磁力回旋加速器的设计、制作与应用
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“回旋加速器”是高中物理《磁场》一章中“带电粒子在电磁场中运动规律”的典型应用，这部分知识也是历年物理高考中的重点和难点.而且，回旋加速器作为一种高科技的实验设备，学生往往对其怀有浓厚的学习兴趣，但是苦于没有模拟演示装置，只能从课件中去感悟.于是我萌发了设计并制作“磁力回旋加速器”来模拟演示教材中回旋加速器的设想，力图让学生能够从模拟演示中感受回旋加速器的魅力，这将有助于开阔学生的视野，培养学生探究科学奥秘的志趣.
1设计思路
教材中的回旋加速器采用电场多级加速，磁场改变带电粒子在电场中的运动方向，变直线运动为圆周运动的装置.图1为回旋加速器的结构原理图，带电粒子从二个D形盒的中心处的粒子源出发，进入电场加速，再进入磁场做半个周期的圆周运动，回到已变换方向的电场再次加速，再进入磁场做半径更大的圆周运动，如此反复，多级加速，直到带电粒子贴近D形盒盒壁时高速射出.
TP4GW48.TIF，BP#]仿照上述原理，本人设计制作后拍摄的“磁力回旋加速器”的照片如图2所示.用小钢球模拟带电粒子，用强磁体产生的磁场力来模拟电场产生的电场力使小钢球加速，用轨道壁的反射产生的弹力来模拟磁场产生的洛伦兹力，用小钢球运动方向改变90°的直线运动来模拟带电粒子的圆周运动，这样的多级加速，使小钢球从出口处高速射出.
2物理原理
“磁力回旋加速器”的设计涉及下列物理知识：
2.1钕铁硼强磁铁
它是一种新型的高科技材料，具有体积小、重量轻和磁性强的特点，它能产生强大的磁场力F来吸引小钢球.
2.2牛顿第二定律
小钢球在磁场力F的作用下产生加速度a=SX（]F]mSX）]，使小钢球加速.
2.3完全弹性碰撞
在理想情况下，完全弹性碰撞的物理过程满足动量守恒和能量守恒.在图3甲中，4个小钢球质量相等，小钢球1以速度v碰撞静止的小钢球2、3、4，最终，小钢球4获得与小钢球1一样大小的速度v向右运动，而小钢球1、2、3静止，如图3乙所示.
TP4GW49.TIF，BP#]2.4小钢球反射改变运动方向
小钢球1在光滑的轨道内以速度v运动，传递到小纲球7，至弧形轨道的光滑侧壁A处反射，由于轨道的底和侧壁都是光滑的，在反射的过程中，小钢球速度TP4GW50.TIF，Y#]的大小没有改变，只是运动的方向改变了90°，如图4所示.弧形轨道的反射可类比于光学中的角反射器.
2.5多级加速
在轨道的直线部分的中点设置一个强磁铁，使小钢球在该处被加速，若轨道中设置n个强磁铁，则小钢球就会被加速n次，使小钢球最后以非常高的速度射出.
3制作方法
3.1制作轨道板
用废旧的实木板（厚度1.5 cm）切割成19 cm×24 cm的轨道板，按设计要求，描好轨道图，请木工师傅按图施工.并在轨道的侧壁用木胶粘合光滑的聚酯装饰片，再用废旧的3 mm玻璃切割成19 cm×24 cm的底板，用玻璃胶将其与加工好的轨道板粘合.用玻璃做底板，让小钢球在玻璃板上滚动，可以减小摩擦阻力.
3.2安装强磁铁
在图示位置按上9块强磁铁，与轨道板紧密连接，不能有松动现象.
3.3放置小钢球
在每块强磁铁旁放上3个（或2个）小钢球.
3.4释放小钢球
在轨道的起始口弹入一个小钢球，让其加速运动，并以速度v1与强磁铁碰撞，经过9次加速，最后以非常高的速度v2射出.
4实践应用
“磁力回旋加速器”可用于高中物理课堂教学中的演示实验，还可以引导学生进行研究性学习，开展丰富多彩的综合实践活动.
4.1研究完全弹性碰撞
选择其中的一个强磁铁，可以用一个小钢球分别碰撞静止的一个小钢球、二个小钢球、三个、四个、五个小钢球，让学生体验发生完全弹性碰撞时，如果小钢球的质量相同，可以将一个小钢球的速度完全传递给最后一个小钢球.
也可以让学生用一个强磁铁和若干个小钢球如图5所示制作一个简单的实验装置来研究上述小钢球的完全弹性碰撞规律，可加深对完全弹性碰撞规律的理解.
TP4GW51.TIF，BP#]4.2帮助理解回旋加速器
用类比的方法，帮助学生理解高中教材中的回旋加速器.将小钢球类比为带电粒子，强磁铁产生的磁场类比为电场，强磁铁吸引小钢球的磁场力类比为电场对带电粒子的作用力，轨道侧壁反射小钢球的弹力类比为磁场作用于带电粒子的洛伦兹力，弹力的作用使小钢球直线运动的方向改变了90°类比为洛伦兹力的作用使带电粒子作圆周运动.同时对照回旋加速器的视频课件进行模拟演示对比.
4.3作为发射器，研究抛体运动
（1）研究平抛运动的规律
让从加速器出口处水平飞出的小钢球沿着图6所示的复写纸面作平抛运动，小钢球运动的轨迹被复写纸所记录.复写纸贴在泡沫板右表面的坐标纸上，泡沫板的左表面贴在竖直放置的三夹板上.由于三夹板刚性好，保证其固定在竖直平面内；泡沫板弹性好，在确保小钢球刚好与复写纸接触而留下运动轨迹的同时，使小钢球与复写纸之间的摩擦力比较小，不影响其在竖直平面内的平抛运动，描出的运动轨迹比较接近于小钢球的实际运动，将复写纸剥去，露出描有运动轨迹的坐标纸，如图7所示.
TP4GW52.TIF，BP#]（2）测量小钢球运动的速度
小钢球在出口处的速度可以利用加速器分别让小钢球作2次、3次、4次、…、9次加速，在坐标纸上分别描有图8所示的图象.然后在图象中，找出特殊的一点P，读出该点的坐标x和h，由于平抛运动可看作水平方向的匀速直线运动和竖直方向自由落体运动的合运动，可求得平抛运动的初速度，即为小钢球在磁力回旋加速器出口处的速度v0=x（g/2h）1/2.若测得的数据，则小钢球的速度v0=14 m/s.比较测得的8个不同的速度，可加深对回旋加速器多级加速原理的理解.
5设计感悟
本实验装置设计原理巧妙，对装置的制作工艺要求极高.首先，直线轨道的内径只能略大于小球直径，否则小球反弹后再与以后的小球发生的碰撞可能不再是正碰，而是斜碰，这样就无法达到预期的目的.其次，拐角处内外四分之一圆弧轨道的制作难度较大，稍有偏差，小球将会有被卡住的现象，实验效果也大打折扣.