“回旋加速器”的探究性教學(xué)研究

【摘要】通過回旋加速器的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠更好地理解回旋加速器、直線加速器的原理和利弊，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)物理研究的發(fā)展過程，體驗(yàn)技術(shù)之美，同時(shí)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和學(xué)以致用的科學(xué)精神。

【關(guān)鍵詞】回旋加速器 探究式教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018） 11-0297-02

我國的新課程改革要求，高中物理課程應(yīng)“促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神。” 而物理探究性學(xué)習(xí)正是達(dá)成上述目標(biāo)的重要途徑。“探究性學(xué)習(xí)”是一種在現(xiàn)代教育研究里被廣泛認(rèn)可、接受的學(xué)習(xí)方式，是指學(xué)生在老師的帶領(lǐng)下，用科學(xué)研究的方式，主動(dòng)地獲取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)、提出方案、解決問題的過程，并在此過程中習(xí)得科學(xué)研究的一般過程，掌握研究問題的一般方法。

“回旋加速器”一課的內(nèi)容，是帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的一個(gè)具體應(yīng)用，里面涉及到了豐富的電磁學(xué)知識(shí)，也是高中出題經(jīng)常涉及的點(diǎn)，本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生親身“還原”回旋加速器的設(shè)計(jì)過程，不僅能夠很好地理解回旋加速器的工作原理，更有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題、辯證分析的能力，并從中體會(huì)到創(chuàng)造的樂趣，同時(shí)感悟物理學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，培養(yǎng)對物理學(xué)、對自然科學(xué)的熱愛。

下面筆者通過“回旋加速器”一課的探究性學(xué)習(xí)過程，談?wù)勓芯啃徒虒W(xué)的一般過程和體會(huì)。

一、直線加速器的討論

1.單次加速的討論

首先引入有關(guān)大型強(qiáng)子對撞機(jī)以及其科學(xué)成果的新聞報(bào)道，例如新浪科技2015年報(bào)道，“大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）近日或發(fā)現(xiàn)了一種具有“石破天驚”意義的新型基本粒子，該粒子可能是希格斯玻色子的一大變種”

。在這里，可以帶領(lǐng)學(xué)生簡單了解希格斯波色子，讓學(xué)生感受現(xiàn)代物理的成果。然后將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到“大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）”上面，讓學(xué)生了解，在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，人們往往利用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”，去轟擊各種原子核，以觀察它們的變化規(guī)律。從而提出問題：怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室大量地產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？

依據(jù)學(xué)生的電學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備和應(yīng)用能力，學(xué)生很快能夠給出一種利用靜電場加速帶電粒子的最簡單的裝置，如圖 1所示。

其加速原理由以下公式（1）（2）給出：

（1）

（2）

依據(jù)公式（2）可知，對比荷確定的特定帶電粒子，極板間的電壓U越大，粒子所獲得的速度越大。

給學(xué)生提出問題，如果要得到12MeV的質(zhì)子，極板間需要多大的電勢差？學(xué)生可以輕易地得出來12MV，不可謂不大，而歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)可以讓兩個(gè)能量為4萬億電子伏特（4×1012eV）發(fā)生對撞，這么高能量的帶電粒子需要更高的電壓，不管從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和設(shè)備要求，都是人類現(xiàn)在無法達(dá)到的。所以，通過一次加速，并不能實(shí)現(xiàn)得到高速帶電粒子的目標(biāo)。

2.多級(jí)加速的討論

學(xué)生提供思路，可以考慮多級(jí)加速，并畫出示意圖如圖 2所示。

對學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種設(shè)計(jì)從原理上進(jìn)行分析，

發(fā)現(xiàn)如果是單純的多級(jí)極板，

在一級(jí)加速器和二級(jí)加速器之間，會(huì)存在著反向電場，使得粒子減速，不能達(dá)到加速的效果，如圖 3所示。

引導(dǎo)學(xué)生分析：怎么解決反向電場的問題？引導(dǎo)學(xué)生思考怎么樣排除極板電荷對兩級(jí)加速器中間區(qū)域的影響，最后回到靜電屏蔽的方法，所以我們采用金屬圓筒來代替金屬極板。如圖 4所示，這樣，利用靜電屏蔽，金屬圓筒內(nèi)場強(qiáng)為零，粒子在圓筒內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在圓筒間縫間做加速運(yùn)動(dòng)。

如圖4所示，如果我們采用此種方式，相鄰兩個(gè)圓筒接高低電勢，如將A端接入高電勢，B端接低電勢，那么質(zhì)子在從出發(fā)點(diǎn)到第一個(gè)圓筒之間會(huì)被加速，但是在第一個(gè)到第二個(gè)圓筒之間反而會(huì)被減速，怎么解決這個(gè)問題？

3.直線加速器的弊端

思考，如果能夠在質(zhì)子脫離第一個(gè)圓筒的瞬間改變電勢，使A端接低電勢，B端接高電勢，就可以使得質(zhì)子被持續(xù)加速，在經(jīng)過下一個(gè)加速區(qū)域的時(shí)候，再次切換AB的電勢，這樣質(zhì)子就能夠被持續(xù)加速了。即，加在AB間的電壓為一個(gè)交變電壓，它的方向隨著時(shí)間不斷改變，使得質(zhì)子不斷地被加速至高能量。

