Технологическая карта урока по физике 9 Методы исследования частиц


Технологическая карта урока
учителя физики МБОУ СОШ Шляпиной Т.В.
Предмет: физика
Уровень образования: общеобразовательный 9 класс
Тема: «Экспериментальные методы исследования частиц»
Тип урока: изучение и первичное закрепление новых знаний и способов деятельности.
Форма проведения урока: системно- деятельностный подход, лабораторная работа.
Цель: изучить устройство и принцип работы приборов для исследования частиц; научиться анализировать треки элементарных частиц.
Планируемый результат обучения, в том числе и формирование УУД:
Познавательные УУД: самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели.Коммуникативные УУД: планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками –Регулятивные УУД: целеполагание как постановка учебной задачи; оценка- осознание качества и уровня усвоения знаний, оценка результатов работы.
Личностные УУД: формирование умений управлять своей учебной деятельностью, формирование интереса к физике, научным достижениям человечества.
Основные понятия: трек, счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсия.
Ресурсы: мультимедийный проектор, ПК, презентация, таблица, фотографии треков, тетради для лабораторных работ.
Информационные источники:
1.Перышкин А.В., Гутник Е.М.Физика 9 кл.: уч. для общеобразовательных учреждений.- М.: Дрофа, 2011. -300с.
2.http://school-collection.edu.ru/Этапы урока Содержание учебного материала.
Деятельность учителя Деятельность учащихся. ФОУД Формирование УУД
Организационный момент Здравствуйте, садитесь. На прошлых уроках мы с вами познакомились с основными понятиями атомной физики. На этом уроке мы с вами продолжим изучение микромира. Приветствуют учителя. Проверяют готовность к уроку (наличие рабочей тетради, тетради для лабораторных работ учебника, технических средств) Личностные:
Самоопределение.
Регулятивные:
Целеполагание.
Коммуникативные:
Планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками.
Актуализация знаний 1)Что такое радиоактивность? О чем оно свидетельствовало? Виды радиоактивного излучения?
2) Что собой представлял атом согласно модели, предложенной Томсоном?
3)Что представляет собой атом согласно ядерной модели, выдвинутой Резерфордом?
4) Каковы размеры атома, атомного ядра? атомОтвечают на поставленные вопросы Познавательные:
Умение адекватно, осознанно и произвольно строить речевое высказывание в устной и письменной речи, передавая содержание текста в соответствие с целью.
Постановка проблемы Для того чтобы, разглядеть атом, а тем более его строение, нужно увеличить возможности человеческого глаза в сотни тысяч раз, что в начале 20 века технически было невозможно.
Как изучать микромир?
Логическое завершение этапа: формулирование темы и целей урока. Формулируют тему и цели урока.
Тема «Методы исследования элементарных частиц»
Цели: изучить устройство и принцип работы приборов для исследования частиц, научиться добывать информацию по снимкам траекторий частиц. Познавательные:
Постановка и формулирование проблемы.
Регулятивные:
Целеполагание.
Личностные:
Установление учащимися связи между целью учебной деятельности и её мотивом.
Открытие нового знания Существует четыре основных прибора для исследования частиц. Для их подробного изучения весь класс поделим на 4 группы. У каждой группы на столе лежит план, по которому нужно изучить устройство и принцип работы прибора. Заполнить таблицу. Затем от каждой группы выступит представитель со своей информацией, остальные учащиеся в это время дополняют свою таблицу.
Источники:1) учебник «Физика 9»
А.В. Перышкин, Е.М.Гутник & 68
2) информация на листах
3) фотография трека элементарной частицы
Приложение 1. Работа по группам: читают в учебнике информацию по своему прибору; изучают дополнительную информацию на листах; заполняют таблицу; выступают по очереди для полного заполнения таблицы всеми учащимися. Познавательные:
Поиск и выделение необходимой информации; установление причинно-следственных связей, построение логической цепи рассуждений, доказательство, выявление признаков; синтез как составление целого из частей;
Регулятивные:
Планирование, контроль, коррекция, оценка.
Коммуникативные:
Постановка вопросов –инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации; управление поведением партнера- контроль, коррекция, оценка действий партнера; умение с достаточной полнотой и точностью выразить свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации.
Первичное закрепление Давайте проверим полученные знания по идентификации элементарной частицы и некоторых её характеристик.
Работа с рисунком:

