由一道书本例题的解析所引发的深入思考
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由一道书本例题的解析所引发的深入思考
作者:史丽华
来源:《中学物理·高中》2013年第08期
物理课本,作为物理学科教育教学的重要范本,在课程内容选取、课堂教学结构方面具有指导意义,具有很强的示范性和导向性;尤其是在物理习题教学方面,对教师教学具有较强的启发作用.研究课本例题与典型习题,解剖学生在解决这些问题中的思维特征,有利于教学改革,有利于促进课堂教学效率的提高.笔者在平时的物理课堂教学中遇到这样一道典型的关于电子感应加速器的例题,本文通过对例题的进一步剖析,将其中的物理原理、物理方法和思维方法展现在读者面前,进一步培养学生探究物理奥妙的能力,激发学生对物理学习的兴趣,旨在抛砖引玉,仅供大家参考、交流.
1 课本典型例题再现
例题电子感应加速器是获得高能粒子的装置之一其基本原理如图1所示,磁极之间为一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动.电磁铁中电流的变化,产生感生电场使电子被加速,如图2所示,如果电磁铁中电流方向如图中所示,则电流大小如何变化才能使电子被加速?
[TP8GW33.TIF,BP#]
分析与解答由于电子带负电,所受电场力方向与场强方向相反,题中电子沿逆时针方向被加速运动,则产生的电场方向为顺时针,根据右手螺旋定则可知,欲产生顺时针方向的感生电场,“感应电流”(这里假设存在闭合回路进行处理)磁场方向应该从上往下,根据题意可知,原磁场方向从下往上,正好相反,由楞次定律中:“增反减同”可得,原磁场应该逐渐变强,即电磁铁中电流应该逐渐变大.
点评本题中主要考查楞次定律的应用,利用感生电场的相关知识进行解题;题中解释表面看来解释还很体面,但是仔细一推敲就会发现本题中蕴含着很多的疑难点,譬如:电子被加速在做圆周运动,其向心力是由谁来提供的?在固定的轨道上为何电子还能被不断加速?等问题都是高中学生渴望得到正确解释的疑难点,只有通过对电子感应加速器的原理进行深入的研究才能正确处理上述问题.
2 电子感应加速器原理的进一步探究
电子感应加速器是加速电子的装置,利用变化的磁场在空间激发涡漩状的感生电场对电子进行加速[TP8GW34.TIF,X,BP#]的原理,它的主要组成部分如图3所示,电磁铁用频率约每秒数十周的强大电流来励磁,使两极间的磁感应强度B往返变化,从而在环形真空室内感应出很强的涡漩电场(感生电场),用电子枪将电子注入环形室内,它们在感生电场的作用下被
加速,同时电子在磁场中也受到磁场对运动电荷的洛伦兹力作用,该力正好充当圆周运动的向心力.
下面我们来具体分析这两个问题:(1)在励磁电流交变的一个周期内,只有1/4区间能用于电子的加速,如图4所示,将磁场变化的一个周期分为四个阶段,在这四个阶段中,由于磁场B的方向和变化趋势各不相同,所以引起的涡漩电场的方向也不相同;如图中所示,涡漩电场使电子获得逆时针方向的加速运动,该电场必须为顺时针方向才能满足要求,结合B-t图可知,在第一或第四个1/4周期内,电子被加速,电子在不断加速的同时还要维持在圆形轨道上运动,洛伦兹力提供做圆周运动的向心力;这里不难看出,只有第一或第二个1/4周期的区间才能满足要求.综合考虑以上所述可知:在磁场变化的每一个周期内第一个1/4周期内,电子被加速;所以,不间断的输入电子,只要设法在磁场变化的每一个周期内第一个1/4周期末,再利用特殊装置引导电子束射击到靶子上,进行合适、预想的试验.
(2)电子要固定的圆形轨道上被不断加速,对磁场的径向分布提出了苛刻的要求,设电子在半径为R的轨道上运动时感受到的磁感应强度为B,而在半径为R的圆周内的平均磁感应强度为[AKB-],电3 电子加速器的优越性和用途
电子感应加速器相对于其他直线加速器、回旋加速器等具有一定的优越性,它打破了相对论效应的束缚,但仍然摆脱不了麦克斯韦电磁场理论的限制(变化的电场产生磁场)即电子在周期性加速中不断向外辐射能量.电子感应加速器所获能量小则数百电子伏特,大则数兆电子伏特;核物理研究中所需要的高能粒子,就可以通过电子感应加速器获得,产生人工β射线和人工γ射线、硬X射线应用与工业、农业、医学等各行各业.
总而言之,对课本例题分析与解答的深入探索和思考,有利于开发学生的智力,通过对物理知识的探索,揭示物理规律的内在奥妙,在探索的过程中极大的调动了学生对物理知识渴求的欲望,让物理中蕴含的内在规律与学生的学习兴趣达到了共振,同时也提醒我们一线的高中物理教师,在平时的课堂教学中,不仅要注重课本例题现成解答的讲解与分析,更加要注重例题背后所蕴含的物理知识、物理规律的探索和研究能力的培养,综合提高学生分析问题、解决问题的实际应用能力.。