Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Название предмета - физика Класс - 9 УМК (название учебника, автор, год издания) - Физика. 9 кл.: учебник/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - М.: Дрофа, 2014. Уровень обучения (базовый, углубленный, профильный) - базовый Тема урока - Экспериментальные методы исследования частиц. Общее количество часов, отведенное на изучение темы - 1 Место урока в системе уроков по теме - 53/7 Цель урока – Рассмотреть ионизирующее и фотохимическое действие частиц как основы различных методов их излучения. Задачи урока – Развивать взгляды уч-ся на назначение, устройство и принцип действия сцинтилляционного счетчика, счетчика Гейгера, камеры Вильсона, пузырьковой камеры, их преимущества и недостатки. Развивать устную речь обучающихся через организацию диалогического общения на уроке, формировать умение выражать свои мысли в грамматически правильной форме. Формировать положительную мотивацию к учебе и повышение интереса к знаниям. Планируемые результаты - Объяснять экспериментальные методы исследования частиц. Техническое обеспечение урока - компьютер, мультимедийный проектор. Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока (возможны ссылки на интернет-ресурсы) – презентация к уроку с диска «Физика 9 класс» от VIDEOUROKI.NET https://videouroki.net/look/diski/fizika9/index.html Содержание урока 1. Организационный этап Взаимное приветствие учителя и обучающихся; проверка отсутствующих по журналу. 2. Актуализация субъектного опыта обучающихся Используя периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева: 1. Назвать химический элемент. Указать в какой элемент перейдет данный элемент в результате: а) α - распада; б) β - распада? 2. Идентифицируйте элемент 20080Х: порядковый номер, массовое число, зарядовое число, число нуклонов, число протонов, нейтронов, электронов; название элемента. 3. Запишите уравнение: во что превратиться 18474 W после двух бета-распадов и двух альфа-распадов? 3. Изучение новых знаний и способов деятельности (работа со слайдами презентации) На пошлом уроке мы с вами говорили о таком явлении как радиоактивность. Напомним, что радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием частиц, обладающих большой проникающей способностью. В 1911 году в результате проведения серии опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой, в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объем атома. А вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра. Но для дальнейшего развития ядерной физики (в частности, для исследования строения атомных ядер) этих знаний было недостаточно. Необходимы были специальные устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы, а также изучать их взаимодействия. Поэтому сегодня на уроке мы с вами поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов: дискретные (счетные и определяющие энергию частиц); трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора). С одним из методов регистрации частиц — методом сцинтилляций — вы уже знакомы. Но этот метод не дает необходимой точности, так как результат подсчета вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя. Кроме того, длительное наблюдение оказывается невозможным, так как глаз быстро устает. Более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый газоразрядный счетчик Гейгера, изобретенный в 1908 г. Он состоит из стеклянной трубки, к внутренним стенкам которой прилегает катод — тонкий металлический цилиндр; анодом служит тонкая металлическая проволока, натянутая по оси счетчика. Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенциал, на нить — положительный. Последовательно счетчику включается резистор, с которого сигнал подается к регистрирующему устройству. Пока газ не ионизирован, ток в электрической цепи источника напряжения отсутствует. Если же в трубку сквозь ее стенки влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа, то в трубке образуется некоторое количество электрон-ионных пар. Электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам. Если напряженность электрического поля достаточно велика, то электроны на длине свободного пробега (т. е. между соударениями с молекулами газа) приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации, и т. д. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении. Этот импульс напряжения, свидетельствующий о попадании в счетчик частицы, регистрируется специальным устройством. Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 103 Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает именно на нем, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается (так как это напряжение становится недостаточным для образования новых поколений электронно-ионных пар). Счетчик готов к регистрации следующей частицы. Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 104 частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и гамма-квантов. Однако непосредственно гамма-кванты вследствие своей малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого гамма-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации гамма-квантов — лишь около 1 %. Регистрация тяжелых альфа-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое “окошко”, прозрачное для этих частиц. Гораздо большие возможности для изучения микромира дает прибор, изобретенный в 1912 г. и называемый камерой Вильсона. В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна. Внутри камеры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным. Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования. Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны — пунктирный. Советские физики Петр Леонидович КапИца и Дмитрий Владимирович СкобельцЫн предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы. Как мы говорили, треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они и нейтрализуются. С помощью камеры Вильсона был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород). Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой. Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Еще одним методом регистрации заряженных частиц служит так называемый метод фотоэмульсий, разработанный Мысовским и Ждановым в 1939 году. Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома и почернение фотоэмульсий вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы. Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу. Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают альфа-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам альфа-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление альфа-частиц. 4. Закрепление материала В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона? Можно ли в камере Вильсона увидеть трек частицы, не имеющей электрического заряда? Почему с помощью счетчика Гейгера не регистрируются альфа-частицы? Чем объясняется, что счетчик Гейгера регистрирует возникновение ионизированных частиц и тогда, когда поблизости от него нет радиоактивного препарата? 5.Обобщение и систематизация И так давайте повторим главное, что мы узнали сегодня на уроке. Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов: дискретные (т.е. счетные и определяющие энергию частиц); трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора). К дискретным видам детекторов относятся счетчик Гейгера и ионизационная камера. К трековым детекторам — камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др. 6. Домашнее задание §54.
Автор(ы):
Скачать: Физика 9кл - Конспект.docxАвтор(ы):
Скачать: Физика 9кл - Презентация к уроку.pptx
