创新情境课堂体验之实验情境激发探索热情

教学环节

教学设计过程

师生互动过程

设计意图

一、创设情境

幻灯片展示高能物理相关介绍：

文明的高度与标志之一，往大研究宇宙是什么样的，往小研究物质是什么样的的。粒子物理又称高能物理，物质世界的基本组成及其相互作用是自然界最基本的科学问题之一。

师：想一想，这样微小的粒子，我们怎样才能研究它们的结构呢？

生：显微镜。

师：用显微镜已经达不到我们想要看的效果。现在我们研究这些微小粒子都是用粒子对撞机。什么叫对撞机？简单来说，就好像你手里有两个核桃，你想知道核桃里有啥，拿起两个核桃，对碰，核桃就砸开了。那么，想要把这两个核桃砸开，需要具备什么条件？

生：给核桃一个足够大的速度。

师：我们想要研究这些带电粒子能否再分，我们就可以采用把两个带电粒子对撞的方法，前提必须让这两个粒子具有足够大的速度。那么，怎样才能在实验室产生这样高速的带电粒子呢？

用更通俗的方法引导学生理解对撞机，增强了学生的求知欲，引导学生关注加速问题。

二、设计任务

实验：

仪器介绍：感应起电机、带电粒子在电场中的运动模拟演示器、导线。

如图连接电路。

泡沫小球儿上面涂有导电粉，泡沫小球儿紧贴其中一个极板。转动感应起电机的手柄。

学生观察小球的运动情况。

例题1、如图所示，在真空中有一对平行金属板，两板间加以电压U。在板间靠近正极板附近有一质量为m带正电荷q的带电粒子，不计重力，它在电场力作用下由静止开始从正极板向负极板运动，到达负极板的速度为多大？如果两板间是匀强电场，两板间距离为d,粒子在两板间运动时间如何求解？

师：是什么原因让小球的运动状态发生了改变呢？

生：是电场力。

师：电场是哪儿来的呢？

生：两个金属极板上带了等量的异种电荷，这样的话，两板之间就形成了匀强电场，带有导电粉的小球儿，直接与极板接触，带同种电荷，受到电场力，开始做加速运动。

师：同样的道理，用这种方法我们就可以给粒子加速。

思考与讨论：

1、粒子到达另一极板的速度除了与粒子的荷质比有关，与电场中哪些因素有关？

2、两板间电势差一定时，粒子到达另一极板的速度、时间是否与两板间距离有关？

3、两板间电势差一定时，到达N板的末速度，是否与电场是匀强电场还是非匀强电场有关？

限时讨论：经过相同的电势差U后，哪个粒子获得的速度最大(  )

A  质子         B  氘核

C  α粒子        D 钠离子

解析：由qU＝mv2得v＝，知A正确。

实验模拟带电粒子在电场中的加速运动，让学生能够通过观察实验现象，分析实验装置，抽象出加速电场的模型（两个极板）

，让带电粒子在电场中的运动更形象化。

引导学生用两种思路解决带电粒子在电场中的偏转问题，并能分析出状态量和过程量的求解有什么不同。

三、

自主探索

协作学习

课堂练习一：欲获得动能为8兆电子伏特能量的质子,从原子核中把中子或质子打出来，加速器两端应加多大的电压？

利用本题展开分析，了解加速器的发展史。

放一段范德格拉夫起电机的视频介绍直线加速器在医学上的应用。

师：从公式上看，如果想要使粒子获得更大的速度，我们可以什么样的办法呢？

生：提高加速电压。

学生计算课堂练习一，电压需要提高到8*106V，引发学生一片惊叹。

师：目前还没有这个能力，主要是限于绝缘材料的耐压等级和使用的安全性。大自然的雷电虽然可以高达一亿伏，但是，那是借助了大自然的力量，而且它是不可控的，随时都要释放。人类却不容许出现这种情况，一旦制造出来，就一定要能控制它。目前研制出的高压可控硅的最高耐压值1600V。受到高压设备及绝缘的限制，一次加速的方式能够得到的带电粒子的能量有限。那我们就设计用两次加速，你能画出设计简图么？

生：画出了多级加速器，用的是直流电源。

师：在我们生活中大部分用的都是交流电，交流电输送比较方便。

继续应用能量的观念解决实际问题，由计算结果引发思考，提出新的问题。

展示课本例一直线加速器。

思考与讨论

1、你能分析出电子在金属筒中做什么运动么？

2、为什么金属圆筒越来越长？如何知道电子在金属筒 中的运动时间？

3、如何分析电子在图中哪些位置运动时加速？

4、如何计算电子在第n个圆筒中的速度？

学生思考讨论

师：照这样分析，要不断提高电压，我们只需要不断增加圆筒数量即可，是这样么？

课堂练习二:
欲获得动能为8兆电子伏特能量的质子,从原子核中把中子或质子打出来，利用上述这样的直线加速器，交流电源周期为0.01秒，最大电压值为2万伏特，质子进入第一个圆筒左端的动能为2万电子伏特，那么该直线加速器有多少个圆筒？最后一个圆筒长度约为多少？ mH=1.67*10-27k g

学生对于几百个圆筒，几百千米的圆筒长，很是惊讶，教师又提问，为了探索质子的内部结构，需要使用200兆电子伏特的电子去轰击质子 ，还能用这种加速器么？

介绍医用直线加速器，按照能量区分可以分为低能机，中能机和高能机，不同能量的机器X射线的 能量差别不大一般为4/6/8MeV.

高效率全密封边耦合驻波加速管及栅控电子枪的研制．在有效加速长度仅27．2厘米的加速管中，将电子能量加速到6MeV的能量，标志着我国及波加速管的设计，制造上了一个新的台阶，达到了国际先进水平。

有兴趣的同学可以网上了解一下行波加速和驻波加速。

培养学生模型建构的能力，科学探究的精神，为以后讲回旋加速器做铺垫。
 

十四五”规划和2035年远景目标纲要指出，要持之以恒加强基础研究。

为何如此重视基础研究？我们高能物理领域目前正在推进的一些国家重大基础科学设施建设项目，主要包括北京高能同步辐射光源、高海拔宇宙线观测站、加速器周长达到100公里的环形对撞机预研，还有未来要在中国空间站上开展的几个科研项目。这些项目未来都能够在科技界催化重大成果。

认识科学技术社会环境关系的基础上，逐渐形成探索自然的内在动力。

学生总结本节课收获

师生总结

回顾总结，检验是否达到预期目的。

四、效果评价

课后题1 、6

课后完成练习并上交，教师批阅检查学生掌握效果

检验学习效果，加深对知识的理解和记忆。