回旋加速器的模擬演示的課件制作說明.doc

“回旋加速器”的模擬演示的課件制作說明 　　北京市通州區(qū)教師研修中心　高曉玲　高世雄 　　高中物理第二冊電磁場磁場介紹回旋加速器一節(jié)，學(xué)生不能直觀感受到回旋加速器的工作過程。為了使學(xué)生能夠直觀地感受到它的工作過程，我們利用幾何畫板4．04版制作了“回旋加速器的模擬演示”，對于邊回旋邊加速，電極每180度交換一次極性，科學(xué)地、真實(shí)地模擬了回旋加速器的工作過程，獲得了非常好的效果?，F(xiàn)將我們的制作思路及實(shí)現(xiàn)過程寫出來，希望能對當(dāng)前的課程改革起到一定地推動作用。 　　一、軌跡特點(diǎn)、設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)過程 　　由物理知識知，粒子在勻強(qiáng)磁場中作半徑不斷擴(kuò)大的同周期的圓周運(yùn)動。軌跡形狀如圖1所示。這里需要解決三個問題，1．無數(shù)半圓的良好銜接問題，2．粒子作同周期的圓周運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)問題，3．運(yùn)動蹤跡的實(shí)現(xiàn)問題。 　　1、無數(shù)半圓的良好銜接的實(shí)現(xiàn)思路。研究圓心A的變化規(guī)律，研究圓上的點(diǎn)B的變化規(guī)律，以動態(tài)的圓心和動態(tài)的圓上點(diǎn)為基準(zhǔn)作圓，則這些半圓很自然地形成一個統(tǒng)一體。研究過程如下：看圖1，設(shè)AB=a，AA’=b。設(shè)參數(shù)t為粒子所在位置與圓心的連線和水平右方向的夾角。 t取值 A點(diǎn)水平向右平移量 B點(diǎn)水平向右平移量 t<180度 0 0 180度≦t<360度 b 2b 360度≦t<540度 0 2b 540度≦t<720度 0．9b 3．8b 720度≦t<900度 0 3．8b 900度≦t<1080度 0．8b 5．4b 1080度≦t<1260度 0 5．4b 圖1 　　經(jīng)研究確認(rèn)，A點(diǎn)水平向右平移量=n1=[1-（-1）trunc（t/180）]2*{1-0．1*trunc[（t-180。）/360。]}b，B點(diǎn)水平向右平移量=n2=[sgn（t-180）+sgn（540。-t）]/2*2b+[sgn（t-540）+sgn（900。-t）]/2*3．8b+[sgn（t-900）+sgn（1260。-t）]/2*5．4b+[sgn（t-1260）+sgn（1620。-t）]/2*6．8b+[sgn（t-1620）+sgn（1980。-t）]/2*8b+[sgn（t-1980）+sgn（2340。-t）]/2*9b+[sgn（t-2340）+sgn（2700。-t）]/2*9．8b+[sgn（t-2700）+sgn（2970。-t）]/2*10．4b。使A向右平移n1，得到A’。使B向右平移n2，得到B。以A’為圓心，B’為圓上點(diǎn)作圓，則圓半徑隨t角度值的變大而有規(guī)律的變化。 　　（1）無數(shù)半圓的良好連接的制作過程： 　?、僭谄聊黄戏降倪m當(dāng)位置畫一條水平直線，隱藏該直線的兩個生成點(diǎn)。在該直線的左半部分適當(dāng)位置作一點(diǎn)A和B，并度量A、B兩點(diǎn)間距離。調(diào)節(jié)B點(diǎn)，使AB=2cm左右，并將距離AB改名為a，則a=2cm。 　?、谠谠撝本€的右半部分適當(dāng)位置作一點(diǎn)C和D，度量C、D兩點(diǎn)間的距離，調(diào)節(jié)D點(diǎn)，使CD=0．5cm，并將距離CD改名為b，則b=0．5cm。 　?