教学目的
使学生知道回旋加速器的基本结构,理解它的工作原理;并通过教学,进一步激发学生的学习兴趣,培养他们运用物理知识分析和解决实际问题的能力.
教学过程
师: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.
加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢?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.
(由加速器的重要应用以及我国科技新成就导出课题,可以激发学生的求知欲望;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.)
师:先请哪位同学回答:用什么方法可以加速带电粒子?
生:利用电场可使带电粒子加速.
师:(板画图1)根据图示条件,带电粒子加速后可获得多大能量?
生:ek=mv2/2=qu
师:回答正确.由此看来,要获得高能量的带电粒子,就必须尽量提高加速电压.但我们知道,实际能达到的电压值总是有限的,不可能太高,因而用这种方法加速粒子,获得的能量也不够大,只能达到几十万至几兆电子伏.请同学们想一想,如何突破电压限制,使带电粒子获得更大的能量呢?
(疑问是思维的源头,问题是探索的中心.教学中及时、巧妙地存疑设问,是教师主导作用的重要体现.)
甲生:我想是否可以再加几个电场,让带电粒子逐一通过它们.
(教师根据学生回答,在图1上改画成图2)
师:大家认为这种设想有道理吗?
乙生:我认为有道理.这样一来,每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次加速得到的能量不是很大,但最后的总能量却可达到ek=nqu,只要增加电场的数目n,就可使粒子获得足够大的能量.
师:说得对.采用多个电场,使带电粒子实现多级加速,这确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想,十分可贵,但是,我们再仔细推敲一下它的可行性:按图2所示的方案,真能实现多级加速吗?
(学生陷入沉思.顷刻,有部分同学恍然大悟)
丙生:这个方案不可能获得高能量的带电粒子!
师:你发现什么问题了吗?
丙生:从图上可以看出,在相邻两级加速电场的中间,还夹着一个反向电场,当带电粒子通过它们时,将会受到阻碍作用.
师:丙同学考虑问题很全面,他不但看到了加速电场这有利的一面,同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”,设法把加速极板外侧的减速电场消除呢?
生:……
师:(进一步启发)请大家联系已学的知识:要防止外界电场的干扰,可采用什么措施?
生:采用静电屏蔽.
师:对.我们可用金属圆筒代替原来的极板.(在图2上改画成图3)这样,既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场,又使得圆筒内部的场强为零,从而消除了减速电场的不利影响.
师:再让我们讨论一下电源.为了简化装置,我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压.(在图3上改画成图4).如果我们要加速一带正电的粒子,若电源的极性保持恒定(始终为a正b负),你认为这个粒子能够“一路顺风”,不断加速吗?
生:不可能.因为,按这样的极性,带电粒子在第一级电场中能得到加速,但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量,将在减速电场中丧失贻尽.
师:说得很对.我们有什么方法可解决这个矛盾吗?
生:如果能及时地改变电源的极性,就可以解决了.
师:好主意!你能对照图4具体说明一下这“及时”的含义吗?
生:设开始时电源极性为a正b负,带正电粒子在第一级电场中加速,当它穿过第一只圆筒即将进入第二级电场时,电源极性应立即变为a负b正,使粒子又能继续加速.同理,当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时,电源又及时地改变极性,……以后也是如此.
师:分析正确.可见,为了实现带电粒子的多级加速,应该采用交变电源;并且,电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契,步调一致,即要满足同步条件,这是确保加速器正常工作的关键所在.那么,如何做到这一点呢?如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性,能够满足同步条件吗?
甲生:不能满足.因为带电粒子加速之后的速度越来越大,若金属圆筒的长度相等,则它每次穿越的时间就会越来越短.如要保证同步,电源频率应该越来越高才行.
师:谁还有不同的见解吗?
乙生:我认为当电源频率恒定时,也有可能满足同步条件,只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了.
师:甲、乙两位同学的意见可谓异曲同工,都有可能满足同步条件.在具体实施时,人们一般采用的是后一种方案.很明显,实施这种方案的关键,在于合理地设计金属圆筒的长度.那么,各圆筒长之间究竟应符合怎样的关系才行呢?这个问题稍许复杂一点,但只要运用我们所学的有关知识,也是不难解决的.有兴趣的同学在课后可以继续讨论,去完成这项设计任务.
(教学内容的安排应有弹性,注意留有余地,以贯彻“因材施教”的原则.)
师:通过以上的探索和研究,我们实际上已经勾画出一台加速器的雏形了.“麻雀虽小,五脏俱全”,它包含着一般加速器应具备的几个基本要素.下面,就请同学们一起来小结.
(根据学生回答,归纳并板书,关键字眼以彩笔突出.)
①利用电场加速带电粒子;
②通过多级加速获得高能粒子;
③将加速电场以外的区域静电屏蔽;
④采用交变电源提供加速电压;
⑤电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件.
(此段小结很有必要.它不仅可将前段探究活动的成果及时整理、提炼、充实和完善学生的认知结构,同时,也为接着学习回旋加速器奠定了基础,从而起到了承前启后的作用.)
师:刚才讨论的这类加速器,人们通常称之为直线加速器.例如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,我们自然会想: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呢?
生:……(思考、议论)
师:(自言自语)如果只用一个电场,带电粒子经过加速后还会再次返回,那就好了.……用什么方法能使粒子自动返回呢?……
生:(豁然开朗)外加磁场!利用带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的特点,可使它重返电场,再次加速.
