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 314200)

马秀英

(浙江省平湖中学 浙江 嘉兴 314200)

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、α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.

1 高中阶段涉及的两类加速器

1.1 直线加速器

如图1所示,P1、P3、P5带正电,P2、P4、P6带负电,粒子在P1和P2、P3和P4、P5和P6之间加速,多级加速获得高能粒子[1].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1 直线加速器

1.2 回旋加速器

如图2所示,D1和D2是两个中空的半圆金属盒,它们之间存在交变电压U.A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[1].

图2 回旋加速器

2 多功能加速器

2.1 实验原型

(2015年高考浙江理综卷第16题)如图3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3 静电力演示仪

2.2 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8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4).

图4 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.

图5 多功能加速器原理

(2)圆形加速器.如图5(b)所示,将直径为60 cm的有机玻璃板8等分,在每一块玻璃板上贴上铝箔(约1.3 cm宽).在8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.

2.3 多功能加速器的优点

如图6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4组铝箔供电.

图6 直线加速器实物图

图1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6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7、图8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4个负极连接起来,减少导线交叉漏电,用直径为70 cm的铁环,为4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3个、4个导电小球同时加速.

图7 圆形加速器实物图

图8 圆形加速器示意图

3 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.

3.1 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4 cm宽的铝箔剪成1.3 cm,实验效果明显提升.

3.2 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.

3.3 十字铜丝的选择

最初模型中选用铝箔连接相邻的4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9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10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9 硬铜丝的十字连通器

图10 软铜丝的十字连通器