尹德利

摘 ? 要：文章首先介紹了物理技術(shù)原理類知識教學(xué)的 “RPDI四步教學(xué)法”，然后以“回旋加速器”為例說明“RPDI四步教學(xué)法”的具體應(yīng)用?！癛PDI四步教學(xué)法”將科學(xué)社會學(xué)、技術(shù)發(fā)明史融入物理知識的教學(xué)中，啟迪了學(xué)生的智慧，傳播了物理文化，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理技術(shù);科學(xué)技術(shù)史;RPDI四步教學(xué)法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）6-0058-4

1 ? ?“RPDI四步教學(xué)法”簡介

初、高中物理教材都介紹一些物理學(xué)原理在技術(shù)上應(yīng)用的例子，如汽油機、柴油機的工作原理，顯像管、示波器的工作原理，質(zhì)譜儀及回旋加速器的工作原理等。物理教師在引導(dǎo)學(xué)生分析這些技術(shù)原理的時候，最好能從歷史的角度簡要回顧一下該技術(shù)的發(fā)明史，與學(xué)生一起從物理學(xué)原理的角度分析它的前世今生、存在的問題與不足，以及改進的措施等等。這樣教學(xué)可能會耽誤一些時間，但有助于學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系，學(xué)習(xí)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思路與方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)明意識和從歷史考查的角度分析問題的思維習(xí)慣。

經(jīng)過筆者多年的實踐研究，初步總結(jié)出物理技術(shù)應(yīng)用類知識教學(xué)的方法，簡稱 “RPDI四步教學(xué)法”。其中，R代表Requirement（需求），P代表Principle（原理），D代表Design（設(shè)計），I代表Improvement（改進）。這四步也是技術(shù)發(fā)明的一般流程，如圖1所示。

2 ? ?“RPDI四步教學(xué)法”的應(yīng)用示例

現(xiàn)以“回旋加速器”的探究式教學(xué)為例，來說明“RPDI四步教學(xué)法”的具體應(yīng)用。教學(xué)流程如圖2所示。

2.1 ? ?介紹歷史背景，引入課題[1]

19世紀末，物理學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)了X射線、天然放射性和電子。這三大發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念，說明原子內(nèi)部還有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，英國物理學(xué)家盧瑟福等人用天然放射性元素放出的α粒子轟擊金箔，由此發(fā)現(xiàn)了原子的核式結(jié)構(gòu)。1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，從中打出了質(zhì)子，第一次實現(xiàn)了人工核反應(yīng)。質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們進一步探究原子核結(jié)構(gòu)的興趣。然而，由于天然放射性物質(zhì)放出的α粒子能量有限，不能將更多的原子核“擊碎”。怎樣才能產(chǎn)生比α粒子能量更高的粒子，成為當(dāng)時物理學(xué)家們亟待解決的問題。1932年，美國實驗物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，成功地解決了粒子加速的問題。那么，回旋加速器是如何加速粒子的？它的前世今生又是怎樣的呢？本節(jié)課我們一起來探討這個問題。

設(shè)計說明：通過加速器發(fā)明背景的介紹，使學(xué)生認識科學(xué)及社會生產(chǎn)、生活的需要是一切技術(shù)發(fā)明的源泉。

2.2 ? ?探究加速器的原理

在《電場》一章中，我們學(xué)習(xí)了電場可以加速帶電粒子。如圖3所示，容易計算出經(jīng)電場加速后帶電粒子獲得的動能Ek=qU

從計算結(jié)果可以看出，粒子獲得的動能取決于加速電壓，與A、B兩板間的距離無關(guān)。

教師指出，用這種方法加速帶電粒子，受直流高壓的限制，粒子獲得的動能仍然不能滿足實驗研究的要求。怎樣才能突破直流高壓的限制，使粒子獲得更多的能量呢？

學(xué)生思考討論：可以多次加速，如圖4所示。

由Ek=nqU可知，只要增加加速電場的數(shù)目n，就能使粒子獲得足夠大的能量。

教師：像圖4這樣能讓粒子加速到足夠大的能量嗎？

教師的反問促使學(xué)生思考，由于兩個加速電場之間夾著一個反向電場，該電場阻礙粒子的運動，不能實現(xiàn)加速。

教師：如何避免反向電場對粒子的阻礙作用呢？這個問題對學(xué)生來說有些難度，教師可以直接呈現(xiàn)圖5、圖6的原理圖，介紹科學(xué)家的解決方案。

（1）利用靜電屏蔽消除反向電場的影響。用金屬圓筒代替原來的極板。如圖5所示，這樣既可在金屬圓筒的間隙形成加速電場，又使得圓筒內(nèi)場強為零，這就消除了減速電場的影響。

（2）利用交變電壓加速粒子。如果在各圓筒間加上直流電壓，那么加速場和減速場交替存在，仍然無法加速帶電粒子。為此，需要在粒子通過金屬圓筒的這段時間內(nèi)，電壓極性能夠及時發(fā)生改變，使得帶電粒子始終處于加速狀態(tài)，因此，加速電壓必須采用交變電壓，如圖6所示。

設(shè)計說明：任何技術(shù)發(fā)明都是應(yīng)用了某種物理原理設(shè)計出來的。這一步屬于尋求物理原理階段。通過可行性分析，找到了物理原理，才有下面的原始發(fā)明。

