回旋加速器探究性教学设计（修）

“回旋加速器”的探究性教学设计刘永华（江苏省如东高级中学226400）摘要：本文依据现代教育理念，结合“回旋加速器”的探究性教学设计与实践，着重阐明了探究性学习的阅读准备、交流讨论、典型案例的剖析、引申创新、回顾反思、习题配备等探究性教学六个阶段的设计思想与实施过程。关键词：探究性教学回旋加速器高中物理新课程标准将学生探究能力的培养作为物理教学的目标之一，而探究性教学法是培养学生科学探究能力和创新能力的一种重要的教学方法，它是依据前苏联著名教育家苏霍姆林斯基的教育思想学校教育的“首要任务”应该是“教会学生思考”而提出的。在教学活动中，教师通过创设问题情景来引导学生通过分析判断、交流讨论、总结归纳及教师的点拔提示等途径，使学生理解掌握知识，进而产生创见并能发现问题、分析问题和解决问题，达到教学目的。笔者以“回旋加速器”一节为例，谈谈探究性教学的设计过程及体会。 根据现代学习理论，结合本课的教学内容，将教学重、难点及教学目标确定如下：教学重点：回旋加速器的工作原理及有关应用教学难点：交变电压的周期与粒子回旋周期的关系影响带电粒子的最大能量的因素教学目标：知识目标：1.知道回旋加速器的基本结构及加速原理2.知道回旋加速器的基本用途能力目标：通过由直线加速器迁移到回旋加速器的教学，培养学生解决实际问题的能力，开阔学生解决问题的思路情感目标：1.培养学生共同探究的团队协作精神2.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，激发学生学习科学、报效祖国的热情教学过程：（一）探究性学习的阅读准备阶段先给出如下材料，让学生阅读并思考：材料一：在现代物理学中，人们要用能量很高的带电粒子去轰击原子核，来观察它们的变化情况，怎样才能在实验室是大量产生高能量的带电粒子？这就要用一种常用的实验设备加速器。思考：请你根据已学过的知识，设计一种加速器，并画出原理图。接着将学生所画的加速器的原理图由视频展示台投影出来，如图1所示。再给出一段材料，进一步启发学生思考：材料二：这种加速器的原理是利用电场加速的，早期的加速器就是利用高压电源的电势差来加速带电粒子的。但它受实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量只能达到几十万到几兆电子伏。如何改进加速器，使粒子能获得更高的能量？让学生汇报改进的方法：采用多级电场的加速，如图2所示。教师评价学生的设计思想：这种多级直线加速器，是很合乎道理的想法，但要实现这一设想，需要建一个很长很长的实验装置，长度要达几公里到几十公里，其中包含多级提供加速电压的装置。在二十世纪初，人们很难建造。思考：能否设计一种加速器，使粒子在较小的空间内得到电场多次的加速？体会：在阅读准备阶段，教师在课前要精心编写材料和思考题，创设问题情景，激发学生解决问题的动机，课上让学生通过阅读，使他们在好奇心的诱发下去思考、去探究。（二）交流、讨论阶段将学生分成若干小组，先让学生各自独立思考，并在小组内交流讨论，筛选出一种小组内一致同意的方案，然后由各组代表在课堂上展示原理图并陈述设计的思想。在组内对改进方案的讨论后，发现大致有两种较典型的方案，可选作课堂上集体讨论。请量个学生代表陈述：学生甲：我小组设计的原理如图3所示，核心部分是四个电容器构成的匀强电场和垂直于纸面的匀强磁场。这是在多级直线加速器的基础上，采用磁场使带电粒子偏转从而减小了加速器的空间长度，而且随着带电粒子的偏转可使粒子得到电场的多次加速，能量不断增大。学生乙：我小组设计的基本思想也是利用电场对粒子加速、利用磁场使粒子偏转的，如图4所示，粒子每转一周就得到一次加速。体会：在交流讨论阶段，通过各组的充分酝酿并汇报交流设计方案，可以形成“立体化”的信息传递方式，能有效地提高教学思维活动的质量；同时可以培养学生的团队协作、共同探究精神。前两个阶段的教学流程如下：教师活动： 创设情景、激发动机挖掘潜力、启发探究交流讨论引入设问自主探究学生认知过程:感知发现、积极参与尝试探究、共同协作（三）典型案例的剖析阶段针对两种典型方案，教师组织全班学生集体交流讨论、分析质疑，要求学生既要肯定设计中的亮点，也要对设计方案提出质疑，从而培养学生善于听取他人意见、勇于探索、实事求是的科学态度。让学生先评析方案中的共同之处，指出亮点所在：初看两种方案，它们都试图利用磁场使带电粒子作匀速圆周运动，既能有效地减小加速器的长度，又能使粒子在多次经过电场时得到多次加速；而且图4的方案中只有一个电容器，比图3的方案要简单，容易建造进而让学生提出质疑：如同学丙提出：根据半径公式可知，随着带电粒子的能量E不断增大，粒子在匀强磁场中的轨道半径R也不断增大，粒子将不会通过事先设计好的金属板上小孔，以致无法继续运动下去；同学丁提出：粒子从电场中的一点出发，经过一周又回到该点，由于电势差为零，所以电场力不做功，粒子的能量又怎能得到不断增大呢？