Тема: Лабораторна робота «Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями. Лабораторна робота "Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями" (11 клас)
Мета роботи:вивчити треки заряджених частинок за готовими фотографіями.
Теорія:За допомогою камери Вільсона спостерігають і фотографують треки (сліди) заряджених частинок, що рухаються. Трек частинки є ланцюжком з мікроскопічних крапельок води або спирту, що утворилися внаслідок конденсації пересичених парів цих рідин на іонах. Іони ж утворюються в результаті взаємодії зарядженої частинки з атомами та молекулами парів та газів, що знаходяться в камері.
Малюнок 1.
Нехай частка із зарядом Zeрухається зі швидкістю Vз відривом r від електрона атома (рис. 1). Внаслідок кулонівської взаємодії з цією частинкою електрон отримує деякий імпульс у напрямку, перпендикулярному лінії руху частинки. Взаємодія частки та електрона найбільш ефективно під час проходження її по відрізку траєкторії, найближчого до електрона і порівнянного з відстанню r, наприклад, дорівнює 2r. Тоді у формулі , де - час протягом якого частка проходить відрізок траєкторії 2r, тобто. ,a F- Середня сила взаємодії частки та електрона за цей час.
Сила Fза законом Кулона прямо пропорційна зарядам частки ( Ze)та електрона ( e) і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Отже, сила взаємодії частки з електроном приблизно дорівнює:
(приблизно, оскільки в наших розрахунках не враховувався вплив ядра атома інших електронів та атомів середовища):
Отже, імпульс, отриманий електроном, знаходиться у прямій залежності від заряду частки, що проходить біля нього, і у зворотній залежності від її швидкості.
При деякому досить великому імпульсі електрон відривається від атома і останній перетворюється на іон. На кожній одиниці шляху частинки утворюється тим більше іонів
(а отже, і крапельок рідини), що більший заряд частинки і що менша її швидкість. Звідси випливають висновки, які необхідно знати, щоб уміти «прочитати» фотографію треків частинки:
1. За інших однакових умов трек товщий у тієї частки, яка має більший заряд. Наприклад, при однакових швидкостях трек – частки товщі, ніж трек протона та електрона.
2. Якщо частинки мають однакові заряди, то трек товщі у тієї, що має меншу швидкість, рухається повільніше, звідси очевидно, що до кінця руху трек частинки товщі, ніж спочатку, оскільки швидкість частинки зменшується внаслідок втрати енергії на іонізацію атомів середовища.
3. Досліджуючи випромінювання на різних відстанях від радіоактивного препарату, виявили, що іонізуючі та інші дії – випромінювання різко обриваються на певній характерній для кожної радіоактивної речовини відстані. Цю відстань називають пробігомчастки. Очевидно, пробіг залежить від енергії частки та густини середовища. Наприклад, у повітрі при температурі 15 0 С та нормальному тиску пробіг - частки, що має початкову енергію 4,8 МеВ, дорівнює 3,3 см, а пробіг - частки з початковою енергією 8,8 МеВ - 8,5см. У твердому тілі. наприклад у фотоемульсії, пробіг - частинок з такою енергією дорівнює декільком десяткам мікрометрів.
Якщо камера Вільсона поміщена в магнітне поле, то на заряджені частинки, що рухаються в ній, діє сила Лоренца, яка дорівнює (для випадку, коли швидкість частинки перпендикулярна лініям поля):
Де Ze -заряд частинки, - швидкість та В -індукція магнітного поля. Правило лівої руки дозволяє показати, що сила Лоренца спрямована завжди перпендикулярно швидкості частинки і, отже, є доцентровою силою:
Де т -маса частинки, r – радіус кривизни її треку. Звідси (1).
Якщо частка має швидкість, набагато меншу за швидкість світла (тобто частка не релятивістська), то співвідношення між кінетичною енергією і радіусом її кривизни має вигляд: 
(2)
З отриманих формул можна зробити висновки, які необхідно використовувати для аналізу фотографій треків частинок.