师:好,这确是个巧妙的构想,说不定它还会导致一种新型加速器的延生呢!
(学主情绪亢奋,信心骤增)
(学习上的探究活动,同样需要有情绪力量的投入.为此,教师讲课不妨带些“情感色彩”,以利于渲染教学氛围,激活学习动因.)
师:下面就让我们按着这条思路,来具体分析一下工作原理.(板画图5)
设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子,以速率v0垂直进入匀强磁场中.如果它在电场和磁场的协同配合下,不断地得到加速,你能大致画出粒子的运动轨迹来吗?请每位同学都动手试试.要边画图,边思考,并注意联系前面归纳出的几条结论.
(教师巡视,对有困难的学生予以指导.多数学生完成之后,抽一人在图5上板画,得图6所示轨迹.)
师:同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了.接下去,请大家思考几个问题.第一,从画出轨迹看,它是条半径越来越大的螺旋线,这是什么缘故?
生:根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r=mv/bq,随着粒子不断加速,它的速度越来越大,因此,半径也相应增大.
师:对.再看第二个问题:为使带电粒子不断得到加速,提供加速电压的电源应符合怎样的要求?
生:要采用交变电源,并且,还必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步.
师:你能对照图6,再具体说明一下吗?
生:带正电粒子以速度v0进入磁场,当它运动半周后到达a1时,电源极性应是“a正a′负”,粒子被电场加速,速率从v0增加到v1.
为“a负a′正”,使粒子再次加速,速率从v1增加到v2……以后的情形就以此类推.
师:回答正确.从刚才的分析可以看出,电场的作用是使粒子加速,磁场的作用则使粒子回旋,两者的分工非常明确,同时,它们又配合得十分默契:电源交替变化一周,粒子被加速两次,并恰好回旋一周,这正是确保加速器正常运行的同步条件.(板书如下)
师:还有第三个问题:随着粒子不断加速它的速度和半径都在不断增大,为了满足同步条件,电源的频率也要相应变化吗?
生:不需变化,因为带电 粒子在匀强磁场中的运动周期t=2πm/bq,它与速度无关.
师:说得对.对于给定的带电粒子,它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的.有了这一条,我们就可免却随时调整电源频率以求同步的麻烦了.从而为最终实施我们的上述构想,提供了极大的便利.
早在1932年,美国物理学家劳仑斯正是沿着与我们相仿的巧妙思路.发明了回旋加速器,从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此,劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖.
(学生再次体验到成功的喜悦,似乎他们也分享到了其中的一份.)
师:下面让我们来看回旋加速器的基本结构.(出示挂图)从图上可以看出,回旋加速器主要由下列几部分组成(板书):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.同学们能说明它的作用吗?
(让学生自学课本,然后回答)
甲生:这两个d形盒就是两个电极,可在它们的缝间形成加速电场.
师:谁还有补充吗?
乙生:它还起到静电屏蔽的作用.使带电粒子在金属盒内只受磁场力作用,从而做匀速圆周运动.
师:书上还提到一个细节:“两个d形盒之间留一个窄缝,……”想一下,为什么要留窄的缝?宽些就不成吗?
丙生:……
丁生:如果缝很宽,粒子穿越电场所用的时间就不容忽略.而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的,从而使得粒子回旋一周所需的时间也将随之变化,这就会破坏同步条件.如果是窄缝,粒子在电场中运动的时间可以不计,就可避免不同步的麻烦了.
师:说得很对.看来同学们对回旋加速器的原理和结构己有了一定的理解.在此基础上,请大家再讨论一个问题:假如由你来设计一台回旋加速器,要求能使带电粒子获得更高的能量,你打算采用哪些措施?
(提出这种设计性问题的目的,在于深化学生思维,活化物理知识,使学习活动跨上更高的台阶.)
甲生:可以提高电源的电压.由公式ek=qu可知,电压值大了,粒子获得能量也大.
乙生:还可以加大d形盒的半径.使带电粒子有更大的回旋余地,随着加速次数的增多,粒子具有的能量也就大.
丙生:也可以增加磁感应强度.根据公式r=mv/bq,对应于一定的速度,b值越大,粒子的回旋半径b就越小,这样它在d形盒内就可以兜更多的圈,从而获得更大的能量.
师:对于上面几位同学的意见,大家有没有补充或不同的看法?
丁生;我认为甲同学的说法不对.因为提高了电源的电压后,尽管 可以使粒子每次加速获得的能量增大,但相应的回旋半径也要增大,这又会使得加速次数减少,最后粒子的总能量不见得就大.
师:同学们能发表不同的见解,这很好.究竟谁是谁非呢?我们还可以进一步分析:在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下,带/2=b2r2q2/2m.这就告诉我们,对于给定的带电粒子来说,它能获得的最高能量与d形电极半径的平方成正比,与磁感应强度的平方成正比,而与加速电压无直接的关系.
讲到这里,有的同学可能会想,如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大d形盒半径,我们不就可以使带电粒子获得任意高的能量了吗?但实际并非如此.例如: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.
为了获得更高能量的带电粒子,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它的新型加速器.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.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!
教案说明
一 关于课题选定
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,回旋加速器又是洛仑兹力应用的著名实例,藉此机会,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.
二 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:
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胳: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,一旦突破“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.
三 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,进一步培养了他们的能力。
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