Учебное пособие 800604
.pdf
Предлагаемая модель установки для изучения эффекта Зеемана, представленная на рис. 1, состоит из магнита (1), между полюсами которого находится источник света, идеального спектрометра (2), системы линз
(3), пластинки
4
(4), поляроида (5), фотоприемника (6) и окуляра спек-
трометра (7) [2]. Величина магнитной индукции поля изменяется изменением силы тока в обмотке. С помощью этой установки можно исследовать и простой и сложный эффект Зеемана. Простой эффект изучается на примере одной из синглетных линий в спектре ртути, вызванной переходом
1 |
1 |
6 D |
6 P |
2 |
1 |
и имеющей длину волны 579 нм, а сложный − на примере жел-
того дублета натрия, обусловленного переходами 32 P32 ;32 P12 32 S 12 . По-
вернув магнит, можно исследовать картину расщепления линий при наблюдении вдоль магнитного поля. Вращая поляроид, можно исследовать изменение интенсивности различных компонент зеемановского расщепления и сделать вывод об их поляризации.
Рис. 1
Таким образом, компьютерное модулирование данного опыта позволяет студенту подробно изучить все его «секреты».
Другим экспериментом, который можно заменить компьютерной моделью, является определение энергии нейтронов и их сечений взаимодействия с атомами различных веществ.
241
Врамках исследований субатомной структуры материи физические явления, происходящие на сверхмалых расстояниях за сверхмалые времена, можно изучать только по столкновениям и распадам атомных ядер и элементарных частиц. Как правило, в этих процессах принимают участие частицы высоких энергий. В частности, оценка нижней границы энергии нейтронов, с помощью которых можно исследовать строение атомных ядер, дает величину порядка 30 МэВ. Поэтому в ядерной физике вопрос о методах измерений имеет принципиальное значение. Частицы с высокой энергией могут настолько нарушить ход исследуемых процессов, что недостижимой окажется нужная точность измерения, или оно вообще теряет смысл. Кроме того, при наличии нейтронного излучения всегда существует вероятность активации изотопов элементов, из которых состоят окружающие вещества. В большинстве случаев активация окружающих тел проявляется в виде появления в их составе короткоживущих радиоактивных изотопов. Для предупреждения нежелательного облучения персонала в процессе работы необходимо предусмотреть проверку уровня мощности гамма-излучения, исходящего от элементов установки. Поэтому создание
ииспользование лабораторной базы таких исследований сопряжено с большими материальными затратами.
Для изучения столкновений микрочастиц необходимо иметь стабильно работающий источник частиц-снарядов, мишени с заранее известными свойствами и регистрирующее устройство для частиц, являющихся продуктами столкновений.
Работа источников нейтронов может быть основана на различных ядерных реакциях. Одним из вариантов может быть источник на основе реакции деления. В таких устройствах нейтроны, испускаемые радионуклидными источниками, возникают вследствие протекания в их материале различных ядерных реакций. Примером может быть плутониевый источник α-частиц, окруженный бериллием, у которого малая энергия связи нуклонов. В результате поглощения α-частиц бериллием получают поток нейтронов.
Вкачестве мишеней используются ядра и частицы с достаточно большим временем жизни (не менее нескольких минут), т.е. стабильные и достаточно долго живущие ядра.
Принципиальная трудность измерений характеристик микрочастиц состоит в том, что детектор − это макросистема, воздействие на которую со стороны микрочастицы является очень слабым. Для преодоления этой трудности конструкция детекторов такова, что слабое воздействие используется только для стимуляции вторичных процессов, формирующих сигнал макроскопической величины. Для этого рабочее пространство детектора заполняется веществом в метастабильном состоянии, для изменения которого достаточно малых возмущений, производимых микрочастицей. Чтобы зарегистрировать нейтральные частицы, в частности нейтроны, используют реакции с участием атомных ядер, протекающие с образованием заряженных частиц (в основном электронов) и γ-квантов, которые впо-
242
следствии обнаруживаются. При этом, как правило, наиболее важной оказывается ионизационная способность этих частиц. В частности, регистрирующим устройством, может быть счетчик Гейгера или сцинтилляционный детектор.
