高中物理 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)應(yīng)用《回旋加速器》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修3-1（通用）

回旋加速器教學(xué)設(shè)計(jì) 【設(shè)計(jì)思想】本節(jié)課“回旋加速器”是帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一個(gè)具體的綜合實(shí)例。本節(jié)課的主要任務(wù)在于提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力，并在應(yīng)用過(guò)程中加深對(duì)電場(chǎng)和洛侖茲力的理解，同時(shí)體會(huì)科學(xué)研究的方法和思想。因此，本節(jié)課采用問(wèn)題引導(dǎo)的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行分析討論，讓學(xué)生如同身臨其境地“參與”加速器的“設(shè)計(jì)”和“改進(jìn)”，這樣能更好地讓學(xué)生體驗(yàn)并深入理解回旋加速器的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)、用途。【教學(xué)目標(biāo)】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(jì)原理2 理解回旋加速器加速帶電粒子的特點(diǎn)3 通過(guò)回旋加速器的設(shè)計(jì)過(guò)程，加深對(duì)磁場(chǎng)和電場(chǎng)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)4 經(jīng)歷回旋加速器的設(shè)計(jì)過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究的方法和思想【教學(xué)重點(diǎn)】回旋加速器對(duì)帶電粒子的加速原理及特點(diǎn)【教學(xué)難點(diǎn)】1加速電場(chǎng)與帶電粒子運(yùn)動(dòng)周期的同步關(guān)系2帶電粒子最大動(dòng)能和最大速度的影響因素【教學(xué)過(guò)程】一、引入1類比情景導(dǎo)入出示一個(gè)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(gè)究竟，用錘砸開）2課題引入科學(xué)研究也是如此，對(duì)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(lái)充當(dāng)，通常為質(zhì)子、電子、中子、氦核等。首先需要解決的問(wèn)題是，如何獲得高能粒子。二、加速器的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)1加速原理如何獲得高能粒子呢？對(duì)于帶電粒子來(lái)說(shuō)很容易想到辦法，讓帶電粒子加速。（帶電粒子在電場(chǎng)中加速）帶電粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后，能夠獲得多大的能量？怎樣使這個(gè)能量高一些？（EK=qU，提高能量，可以提高加速電壓）當(dāng)初科學(xué)家也是這么想的，進(jìn)行了許多嘗試去獲得高電壓，采用多級(jí)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(gè)年代大概只能到幾十萬(wàn)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(jìn)科學(xué)家們希望能夠利用較低的電壓，把粒子加速到高能量。（多級(jí)加速）多級(jí)加速思想如何實(shí)現(xiàn)？畫出示意圖，解釋原理。根據(jù)示意圖，提出問(wèn)題，兩個(gè)加速電場(chǎng)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)減速，如何解決這個(gè)問(wèn)題？（引導(dǎo)學(xué)生考慮靜電屏蔽的方法）根據(jù)學(xué)生解釋的原理，介紹直線加速器，簡(jiǎn)單說(shuō)明真實(shí)的直線加速器的實(shí)現(xiàn)（采用交流電提供電壓，各屏蔽筒長(zhǎng)度不等）出示直線加速器圖片（北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)注入器），全長(zhǎng)204米。是否占據(jù)太大空間？三、回旋加速器的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)1設(shè)計(jì)思想能否進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)省空間？（在同一個(gè)加速電場(chǎng)中反復(fù)加速）引導(dǎo)學(xué)生討論，總結(jié)得到設(shè)計(jì)方法：利用電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)控制軌道。2設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)原理畫出電場(chǎng)、磁場(chǎng)示意圖，請(qǐng)學(xué)生思考討論，具體應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)，帶電粒子如何被反復(fù)加速，大致軌道是什么樣的。請(qǐng)學(xué)生自己嘗試畫出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。