多版教材中“回旋加速器”內(nèi)容比較及其教學設計

(江蘇省平潮高級中學，江蘇 南通 226361)

美國物理學家勞倫斯于1930年發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了微觀粒子從“直線加速”到“周期性回旋加速”的轉(zhuǎn)變，打開了物理學發(fā)展的新篇章，揭開了籠罩在原子核上的神秘面紗。至今，它依然是物理實驗中的重要儀器，在生活中的多個方面亦有其廣泛的應用。[1]正是由于回旋加速器的多種應用和模型的典型性，體現(xiàn)了物理與生活、現(xiàn)代科技的緊密聯(lián)系，現(xiàn)行各個版本的教材均把這部分內(nèi)容寫入教材中。對比各個版本教材的內(nèi)容設計，體悟教材編寫專家的意圖，將會給我們的課堂教學帶來一定的啟示。[2]

1 多版教材中“回旋加速器”內(nèi)容比較

1.1 在教材中的位置

在人教版、滬科教版、粵教版和教科版4個版本中，該內(nèi)容均是位于本章的最后一節(jié)，編者的意圖是希望學習者在對“帶電粒子在磁場中的運動”有一定認識后，再進一步深化，提升到具體應用的層次。但其中又有一定的差異：(1) 滬科教版中“磁場”這一章的標題是“磁場與回旋加速器”，這也是4個版本中唯一這樣命名的。在滬科教版中最后一節(jié)“洛倫茲力與現(xiàn)代科技”中，“回旋加速器”是放在“質(zhì)譜儀”之前，且?guī)缀跽加昧吮竟?jié)教材的四分之三的版面，可見，該內(nèi)容在編者心中的地位。(2) 其余三個版本，該內(nèi)容均位于“質(zhì)譜儀”之后。

1.2 內(nèi)容選取和呈現(xiàn)

在人教版和滬科教版中，教材從“對微觀粒子加速的目的”入手，引出加速器，然后進一步從單一直線加速器、多級直線加速器、獲得高能量存在的問題等出發(fā)，引出“回旋加速器”內(nèi)容，讓學生在不斷思考的過程中，實現(xiàn)空間思維的轉(zhuǎn)化。

(1) 人教版在引出回旋加速器后，較為簡單地介紹了其原理，通過“思考與討論”欄目，引出兩個問題，討論粒子在磁場中轉(zhuǎn)動的周期和半徑變化的特點，最后以知識拓展的方式介紹了粒子達到高速后不能進一步加速的原因。人教版在本部分內(nèi)容中配備了兩張插圖：直線加速器和回旋加速器立體圖。

(2) 滬科教版在后繼的內(nèi)容設計上與人教版正好相反，先通過兩個問題的設計，引發(fā)學生的思考，然后基于討論，進一步闡述回旋加速器的工作原理，最后在結(jié)尾部分以“信息瀏覽”欄目對加速器的創(chuàng)新歷程做了相關介紹，開拓了學生的視野，也激發(fā)了學生關注科技創(chuàng)新、學習物理的興趣，并在本內(nèi)容中配備了三張插圖：回旋加速器立體圖、平面圖以及勞倫斯的肖像，并對勞倫斯做了相關介紹。

(3) 粵教版在內(nèi)容上的設計，主體部分的流程是加速器的作用—勞倫斯簡介—回旋加速器工作原理，然后利用3個欄目呈現(xiàn)教學內(nèi)容：在“討論與交流”欄目中設計了3個問題，對粒子在磁場中運動的周期、加速電壓的頻率和所能獲得的最大速度進行討論；“實踐與拓展”欄目引導學生自行去查找資料，了解相關信息；“資料活頁”欄目對回旋加速器的改進進行了介紹。文中配備了4張圖片：回旋加速器的原理圖、第一臺回旋加速器實物圖、勞倫斯的肖像和世界上最大的加速器實物圖。

(4) 教科版相較于其他3個版本，在回旋加速器的原理的敘述上較為詳細，但是在課題的引入上略顯突兀，該版本也配備了回旋加速器的立體圖和平面圖。

1.3 練習配置

人教版在其“問題與練習”欄目中，設置了一個求解最大動能的問題,該問題是對教材內(nèi)容的補充；粵教版在其“練習”欄目中設置了一個開放性問題，引入勞倫斯在諾貝爾獎獲獎演說中的一段話，意圖引導學生結(jié)合自身體驗談感受，從而滲透科學態(tài)度的培養(yǎng)。教科版在其“練習與評價”欄目中設置了一道選擇題，對回旋加速器相關內(nèi)容進行了梳理，滬科教版沒有設置相關習題。

