Ускорители заряженных частиц

Раздел долгосрочного плана: Магнитное поле

Школа:

Дата:4 четверть

ФИО учителя: 

Класс:10

Количество присутствующих:

Количество

отсутствующих:

Тема 116урока

Ускорители заряженных частиц

Цели обучения, которые достигаются на данном  уроке

10.4.4.3 -  анализировать принцип действия циклотрона, магнитной ловушки, токомака, адронного коллайдра и объяснять природу полярного сияния;

Цели урока

Учащиеся могут:

анализировать принцип действия, схему циклотрона, рассказать как работают магнитные ловушки, токомака, адронного коллайдра и объяснять природу полярного сияния.

Критерии успеха

Языковые цели

Предметная лексика и терминология

Учащиеся могут:

Объяснять, как ускоряются заряженные частицы.

Полезные выражения для диалогов и письма:

На заряженную частицу в магнитном поле действует…

Магнитная индукция влияет больше на движущеюся заряженную частицу, чем больше  …

Привитие ценностей

Привитие ценностей осуществляется посредством/через привитие основ уважения и сотрудничества при совместном планировании решения задач при работе в группах, а также в ходе выслушивания и анализа идей других учащихся.

Межпредметные связи

Межпредметная связь на уроке реализуется при помощи использования сквозных тем с математикой. География и история развития техники.

Навыки использования ИКТ

В ходе проведения данного урока учащиеся улучшат навыки работы, строить планы необходимые  для логического объяснения идей. Также будут развиваться навыки поиска информации.

Предварительные

знания

Учащиеся из материала прошлого урока ученики понимают природу силы Лоренца и знают практические применения этой силы.  Определение периода, длины окружности, массу и заряд электрона и протона и т.п.

Ход урока

Этапы урока

Запланированная деятельность на уроке

Ресурсы

Начало урока

0-4

Организационный момент

Актуализация знаний Мозговой штурм:

Ø  Какими свойствами обладает магнитное поле?

Ø  Что такое сила Лоренца?

Ø  Как рассчитать кинетическую энергию частиц?

Ø  Как определить радиус кривизны траектории?

Ø  Сформулируйте правило левой руки

Как вы думаете, о чем мы будем говорить на сегодняшнем уроке?

Формулировка целей и задач урока.

Середина урока

5-15

16-20

21-38

Обсуждение – изучение нового материала.

В 1919 году Резерфорд используя a-частицы, в качестве снаряда для бомбодировки получил из ядра азота атом кислорода, осуществил первую искусственную ядерную реакцию. Таким образом показал принцип получения новых атомных ядер, также можно получить и ядра золота. Однако кинетическая энергия a-частиц испускаемых радиактивными элементами не достаточно для расщепления ядер.

Чтобы сообщить им такую энергию, создаются различные типы ускорителей заряженных частиц. В 1930 г. Американский физик Э.Лоуренс изобрел циклотрон.

Циклотрон – это устройство, используемое для ускорения электронов и ионов с помощью электрического и магнитного полей.

Циклотрон состоит из двух (дуанты) D– образных полусферы - полых электродов помешенных между сильными магнитами в вакууме. Между дуантами создается переменное электрическое поле, причем частота изменения разности потенциалов между дуантами подобрана так, что частица каждый раз попадает в ускоряющее поле. В центре устройства помещен источник заряженных частиц. Частица вылетает из источника с некоторой скоростью u_о. Магнитное поле действуя силой Лоренца ускоряет внутри электродов т.е.  радиус обращения и скорость увеличиваются. Траектория частиц внутри дуантов образует раскручивающуюся спираль.

    Период обращения по окружности радиусом Rбудет равна

Максимальная кинетическая энергия частицы, когда она покидает циклотрон:

, где  – радиус дуантов.

Упражнение 24

№3. Заряженные частицы, заряд которых 3,2*10^-19 Кл, ускоряются в циклотроне в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл и частотой ускоряющего напряжения 6 МГц. Найдите энергию частиц в момент, когда они движутся по радиусу 2 м.

Магнитные ловушки - конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженных частицы или плазму в ограниченном объёме. Естественными магнитными ловушками является, например, магнитное поле Земли, захватившее плазму солнечного ветра и удерживающее её в виде радиационного пояса Земли. Примером искусственной магнитной ловушки является токамак.

Термин «токамак» был придуман позже Игорем Николаевичем Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» — сокращение от слов «тороидаль-ная камера магнитная», но Н. А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия.

Токама́к (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Этим токамак, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек.

