Travail de laboratoire "Etude des traces de particules chargées à l'aide de photographies toutes faites" (11e année).

Orientations de travail :

1) Dans quelle direction les particules alpha se sont-elles déplacées ?

2) Pourquoi les longueurs des traces de particules alpha sont-elles à peu près les mêmes ?

3) Pourquoi l’épaisseur des traces de particules alpha augmente-t-elle légèrement vers la fin de l’essai ?

4) Pourquoi certaines particules alpha laissent-elles des traces seulement à la fin de leur parcours ?

1) Pourquoi la trace électronique a-t-elle la forme d’une spirale ?

2) Dans quelle direction l’électron s’est-il déplacé ?

3) Comment le vecteur d’induction magnétique était-il dirigé ?

1) Pourquoi les traces des noyaux atomiques ont-elles des épaisseurs différentes ?

2)Quelle piste appartient au noyau de l’atome de magnésium, de calcium et de fer ?

3) Quelle conclusion peut-on tirer de la comparaison de l'épaisseur des traces des noyaux des atomes de divers éléments ?

1. 
   En quoi les traces de particules obtenues dans une émulsion photographique diffèrent-elles des traces de particules dans une chambre à nuages ​​et une chambre à bulles ?

1. 
   Préparer un rapport écrit sur les questions proposées.

Conclusion
Les travaux pratiques en tant que forme d'organisation des activités éducatives des étudiants contribuent au développement de la pensée scientifique, à la formation de compétences de pénétration intellectuelle dans l'essence des phénomènes étudiés, ce qui augmente le rôle des méthodes d'enseignement expérimentales visant à développer l'activité créatrice de l'individu, son adaptabilité aux nouvelles conditions du marché du travail, sa volonté d'utiliser les nouvelles technologies dans le domaine d'activité professionnel.

Annexe n°1

Matériel de référence

Liste des sources utilisées

Sources principales:

1. 
   Dmitrieva, V.F. Physique pour les métiers et spécialités techniques. [Texte] : manuel pour les institutions débutantes. et mercredi prof. éducation / V.F. Dmitrieva. - 4e éd., imprimé - M. : Centre d'édition "Académie", 2012. - 448 p.
2. 
   Dmitrieva, V.F. Physique pour les métiers et spécialités techniques. Recueil de problèmes [Texte] : manuel pour l'éducation. institutions tôt et mercredi formation professionnelle / V.F. Dmitrieva. - M. : Centre d'édition "Académie", 2012. - 256 p.
3. 
   Dmitrieva, V.F. Physique pour les métiers et spécialités techniques. Matériel de test [Texte] : manuel pour les institutions débutantes. et mercredi prof. éducation / V.F. Dmitrieva, L.I. Vasiliev.- M. : Centre d'édition "Académie", 2012.-112 p.
4. 
   Mokrova, I.I. Développement de contenus innovants de laboratoire et de travaux pratiques dans le système de formation de technologues de profil génie mécanique [Texte] / / Enseignement professionnel secondaire.-2011.-No.6.- P.30-36.
5. 
   Myakishev, G.Ya. Physique.10e année [Texte] : manuel d'enseignement général. institutions : niveaux de base et profil / G.Ya. Myakishev, B.B. Boukhovtsev, N.N. Sotski ; édité par DANS ET. Nikolaïeva, N.A. Parfentyeva.-19e éd.
6. 
   Myakishev, G.Ya. Physique.11e année [Texte] : manuel d'enseignement général. institutions : niveaux de base et profil / G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev, V.M. Charugine ; éd. DANS ET. Nikolaïeva, N.A. Parfentyeva.- 19e éd.-M. : Éducation, 2010.-399 p.

