獨(dú)立電源供電就不會(huì)減速了嗎

唐保東 倪 菲

(南京市雨花臺(tái)中學(xué) 江蘇 南京 210012)

1 困惑

人教版高中《物理·選修3-1》第三章“磁場”第6節(jié)在介紹回旋加速器前簡單介紹了一下多級(jí)加速器，并且配了一幅插圖，如圖1所示.針對(duì)兩個(gè)加速電場之間是否會(huì)形成電場從而導(dǎo)致帶電粒子減速這一問題，解釋道“各加速區(qū)的兩板之間用獨(dú)立電源供電，所以粒子從P2飛向P3……時(shí)不會(huì)減速”.但是這更讓學(xué)生困惑：難道獨(dú)立電源供電，在P2和P3之間就不形成電場了嗎？

圖1 人教版物理教材插圖

2 釋疑

實(shí)際上教材上這幅原理圖是有問題的，這種解釋也是不科學(xué)的，不僅不能解釋學(xué)生心中的困惑，反而容易誤導(dǎo)學(xué)生.下面我們來探討多級(jí)加速器的原理[1].

當(dāng)各加速電場極板帶電后，在兩加速電場之間必然會(huì)產(chǎn)生電場這是很難克服的，例如插圖中的P2和P3之間就有水平向左的勻強(qiáng)電場從而導(dǎo)致帶電粒子減速，為解決這個(gè)問題,設(shè)計(jì)多級(jí)加速器和回旋加速器一樣使用的也是交變電源[2]，其原理如圖2所示.

圖2 多級(jí)加速器加速原理

當(dāng)帶電粒子從P2板飛出第一級(jí)加速電場時(shí)電源正負(fù)極交換，這樣在P2和P3之間形成一個(gè)水平向右的勻強(qiáng)電場，而使粒子繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子經(jīng)P3板進(jìn)入第二級(jí)加速電場時(shí)電源正負(fù)極再交換回來，保證第二級(jí)加速電場正常工作，這樣周而復(fù)始，關(guān)鍵在于保證電場的變化與粒子的運(yùn)動(dòng)同步.但是這帶來兩個(gè)問題：(1)帶電粒子速度很大，通過一個(gè)加速電場和極板的時(shí)間極短，需要交流電頻率極大才能同步，這是非常困難的；(2)粒子速度越來越大，如果極板間距相等，粒子通過每個(gè)加速電場時(shí)間也越來越短，需要交變電流頻率是變化的且越來越大，這更加大了技術(shù)難度.克服這些困難的關(guān)鍵在于延緩粒子在各個(gè)極板中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，降低交流電的頻率，如果能做到穿過每個(gè)極板的時(shí)間相等，那就更完美了，因?yàn)檫@樣交流電的頻率就不需要變化了[3].

3 解決方案

科學(xué)家們在每個(gè)加速電場的極板上動(dòng)了腦筋，從P2開始每個(gè)極板厚度為d=vt，其原理如圖3所示.

圖3 極板厚度設(shè)計(jì)原理

在實(shí)際處理時(shí)，為了節(jié)約材料，也為了便于電場聚焦，將極板做成空心圓筒，中間有一個(gè)小圓孔，又稱為漂移管，其原理如圖4所示.

圖4 空間圓筒極板原理

4 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，教材上的原理圖至少存在3處問題：(1)每個(gè)加速電場寬度(例如P1板到P2板間距)應(yīng)該是固定的，而教材上的插圖將這一寬度畫得越來越寬；(2)極板的厚度應(yīng)該越來越大，而教材上的圖極板厚度固定；(3)實(shí)際上P2和P3極板之間是有電場的，它才是真正的第二級(jí)加速電場，教材上的第二級(jí)加速電場實(shí)際上相當(dāng)于第三級(jí).

人教版的教材為什么會(huì)犯這樣的“錯(cuò)誤”呢？筆者是這樣分析的：編者認(rèn)為這個(gè)問題難度較高，中學(xué)生理解起來比較困難，所以作了簡化處理，只是這樣的簡化實(shí)在問題多多，給愛動(dòng)腦筋的教師和學(xué)生帶來很大的困惑.