见丁同学提出的观点有明显否定两种方案的意图，同学们顿时活跃了起来，接着又有同学提出：即使上述方案可行，按丙同学的质疑，要使粒子的轨道半径R不变，在能量E增大时就要同时增大磁感应强度B的大小，那么又如何控制B的大小呢？最后教师作总结归纳：二种方案有异曲同工之“妙”：都想利用磁场让带电粒子偏转从而使粒子在电场中得到多次加速，这是设计中的闪光点；同学们能在共同探究的基础上能发现问题、提出质疑，能正视设计中的缺陷，这又是难能可贵的一种品质。但两种方案确实存在一个“致命”的缺点：正如丁同学所述，在这样的装置中无法使带电粒子得到不断地加速！体会：在全体同学的交流、质疑后，再由教师对学生的主要观点作最后裁定，这是学生最为关注的一个环节，这个阶段是探究性教学法得以实施的关键环节，在整个教学过程中起着承上启下的重要作用。在对典型方案评判时，要舍得化时间，要允许学生张扬个性，不要给以条条框框的限制以免扼杀学生的创新思维；要善于捕捉每个方案中闪光点，特别注意的是，切不可简单地否定某个方案或某个设想，要保护学生的创新积极性，培养他们正视自身弱点的勇气，更要激励他们不畏艰险、不断探索。（四）引申、创新阶段在质疑的基础上，借助电脑的模拟动画，教师讲述科学家是如何通过进一步的引申和创新来解决这些问题的：面对丙同学的质疑，为使粒子不断地运动下去，可采用两个空心的D形金属扁盒，这两个D形金属扁盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半，两个D形金属盒之间留有一个窄缝（直径处没有另加两块金属板电极），在中心处放有粒子源。D形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D形盒的底面。把D形盒分别接在电源的两极上。这样在窄缝处就形成一个加速电场对粒子加速，而粒子在盒内做匀速圆周运动；面对丁同学的质疑，为使粒子每经一次电场就能加速一次，则不可加上图3、4方案中的恒定的电压，而应加上高频交流电源，且高频电源的周期与粒子的运动周期相同，从而在粒子经过窄缝时能及时改变电场的方向，使粒子不断地得到加速，直到达到预期的速率后离开加速器。这就是1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器的设计思想，他因此于1939年获得了诺贝尔物理学奖。接着讲述粒子在回旋加速器的运动过程、得到不断加速的条件以及粒子所能达到的最大动能的决定因素。体会：这是教学过程的主要阶段，要利用多种教学方法和手段使学生领悟到科学家的设计思想，使他们看到如何通过进一步的引申和创新来完善自己的设计方案。引申是对问题的再认识，创新是认识的进一步升华，而这些又都是从质疑开始的，这个阶段是对学生探究成果的升华。另外课堂上要能使学生的思维在教师的引导下自由驰骋，这是在探究性教学过程中要达到的一种境界，同时要让学生看到自己探究的成果离科学家之间只有“一步之遥”，从而激励他们：只有不断地探索和创新才能到达光辉的顶点！这两个阶段的教学流程如下：教师活动： 积极引导、归纳总结认真剖析、精讲释疑形成新 知案例剖析引申创新学生认知过程：寻找亮点、交流质疑正视弱点、认识升华（五）回顾、反思阶段在这个阶段，教师用精辟、严谨的语言回顾前面所阐述的回旋加速器的设计思想及原理、结构，并通过例题来巩固所学的主要知识。接着再提出质疑：回旋加速器能否无限制地提高粒子的能量？让学生阅读下面的材料并反思：材料三：按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后，物体就可以达到任意大的速度。但是相对论的速度叠加公式告诉我们，物体的运动速度不能无限制地增加。这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体的速度而增大？严格的论证证实了这一点。实际上，物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间有如下的关系。教师组织学生讨论这段材料并口头汇报结论，最后总结：回旋加速器中被加速的粒子，在速度增大后它的质量明显地增大，因此做圆周运动的周期变大，它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步变化，这就破坏了粒子不断被加速的条件，所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制。