“回旋加速器”的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

魯 斌

(浙江省余姚中學(xué)，浙江 寧波 315400)

“回旋加速器”的內(nèi)容在人教版教材中屬于“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)”中的一個(gè)應(yīng)用，篇幅不大。但在高考中以回旋加速器為模型的試題較為常見，常作為壓軸題出現(xiàn)。其物理內(nèi)涵豐富、科學(xué)思想深邃、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧，我們在新課教學(xué)時(shí)應(yīng)詳細(xì)探討其結(jié)構(gòu)、原理，關(guān)注其應(yīng)用、拓展。

在《名師授課錄——高中物理》一書中，義烏中學(xué)吳加澍老師對(duì)本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)堪稱經(jīng)典，時(shí)隔近三十年，當(dāng)年在物理課堂中展現(xiàn)的對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培育方式仍不過時(shí)。目前物理課程目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)由“雙基”到“三維目標(biāo)”、再到“核心素養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變，為體現(xiàn)現(xiàn)代教學(xué)理念和科學(xué)發(fā)展，筆者以吳老師的設(shè)計(jì)為藍(lán)本，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?、擴(kuò)充，形成新的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 課題的引入

用高能粒子轟擊原子核，從轟擊的結(jié)果可推測出原子核的組成。1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮核，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子；1932年查德威克用α粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)了中子。

當(dāng)然也可以使兩個(gè)高能粒子產(chǎn)生對(duì)撞，1983年歐洲核子中心將質(zhì)子與反質(zhì)子加速到400GeV進(jìn)行對(duì)撞，從而發(fā)現(xiàn)了W±、Z0粒子。2012年該中心的兩個(gè)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均發(fā)現(xiàn)了一種能量約為125GeV的新粒子，具有和希格斯玻色子相一致的特性。高能粒子如此重要，我們?nèi)绾尾拍艿玫剿兀?/p>

2 直線加速器

2.1 電場加速

問題1：根據(jù)之前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，我們怎樣加速帶電粒子？

圖1

圖2

2.2 多級(jí)加速

歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)能夠讓兩束正反質(zhì)子加速到7000GeV后迎頭相撞，顯然，一次加速不能滿足科學(xué)研究的要求。

問題2：如何繼續(xù)提高粒子的能量呢？

圖3

問題3：這個(gè)加速器能加速粒子嗎？在兩個(gè)單級(jí)加速器之間的區(qū)域存在反向電場，會(huì)阻礙粒子運(yùn)動(dòng)，該裝置不能持續(xù)加速粒子。

2.3 靜電屏蔽

問題4：如何消除級(jí)間的影響呢？

如果在金屬空腔中開兩個(gè)小孔，粒子在空腔中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于靜電屏蔽而做勻速運(yùn)動(dòng)。我們可以將單級(jí)加速器之間的區(qū)域連接，形成閉合的空腔，這樣就起到了靜電屏蔽的效果。

我們將這些封閉的區(qū)域用圓筒表示(圖4)，在圓筒內(nèi)部，粒子做勻速運(yùn)動(dòng)。在圓筒之外的區(qū)域，粒子進(jìn)行加速。

圖4

2.4 加交變電壓

問題5：需要加電場才能讓帶電粒子加速，能否加上如圖4所示的電場？

生：兩個(gè)圓筒極性相反，無法持續(xù)加速。

問題6：電場怎樣變化才能滿足要求呢？

生：當(dāng)帶正電的粒子在A處時(shí)，A極板電勢較高，B圓筒電勢較低，可對(duì)粒子進(jìn)行加速；到達(dá)圓筒B后，粒子在其內(nèi)部做勻速運(yùn)動(dòng)，出圓筒B后，要求B圓筒電勢較高，C圓筒電勢較低；到達(dá)圓筒C后，粒子在其內(nèi)部做勻速運(yùn)動(dòng)，出圓筒C后，又要求C圓筒電勢較高，D圓筒電勢較低。我們將交流電源加在圓筒上(圖5)，就可以滿足不斷加速的要求了。

圖5

2.5 同步條件

問題7：我們加上如圖5所示的交流電后，帶電粒子能夠被持續(xù)加速嗎？

生：每次加速后，粒子的速度都會(huì)增加，勻速通過圓筒的時(shí)間會(huì)縮短，導(dǎo)致最后與交變加速電壓在時(shí)間上不匹配。

問題8：應(yīng)該如何解決這一問題呢？

生：可將圓筒的長度逐個(gè)按照要求加長(圖6)，或者改變交流電的頻率以達(dá)到同步。

圖6

2.6 總結(jié)

通過前面我們對(duì)直線加速器的討論，可總結(jié)出以下結(jié)論：(1) 利用電場加速帶電粒子獲得能量；(2) 通過多次加速獲得高能粒子；(3) 用靜電屏蔽的方法處理加速電場以外的區(qū)域；(4) 采用交變電源提供加速電壓；(5) 使電場交替變化，與帶電粒子運(yùn)動(dòng)匹配，以滿足同步條件。