3 ? ?原始發(fā)明——直線加速器

問題又來了。隨著粒子速度的越來越大，粒子通過等長的金屬圓筒所用的時間將越來越短。如果用頻率恒定的交變電壓加速，難以實現(xiàn)同步加速。為了使粒子通過各圓筒的時間相等，以便與交變電壓的周期同步，圓筒的長度必須越來越長，如圖7所示。

經(jīng)過上述改進，加速器就算設(shè)計完成了。

1930年，基于上述原理，卡文迪許實驗室的考克拉伏特和沃爾頓建造了世界上第一臺高壓加速器，人們將這種加速器稱為直線加速器。（教師利用Flash動畫介紹直線加速器的工作原理）

設(shè)計說明：通過對直線加速器的原理分析，一方面復(fù)習(xí)了靜電學(xué)的有關(guān)知識，另一方面可以讓學(xué)生認識到，科學(xué)發(fā)明之路不是平直的，也有一個從不完善到逐漸完善的過程。

4 ? ?技術(shù)改進——回旋加速器的發(fā)明

教師：隨著直線加速器加速的粒子能量越來越高，直線加速器的長度也越來越長，加速器所占的空間就越來越大。例如，北京正負電子對撞機的注入部分，就是一個全長200多米的直線加速器。能否尋找一種既可使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，又不必增加設(shè)備長度的方法？1930年以后，美國實驗物理學(xué)家勞倫斯思考了這個問題，1932年，他發(fā)明了回旋加速器[2]。

4.1 ? ?勞倫斯的設(shè)想

利用電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)的原理，讓帶電粒子進入電場中加速，粒子經(jīng)電場加速后進入勻強磁場做勻速圓周運動，然后重新進入加速電場，粒子從加速電場出來后再次進入偏轉(zhuǎn)磁場，如此循環(huán)往復(fù)，粒子獲得的能量越來越高。

4.2 ? ?探究回旋加速器的原理

（1）構(gòu)造

兩個D形盒、強電磁鐵、高頻交變電源、粒子源、引出裝置，如圖8、圖9所示。

（2）原理

位于D形盒中心的粒子源發(fā)出一個帶電粒子（初速度不計），帶電粒子經(jīng)兩個D形盒縫隙間的加速電場加速后，進入D形盒內(nèi)的勻強磁場中做勻速圓周運動，運動半個周期，再次進入加速電場，經(jīng)加速后進入另一個D形盒內(nèi)的勻強磁場中做勻速圓周運動。周而復(fù)始，粒子的動能不斷增大，若經(jīng)過n次加速，粒子獲得的動能為Ek=nqU。（教師邊分析邊用動畫呈現(xiàn)回旋加速器中帶電粒子的加速—回旋過程）

在定性分析回旋加速器的原理之后，教師提出下列問題，引導(dǎo)學(xué)生思考討論。

問題1：對于回旋加速器而言，為了使帶電粒子獲得更高的能量，可以采取哪些有效措施？

問題2：為了使帶電粒子進入電場時一直被加速，高頻交變電壓的周期或頻率應(yīng)該多大？

設(shè)計說明：許多學(xué)生會認為，帶電粒子最終獲得的能量與加速電壓的大小和加速次數(shù)有關(guān)。問題1就是針對學(xué)生的這個錯誤認識設(shè)計的。旨在通過師生討論、計算，讓學(xué)生認識到帶電粒子經(jīng)過回旋加速器獲得的最大動能Ekm=，與加速電壓的大小無關(guān)，而取決于D形盒的半徑R和勻強磁場的磁感應(yīng)強度B的大小。

回旋加速器與直線加速器一樣，都面臨著一個“同步”問題：交變電源極性的變化應(yīng)與粒子的運動同步。問題2的設(shè)計就是讓學(xué)生利用直線加速器原理的分析方法，解決回旋加速器的“同步”問題，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力和問題解決能力。

由于帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的周期T=只與粒子的荷質(zhì)比和磁場的磁感應(yīng)強度有關(guān)，與粒子的速度無關(guān)。所以，對于確定的帶電粒子，它在勻強磁場中運動的周期是一定的。又因為兩個D形盒之間的縫隙很小，粒子經(jīng)過縫隙的時間可忽略不計，因此，要保證電源極性的變化與粒子的運動保持同步，交變電壓變化的周期應(yīng)等于粒子在磁場中運動的周期。

（3）回旋加速器的局限性

教師指出，回旋加速器加速的帶電粒子，能量達到25～30 MeV后，就很難再加速了。因為粒子的速度接近光速以后，按照狹義相對論，粒子的質(zhì)量將隨著速度的增加而增大，而質(zhì)量的變化會導(dǎo)致其回轉(zhuǎn)周期的變化，從而破壞了與電場變化周期的同步。

（4）回旋加速器的發(fā)展

為了獲得更高能量的粒子，人們考慮如何解決高頻交變電壓的變化周期與帶電粒子旋轉(zhuǎn)的周期同步問題。技術(shù)上人們想過兩種辦法來解決：一種是使磁極外圈的磁場逐漸增強，抵消相對論效應(yīng)的影響，另一種是調(diào)節(jié)加速電場的變化頻率，使之適應(yīng)相對論效應(yīng)的影響。這兩種方法都是為了使粒子在磁場中做圓周運動的周期與加速電場的變化周期保持同步。前一種改進措施發(fā)展成為扇形聚焦回旋加速器，后一種改進措施發(fā)展成為同步回旋加速器。

參考文獻：

[1]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[2]陳禮生.“回旋加速器”的探究式教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教與學(xué)，2009（3）：33-35.

（欄目編輯 ? ?羅琬華）