第六節(jié)回旋加速器

（學(xué)主情緒亢奮，信心驟增）

(學(xué)習(xí)上的探究活動，同樣需要有情緒力量的投入.為此，教師講課不妨帶些“情感色彩”，以利于渲染教學(xué)氛圍，激活學(xué)習(xí)動因.)

師：下面就讓我們按著這條思路，來具體分析一下工作原理.（板畫圖5）

設(shè)位于加速電場中心的粒子源發(fā)出一個帶正電粒子，以速率v0垂直進入勻強磁場中.如果它在電場和磁場的協(xié)同配合下，不斷地得到加速，你能大致畫出粒子的運動軌跡來嗎？請每位同學(xué)都動手試試.要邊畫圖，邊思考，并注意聯(lián)系前面歸納出的幾條結(jié)論.

（教師巡視，對有困難的學(xué)生予以指導(dǎo).多數(shù)學(xué)生完成之后，抽一人在圖5上板畫，得圖6所示軌跡.）

師：同學(xué)們都已把帶電粒子的運動軌跡畫出來了.接下去，請大家思考幾個問題.第一，從畫出軌跡看，它是條半徑越來越大的螺旋線，這是什么緣故？

生：根據(jù)帶電粒子在勻強磁場中運動的半徑公式r=mv/bq，隨著粒子不斷加速，它的速度越來越大，因此，半徑也相應(yīng)增大.

師：對.再看第二個問題：為使帶電粒子不斷得到加速，提供加速電壓的電源應(yīng)符合怎樣的要求？

生：要采用交變電源，并且，還必須使電源極性的變化與粒子的運動保持同步.

師：你能對照圖6，再具體說明一下嗎？

生：帶正電粒子以速度v0進入磁場，當(dāng)它運動半周后到達a1時，電源極性應(yīng)是“a正a′負”，粒子被電場加速，速率從v0增加到v1.

為“a負a′正”，使粒子再次加速，速率從v1增加到v2……以后的情形就以此類推.

師：回答正確.從剛才的分析可以看出，電場的作用是使粒子加速，磁場的作用則使粒子回旋，兩者的分工非常明確，同時，它們又配合得十分默契：電源交替變化一周，粒子被加速兩次，并恰好回旋一周，這正是確保加速器正常運行的同步條件.（板書如下）

師：還有第三個問題：隨著粒子不斷加速它的速度和半徑都在不斷增大，為了滿足同步條件，電源的頻率也要相應(yīng)變化嗎？

生：不需變化，因為帶電粒子在勻強磁場中的運動周期t=2πm/bq，它與速度無關(guān).

師：說得對.對于給定的帶電粒子，它在一定的勻強磁場中運動的周期是恒定的.有了這一條，我們就可免卻隨時調(diào)整電源頻率以求同步的麻煩了.從而為最終實施我們的上述構(gòu)想，提供了極大的便利.

早在1932年，美國物理學(xué)家勞侖斯正是沿著與我們相仿的巧妙思路.發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步.為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎.

(學(xué)生再次體驗到成功的喜悅，似乎他們也分享到了其中的一份.)

師：下面讓我們來看回旋加速器的基本結(jié)構(gòu).（出示掛圖）從圖上可以看出，回旋加速器主要由下列幾部分組成（板書）：d形盒、強電磁鐵、交變電源、粒子源、引出裝置等.其中，兩個空心的d形金屬盒是它的核心部分.同學(xué)們能說明它的作用嗎？

（讓學(xué)生自學(xué)課本，然后回答）

甲生：這兩個d形盒就是兩個電極，可在它們的縫間形成加速電場.

師：誰還有補充嗎？

乙生：它還起到靜電屏蔽的作用.使帶電粒子在金屬盒內(nèi)只受磁場力作用，從而做勻速圓周運動.

師：書上還提到一個細節(jié)：“兩個d形盒之間留一個窄縫，……”想一下，為什么要留窄的縫？寬些就不成嗎？

丙生：……

丁生：如果縫很寬，粒子穿越電場所用的時間就不容忽略.而這個時間是要隨粒子運動速度的增加而變化的，從而使得粒子回旋一周所需的時間也將隨之變化，這就會破壞同步條件.如果是窄縫，粒子在電場中運動的時間可以不計，就可避免不同步的麻煩了.