多版教材中“回旋加速器”內(nèi)容比較及其教學(xué)設(shè)計(jì)

(江蘇省平潮高級中學(xué)，江蘇 南通 226361)

美國物理學(xué)家勞倫斯于1930年發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了微觀粒子從“直線加速”到“周期性回旋加速”的轉(zhuǎn)變，打開了物理學(xué)發(fā)展的新篇章，揭開了籠罩在原子核上的神秘面紗。至今，它依然是物理實(shí)驗(yàn)中的重要儀器，在生活中的多個(gè)方面亦有其廣泛的應(yīng)用。[1]正是由于回旋加速器的多種應(yīng)用和模型的典型性，體現(xiàn)了物理與生活、現(xiàn)代科技的緊密聯(lián)系，現(xiàn)行各個(gè)版本的教材均把這部分內(nèi)容寫入教材中。對比各個(gè)版本教材的內(nèi)容設(shè)計(jì)，體悟教材編寫專家的意圖，將會給我們的課堂教學(xué)帶來一定的啟示。[2]

1 多版教材中“回旋加速器”內(nèi)容比較

1.1 在教材中的位置

在人教版、滬科教版、粵教版和教科版4個(gè)版本中，該內(nèi)容均是位于本章的最后一節(jié)，編者的意圖是希望學(xué)習(xí)者在對“帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)”有一定認(rèn)識后，再進(jìn)一步深化，提升到具體應(yīng)用的層次。但其中又有一定的差異：(1) 滬科教版中“磁場”這一章的標(biāo)題是“磁場與回旋加速器”，這也是4個(gè)版本中唯一這樣命名的。在滬科教版中最后一節(jié)“洛倫茲力與現(xiàn)代科技”中，“回旋加速器”是放在“質(zhì)譜儀”之前，且?guī)缀跽加昧吮竟?jié)教材的四分之三的版面，可見，該內(nèi)容在編者心中的地位。(2) 其余三個(gè)版本，該內(nèi)容均位于“質(zhì)譜儀”之后。

1.2 內(nèi)容選取和呈現(xiàn)

在人教版和滬科教版中，教材從“對微觀粒子加速的目的”入手，引出加速器，然后進(jìn)一步從單一直線加速器、多級直線加速器、獲得高能量存在的問題等出發(fā)，引出“回旋加速器”內(nèi)容，讓學(xué)生在不斷思考的過程中，實(shí)現(xiàn)空間思維的轉(zhuǎn)化。

(1) 人教版在引出回旋加速器后，較為簡單地介紹了其原理，通過“思考與討論”欄目，引出兩個(gè)問題，討論粒子在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的周期和半徑變化的特點(diǎn)，最后以知識拓展的方式介紹了粒子達(dá)到高速后不能進(jìn)一步加速的原因。人教版在本部分內(nèi)容中配備了兩張插圖：直線加速器和回旋加速器立體圖。

(2) 滬科教版在后繼的內(nèi)容設(shè)計(jì)上與人教版正好相反，先通過兩個(gè)問題的設(shè)計(jì)，引發(fā)學(xué)生的思考，然后基于討論，進(jìn)一步闡述回旋加速器的工作原理，最后在結(jié)尾部分以“信息瀏覽”欄目對加速器的創(chuàng)新歷程做了相關(guān)介紹，開拓了學(xué)生的視野，也激發(fā)了學(xué)生關(guān)注科技創(chuàng)新、學(xué)習(xí)物理的興趣，并在本內(nèi)容中配備了三張插圖：回旋加速器立體圖、平面圖以及勞倫斯的肖像，并對勞倫斯做了相關(guān)介紹。

(3) 粵教版在內(nèi)容上的設(shè)計(jì)，主體部分的流程是加速器的作用—?jiǎng)趥愃购喗椤匦铀倨鞴ぷ髟?，然后利?個(gè)欄目呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容：在“討論與交流”欄目中設(shè)計(jì)了3個(gè)問題，對粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的周期、加速電壓的頻率和所能獲得的最大速度進(jìn)行討論；“實(shí)踐與拓展”欄目引導(dǎo)學(xué)生自行去查找資料，了解相關(guān)信息；“資料活頁”欄目對回旋加速器的改進(jìn)進(jìn)行了介紹。文中配備了4張圖片：回旋加速器的原理圖、第一臺回旋加速器實(shí)物圖、勞倫斯的肖像和世界上最大的加速器實(shí)物圖。

(4) 教科版相較于其他3個(gè)版本，在回旋加速器的原理的敘述上較為詳細(xì)，但是在課題的引入上略顯突兀，該版本也配備了回旋加速器的立體圖和平面圖。

1.3 練習(xí)配置

人教版在其“問題與練習(xí)”欄目中，設(shè)置了一個(gè)求解最大動(dòng)能的問題,該問題是對教材內(nèi)容的補(bǔ)充；粵教版在其“練習(xí)”欄目中設(shè)置了一個(gè)開放性問題，引入勞倫斯在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演說中的一段話，意圖引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身體驗(yàn)談感受，從而滲透科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。教科版在其“練習(xí)與評價(jià)”欄目中設(shè)置了一道選擇題，對回旋加速器相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了梳理，滬科教版沒有設(shè)置相關(guān)習(xí)題。

