独立电源供电就不会减速了吗

唐保东 倪 菲

(南京市雨花台中学 江苏 南京 210012)

1 困惑

人教版高中《物理·选修3-1》第三章“磁场”第6节在介绍回旋加速器前简单介绍了一下多级加速器，并且配了一幅插图，如图1所示.针对两个加速电场之间是否会形成电场从而导致带电粒子减速这一问题，解释道“各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从P2飞向P3……时不会减速”.但是这更让学生困惑：难道独立电源供电，在P2和P3之间就不形成电场了吗？

图1 人教版物理教材插图

2 释疑

实际上教材上这幅原理图是有问题的，这种解释也是不科学的，不仅不能解释学生心中的困惑，反而容易误导学生.下面我们来探讨多级加速器的原理[1].

当各加速电场极板带电后，在两加速电场之间必然会产生电场这是很难克服的，例如插图中的P2和P3之间就有水平向左的匀强电场从而导致带电粒子减速，为解决这个问题,设计多级加速器和回旋加速器一样使用的也是交变电源[2]，其原理如图2所示.

图2 多级加速器加速原理

当带电粒子从P2板飞出第一级加速电场时电源正负极交换，这样在P2和P3之间形成一个水平向右的匀强电场，而使粒子继续加速运动，当粒子经P3板进入第二级加速电场时电源正负极再交换回来，保证第二级加速电场正常工作，这样周而复始，关键在于保证电场的变化与粒子的运动同步.但是这带来两个问题：(1)带电粒子速度很大，通过一个加速电场和极板的时间极短，需要交流电频率极大才能同步，这是非常困难的；(2)粒子速度越来越大，如果极板间距相等，粒子通过每个加速电场时间也越来越短，需要交变电流频率是变化的且越来越大，这更加大了技术难度.克服这些困难的关键在于延缓粒子在各个极板中的运动时间，降低交流电的频率，如果能做到穿过每个极板的时间相等，那就更完美了，因为这样交流电的频率就不需要变化了[3].

3 解决方案

科学家们在每个加速电场的极板上动了脑筋，从P2开始每个极板厚度为d=vt，其原理如图3所示.

图3 极板厚度设计原理

在实际处理时，为了节约材料，也为了便于电场聚焦，将极板做成空心圆筒，中间有一个小圆孔，又称为漂移管，其原理如图4所示.

图4 空间圆筒极板原理

4 结束语

根据以上分析，教材上的原理图至少存在3处问题：(1)每个加速电场宽度(例如P1板到P2板间距)应该是固定的，而教材上的插图将这一宽度画得越来越宽；(2)极板的厚度应该越来越大，而教材上的图极板厚度固定；(3)实际上P2和P3极板之间是有电场的，它才是真正的第二级加速电场，教材上的第二级加速电场实际上相当于第三级.

人教版的教材为什么会犯这样的“错误”呢？笔者是这样分析的：编者认为这个问题难度较高，中学生理解起来比较困难，所以作了简化处理，只是这样的简化实在问题多多，给爱动脑筋的教师和学生带来很大的困惑.