1. 
   Burov, V.A. Tâches expérimentales frontales en physique [Texte] : didactique. matériel. Manuel pour les enseignants / V.A. Burov, A.I. Ivanov, V.I. Sviridov. – M. : Éducation, 1986. – 48s.
2. 
   Kabardine, O.F. Physique [Texte] : Documents de référence : manuel pour étudiants.-3e éd.-M. : Lumières, 1991.-367 p.
3. 
   Atelier de physique au lycée [Texte] : didactique. matériel. Manuel pour les enseignants / L.I. Antsiferov [et autres] ; édité par VIRGINIE. Burova, Yu.I. Queue. – 3e éd., révisée. – M. : Éducation, 1987.- 191 p.
4. 
   Cours de laboratoire frontal de physique de la 7e à la 11e année des établissements d'enseignement général [Texte] : un livre pour les enseignants / V.A. Burov [et autres] ; édité par VIRGINIE. Burova, G.G. Nikiforova. – M. : Éducation, 1996.-368 p.

1. 
   Travaux de laboratoire en physique 10e année. [Ressource électronique] : laboratoire physique virtuel : manuel électronique. manuel.- M. : Outarde, 2006.-1disque optique électronique (CD-ROM).- Configuration système requise : système d'exploitation Windows 95/98/ME/NT/2000/XP, Pentium III, 256 Mo, système vidéo 800x600 ,16 peu.-Capt. du conteneur.-220-00.
2. 
   Travaux de laboratoire en physique 11e année. [Ressource électronique] : laboratoire physique virtuel : manuel électronique. manuel.- M. : Outarde, 2006.-1disque optique électronique (CD-ROM).- Configuration système requise : système d'exploitation Windows 95/98/ME/NT/2000/XP, Pentium III, 256 Mo, système vidéo 800x600 ,16 peu.-Capt. du conteneur.-220-00.

Description du travail : Le travail est réalisé avec une photographie terminée des traces de deux particules chargées (l'une appartient au proton, l'autre à la particule qu'il s'agit d'identifier). Les lignes du champ magnétique sont perpendiculaires au plan de la photographie. Les vitesses initiales des deux particules sont les mêmes et perpendiculaires au bord de la photographie.

L'identification d'une particule inconnue s'effectue en comparant sa charge spécifique q /m avec la charge spécifique d'un proton. Sous l'influence de la force de Lorentz, une particule chargée se déplace selon un cercle de rayon R 1. D'après la deuxième loi de Newton, F l = ma ou qνB = mv 2 / R 1. D'où Pour le proton, de même

Le rapport des charges spécifiques est inversement proportionnel au rapport des rayons des pistes : Pour mesurer le rayon de courbure de la piste, deux cordes sont tracées et des perpendiculaires à celles-ci sont restituées à partir des centres des cordes. Le centre du cercle se situe à l’intersection de ces perpendiculaires. Son rayon est mesuré avec une règle.

Faire le travail : 1. Regardez la photographie des traces de deux particules chargées - les noyaux des éléments légers. La piste I appartient au proton, la piste II à la particule qu'il faut identifier 2. Déterminer le signe de la charge électrique de la particule inconnue sur la photographie

3. Transférez les traces de particules de la photographie sur du papier calque et mesurez le rayon R 1 de la trace de la particule inconnue. 4. De même, mesurez le rayon R 2 de la trace du proton sur la photographie. 5. Comparez les charges spécifiques de la particule inconnue et du proton. 6. Inscrivez tous les résultats obtenus dans le tableau. 7. Identifiez la particule. 8. Écrivez la conclusion : ce que vous avez mesuré et quel a été le résultat. R 1,mR 2,m

Reprise des devoirs § R. 1199, 1202

Objectif du travail :étudiez les traces de particules chargées à l'aide de photographies toutes faites.

Théorie:À l’aide d’une chambre à nuages, les traces (traces) de particules chargées en mouvement sont observées et photographiées. La trace de particules est une chaîne de gouttelettes microscopiques d'eau ou d'alcool formées par la condensation de vapeurs sursaturées de ces liquides sur des ions. Les ions se forment à la suite de l'interaction d'une particule chargée avec des atomes et des molécules de vapeurs et de gaz situés dans la chambre.

Image 1.

