彰顯物理過(guò)程的回旋加速器教學(xué)設(shè)計(jì)

王玉婷　邢紅軍　童大振

摘 要：通過(guò)對(duì)現(xiàn)行教材中回旋加速器一節(jié)的分析，從彰顯物理過(guò)程的視角，定量研究了回旋加速器的回旋與加速過(guò)程，運(yùn)用歸納法得到了帶電粒子的最大動(dòng)能與在回旋加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，從而為回旋加速器的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了有益的啟示.

關(guān)鍵詞：回旋加速器;洛倫茲力;電場(chǎng)力;物理過(guò)程

文章編號(hào)：1008-4134（2019）13-0034 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)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(xué)論;

邢紅軍（1960-），男，河南平輿人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：課程與教學(xué)論、學(xué)科能力發(fā)展與培養(yǎng);

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

“回旋加速器”作為帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的具體應(yīng)用，一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn).然而教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò) “回旋加速器”以后，卻對(duì)其加速機(jī)理不甚清楚，從而影響著后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí).有鑒于此，本文在深入分析現(xiàn)行教材編寫的基礎(chǔ)上，對(duì)回旋加速器的教學(xué)展開(kāi)新的探討，希冀呈現(xiàn)出一個(gè)邏輯清晰、彰顯本質(zhì)的教學(xué)設(shè)計(jì).

1 現(xiàn)行教材編寫分析

現(xiàn)行教材中“回旋加速器”的編寫順序如下：首先列舉生產(chǎn)高能“炮彈”工廠的例子，而后簡(jiǎn)略介紹“多級(jí)加速器”的工作原理與實(shí)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(jiǎn)單地說(shuō)明了“回旋加速器”不能無(wú)限制地加速電子的原因[1].筆者認(rèn)為，這樣的編寫可能存在一些尚需深入探討的問(wèn)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(duì)于帶電粒子在電場(chǎng)中的加速過(guò)程與在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行定量分析，這就可能導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法深入理解“回旋加速器”的工作原理，更難以很好地體會(huì)物理知識(shí)與生產(chǎn)生活之間的緊密聯(lián)系.

第二是教材對(duì)于帶電粒子所能獲得的最大動(dòng)能以及回旋加速器的加速時(shí)間沒(méi)有介紹，這就容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)回旋加速器的認(rèn)識(shí)深度不夠.如果教材對(duì)回旋加速器的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容介紹不夠，就不利于學(xué)生構(gòu)建完備的有關(guān)回旋加速器的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

第三是由于教材缺乏必要的回旋加速器知識(shí)介紹，就使得科學(xué)方法沒(méi)有用武之地，更遑論顯化歸納法和“積累”的物理思想，從而進(jìn)一步彰顯出物理方法與物理思想在教學(xué)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(xué)中對(duì)其定量研究是十分必要的.因此，我們嘗試設(shè)計(jì)出一條邏輯清晰的教學(xué)主線，將缺失的內(nèi)容顯化出來(lái)，就成為本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的重中之重.有鑒于此，筆者認(rèn)為，本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循由物理方法得到物理知識(shí)，進(jìn)而揭示物理思想的教學(xué)思路.首先由歸納法得到帶電粒子所能獲得的最大動(dòng)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(yùn)動(dòng)的時(shí)間，讓學(xué)生體會(huì)物理方法的獨(dú)特魅力，從而最終達(dá)到掌握回旋加速器加速機(jī)理的目的.

2 彰顯物理過(guò)程的教學(xué)設(shè)計(jì)

回旋加速器由兩個(gè)鋁制D型金屬扁盒組成，兩個(gè)D型盒正中間開(kāi)有一條狹縫，如圖1所示.兩個(gè)半徑均為R的D型盒處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎn)生速度為零、質(zhì)量為m、帶電量為q的粒子，經(jīng)狹縫電壓加速后進(jìn)入D型盒中，在磁場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)半周，再經(jīng)狹縫電壓加速.重復(fù)上述過(guò)程，最后到達(dá)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(chǎng)中處于加速狀態(tài)，需要在兩個(gè)D型盒的端點(diǎn)加交變電壓.如圖2，帶電粒子從位置1運(yùn)動(dòng)到位置2與位置3運(yùn)動(dòng)到位置4的電場(chǎng)方向相反，這樣就能滿足帶電粒子在電場(chǎng)中一直加速的特點(diǎn).下面從能量和運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guò)程.

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

3 研究啟示

縱覽以上的教學(xué)設(shè)計(jì)，我們可以得到三點(diǎn)啟示.

3.1 把握教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

物理課堂教學(xué)的基本規(guī)范指出，雖然教學(xué)中需要注意的環(huán)節(jié)有很多，但確定與處理教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是其中最重要的內(nèi)容.因?yàn)橹挥邪盐蘸藐P(guān)鍵，才能排除難點(diǎn)，突出重點(diǎn)，這是優(yōu)化教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，也是提高物理課堂教學(xué)效率的重要途徑[4].對(duì)于本節(jié)課而言，回旋加速器作為帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的重要應(yīng)用，其教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)是帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(nèi)涵.第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是帶電粒子在交變電場(chǎng)中加速，但不改變方向.因此，帶領(lǐng)學(xué)生從帶電粒子在回旋加速器中處于靜止?fàn)顟B(tài)的分析出發(fā)，一步步地分析出帶電粒子的回旋與加速過(guò)程，就成為回旋加速器教學(xué)中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

3.2 注重教學(xué)內(nèi)在邏輯

在物理教學(xué)中，教師不僅要講清楚“是什么”，更要講明白“為什么”.嚴(yán)密有序的知識(shí)體系對(duì)于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)有著不可小覷的作用.由于教材對(duì)回旋加速器內(nèi)容的介紹僅僅限于多級(jí)加速器與回旋加速器的定性描述，因此，對(duì)于學(xué)生掌握回旋加速器的回旋與加速本質(zhì)是有所欠缺的.因此，通過(guò)對(duì)帶電粒子獲得的最大動(dòng)能進(jìn)行由因溯果的分析，并對(duì)回旋加速器在電場(chǎng)中的加速時(shí)間進(jìn)行推導(dǎo)，才能有助于學(xué)生厘清回旋加速器的回旋與加速脈絡(luò)，構(gòu)建完備的回旋加速器認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這對(duì)于發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，具有重要的啟示意義.

3.3 訓(xùn)練學(xué)以致用思維

回旋加速器作為高能物理中的一種重要設(shè)備，在工業(yè)與醫(yī)療中有廣泛的用途.因此，在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生深刻把握回旋加速器的加速機(jī)理，對(duì)其中蘊(yùn)藏的科學(xué)方法與物理思想刨根問(wèn)底，體會(huì)學(xué)以致用的重要意義.在教學(xué)設(shè)計(jì)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(yùn)含的“積累”物理思想，使得教學(xué)設(shè)計(jì)流暢自然，讓學(xué)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(shí)用性，從而加深對(duì)學(xué)習(xí)物理學(xué)意義的理解.而帶電粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的研究，則運(yùn)用了物理學(xué)中數(shù)量級(jí)估計(jì)的近似方法.這種方法往往是在選擇和建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ椭螅致缘毓烙?jì)各量的大小和各種可能效應(yīng)的相對(duì)重要性，以判斷什么是決定物理現(xiàn)象的主要機(jī)制[5].顯然，這種方法的運(yùn)用就很好地訓(xùn)練了學(xué)生的學(xué)以致用思維.

參考文獻(xiàn)：

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[4]張國(guó)定，王世金. 化學(xué)教學(xué)關(guān)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(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

（收稿日期：2019-04-23）