2019-2020年高中物理 帶電粒子在勻強磁場中運動應用《回旋加速器》教學設計 新人教版選修3-1.doc

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2019-2020年高中物理 帶電粒子在勻強磁場中運動應用《回旋加速器》教學設計 新人教版選修3-1 【設計思想】 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)課的主要任務在于提高學生應用所學知識分析解決問題的能力，并在應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計原理和結構、用途。 【教學目標】 1． 了解回旋加速器的基本結構，理解回旋加速器的設計原理 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計過程，加深對磁場和電場特點的認識 4． 經(jīng)歷回旋加速器的設計過程，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，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、回旋加速器的設計及結構 1．設計思想 能否進行改進，節(jié)省空間？ （在同一個加速電場中反復加速） 引導學生討論，總結得到設計方法：利用電場加速，磁場控制軌道。 2．設計思想的實現(xiàn)——原理 畫出電場、磁場示意圖，請學生思考討論，具體應該如何實現(xiàn)，帶電粒子如何被反復加速，大致軌道是什么樣的。請學生自己嘗試畫出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．回旋加速器的結構 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，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噸。非常龐大復雜的工程。 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，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，其速度就應遠大于氘核，它將很快收到上述相對論效應的限制。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 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計改進過程。 2．本節(jié)課的幾個重點：回旋加速器的基本設計思想（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，與加速電壓無關。 3．帶電粒子在電場和磁場中運動的特點比較。 【板書設計】