Laissez une particule avec une charge Zé se déplace à grande vitesse Và une distance r de l'électron de l'atome (Fig. 1). En raison de l'interaction coulombienne avec cette particule, l'électron reçoit une certaine quantité de mouvement dans la direction perpendiculaire à la ligne de mouvement de la particule. L'interaction d'une particule et d'un électron est plus efficace lorsqu'elle parcourt le segment de trajectoire le plus proche de l'électron et comparable à la distance r, par exemple égale à 2r. Puis dans la formule , où est le temps pendant lequel la particule parcourt le segment de trajectoire 2r, c'est-à-dire ,un F- la force moyenne d'interaction entre une particule et un électron pendant ce temps.

Forcer F selon la loi de Coulomb, elle est directement proportionnelle aux charges de la particule ( Zé) et l'électron ( e) et est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Par conséquent, la force d’interaction entre une particule et un électron est approximativement égale à :

(environ, puisque nos calculs n'ont pas pris en compte l'influence du noyau atomique des autres électrons et atomes du milieu) :

Ainsi, l’impulsion reçue par un électron dépend directement de la charge de la particule qui passe à proximité et inversement dépendante de sa vitesse.

Avec une impulsion suffisamment importante, un électron se détache d’un atome et ce dernier se transforme en ion. Pour chaque unité de trajet des particules, plus il y a d'ions formés

(et, par conséquent, les gouttelettes de liquide), plus la charge de la particule est grande et plus sa vitesse est faible. De là suivent les conclusions que vous devez connaître pour pouvoir « lire » une photographie de traces de particules :

1. Dans d’autres conditions identiques, la trace est plus épaisse pour la particule qui a une charge plus importante. Par exemple, aux mêmes vitesses, la trace des particules est plus épaisse que celle d’un proton et d’un électron.

2. Si les particules ont les mêmes charges, alors la trace est plus épaisse pour celle qui a une vitesse plus faible et se déplace plus lentement, il est donc évident qu'à la fin du mouvement la trace de la particule est plus épaisse qu'au début , puisque la vitesse de la particule diminue en raison de la perte d'énergie pour l'ionisation des atomes du milieu.

3. En étudiant le rayonnement à différentes distances d'une substance radioactive, nous avons découvert que les effets ionisants et autres - le rayonnement s'arrêtent brusquement à une certaine distance caractéristique de chaque substance radioactive. Cette distance est appelée kilométrage particules. Évidemment, la portée dépend de l’énergie de la particule et de la densité du milieu. Par exemple, dans l'air à une température de 15 0 C et à pression normale, la portée d'une particule avec une énergie initiale de 4,8 MeV est de 3,3 cm et la portée d'une particule avec une énergie initiale de 8,8 MeV est de 8,5 cm. Dans un corps solide. par exemple, dans une émulsion photographique, la gamme de particules ayant une telle énergie est égale à plusieurs dizaines de micromètres.

Si une chambre à nuages ​​est placée dans un champ magnétique, alors les particules chargées qui s'y déplacent sont soumises à la force de Lorentz, qui est égale (dans le cas où la vitesse des particules est perpendiculaire aux lignes de champ) :

Où Ze- charge des particules, vitesse et DANS - induction du champ magnétique. La règle de gauche permet de montrer que la force de Lorentz est toujours dirigée perpendiculairement à la vitesse des particules et est donc une force centripète :

Où T- la masse de la particule, r est le rayon de courbure de sa trace. D’où (1).

Si une particule a une vitesse bien inférieure à la vitesse de la lumière (c'est-à-dire que la particule n'est pas relativiste), alors la relation entre l'énergie cinétique et son rayon de courbure a la forme : (2)

Des formules obtenues, on peut tirer des conclusions qui doivent également être utilisées pour analyser des photographies de traces de particules.

1. Le rayon de courbure de la piste dépend de la masse, de la vitesse et de la charge de la particule. Plus le rayon est petit (c'est-à-dire que la déviation de la particule par rapport au mouvement rectiligne est grande), plus la masse et la vitesse de la particule sont faibles et plus sa charge est élevée. Par exemple, dans le même champ magnétique aux mêmes vitesses initiales, la déviation de l'électron sera supérieure à la déviation du proton, et la photographie montrera que la trace de l'électron est un cercle avec un rayon plus petit que le rayon de l'électron. piste de protons. Un électron rapide déviera moins qu’un électron lent. Un atome d'hélium auquel il manque un électron (ion Pas +), les particules s'écarteront plus faiblement, car aux mêmes masses, la charge des particules est supérieure à la charge d'un atome d'hélium mono-ionisé. D'après la relation entre l'énergie d'une particule et le rayon de courbure de sa trace, il est clair que l'écart par rapport au mouvement rectiligne est plus grand dans le cas où l'énergie de la particule est moindre.

