| Сегодня 4 июля, пятница |
      |
  
|
  
Какой рейтинг вас больше интересует?
|
Главная /
Каталог блоговCтраница блогера Что интересного происходит в науке/Записи в блоге |
 |
Что интересного происходит в науке
Голосов: 1 Адрес блога: http://igorivanov.blogspot.com/ Добавлен: 2008-05-17 13:57:21 блограйдером Lurk |
Контактный пост – 4
2012-11-19 18:12:00 (читать в оригинале)Поскольку блог пока что живет в режиме вопросов-ответов, открываю новый контактный пост. Как всегда, прошу принимать во внимание мои пожелания по поводу вопросов.
Исследовательские работы для школьников
2012-10-26 18:53:00 (читать в оригинале)В контактном посте меня попросили предложить какие-нибудь темы исследовательских работ, которые могли бы выполнить школьники без спецоборудования, с помощью приборов, которые можно найти в обычном школьном кабинете физики. И мне захотелось ответить отдельным постом.
ее сайт, который не обновлялся, по-моему, с 2001 года (и в котором стоит кодировка KOI-8). Среди мероприятий, которые проводились в рамках нее, были и исследовательские задачи для школьников. Происходило это так: ребятам предлагалось несколько задач, они разбивались на команды, примерно месяц над этими задачами работали (как теоретически, так и экспериментально), а потом на Турнирах Юных Физиков происходила «битва решений». Точнее, не решений даже, а подходов — задачи это были такие, что у них не было какого-то одного «правильного» решения, это были скорее темы для исследований.
Так что я решил тут собрать вместе, с одной стороны, то, что вспоминается с тех времен, и с другой стороны, что мне уже сейчас приходит в голову в качестве возможных тем. И сразу пара общих замечаний:
- предложить тему — это только самое начало работы; дальше надо самому ставить перед собой конкретные вопросы, надо самому думать, куда двигаться и что потребуется изучить; цель — это не получить ответ, а дать ребятам возможность научиться самостоятельно думать и экспериментировать.
- решением считается не получение конкретного ответа, а проведение исследования, разностороннее понимание явления (как экспериментальное, так и теоретическое), способность ориентироваться не только в этой, но и в других близких задачах. Конкретно, если в задаче требуется что-то найти, то под этим подразумевается не только «чему равно», но и «как зависит от параметров задачи».
Механика
- Шарик скатывается с трамплина высоты h. Подобрать форму трамплина так, чтобы шарик улетел как можно дальше (имеется в виду расстояние в длину между точкой отрыва и точкой первого касания).
- Металлическая цепочка, свисающая одним концом со стола, начинает соскальзывать с него и падает на пол. Какую форму примет цепочка на полу?
- Изучите вращение (и более широко, динамику столкновения) двух (или больше) магнитных шариков (см. мои посты раз и два)
- Постройте механическую модель коллайдера, типа той, что я описывал у себя, и с ее помощью поизучайте законы сохранения и прочие механические явления.
- Может ли камень, упав в песок, полностью в него зарыться?
- Прозрачный контейнер с песком можно установить на платформу, которая дрожит с настраиваемой амплитудой и частотой. Выяснить, что происходит с песком при этом. В частности, должно наблюдаться «разжижение» песка (т.е. спонтанная текучесть), причем оно должно быть сильнее на поверхности, чем в глубине. На самой поверхности могут возникать интересные солитоны или волны. При опускании предметов в такой дрожащий песок они начнут тонуть, исследовать и это явление тоже.
- Из емкости с водой через дырочку в дне вытекает вода. На какой высоте эта струя разбивается на капли? Выяснить, как эта высота зависит от параметров задачи (размера дырочки, высоты уровня воды, времени отстаивания воды, вязкости/поверхностного натяжения и т.д.)
- Попытаться реализовать и исследовать «прыгающую каплю» (см. видео на Youtube)
- В стакан с газировкой кинули виноградину. Она то всплывает, покрывшись пузырьками, то снова тонет. Определить период этих колебаний.
- Как известно, в воздушной струе, направленной вверх, может легко зависнуть легкий шарик. Имеется утверждение, что если в шарике просверлить сквозную дырку, он будет не просто висеть, а быстро крутиться. Исследовать это явление.
- В открытую стеклянную трубку насыпали смесь песка и железных опилок, подвели к обоим концам электроды и пропустили ток. Как зависит сопротивление смеси от процентной доли опилок? Как меняется ответ в случае, если песчинки и опилки примерно одинакового или сильно отличающегося размера?
- Придумайте и сконструируйте устройство, наиболее эффективно превращающее энергию горящей свечи в электричество.