2 “回旋加速器”的教學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合多個(gè)版本教材的優(yōu)點(diǎn)，基于培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力、滲透科學(xué)方法和科學(xué)精神的目的，對于這一部分的教學(xué)，可以采用問題引導(dǎo)的方式進(jìn)行相關(guān)教學(xué)。

問題1：同學(xué)們平時(shí)吃核桃時(shí)，是如何打開核桃的？

問題2：我們知道，物質(zhì)是由大量原子構(gòu)成的，原子又是由原子核和核外電子構(gòu)成，那原子核還可以再分嗎？如果可以再分，我們?nèi)绾窝芯克慕Y(jié)構(gòu)？

問題3：利用哪些場，可以實(shí)現(xiàn)對微觀粒子加速？

設(shè)計(jì)目的：從生活中的事例引入課題，激發(fā)學(xué)生課堂的參與度；通過類比的方式，引發(fā)學(xué)生的思維從宏觀轉(zhuǎn)向微觀；通過分析能夠?qū)αＷ蛹铀俚膱?，引發(fā)學(xué)生對回旋加速器中的兩種不同場的功能的初步認(rèn)識。

問題4：如何使粒子獲得更大的速度？

設(shè)計(jì)目的：從課堂情況看，大部分學(xué)生初始的結(jié)論是增大電壓，此時(shí)老師可以追問：在平行板電容器上能無限加大電壓嗎？這時(shí)學(xué)生會想到多加幾個(gè)電容器，從而引出多級直線加速器。然后繼續(xù)討論直線加速器需要足夠長的空間距離，為引出回旋加速器打下鋪墊。

問題5：請你依據(jù)教材上的立體圖，畫出你認(rèn)為最有助于分析粒子運(yùn)動(dòng)的平面圖。

問題6：閱讀教材內(nèi)容，回答以下幾個(gè)問題：① 粒子在電場中做什么運(yùn)動(dòng)？② 進(jìn)入磁場后，粒子做什么運(yùn)動(dòng)？③ 磁場和電場對粒子分別起到什么作用？④ 你如何理解儀器名稱中的“回旋”與“加速”？

問題7：當(dāng)粒子以不同的速度在兩個(gè)D形盒中運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間上有何特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)目的：從教學(xué)觀察看，學(xué)生在處理粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)類問題時(shí)，最大的不足是不善于也不樂意去畫示意圖，但這恰恰又是研究磁場的重要分析方法。問題5的設(shè)計(jì)目的在于引導(dǎo)學(xué)生畫好示意圖，有助于學(xué)生解答問題，培養(yǎng)學(xué)生的空間轉(zhuǎn)換能力；問題6的設(shè)計(jì)目的在于培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力和提取信息的能力，問題6和問題7相結(jié)合，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析回旋加速器的原理。

問題8：若每次經(jīng)過電場時(shí)，使得電場都能對粒子加速？對所加的電場的周期有何要求？

問題9：在不斷的“加速—回旋—加速—……”的循環(huán)過程中，粒子何時(shí)有最大的速度？粒子最大速度的表達(dá)式是什么？從上述分析中，我們知道，真正對粒子加速的是電場，但是從粒子最大速度表達(dá)式看，粒子的最大速度竟然與加速電場的電壓沒有關(guān)系，即調(diào)整電壓對粒子的最大速度沒有影響，這是什么原因？

設(shè)計(jì)目的：問題8在于通過問題的引領(lǐng)，幫助學(xué)生分析、掌握這類周期問題的特點(diǎn)，明確加速電場的要求；問題9的引入，在于構(gòu)建一個(gè)“沖突性”問題，通過本問與學(xué)生固有知識的“沖突”，引發(fā)學(xué)生的思維碰撞，達(dá)到深入理解的目的。

問題10：你能求出粒子在電場中加速的次數(shù)嗎？你能求出粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間嗎？

設(shè)計(jì)目的:本問是問題9的延伸，通過這一問題的解決，幫助學(xué)生理解加速電場的電壓大小，影響的是每一次加速時(shí)，粒子動(dòng)能改變量的大小，從而影響每次加速后粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)半徑的改變，最終影響加速次數(shù)，但對最大動(dòng)能沒有影響。

3 對教材編寫的一點(diǎn)建議

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬永毅.回旋加速器面面觀[J].物理教學(xué)探討，2011,(9).

[2] 顧愛芬，潘華君.多版本“彈性勢能”內(nèi)容設(shè)置的比較研究[J].物理教師，2015,(5).