2. Puisque la vitesse de la particule diminue vers la fin de sa course, le rayon de courbure de la piste diminue également (l'écart par rapport au mouvement en ligne droite augmente). En modifiant le rayon de courbure, vous pouvez déterminer la direction du mouvement de la particule - le début de son mouvement là où la courbure de la piste est moindre.

3. Après avoir mesuré le rayon de courbure de la piste et connaissant quelques autres grandeurs, nous pouvons calculer le rapport de sa charge à la masse pour une particule :

Cette relation constitue la caractéristique la plus importante d'une particule et permet de déterminer de quel type de particule il s'agit ou, comme on dit, d'identifier la particule, c'est-à-dire établir son identité (identification, similarité) avec une particule connue

Si une réaction de désintégration d'un noyau atomique s'est produite dans une chambre à nuages, alors à partir des traces de particules - produits de désintégration, il est possible de déterminer quel noyau s'est désintégré. Pour ce faire, nous devons nous rappeler que dans les réactions nucléaires, les lois de conservation de la charge électrique totale et du nombre total de nucléons sont satisfaites. Par exemple, en réaction : la charge totale des particules entrant dans la réaction est égale à 8 (8 + 0) et la charge des particules du produit de réaction est également égale à 8 (4 * 2 + 0). Le nombre total de nucléons à gauche est de 17 (16+1) et à droite est également de 17 (4 * 4+1). Si l’on ne sait pas quel noyau d’élément s’est désintégré, alors sa charge peut être calculée à l’aide de simples calculs arithmétiques, puis à l’aide du tableau de D.I. Mendeleev pour connaître le nom de l'élément. La loi de conservation du nombre total de nucléons permettra de déterminer à quel isotope de cet élément appartient le noyau. Par exemple, en réaction :

Z = 4 – 1 = 3 et A = 8 – 1 = 7, c'est donc un isotope du lithium.

Appareils et accessoires : photographies de traces, papier transparent, équerre, compas, crayon.

Demande de service:

La photographie (Fig. 2) montre les traces des noyaux d'éléments légers (les 22 derniers cm de leur trajet). Les noyaux se déplacent dans un champ magnétique par induction DANS= 2,17 Tesla, dirigé perpendiculairement à la photographie. Les vitesses initiales de tous les noyaux sont les mêmes et perpendiculaires aux lignes de champ.

Figure 2.

1. Etude des traces de particules chargées (matériel théorique).

1.1. Déterminez la direction du vecteur d'induction du champ magnétique et faites un dessin explicatif, en tenant compte du fait que la direction de la vitesse de déplacement des particules est déterminée par le changement du rayon de courbure de la trace d'une particule chargée (le début de sa le mouvement est l'endroit où la courbure de la piste est moindre).

1.2. Expliquez pourquoi les trajectoires des particules sont des cercles en utilisant la théorie du laboratoire.

1.3. Quelle est la raison de la différence de courbure des trajectoires des différents noyaux et pourquoi la courbure de chaque trajectoire change-t-elle du début à la fin du trajet de la particule ? Répondez à ces questions en utilisant la théorie pour le travail de laboratoire.

2. Étudier les traces de particules chargées à l'aide de photographies toutes faites (Fig. 2).

2.1. Placez une feuille de papier transparent sur la photo (vous pouvez utiliser du papier calque) et transférez délicatement la piste 1 et le bord droit de la photo dessus.