1. Радіус кривизни треку залежить від маси, швидкості та заряду частки. Радіус тим менше (тобто відхилення частки від прямолінійного руху більше), чим менша маса і швидкість частинки і чим більший її заряд. Наприклад, в тому самому магнітному полі при однакових початкових швидкостях відхилення електрона буде більше відхилення протона, а на фотографії буде видно, що трек електрона - коло з меншим радіусом, ніж радіус треку протона. Швидкий електрон відхилиться менше, ніж повільний. Атом гелію, який не має електрона (іон Не +),відхилиться слабше - частки, тому що при однакових масах заряд - частки більше заряду одноразово іонізованого атома гелію. Зі співвідношення між енергією частинки і радіусом кривизни її треку видно, що відхилення від прямолінійного руху більше у тому випадку, коли енергія частинки менше.
2. Оскільки швидкість частинки до кінця пробігу зменшується, то зменшується і радіус кривизни треку (збільшується відхилення від прямолінійного руху). За зміною радіусу кривизни можна визначити напрямок руху частинки - початок її руху там, де кривизна треку менша.
3. Вимірявши радіус кривизни треку та знаючи деякі інші величини, можна для частки обчислити відношення її заряду до маси:
Це ставлення є найважливішою характеристикою частинки і дозволяє визначити, що це частка, чи, як кажуть, ідентифікувати частинку, тобто. встановити її ідентичність (ототожнення, подобу) відомої частки
Якщо в камері Вільсона відбулася реакція розпаду ядра атома, то за треками частинок продуктів розпаду можна встановити, яке ядро розпалося. Для цього слід згадати, що в ядерних реакціях виконуються закони збереження повного електричного заряду та повної кількості нуклонів. Наприклад, у реакції: 
сумарний заряд частинок, що вступають у реакцію, дорівнює 8(8+0) та заряд частинок-продуктів реакції також дорівнює 8 (4*2+0). Повна кількість нуклонів зліва дорівнює 17 (16 +1) і праворуч також дорівнює 17 (4 * 4 +1). Якщо було відомо, ядро якого елемента розпалося, можна обчислити його заряд з допомогою простих арифметичних розрахунків, та був за таблицею Д.І. Менделєєва дізнається назву елемента. Закон збереження повної кількості нуклонів дозволить встановити, якому ізотопу цього елемента належить ядро. Наприклад, у реакції: 
Z = 4 - 1 = 3 і А = 8 - 1 = 7, отже - є ізотоп літію.
Прилади та приладдя:фотографії треків, прозорий папір, косинець, циркуль, олівець.
Порядок проведення роботи:
На фотографії (рис. 2) видно треки ядер легких елементів (останні 22 см їхнього пробігу). Ядра рухалися в магнітному полі індукцією У= 2,17 Тл, спрямованої перпендикулярно фотографії. Початкові швидкості всіх ядер однакові і перпендикулярні до ліній поля.
Малюнок 2.
1. Вивчення треків заряджених частинок (теоретичний матеріал).
1.1. Визначте напрямок вектора індукції магнітного поля і зробіть пояснювальний малюнок, враховуючи те, що напрямок швидкості руху частинок визначається зміною радіусу кривизни треку зарядженої частинки (початок її руху там, де кривизна треку менша).
1.2. Поясніть, чому траєкторії частинок є колами, використовуючи теорію до лабораторної роботи.
1.3. Яка причина відмінності в кривизні траєкторій різних ядер і чому кривизна кожної траєкторії змінюється від початку до кінця частки пробігу? Відповісти на ці питання, використовуючи теорію до лабораторної роботи.
2. Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями (рис. 2.).
2.1. Накладіть на фотографію аркуш прозорого паперу (можна використовувати кальку) та обережно переведіть на нього трек 1 та правий край фотографії.
2.2. Виміряйте радіус кривизни R треку частинки 1 приблизно на початку та в кінці пробігу, для цього потрібно зробити наступні побудови:
а) з початку треку провести 2 різні хорди;
б) знайти середину хорди 1, а потім 2 за допомогою циркуля та косинця;
в) потім провести лінії через середини відрізків хорд;);
в) отримана кількість буде порядковим номером елемента;
г) використовуючи періодичну систему хімічних елементів, визначити, ядром якого елемента є частка III.
3. Зробити висновок про виконану роботу.
4. Відповісти на контрольні питання.
