回旋加速器教学设计_回旋加速器的教学设计

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3.6教学设计——回旋加速器

人教版

选修3-1 第三章第6节

一、教材分析

本节教材是从学生已经学过的知识入手，先简单介绍直线加速器的设想，提出不足，进而引出回旋加速器，分析其工作原理，并简单介绍回旋加速器的结构。通过对比多级直线加速器和回旋加速器的优缺点，显示科学发展的规律和发展的方向，引导学生思维，开阔学生思路，强化学生探索意识，激发学生学习兴趣。

二、学情分析

学生对电场和磁场的相关知识有了一定的了解，能够通过自己的分析探索带电粒子的加速原理，进而得到回旋加速器的基本构造。根据本节课内容特点和学生现状，采取探究学习的方法，锻炼学生的探索创新能力、分析解决问题能力，升华情感态度和价值观。具体教学策略是首先提出实际问题，激发学生的学习兴趣，引导学生分析问题，激发学生的思维，结合所学知识提出解决问题的方案，最后达到解决问题的目的，让学生体验成功的喜悦，树立科学探索精神。

三、教学目标 1.知识与技能

a.知道回旋加速器的基本构造和加速原理。

b.知道加速器的基本用途；

c.通过情景设置, 培养学分析实际问题、解决实际问题的能力；

d.通过师生、生生思维碰撞, 开阔学生, 思维锻炼学生的创新意识.2.过程与方法

通过问题提出，结合所学知识，引导学生探究，最后达到知道加 速器的基本结构和加速原理的教学目的，让学生体会研究、设计新仪器的思路。

3.情感态度和价值观

a.介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机, 培养民 族自豪感, 激发学生的学习兴趣；

b.体验探究乐趣, 激发创新意识。

四、教学重难点

教学重点: 回旋加速器的构造和加速原理；

教学难点: 交变电压的周期和粒子的运动周期相同。

五、教学方法

预习检测、教师引导、课堂交流讨论

六、教学过程 预习任务回顾：

1.阅读课本101页至102页回旋加速器相关内容；

2.完成《新新学案》大册子87页预习内容填空。

一、预习情况交流：

1.为什么要对带电微粒进行加速？

答：认识原子核内部结构的需要，加速粒子充当“炮弹”； 追问：原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，为什么质子和质子之间没有因为斥力而解散呢？ 目的：引导学生回答出强相互作用，并复习四种基本相互作用。2.对带电微粒进行加速，选用电场还是磁场？ 答：选用电场。因为洛伦兹力对运动电荷不做功 追问：为什么洛伦兹力对运动电荷不做功？ 目的：引导学生回忆左手定则。

3.如何实现带电粒子在电场中的加速，请画出示意图并计算粒子获得的动能？（假设已知m、q、u、E、d、v00）

此处邀请学生上黑板演板并由学生直接讲解。答：电场中加速的示意图如下：

单级加速

多级加速 m,qm,单级加速：qUmv2

多级加速：qU1qU2qUnq(U1U2Un)mv2 4.采用电场对带电粒子进行加速遇到的问题？

答：单级加速无法实现较高电压；多级加速占据空间很大。

此处给学生一组资料，让学生感知单级和多级加速遇到的问题。相关资料

受到高压设备及绝缘的限制，加速电压不能过高，导致一次加速的方式能得到的带电粒子能量较低。譬如加速电压为2万伏特，质子由静止开始加速，其最终获得的能量只有2104eV（3.21015J）。

1212莱泼正负电子对撞机位于瑞士日内瓦与法国交界处, 是一个建于地表下50至170米深，周长27公里，直径3.8米的圆环形通道, 该工程由14个国家共同投资建设.附：北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速器中心之一，是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施;由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。北京正负电子对撞机是当时世界上唯一在轻子和粲粒子产生阈附近研究-粲物理的大型正负电子对撞实验装置，也是该能区迄今为止亮度最高的对撞机。

本段资料的主要任务是让学生了解我国加速器的发展情况，增强国家认同和民族自豪感。5.如何解决上述问题？

答：磁场偏转、电场加速，制作出回旋加速器。追问：磁场和电场应该分开，还是共存在同一区域？ 目的：为后续讲解回旋加速器的结构做铺垫。6.回旋加速器的构造及运行方式？

