彰顯物理過程的回旋加速器教學設計

王玉婷　邢紅軍　童大振

摘 要：通過對現行教材中回旋加速器一節的分析，從彰顯物理過程的視角，定量研究了回旋加速器的回旋與加速過程，運用歸納法得到了帶電粒子的最大動能與在回旋加速器中的運動時間，從而為回旋加速器的教學設計提供了有益的啟示.

關鍵詞：回旋加速器;洛倫茲力;電場力;物理過程

文章編號：1008-4134（2019）13-0034 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

作者簡介：王玉婷（1995-），女，四川瀘州人，碩士研究生，研究方向：物理課程與教學論;

邢紅軍（1960-），男，河南平輿人，博士，教授，博士生導師，研究方向：課程與教學論、學科能力發展與培養;

童大振（1993-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：物理課程與教學論.

“回旋加速器”作為帶電粒子在勻強磁場中偏轉的具體應用，一直是高中物理教學的重點與難點.然而教學實踐表明，學生在學習過 “回旋加速器”以后，卻對其加速機理不甚清楚，從而影響著后續知識的學習.有鑒于此，本文在深入分析現行教材編寫的基礎上，對回旋加速器的教學展開新的探討，希冀呈現出一個邏輯清晰、彰顯本質的教學設計.

1 現行教材編寫分析

現行教材中“回旋加速器”的編寫順序如下：首先列舉生產高能“炮彈”工廠的例子，而后簡略介紹“多級加速器”的工作原理與實用性，接著介紹“回旋加速器”的組成部分，并且定性地描述了“回旋加速器”的工作原理，最后簡單地說明了“回旋加速器”不能無限制地加速電子的原因[1].筆者認為，這樣的編寫可能存在一些尚需深入探討的問題.

第一是教材僅僅定性地描述了“回旋加速器”的工作原理，對于帶電粒子在電場中的加速過程與在磁場中的偏轉過程沒有進行定量分析，這就可能導致學生無法深入理解“回旋加速器”的工作原理，更難以很好地體會物理知識與生產生活之間的緊密聯系.

第二是教材對于帶電粒子所能獲得的最大動能以及回旋加速器的加速時間沒有介紹，這就容易導致學生對回旋加速器的認識深度不夠.如果教材對回旋加速器的相關知識內容介紹不夠，就不利于學生構建完備的有關回旋加速器的認知結構.

第三是由于教材缺乏必要的回旋加速器知識介紹，就使得科學方法沒有用武之地，更遑論顯化歸納法和“積累”的物理思想，從而進一步彰顯出物理方法與物理思想在教學中的重要作用.

回旋加速器作為獲得高速度和高能量的加速裝置，在教學中對其定量研究是十分必要的.因此，我們嘗試設計出一條邏輯清晰的教學主線，將缺失的內容顯化出來，就成為本節教學設計的重中之重.有鑒于此，筆者認為，本節教學設計應該遵循由物理方法得到物理知識，進而揭示物理思想的教學思路.首先由歸納法得到帶電粒子所能獲得的最大動能，詮釋其背后所隱含的“積累”的物理思想;再采用同樣的方法得到帶電粒子在回旋加速器中運動的時間，讓學生體會物理方法的獨特魅力，從而最終達到掌握回旋加速器加速機理的目的.

2 彰顯物理過程的教學設計

回旋加速器由兩個鋁制D型金屬扁盒組成，兩個D型盒正中間開有一條狹縫，如圖1所示.兩個半徑均為R的D型盒處在磁感應強度為B的勻強磁場中，寬度為d 的狹縫兩端加有大小為U的電壓.在D型盒上半面中心有一粒子源，它能產生速度為零、質量為m、帶電量為q的粒子，經狹縫電壓加速后進入D型盒中，在磁場力的作用下運動半周，再經狹縫電壓加速.重復上述過程，最后到達D型盒的邊緣，以最大速度飛出.