Контрольні питання:
Якому саме ядру - дейтерію або тритію - належать треки II і IV (використовуючи для відповіді фотографії треків заряджених частинок і відповідно до них побудови)?
Лабораторна робота № 20.
Лабораторна робота
«Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями»
Мета роботи : сформувати елементарні навички та вміння аналізувати фотографії треків заряджених частинок
Завдання 1. Вивчення треків заряджених частинок, одержаних у камері Вільсона.
Устаткування : фотографії треків заряджених частинок, отриманих у камері Вільсона
Завдання 2. Вивчення треків заряджених частинок, отриманих у бульбашковій камері.
Устаткування
: фотографії треків заряджених частинок, отриманих у бульбашковій камері
Завдання 3. Вивчення треків заряджених частинок, отриманих у фотоемульсії
Устаткування : фотографії треків заряджених частинок, отриманих у фотоемульсії
Завдання 4. На малюнку показано два треки заряджених частинок у камері Вільсона, вміщеній в однорідне магнітне поле, перпендикулярне площині малюнка. ТрекIналежить протону.
Який із частинок (протону, електрону абоα
-частинці) належить трекII
? Відомо, що частки влетіли до камери Вільсона у площині малюнка з однаковими швидкостями. Відповідь поясніть, вказавши, які фізичні закономірності ви використовували для пояснення.
Відповіді
Робота 1. 1. Згори донизу. 2. Камера Вільсона знаходиться у магнітному полі. 3. Перпендикулярно фотографії зверху донизу. 4. Зменшувалася швидкість-Частинок.
Робота 2. 1. Тому що він рухався в магнітному полі з меншою швидкістю. 2. Від зовнішнього витка спіралі до її центру. 3. Перпендикулярно фотографії зверху донизу.
Робота 3. 1. Не однакові заряди ядер. 2. Лівий трек належить ядру атома магнію, середній – ядру калію, правий – ядру заліза. 3. Товщина треку тим більше, що більший заряд ядра атома. 4. Треки частинок у фотоемульсії коротші і товщі і мають нерівні краї.
Тема: Лабораторна робота «Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями»
І рівень. Теоретичні відомості
За допомогою камери Вільсона спостерігають і фотографують треки (сліди) заряджених частинок, що рухаються. Трек частинки є ланцюжком з мікроскопічних крапельок води або спирту, що утворилися в результаті конденсації пересичених парів цих рідин на іонах. Іони ж утворюються в результаті взаємодії зарядженої частинки з атомами та молекулами парів та газів, що знаходяться в камері.
При взаємодії частки з електроном атома електрон отримує імпульс, прямо пропорційний до заряду частинки і обернено пропорційний швидкості частки. При деякій досить великій величині імпульсу електрон відривається від атома і останній перетворюється на іон. На кожній одиниці шляху частинки утворюється тим більше іонів (а, отже, і крапельок рідини), чим більший заряд частинки і чим менша її швидкість. Звідси випливають висновки, які необхідно знати, щоб вміти прочитати фотографію треків частинок:
§ За інших рівних умов трек товщі у тієї частинки, яка має великий заряд., де – заряд частинки; – швидкість;
Правило лівої руки показує, що сила Лоренца спрямована перпендикулярно швидкості частинки і, отже, є доцентровою силою: width="17" height="15 src ="> - Маса частинки; - Радіус кривизни її треку.
Звідси отримуємо: .
Якщо (тобто..gif" width="24" height="41 src=">.
Це ставлення є найважливішою характеристикою частки і дозволяє «ідентифікувати» частинку, тобто ототожнити її з відомою частинкою.
https://pandia.ru/text/80/248/images/image014_3.jpg" width="200" height="287 src=">
Треки частинок у камері Вільсона Треки протонів
ІІ рівень.Згадаймо основні положення теорії
1..gif" width="16"-часток, їх товщині, напрямку?
3. Як називається сила, з якою магнітне поле діє на заряджену частинку, що рухається в ньому? Як вона спрямована?
4. Як впливає магнітне поле на рух зарядженої частки?
5. Вкажіть причину, через яку радіус кривизни треку частинки зменшується до кінця її пробігу.
Спочатку непогано. Спробуйте відповісти на запитання
1. Чому вздовж траєкторії руху-частинки виникає ланцюжок іонів?
