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.