回旋加速器教学设计

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 、0v 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：2mv 2

1U q =

多级加速：2n 21n 21mv 2

1

)U U U (q qU qU U q =+++=+++ 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eV 1024⨯（J 102.315-⨯）。

,

m q

m ,

单级加速

多级加速

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τ轻子和粲粒子产生阈附近研究-τ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？（max R B 、一定） 解：由r v m

B qv 2=，得：B q mv r =，变形知：m

r

B q v =，所以，对同一粒子

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：m

r B q v max

max =

。 2.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？