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.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.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.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、0v0）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：2mv21Uq多级加速：2n21n21mv21)UUU(qqUqUUq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eV1024（J102.315）。,mqm,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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？（maxRB、一定）解：由rvmBqv2，得：Bqmvr，变形知：mrBqv，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：mrBqvmaxmax。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？解：粒子第一次加速，有：21mv21qU，1211rvmBqv，得：mqU2qBmr1粒子第二次加速，有：222122mv21qU2mv21mv21qU又2222rvmBqv，得：mqU22qBmmqU4qBmr2粒子第三次加速，有：232223mv21qU3mv21mv21qU，又3233rvmBqv，得：mqU32qBmmqU6qBmr3经过观察与思考，发现：当粒子进行第n次加速时，有：0mv21nqU2n，n2nnrvmBqv，得：mnqU2qBmrn经以上分析，可得：n::3:2:1r::r:r:rn321，由此可得：）（）（）（）（）（）（1-n-n::2-3:1-2:1r-r::r-r:r-r:r1-nn231213.带电粒子在回旋加速器中的运动时间？（已知m、q、B、maxR、u、d）解：经分析知，电磁总ttt，但不论是求磁t还是电t，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，mrBqvmaxmax，而0mv21nqU2max，联立以上两式，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速圆周运动的次数mU2RqBqU2vmn2max22max,所以U2BR2Tnt2max磁。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UdBRqUmdmqBRavtmaxmaxmax电,由此可以到到粒子在回旋加速器中运动的总时间：UdBRU2BRtttmax2max电磁总，进一步化简可得：)dR2R(U2Btttmax2max电磁总，大多数情况下，电场区域的宽度d较小，即电磁tt，可认为U2BRtt2max磁总。三、课堂小结课堂小结由学生完成。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,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maxv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。