Аналогичные реальные лабораторные работы проводятся, например, в лабораториях НИЯУ МИФИ [3]. В процессе лабораторных работ студенты экспериментально исследуют угловые и энергетические характеристики источников нейтронов, исследуют характеристики взаимодействия нейтронов с веществом, проводят эксперименты по изучению наведенной быстрыми нейтронами активности. В работах используются изотопные источники и компактные генераторы нейтронов. Экспериментальная база включает в себя современное радиометрическое и спектрометрическое оборудование, в том числе уникальное спектрометрическое оборудование, разработанное в НИЯУ МИФИ.
Чтобы при отсутствии подобного оборудования дать возможность студентам наглядно представить, как происходят эти процессы, можно использовать компьютерное моделирование. Блок-схема виртуальной установки эксперимента по взаимодействию нейтронов с атомами некоторого вещества приведена на рис. 2.
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник |
|
т |
|
Детектор |
||||
|
е |
|
||||||
нейтронов |
|
л |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2
При загрузке исполняемого файла в рабочем окне появляется изображение схемы установки: «источника нейтронов», таймера и регистрирующего устройства. Выполняется имитация установки пластин поглотителя. Расчетная часть программы позволяет выбирать материал и толщину пластинки, поглощающей нейтроны. Программа позволяет задавать толщину мишени от 10 до 50 см. Количество частиц, зарегистрированных счетчиком, моделируется в соответствии с законом поглощения излучения веществом, поскольку учитывается экспоненциальная зависимость числа выбывающих из потока частиц от материала поглотителя. Для этого в программе задается, что толщина пластинки - поглотителя обратно пропорцио-
243
нальна коэффициенту поглощения в данном материале. Таким образом, показания счетчика зависят от материала и толщины пластинок, поставленных между источником и детектором.
Поскольку на нейтроны не действуют кулоновские силы, они взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов. За счет такого взаимодействия они либо поглощаются, либо изменяют направление движения (рассеиваются). Поэтому полное сечение взаимодействия нейтрона с ядром складывается из двух слагаемых. При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния, которое пропорционально площади сечения ядра, остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение радиационного захвата растет по закону 1/V, где V − скорость налетающего нейтрона. Таким образом, для тепловых нейтронов основной характеристикой является сечение поглощения. Нейтроны, испускаемые источником, проходят через систему фильтров и регистрируются детектором, показания которого отображаются на схеме. В предложенной работе фильтры представляют собой пластины, изготовленные из серебра и кадмия
(
), и зарегистрировав количество нейтронов, испущенных источником N0, и число нейтронов N, прошедших сквозь пластины общей толщиной х, можно найти коэффициент поглощения
μ пσ , |
(1) |
где п – концентрация ядер поглотителя, σ сечение поглощения. Для этого нужно воспользоваться известной экспоненциальной зависимостью
N N |
e |
μx |
|
||
0 |
|
|
(2)
откуда
μ1 ln N0
xN
.
(3)
Таким образом, построив в полулогарифмическом масштабе график зависимости числа зарегистрированных импульсов ( ln N ) от толщины поглотителя (x) можно найти коэффициент поглощения μ по тангенсу угла наклона линии графика к оси х, а используя его значение – сечение поглощения:
σ |
μМ |
|
ρN |
||
|
||
|
A |
,
(4)
где ρ − плотность материала поглотителя, М – его молярная масса,
N |
A |
|
|
|
число Авогадро.
