Лабораторная работа "Изучение треков заряженных частиц".

бюджетное профессиональное образовательное учреждение Вологодской области «Череповецкий металлургический колледж имени академика И.П. Бардина»

                                                                                                   Для всех специальностей

Изучение треков заряженных частиц

Методические рекомендации и лабораторная работа по дисциплине «Физика» для студентов I курса

Разработчик  Изотова Е.А.,

преподаватель колледжа

Череповец

2017

Изучение треков заряженных частиц. Методические рекомендации и лабораторная работа  по дисциплине «Физика» для студентов I курса. /Разработчик Изотова Е.А./ - Череповец: БПОУ ВО «ЧМК» Череповецкий металлургический колледж, 2017. - 10 с.

РАССМОТРЕНО:

на заседании цикловой комиссии

«Математические и естественнонаучные дисциплины»

« »                          2017 г., протокол №

председатель ПЦК

__________________ И.А.Масыгина

(подпись)

Содержание

1	Цель работы ………………………………………………………………….	4
2	Средства обучения …………….…………………………………………….	4
3	Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы ………………………………………………………..	4
4	Задание ………………………………………………………………………	7
5	Ход выполнения лабораторной работы ……………………………………	7
6	Контрольные вопросы ………………………………………………………	9
7	Рекомендации по оформлению отчета по лабораторной работе ………...	9
	Литература …………………………………………………………………...	10

Лабораторная работа

Изучение треков заряженных частиц

1          Цель работы

Получить элементарные навыки в чтении фотографий движения заряженных частиц, сфотографированных в камере Вильсона.

2          Средства обучения:

·        лабораторное оборудование: фотографии треков заряженных частиц, прозрачная бумага, линейка;

·        методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, учебник, калькулятор.

3          Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы

В начале ХХ века были разработаны методы исследования явлений атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно видеть и фотографировать траектории заряженных частиц. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир, т.е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Камера Вильсона представляет собой геометрически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта близкими к насыщению.

При резком отпускании поршня вызванном уменьшением давления; под поршнем, пар в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится  перенасыщенным. Это неустойчивое состояние пара и пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, которые образуют в рабочем пространстве пролетавшая частица. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек.

Треки дают богатую информацию о частице:

·          трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд;

·          треки показывают траекторию движения заряженной частицы.

·          если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери  энергии на ионизацию атомов среды;

·          пробег частицы зависит от ее энергии и плотности среды.

·          треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся 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; в фотоэмульсии – цепочки зерен металлического серебра, образовавшиеся на ионах.

·          длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды: она тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды.

·          толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость.

·          при движении частицы в магнитном поле трек ее 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 ее заряд и модуль индукции магнитного поля.

·          по изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение ее скорости: начало ее движения и скорость больше там, где больше радиус кривизны трека.

·          треки частиц в фотоэмульсии короче и толще, чем треки в камере вильсона и пузырьковой камере, и имеют неровные края.

Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца:

                                                                                       ,                 (1)

где F_Л - сила Лоренца, Н;

      q - Заряд частицы, Кл;

      V - Скорость частицы, м/с;

      B - Индукция магнитного поля, Тл.

Правило левой руки позволяет показать, что F_Л ^ V, следовательно, является центростремительной силой:

                                                                                              ,               (2)

где F_л -  сила Лоренца, Н;

      m - масса, кг;

      V - Скорость, м/с;

      R - радиус кривизны трека, м.

Используя формулы  1 и 2 можно определить радиус кривизны трека частицы:

                                                                                              ,                 (3)

Если частица имеет скорость много меньше скорости света, то кинетическая энергия определяется по формуле 4:

                                                                                    ,                (4)

где Е - кинетическая энергия частицы, Дж.

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

·          радиус кривизны трека зависит от массы, скорости, заряда частицы. Радиус тем меньше, чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд, отклонения 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 движение частицы, начало  ее движения там, где кривизна трека меньше;

·          измерив, радиус кривизны трека и зная другие величины, можно вычислить для частицы отношение ее заряда к массе: .

Так для протона:

                                                              Кл/кг

для ядра гелия (a-частицы):

                                                               Кл/кг

для электрона:

                                                               Кл/кг

·        эти отношения служат важнейшей характеристикой частицы,  и позволяют идентифицировать частицу, т.е. установить идентичность известной частицы;

·        если в камере Вильсона произошла реакция распада ядра атома, то по трекам -продуктов распада - можно установить какое ядро распалось.