、墼谄聊恢醒氘嬕凰街本€，隱藏該直線的生成點(diǎn)，在此直線的大約中央部位任作一點(diǎn)E，平移E點(diǎn)標(biāo)定距離a，角度為0，得點(diǎn)F。 　?、苄陆▍?shù)t=200， 　?、萜揭艵點(diǎn)標(biāo)定距離n1，角度0得點(diǎn)E’。 　　平移F點(diǎn)，標(biāo)定距離n2，角度0，得點(diǎn)F’。 　?、抟訣’為圓心，以F’為圓上點(diǎn)作⊙E’，見圖2。 圖2 　　2、粒子作同周期的圓周運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)思路。當(dāng)某點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離固定時(shí)，該點(diǎn)勻角速地旋轉(zhuǎn)時(shí)，該點(diǎn)的運(yùn)動就是周期不變的圓周運(yùn)動。通過旋轉(zhuǎn)中心及這點(diǎn)作射線，則射線作周期不變的圓周運(yùn)動。找射線與⊙E’的交點(diǎn)，則交點(diǎn)作周期不變的圓周運(yùn)動，同時(shí)隨t角度的變大，交點(diǎn)半徑有規(guī)律的變大。從而模擬了粒子的回旋加速運(yùn)動。 　?。?）粒子作同周期的圓周運(yùn)動的制作過程： 　　平移E’1．0cm，0到E’’。以E’為旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)E’’t角度，得點(diǎn)E’’’。作射線E’E’’’交⊙E’于G點(diǎn)。（這樣，當(dāng)設(shè)計(jì)t勻速變化時(shí)，E’’’作周期不變的圓周運(yùn)動。雖然G點(diǎn)、E’點(diǎn)兩點(diǎn)距離可變，但周期是不變的。）見圖3。 n 2 = 1.06 n 1 = 0.50 t = 200.00 b = 0.50 a = 2.01 G E E F E F A B C D E 圖3 　　選中G點(diǎn)，設(shè)為追蹤點(diǎn)。將E”點(diǎn)、E’’’點(diǎn)、射線E’ E’’’隱藏。選中t，打開動畫對話框，作如下設(shè)置：動畫范圍從0～2970，以45單位/0．5秒漸增，連續(xù)，只播一次。動畫標(biāo)簽設(shè)為“回旋”。選中參數(shù)t，編輯/動畫，范圍從0~0．001，方向：自由，只播一次，標(biāo)簽為“復(fù)原1”，見圖4。 n 2 = 1.01 n 1 = 0.50 t = 200.00 b = 0.50 a = 2.01 1 G F E F A B C D E 圖4 　　3、設(shè)計(jì)飛出軌跡思路：當(dāng)參數(shù)t從0變到2970時(shí)，G點(diǎn)環(huán)繞E’轉(zhuǎn)動了8．25圈，之后要作勻速直線運(yùn)動飛離D型盒。由此我設(shè)計(jì)當(dāng)G點(diǎn)到達(dá)第8．25圈處時(shí)，讓某點(diǎn)接著作勻速直線運(yùn)動飛出。 　?。?）飛出軌跡的制作： 　　計(jì)算a+10．4b，并將之標(biāo)簽為n3。平移E點(diǎn)標(biāo)定距離n3，角度90得點(diǎn)，將此點(diǎn)標(biāo)簽為H。過H點(diǎn)作水平直線的平行線，在平行線上H點(diǎn)左半部分適當(dāng)位置任作一點(diǎn)I。隱藏H點(diǎn)、I點(diǎn)所在直線。過H點(diǎn)、I點(diǎn)作射線HI，在射線HI上任作一點(diǎn)J，將J設(shè)為追蹤點(diǎn)。選中J點(diǎn)，編輯/動畫，打開動畫對話框，設(shè)置如下：向前，只播一次，速度為其它：4。標(biāo)簽為“飛出”。隱藏HI射線及I點(diǎn)。選定“回旋”按鈕，“飛出”按鈕，作系列按鈕。選依序執(zhí)行，標(biāo)簽為“回旋加速”。