При малых энергиях нейтронов сечение поглощения обратно пропорционально их скорости. Тогда, используя данные для соотношения между сечением поглощения σТ и энергией ЕТ для тепловых нейтронов
[4], можно найти энергию Е нейтронов, испускаемых заданным источником:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ |
|
|
2 |
|
|
σ σ |
|
V |
σ |
|
|
Е |
Е Е |
Т |
|
||||||
|
Т |
|
|
Т |
, |
|
|
|
. |
(5) |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Т |
V |
|
Т |
Е |
Т |
σ |
|
|
||||||
244
При построении модели использована программа, разработанная с помощью среды разработки Visual Studio 2017, а также Net Framework и включенной библиотеки Windows Forms. Графический интерфейс реализован с помощью методов из библиотеки Windows Forms, вычислительные алгоритмы написаны на языке C# для NET Framework 4.5, что позволяет запускать данную программу на версиях ОС Windows (начиная с Windows XP) и Linux.
Рассматриваемая программа позволяет выбирать различные поглощающие материалы и толщину пластинок. Для уменьшения статистической погрешности необходимо набрать достаточное количество зарегистрированных детектором нейтронов. Это достигается увеличением времени проведения эксперимента. В работе также учитывается естественный фон. Для этого регистрируют показания детектора в отсутствии работы источника.
Любой практикум, как правило, наряду с усвоением фундаментальных знаний и законов, подкрепленных натурным экспериментом, ставит также цель привить студентам навыки и умение моделировать физические процессы и явления. Поэтому комплексный подход в использовании виртуального и натурного лабораторных практикумов по атомной и ядерной физике является методически обоснованным. Не заменяя традиционные формы обучения, применение компьютерных моделей в физическом практикуме дает новые технологии для процесса обучения.
Литература
1.Physical Structure of Matter. Zeeman Effect. [электронный ресурс] URL: PHYWE Systeme GmbH & Co.KG D-37070 Gӧttingen. Laboratory Experiments Physics. P2511005
2.Бессонов, А.А., Дергобузов, К.А. Изучение эффекта Зеемана в оптике. – ХI Международная научно-методическая конференция «Новые образовательные технологии в вузе». − Челябинск, 2014.
3.Кадилин, В.В., Рябева, Е.В., Самосадный, В.Т. Взаимодействие нейтронов с веществом/ Прикладная нейтронная физика: учебное пособие.
–М.: НИЯУ МИФИ, 2011.
4.Справочник по ядерной физике под ред. Л.А. Арцимовича // М.: ФИЗМАТЛИТ, 1963.
245
Изучение вращательного движения материальной точки, подвешенной на нити (конический маятник)
с применением программы Mathcad
Е.В. Козьмин, ассистент кафедры основ физики Специализированного учебно-научного центра-2 Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (национального исследовательского университета) В.В. Соковишин, доцент кафедры основ физики СУНЦ-2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.ф.-м.н. e-mail: phizik45@mail.ru
Аннотация. В статье приводится описание лабораторной работы по физике, предложенной ученикам 9-х классов в период дистанционного обучения. Работа предполагает использование программы Mathcad.
Ключевые слова: физика, лабораторный практикум, дистанционное обу-
чение, Mathcad.
Study of rotational motion of a material point suspended on a thread (conic pendulum) using Mathcad program
E.V. Kozmin,
Assistant Professor,
Department of Fundamentals of Physics,
Specialized Educational and Scientific Center-2
V.V. Sokovishin,
Ph.D., Associate Professor,
Department of Fundamentals of Physics, SUNC-2,
Bauman Moscow State Technical University
Abstract. The article describes the laboratory work in physics offered to students of the 9th grade during the distance learning period. The work involves the use of the Mathcad program.
Keywords: physics, laboratory practice, distance learning, Mathcad.
Лабораторный практикум является ведущей частью учебного процесса в курсе физики средней школы. Мы предлагаем ознакомиться с лабораторной работой, которую мы предложили 9-м классам ГБОУ «Бауманская инженерная школа № 1580» в условиях дистанционного обучения. Целью работы является изучение вращательного движения материальной точки, подвешенной на нити, с применением программы Mathcad [1].
