第六節回旋加速器

教學目的

使學生知道回旋加速器的基本結構，理解它的工作原理；并通過教學，進一步激發學生的學習興趣，培養他們運用物理知識分析和解決實際問題的能力.

教學過程

師：在現代物理學中，為了研究物質的微觀結構，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律.為了大量地產生高能粒子，就要用到一種叫做加速器的實驗設備.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.

加速器究竟是怎樣產生高能帶電粒子的呢？這就是今天要學習的課題.讓我們都以探索者的身份，從已有的基礎知識出發，一起去尋求問題的答案吧.

(由加速器的重要應用以及我國科技新成就導出課題，可以激發學生的求知欲望；要求學生以探索者的身份進入角色，旨在將他們推上學習的主體地位.)

師：先請哪位同學回答：用什么方法可以加速帶電粒子？

生：利用電場可使帶電粒子加速.

師：（板畫圖1）根據圖示條件，帶電粒子加速后可獲得多大能量？

生：ek=mv2/2=qu

師：回答正確.由此看來，要獲得高能量的帶電粒子，就必須盡量提高加速電壓.但我們知道，實際能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，獲得的能量也不夠大，只能達到幾十萬至幾兆電子伏.請同學們想一想，如何突破電壓限制，使帶電粒子獲得更大的能量呢？

(疑問是思維的源頭，問題是探索的中心.教學中及時、巧妙地存疑設問，是教師主導作用的重要體現.)

甲生：我想是否可以再加幾個電場，讓帶電粒子逐一通過它們.

（教師根據學生回答，在圖1上改畫成圖2）

師：大家認為這種設想有道理嗎？

乙生：我認為有道理.這樣一來，每個電場的電壓就不必很高.盡管帶電粒子每次加速得到的能量不是很大，但最后的總能量卻可達到ek=nqu，只要增加電場的數目n，就可使粒子獲得足夠大的能量.

師：說得對.采用多個電場，使帶電粒子實現多級加速，這確是突破電壓限制的好方法.同學們能提出這樣富有創見的設想，十分可貴，但是，我們再仔細推敲一下它的可行性：按圖2所示的方案，真能實現多級加速嗎？

（學生陷入沉思.頃刻，有部分同學恍然大悟）

丙生：這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子！

師：你發現什么問題了嗎？

丙生：從圖上可以看出，在相鄰兩級加速電場的中間，還夾著一個反向電場，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的減速電場消除呢？

生：……

師：（進一步啟發）請大家聯系已學的知識：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.（在圖2上改畫成圖3）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.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.（在圖3上改畫成圖4）.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），你認為這個粒子能夠“一路順風”，不斷加速嗎？