引導(dǎo)學(xué)生思考回答，同時(shí)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(guò)電場(chǎng)時(shí)始終加速，加速電壓的正負(fù)極有何要求？討論加速電壓的變化問(wèn)題，明確加速電壓應(yīng)與粒子運(yùn)動(dòng)相配合。討論加速電壓周期和粒子圓周運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系，并討論粒子圓周運(yùn)動(dòng)周期的特點(diǎn)。（通過(guò)討論，最終得到加速電壓周期與粒子圓周運(yùn)動(dòng)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(dǎo)學(xué)生討論：電場(chǎng)、磁場(chǎng)如何提供？粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)裝置對(duì)電場(chǎng)的屏蔽？粒子加速后從何處引出？介紹D形盒的巧妙之處：作為電極在縫隙間形成加速電場(chǎng)；中空D形盒給粒子運(yùn)動(dòng)提供空間；D形盒內(nèi)部可屏蔽電場(chǎng)；用不易被磁化的銅材料制作。再介紹回旋加速器各個(gè)部分及作用（D形盒、交流電源、真空裝置、強(qiáng)電磁鐵、粒子源、引出裝置）。四、帶電粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的討論1帶電粒子最終能量的影響因素?cái)⑹鰩щ娏Ｗ釉诨匦铀倨髦械倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程：帶電粒子從中心處的粒子源出發(fā)，進(jìn)入電場(chǎng)加速，再進(jìn)入磁場(chǎng)做半個(gè)周期的圓周運(yùn)動(dòng)，回到已變換方向的電場(chǎng)再次加速，再進(jìn)入磁場(chǎng)做半徑更大的圓周運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到粒子貼近D形盒盒壁，半徑達(dá)到最大值時(shí)被引出以供使用。提出問(wèn)題，讓學(xué)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？（引導(dǎo)學(xué)生討論，首先讓學(xué)生明確最終能量即粒子被引出加速器時(shí)刻的能量。充分利用學(xué)生之間的不同意見，讓學(xué)生最終通過(guò)自己的討論得到影響因素：D形盒半徑、磁感應(yīng)強(qiáng)度B。并且通過(guò)學(xué)生的爭(zhēng)論，明確加速電壓U只影響單次加速粒子的能量增量，同時(shí)加速次數(shù)會(huì)減少，對(duì)最終能量沒有影響。討論過(guò)程中，得到最大能量的表達(dá)式。） 在核物理研究中，為了進(jìn)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(jìn)，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(dá)到幾十兆電子伏特。27吋回旋加速器所用電磁鐵芯75噸，勵(lì)磁線圈銅線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(jìn)在建造更大的回旋加速器時(shí)，在基本原理上出現(xiàn)了問(wèn)題，粒子運(yùn)動(dòng)周期不再穩(wěn)定，同步條件被破壞。請(qǐng)學(xué)生猜想分析原因。（粒子能量很高時(shí)，速度很大，必須考慮相對(duì)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(yuǎn)小于氘核，其速度就應(yīng)遠(yuǎn)大于氘核，它將很快收到上述相對(duì)論效應(yīng)的限制。因而回旋加速器一般用來(lái)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(gè)問(wèn)題，可以把直線加速器做得非常大，幾公里甚至幾十公里的長(zhǎng)度。3帶電粒子在回旋加速器中的半徑和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的定量討論請(qǐng)課后思考：（1）前面考慮過(guò)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，半徑不斷增大，相鄰軌道間距離是相等的嗎？?jī)上噜徿壍腊霃酱笮∮惺裁搓P(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(yùn)動(dòng)過(guò)程，那如果需要你計(jì)算帶電粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間，應(yīng)該怎樣考慮這個(gè)問(wèn)題？（分別考慮磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮運(yùn)動(dòng)了多少圈；電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮速度從0加速到最大速度的全過(guò)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(gè)設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程。2本節(jié)課的幾個(gè)重點(diǎn)：回旋加速器的基本設(shè)計(jì)思想（電場(chǎng)加速、磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，與加速電壓無(wú)關(guān)。3帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)比較?！景鍟O(shè)計(jì)】