一、教学设计

回旋加速器一节，是本章的非重点章节。教学要求是了解回旋加速器的基本构造，能说清楚回旋加速器工作原理。

回旋加速器综合了电场和磁场知识，我认为本节课的关注点不应该放在回旋加速器本身上，而是应该放在对电场和磁场的深刻理解与应用上，回旋加速器只是这一思维过程的结果。

基于如上认识，我将激发学生思维，唤醒学生头脑中有关电场和磁场知识，引导学生应用已有知识去思考和解决问题作为教学设计的指导原则。

从知识的内在联系看，直线加速器与回旋加速器的工作原理有许多相似之处。在理解直线加速器原理的基础上，一旦突破“磁场回旋”这一点，回旋加速器的得出就是水到渠成了。

从学生的认知规律看，对直线加速器的理解，一般要比回旋加速器容易的多，于是可把前者当作后者的桥梁。在设计直线加速器的过程中，发现了加速器所应具备的若干条件，并经过学生自己的总结、整理，建立相应的认知结构。以此为依托，有关回旋加速器的内容就可以通过与直线加速器中的有关知识相互比较，形成知识的迁移。

根据以上两点认识，我将教材的顺序重新进行了调整，从加速电场开始，一步一步深入地进行讨论，设计出多级直线加速器，然后再进入回旋加速器。

教学过程的设计以问题为线，一步一步引导学生在记忆库中搜寻所需要的知识，进行筛选、组合，甚至是创造性的应用知识去解决问题。整节课中，学生始终处于思维的活跃状态，闪光的思维火花也是随时出现。确实达到了预期的教学目标。

二、教案

（一）教学目标:

1，学生可以说出回旋加速器的基本结构

2，学生可以理解回旋加速器的工作原理

3，学生在探究过程中对电场和磁场的认识更深入

4，学生在探索过程中体验科学思维的过程和科学研究方法

5，体验解决问题后的喜悦，体验祖国科技发展的自豪感

（二）重难点

教学重点：回旋加速器对带电粒子的加速原理

教学难点：加速电场与带电粒子运动周期的同步关系

（三）主要教学过程:

引课：

最近我在网上看到一则消息：

近年来，北京正负电子对撞机在τ--粲物理研究中捷报频传，取得了喜人的成绩。

2004年5月1日开始，国家总投资6.4亿元对北京正负电子对撞机进行升级改造。届时，北京正负电子对撞机继续保持在ｃ夸克和τ轻子领域的国际领先地位。

τ--粲研究是怎么回事？对撞机到底又是干什么用的？

中国科学院高能物理研究所所长陈和声告诉记者，目前，科学家们认为，构成物质世界的最基本单元是比质子还小的夸克和轻子。北京正负电子对撞机的主要研究对象就是夸克、轻子家族中的两个成员------c夸克和τ轻子。τ--粲研究就是纪录他们对撞时产生的物理量、搜索碰撞产生的新粒子。

而正负电子对撞机的任务是给这些粒子加速、为他们提供碰撞场所、记录碰撞数据。具体地说，对撞机是一种先进的加速器，是当前研究物质微观世界最小构成单元及其相互作用规律的主要科学实验、测量设备。

加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？这就是今天我们要研究的课题。下面就让我们以探索者的身份，用我们所学的知识,试着来寻求这个问题的答案!

我们首先要解决的问题是:

用什么方法可以加速带电粒子？～～利用电场可使带电粒子加速。(板书)

让我们记录下探索过程中我们每一个闪光的思想，结束的时候，让我们再一起来回顾我们探索的过程，分享我们成功的喜悦。

根据图示条件，带电粒子加速后可获得多大能量？

由此看来，要获得高能量的带电粒子，就必须尽量提高加速电压。但我们知道，实际能达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量也不够大，只能达到105-106电子伏。如果被加速的是质子，速度可达到106---107m/s。

问题2:

通过这一级电场的加速带电粒子的能量是达不到我们的要求的，如何将这个装置改进一下，使带电粒子获得更大的能量呢？

是否可以再加几个电场，让带电粒子逐一通过它们?～～～通过多级加速获得高能量带电粒子（板书）

问题3:这是一个非常有创意的想法，我们再仔细推敲一下它的可行性：真能实现多级加速吗？

从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用。

问题4:

如果我们能设法把加速极板外侧的减速电场消除呢，我们就能实现多级加速的设想了。要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？

采用静电屏蔽～～～将加速电场以外的区域静电屏蔽（板书）

还记不记得静电屏蔽的方法？

问题5:

我们可用金属圆筒代替原来的极板。这样，既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响。

题6:

再让我们讨论一下电源。为了简化装置，我们可以用一个电源来提供各级的加速电压。如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A正B负），你认为这个粒子能够“一路顺风”，不断加速吗？

不可能。因为，按这样的极性，带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速。粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失贻尽。

问题7：

有什么方法可解决这个矛盾吗？具体地说，对电源应该有什么特殊要求吗？

如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了～～采用交变电源提供电压（板书）

问题8：谁能对照图具体说明一下电源极性应该如何改变？

为了实现带电粒子的多级加速，应该采用交变电源；并且，电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即要满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在～～～电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件（板书）

问题9:

如何做到这一点呢？如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗？

不能满足！因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它每次穿越的时间就会越来越短。如要保证同步，电源频率应该越来越高才行。

当电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了。

两种方法，都有可能满足同步条件。在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案。很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度。那么，各圆筒长之间究竟应符合怎样的关系才行呢？这个问题稍许复杂一点，但只要运用我们所学的有关知识，也是不难解决的。有兴趣的同学在课后可以继续讨论，去完成这项设计任务。

看投影

小结:

过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出一台直线加速器的雏形了。“麻雀虽小，五脏俱全”，它包含着一般加速器应具备的几个基本要素。下面，就请同学们一起来小结。

①利用电场加速带电粒子；

②通过多级加速获得高能粒子；

③将加速电场以外的区域静电屏蔽；

④采用交变电源提供加速电压；

⑤电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件。

我们想象一下：很多圆筒一字排开，将是一种什么样的情景？～看投影（直线加速器外景）

问题1:

北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长204米的直线加速器（看投影～注入器内部一角）。这类加速器有其优点，但往往显得太长。

科学家们就在想：能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢？

问题2：

假如只用一个电场，带电粒子经过加速后还会再次返回，那就好了。……用什么方法能使粒子自动返回呢？……

外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速。

问题3：这确是个巧妙的构想，那就让我们顺这个思路来设计一下

问题4：设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率v0垂直进入匀强磁场中。如果它在电场和磁场的协同配合下，粒子每次经过电场的时候都被加速一次，不断地得到加速，你能大致画出粒子的运动轨迹来吗？请你动手试试，要边画图，边思考，并注意联系前面归纳出的几条结论。

问题5：

思考几个问题。第一，从画出轨迹看，它是条半径越来越大的螺线，这是什么缘故？

根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R=mv／Bq，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此，半径也相应增大。

问题6：

第二个问题：为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？

要采用交变电源，并且，还必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步。

请一位同学具体说明

问题7：

为“A负A′正”，使粒子再次加速，速率从v1增加到v2……以后的情形就以此类推。

刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者的分工非常明确，同时，它们又配合得十分默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一周，这正是确保加速器正常运行的同步条件。（板书）

问题8：

随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率需要相应变化吗？

不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T=2πm/Bq，它与速度无关。

对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的。有了这一条，我们就可免却随时调整电源频率以求同步的麻烦了。从而为最终实施我们的上述构想，提供了极大的便利。

早在1932年，美国物理学家劳仑斯正是沿着与我们相仿的巧妙思路。发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步。为此，劳仑斯荣获了1939年的诺贝尔物理学奖。

如果早出生几十年，你也许就是站在科技前沿的人呢。即使在今天，你们只要善于用你所学的知识进行思考，也一样可以产生创性的思维，取得创造性的发现呢！

下面让我们来看回旋加速器的基本结构。（看投影，立体图，平面图）从图上可以看出，回旋加速器主要由下列几部分组成：D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等～～～（板书）。

问题8：

两个空心的D形金属盒是它的核心部分。它的作用是什么？

这两个D形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场。

它还起到静电屏蔽的作用。使带电粒子在金属盒内只受磁场力作用，从而做匀速圆周运动。

问题9：

书上还提到一个细节：“两个D形盒之间留一个窄缝，……”想一下，为什么要留窄的缝？宽些就不成吗？

如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略。而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也将随之变化，这就会破坏同步条件。如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦了。

问题10：

同学们对回旋加速器的原理和结构己有了一定的理解。在此基础上，请大家再讨论一个问题：假如由你来设计一台回旋加速器，要求能使带电粒子获得更高的能量，你打算采用哪些措施？

①提高电源的电压。由公式Ek=qU可知，电压值大了，粒子获得能量也大。

②加大D形盒的半径。使带电粒子有更大的回旋余地，随着加速次数的增多，粒子具有的能量也就大。

③增加磁感应强度。根据公式，对应于一定的速度，B值越大，粒子的回旋半径B就越小，这样它在D形盒内就可以兜更多的圈，从而获得更大的能量。

分析：

在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带电粒子所达到的最大速率，则相应的最高能量就是。可以看出，对于给定的带电粒子来说，它能获得的最高能量与D形电极半径的平方成正比，与磁感应强度的平方成正比，而与加速电压无直接的关系。

