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《蘇州市藍纓學校高二物理《回旋加速器》教案》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、一、引入新課［師］在現(xiàn)代物理學中，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.怎樣才能在實驗室大量地產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？這就要用到一種叫加速器的實驗設備.同學們一定聽說過北京正負電子對撞機吧，它就是我國于1989年初投入運行的第一臺高能粒子加速器，它能使正負電子束流的能量分別達到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習的課題.讓我們以探索者的身份，從已有的基礎知識出發(fā)，一起去尋求問題的答案吧?。凵莞鶕?jù)
2、動能定理帶電粒子獲得的動能Ek=mv2=qU.［師］回答正確.由此看來，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，可增大加速電場兩極板間的電勢差.［師］但是，在實際中能夠達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，一般只能達到幾十萬至幾兆電子伏.我們能否設法突破電壓的限制，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電場，讓帶電粒子逐一通過它們.［師］根據(jù)學生回答，投影出示圖.大家認為這種
3、設想有道理嗎？［生乙］我認為有道理.這樣一來，每個電場的電壓就不必很高.盡管帶電粒子每次得到的能量不是很大，但最后的總能量卻可以達到Ek=nqU,只要增加電場的數(shù)目n，就可以使粒子獲得足夠大的能量.［師］說得對.采用多個電場，使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，的確是突破電壓限制的好方法.同學們能提出這樣富有創(chuàng)見的設想，十分可貴.但是，我們再仔細推敲一下它的可行性，按上圖所示的方案，真能實現(xiàn)多級加速嗎？5［生丙］這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子?。蹘煟菽惆l(fā)現(xiàn)什么問題了嗎？［生丙］從圖上可以看出，在相鄰兩級加速電場的中間，還
4、夾著一個反向電場，當帶電粒子通過它們時，將會受到阻礙作用.［師］丙同學考慮問題很全面，他不但看到了加速電場這有利的一面，同時還注意到了存在減速電場這不利的一面.那么我們能否“興利除弊”，設法把加速極板外側(cè)的減速電場消除呢？［生］…［師］（進一步啟發(fā)）請大家聯(lián)系已學的知識，要防止外界電場的干擾，可采用什么措施？［生］采用靜電屏蔽.［師］對.我們可用金屬圓筒代替原來的極板，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，又使得圓筒內(nèi)部的場強為零，從而消除了減速電場的不利影響.［師］再讓我們討論一下電源
5、.為了簡化裝置，我們可用一個公用電源來提供各級的加速電壓，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，你認為這個粒子能“一路順風”，不斷加速嗎？［生］不可能.因為按這樣的極性，帶電粒子在第一級電場中能得到加速，但到了下一級就會減速.粒子從加速電場得到的能量，將在減速電場中喪失殆盡.［師］說得很對.我們有什么方法可解決這個矛盾呢？［生］如果能及時地改變電源的極性，就可以解決了.［師］好主意！你能對照右上圖具體說明一下這“及時”的含義嗎？［生］設開始時，電源極性為A正
6、B負，帶電粒子在第一級電場中加速，當它穿過第一只圓筒即將進入第二級電場時，電源極性應立即變?yōu)锳負B正，使粒子又能繼續(xù)加速.同理，當它穿過第二只圓筒剛要進入第三級電場時，電源又及時地改變極性…［師］分析正確.可見，為了實現(xiàn)帶電粒子的多級加速，我們應該采用交變電源；并且電源極性的變化還必須與粒子的運動配合默契，步調(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.因為帶電粒子加速之后的速度越來越大，若金屬圓筒的
7、長度相等，則它每次穿越的時間就會越來越短.如要保證同步，電源頻率應該越來越高才行.［師］誰還有不同的見解呢？［生乙］我認為電源頻率恒定時，也有可能滿足同步條件，只要使得金屬圓筒的長度隨著粒子速度的增大而相應地加長就行了.5［師］甲、乙兩位同學的意見可謂異曲同工，都有可能滿足同步條件.在具體實施時，人們一般采用的是后一種方案.很明顯，實施這種方案的關(guān)鍵，在于合理地設計金屬圓筒的長度.那么，各圓筒長度之間究竟應符合怎樣的關(guān)系才行呢？這個問題稍微復雜一點，有興趣的同學在課后可以繼續(xù)討論.通過以上的探索和研究，我們實際上
8、已經(jīng)勾畫出了一臺加速器的雛形了，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］北京正負電子對撞機的注入器部分，就是一個全長200多米的直線加速器.這類加速器固然有其優(yōu)點，但它的設備一字兒排開，往往很長.于是，我們自然會想到：能否尋找一種既可使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，又不必增加設備長度的方法呢？［生］展開激烈的討論.［師］如果只用一個電場，帶電粒子經(jīng)過加速后還
