唐保東 倪 菲

(南京市雨花臺中學(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加速器，并且配了一幅插圖，如圖1所示.針對兩個加速電場之間是否會形成電場從而導(dǎo)致帶電粒子減速這一問題，解釋道“各加速區(qū)的兩板之間用獨立電源供電，所以粒子從P2飛向P3……時不會減速”.但是這更讓學(xué)生困惑：難道獨立電源供電，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電場從而導(dǎo)致帶電粒子減速，為解決這個問題,設(shè)計多級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 多級加速器加速原理

當(dāng)帶電粒子從P2板飛出第一級加速電場時電源正負極交換，這樣在P2和P3之間形成一個水平向右的勻強電場，而使粒子繼續(xù)加速運動，當(dāng)粒子經(jīng)P3板進入第二級加速電場時電源正負極再交換回來，保證第二級加速電場正常工作，這樣周而復(fù)始，關(guān)鍵在于保證電場的變化與粒子的運動同步.但是這帶來兩個問題：(1)帶電粒子速度很大，通過一個加速電場和極板的時間極短，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，粒子通過每個加速電場時間也越來越短，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極板中的運動時間，降低交流電的頻率，如果能做到穿過每個極板的時間相等，那就更完美了，因為這樣交流電的頻率就不需要變化了[3].

3 解決方案

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

圖3 極板厚度設(shè)計原理

在實際處理時，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)實際上P2和P3極板之間是有電場的，它才是真正的第二級加速電場，教材上的第二級加速電場實際上相當(dāng)于第三級.

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