2. Чому під час руху частинки в камері Вільсона її трек стає видимим?
3. Чи можна в камері Вільсона спостерігати треки частинок? Чим вони відрізнятимуться від треків-часток?
4. Чому до кінця пробігу в камері Вільсона трек частки стає товщим?
5. Як залежить кривизна траєкторії зарядженої частинки в магнітному полі від: а) її заряду; б) швидкість руху; в) індукція магнітного поля?
ІІІ рівень.Спробуйте виконати завдання
1. У якому з наведених нижче приладів для реєстрації ядерних випромінювань проходження швидкої зарядженої частинки викликає появу сліду з крапель рідини в газі?
А. Лічильник Гейгера;
Б. Камера Вільсон;
В. Пухирцева камера;
Г. Товстошарова фотоемульсія;
Д. Екран, покритий сірчистим цинком.
Встановіть відповідність.1. Трек у камері Вільсона складається з …
2. По довжині та товщині треку можна визначити …
3. За радіусом треку можна визначити …
3. На малюнку зображено трек електрона у камері Вільсона, поміщеній у магнітне поле. У якому напрямі рухався електрон?
4. На малюнку показано трек протона в камері Вільсона, що міститься в магнітне поле. У якому напрямі летить частка?
5. На малюнку показано треки двох частинок у камері Вільсона. Який знак заряду частинок, якщо лінії магнітної індукції перпендикулярні до площини креслення і направлені від читача? Чи однакова маса частинок?
IVрівень. Перевірте, чи всі Ви засвоїли
1. Для визначення руху негативного мезону на його шляху в камері Вільсона вміщують свинцеві пластини, а камера знаходиться в магнітному полі. Поясніть, як при цьому визначають напрямок руху частинки.
V рівень. Це складне завдання, однак, якщо Ви її вирішите, то зробите помітний крок у пізнанні фізики, у Вас будуть всі підстави ставитись до себе з більшою повагою, ніж раніше
1. Коли бір захоплює протон, що швидко рухається, то в камері Вільсона, де протікає цей процес, утворюються три майже однакових треки, що розходяться віялом в різні боки. Які частки утворили ці треки?
Ключові слова:атом, атомне ядро, елементарні частинки, античастинки, треки заряджених частинок, способи спостереження та реєстрації заряджених частинок.| Мета роботи: | пояснити характер руху заряджених частинок |
| Обладнання: | фотографія треків заряджених частинок, отриманих у камері Вільсона (№1), бульбашковій камері (№2) та фотоемульсії (№3). |
| Теоретичні відомості: | 1. Треки заряджених частинок у камері Вільсона є ланцюжками мікроскопічних крапельок рідини (води або спирту), що утворилися внаслідок конденсації пересиченої пари цієї рідини на іонах, розташованих уздовж траєкторії зарядженої частинки; у бульбашковій камері – ланцюжки мікроскопічних бульбашок пари перегрітої рідини, що утворилися на іонах. Треки показують траєкторію руху заряджених частинок. 2. Довжина треку залежить від початкової енергії зарядженої частинки та щільності навколишнього середовища: вона тим більша, чим більша енергія частинки і чим менша щільність середовища. 3. Товщина треку залежить від заряду та швидкості частинки: вона тим більша, чим більший заряд частинки і чим менша її швидкість. 4. При русі зарядженої частки магнітному полі трек її виходить викривленим. Радіус кривизни треку залежить від маси, заряду, швидкості частинки та модуля індукції магнітного поля: він тим більший, чим більша маса і швидкість частинки і чим менший її заряд і модуль індукції магнітного поля. 5. За зміною радіуса кривизни треку можна визначити напрямок руху частинки та зміну її швидкості: початок її руху і швидкість більша тим, де більший радіус кривизни треку. |
| Структурно-логічна схема: | Див. малюнок нижче таблиці |
Вказівки до роботи:
1) У якому напрямі рухалися альфа-частинки?
2) Чому довжина треків альфа-частинок приблизно однакова?
3) Чому товщина треків альфа -часток до кінця пробігу трохи збільшується?
4) Чому деякі альфа-частинки залишають треки лише наприкінці свого пробігу? 
1) Чому трек електрона має форму спіралі?
2) У якому напрямі рухався електрон?