问题11，

我们能否通过增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？

实际上是不行的。

例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到2×107eV，这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件。

这时候人们又重新认识到直线多级加速器的优点。随着技术的成熟，现在的直线加速器已经可以做成几公里甚至几十公里的长度。人们对事物的认识常常是会有反复的，是螺旋式上升的。

为了获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新的途径。例如，设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋加速器。目前世界上最大的加速器已能使质子达到1012电子伏以上的能量。但是这个时候粒子的质量已经很大了，速度仍然低于光速。

（四）板书设计：

§6回旋加速器

一、加速器的几个基本因素

1，用电常识带电粒子加速

2，通过多级加速是带电粒子获得高能量

3，将加速电场以外的区域静电屏蔽

4，采用交变电源提供加速电压

5，电场交替变化与带电粒子运动要满足同步

二、回旋加速器原理

三、回旋加速器结构

D型盒，强电磁铁，交变电源，粒子源，引出装置

D型金属盒的作用：

三、课后反思

1，因为课前设计的比较周密，问题问得比较清晰连贯，可以感受到学生的思维一直处于非常活跃的状态之中。老师和学生之间的配合非常默契，教师想完成的教学目标都达到了。

2，板书设计是事先想好的，但是当学生自己总结出哪些规律的时候，我想应该让学生知道那是他们思维的结晶，所以我明确告诉他们我要把他们的闪光的思想记录下来，学生非常开心，他们感受到作为一个研究者和发现者的快乐，学生感受到了学习的快乐。我领悟了学生主动学习，学生参与学习全过程的真实含义。学生的思维在课程内容里，学生的喜怒哀乐随着对课程内容的理解起伏变化着。不一定要热闹，不一定要每个人都回答问题，学生的眼睛追随着老师，学生的思维追随的问题，这就是素质教育阿。素质教育不在形式，而是在于本质上是否真的促成了学生思维品质的变化。

3，在本课的设计中，原来是有一个用洛仑兹力演示仪演示带电粒子在磁场中的偏转的实验，由于教室太亮，实验可见度比较差，所以没有做，这是一个遗憾。因为如果这个实验在恰当的时机做了，对于突破“磁场回旋”这个难点是有非常大的帮助的。

4，学生的思维一直处于活跃状态中，他们有很多思想需要表达，要是能给学生更多的时间，问题讨论的更深入，学生对学习物理的兴趣会更浓，对物理学习中的情感体验也会更丰富，可惜由于时间限制没能更好的展开。这个问题在我的下一节课才给与了弥补，把没有讨论透彻的问题又进行了讨论。

整节课中，学生始终处于思维的活跃状态，闪光的思维火花也是随时出现。确实达到了预期的教学目标。本课也有一些不足：首先，由于教室环境太亮，有些设想没能用实验验证。其次，课件是从网上免费下载的，背景较暗，效果欠理想。最后，由于时间的限制，讨论还欠充分。在以后的教学中，应考虑的更周全。

评析

对于本节课的教学目标的确定是合理的，是恰当的。课堂教学的结构是合理的。教学过程中通过对回旋加速器工作原理的认识加深学生对电场、磁场的认识，加深学生对带电粒子在电场中、在匀强磁场中运动规律的认识，这个知识目标的确定是符全学生的实际认知水平的认知能力。

课堂教学过程中以问题为主线，以问题构成教学过程中的各个有联系的环节。每个问题都有一个可供学生思考和做出判断的情景。一些问题有着很强的思考价值。对学生来说思考问题的过程中，能够充分地锻炼学生的思维能力。

通过对各个问题的解决，学生从解决问题的过程中能够获得成功的体验，不但获得的成功感使学生增强进一步探索问题的兴趣，提高学生的学习热情。

通过介绍各种加速器，增大了学生的认知背景。扩大了学生的知识面。通过介绍我国的电子对撞机，使学生看到我国在这个领域国际地位。增强学生的民族自豪感。

在学生学习完回旋加速器的内容后，朱教师向学生提出一个问题，利用回旋加速器如何使带电粒子获得更高的能量，这是一个两难问题，因为若提高两极间的电压显然将提高每一次加速后的能量，但是由于速度增大，轨道半径增大，造成加速的次数减少，矛盾突显出来，在这种情况下，学生进入积极的思考状态，进入高度集中的思考状态，因为此时学生已懂得回旋加速器的工作原理，而且这个问题顺理成章的应该给予解决的。通过学生的推理论证使得这一问题得以解决。这个问题的解决对学生形成理解性解释是极其重要的。