為了讓帶電粒子始終在電場中處于加速狀態，需要在兩個D型盒的端點加交變電壓.如圖2，帶電粒子從位置1運動到位置2與位置3運動到位置4的電場方向相反，這樣就能滿足帶電粒子在電場中一直加速的特點.下面從能量和運動時間的積累角度，定量介紹帶電粒子在回旋加速器中的加速過程.

回旋加速器教學需要解決的第一個問題是：帶電粒子所能獲得的最大動能是多少？回旋加速器的加速機理分為兩部分：首先，帶電粒子受到電場力在電場中做勻加速運動;其次，帶電粒子受到洛倫茲力在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力不改變其速度的大小.因此，帶電粒子最大動能的推導可使用歸納法得出.

3 研究啟示

縱覽以上的教學設計，我們可以得到三點啟示.

3.1 把握教學關鍵環節

物理課堂教學的基本規范指出，雖然教學中需要注意的環節有很多，但確定與處理教學關鍵環節，是其中最重要的內容.因為只有把握好關鍵，才能排除難點，突出重點，這是優化教學過程的重要環節，也是提高物理課堂教學效率的重要途徑[4].對于本節課而言，回旋加速器作為帶電粒子在勻強磁場中偏轉的重要應用，其教學關鍵點是帶電粒子在磁場中受洛倫茲力而發生偏轉，洛倫茲力只改變帶電粒子的速度方向，不改變其大小，這也正是“回旋”二字的內涵.第二個關鍵點是帶電粒子在交變電場中加速，但不改變方向.因此，帶領學生從帶電粒子在回旋加速器中處于靜止狀態的分析出發，一步步地分析出帶電粒子的回旋與加速過程，就成為回旋加速器教學中不可或缺的關鍵環節.

3.2 注重教學內在邏輯

在物理教學中，教師不僅要講清楚“是什么”，更要講明白“為什么”.嚴密有序的知識體系對于學生科學思維的培養有著不可小覷的作用.由于教材對回旋加速器內容的介紹僅僅限于多級加速器與回旋加速器的定性描述，因此，對于學生掌握回旋加速器的回旋與加速本質是有所欠缺的.因此，通過對帶電粒子獲得的最大動能進行由因溯果的分析，并對回旋加速器在電場中的加速時間進行推導，才能有助于學生厘清回旋加速器的回旋與加速脈絡，構建完備的回旋加速器認知結構，這對于發展學生的物理學科核心素養，具有重要的啟示意義.

3.3 訓練學以致用思維

回旋加速器作為高能物理中的一種重要設備，在工業與醫療中有廣泛的用途.因此，在教學中應當讓學生深刻把握回旋加速器的加速機理，對其中蘊藏的科學方法與物理思想刨根問底，體會學以致用的重要意義.在教學設計中，用顯化的歸納法得出帶電粒子所能獲得的最大速度，并揭示其背后蘊含的“積累”物理思想，使得教學設計流暢自然，讓學生猶如帶電粒子般身臨其境，充分而形象地感知回旋加速器的實用性，從而加深對學習物理學意義的理解.而帶電粒子在回旋加速器中運動時間的研究，則運用了物理學中數量級估計的近似方法.這種方法往往是在選擇和建立恰當的物理模型之后，粗略地估計各量的大小和各種可能效應的相對重要性，以判斷什么是決定物理現象的主要機制[5].顯然，這種方法的運用就很好地訓練了學生的學以致用思維.

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發中心，物理（選修3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]劉海蘭. 重視物理學思想、方法的教學——大學物理教學設計之二[J]. 物理與工程，2009，19（06）：17-19+26.

[3]方芳，劉戰存.勞倫斯對回旋加速器的研究[J].大學物理，2007，26（03）：50-53.

[4]張國定，王世金. 化學教學關鍵的確定與處理[J]. 課程·教材·教法，1990（04）：21-24.

[5]趙凱華.定性與半定量物理學（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

（收稿日期：2019-04-23）