3) Як було направлено вектор магнітної індукції?
1)Чому треки ядер атомів мають різну товщину?
2) Який трек належить ядру атома магнію, кальцію та заліза?
3) Який висновок можна зробити з порівняння товщини треків ядер атомів різних елементів?
Чим відрізняються треки частинок, отримані у фотоемульсії, від треків частинок у камері Вільсона та бульбашковій камері?
Складіть письмовий звіт із запропонованих питань.
Висновок
Практичні роботи як форма організації навчальної діяльності студентів сприяють розвитку наукового мислення, формуванню умінь інтелектуального проникнення в сутність явищ, що вивчаються, що підвищує роль експериментальних методів навчання, спрямованих на формування творчої активності особистості, її адаптивності до нових умов ринку праці, готовності до використання нових технологій у професійної сфери діяльності.
Додаток №1
Довідкові матеріали
Список використаних джерел
Основні джерела:
Дмитрієва, В.Ф. Фізика для професій та спеціальностей технічного профілю. [Текст]: підручник для установ поч. та середовищ. проф. освіти/В.Ф. Дмитрієва.- 4-те вид., стер.- М.: Видавничий центр «Академія», 2012.-448 с.
Дмитрієва, В.Ф. Фізика для професій та спеціальностей технічного профілю. Збірник завдань [Текст]: учеб.посібник для утвор. установ поч. та середовищ. проф. освіти / В.Ф. Дмитрієва.- М.: Видавничий центр «Академія», 2012. – 256с.
Дмитрієва, В.Ф. Фізика для професій та спеціальностей технічного профілю. Контрольні матеріали [Текст]: учеб.посібник для установ поч. та середовищ. проф. освіти/В.Ф. Дмитрієва, Л.І. Васильєв. - М.: Видавничий центр «Академія», 2012.-112 с.
Мокрова, І.І. Розробка інноваційного змісту лабораторно-практичних робіт у системі підготовки технологів машинобудівного профілю [Текст]// Середня професійна освіта.-2011.-№6.- С.30-36.
Мякішев, Г.Я. Фізика.10 клас [Текст]: підручник для загальноосвіт. установ: базовий та профільний рівні / Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев, Н.М. Сотський; за ред. В.І. Ніколаєва, Н.А. Парфентьєвої.-19-е вид.
Мякішев, Г.Я. Фізика.11 клас [Текст]: підручник для загальноосвіт. установ: базовий та профільний рівні / Г.Я. Мякішев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругін; под.ред. В.І. Ніколаєва, Н.А. Парфентьєвої.- 19-е вид.-М.: Просвітництво, 2010.-399с.
Буров, В.А. Фронтальні експериментальні завдання з фізики [Текст]: дидакт. матеріал. Посібник для вчителя/В.А. Буров, А.І. Іванов, В.І. Свиридів. - М.: Просвітництво,1986. - 48с.
Кабардін, О.Ф. Фізика [Текст]: Справ.матеріали: учеб.посібник для учнів.-3-е вид.-М. : Просвітництво, 1991.-367с.
Практикум з фізики в середній школі [Текст]: дидакт. матеріал. Посібник для вчителя/Л.І. Анциферов [та ін] ; за ред. В.А. Бурова, Ю.І. Діка. - 3-тє вид., Перераб. - М.: Просвітництво, 1987. - 191с.
Фронтальні лабораторні заняття з фізики у 7-11 класах загальноосвітніх установ [Текст]: книга для вчителя / В.А. Буров [та ін] ; за ред. В.А. Бурова, Г.Г. Нікіфорова. - М.: Просвітництво, 1996.-368с.
Лабораторні роботи з фізики.10 кл. [Електронний ресурс]: віртуальна фізична лабораторія: електронне навч. посібник. - М.: Дрофа, 2006. - 1 електрон.опт. диск (СD-ROM). - Систем. ,16 bit.-Загл. з контейнера.-220-00.
Лабораторні роботи з фізики.11 кл. [Електронний ресурс]: віртуальна фізична лабораторія: електронне навч. посібник. - М.: Дрофа, 2006. - 1 електрон.опт. диск (СD-ROM). - Систем. ,16 bit.-Загл. з контейнера.-220-00.