選中J點(diǎn)，H點(diǎn)作“移動”按鈕。速度選“高速”，標(biāo)簽為“復(fù)原2”。選定“復(fù)原1”和“復(fù)原2”按鈕，作系列按鈕“復(fù)原”，選同時(shí)，選“動作前清除所有軌跡”。調(diào)節(jié)B點(diǎn)使a=0．9cm，調(diào)節(jié)D點(diǎn)使b=0．4cm。 　　二、制作D型盒： 　　思路：上半盒和下半盒都是半圓，半徑略大于粒子作圓周運(yùn)動時(shí)的最大軌跡半徑。 　　制作：檢查t是否為200，若不是將之改為t=200。調(diào)節(jié)B點(diǎn)使a=0．5cm，調(diào)節(jié)D點(diǎn)使b=0．5cm。計(jì)算a+10．1b值，平移E點(diǎn)a+10．1b值及90，得點(diǎn)E’將之改為M。平移E點(diǎn)a+10．8b值及90，得點(diǎn)E’改之為N。平移E點(diǎn)a+10．1b及179，得點(diǎn)E’，改之為K。平移E點(diǎn)a+10．8b及1，得點(diǎn)E’改之為L。作弧EMK（相當(dāng)于第二象限的四分之一圓）。作圓上的弧ELN，（相當(dāng)于第1象限的四分之一圓）。連接K、L兩點(diǎn)。平移E點(diǎn)a+10．8b值-1，得點(diǎn)O’改名為P。選定E點(diǎn)，平移E點(diǎn)a+10．8b值-179，得點(diǎn)O’改名為Q。選定E、Q、P三點(diǎn)，作圓上的弧，連接Q、P兩點(diǎn)。隱藏一切非必要顯示者，但參數(shù)t別隱藏。 　　然后，畫兩根導(dǎo)線連接在D型盒上。作水平線段RS，使R在上半盒上。隱藏R、S兩點(diǎn)。作水平線段TU，使T在下半盒上。隱藏T、U兩點(diǎn)，隱藏非必要顯示者。 　　三、制作D型盒的電極變化： 　　思路：兩個電極，一個用蘭色表示，另一個用紅色表示。且隨粒子的旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)180更換一次極性，即更換D型盒的顏色。 　　制作過程： 　　計(jì)算[1-（-1）trunc（t/180）]/2+0．2，標(biāo)簽為N。 　　計(jì)算[1+（-1）trunc（t/180）]/2+0．2，標(biāo)簽為M。 　　選定上半盒及電線，選定N，操作顯示/顏色/參數(shù)。打開對話框后，作如下設(shè)置：顯示對象：顏色。N范圍：0～1．0，選雙向循環(huán)，確定。 　　選定下半盒及電線，選定M，操作顯示/顏色/參數(shù)，顯示對象：顏色，M范圍0~1．0，選雙向循環(huán)，確定。加粗D型盒，如圖5所示。 圖5 　　四、畫磁感線 　　制作思路：用十字線段表示磁感線，制作一個十字線段工具，然后在上下D型盒內(nèi)畫磁感線。 　　制作過程：畫一點(diǎn)C，平移此點(diǎn)0．5cm，45到另一點(diǎn)C’，以C點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)C’90、180、-90，得到點(diǎn)C’’、C’’’、C’’’’。再畫互相垂直的兩條線段C’C’’’、C’’C’’’’，保留C點(diǎn)及兩線段，其余隱藏。選定C點(diǎn)及兩線段，選定自定義工具，創(chuàng)建工具，命名之為“磁感線”，然后利用工具“磁感線”畫磁感線，最后成型如圖6所示。 圖6 　　演示：按“回旋加速”按鈕，可演示粒子回旋加速并飛出的全過程。按“復(fù)原”按鈕則恢復(fù)原狀。 　　五、制作標(biāo)題“回旋加速器” 　　在右邊適當(dāng)位置利用文本工具拖出一個文本框，輸入豎放的“回旋加速器”五個字。格式為48號字，紅色。如圖7所示。 圖7 　　內(nèi)容介紹完畢，望廣大老師們制作之，研究之，使用之。并提出寶貴建議共同切磋之。