“回旋加速器”的探究性教学研究

【摘要】通过回旋加速器的探究式教学设计，使学生能够更好地理解回旋加速器、直线加速器的原理和利弊，同时让学生体会物理研究的发展过程，体验技术之美，同时培养严谨的科学态度和学以致用的科学精神。

【关键词】回旋加速器 探究式教学

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018） 11-0297-02

我国的新课程改革要求，高中物理课程应“促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。” 而物理探究性学习正是达成上述目标的重要途径。“探究性学习”是一种在现代教育研究里被广泛认可、接受的学习方式，是指学生在老师的带领下，用科学研究的方式，主动地获取知识、运用知识、提出方案、解决问题的过程，并在此过程中习得科学研究的一般过程，掌握研究问题的一般方法。

“回旋加速器”一课的内容，是带电粒子在磁场中运动的一个具体应用，里面涉及到了丰富的电磁学知识，也是高中出题经常涉及的点，本节课的学习，学生亲身“还原”回旋加速器的设计过程，不仅能够很好地理解回旋加速器的工作原理，更有助于培养学生发现问题、思考问题、解决问题、辩证分析的能力，并从中体会到创造的乐趣，同时感悟物理学严谨的科学精神，培养对物理学、对自然科学的热爱。

下面笔者通过“回旋加速器”一课的探究性学习过程，谈谈研究型教学的一般过程和体会。

一、直线加速器的讨论

1.单次加速的讨论

首先引入有关大型强子对撞机以及其科学成果的新闻报道，例如新浪科技2015年报道，“大型强子对撞机（LHC）近日或发现了一种具有“石破天惊”意义的新型基本粒子，该粒子可能是希格斯玻色子的一大变种”

。在这里，可以带领学生简单了解希格斯波色子，让学生感受现代物理的成果。然后将关注点转移到“大型强子对撞机（LHC）”上面，让学生了解，在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律。从而提出问题：怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢？

依据学生的电学知识储备和应用能力，学生很快能够给出一种利用静电场加速带电粒子的最简单的装置，如图 1所示。

其加速原理由以下公式（1）（2）给出：

（1）

（2）

依据公式（2）可知，对比荷确定的特定带电粒子，极板间的电压U越大，粒子所获得的速度越大。

给学生提出问题，如果要得到12MeV的质子，极板间需要多大的电势差？学生可以轻易地得出来12MV，不可谓不大，而欧洲大型强子对撞机可以让两个能量为4万亿电子伏特（4×1012eV）发生对撞，这么高能量的带电粒子需要更高的电压，不管从技术实现和设备要求，都是人类现在无法达到的。所以，通过一次加速，并不能实现得到高速带电粒子的目标。

2.多级加速的讨论

学生提供思路，可以考虑多级加速，并画出示意图如图 2所示。

对学生的设计进行评价，这种设计从原理上进行分析，

发现如果是单纯的多级极板，

在一级加速器和二级加速器之间，会存在着反向电场，使得粒子减速，不能达到加速的效果，如图 3所示。

引导学生分析：怎么解决反向电场的问题？引导学生思考怎么样排除极板电荷对两级加速器中间区域的影响，最后回到静电屏蔽的方法，所以我们采用金属圆筒来代替金属极板。如图 4所示，这样，利用静电屏蔽，金属圆筒内场强为零，粒子在圆筒内做匀速直线运动，在圆筒间缝间做加速运动。

如图4所示，如果我们采用此种方式，相邻两个圆筒接高低电势，如将A端接入高电势，B端接低电势，那么质子在从出发点到第一个圆筒之间会被加速，但是在第一个到第二个圆筒之间反而会被减速，怎么解决这个问题？

3.直线加速器的弊端

思考，如果能够在质子脱离第一个圆筒的瞬间改变电势，使A端接低电势，B端接高电势，就可以使得质子被持续加速，在经过下一个加速区域的时候，再次切换AB的电势，这样质子就能够被持续加速了。即，加在AB间的电压为一个交变电压，它的方向随着时间不断改变，使得质子不断地被加速至高能量。

