Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям» (11 класс). Тема: Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Тема: Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

I уровень. Теоретические сведения

При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся в результате конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.

При взаимодействии частицы с электроном атома электрон получает импульс, прямо пропорциональный заряду частицы и обратно пропорциональный скорости частицы. При некоторой достаточно большой величине импульса электрон отрывается от атома и последний превращается в ион. На каждой единице пути частицы образуется тем больше ионов (а, следовательно, и капелек жидкости), чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частиц:

Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца, которая равна (для случая, когда скорость частицы перпендикулярна магнитным линиям):
, где – заряд частицы; – скорость; – магнитная индукция.

Правило левой руки показывает, что сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой:
, где
– масса частицы; – радиус кривизны ее трека.

Отсюда получаем:
.

Если
(т.е. частица нерелятивистская), то ее кинетическая энергия равна:
.

Из полученных формул можно сделать выводы, которые необходимо тоже использовать для анализа фотографий треков частиц:

Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т.е. кривизна трека больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд. Из соотношения между энергией частицы и кривизной ее трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше.

Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека. По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы: начало ее движения там, где кривизна трека меньше.

Это отношение является важнейшей характеристикой частицы и позволяет «идентифицировать» частицу, т.е. отождествить ее с известной частицей.

Треки частиц в камере Вильсона Треки протонов

II уровень. Вспомним основные положения теории

Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

III уровень. Попробуйте выполнить задания

В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление следа из капелек жидкости в газе?

А. Счетчик Гейгера;

Б. Камера Вильсона;

В. Пузырьковая камера;

Г. Толстослойная фотоэмульсия;

Д. Экран, покрытый сернистым цинком.

А. … пузырьков пара;

Б. …капелек жидкости;

В. … удельный заряд частицы;

Г. … энергию и массу частицы.

Становите соответствие.

1. Трек в камере Вильсона состоит из …

2. По длине и толщине трека можно определить …

3. По радиусу трека можно определить …

На рисунке изображен трек электрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении двигался электрон?

На рисунке показан трек протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении летит частица?

На рисунке показаны треки двух частиц в камере Вильсона. Каков знак заряда частиц, если линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости чертежа и направлены от читателя? Одинакова ли масса частиц?

IV уровень. Проверьте, все ли Вы усвоили

Для определения движения отрицательного мезона на его пути в камере Вильсона помещают свинцовые пластины, а камера находится в магнитном поле. Объясните, как при этом определяют направление движения частицы.

V уровень. Это сложная задача, однако, если Вы ее решите, то сделаете заметный шаг в познании физики, у Вас будут все основания относиться к себе с большим уважением, чем прежде

Лабораторная работа

«Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

Цель работы : сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц

Задание 1. Изучение треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона.

Оборудование : фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона.

Задание 2. Изучение треков заряженных частиц, полученных в пузырьковой камере.

Оборудование : фотографии треков заряженных частиц, полученных в пузырьковой камере.

Задание 3. Изучение треков заряженных частиц, полученных в фотоэмульсии

Оборудование : фотографии треков заряженных частиц, полученных в фотоэмульсии.

Задание 4. На рисунке показаны два трека заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка. Трек I принадлежит протону.

Какой из частиц (протону, электрону или α -частице) принадлежит трек II ? Известно, что частицы влетели в камеру Вильсона в плоскости рисунка с одинаковыми скоростями. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Ответы

Работа 1. 1. Cверху вниз. 2. Камера Вильсона находится в магнитном поле. 3. Перпендикулярно фотографии сверху вниз. 4. Уменьшалась скорость -частиц.

Работа 2. 1. Потому что он двигался в магнитном поле с убывающей скоростью. 2. От внешнего витка спирали к её центру. 3. Перпендикулярно фотографии сверху вниз.

Работа 3. 1. Не одинаковы заряды ядер. 2. Левый трек принадлежит ядру атома магния, средний – ядру калия, правый – ядру железа. 3. Толщина трека тем больше, чем больше заряд ядра атома. 4. Треки частиц в фотоэмульсии короче и толще и имеют неровные края.

Тема: Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

I уровень. Теоретические сведения

§ При прочих равных условиях трек толще у той частицы, которая обладает большим зарядом..gif" width="69" height="21">, где – заряд частицы; – скорость; – магнитная индукция.

