第六节回旋加速器

第六节回旋加速器

教学目的

使学生知道回旋加速器的基本结构，理解它的工作原理；并通过教学，进一步激发学生的学习兴趣，培养他们运用物理知识分析和解决实际问题的能力.

教学过程

师：在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律.为了大量地产生高能粒子，就要用到一种叫做加速器的实验设备.同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏.

加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？这就是今天要学习的课题.让我们都以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧.

(由加速器的重要应用以及我国科技新成就导出课题，可以激发学生的求知欲望；要求学生以探索者的身份进入角色，旨在将他们推上学习的主体地位.)

师：先请哪位同学回答：用什么方法可以加速带电粒子？

生：利用电场可使带电粒子加速.

师：（板画图1）根据图示条件，带电粒子加速后可获得多大能量？

生：ek=mv2/2=qu

师：回答正确.由此看来，要获得高能量的带电粒子，就必须尽量提高加速电压.但我们知道，实际能达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量也不够大，只能达到几十万至几兆电子伏.请同学们想一想，如何突破电压限制，使带电粒子获得更大的能量呢？

(疑问是思维的源头，问题是探索的中心.教学中及时、巧妙地存疑设问，是教师主导作用的重要体现.)

甲生：我想是否可以再加几个电场，让带电粒子逐一通过它们.

（教师根据学生回答，在图1上改画成图2）

师：大家认为这种设想有道理吗？

乙生：我认为有道理.这样一来，每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次加速得到的能量不是很大，但最后的总能量却可达到ek=nqu，只要增加电场的数目n，就可使粒子获得足够大的能量.

师：说得对.采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，这确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵，但是，我们再仔细推敲一下它的可行性：按图2所示的方案，真能实现多级加速吗？

（学生陷入沉思.顷刻，有部分同学恍然大悟）

丙生：这个方案不可能获得高能量的带电粒子！

师：你发现什么问题了吗？

丙生：从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用.

师：丙同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢？

生：……

师：（进一步启发）请大家联系已学的知识：要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？

生：采用静电屏蔽.

师：对.我们可用金属圆筒代替原来的极板.（在图2上改画成图3）这样，既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响.

师：再让我们讨论一下电源.为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压.（在图3上改画成图4）.如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为a正b负），你认为这个粒子能够“一路顺风”，不断加速吗？