这种方法必须解决的一大问题就是，质子从上一个加速区域到下一个加速区域这段时间必须是电压方向改变所需要的时间。如果圆筒的长度不变，由于质子速度越来越大，这就要求交变电压的频率越来越大；如果交变电压频率恒定，由于速度越来越大，圆筒的长度就必须越来越长，一般我们采用后一种解决方式，其关键在于合理地设计各个圆筒的长度。

二、由“直”到“曲”的讨论

针对直线加速器占地面积太大，提出思考：如何使带电粒子加速的同时又不增加设备的长度。引导学生提出自己的猜想：如果电场能够多次利用就好了，即让粒子加速之后再返回来被同一个电场再加速一次，亦即粒子要“转”回来。那么怎么样使物体“转”回来呢？结合所学的物理知识，带电粒子在磁场中运动的时候，可以发生偏转。

画出示意图。

引导学生思考如下问题：

1.如何使粒子每次经过电场时都被加速？

演繹粒子的运动过程，发现如果两极板的极性不发生的变化，则粒子会交替地加速减速，无法形成持续加速。所以，每次经过极板的时候，必须适时地调整极板的极性，由于粒子在磁场中转动180°的时间

与运动速度无关，所以只需要每隔固定时间变换极板的极性即可，故，极板间应该加一个特定频率的交变电压；

2.粒子在磁场中运动的时候，极板的电荷对粒子依然有静电力的作用，怎么解决？

可以利用静电屏蔽的知识，把磁场区域用金属盒遮蔽起来，使物体在磁场中运动的时候不受静电力作用。

由此得到回旋加速器的空间构造。

图 6 回旋加速器的空间构造

三、相关数据的讨论

1.极板间电压满足的条件

根据之前的讨论，极板间应该加一个方向呈周期性变化的电场，粒子每绕过半个圆周，电压的方向要改变一次。即粒子做圆周运动的周期与电压变化的周期相等。

即：，如图所示。

2.粒子获得的最大速度与动能

多数学生会错误地认为粒子获得的最终速度与极板间的电压有关，认为极板间电压越大，加速得到的最终速度也越大。但是实际上粒子的最大速度与极板间电压无关。根据电磁学相关知识，有

（3）

由此可得最大動能：

（4）

可知粒子获得的最大速度与动能只与粒子的带电量、质量、磁感应强度B、回旋加速器半径有关！与加速电场无关。

3.粒子被加速次数

依据公式可知

（5）

可知加速电压U越大，加速次数越小，U越小，加速次数越多，但是都不会影响最终的速度与动能。

4.粒子的运动时间

粒子的运动时间是在电场中和磁场中运动时间之和。已知加速次数，每加速一次，在磁场中运动半周期，所以在磁场中运动的时间为

（6）

由于缝宽很小，所以在电场中运动的时间实际很小，因为粒子在磁场中偏转的时候不改变粒子的速度，故把多次加速看成一次匀加速直线运动，有运动学规律，得：

（7）

所以粒子的总加速时间为：

（8）

四、辩证看待两种加速器

既然回旋加速器有如此多的优点，那么为什么科研机构还是在建造大型的直线加速器呢？让学生查阅资料，明白回旋加速器具有占地面积小，造价低、使用方便等优点，但是回旋加速器加速粒子并不能无限加速，这是由于相对论效应，粒子速度变化带来质量改变，从而影响了粒子在磁场中圆周运动的周期。让学生多看书，使其了解加速器的最新发展，引导学生辩证性地看待问题。

五、总结

这节课的设计意图，在于培养学生的设计、反思的能力，培养将科学知识应用于技术的意识，通过教师的引导，使学生还原科学研究和发明的过程，形成严谨的情感体验和精益求精的科学态度。同时培养学生交流讨论的意识，明白科学研究之不易，每一项科学成就的突破都来自于物理学家孜孜不倦地研究。

参考文献：

[1]普通高中物理课程标准[M]. 人民教育出版社 ， 中华人民共和国教育部， 2003

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

作者信息：

尹嵩山（1990-），男，汉族，福建厦门人，福建省厦门集美中学高中物理老师，中学二级教师。

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