Правило левой руки показывает, что сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой: https://pandia.ru/text/80/248/images/image007_16.gif" width="17" height="15 src="> – масса частицы; – радиус кривизны ее трека.

Отсюда получаем: .

Если (т. е..gif" width="24" height="41 src=">.

Это отношение является важнейшей характеристикой частицы и позволяет «идентифицировать» частицу, т. е. отождествить ее с известной частицей.

https://pandia.ru/text/80/248/images/image014_3.jpg" width="200" height="287 src=">

Треки частиц в камере Вильсона Треки протонов

II уровень. Вспомним основные положения теории

1..gif" width="16" height="15">-частиц, их толщине, направлении?

3. Как называется сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу? Как она направлена?

4. Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?

5. Укажите причину, по которой радиус кривизны трека частицы уменьшается к концу ее пробега.

Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

1. Почему вдоль траектории движения -частицы возникает цепочка ионов?

2. Почему при движении частицы в камере Вильсона ее трек становится видимым?

3. Можно ли в камере Вильсона наблюдать треки -частиц? Чем они будут отличаться от треков -частиц?

4. Почему к концу пробега в камере Вильсона трек частицы становится толще?

5. Как зависит кривизна траектории заряженной частицы в магнитном поле от: а) ее заряда; б) скорости движения; в) индукции магнитного поля?

III уровень. Попробуйте выполнить задания

1. В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление следа из капелек жидкости в газе?

А. Счетчик Гейгера;

Б. Камера Вильсона;

В. Пузырьковая камера;

Г. Толстослойная фотоэмульсия;

Д. Экран, покрытый сернистым цинком.

Установите соответствие.

1. Трек в камере Вильсона состоит из …

2. По длине и толщине трека можно определить …

3. По радиусу трека можно определить …

3. На рисунке изображен трек электрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении двигался электрон?

4. На рисунке показан трек протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении летит частица?

5. На рисунке показаны треки двух частиц в камере Вильсона. Каков знак заряда частиц, если линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости чертежа и направлены от читателя? Одинакова ли масса частиц?

IV уровень. Проверьте, все ли Вы усвоили

1. Для определения движения отрицательного мезона на его пути в камере Вильсона помещают свинцовые пластины, а камера находится в магнитном поле. Объясните, как при этом определяют направление движения частицы.

1. Когда бор захватывает быстро движущийся протон, то в камере Вильсона, где протекает этот процесс, образуются три почти одинаковых трека, расходящихся веером в разные стороны. Какие частицы образовали эти треки?

МКОУ ШР «СОШ №5»

«Школа Мудрости»

Лабораторная работа №6 11 класс

«Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

2015 год

г. Шелехов

Тема работы: « Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»
Цель работы: объяснить характер движения заряженных частиц.
Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

Пояснения к работе.

При выполнении данной лабораторной работы необходимо помнить, что:

А) длина трека зависит от энергии частицы. Длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);

Б) толщина трека зависит от величины заряда частицы . Толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость;

В) Кривизна трека зависит от массы и скорости движения частицы. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля. Частицы двигаются от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны.

Задание 1.

На двух из трех представленных фотографий (рис.188.189 и 190) изображены треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.

Задание 2.

Рассмотрите фотографию треков α -частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 188) и ответьте на вопросы.
А) В каком направлении двигались α -частицы?
Б) Длина треков α -частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
В) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Рис.190

Задание 3.

На рисунке 189 дана фотография треков α -частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
А) Почему менялся радиус кривизны и толщина треков по мере движения α -частиц?
Б) В какую сторону двигались α -частицы?

Рис.190

Задание 4.

На рисунке 190 дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
А) Почему трек имеет форму спирали?
Б) в каком направлении двигался электрон?
Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 190 гораздо длиннее треков α -частиц на рисунке 189?

Рис.190

Сделайте вывод к исследованию, ответив на вопросы.

1. Почему треки разных частиц различны?

2. Почему толщина треков разных частиц не одинакова?

3. Почему изменяется кривизна трека частицы с течением времени?

Ключевые слова : атом, атомное ядро, элементарные частицы, античастицы, треки заряженных частиц, способы наблюдения и регистрации заряженных частиц.