Сформулировать правило левой руки.
Как направлен вектор магнитной индукции?
В каком направлении движутся частицы?
Какой знак имеет частица 1? Частица 2?
О чем говорит длина треков?
Как меняется толщина и радиус кривизны трека и почему?
Отвечают на вопросы.
Составляют план, по которому можно получить информацию об элементарной частице. Познавательные:
Анализ объектов с целью выделения признаков, выбор оснований и критериев для сравнения, классификации объектов.
Постановка и формулирование проблемы, самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении проблем творческого и поискового характера.
Регулятивные:
Целеполагание, планирование, коррекция, контроль, оценка.
Коммуникативные:
Планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками, умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли.
Лабораторная работа Продолжим работу по исследованию элементарной частицы по фотографии её трека по составленному плану. Для этого выполняем лабораторную работу «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям» в печатных тетрадях для лабораторных работ.
В классе выполняем задания 1и 2 с последующей проверкой, остальные задания – дома. Выполняют работу в парах с последующей проверкой на слайде.
Познавательные:
Анализ объектов с целью выделения признаков, синтез как составление целого из частей, в том числе самостоятельное достраивание, восполнение недостающих компонентов; построение логической цепи рассуждений.
Регулятивные:
Соотнесение того, что уже известно и усвоено учащимися, и того, что ещё неизвестно; контроль, коррекция и оценка промежуточного результата с целью обнаружения отклонений в усвоенном материале и осознание качества усвоения.
Коммуникативные:
Планирование учебного сотрудничества со сверстником, способов взаимодействия; инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации.
Рефлексия
Что было сложного при изучении нового материала?
Что было непонятно?
Что было интересно?
Выберите из каждой предложенной пары состояний - состояние, которое наиболее полно соответствует вашему состоянию после проведенного урока:
Чувствую вдохновение (2 балла)  –   чувствую подавленность (0 баллов)
  Интересно (2 балла) – не интересно (0 баллов)
  Появилась уверенность в своих силах (2 балла) – не уверен (0 баллов)
  Не устал (2 балла) – устал (0 баллов)
  Старался (2 балла) – не старался, безразлично (0 баллов)
  Доволен собой (2 балла) – недоволен (0 баллов)
  Научился решать задачи (2 балла) – не научился решать задачи (0 баллов)
Утвердился в своих знаниях (2 балла) – ничего не знаю по данной теме (0 баллов)
  Не раздражен уроком (2 балла) – раздражен работой на уроке и самим уроком (0 баллов)
Отвечают на вопросы, обмениваются мнениями, оценивают себя. Личностные УУД:
Нравственно-этическая ориентация, в том числе, и оценивание усваиваемого содержания (исходя из социальных и личностных ценностей)
Коммуникативные:
Умение строить высказывания и воспринимать их.
Регулятивные:
Вносить необходимые коррективы на основе оценки и учета сделанных ошибок.
Подведение итогов, домашнее задание
С помощью каких методов, устройств изучается микромир?
На что обращаем внимание при изучении трека элементарной частицы?
& 68 ( учебник: Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика 9)
Тетрадь для лабораторных работ (задания 3,4) Познавательные:
Осуществление анализа содержания учебного материала и формулирование выводов.
Регулятивные:
Вносить необходимые коррективы на основе оценки и учета сделанных ошибок.
Приложение 1.
Камера Вильсона
    Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).     Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона(1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈ 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.
  Рис. 1. Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков
    Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.     Наблюдение позитрона в камере Вильсона (рис. 2), помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.
Рис. 3. К принципу работы камеры Вильсона
    Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.
right0Пузырьковая камера
    Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).     Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.
а. б. в.
Рис. 1. Пузырьковая камера: а - внешний вид, б - фотография события в камере, в - расшифровка события
    Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.
Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём объёме треки высокоэнергичных частиц.     Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м3). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер ≈ 0.1 мм.     Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время ≈ 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.

Метод толстослойных фотоэмульсий
Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы.По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.
Газоразрядный счётчик Гейгера
Счётчик Гейгера- один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).

Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон,£- частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ( к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на разгрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается – настолько ,что разряд прекращается.
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов( фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y- кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны
Название устройства Метод Принципы действия Какие частицы регистрирует Достоинства Недостатки
Счетчик Гейгера Камера
Вильсона Пузырьковая Камера Фотоэмульсии Выберите из каждой предложенной пары состояний - состояние, которое наиболее полно соответствует вашему состоянию после проведенного урока:
Чувствую вдохновение (2 балла)  –   чувствую подавленность (0 баллов)
Интересно (2 балла) – не интересно (0 баллов)
Появилась уверенность в своих силах (2 балла) – не уверен (0 баллов)
Не устал (2 балла) – устал (0 баллов)
Старался (2 балла) – не старался, безразлично (0 баллов)
Доволен собой (2 балла) – недоволен (0 баллов)
Научился решать задачи (2 балла) – не научился решать задачи (0 баллов)
Утвердился в своих знаниях (2 балла) – ничего не знаю по данной теме (0 баллов)
Не раздражен уроком (2 балла) – раздражен работой на уроке и самим уроком (0 баллов)