多功能加速器的制作与改进.pdf

多功能加速器的制作与改进丁红明(平湖市新华爱心高级中学浙江 嘉兴 )马秀英(浙江省平湖中学浙江 嘉兴 )(收稿日期:)摘要:利用同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引原理,通过变换组合装置,设计制作了一款集“直线加速”和“圆形加速”为一体的多功能加速器,实现一套器材可以同时演示直线加速又可以演示圆形加速关键词:直线;圆形;加速器加速器是用人工方法将带电粒子(或带电体)加速到较高能量的装置利用加速器可以产生各种能量的电子、质子、粒子以及其它一些重离子,高能量的带电粒子“轰击”其他物质,还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子,因此加速器有着广泛的应用多功能加速器本质上属于静电加速器,是在高中物理中两种主要加速器(直线、回旋)的基础上加以改进制作而成,利用静电场加速带电小球,作为实验教具,能很好演示带电小球在电场中的直线加速和圆形加速高中阶段涉及的两类加速器 直线加速器如图所示,P、P、P带正电,P、P、P带负电,粒子在P和P、P和P、P和P之间加速,多级加速获得高能粒子直线加速器装置需要很长的装置,才能获得较高动能的粒子图直线加速器 回旋加速器如图所示,D和D是两个中空的半圆金属盒,它们之间存在交变电压UA处的粒子源产生的带电粒子,在两盒之间被电场加速两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中,所以粒子在磁场中做匀速圆周运动经过半个圆周之后,当粒子再次到达两盒间的缝隙时,控制交变电压U,使其恰好改变正负极,于是粒子经过盒缝时再一次被加速如此,粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝,而两盒间的交变电场一次一次地改变正负,粒子的速度就能够增加到很大图回旋加速器多功能加速器 实验原型(年高考浙江理综卷第 题)如图所示为静电力演示仪,两金属极板分别固定于绝缘支架上,且正对平行放置工作时两板分别接高压直流电 年第 期物理通报物理实验教学作者简介:丁红明(),男,中教高级,主要从事中学物理教学及研究源的正负极,表面镀铝的乒乓球用绝缘细线悬挂在两金属极板中间,用绝缘棒将乒乓球拨到与右极板接触,接触过程中,电荷重新分布,使球与极板带同种电荷,相互排斥,放开后乒乓球会在两板间来回碰撞图静电力演示仪 多功能加速器的制作及原理多功能加速器是用同样的器材,既可以实现直线加速、又可以实现圆形加速,用以模拟导电小球在电场作用下加速运动它的基本思想是等分的圆,既可以看作圆轨道用于圆形加速,又可以通过重组看作是直线轨道用于直线加速(见图)图多功能加速器的基本组成多功能加速器主要制作材料为有机玻璃板、自粘铝箔、直流电源、导电小球、导线、钩码等等()直线加速器如图(a)所示,等分的有机玻璃重新组合成如图所示排列,用导线分别将上下组铝箔(约 c m宽)连接起来,上面个铝箔连接电源正极,下面个铝箔连接电源负极,将横截面为“”型有机玻璃轨道置于等分有机玻璃上,导电小球初始位置在有机玻璃轨道的最左端,接通电源后,小球带负电,在静电力作用下,被相邻的正极吸引,在静电场的作用下,加速“跑”向下一个正极,与正极接触后,负电荷被中和,电量重新分配,小球带正电,由于惯性与静电力作用,又加速“跑”向下一个负极,如此循环下去,小球不断被加速()圆形加速器如图(b)所示,将直径为 c m的有机玻璃板等分,在每一块玻璃板上贴上铝箔(约 c m宽)在等分玻璃板上放置一有机玻璃圆环,组成环形轨道,将导电小球置于某一铝箔上,开启电源使相邻铝箔带异种电荷,相邻铝箔之间形成电场,导电小球与接触铝箔带同种电荷,在电场力作用下,加速“跑”向相邻铝箔,与铝箔第二次接触后,导电小球电性变换,继续加速“跑”向下一个铝箔,从而实现圆形加速图多功能加速器原理 多功能加速器的优点如图所示是多功能加速器中直线加速器的实物图,用软导线串接钩码的形式,为上下组铝箔供电图直线加速器实物图 年第 期物理通报物理实验教学图涉及的直线加速器中,粒子带电种类不变,且粒子不与电极相碰,而图中带电小球与铝箔接触后,不断变换电性,沿着轨道向前加速,比较直观地显现了小球的加速过程如图、图所示分别为多功能加速器中圆形加速器的实物图和示意图,通过粗铜线做成的“十”字架将个负极连接起来,减少导线交叉漏电,用直径为 c m的铁环,为个正极供电书本涉及的直线或回旋加速器均使用交流电,需要设置交流的周期,使之与带电粒子的运动周期相匹配,确保带电粒子同步加速而多功能加速器采用的直流电源,利用接触带电,电中和与电量重新分配,根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引的原理实现加速整个装置结构简洁,体现了对称美,同时操作方便,实验效果明显,不但可以实现单个小球加速,而是还能实现个、个导电小球同时加速图圆形加速器实物图图圆形加速器示意图多功能加速器的改进最初有实验灵感以后,我们开始着手制作实验器材,从最初比较简陋到慢慢地优化,紧紧围绕影响加速器效果的因素加以改进 铝箔的确定最初是考虑比较轻盈的铝箔,通过双面胶把它粘在有机玻璃上,而且轻质铝箔比较宽,目的是让导电小球能与铝箔充分接触但实验下来效果很差,小球几乎不能加速,只在某一铝箔条附近来回摆动,有时由于铝箔不平整,小球无法顺利通过铝箔通过分析,发现铝箔的平整度和宽度对于实验的效果影响很大换用自粘铝箔,同时把c m宽的铝箔剪成 c m,实验效果明显提升 导电小球的选择最初使用的导电小球由泡沫小球外包锡箔组成,发现小球的稳定性不是很好,由于小球表面不是很光滑,导致小球运动时有跳跃现象我们后来换用静电石墨小球后,效果明显提升 十字铜丝的选择最初模型中选用铝箔连接相邻的个电极,发现铝箔之间放电比较明显,后来改用“硬铜丝钩码”组成的“十字连通器”,如图所示,虽然总体效果不错,但由于铜丝比较硬,稍有不注意,钩码与铝箔之间就有可能无法充分接触,最终选用“软铜丝钩码”组成“十字连通器”,如图 所示,依靠砝码自身的重力作用,确保“十字连通器”能与铝箔充分接触图硬铜丝的十字连通器图 软铜丝的十字连通器参 考 文 献彭前程,黄恕伯普通高中教科书 物理选择性必修第二册M北京:人民教育出版社,年第 期物理通报物理实验教学