接下来再引导学生回到最初的多级直线加速器的设计方案上来，将它与回旋加速器作比较，使学生理解两种加速器的优、缺点。最后用相关材料和图片资料，向学生介绍其它的加速器来拓展他们的视野，尤其要介绍北京正负电子对撞机，以激发学生的民族自信心和自豪感。材料四：为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们还设计制造了各类新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器等。这些加速器可以把带电粒子加速到几十亿电子伏以上。目前世界上最大的质子同步加速器，能使质子的能量达到1000GeV。我国1989年初投入运行的高能粒子加速器北京正负电子对撞机，能使电子束流的能量达到2.8+2.8 GeV.体会:通过回顾，能让学生清楚本节课知识体系的来龙去脉，在头脑中形成一个完整的知识网络；通过质疑反思，能提出一些新的问题，这样既为后续的教学埋下伏笔，又能使学生养成良好的辨证唯物主义的思维方法。（六）探究性教学的习题配备在课堂小结后，以学生设计的方案之一（如图4）为背景，稍作改进，就成了实验室中常用的一种同步加速器。让学生阅读下面材料，体会实际的同步加速器与同学们自己设计的方案存在什么不同？并回答各小题。材料五：在如图5所示的装置中，环形区域内存在垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场，质量为m、带电量为q的粒子在环中做半径为R的圆周运动。A、B为两块中心开有小孔的极板，原来电势都为零，每当粒子飞经A板时，A板的电势升高U，B板的电势仍保持为零，粒子在两板间电场中得到加速。每当粒子离开B板时，A板的电势又降为零。粒子在电场一次次加速下，动能不断增大，而绕行半径不变。（1） 在粒子绕行的整个过程中，A板的电势是否可以一直保持为U？（2） 设t=0时，粒子静止在A板小孔处，在电场作用下加速，并绕行一周，求粒子绕行n周回到A板时获得的总动能En;（3） 为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动，图5磁场必须递增，求粒子绕行第n周时的磁感应强度Bn；（4） 求粒子绕行n周的总时间tn（设极板间距离远小于R）。体会：探究性教学配备的习题应力求：立意新颖、形象生动、富有趣味性。如果能以完善学生自行设计的方案为背景来编制习题，就更能达到这样的效果：激发学生探究问题的兴趣和热情，提高学生探究和创新的能力，强化对基础知识的掌握和理解。最后两个阶段的教学流程如下：教师活动： 阶段小结、承上启下培养能力、正确评价完成目标演示辅导、及时矫正回 顾反 思习 题巩 固学生认知过程： 反思质疑、思维慎密双基训练、及时巩固 学生认知过程： 智力发展、能力提高教学后的反思：没有探究、没有创新，就没有科学的发展和社会的进步。高中物理课堂教学不仅承载着物理知识和技能的传授，更承载着培养学生科学探究能力和创新能力的重任。本教学设计的最大特色，在于自始自终体现了学生的自主探究，并通过分析判断、交流讨论、总结归纳等途径，使学生理解掌握新知识，从而达到探究性教学的目的。教学中教师充分挖掘出教材中的探究性因素，通过五段材料精心设计相应的探究性课题，并按上述六个阶段逐一层层展开，把学生置于开放式、多元化的学习环境中，既能增强学生独立思考能力、启迪学生的创新思维，又能养成他们具有团队协作、共同探究、实事求是的科学素养，这充分体现了“让学生感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维习惯，重视学生搜集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力”，也符合建构主义的“教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者；学生要由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者”的思想。当然，由于受教学时间的限制，课堂上不可能对每个小组的方案都作详尽的评价，教师就要在课后与部分学生再作交流讨论了。实践证明这样的教学效果是非常好的。参考文献:姜瑛俐.创新教学模式与方法.上海：东方出版中心.2001.11中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验） .北京：人民教育出版社8