2.2. Mesurez le rayon de courbure R de la trace de la particule 1 approximativement au début et à la fin du run ; pour cela vous devez réaliser les constructions suivantes :

a) dessiner 2 accords différents depuis le début du morceau ;

b) trouver le milieu de la corde 1 puis 2 à l'aide d'un compas et d'une équerre ;

c) tracez ensuite des lignes passant par les milieux des segments d'accord ;) ;

c) le numéro résultant sera le numéro de série de l'élément ;

d) en utilisant le système périodique des éléments chimiques, déterminer quel noyau d’élément est la particule III.

3. Tirer une conclusion sur le travail effectué.

4. Répondre à des questions de sécurité.

Questions de contrôle :

À quel noyau - deutérium ou tritium - appartiennent les pistes II et IV (en utilisant des photographies de traces de particules chargées et des constructions en conséquence pour la réponse) ?

TRAVAUX DE LABORATOIRE N°20.

MKOU ShR « Lycée n°5 »

"École de la sagesse"

Travaux de laboratoire n°6 11e année

"Étudier les traces de particules chargées à l'aide de photographies toutes faites"

2015

Chelekhov

• Thème de travail :"Étudier les traces de particules chargées à l'aide de photographies toutes faites"
• Objectif du travail : expliquer la nature du mouvement des particules chargées.
• Équipement: photographies de traces de particules chargées obtenues dans une chambre à brouillard, une chambre à bulles et une émulsion photographique.

Explications sur le travail.

Lors de l'exécution de ces travaux de laboratoire, vous devez vous rappeler que :

UN) la longueur de la piste dépend de l'énergie de la particule. Plus la piste est longue, plus l'énergie de la particule est grande (et plus la densité du milieu est faible) ;

B) l'épaisseur de la piste dépend de la charge des particules. Plus la charge de la particule est grande et plus sa vitesse est faible, plus l'épaisseur de la piste est grande ;

DANS) La courbure de la trace dépend de la masse et de la vitesse de la particule. Lorsqu'une particule chargée se déplace dans un champ magnétique, sa trace s'avère courbée et le rayon de courbure de la trace est plus grand, plus la masse et la vitesse de la particule sont grandes et plus sa charge et le module d'induction du champ magnétique sont petits. . Les particules se déplacent de l’extrémité de la piste avec un grand rayon de courbure jusqu’à l’extrémité avec un plus petit rayon de courbure.

Exercice 1.

• Deux des trois photographies présentées (Fig. 188, 189 et 190) représentent des traces de particules chargées se déplaçant dans un champ magnétique. Veuillez indiquer lesquels. Justifiez votre réponse.

Tâche 2.

• Regardez la photographie des traces de particules α se déplaçant dans la chambre à nuages ​​(Fig. 188) et répondez aux questions.
• A) Dans quelle direction les particules α se sont-elles déplacées ?
• B) La longueur des traces des particules α est à peu près la même. Qu'est-ce que cela signifie?
• Q) Comment l’épaisseur de la trace a-t-elle changé à mesure que les particules se déplaçaient ? Qu’est-ce qui en découle ?

Figure 190

Tâche 3.

• La figure 189 montre une photographie des traces de particules α dans une chambre à nuages ​​située dans un champ magnétique. Déterminez à partir de cette photo :
• A) Pourquoi le rayon de courbure et l’épaisseur des traces changent-ils à mesure que les particules α se déplacent ?
• B) Dans quelle direction les particules α se sont-elles déplacées ?

Figure 190

Tâche 4.

• La figure 190 montre une photographie d'une trace d'électrons dans une chambre à bulles située dans un champ magnétique. Déterminez à partir de cette photo :
• A) Pourquoi la piste a-t-elle une forme en spirale ?
• B) dans quelle direction l’électron s’est-il déplacé ?
• Quelle pourrait être la raison pour laquelle la trace des électrons de la figure 190 est beaucoup plus longue que celle des particules alpha de la figure 189 ?

Figure 190

Tirez une conclusion à l’étude en répondant aux questions.

1. Pourquoi les traces des différentes particules sont-elles différentes ?

2. Pourquoi l’épaisseur des traces des différentes particules n’est-elle pas la même ?

3. Pourquoi la courbure d’une trace de particule change-t-elle avec le temps ?