高中物理 · 磁场与带电粒子

让粒子
一圈一圈加速到 10 MeV

先老老实实拼一台直线加速器,按下开关——它会加速,但也会让你绝望。 然后我们换一台机器:两个 D 形盒、一个磁场、同一个电压,让粒子自己跑回来被反复加速。

3D 拖拽装配 4 张联动图像 支持平板触控 随手导出报告
6
实验环节
4
联动图像
3
可换粒子
拖拽旋转 · 双指缩放

装配工作台

待装配
按住左侧器材拖进工作台,或点选器材后点击发光空位
0%
v0×10⁶ m/s
Ek0MeV
x0m
已过缝0次
管 1 · 正
管 2 · 负

实验结果 · 这是个坏消息

能加速,但不划算

直线加速器每一级都要把电压重新加满一次。想更高能量,只能更长、更贵、更容易击穿。

目标动能10.0MeV
实际达成1.2MeV
所需级数50级
装置长度—m

能量阶梯 · 每一级只涨一点点

U = 200 kV / 级

长度与能量的赛跑

线性增长

问题到底出在哪?

  • 能量与长度死死绑定 每穿过一次缝隙只获得 qU 的能量,想拿 n 倍能量就得有 n 级电极,装置长度也跟着涨。6 级拿到 1.2 MeV;要够 10 MeV 得 50 级、约 7.4 米。
  • 单级电压有物理上限 空气击穿场强约 3 MV/m,就算把缝隙压到 1 cm,单级也撑不住 100 kV 以上。想靠"加电压"抄近路,先得问问绝缘材料答不答应。
  • 粒子只被用了一次 高压电源、射频系统、真空系统全都只为一次加速服务,粒子一飞出去,前面所有设备就闲置了。

如果能让粒子自己回到同一个缝隙再被加速一次,同一套电压就能重复使用几百次—— 这需要一种"把粒子拐回来"的力。对带电粒子来说,最听话的拐弯工具就是磁场。 磁场不做功、只改方向,还能让粒子的回旋周期与速度无关,这正是回旋加速器的关键。

Ek0.00MeV
v0.00×10⁶ m/s
r0.000m
圈数0圈
D 形盒 A · 正
D 形盒 B · 负
垂直纸面向外 / ×垂直纸面向里

实验结论

同一段电压,反复使用

磁场负责拐弯

洛伦兹力始终垂直于速度,只改变方向不做功。粒子在 D 形盒内做匀速圆周运动,半径 r = mv/(qB) 随速度变大,但周期 T = 2πm/(qB) 与速度无关——这是"可以固定频率加电压"的前提。

电场负责加速

只有过缝的瞬间电场做功,每次获得 qU。交变电场每次在粒子即将过缝时反向,保证它总是被"顺着推"。

共振是全部秘密

交变场周期必须等于回旋周期:T交变 = 2πm/(qB)。周期一对不上,过缝就开始丢能量,轨迹立刻乱掉——这就是示波器上的红点。

能量有天花板

最大动能 Ek = q²B²R²/(2m),由磁极半径 R 和磁场 B 决定,跟电压无关。电压只决定"要转多少圈才能到"。

拓展 · 为什么真实的回旋加速器做不到更高能量

相对论

速度接近光速后,质量按 m = γm₀ 增大,回旋周期 T = 2πm/(qB) 也跟着变长。 固定频率的交变电场就会慢慢"跟不上",粒子过缝时电场已经反向了——开始失能。

这就是同步回旋加速器(调频)和同步加速器(调频 + 调磁场)出现的原因。

正在装载实验台…