蘇州市藍(lán)纓學(xué)校高二物理《回旋加速器》教案

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1、一、引入新課［師］在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，人們往往利用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”，去轟擊各種原子核，以觀察它們的變化規(guī)律.怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室大量地產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？這就要用到一種叫加速器的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.同學(xué)們一定聽說(shuō)過(guò)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)吧，它就是我國(guó)于1989年初投入運(yùn)行的第一臺(tái)高能粒子加速器，它能使正負(fù)電子束流的能量分別達(dá)到28億電子伏.［生］加速器究竟是怎樣產(chǎn)生高能帶電粒子的呢？［師］這就是今天我們要學(xué)習(xí)的課題.讓我們以探索者的身份，從已有的基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，一起去尋求問(wèn)題的答案吧！［生］根據(jù)動(dòng)能定理帶電粒子獲得的動(dòng)能Ek=mv2=qU.［師］回答正確.

2、由此看來(lái)，在帶電粒子一定的條件下，要獲得高能量的帶電粒子，可采取什么方法？［生］帶電粒子一定，即q、m一定，要使粒子獲得的能量增大，可增大加速電場(chǎng)兩極板間的電勢(shì)差.［師］但是，在實(shí)際中能夠達(dá)到的電壓值總是有限的，不可能太高，因而用這種方法加速粒子，獲得的能量很有限，一般只能達(dá)到幾十萬(wàn)至幾兆電子伏.我們能否設(shè)法突破電壓的限制，使帶電粒子獲得更大的能量呢？［生甲］我想是否可以多加幾個(gè)電場(chǎng)，讓帶電粒子逐一通過(guò)它們.［師］根據(jù)學(xué)生回答，投影出示圖.大家認(rèn)為這種設(shè)想有道理嗎？［生乙］我認(rèn)為有道理.這樣一來(lái)，每個(gè)電場(chǎng)的電壓就不必很高.盡管帶電粒子每次得到的能量不是很大，但最后的總能量卻

3、可以達(dá)到Ek=nqU,只要增加電場(chǎng)的數(shù)目n，就可以使粒子獲得足夠大的能量.［師］說(shuō)得對(duì).采用多個(gè)電場(chǎng)，使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速，的確是突破電壓限制的好方法.同學(xué)們能提出這樣富有創(chuàng)見的設(shè)想，十分可貴.但是，我們?cè)僮屑?xì)推敲一下它的可行性，按上圖所示的方案，真能實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速嗎？5［生丙］這個(gè)方案不可能獲得高能量的帶電粒子！［師］你發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題了嗎？［生丙］從圖上可以看出，在相鄰兩級(jí)加速電場(chǎng)的中間，還夾著一個(gè)反向電場(chǎng)，當(dāng)帶電粒子通過(guò)它們時(shí)，將會(huì)受到阻礙作用.［師］丙同學(xué)考慮問(wèn)題很全面，他不但看到了加速電場(chǎng)這有利的一面，同時(shí)還注意到了存在減速電場(chǎng)這不利的一面.那么我們能否“興利除弊”，

4、設(shè)法把加速極板外側(cè)的減速電場(chǎng)消除呢？［生］…［師］（進(jìn)一步啟發(fā)）請(qǐng)大家聯(lián)系已學(xué)的知識(shí)，要防止外界電場(chǎng)的干擾，可采用什么措施？［生］采用靜電屏蔽.［師］對(duì).我們可用金屬圓筒代替原來(lái)的極板，將上圖改成左下圖所示.這樣既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場(chǎng)，又使得圓筒內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)為零，從而消除了減速電場(chǎng)的不利影響.［師］再讓我們討論一下電源.為了簡(jiǎn)化裝置，我們可用一個(gè)公用電源來(lái)提供各級(jí)的加速電壓，將左上圖改畫成右上圖所示.如果我們要加速一帶正電的粒子，若電源的極性保持恒定（始終為A正B負(fù)，你認(rèn)為這個(gè)粒子能“一路順風(fēng)”，不斷加速嗎？［生］不可能.因?yàn)榘催@樣的極性，帶電粒子在第一級(jí)電場(chǎng)中

5、能得到加速，但到了下一級(jí)就會(huì)減速.粒子從加速電場(chǎng)得到的能量，將在減速電場(chǎng)中喪失殆盡.［師］說(shuō)得很對(duì).我們有什么方法可解決這個(gè)矛盾呢？［生］如果能及時(shí)地改變電源的極性，就可以解決了.［師］好主意！你能對(duì)照右上圖具體說(shuō)明一下這“及時(shí)”的含義嗎？［生］設(shè)開始時(shí)，電源極性為A正B負(fù)，帶電粒子在第一級(jí)電場(chǎng)中加速，當(dāng)它穿過(guò)第一只圓筒即將進(jìn)入第二級(jí)電場(chǎng)時(shí)，電源極性應(yīng)立即變?yōu)锳負(fù)B正，使粒子又能繼續(xù)加速.同理，當(dāng)它穿過(guò)第二只圓筒剛要進(jìn)入第三級(jí)電場(chǎng)時(shí)，電源又及時(shí)地改變極性…［師］分析正確.可見，為了實(shí)現(xiàn)帶電粒子的多級(jí)加速，我們應(yīng)該采用交變電源；并且電源極性的變化還必須與粒子的運(yùn)動(dòng)配合默契，步

6、調(diào)一致，即滿足同步條件，這是確保加速器正常工作的關(guān)鍵所在.那么，如何做到這一點(diǎn)呢？如果使交變電源以恒定的頻率交替改變極性，能夠滿足同步條件嗎？［生甲］不能滿足.因?yàn)閹щ娏Ｗ蛹铀僦蟮乃俣仍絹?lái)越大，若金屬圓筒的長(zhǎng)度相等，則它每次穿越的時(shí)間就會(huì)越來(lái)越短.如要保證同步，電源頻率應(yīng)該越來(lái)越高才行.［師］誰(shuí)還有不同的見解呢？［生乙］我認(rèn)為電源頻率恒定時(shí)，也有可能滿足同步條件，只要使得金屬圓筒的長(zhǎng)度隨著粒子速度的增大而相應(yīng)地加長(zhǎng)就行了.5［師］甲、乙兩位同學(xué)的意見可謂異曲同工，都有可能滿足同步條件.在具體實(shí)施時(shí)，人們一般采用的是后一種方案.很明顯，實(shí)施這種方案的關(guān)鍵，在于合理地設(shè)計(jì)金屬

7、圓筒的長(zhǎng)度.那么，各圓筒長(zhǎng)度之間究竟應(yīng)符合怎樣的關(guān)系才行呢？這個(gè)問(wèn)題稍微復(fù)雜一點(diǎn)，有興趣的同學(xué)在課后可以繼續(xù)討論.通過(guò)以上的探索和研究，我們實(shí)際上已經(jīng)勾畫出了一臺(tái)加速器的雛形了，這樣的加速器我們把它稱之什么加速器呢？［生］直線加速器.［師］北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的注入器部分，就是一個(gè)全長(zhǎng)200多米的直線加速器.這類加速器固然有其優(yōu)點(diǎn)，但它的設(shè)備一字兒排開，往往很長(zhǎng).于是，我們自然會(huì)想到：能否尋找一種既可使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速，又不必增加設(shè)備長(zhǎng)度的方法呢？［生］展開激烈的討論.［師］如果只用一個(gè)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)加速后還