這種方法必須解決的一大問題就是，質(zhì)子從上一個(gè)加速區(qū)域到下一個(gè)加速區(qū)域這段時(shí)間必須是電壓方向改變所需要的時(shí)間。如果圓筒的長度不變，由于質(zhì)子速度越來越大，這就要求交變電壓的頻率越來越大；如果交變電壓頻率恒定，由于速度越來越大，圓筒的長度就必須越來越長，一般我們采用后一種解決方式，其關(guān)鍵在于合理地設(shè)計(jì)各個(gè)圓筒的長度。

二、由“直”到“曲”的討論

針對直線加速器占地面積太大，提出思考：如何使帶電粒子加速的同時(shí)又不增加設(shè)備的長度。引導(dǎo)學(xué)生提出自己的猜想：如果電場能夠多次利用就好了，即讓粒子加速之后再返回來被同一個(gè)電場再加速一次，亦即粒子要“轉(zhuǎn)”回來。那么怎么樣使物體“轉(zhuǎn)”回來呢？結(jié)合所學(xué)的物理知識(shí)，帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

畫出示意圖。

引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題：

1.如何使粒子每次經(jīng)過電場時(shí)都被加速？

演繹粒子的運(yùn)動(dòng)過程，發(fā)現(xiàn)如果兩極板的極性不發(fā)生的變化，則粒子會(huì)交替地加速減速，無法形成持續(xù)加速。所以，每次經(jīng)過極板的時(shí)候，必須適時(shí)地調(diào)整極板的極性，由于粒子在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)180°的時(shí)間

與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，所以只需要每隔固定時(shí)間變換極板的極性即可，故，極板間應(yīng)該加一個(gè)特定頻率的交變電壓；

2.粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，極板的電荷對粒子依然有靜電力的作用，怎么解決？

可以利用靜電屏蔽的知識(shí)，把磁場區(qū)域用金屬盒遮蔽起來，使物體在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不受靜電力作用。

由此得到回旋加速器的空間構(gòu)造。

圖 6 回旋加速器的空間構(gòu)造

三、相關(guān)數(shù)據(jù)的討論

1.極板間電壓滿足的條件

根據(jù)之前的討論，極板間應(yīng)該加一個(gè)方向呈周期性變化的電場，粒子每繞過半個(gè)圓周，電壓的方向要改變一次。即粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期與電壓變化的周期相等。

即：，如圖所示。

2.粒子獲得的最大速度與動(dòng)能

多數(shù)學(xué)生會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為粒子獲得的最終速度與極板間的電壓有關(guān)，認(rèn)為極板間電壓越大，加速得到的最終速度也越大。但是實(shí)際上粒子的最大速度與極板間電壓無關(guān)。根據(jù)電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)，有

（3）

由此可得最大動(dòng)能：

（4）

可知粒子獲得的最大速度與動(dòng)能只與粒子的帶電量、質(zhì)量、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、回旋加速器半徑有關(guān)！與加速電場無關(guān)。

3.粒子被加速次數(shù)

依據(jù)公式可知

（5）

可知加速電壓U越大，加速次數(shù)越小，U越小，加速次數(shù)越多，但是都不會(huì)影響最終的速度與動(dòng)能。

4.粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間

粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是在電場中和磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和。已知加速次數(shù)，每加速一次，在磁場中運(yùn)動(dòng)半周期，所以在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為

（6）

由于縫寬很小，所以在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間實(shí)際很小，因?yàn)榱Ｗ釉诖艌鲋衅D(zhuǎn)的時(shí)候不改變粒子的速度，故把多次加速看成一次勻加速直線運(yùn)動(dòng)，有運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，得：

（7）

所以粒子的總加速時(shí)間為：

（8）

四、辯證看待兩種加速器

既然回旋加速器有如此多的優(yōu)點(diǎn)，那么為什么科研機(jī)構(gòu)還是在建造大型的直線加速器呢？讓學(xué)生查閱資料，明白回旋加速器具有占地面積小，造價(jià)低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但是回旋加速器加速粒子并不能無限加速，這是由于相對論效應(yīng)，粒子速度變化帶來質(zhì)量改變，從而影響了粒子在磁場中圓周運(yùn)動(dòng)的周期。讓學(xué)生多看書，使其了解加速器的最新發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生辯證性地看待問題。

五、總結(jié)

這節(jié)課的設(shè)計(jì)意圖，在于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、反思的能力，培養(yǎng)將科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于技術(shù)的意識(shí)，通過教師的引導(dǎo)，使學(xué)生還原科學(xué)研究和發(fā)明的過程，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那楦畜w驗(yàn)和精益求精的科學(xué)態(tài)度。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生交流討論的意識(shí)，明白科學(xué)研究之不易，每一項(xiàng)科學(xué)成就的突破都來自于物理學(xué)家孜孜不倦地研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M]. 人民教育出版社 ， 中華人民共和國教育部， 2003

[2]新浪科技頻道，http：//tech.sina.com.cn/d/i/2015-12-18/doc-ifxmueaa3625812.shtml

作者信息：

尹嵩山（1990-），男，漢族，福建廈門人，福建省廈門集美中學(xué)高中物理老師，中學(xué)二級(jí)教師。