本问题中先由教师提问，学生回答回旋加速器的结构。再由教师引导学生，得到回旋加速器的运行方式。7.回旋加速器遇到的问题及解决策略？

答：粒子能量达到25—30MeV后，很难再加速。粒子受到狭义相对论质速关系的约束，影响运动周期。

解决策略：回归直线加速。

此问题，回旋加速器遇到的问题学生很容易在书上找出答案，但是解决策略则需要学生思考，基本能得出两种答案：1.调整电场变化的周期，使电场变化的周期与粒子在磁场中运动的周期始终保持一致；2.回归多级直线加速器。

二、思考与讨论

1.带电粒子从回旋加速器射出的最大速度与加速电压是否相关？（B、Rmax一定）解：由qvBmv2qBrmv，得：r，变形知：v，所以，对同一粒子rmqB而言，速度仅与半径相关。而从回旋加速器中离开粒子的最大绕行半径均为回旋加速器的半径，所以带电粒子从回旋加速器射出的最大速度与加速电压无关。有以上分析知：vmaxqBrmax。m2.带电粒子运行第一个半圈、第二个半圈、第三个半圈······第n个半圈的半径比？

21v1m2qU2解：粒子第一次加速，有：qUmv1，qv1Bm，得：r1

2qBmr12mv12qUmv

2粒子第二次加速，有：qUmv222

121212v2m4qUm22qU又qv2Bm2，得：r2 qBmqBmr222mv23qUmv

粒子第三次加速，有：qUmv323，1212122v3m6qUm23qU又qv3Bm，得：r3 qBmqBmr

3经过观察与思考，发现：当粒子进行第n次加速时，有：

1v2m2nqU2nqUmvn0，qvnBmn，得：rn

2qBmrn经以上分析，可得：r1:r2:r3::rn1:2:3::n，由此可 得：r1（:r2-r1）（:r3-r2）:（:rn-rn-1）1（:2-1）（:3-2）:（:n-n-1）3.带电粒子在回旋加速器中的运动时间？（已知m、q、B、Rmax、u、d）

解：经分析知，t总t磁t电，但不论是求t磁还是t电，都需要知道粒子在回旋加速器中加速的次数，也就是粒子在磁场中做半圈匀速圆周运动的次数。

有思考与讨论1知，vmaxqBrmax1，而nqUmv2max0，联立以上m2两式，得到粒子在电场中加速的次数，也就是粒子在磁场中做半圈匀

222BRTmv2qBRmaxmax速圆周运动的次数nmax, 所以t磁n。

22U2qU2mU对于粒子在电场中的加速时间，若省去磁场中的匀速圆周运动而言，可看作t电vmaxqBRmaxmddBRmax, 由此可以到到粒子在回旋amqUU加速器中运动的总时间：t总t磁t电可得：t总t磁t电BR2max2UdBRmax，进一步化简UB(R2max2dRmax)，大多数情况下，电场区域的宽2U度d较小，即t磁t电，可认为t总t磁

三、课堂小结

课堂小结由学生完成。

BR2max2U。

教师预备发言：本节课学习了回旋加速器，知道了回旋加速器的结构及运行方式，并对回旋加速器的相关问题进行了探讨。

四、课堂演练

例1.1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（）A.离子由加速器的中心附近进入加速器 B.离子由加速器的边缘进入加速器 C.离子从磁场中获得能量 D.离子从电场中获得能量 答案：AD 例2.一个用于加速质子的回旋加速器,其D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连，下列说法正确的是（）A.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 B.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 C.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值 D.不需要改变任何量,这个装置也能用于加速α粒子 答案：A

五、作业布置

1.完成练习册回旋加速器相关习题

2.查找相关资料，了解加速器的发展情况，下节课进行交流学习。3.预习教材质谱仪相关内容，完成《新新学案》大册子86页内容

六、课后反思

作为一节公开课，回旋加速器这节内容比较顺利的讲完了，有一些心得与收获，在此记下来：

自己的设想是想让学生的提前预习，然后通过预习互动，推动课堂发展，但学生的预习并不到位、不深入，导致预习交流阶段的课堂推进缓慢。

评课过程中，各位老师提出的建议，我很赞同：

1.引导学生的问题以及学生回答问题之后的追问有时有些随意，甚至会产生一些误导。2.有时自己思考问题也喜欢以感性的方式思考，不喜欢以理性的方式列式说明，如思考与讨论1中vmax与加速电压是否相关的问题讨论；

3.围绕课堂的主线在紧凑一些，尽量不要因为和学生的互动而偏离主线，要做到形散神聚。

以上是其他资深教师对我的这节课提出的建议，我将铭记于心，依次为鞭策点，继续不断前进。