獨立電源供電就不會減速了嗎

唐保東 倪 菲

(南京市雨花臺中學 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致帶電粒子減速這一問題，解釋道“各加速區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的，不僅不能解釋學生心中的困惑，反而容易誤導學生.下面我們來探討多級加速器的原理[1].

當各加速電場極板帶電后，在兩加速電場之間必然會產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致帶電粒子減速，為解決這個問題,設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，而使粒子繼續加速運動，當粒子經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，這樣周而復始，關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，這更加大了技術難度.克服這些困難的關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 極板厚度設計原理

在實際處理時，為了節約材料，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 結束語

根據以上分析，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生帶來很大的困惑.