多版教材中“回旋加速器”内容比较及其教学设计

2018-05-04

物理之友 2018年4期

(江苏省平潮高级中学，江苏南通 226361)

美国物理学家劳伦斯于1930年发明了回旋加速器，实现了微观粒子从“直线加速”到“周期性回旋加速”的转变，打开了物理学发展的新篇章，揭开了笼罩在原子核上的神秘面纱。至今，它依然是物理实验中的重要仪器，在生活中的多个方面亦有其广泛的应用。[1]正是由于回旋加速器的多种应用和模型的典型性，体现了物理与生活、现代科技的紧密联系，现行各个版本的教材均把这部分内容写入教材中。对比各个版本教材的内容设计，体悟教材编写专家的意图，将会给我们的课堂教学带来一定的启示。[2]

1 多版教材中“回旋加速器”内容比较

1.1 在教材中的位置

在人教版、沪科教版、粤教版和教科版4个版本中，该内容均是位于本章的最后一节，编者的意图是希望学习者在对“带电粒子在磁场中的运动”有一定认识后，再进一步深化，提升到具体应用的层次。但其中又有一定的差异：(1) 沪科教版中“磁场”这一章的标题是“磁场与回旋加速器”，这也是4个版本中唯一这样命名的。在沪科教版中最后一节“洛伦兹力与现代科技”中，“回旋加速器”是放在“质谱仪”之前，且几乎占用了本节教材的四分之三的版面，可见，该内容在编者心中的地位。(2) 其余三个版本，该内容均位于“质谱仪”之后。

1.2 内容选取和呈现

在人教版和沪科教版中，教材从“对微观粒子加速的目的”入手，引出加速器，然后进一步从单一直线加速器、多级直线加速器、获得高能量存在的问题等出发，引出“回旋加速器”内容，让学生在不断思考的过程中，实现空间思维的转化。

(1) 人教版在引出回旋加速器后，较为简单地介绍了其原理，通过“思考与讨论”栏目，引出两个问题，讨论粒子在磁场中转动的周期和半径变化的特点，最后以知识拓展的方式介绍了粒子达到高速后不能进一步加速的原因。人教版在本部分内容中配备了两张插图：直线加速器和回旋加速器立体图。

(2) 沪科教版在后继的内容设计上与人教版正好相反，先通过两个问题的设计，引发学生的思考，然后基于讨论，进一步阐述回旋加速器的工作原理，最后在结尾部分以“信息浏览”栏目对加速器的创新历程做了相关介绍，开拓了学生的视野，也激发了学生关注科技创新、学习物理的兴趣，并在本内容中配备了三张插图：回旋加速器立体图、平面图以及劳伦斯的肖像，并对劳伦斯做了相关介绍。

(3) 粤教版在内容上的设计，主体部分的流程是加速器的作用—劳伦斯简介—回旋加速器工作原理，然后利用3个栏目呈现教学内容：在“讨论与交流”栏目中设计了3个问题，对粒子在磁场中运动的周期、加速电压的频率和所能获得的最大速度进行讨论；“实践与拓展”栏目引导学生自行去查找资料，了解相关信息；“资料活页”栏目对回旋加速器的改进进行了介绍。文中配备了4张图片：回旋加速器的原理图、第一台回旋加速器实物图、劳伦斯的肖像和世界上最大的加速器实物图。

(4) 教科版相较于其他3个版本，在回旋加速器的原理的叙述上较为详细，但是在课题的引入上略显突兀，该版本也配备了回旋加速器的立体图和平面图。

1.3 练习配置

人教版在其“问题与练习”栏目中，设置了一个求解最大动能的问题,该问题是对教材内容的补充；粤教版在其“练习”栏目中设置了一个开放性问题，引入劳伦斯在诺贝尔奖获奖演说中的一段话，意图引导学生结合自身体验谈感受，从而渗透科学态度的培养。教科版在其“练习与评价”栏目中设置了一道选择题，对回旋加速器相关内容进行了梳理，沪科教版没有设置相关习题。

2 “回旋加速器”的教学设计

结合多个版本教材的优点，基于培养学生的分析问题能力、渗透科学方法和科学精神的目的，对于这一部分的教学，可以采用问题引导的方式进行相关教学。

问题1：同学们平时吃核桃时，是如何打开核桃的？

问题2：我们知道，物质是由大量原子构成的，原子又是由原子核和核外电子构成，那原子核还可以再分吗？如果可以再分，我们如何研究它的结构？

问题3：利用哪些场，可以实现对微观粒子加速？

设计目的：从生活中的事例引入课题，激发学生课堂的参与度；通过类比的方式，引发学生的思维从宏观转向微观；通过分析能够对粒子加速的场，引发学生对回旋加速器中的两种不同场的功能的初步认识。

问题4：如何使粒子获得更大的速度？

设计目的：从课堂情况看，大部分学生初始的结论是增大电压，此时老师可以追问：在平行板电容器上能无限加大电压吗？这时学生会想到多加几个电容器，从而引出多级直线加速器。然后继续讨论直线加速器需要足够长的空间距离，为引出回旋加速器打下铺垫。

问题5：请你依据教材上的立体图，画出你认为最有助于分析粒子运动的平面图。

问题6：阅读教材内容，回答以下几个问题：① 粒子在电场中做什么运动？② 进入磁场后，粒子做什么运动？③ 磁场和电场对粒子分别起到什么作用？④ 你如何理解仪器名称中的“回旋”与“加速”？

问题7：当粒子以不同的速度在两个D形盒中运动时，运动时间上有何特点？

设计目的：从教学观察看，学生在处理粒子在磁场中运动类问题时，最大的不足是不善于也不乐意去画示意图，但这恰恰又是研究磁场的重要分析方法。问题5的设计目的在于引导学生画好示意图，有助于学生解答问题，培养学生的空间转换能力；问题6的设计目的在于培养学生的阅读能力和提取信息的能力，问题6和问题7相结合，进一步引导学生分析回旋加速器的原理。

问题8：若每次经过电场时，使得电场都能对粒子加速？对所加的电场的周期有何要求？

问题9：在不断的“加速—回旋—加速—……”的循环过程中，粒子何时有最大的速度？粒子最大速度的表达式是什么？从上述分析中，我们知道，真正对粒子加速的是电场，但是从粒子最大速度表达式看，粒子的最大速度竟然与加速电场的电压没有关系，即调整电压对粒子的最大速度没有影响，这是什么原因？

设计目的：问题8在于通过问题的引领，帮助学生分析、掌握这类周期问题的特点，明确加速电场的要求；问题9的引入，在于构建一个“冲突性”问题，通过本问与学生固有知识的“冲突”，引发学生的思维碰撞，达到深入理解的目的。

问题10：你能求出粒子在电场中加速的次数吗？你能求出粒子在磁场中运动的总时间吗？

设计目的:本问是问题9的延伸，通过这一问题的解决，帮助学生理解加速电场的电压大小，影响的是每一次加速时，粒子动能改变量的大小，从而影响每次加速后粒子在磁场中做圆周运动时半径的改变，最终影响加速次数，但对最大动能没有影响。