Токамак-реактор на данный момент разрабатывается в рамках международного научного проекта ITER.

Колла́йдер (англ. collider от collide —«сталкиваться») — ускори-тель частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.

Большо́йадро́нныйколла́йдер, сокращённо БАК (англ. LargeHadronCollider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран.«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; «адронным» — из-за того, ускоряет адроны: протоны и тяжелые ядра атомов; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что два пучка ускоренных частиц сталкиваются во встречных направлениях в специальных местах столкновения — внутри детекторов элементарных частиц.

Полярное, или северное сияние — мистический, непредсказуемый и красивый феномен. Оно внезапно появляется и точно так же неожиданно исчезает. Причиной северного сияния является солнечный ветер. Этим термином называют вещество, выброшенное из верхней оболочки светила — солнечной короны. Оно состоит из заряженных частиц — электронов и ионов, летящих в космосе с громадной скоростью. Иными словами, солнечный ветер представляет собой поток высокоскоростной плазмы.

Солнечный ветер распространяется от Солнца во всех направлениях, небольшая его часть «дует» и на нас. Попадая в магнитное поле Земли, его заряженные частицы начинают двигаться особым образом: они перемещаются вдоль магнитных силовых линий, одновременно вращаясь вокруг них, то есть двигаются по спирали. Поскольку силовые линии магнитного поля Земли сходятся к полюсам, то и частицы солнечного ветра отклоняются туда же. Вот почему полярные сияния наблюдаются в высоких широтах, то есть ближе к северу.

На высотах от 90 до 1000 км эти энергичные солнечные «посланники» сталкиваются с молекулами верхних слоев атмосферы. Удары весьма чувствительны, так что эти молекулы получают добавочную порцию энергии и переходят в состояние с более высокой энергией.Возвращаясь в начальное, равновесное состояние, молекулы атмосферы излучают кванты света видимого диапазона, которые проявляются в виде полярного сияния.

Обсуждения и выводы

https://www.youtube.com/watch?v=6juVVK8n_5c&t=13s

https://bilimland.kz/ru/courses/physics-ru/ehlektrodinamika/magnitnoe-pole/lesson/pravilo-levoi-ruki-dvizhenie-zaryazhennyx-chasticz-v-magnitnom-pole

https://bilimland.kz/ru/courses/physics-ru/ehlektrodinamika/magnitnoe-pole/lesson/pravilo-levoi-ruki-dvizhenie-zaryazhennyx-chasticz-v-magnitnom-pole

Физика 10. Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Койшыбаев

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%BA

http://www.sciencedebate2008.com/large-hadron-collider-facts/

Конец урока

39-40

Рефлексия: 

Домашнее задание №№10.10

Физика 10. Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Койшыбаев

Дифференциация – каким образом Вы планируете оказать больше поддержки? Какие задачи Вы планируете поставить перед более способными учащимися?

Оценивание – как Вы планируете проверить уровень усвоения материала учащимися?

(9)

Здоровье и соблюдение техники безопасности

Все учащиеся будут:

Знать как используется действие магнитного поля на заряженную частицу

Большинство учащихся будут:

Определять направление движения частиц вмагнитом поле

Некоторые учащиеся будут:

Объяснять, принцип работы масс-спектрографа, циклотрона, магнитной ловушки и как сила Лоренца защищает Землю от радиации.

(1)              Устное оценивание ответов учащихся, похвала

(2)               Работа в парах по исследованию магнитного поля катушки с током

(3)  Взаимооценивание ответов, гипотез и их доказательств

В процессе обработки результатов интерактивных опытов учащимися развивается критическое и логическое мышление. При обсуждении результатов работы в группах и коллективной, развивается уважение к чужому мнению, умение выражать свои мысли и общаться должным образом со сверстниками и одноклассниками. Соблюдение инструкций по технике безопасности в кабинете демонстрирует ответственность и уважение к жизни и здоровью других.

Рефлексия по уроку

Были ли цели урока/цели обучения реалистичными?

Все ли учащиеся достигли ЦО?

Если нет, то почему?

Правильно ли проведена дифференциация на уроке?

Выдержаны ли были временные этапы урока?

Какие отступления были от плана урока и почему?

Используйте данный раздел для размышлений об уроке. Ответьте на самые важные вопросы о Вашем уроке из левой колонки. 

Общая оценка

Какие два аспекта урока прошли хорошо (подумайте как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что могло бы способствовать улучшению урока (подумайте как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что я выявил(а) за время урока о классе или достижениях/трудностях отдельных учеников, на что необходимо обратить внимание на последующих уроках?