这节课学生的思维始终是活跃的，学生是主体参与的，他已改变上课教师满堂讲、满堂灌、学生处于被动听的局面。这使课堂教学有了实质性的变化。这是课程改革带来的变化。

《基础教育课程改革纲要》中对教学过程有如下的叙述：“教师在教学过程中应与学生积极互动、共同发展，要处理好传授知识与培养能力的关系，注重培养学生的独立性和自主性，引导学生质疑、调查、探究，在实践中学习，促进学生在教师指导下主动地、富有个性地学习。教师应尊重学生的人格，关注个体差异，满足不同学生的学习需要，创设能引导学生主动参与的教育环境，激发学生的学习积极性，培养学生掌握和运用知识的态度和能力，使每个学生都能得到充分的发展。”

“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”

《纲要》中的教学过程从多角度、多层面的对课堂教学提出了详实而又具体的要求，其中教师与学生“积极互动”是基础性的要求。课堂教学中师生互动的基本内涵是什么呢？应该是动脑思维、动手实践、动情体验。

而其中的动脑思维又是显得十分重要。因为知识和技能既是教学过程的本体又是载体。作为本体，学习新知识的过程，是学生建构头脑中认知体系的过程。这个建构过程必须经个人独立思考而完成，是任何人都代替不了的。

课堂教学过程中如果学生能够在问题情景中进行积极主动的思考，并且能够在教师的引导下进行深入的思考，则认知体系将得以丰富和完善，这也正是教育使人智慧的实质所在。因此课堂教学质量的高低，关键看学生有没有积极、主动、独立的思考问题，有没有将新的学习内容与原有的知识结构建立联系。

课堂教学中我们应该对诸如“是吗、对吗、行吗、好吗、汽车跑的快还是马车快”不用太动脑筋学生就能齐声回答的对话方式加以深刻化，应对一些表面上的热闹和肤浅加以深刻化。深刻的标志，就是使学生积极动脑思维，使新知识与原有的知识结构建立联系。我们应该对诸如“很好、非常好、谢谢你、掌声鼓励一下”等表面上的激励评价，加以深刻化。如何深刻，想办法让教师的指导与点拨能使学生的思维达到胜利的彼岸，从而丰富认知体系，使学生享受学习。

课堂教学过程中，教师向学生传递新信息的同时，要时刻关注学生处理信息的过程中出现的问题，捕捉指导和点拨的最佳时机，并使指导和点拨做到恰到好处。这就要求教师要进行快速的思维，因此课堂教学是一种高强度并且具有创造性工作，他的高强度在于思维的快速和敏捷，他的创造在于总是在面对新的问题。

如何在课堂教学中使学生积极、主动、独立的动脑思维呢？我认为教师要在如下的两个环节上下功夫。

首先要在创设问题情景上下功夫

没有问题情景很难引起学生的注意力和兴趣；没有问题情景学生就没有思考问题和做出判断的背景；没有问题情景学生就没有解决问题的期待；没有问题情景学生就没有假设、猜想的空间；没有问题情景就不是有意义的学习。

课堂教学就怕“空对空”，怕老师用自己熟悉的学科术语、用编排好的符号语言描述自己头脑中已建立好的情景。学生一旦不能建立相应的问题情景，就无法做出选择与判断。学生的思维要么盲目，要么中断。长此以往，学生只能做出无耐的选择，那就是放弃意义学习。正像有的学生说“不是我不想听、不想学，不是我不尊重教师的劳动，我是真听不懂。”

创设问题情景可利用教学实验、多媒体视频技术、多媒体音频技术、网络技术、学生的生活经验等等，新技术的出现为创设问题情景提供了很大和方便。

创设的问题情景要贴近学生的生活、要有利于学生获得体验、有利于激发学生的学习兴趣和探究欲望、有利于学生做深入的思考、有供学生进行假设、猜想的空间、有利于教学目标的完成。

要在引发学生做深入的思考上下功夫

创设物理情景后，学生会有解决问题的期待，这种情况下教师要善于提出能够引发学生做深入思考的问题，问题要有针对性、要有恰当的难度、问题提出后，一定要给学生思考和判断的时间，这时教师不能越俎代庖，否则事倍功半。

本节课学生的思维活动是主动的、是积极的，学生的收获是较大的。他们不仅在回旋加速器的原理上懂得了很多，在研究问题和解决问题的方法上也有收获，同时了解了这个领域国际上的研究状况，对我国的电子对撞机有了一此解。因此这节课体现了新课程提出的关于“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”三个维度的培养目标。