彰显物理过程的回旋加速器教学设计

王玉婷　邢红军　童大振

摘 要：通过对现行教材中回旋加速器一节的分析，从彰显物理过程的视角，定量研究了回旋加速器的回旋与加速过程，运用归纳法得到了带电粒子的最大动能与在回旋加速器中的运动时间，从而为回旋加速器的教学设计提供了有益的启示.

关键词：回旋加速器;洛伦兹力;电场力;物理过程

文章编号：1008-4134（2019）13-0034 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：王玉婷（1995-），女，四川泸州人，硕士研究生，研究方向：物理课程与教学论;

邢红军（1960-），男，河南平舆人，博士，教授，博士生导师，研究方向：课程与教学论、学科能力发展与培养;

童大振（1993-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：物理课程与教学论.

“回旋加速器”作为带电粒子在匀强磁场中偏转的具体应用，一直是高中物理教学的重点与难点.然而教学实践表明，学生在学习过 “回旋加速器”以后，却对其加速机理不甚清楚，从而影响着后续知识的学习.有鉴于此，本文在深入分析现行教材编写的基础上，对回旋加速器的教学展开新的探讨，希冀呈现出一个逻辑清晰、彰显本质的教学设计.

1 现行教材编写分析

现行教材中“回旋加速器”的编写顺序如下：首先列举生产高能“炮弹”工厂的例子，而后简略介绍“多级加速器”的工作原理与实用性，接着介绍“回旋加速器”的组成部分，并且定性地描述了“回旋加速器”的工作原理，最后简单地说明了“回旋加速器”不能无限制地加速电子的原因[1].笔者认为，这样的编写可能存在一些尚需深入探讨的问题.

第一是教材仅仅定性地描述了“回旋加速器”的工作原理，對于带电粒子在电场中的加速过程与在磁场中的偏转过程没有进行定量分析，这就可能导致学生无法深入理解“回旋加速器”的工作原理，更难以很好地体会物理知识与生产生活之间的紧密联系.

第二是教材对于带电粒子所能获得的最大动能以及回旋加速器的加速时间没有介绍，这就容易导致学生对回旋加速器的认识深度不够.如果教材对回旋加速器的相关知识内容介绍不够，就不利于学生构建完备的有关回旋加速器的认知结构.

第三是由于教材缺乏必要的回旋加速器知识介绍，就使得科学方法没有用武之地，更遑论显化归纳法和“积累”的物理思想，从而进一步彰显出物理方法与物理思想在教学中的重要作用.

回旋加速器作为获得高速度和高能量的加速装置，在教学中对其定量研究是十分必要的.因此，我们尝试设计出一条逻辑清晰的教学主线，将缺失的内容显化出来，就成为本节教学设计的重中之重.有鉴于此，笔者认为，本节教学设计应该遵循由物理方法得到物理知识，进而揭示物理思想的教学思路.首先由归纳法得到带电粒子所能获得的最大动能，诠释其背后所隐含的“积累”的物理思想;再采用同样的方法得到带电粒子在回旋加速器中运动的时间，让学生体会物理方法的独特魅力，从而最终达到掌握回旋加速器加速机理的目的.

2 彰显物理过程的教学设计

回旋加速器由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D型盒正中间开有一条狭缝，如图1所示.两个半径均为R的D型盒处在磁感应强度为B的匀强磁场中，宽度为d 的狭缝两端加有大小为U的电压.在D型盒上半面中心有一粒子源，它能产生速度为零、质量为m、带电量为q的粒子，经狭缝电压加速后进入D型盒中，在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速.重复上述过程，最后到达D型盒的边缘，以最大速度飞出.

为了让带电粒子始终在电场中处于加速状态，需要在两个D型盒的端点加交变电压.如图2，带电粒子从位置1运动到位置2与位置3运动到位置4的电场方向相反，这样就能满足带电粒子在电场中一直加速的特点.下面从能量和运动时间的积累角度，定量介绍带电粒子在回旋加速器中的加速过程.

回旋加速器教学需要解决的第一个问题是：带电粒子所能获得的最大动能是多少？回旋加速器的加速机理分为两部分：首先，带电粒子受到电场力在电场中做匀加速运动;其次，带电粒子受到洛伦兹力在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力不改变其速度的大小.因此，带电粒子最大动能的推导可使用归纳法得出.

3 研究启示

纵览以上的教学设计，我们可以得到三点启示.

3.1 把握教学关键环节

物理课堂教学的基本规范指出，虽然教学中需要注意的环节有很多，但确定与处理教学关键环节，是其中最重要的内容.因为只有把握好关键，才能排除难点，突出重点，这是优化教学过程的重要环节，也是提高物理课堂教学效率的重要途径[4].对于本节课而言，回旋加速器作为带电粒子在匀强磁场中偏转的重要应用，其教学关键点是带电粒子在磁场中受洛伦兹力而发生偏转，洛伦兹力只改变带电粒子的速度方向，不改变其大小，这也正是“回旋”二字的内涵.第二个关键点是带电粒子在交变电场中加速，但不改变方向.因此，带领学生从带电粒子在回旋加速器中处于静止状态的分析出发，一步步地分析出带电粒子的回旋与加速过程，就成为回旋加速器教学中不可或缺的关键环节.

3.2 注重教学内在逻辑

在物理教学中，教师不仅要讲清楚“是什么”，更要讲明白“为什么”.严密有序的知识体系对于学生科学思维的培养有着不可小觑的作用.由于教材对回旋加速器内容的介绍仅仅限于多级加速器与回旋加速器的定性描述，因此，对于学生掌握回旋加速器的回旋与加速本质是有所欠缺的.因此，通过对带电粒子获得的最大动能进行由因溯果的分析，并对回旋加速器在电场中的加速时间进行推导，才能有助于学生厘清回旋加速器的回旋与加速脉络，构建完备的回旋加速器认知结构，这对于发展学生的物理学科核心素养，具有重要的启示意义.

3.3 训练学以致用思维

回旋加速器作为高能物理中的一种重要设备，在工业与医疗中有广泛的用途.因此，在教学中应当让学生深刻把握回旋加速器的加速机理，对其中蕴藏的科学方法与物理思想刨根问底，体会学以致用的重要意义.在教学设计中，用显化的归纳法得出带电粒子所能获得的最大速度，并揭示其背后蕴含的“积累”物理思想，使得教学设计流畅自然，让学生犹如带电粒子般身临其境，充分而形象地感知回旋加速器的实用性，从而加深对学习物理学意义的理解.而带电粒子在回旋加速器中运动时间的研究，则运用了物理学中数量级估计的近似方法.这种方法往往是在选择和建立恰当的物理模型之后，粗略地估计各量的大小和各种可能效应的相对重要性，以判断什么是决定物理现象的主要机制[5].显然，这种方法的运用就很好地训练了学生的学以致用思维.

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心，物理（选修3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]刘海兰. 重视物理学思想、方法的教学——大学物理教学设计之二[J]. 物理与工程，2009，19（06）：17-19+26.

[3]方芳，刘战存.劳伦斯对回旋加速器的研究[J].大学物理，2007，26（03）：50-53.

[4]张国定，王世金. 化学教学关键的确定与处理[J]. 课程·教材·教法，1990（04）：21-24.

[5]赵凯华.定性与半定量物理学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

（收稿日期：2019-04-23）