2019-2020年高中物理 带电粒子在匀强磁场中运动应用《回旋加速器》教学设计 新人教版选修3-1.doc

2019-2020年高中物理 带电粒子在匀强磁场中运动应用回旋加速器教学设计 新人教版选修3-1【设计思想】 本节课“回旋加速器”是带电粒子在电场和磁场中运动的一个具体的综合实例。本节课的主要任务在于提高学生应用所学知识分析解决问题的能力，并在应用过程中加深对电场和洛仑兹力的理解，同时体会科学研究的方法和思想。因此，本节课采用问题引导的方式，充分调动学生进行分析讨论，让学生如同身临其境地“参与”加速器的“设计”和“改进”，这样能更好地让学生体验并深入理解回旋加速器的设计原理和结构、用途。【教学目标】1 了解回旋加速器的基本结构，理解回旋加速器的设计原理2 理解回旋加速器加速带电粒子的特点3 通过回旋加速器的设计过程，加深对磁场和电场特点的认识4 经历回旋加速器的设计过程，体会科学研究的方法和思想【教学重点】回旋加速器对带电粒子的加速原理及特点【教学难点】1加速电场与带电粒子运动周期的同步关系2带电粒子最大动能和最大速度的影响因素【教学过程】一、引入1类比情景导入出示一个核桃，如果需要知道它内部是怎样的，需要怎么做？（打开看个究竟，用锤砸开）2课题引入科学研究也是如此，对于原子核，要深入研究或者让原子核发生反应，也必须用“炮弹”把它轰开。这样的“炮弹”需要用高能粒子来充当，通常为质子、电子、中子、氦核等。首先需要解决的问题是，如何获得高能粒子。二、加速器的实现和改进1加速原理如何获得高能粒子呢？对于带电粒子来说很容易想到办法，让带电粒子加速。（带电粒子在电场中加速）带电粒子经过电场加速后，能够获得多大的能量？怎样使这个能量高一些？（EK=qU，提高能量，可以提高加速电压）当初科学家也是这么想的，进行了许多尝试去获得高电压，采用多级变压器，静电发生器等。但产生高压要受到许多限制，那个年代大概只能到几十万伏，不足以得到所需的高能粒子。必须考虑其它的办法。2加速器的改进科学家们希望能够利用较低的电压，把粒子加速到高能量。（多级加速）多级加速思想如何实现？画出示意图，解释原理。根据示意图，提出问题，两个加速电场之间会产生一个减速，如何解决这个问题？（引导学生考虑静电屏蔽的方法）根据学生解释的原理，介绍直线加速器，简单说明真实的直线加速器的实现（采用交流电提供电压，各屏蔽筒长度不等）出示直线加速器图片（北京正负电子对撞机注入器），全长204米。是否占据太大空间？三、回旋加速器的设计及结构1设计思想能否进行改进，节省空间？（在同一个加速电场中反复加速）引导学生讨论，总结得到设计方法：利用电场加速，磁场控制轨道。2设计思想的实现原理画出电场、磁场示意图，请学生思考讨论，具体应该如何实现，带电粒子如何被反复加速，大致轨道是什么样的。请学生自己尝试画出带电粒子的运动轨迹。引导学生思考回答，同时在黑板上分析粒子在回旋加速器中加速的原理，逐步分析每一阶段带电粒子的速度、受力、轨道半径（用半径公式分析）。要使带电粒子在经过电场时始终加速，加速电压的正负极有何要求？讨论加速电压的变化问题，明确加速电压应与粒子运动相配合。讨论加速电压周期和粒子圆周运动周期的关系，并讨论粒子圆周运动周期的特点。（通过讨论，最终得到加速电压周期与粒子圆周运动周期相同（同步条件），并且不随速度增大而改变。）3回旋加速器的结构引导学生讨论：电场、磁场如何提供？粒子在磁场中运动时装置对电场的屏蔽？粒子加速后从何处引出？介绍D形盒的巧妙之处：作为电极在缝隙间形成加速电场；中空D形盒给粒子运动提供空间；D形盒内部可屏蔽电场；用不易被磁化的铜材料制作。再介绍回旋加速器各个部分及作用（D形盒、交流电源、真空装置、强电磁铁、粒子源、引出装置）。四、带电粒子在回旋加速器中运动的讨论1带电粒子最终能量的影响因素叙述带电粒子在回旋加速器中的运动过程：带电粒子从中心处的粒子源出发，进入电场加速，再进入磁场做半个周期的圆周运动，回到已变换方向的电场再次加速，再进入磁场做半径更大的圆周运动，如此反复，直到粒子贴近D形盒盒壁，半径达到最大值时被引出以供使用。提出问题，让学生思考：如果要使加速后的粒子获得更大的能量，可以采取哪些措施？（引导学生讨论，首先让学生明确最终能量即粒子被引出加速器时刻的能量。充分利用学生之间的不同意见，让学生最终通过自己的讨论得到影响因素：D形盒半径、磁感应强度B。并且通过学生的争论，明确加速电压U只影响单次加速粒子的能量增量，同时加速次数会减少，对最终能量没有影响。讨论过程中，得到最大能量的表达式。） 在核物理研究中，为了进行更深入的研究，需要更高能量的粒子去轰击原子核，因此回旋加速器不断地改进，得到的粒子能量也不断提高。从4.5吋、9吋、11吋、27吋、36吋，到60吋（1吋=2.54厘米），质子加速后能量可以达到几十兆电子伏特。27吋回旋加速器所用电磁铁芯75吨，励磁线圈铜线8吨。非常庞大复杂的工程。2回旋加速器的制约因素与加速器的改进在建造更大的回旋加速器时，在基本原理上出现了问题，粒子运动周期不再稳定，同步条件被破坏。请学生猜想分析原因。（粒子能量很高时，速度很大，必须考虑相对论效应，粒子质量随速度增大而增大，回转周期发生变化）若使电子和氘核具有相同能量，由于电子质量远小于氘核，其速度就应远大于氘核，它将很快收到上述相对论效应的限制。因而回旋加速器一般用来加速较大质量的粒子，不用以加速电子。加速电子可用“电子感应加速器”。要得到更大能量的粒子，需要采用同步稳相原理，建造同步加速器。并且，再看直线加速器并不存在这个问题，可以把直线加速器做得非常大，几公里甚至几十公里的长度。3带电粒子在回旋加速器中的半径和运动时间的定量讨论请课后思考：（1）前面考虑过带电粒子在磁场中运动时，半径不断增大，相邻轨道间距离是相等的吗？两相邻轨道半径大小有什么关系呢？（不等距，） （2）我们清楚了带电粒子在回旋加速器中的运动过程，那如果需要你计算带电粒子在回旋加速器中运动的总时间，应该怎样考虑这个问题？（分别考虑磁场和电场中的运动时间。磁场中运动时，考虑运动了多少圈；电场中运动时，考虑速度从0加速到最大速度的全过程）五、总结1本节课的主要内容是回旋加速器，经历了加速器的整个设计改进过程。2本节课的几个重点：回旋加速器的基本设计思想（电场加速、磁场控制轨道）；交变电压周期与粒子回旋周期相同；粒子加速后的最大能量与最大半径和磁场强弱有关，与加速电压无关。3带电粒子在电场和磁场中运动的特点比较。【板书设计】