246
Для реализации эксперимента необходим перечень приборов и принадлежностей, которые можно найти в любых домашних условиях: маленький груз (шарик, шайба и пр.), нить, секундомер, лист миллиметровой бумаги, мобильный телефон с камерой, персональный компьютер с установленной программой Mathcad.
Порядок выполнения работы:
1.Груз подвешивается на нити, снизу под него кладется миллиметровая бумага (см. рис.1).
2.Груз приводится в движение по окружности, при этом скорость движения по окружности должна быть постоянной (некоторые обучающиеся использовали миксер для достижения постоянной скорости).
3.Видеокамера устанавливается так, чтобы она снимала траекторию движения груза. Пользуясь видеозаписью, измеряется диаметр окружности, которую описывает груз. Рассчитывается радиус окружности.
4.Измеряется промежуток времени t, за который груз совершает N полных оборотов. Рассчитывается период вращения груза.
5.Записывается уравнение движения груза, задав его в параметрическом виде:
,
где ω- угловая скорость вращения груза.
6. Записывается уравнение движения груза, используя значение измеренного ранее радиуса окружности и рассчитанной угловой скорости (зная период).
Рис.1. Схема установки для выполнения работы
Далее в программе Mathcad строятся графики зависимостей координат груза от времени (см. рис. 2 и рис. 3), а также траектория движения груза (см. рис. 4):
247
Рис. 2. Зависимость y(t) для груза
Рис. 3. Зависимость x(t) для груза
248
Рис. 4. Траектория движения груза
Обучающимся предлагается подготовить и прислать отчет о выполнении работы, а именно:
1.Протокол выполнения лабораторной работы (с целью работы, приборами и принадлежностями, результатами измерений, расчетами), всеми уравнениями.
2.Фотоотчет о проведении работы. На фотографиях должны быть видны в явном виде установка и ход выполнения работы, а также приложенное видео.
3.Скриншоты построения графиков зависимостей в программе
Mathcad.
Таким образом, в результате выполнения данного задания ученики 9-го класса закрепили тему «Кинематика движения материальной точки по окружности», выяснили, что движение по окружности является частным случаем гармонических колебаний и закрепили навыки построения графиков в программе Mathcad.
Литература
1. Описание программы Mathcad –URL: https://www.mathcad.com/ru/ (дата обращения 16.03.2021).
249
Особенности преподавания курса «Общая химия» студентам специальности
«Производство строительных изделий и конструкций»
Э.А. Тур, заведующая кафедрой инженерной экологии и химии УО «Брестский государственный технический университет», к.т.н., доцент e-mail: tur.elina@mail.ru
Аннотация. В статье рассматриваются различные аспекты преподавания химии студентам специальности «Производство строительных изделий и конструкций», роль лекционных и лабораторных занятий в формировании компетенций современного инженера-строителя. Рассмотрен опыт изучения раздела «строительная химия», применения тестовых заданий, проведения мини-конференций и управляемой самостоятельной работы.
Ключевые слова: химия в строительстве, лекции, лабораторные занятия, вопросы, тесты, коррозия металлов, коррозия бетона и минеральных материалов.
Features of teaching General Chemistry Course to students of Building Products and Structures Production specialty
E.A. Tur,
Ph.D., Associate Professor,
Head of the Department of Environmental Engineering and Chemistry,
Brest State Technical University
Abstract. The article deals with various aspects of teaching chemistry to students of the specialty «Production of building products and structures», the role of lectures and laboratory classes in the formation of modern civil engineer competencies. The experience of studying the section «construction chemistry», applying test tasks, holding mini-conferences and managing independent work is considered.
Keywords: chemistry in construction, lecture, laboratory class, question, test, corrosion of metal, corrosion of concrete and mineral materials.
Химии принадлежит важная роль в формировании академических и профессиональных компетенций будущего инженера-строителя. Она является основой для изучения общеинженерных и специальных дисциплин, таких как строительное материаловедение и технология строительного производства, физико-химические основы технологии строительных мате-
250