Номер 4, страница 166 - гдз по физике 9 класс учебник Изергин

Глава V. Физика атома и атомного ядра. Параграф 35. Методы регистрации заряженных частиц - номер 4, страница 166.

Условие.

4. Почему при помещении камеры Вильсона в магнитное поле происходит искривление трека заряженной частицы?

Решение.

Решение

Искривление трека (траектории движения) заряженной частицы в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, происходит из-за действия на эту частицу силы Лоренца. Камера Вильсона — это прибор, который позволяет визуализировать путь быстрой заряженной частицы в виде следа из сконденсированных капелек перенасыщенного пара.

Когда заряженная частица, обладающая зарядом $\text{q}$, движется со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, на нее начинает действовать сила Лоренца $\vec{F_Л}$. Эта сила определяется векторным произведением:

$\vec{F_Л} = q(\vec{v} \times \vec{B})$

Модуль этой силы рассчитывается по формуле $F_Л = |q|vB\sin\alpha$, где $\alpha$ — это угол между вектором скорости частицы $\vec{v}$ и вектором магнитной индукции $\vec{B}$.

Ключевой особенностью силы Лоренца является то, что она всегда направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы скорости $\vec{v}$ и магнитной индукции $\vec{B}$. Следовательно, сила Лоренца всегда перпендикулярна направлению движения частицы. Направление силы можно определить по правилу левой руки (для отрицательного заряда) или правилу правой руки (для положительного заряда).

Поскольку сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости, она не совершает работы над частицей и не изменяет ее кинетическую энергию, а значит, и модуль ее скорости. Сила Лоренца изменяет только направление вектора скорости. Сила, которая постоянно действует перпендикулярно скорости, выполняет роль центростремительной силы. Именно она заставляет частицу отклоняться от прямолинейной траектории и двигаться по дуге окружности (в случае, когда скорость перпендикулярна полю) или по винтовой линии. В камере Вильсона это движение наблюдается как искривленный трек.

Анализ кривизны трека позволяет получить важную информацию о частице. Во-первых, по направлению изгиба трека можно определить знак заряда частицы. Во-вторых, измерив радиус кривизны траектории $\text{R}$, можно найти импульс частицы $p = mv$ по формуле $R = \frac{p}{|q|B}$. Таким образом, магнитное поле превращает камеру Вильсона в инструмент для идентификации частиц и измерения их характеристик.

Ответ: Искривление трека заряженной частицы происходит потому, что на движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно скорости частицы, играет роль центростремительной силы и заставляет частицу двигаться по криволинейной траектории.