Лабораторная работа 9, страница 332 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

№ 9 ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ГОТОВЫМ ФОТОГРАФИЯМ

Цель работы

Объяснить характер движения заряженных частиц.

Оборудование

Фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

Пояснения

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

а) длина трека тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды;

б) толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость;

в) при движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым, причём радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля;

г) частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

Задание 1

На двух из трёх представленных вам фотографий (рис. 226) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.

а)

б)

в)

Рис. 226

Задание 2
Рассмотрите фотографию треков $\alpha$-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 226, а), и ответьте на вопросы.

а) В каком направлении двигались $\alpha$-частицы?

б) Длина треков $\alpha$-частиц примерно одинакова. О чём это говорит?

в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Задание 3

На рисунке 226, б дана фотография треков $\alpha$-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
а) почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения $\alpha$-частиц;

б) в какую сторону двигались частицы.

Задание 4

На рисунке 226, в дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Объясните, почему трек имеет форму спирали. Определите по этой фотографии:

а) в каком направлении двигался электрон;

б) что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 226, в гораздо длиннее треков $\alpha$-частиц на рисунке 226, б.

Задание 1

Решение

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, подвергается действию силы Лоренца, которая перпендикулярна вектору скорости. Эта сила заставляет частицу двигаться по криволинейной траектории. На фотографии 226, а треки частиц являются прямыми линиями, что указывает на отсутствие внешнего магнитного поля. На фотографиях 226, б и 226, в треки частиц искривлены. Следовательно, в этих случаях частицы двигались в магнитном поле.

Ответ: Треки частиц, движущихся в магнитном поле, изображены на фотографиях 226, б и 226, в, так как их траектории искривлены.

Задание 2

а) В каком направлении двигались α-частицы?

Решение

На фотографии 226, а видно, что треки начинаются в одной небольшой области слева и расходятся веером вправо. Эта общая начальная точка является, по всей видимости, источником α-частиц. Таким образом, частицы двигались от источника, то есть слева направо.

Ответ: α-частицы двигались слева направо.

б) Длина треков α-частиц примерно одинакова. О чём это говорит?

Решение

Длина трека (пробег) частицы в среде зависит от её начальной энергии. Чем больше энергия, тем длиннее трек. Поскольку все треки на фотографии имеют примерно одинаковую длину, это свидетельствует о том, что все α-частицы были испущены источником с приблизительно одинаковой начальной кинетической энергией. Это является характерной особенностью альфа-распада.

Ответ: Это говорит о том, что начальные энергии всех α-частиц были примерно одинаковы.

в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Решение

При движении через среду камеры Вильсона α-частица теряет свою энергию, в основном за счет ионизации атомов среды. Потеря энергии приводит к уменьшению скорости частицы. Толщина трека тем больше, чем больше ионизирующая способность частицы, которая, в свою очередь, увеличивается при уменьшении скорости. На фотографии видно, что треки утолщаются к концу своего пути (справа). Это подтверждает, что скорость частиц уменьшалась по мере их движения.

Ответ: Толщина трека увеличивалась к концу пробега. Это означает, что скорость α-частиц уменьшалась из-за торможения в среде.

Задание 3

а) почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц;

Решение

При движении в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, α-частицы теряют энергию и замедляются. Радиус кривизны траектории $R$ связан со скоростью частицы $v$ соотношением $R = \frac{mv}{qB}$, где $m$ – масса, $q$ – заряд частицы, а $B$ – индукция магнитного поля. Поскольку скорость $v$ уменьшается, радиус кривизны $R$ также уменьшается. Толщина трека зависит от скорости иначе: чем меньше скорость, тем больше время взаимодействия с атомами среды и тем больше ионов она создает на единице пути, то есть тем толще трек. Таким образом, по мере замедления частицы толщина ее трека увеличивается.

Ответ: Радиус кривизны уменьшался, а толщина трека увеличивалась, так как α-частицы замедлялись из-за потерь энергии при взаимодействии со средой.

б) в какую сторону двигались частицы.

Решение

Частица всегда движется от участка траектории с большим радиусом кривизны к участку с меньшим радиусом. На фотографии 226, б видно, что треки в нижней части изображения имеют меньшую кривизну (больший радиус), а в верхней части — большую кривизну (меньший радиус). Следовательно, частицы двигались снизу вверх.

Ответ: Частицы двигались снизу вверх.

Задание 4

Объяснение формы спирали

Решение

Трек имеет форму спирали, потому что электрон, двигаясь в магнитном поле, постоянно теряет энергию на ионизацию среды в пузырьковой камере. Сила Лоренца заставляет его двигаться по окружности, радиус которой определяется формулой $R = \frac{mv}{qB}$. Так как скорость $v$ электрона постоянно уменьшается из-за потерь энергии, радиус его траектории $R$ также непрерывно уменьшается. Траектория с непрерывно уменьшающимся радиусом является спиралью.

а) в каком направлении двигался электрон;

Решение

Поскольку радиус кривизны трека уменьшается по мере потери скорости частицей, направление движения частицы — от большего радиуса к меньшему. На фотографии 226, в спираль закручивается к центру, то есть радиус кривизны уменьшается по направлению к центру. Следовательно, электрон двигался с внешней части спирали к ее центру.

Ответ: Электрон двигался от периферии к центру спирали.

б) что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 226, в гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 226, б.

Решение

Длина трека определяется тем, насколько быстро частица теряет свою энергию. Скорость потери энергии (ионизирующая способность) сильно зависит от заряда частицы (пропорциональна квадрату заряда) и ее массы. α-частица имеет заряд $+2e$ и значительно большую массу, чем электрон (заряд $-e$). Из-за большего заряда и, как правило, меньшей скорости (при сопоставимых энергиях), α-частица взаимодействует со средой гораздо интенсивнее, чем электрон. Она быстро теряет энергию и оставляет короткий, толстый трек. Электрон, обладая меньшим зарядом и массой, теряет энергию значительно медленнее, а потому проходит гораздо большее расстояние до полной остановки.

Ответ: Причина в том, что α-частица обладает значительно большей ионизирующей способностью, чем электрон. Из-за большего заряда ($|q_\alpha| = 2|q_e|$) и массы, она гораздо быстрее теряет свою энергию в среде, что приводит к короткому пробегу. Электрон теряет энергию медленнее и, следовательно, его трек оказывается намного длиннее.