多功能加速器的制作與改進

丁紅明

(平湖市新華愛心高級中學 浙江 嘉興 314200)

馬秀英

(浙江省平湖中學 浙江 嘉興 314200)

加速器是用人工方法將帶電粒子(或帶電體)加速到較高能量的裝置.利用加速器可以產生各種能量的電子、質子、α粒子以及其它一些重離子,高能量的帶電粒子“轟擊”其他物質,還可以產生多種帶電的和不帶電的次級粒子,因此加速器有著廣泛的應用.多功能加速器本質上屬于靜電加速器,是在高中物理中兩種主要加速器(直線、回旋)的基礎上加以改進制作而成,利用靜電場加速帶電小球,作為實驗教具,能很好演示帶電小球在電場中的直線加速和圓形加速.

1 高中階段涉及的兩類加速器

1.1 直線加速器

如圖1所示,P1、P3、P5帶正電,P2、P4、P6帶負電,粒子在P1和P2、P3和P4、P5和P6之間加速,多級加速獲得高能粒子[1].直線加速器裝置需要很長的裝置,才能獲得較高動能的粒子.

圖1 直線加速器

1.2 回旋加速器

如圖2所示,D1和D2是兩個中空的半圓金屬盒,它們之間存在交變電壓U.A處的粒子源產生的帶電粒子,在兩盒之間被電場加速.兩個半圓盒處于與盒面垂直的勻強磁場中,所以粒子在磁場中做勻速圓周運動.經過半個圓周之后,當粒子再次到達兩盒間的縫隙時,控制交變電壓U,使其恰好改變正負極,于是粒子經過盒縫時再一次被加速.如此,粒子在做圓周運動的過程中一次一次地經過盒縫,而兩盒間的交變電場一次一次地改變正負,粒子的速度就能夠增加到很大[1].

圖2 回旋加速器

2 多功能加速器

2.1 實驗原型

(2015年高考浙江理綜卷第16題)如圖3所示為靜電力演示儀,兩金屬極板分別固定于絕緣支架上,且正對平行放置.工作時兩板分別接高壓直流電源的正負極,表面鍍鋁的乒乓球用絕緣細線懸掛在兩金屬極板中間,用絕緣棒將乒乓球撥到與右極板接觸,接觸過程中,電荷重新分布,使球與極板帶同種電荷,相互排斥,放開后乒乓球會在兩板間來回碰撞.

圖3 靜電力演示儀

2.2 多功能加速器的制作及原理

多功能加速器是用同樣的器材,既可以實現直線加速、又可以實現圓形加速,用以模擬導電小球在電場作用下加速運動.它的基本思想是8等分的圓,既可以看作圓軌道用于圓形加速,又可以通過重組看作是直線軌道用于直線加速(見圖4).

圖4 多功能加速器的基本組成

多功能加速器主要制作材料為有機玻璃板、自粘鋁箔、直流電源、導電小球、導線、鉤碼等等.

圖5 多功能加速器原理

(2)圓形加速器.如圖5(b)所示,將直徑為60 cm的有機玻璃板8等分,在每一塊玻璃板上貼上鋁箔(約1.3 cm寬).在8等分玻璃板上放置一有機玻璃圓環,組成環形軌道,將導電小球置于某一鋁箔上,開啟電源使相鄰鋁箔帶異種電荷,相鄰鋁箔之間形成電場,導電小球與接觸鋁箔帶同種電荷,在電場力作用下,加速“跑”向相鄰鋁箔,與鋁箔第二次接觸后,導電小球電性變換,繼續加速“跑”向下一個鋁箔,從而實現圓形加速.

2.3 多功能加速器的優點

如圖6所示是多功能加速器中直線加速器的實物圖,用軟導線串接鉤碼的形式,為上下4組鋁箔供電.

圖6 直線加速器實物圖

圖1涉及的直線加速器中,粒子帶電種類不變,且粒子不與電極相碰,而圖6中帶電小球與鋁箔接觸后,不斷變換電性,沿著軌道向前加速,比較直觀地顯現了小球的加速過程.

如圖7、圖8所示分別為多功能加速器中圓形加速器的實物圖和示意圖,通過粗銅線做成的“十”字架將4個負極連接起來,減少導線交叉漏電,用直徑為70 cm的鐵環,為4個正極供電.書本涉及的直線或回旋加速器均使用交流電,需要設置交流的周期,使之與帶電粒子的運動周期相匹配,確保帶電粒子同步加速.而多功能加速器采用的直流電源,利用接觸帶電,電中和與電量重新分配,根據同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引的原理實現加速.整個裝置結構簡潔,體現了對稱美,同時操作方便,實驗效果明顯,不但可以實現單個小球加速,而是還能實現3個、4個導電小球同時加速.

圖7 圓形加速器實物圖

圖8 圓形加速器示意圖

3 多功能加速器的改進

最初有實驗靈感以后,我們開始著手制作實驗器材,從最初比較簡陋到慢慢地優化,緊緊圍繞影響加速器效果的因素加以改進.

3.1 鋁箔的確定

最初是考慮比較輕盈的鋁箔,通過雙面膠把它粘在有機玻璃上,而且輕質鋁箔比較寬,目的是讓導電小球能與鋁箔充分接觸.但實驗下來效果很差,小球幾乎不能加速,只在某一鋁箔條附近來回擺動,有時由于鋁箔不平整,小球無法順利通過鋁箔.通過分析,發現鋁箔的平整度和寬度對于實驗的效果影響很大.換用自粘鋁箔,同時把4 cm寬的鋁箔剪成1.3 cm,實驗效果明顯提升.

3.2 導電小球的選擇

最初使用的導電小球由泡沫小球外包錫箔組成,發現小球的穩定性不是很好,由于小球表面不是很光滑,導致小球運動時有跳躍現象.我們后來換用靜電石墨小球后,效果明顯提升.

3.3 十字銅絲的選擇

最初模型中選用鋁箔連接相鄰的4個電極,發現鋁箔之間放電比較明顯,后來改用“硬銅絲+鉤碼”組成的“十字連通器”,如圖9所示,雖然總體效果不錯,但由于銅絲比較硬,稍有不注意,鉤碼與鋁箔之間就有可能無法充分接觸,最終選用“軟銅絲+鉤碼”組成“十字連通器”,如圖10所示,依靠砝碼自身的重力作用,確保“十字連通器”能與鋁箔充分接觸.

圖9 硬銅絲的十字連通器

圖10 軟銅絲的十字連通器