      Направление вектора магнитной индукции определяют, пользуясь правилом левой руки: 1) четыре вытянутых пальца расположить по направлению движения положительной частицы; 2) отогнутый на 90⁰ большой палец - в направлении радиуса кривизны трека и силы Лоренца; 3) линии магнитной индукции  вектора В будут входить в ладонь левой руки.

4          Задание

4.1 По фотографии заряженных частиц ( рисунок 1) определить радиусы треков I в начале и в конце его и III в начале трека.

4.2 Ответить на систему вопросов к трекам частиц по рисунку 1.

5           Ход выполнения лабораторной работы

      5.1 На фотографии рисунка 1 видны траектории ядер легких элементов (последнии 22 см пробега). Ядра двигались в магнитном поле с индукцией  В=2,17 Тл, направленням перпендикулярно фотографии. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перепендикулярны линиям магнитного поля.

                            I                       III

Рисунок 1- Фотография треков заряженных частиц в камере Вильсона.

5.2 Определите направление вектора индукции B магнитного поля.

5.3 Объясните почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей?

5.4 Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер?

5.5Почему кривизна каждой траектории изменятся от начала к концу пробега частицы?

5.6 Объясните причины различия в толщине треков разных ядер. Почему трек каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?

5.7 Измерьте радиусы кривизны трека частицы I примерно в начале и в конце пробега.

5.8 Определите на сколько изменилась энергия частицы за время пробега по               формуле 5. Известно, что частица I идентифицирована, как протон:

                                                                              ,               (5)

где DЕ - изменение энергии, Дж;

       В – магнитная индукция, Кл;

       q– заряд протона, Кл;

       m– масса протона, кг;

      r, r-радиусы кривизны трека, м.

·        Радиусы кривизны определяют следующим образом. Наложите на фотографию листок прозрачной бумаги и переведите на нее треки                   I, III. Начертите, как показано на рисунке 2, две хорды и восстановите к этим хордам серединные перпендикуляры. На пересечении серединных перпендикуляров лежит центр окружности, ее радиус измерьте линейкой.

Рисунок 2-Определение радиуса кривизны трека

5.9                          Измерьте радиус кривизны река частицы III  вначале ее пробега. Вычислите для частицы III отношение заряда к ее массе по формуле 6:

                                                                                             ,                (6)

    По полученному отношению определите, какая частица оставила след.

5.10                     Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.

Таблица 1- Результаты измерений и вычислений

Радиус кривизны трека 1 частицы в начале пробега	Радиус кривизны 1частицы в конце пробега	Заряд протона	Масса протона	модуль магнитной индукции	Изменение энергии 1 частицы	Отношение заряда 3 частицы к ее массе	Радиус кривизны трека 3 частицы в начале пробега
r1	r2	q1	m1	B	ΔE	q3/m3	r3
м	м	Кл	кг	Тл	Дж	Кл/кг	м
		1,6.10-19	1,67.10-27	2,17

5.11                     Вычисления

5.11.1 Вычислите изменение энергии протона по формуле:

       

      5.11.2 Вычислите отношение заряда к массе для третьей частицы по формуле 6.

     5.11.3 Определите по полученному отношению какая частица оставила трек III.

5.12 Сделайте вывод.     В выводе укажите, что можно определить по  треку                        частицы , чему равно изменение энергии I частицы , какие частицы оставили трек в камере Вильсона.

5.13 Ответьте на контрольные вопросы.

6         Контрольные вопросы

5.1Какие методы наблюдения и регистрации элементарных частиц вы знаете?

5.2Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

5.3Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона?

5.4 В чем преимущество метода толстослойных фотоэмульсий и кто из ученых впервые его применил?

5.5Как направлен вектор магнитной индукции в начале трека?

     7   Рекомендации по оформлению отчета по лабораторной работе

Отчет по работе оформляется в соответствии с едиными требованиями, принятыми в колледже и должен включать:

·              вид работы;

·              название работы;

·              цель работы;

·              оборудование;

·              ход работы;

·              алгоритм выполнения работы;

·              расчеты;

·              вывод.

Литература

1.      Дик Ю.И., Кабардин О.Ф.,. Орлов В.А и др. Руководство по проведению лабораторных работ по физике для средних специальных  учебных заведений. -  М.: Просвещение, 2002.

2.      Учебники 11класс›-11-klass-miakishev…

3.      Буров В. А., Дик Ю. И., Зворыкин Г. Г. и др.Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 1996.

Краткое описание документа:

Это методическое пособие для выполнения лабораторной работы в 11 классе по теме "Изучение треков заряженных частиц". В методичке описан подробно эксперимент и исследование, размещены контрольные вопросы для определения уровня усвоения материала.Подходит также для выполнения физического практикума для углубленного изучения предмета.