Методические указания по выполнению практических работ по физике направлены на формирование у студентов обобщенного понимания изучаемых явлений, развитие экспериментальных и исследовательских умений.

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

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

Цель работы: изучить треки заряженных частиц по готовым фотографиям.

Теория: При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие 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.

Рисунок 1.

Пусть частица с зарядом Ze движется со скоростью V на расстоянии r от электрона атома (рис. 1). Вследствие кулоновского взаимодействия с этой частицей электрон получает некоторый импульс в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы и электрона наиболее эффективно во время прохождения ее по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r, например равному 2r. Тогда в формуле , где - время за которое частица проходит отрезок траектории 2r,т.е. ,a F - средняя сила взаимодействия частицы и электрона за это время.

Сила F по закону Кулона прямо пропорциональна зарядам частицы (Ze) и электрона (e ) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия частицы с электроном примерно равна:

(примерно, так как в наших расчетах не учитывалось влияние ядра атома других электронов и атомов среды):

Итак, импульс, полученный электроном, находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от ее скорости.

При некотором достаточно большом импульсе 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 частицы:

1. При прочих одинаковых условиях трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд. Например, при одинаковых скоростях трек - частицы толще, чем трек протона и электрона.

2. Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость, движется медленнее, отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем вначале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

3. Исследуя излучение на разных расстояниях от радиоактивного препарата, обнаружили, что ионизирующие и другие действия - излучения резко обрываются на некотором характерном для каждого радиоактивного вещества расстоянии. Это расстояние называют пробегом частицы. Очевидно, пробег зависит от энергии частицы и плотности среды. Например, в воздухе при температуре 15 0 С и нормальном давлении пробег - частицы, имеющей начальную энергию 4,8 МэВ, равен 3,3 см, а пробег - частицы с начальной энергией 8,8 МэВ - 8,5см. В твердом же теле. например в фотоэмульсии, пробег - частиц с такой энергией равен нескольким десяткам микрометра.

Где Ze - заряд частицы, - скорость и В - индукция магнитного поля. Правило левой руки позволяет показать, что сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой:

Где т - масса частицы, r - радиус кривизны ее трека. Отсюда (1).

Если частица имеет скорость, много меньшую скорости света (т.е. частица не релятивистская), то соотношение между кинетической энергией и радиусом ее кривизны имеет вид: (2)

Из полученных формул можно сделать выводы, которые также необходимо использовать для анализа фотографий треков частиц.

1. Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд. Например, в одном и том же магнитном поле при одинаковых начальных скоростях отклонение электрона будет больше отклонения протона, а на фотографии будет видно, что трек электрона - окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Быстрый электрон отклонится меньше, чем медленный. Атом гелия, у которого недостает электрона (ион Не +), отклонится слабее - частицы, так как при одинаковых массах заряд - частицы больше заряда однократно ионизированного атома гелия. Из соотношения между энергией частицы и радиусом кривизны ее трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше.

2. Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека(увеличивается отклонение от прямолинейного движения). По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы - начало ее движения там, где кривизна трека меньше.

3. Измерив радиус кривизны трека и зная некоторые другие величины, можно для частицы вычислить отношение ее заряда к массе:

Это отношение служит важнейшей характеристикой частицы и позволяет определить, что это за частица, или, как говорят, идентифицировать частицу, т.е. установить ее идентичность (отождествление, подобие) известной частице

Если в камере Вильсона произошла реакция распада ядра атома, то по трекам частиц - продуктов распада можно установить, какое ядро распалось. Для этого нужно вспомнить, что в ядерных реакциях выполняются законы сохранения полного электрического заряда и полного числа нуклонов. Например, в реакции: суммарный заряд частиц, вступающих в реакцию, равен 8(8+0) и заряд частиц-продуктов реакции также равен 8 (4* 2+0). Полное число нуклонов слева равно 17 (16+1) и справа также равно 17 (4 *4+1). Если не было известно, ядро какого элемента распалось, то можно вычислить его заряд с помощью простых арифметических расчетов, а затем по таблице Д.И. Менделеева узнать название элемента. Закон сохранения полного числа нуклонов позволит установить, какому изотопу этого элемента принадлежит ядро. Например, в реакции:

Z = 4 – 1 = 3 и А = 8 – 1 = 7, следовательно - есть изотоп лития.

Приборы и принадлежности: фотографии треков, прозрачная бумага, угольник, циркуль, карандаш.

Порядок проведения работы:

На фотографии (рис. 2) видны треки ядер легкихэлементов (последние 22 см их пробега). Ядра двигались в магнитном поле индукцией В = 2,17 Тл, направленной перпендикулярно фотографии. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перпендикулярны линиям поля.

Рисунок 2.

1. Изучение треков заряженных частиц (теоретический материал).

1.1. Определите направление вектора индукции магнитного поля и сделайте пояснительный рисунок, учитывая то, что направление скорости движения частиц определяются по изменению радиуса кривизны трека заряженной частицы (начало ее движения там, где кривизна трека меньше).

1.2. Объясните, почему траектории частиц представляют собой окружности, используя теорию к лабораторной работе.

1.3. Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер и почему кривизна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы? Ответить на данные вопросы, используя теорию к лабораторной работе.

2. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям (рис. 2.).

2.1. Наложите на фотографию лист прозрачной бумаги (можно использовать кальку) и осторожно переведите на нее трек 1 и правый край фотографии.

2.2. Измерьте радиус кривизны R трека частицы 1 примерно в начале и в конце пробега, для этого нужно сделать следующие построения:

а) из начала трека провести 2 различные хорды;

б) найти середину хорды 1, а затем 2 с помощью циркуля и угольника;

в) затем провести линии через середины отрезков хорд;) ;

в) полученное число будет являться порядковым номером элемента;

г) используя периодическую систему химических элементов, определить, ядром какого элемента является частица III.

3. Сделать вывод о проделанной работе.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

Какому именно ядру – дейтерия или трития – принадлежат треки II и IV(используя для ответа фотографии треков заряженных частиц и соответственно им построения)?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20.

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.

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?

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.