Цель работы:	объяснить характер движения заряженных частиц.
Оборудование:	фотография треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона (№1), пузырьковой камере (№2) и фотоэмульсии (№3).
Теоретические сведения:	1. Треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшихся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах, расположенных вдоль траектории заряженной частицы; в пузырьковой камере – цепочки микроскопических пузырьков пара перегретой жидкости, образовавшихся на ионах. Треки показывают траекторию движения заряженных частиц. 2. Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды: она тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды. 3. Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. 4. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривленным. Радиус кривизны трека зависит от массы, заряда, скорости частицы и модуля индукции магнитного поля: он тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля. 5. По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение её скорости: начало её движения и скорость больше тем, где больше радиус кривизны трека.
Структурно-логическая схема:	См. рисунок ниже таблицы

Указания к работе:

1) В каком направлении двигались альфа-частицы?

2) Почему длина треков альфа-частиц примерно одинаково?

3) Почему толщина треков альфа –частиц к концу пробега немного увеличивается?

4) Почему некоторые альфа-частицы оставляют треки только в конце своего пробега?

1) Почему трек электрона имеет форму спирали?

2) В каком направлении двигался электрон?

3) Как был направлен вектор магнитной индукции?

1)Почему треки ядер атомов имеют разную толщину?

2)Какой трек принадлежит ядру атома магния, кальция и железа?

3)Какой вывод можно сделать из сравнения толщины треков ядер атомов различных элементов?

Чем отличаются треки частиц, полученные в фотоэмульсии, от треков частиц в камере Вильсона и пузырьковой камере?

Составьте письменный отчет по предложенным вопросам.

Заключение
Практические работы как форма организации учебной деятельности студентов содействуют развитию научного мышления, формированию умений интеллектуального проникновения в сущность изучаемых явлений, что повышает роль экспериментальных методов обучения, направленных на формирование творческой активности личности, ее адаптивности к новым условиям рынка труда, готовности к использованию новых технологий в профессиональной сфере деятельности.

Приложение №1

Справочные материалы

Список использованных источников

Основные источники:

Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. [Текст] : учебник для учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева.- 4-е изд., стер.- М. : Издательский центр «Академия», 2012.-448 с.
Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач [Текст] : учеб.пособие для образоват. учреждений нач. и сред. проф.образозования / В.Ф. Дмитриева.- М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 256с.
Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы [Текст] : учеб.пособие для учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева, Л.И. Васильев.- М. : Издательский центр «Академия», 2012.-112 с.
Мокрова, И.И. Разработка инновационного содержания лабораторно-практических работ в системе подготовки технологов машиностроительного профиля [Текст] / / Среднее профессиональное образование.-2011.-№6.- С.30-36.
Мякишев, Г.Я. Физика.10 класс [Текст] : учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой.-19-е изд.
Мякишев, Г.Я. Физика.11 класс [Текст] : учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругин; под.ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой.- 19-е изд.-М.:Просвещение,2010.-399с.

Дополнительные источники:

Буров, В.А. Фронтальные экспериментальные задания по физике [Текст] : дидакт. материал. Пособие для учителя / В.А. Буров, А.И. Иванов, В.И. Свиридов. – М. : Просвещение,1986. – 48с.
Кабардин, О.Ф. Физика [Текст] : Справ.материалы: учеб.пособие для учащихся.-3-е изд.-М. :Просвещение,1991.-367с.
Практикум по физике в средней школе [Текст] : дидакт. материал. Пособие для учителя / Л.И. Анциферов [и др.] ; под ред. В.А. Бурова, Ю.И. Дика. – 3-е изд.,перераб. – М.:Просвещение, 1987.- 191с.
Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений [Текст] : книга для учителя / В.А. Буров [ и др.] ; под ред. В.А. Бурова, Г.Г. Никифорова. – М. : Просвещение,1996.-368с.

Электронные ресурсы:

Лабораторные работы по физике.10 кл. [Электронный ресурс] : виртуальная физическая лаборатория: электронное учеб. пособие.- М. : Дрофа,2006.-1электрон.опт.диск (СD-ROM).- Систем.требования: операционная система Windows 95/98/МЕ/NT/2000/XР, Pentium III,256 Мб,видеосистема 800х600,16 bit.-Загл. с контейнера.-220-00.
Лабораторные работы по физике.11 кл. [Электронный ресурс] : виртуальная физическая лаборатория: электронное учеб. пособие.- М. : Дрофа,2006.-1электрон.опт.диск (СD-ROM).- Систем.требования: операционная система Windows 95/98/МЕ/NT/2000/XР, Pentium III,256 Мб,видеосистема 800х600,16 bit.-Загл. с контейнера.-220-00.