加速器的“設(shè)計”和“改進”，這樣能更好地讓學生體驗并深入理解回旋加速器的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)、用途。
【教學目標】
1． 了解回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)，理解回旋加速器的設(shè)計原理
2． 理解回旋加速器加速帶電粒子的特點
3． 通過回旋加速器的設(shè)計過程，加深對磁場和電場
2、特點的認識
4． 經(jīng)歷回旋加速器的設(shè)計過程，體會科學研究的方法和思想
【教學重點】
回旋加速器對帶電粒子的加速原理及特點
【教學難點】
1．加速電場與帶電粒子運動周期的同步關(guān)系
2．帶電粒子最大動能和最大速度的影響因素
【教學過程】
一、引入
1．類比情景導入
出示一個核桃，如果需要知道它內(nèi)部是怎樣的，需要怎么做？
（打開看個究竟，用錘砸開）
2．課題引入
科學研究也是如此，對于原子核，要深入研究或者讓原子核發(fā)生反應(yīng)，也必須用“炮彈”把它轟開。這樣的“炮彈”需要用高能粒子來充當，通常為質(zhì)子、電子、中子、氦核等。
首先需要解決的問題是，如何獲得高能粒子。
二、加速器
3、的實現(xiàn)和改進
1．加速原理
如何獲得高能粒子呢？對于帶電粒子來說很容易想到辦法，讓帶電粒子加速。
（帶電粒子在電場中加速）
帶電粒子經(jīng)過電場加速后，能夠獲得多大的能量？怎樣使這個能量高一些？
（ΔEK=qU，提高能量，可以提高加速電壓）
當初科學家也是這么想的，進行了許多嘗試去獲得高電壓，采用多級變壓器，靜電發(fā)生器等。但產(chǎn)生高壓要受到許多限制，那個年代大概只能到幾十萬伏，不足以得到所需的高能粒子。必須考慮其它的辦法。
2．加速器的改進
科學家們希望能夠利用較低的電壓，把粒子加速到高能量。
（多級加速）
多級加速思想如何實現(xiàn)？畫出示意圖，解釋原理。
根據(jù)示意圖，提出問題，兩
4、個加速電場之間會產(chǎn)生一個減速，如何解決這個問題？
（引導學生考慮靜電屏蔽的方法）
根據(jù)學生解釋的原理，介紹直線加速器，簡單說明真實的直線加速器的實現(xiàn)（采用交流電提供電壓，各屏蔽筒長度不等）
出示直線加速器圖片（北京正負電子對撞機注入器），全長204米。是否占據(jù)太大空間？
三、回旋加速器的設(shè)計及結(jié)構(gòu)
1．設(shè)計思想
能否進行改進，節(jié)省空間？
（在同一個加速電場中反復(fù)加速）
引導學生討論，總結(jié)得到設(shè)計方法：利用電場加速，磁場控制軌道。
2．設(shè)計思想的實現(xiàn)——原理
畫出電場、磁場示意圖，請學生思考討論，具體應(yīng)該如何實現(xiàn)，帶電粒子如何被反復(fù)加速，大致軌道是什么樣的。請學生自己嘗試畫出
5、帶電粒子的運動軌跡。
引導學生思考回答，同時在黑板上分析粒子在回旋加速器中加速的原理，逐步分析每一階段帶電粒子的速度、受力、軌道半徑（用半徑公式分析）。要使帶電粒子在經(jīng)過電場時始終加速，加速電壓的正負極有何要求？
討論加速電壓的變化問題，明確加速電壓應(yīng)與粒子運動相配合。討論加速電壓周期和粒子圓周運動周期的關(guān)系，并討論粒子圓周運動周期的特點。
（通過討論，最終得到加速電壓周期與粒子圓周運動周期相同（同步條件），并且不隨速度增大而改變。）
3．回旋加速器的結(jié)構(gòu)
