第六節(jié)回旋加速器

師：說得很對.看來同學(xué)們對回旋加速器的原理和結(jié)構(gòu)己有了一定的理解.在此基礎(chǔ)上，請大家再討論一個問題：假如由你來設(shè)計一臺回旋加速器，要求能使帶電粒子獲得更高的能量，你打算采用哪些措施？

(提出這種設(shè)計性問題的目的，在于深化學(xué)生思維，活化物理知識，使學(xué)習(xí)活動跨上更高的臺階.)

甲生：可以提高電源的電壓.由公式ek=qu可知，電壓值大了，粒子獲得能量也大.

乙生：還可以加大d形盒的半徑.使帶電粒子有更大的回旋余地，隨著加速次數(shù)的增多，粒子具有的能量也就大.

丙生：也可以增加磁感應(yīng)強度.根據(jù)公式r＝mv/bq，對應(yīng)于一定的速度，b值越大，粒子的回旋半徑b就越小，這樣它在d形盒內(nèi)就可以兜更多的圈，從而獲得更大的能量.

師：對于上面幾位同學(xué)的意見，大家有沒有補充或不同的看法？

丁生；我認(rèn)為甲同學(xué)的說法不對.因為提高了電源的電壓后，盡管可以使粒子每次加速獲得的能量增大，但相應(yīng)的回旋半徑也要增大，這又會使得加速次數(shù)減少，最后粒子的總能量不見得就大.

師：同學(xué)們能發(fā)表不同的見解，這很好.究竟誰是誰非呢？我們還可以進一步分析：在回旋加速器的最大半徑和磁場都確定的條件下，帶/2＝b2r2q2/2m.這就告訴我們，對于給定的帶電粒子來說，它能獲得的最高能量與d形電極半徑的平方成正比，與磁感應(yīng)強度的平方成正比，而與加速電壓無直接的關(guān)系.

講到這里，有的同學(xué)可能會想，如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大d形盒半徑，我們不就可以使帶電粒子獲得任意高的能量了嗎？但實際并非如此.例如：用這種經(jīng)典的回旋加速器來加速粒子，最高能量只能達(dá)到20兆電子伏.這是因為當(dāng)粒子的速率大到接近光速時，按照相對論原理，粒子的質(zhì)量將隨速率增大而明顯地增加，從而使粒子的回旋周期也隨之變化，這就破壞了加速器的同步條件.

為了獲得更高能量的帶電粒子，人們又繼續(xù)尋找新的途徑.例如，設(shè)法使交變電源的變化周期始終與粒子的回旋周期保持一致，于是就出現(xiàn)了同步回旋加速器.除此之外，人們還設(shè)計制造出多種其它的新型加速器.目前世界上最大的加速器已能使質(zhì)子達(dá)到10000億電子伏以上的能量.

我國在高能粒子研究方面發(fā)展很快，并取得了多項世界矚目的成就.希望同學(xué)們樹立志向，奮發(fā)學(xué)習(xí)，將來把祖國的科學(xué)技術(shù)推向世界的最前沿！

教案說明

一 關(guān)于課題選定

回旋加速器作為一種高科技的實驗設(shè)備，學(xué)生往往對其懷有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，如能有意識地讓學(xué)生到當(dāng)今科學(xué)的前沿“圣地”去涉足一番，哪怕是十分粗淺，也將會有助于他們開闊視野，培養(yǎng)志趣.同時，回旋加速器又是洛侖茲力應(yīng)用的著名實例，藉此機會，可使學(xué)生對電磁學(xué)的有關(guān)知識作一次較廣泛的復(fù)習(xí)和運用.因此，本課題雖屬選學(xué)內(nèi)容，但在學(xué)生條件許可的情況下，仍然值得一學(xué).

二 關(guān)于教材處理

本節(jié)課的教材組織及教學(xué)流程，可用以下圖式表示：

這里值得說明的問題是：在順序上，把直線加速器提在前，而將回旋加速器置于后，這樣是否有悖史實？在內(nèi)容上，回旋加速器是課題的中心，但卻要化相當(dāng)篇幅去討論直線加速器，這樣會否喧賓奪主？

教學(xué)過程應(yīng)該是有序的，這就必須牢牢把握兩條脈胳：一是教材知識的內(nèi)在聯(lián)系，二是學(xué)生認(rèn)識的發(fā)展規(guī)律.為此，教師應(yīng)能駕馭教材，對教學(xué)內(nèi)容作一番必要的剪輯或加工，這也是一種教學(xué)藝術(shù)的再創(chuàng)造.