Мурза А.Н. Виртуальная лабораторная работа «Исследование треков заряженных частиц»

Задачи урока:
• расширить знания о методах регистрации ионизирующих излучений;
• научить учащихся создавать и анализировать компьютерные модели физических явлений;
• способствовать развитию умений планировать и проводить физический эксперимент, обрабатывать результаты с помощью табличного процессора MS Excel на компьютере; делать выводы; использовать программные средства компьютера (MS Power Point) для демонстрации явлений и опытов.

Оборудование: компьютеры, мультимедийный проектор, компьютерная программа "Открытая физика, ч.2", фотографии треков заряженных частиц.

Структура урока:

Ход урока

1. Организационный этап.

В начале урока на экран проецируется слайд 1, в котором отображается тема урока.

Звучит приветствие учителя, объявляется тема урока.

Учащимся сообщаются цели и задачи урока (слайд 2).

2. Актуализация знаний.
•  Методы регистрации ионизирующих излучений.

В ходе фронтальной беседы с классом ученики называют различные методы регистрации ионизирующих излучений. При этом название методов появляется на экране (слайд 3).

Повторяются устройство и принцип действия камеры Вильсона, пузырьковой камеры, искровой камеры и метод толстослойных фотоэмульсий, изученных на прошлом уроке.
Звучат рассказы учащихся, сопровождаемые демонстрацией соответствующих слайдов (слайды 4—7).

• Движение заряженных частиц в магнитном поле.

Для успешного выполнения лабораторной работы в ходе фронтальной беседы повторяется материал X класса о движении заряженных частиц в магнитном поле (слайд 8).

Демонстрируется интерактивная анимационная модель движения заряженной частицы в магнитном поле (диск "Открытая физика, ч. 2"). Данная модель предусматривает изменение скорости частицы и магнитной индукции поля и наглядно демонстрирует зависимость вида траектории от этих величин. Делаем акцент на том, что компьютерная модель может быть реализована с помощью различных программных средств, что и предстоит сделать на данном уроке в табличном процессоре MS Excel.

После повторения материала о силе Лоренца приводятся примеры различных треков (слайд 9).

3. Лекция учителя.

Учитель объясняет, как по фотографии трека можно получить информацию о скорости частицы, её заряде и энергии (слайд 10).

Трек частицы в камере Вильсона 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, находившихся в камере.

Пусть частица с зарядом q движется со скоростью v на расстоянии r от электрона атома. Вследствие кулоновского взаимодействия с этой частицей электрон получает некоторый импульс ∆p = F∆t в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы и электрона наиболее эффективно во время прохождения её по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r, например, равному 2r. Тогда в формуле ∆p=F∆t  ∆t — то время, за которое частица проходит отрезок траектории 2r, т.е.  ∆t = 2r/v, a F — средняя сила взаимодействия частицы и электрона за это время. Сила F по закону Кулона прямо пропорциональна зарядам частицы q и электрона е и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия частицы с электроном примерно равна qe/4πƐ₀r² (примерно, так как в наших расчётах не учитывалось влияние ядра атома, других электронов и атомов среды). Получаем:

Итак, импульс, полученный электроном, находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от её скорости. 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 её скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь "прочесть" фотографию треков частиц.

1. При прочих одинаковых условиях трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд.
2. Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость. К концу движения трек частицы толще, чем вначале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

4. Выполнение работы.

Учащиеся выполняют работу по готовым фотографиям. Отчёт о работе оформляется в табличном процессоре MS Excel: сначала — фронтально со всеми учащимися, затем учащиеся работают индивидуально по предложенным заданиям. В таблицу заносятся измеряемые параметры (радиус трека на различных участках, не менее пяти значений). Каждый ученик самостоятельно выводит формулу кинетической энергии частицы и вводит её в один из столбцов. При этом для каждого значения радиуса автоматически рассчитывается энергия частицы.

После составления таблицы результатов строится диаграмма зависимости радиуса трека от энергии частицы. Делаются выводы о проделанной работе.

Все учащиеся работают индивидуально за компьютерами. Работа наиболее сильного ученика с помощью проектора транслируется на экран. В случае возникновения вопросов в классе учитель может дать ответ, опираясь на эту работу.

5.Подведение итогов, анализ результатов работы.

Учащиеся распечатывают отчёты на сетевом принтере. Отметка выставляется учителем на следующем уроке после проверки работ.

Анализ проделанной работы и её результатов проводится сразу после получения учителем готовых отчётов. Это можно сделать, пользуясь работой, спроецированной на экране.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