引導學生討論：電場、磁場如何提供？粒子在磁場中運動時裝置對電場的屏蔽？粒子加速后從何處引出？
介紹D形盒的巧妙之處：作為電極在
6、縫隙間形成加速電場；中空D形盒給粒子運動提供空間；D形盒內(nèi)部可屏蔽電場；用不易被磁化的銅材料制作。
再介紹回旋加速器各個部分及作用（D形盒、交流電源、真空裝置、強電磁鐵、粒子源、引出裝置）。
四、帶電粒子在回旋加速器中運動的討論
1．帶電粒子最終能量的影響因素
敘述帶電粒子在回旋加速器中的運動過程：帶電粒子從中心處的粒子源出發(fā)，進入電場加速，再進入磁場做半個周期的圓周運動，回到已變換方向的電場再次加速，再進入磁場做半徑更大的圓周運動，如此反復(fù)，直到粒子貼近D形盒盒壁，半徑達到最大值時被引出以供使用。
提出問題，讓學生思考：如果要使加速后的粒子獲得更大的能量，可以采取哪些措施？
（引
7、導學生討論，首先讓學生明確最終能量即粒子被引出加速器時刻的能量。充分利用學生之間的不同意見，讓學生最終通過自己的討論得到影響因素：D形盒半徑、磁感應(yīng)強度B。并且通過學生的爭論，明確加速電壓U只影響單次加速粒子的能量增量，同時加速次數(shù)會減少，對最終能量沒有影響。討論過程中，得到最大能量的表達式。）
在核物理研究中，為了進行更深入的研究，需要更高能量的粒子去轟擊原子核，因此回旋加速器不斷地改進，得到的粒子能量也不斷提高。從4.5吋、9吋、11吋、27吋、36吋，到60吋（1吋=2.54厘米），質(zhì)子加速后能量可以達到幾十兆電子伏特。27吋回旋加速器所用電磁鐵芯75噸，勵磁線圈銅線8
8、噸。非常龐大復(fù)雜的工程。
2．回旋加速器的制約因素與加速器的改進
在建造更大的回旋加速器時，在基本原理上出現(xiàn)了問題，粒子運動周期不再穩(wěn)定，同步條件被破壞。請學生猜想分析原因。
（粒子能量很高時，速度很大，必須考慮相對論效應(yīng)，粒子質(zhì)量隨速度增大而增大，回轉(zhuǎn)周期發(fā)生變化）
若使電子和氘核具有相同能量，由于電子質(zhì)量遠小于氘核，其速度就應(yīng)遠大于氘核，它將很快收到上述相對論效應(yīng)的限制。因而回旋加速器一般用來加速較大質(zhì)量的粒子，不用以加速電子。加速電子可用“電子感應(yīng)加速器”。
要得到更大能量的粒子，需要采用同步穩(wěn)相原理，建造同步加速器。并且，再看直線加速器并不存在這個問題，可以把直線加速器做得非
9、常大，幾公里甚至幾十公里的長度。
3．帶電粒子在回旋加速器中的半徑和運動時間的定量討論
請課后思考：
（1）前面考慮過帶電粒子在磁場中運動時，半徑不斷增大，相鄰軌道間距離是相等的嗎？兩相鄰軌道半徑大小有什么關(guān)系呢？
（不等距，）
（2）我們清楚了帶電粒子在回旋加速器中的運動過程，那如果需要你計算帶電粒子在回旋加速器中運動的總時間，應(yīng)該怎樣考慮這個問題？
（分別考慮磁場和電場中的運動時間。磁場中運動時，考慮運動了多少圈；電場中運動時，考慮速度從0加速到最大速度的全過程）
五、總結(jié)
1．本節(jié)課的主要內(nèi)容是回旋加速器，經(jīng)歷了加速器的整個設(shè)計改進過程。
2．本節(jié)課的幾個重點：回旋加速器的基本設(shè)計思想（電場加速、磁場控制軌道）；交變電壓周期與粒子回旋周期相同；粒子加速后的最大能量與最大半徑和磁場強弱有關(guān)，與加速電壓無關(guān)。
3．帶電粒子在電場和磁場中運動的特點比較。
【板書設(shè)計】
高中物理 帶電粒子在勻強磁場中運動應(yīng)用《回旋加速器》教學設(shè)計 新人教版選修3-1（通用）