3 環(huán)形加速器

問題9：直線加速器所需要的距離很長，對(duì)空間的要求較高，我們應(yīng)該如何處理，使粒子在小范圍空間中得到加速呢？

生：讓帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)2：電場的環(huán)形加速。將起電機(jī)與加速器的兩級(jí)相連，兩級(jí)分別與“輻條”分別連接，形成正負(fù)交替的電場(圖7)，通草球便在其間得到加速。

圖7

圖8

問題10：通草球?yàn)楹文懿粩嗉铀伲?/p>

生：如圖8所示，假設(shè)通草球與某一帶正電的金屬輻條接觸，就會(huì)帶正電，下一個(gè)輻條帶負(fù)電，通草球便得到加速。到達(dá)帶負(fù)電的輻條后，通草球會(huì)帶上負(fù)電，而下一個(gè)輻條帶正電，通草球便繼續(xù)被加速，如此持續(xù)進(jìn)行下去。

3.1 用磁場實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)

問題11：如被加速的粒子本身電性不變，利用這個(gè)裝置就不能起加速的作用。怎樣在不改變粒子電性的情況下，讓粒子做圓周運(yùn)動(dòng)呢？

生：讓粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)。

3.2 電場加速，磁場偏轉(zhuǎn)

問題12：若用電場加速粒子，使其在磁場中偏轉(zhuǎn)，應(yīng)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？

學(xué)生提出了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)方案1。

圖9

圖10

問題13：根據(jù)方案1，帶電粒子的速度在電場中不斷增大，運(yùn)動(dòng)半徑也不斷增大(圖10)，這樣的方案能滿足加速要求嗎？

生：由于極板外側(cè)也有電場存在，所以粒子從電場中的一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過一周又回到該點(diǎn)，電勢差為零，電場力不做功，粒子的能量不能增大。

問題14：方案2(圖11)也不可行，粒子從A1加速到A2，但從A2到B2，也會(huì)遇到同樣的問題，有什么辦法能夠讓粒子從A2到達(dá)B2呢？

圖11

圖12

3.3 靜電屏蔽

將帶電粒子走過的區(qū)域用金屬盒屏蔽即可(圖12)，帶電粒子可以在其中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

問題15：圖12所示的方案可以實(shí)現(xiàn)在A1和A2、B2和B1的加速以及在A2和B2、B1和A1的勻速，但如果A1、A2板極性不變，就又不能加速粒子了，這個(gè)問題如何解決？

3.4 加交流電壓

在A1和A2、B2和B1極板上分別加上交流電壓，使它能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻變換極性，可達(dá)到加速的目的。

由于速度越來越大，偏轉(zhuǎn)半徑越來越大，如果加速極板的位置固定，就不能滿足加速條件了。這個(gè)問題也是需要我們思考的。

問題16：我們可以將極板安放在哪里？

將交流電壓直接加在D形盒上，讓其充當(dāng)極板，內(nèi)部靜電屏蔽可以使粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，在其間隙可使粒子加速。

3.5 頻率匹配

問題17：所加交流電的頻率要滿足什么要求才能使加速電壓與圓周運(yùn)動(dòng)達(dá)到匹配呢？

根據(jù)圖13，讓學(xué)生計(jì)算：(1) 第1次加速的時(shí)間；(2) 第1次偏轉(zhuǎn)的時(shí)間；(3) 第2次加速的時(shí)間；(4) 第2次偏轉(zhuǎn)的時(shí)間；(5) 第1次和第2次回轉(zhuǎn)的時(shí)間。

圖13

由于D形盒之間的狹縫很小，加速時(shí)間可以忽略，從而得到粒子回轉(zhuǎn)的時(shí)間T回與交流電的周期T電之間的關(guān)系：T電=2πm/qB=T回。

由于帶電粒子在一定的勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)的周期是恒定的，我們只要提供恒定頻率的加速電場即可，這免去了隨時(shí)調(diào)整電源頻率以求同步的麻煩。

1931年加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，通過磁場的作用使帶電粒子做螺旋線運(yùn)動(dòng),把長長的電極像卷尺那樣卷起來，第一臺(tái)直徑為27cm的回旋加速器能將質(zhì)子加速到1Mev。

4 教學(xué)反思

沒有探究和創(chuàng)新，就沒有科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。高中物理課堂教學(xué)不僅承載著物理知識(shí)和技能的傳授責(zé)任，更承載著培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的重任。

本課采取引導(dǎo)探究的教學(xué)方法，以問題為驅(qū)動(dòng)，把教學(xué)有機(jī)地分成若干個(gè)探究階段，使邏輯結(jié)構(gòu)清晰。在教學(xué)順序上，把直線加速器的討論放在首位，而將回旋加速器置于其后，中間用電場的環(huán)形加速實(shí)驗(yàn)過渡。由于加速器的原理基本是一致的，對(duì)于直線加速學(xué)生較熟悉也較容易接受，在得到直線加速器所要滿足的條件之后，再遷移至回旋加速器，使本節(jié)課的教學(xué)過程更加自然。

在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生把握運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量守恒等物理觀念，通過對(duì)加速器原理的分析、探究，提升學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，樹立學(xué)以致用的科學(xué)態(tài)度與意識(shí)。