2 “回旋加速器”的教學設計

結(jié)合多個版本教材的優(yōu)點，基于培養(yǎng)學生的分析問題能力、滲透科學方法和科學精神的目的，對于這一部分的教學，可以采用問題引導的方式進行相關教學。

問題1：同學們平時吃核桃時，是如何打開核桃的？

問題2：我們知道，物質(zhì)是由大量原子構(gòu)成的，原子又是由原子核和核外電子構(gòu)成，那原子核還可以再分嗎？如果可以再分，我們?nèi)绾窝芯克慕Y(jié)構(gòu)？

問題3：利用哪些場，可以實現(xiàn)對微觀粒子加速？

設計目的：從生活中的事例引入課題，激發(fā)學生課堂的參與度；通過類比的方式，引發(fā)學生的思維從宏觀轉(zhuǎn)向微觀；通過分析能夠?qū)αＷ蛹铀俚膱觯l(fā)學生對回旋加速器中的兩種不同場的功能的初步認識。

問題4：如何使粒子獲得更大的速度？

設計目的：從課堂情況看，大部分學生初始的結(jié)論是增大電壓，此時老師可以追問：在平行板電容器上能無限加大電壓嗎？這時學生會想到多加幾個電容器，從而引出多級直線加速器。然后繼續(xù)討論直線加速器需要足夠長的空間距離，為引出回旋加速器打下鋪墊。

問題5：請你依據(jù)教材上的立體圖，畫出你認為最有助于分析粒子運動的平面圖。

問題6：閱讀教材內(nèi)容，回答以下幾個問題：① 粒子在電場中做什么運動？② 進入磁場后，粒子做什么運動？③ 磁場和電場對粒子分別起到什么作用？④ 你如何理解儀器名稱中的“回旋”與“加速”？

問題7：當粒子以不同的速度在兩個D形盒中運動時，運動時間上有何特點？

設計目的：從教學觀察看，學生在處理粒子在磁場中運動類問題時，最大的不足是不善于也不樂意去畫示意圖，但這恰恰又是研究磁場的重要分析方法。問題5的設計目的在于引導學生畫好示意圖，有助于學生解答問題，培養(yǎng)學生的空間轉(zhuǎn)換能力；問題6的設計目的在于培養(yǎng)學生的閱讀能力和提取信息的能力，問題6和問題7相結(jié)合，進一步引導學生分析回旋加速器的原理。

問題8：若每次經(jīng)過電場時，使得電場都能對粒子加速？對所加的電場的周期有何要求？

問題9：在不斷的“加速—回旋—加速—……”的循環(huán)過程中，粒子何時有最大的速度？粒子最大速度的表達式是什么？從上述分析中，我們知道，真正對粒子加速的是電場，但是從粒子最大速度表達式看，粒子的最大速度竟然與加速電場的電壓沒有關系，即調(diào)整電壓對粒子的最大速度沒有影響，這是什么原因？

設計目的：問題8在于通過問題的引領，幫助學生分析、掌握這類周期問題的特點，明確加速電場的要求；問題9的引入，在于構(gòu)建一個“沖突性”問題，通過本問與學生固有知識的“沖突”，引發(fā)學生的思維碰撞，達到深入理解的目的。

問題10：你能求出粒子在電場中加速的次數(shù)嗎？你能求出粒子在磁場中運動的總時間嗎？

設計目的:本問是問題9的延伸，通過這一問題的解決，幫助學生理解加速電場的電壓大小，影響的是每一次加速時，粒子動能改變量的大小，從而影響每次加速后粒子在磁場中做圓周運動時半徑的改變，最終影響加速次數(shù)，但對最大動能沒有影響。

3 對教材編寫的一點建議

參考文獻：

[1] 馬永毅.回旋加速器面面觀[J].物理教學探討，2011,(9).

[2] 顧愛芬，潘華君.多版本“彈性勢能”內(nèi)容設置的比較研究[J].物理教師，2015,(5).