Лабораторная работа 9, страница 331 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Лабораторные работы - страница 331.

Условие.

№ 9 Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Цель работы Объяснить характер движения заряженных частиц.

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

Примечание 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 ее 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. 218) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.

Задание 2 Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 218, а), и ответьте на вопросы.

а) В каком направлении двигались α-частицы?

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

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

Задание 3 На рисунке 218, б дана фотография треков α-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

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

б) в какую сторону двигались частицы.

Задание 4 На рисунке 218, 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 218, в гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 218, б.

Решение.

Решение 2.

Задание 1

Движение заряженной частицы в магнитном поле происходит по криволинейной траектории, так как на неё действует сила Лоренца, перпендикулярная вектору скорости. Прямолинейные треки (рис. 218, а) означают отсутствие магнитного поля (или движение параллельно его линиям). Искривлённые треки (рис. 218, б и 218, в) указывают на наличие магнитного поля, которое заставляет частицы отклоняться от прямолинейного пути.

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

Задание 2

а) В каком направлении двигались α-частицы?

Треки на рисунке 218, а исходят из одной точки слева и расходятся веером вправо. Это означает, что источник α-частиц находился слева, и они двигались в направлении слева направо.

Ответ: α-частицы двигались слева направо.

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

Согласно примечанию (а), длина трека частицы зависит от её энергии и плотности среды. Так как частицы движутся в одной и той же среде (в камере Вильсона), одинаковая длина их треков свидетельствует о том, что они были испущены источником с примерно одинаковой начальной энергией.

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

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

Согласно примечанию (б), толщина трека тем больше, чем меньше скорость частицы. При движении в среде частица теряет энергию и замедляется. Поэтому толщина трека увеличивается к концу пробега. На фотографии видно, что треки утолщаются по мере движения вправо. Это означает, что скорость α-частиц уменьшалась.

Ответ: Толщина трека увеличивалась по мере движения. Это следует из того, что скорость частиц уменьшалась из-за сопротивления среды.

Задание 3

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

Радиус кривизны траектории заряженной частицы в магнитном поле определяется формулой $R = \frac{mv}{qB}$, где $m$ — масса, $v$ — скорость, $q$ — заряд частицы, а $B$ — индукция магнитного поля. При движении α-частица теряет энергию, её скорость $v$ уменьшается, что приводит к уменьшению радиуса кривизны $R$. Толщина трека, согласно примечанию (б), обратно пропорциональна скорости. Так как скорость уменьшается, толщина трека увеличивается.

Ответ: Радиус кривизны уменьшался, а толщина трека увеличивалась, потому что частицы замедлялись из-за потерь энергии в среде.

б) в какую сторону двигались частицы.

Согласно примечанию (г), частица движется от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом. На рисунке 218, б видно, что в нижней части фотографии треки имеют больший радиус кривизны (они более пологие), а в верхней части — меньший (более крутые). Следовательно, частицы двигались снизу вверх.

Ответ: Частицы двигались снизу вверх.

Задание 4

Трек электрона в магнитном поле имеет форму спирали, потому что электрон, двигаясь в среде (в данном случае, в жидкости пузырьковой камеры), непрерывно теряет свою кинетическую энергию на ионизацию атомов среды. Сила Лоренца заставляет его двигаться по окружности, радиус которой $R = \frac{mv}{qB}$ прямо пропорционален скорости $v$. По мере уменьшения скорости радиус траектории уменьшается, и траектория превращается в закручивающуюся спираль.

а) в каком направлении двигался электрон;

Движение происходит от участка с большим радиусом кривизны к участку с меньшим. Таким образом, электрон двигался от внешних витков спирали к её центру.

Ответ: Электрон двигался по спирали к её центру.

б) что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 218, в гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 218, б.

Длина трека (пробег) частицы зависит от её начальной энергии, а также от её массы, заряда и от плотности среды. α-частица ($q_\alpha = +2e$, $m_\alpha \approx 7300 m_e$) имеет значительно большую массу и вдвое больший по модулю заряд, чем электрон ($q_e = -e$). Из-за большего заряда и, как правило, меньшей скорости α-частица гораздо интенсивнее ионизирует среду и быстрее теряет свою энергию, что приводит к короткому и толстому треку. Электрон, обладая меньшим зарядом и массой, теряет энергию значительно медленнее, поэтому при сравнимых (или более высоких) начальных энергиях его пробег в среде оказывается гораздо длиннее, даже несмотря на то, что плотность среды в пузырьковой камере (рис. в) больше, чем в камере Вильсона (рис. б).

Ответ: Причиной является то, что электрон, имея меньшие массу и заряд, чем α-частица, значительно слабее взаимодействует со средой и медленнее теряет энергию, что приводит к большей длине пробега.