- Изучить, как сопротивление контакта между двумя проводниками зависит от прижимающей силы. Тут тонкость в том, что эффект заметен только для очень малых прижимающих сил (вес грузика порядка миллиграммов). Кстати, этот прибор потом можно будет использовать как чувствительный, ну не сейсмограф, но датчик мелкой тряски.
- Попробуйте получить лазерный луч с орбитальным угловым моментом. В принципе, это сделать несложно — надо приготовить дифракционную решетку с дислокацией. Если есть хороший лазерный принтер, то такую решетку можно просто взять и напечатать на прозрачке. Если будет желание, я могу потом описать задачу подробнее.
- Поизучать законы многократного отражения от двойного стеклопакета (см. мой пост).
- Изучить свечение, возникающее при разматывании скотча, и попробовать добиться рентгеновского излучения (см. мой пост).
Если у кого еще есть интересные предложения, поделитесь в комментариях.
Контактный пост – 3
2012-09-30 03:31:00 (читать в оригинале)Предыдущий контактный пост переполнился, поэтому открываю новый пост для вопросов и связи. Перед тем, как задать вопрос, обратите, пожалуйста, внимание на мои пожелания.
Про открытие хиггсовского бозона
2012-07-04 23:57:00 (читать в оригинале)Для тех, кто волнуется, почему нет комментариев про сегоднящнее открытие бозона Хиггса. Там всё в порядке, не беспокойтесь. У меня тут так всё совпало, что прямо в этот день я уезжаю (уже уехал :)) и буду без инета несколько дней. Поэтому я пока отписался очень кратко на «Элементах», а подробная новость будет потом.
Вкратце, есть по 5 сигм в каждом из двух детекторов, так что это уже официально открытие. Некоторые, конечно, осторожничают и говорят, что это открытие какой-то там частицы, необязательно бозона Хиггса, но подавляющее большинство физиков высоких энергий уверено, что это действительно бозон Хиггса — уже слишком хорошо всё сходится друг с другом. Другой вопрос — стандартный ли это Хиггс или нет. Вот это сейчас будет очень горячая тема (хотя, казалось бы, куда уж горячее).
Так что да, начинается новая эра в физике элементарных частиц. Желающие могут посмаковать подробности из оригинальных докладов и поугадывать будущее развитие ситуации.
Механическая модель коллайдера
2012-04-24 02:35:00 (читать в оригинале)Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.
Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.
 |
| Рис. 2. «Детекторная» часть модели. |
Вот видео, на котором всё это показано в действии. Файл довольно тяжелый, т.к. я загрузил видео в HD, и поэтому лучше смотреть на полном экране (вот прямая ссылка на youtube):
Сопроводительные пояснения (для сравнения см. устройство LHC и устройство типичного современного детектора).
- Инжекция — в настоящих ускорителях частицы вначале предварительно разгоняют до небольших энергий и лишь потом их вспрыскивают (инжектируют) в основное ускорительное кольцо.
- Динамика частиц в ускорителе — циркулируя в кольцевом ускорителе, частицы постепенно теряют свою энергию, а также стремятся расплыться вдоль кольца. В реальных коллайдерах оба этих эффекта компенсирует ускорительная секция, которая отсутствует в этой механической модели.
- Бетатронные колебания — попав в ускоритель, частицы вовсе не ложатся на идеальную траекторию, а колеблются относительно нее в поперечной плоскости. Эти колебания необходимо держать под контролем, чтобы пучок не задел стенки вакуумной камеры. Впрочем, в электрон-позитронных коллайдерах бетатронные колебания с течением времени быстро затухают из-за излучения.
- Столкновения частиц в настоящих коллайдерах происходит внутри детекторов. Вакуумная труба в этих местах очень узкая и тонкостенная, чтобы не мешать разлетаться столкнувшимся частицам. Эти частицы оставляют свои следы в нескольких слоя детектора, и по ним физики восстанавливают картину столкновения. В нашей модели шарики разлетаюся после столкновения, прочерчивая след («трек») на тонком слое песка.
 |
| Рис. 3. Пример столкновения. |
- Характеристики треков позволяют кое-что узнать о самом столкновении. Направления треков указывают на точку, в которой оно произошло, а из длин треков можно извлечь энергии шариков — это очень похоже на то, как анализируются результаты настоящих столкновений элементарных частиц. У нас треки часто получаются не сплошные, а в виде отдельных «пикселей», что тоже очень похоже на ситуацию в реальных детекторах. И для пущего сходства треки иногда получаются не прямыми, а заметно закрученными (хотя причины для этого, конечно, разные).
- Паразитные столкновения — и в реальном ускорителе, и в этой модели далеко не каждое столкновение регистрируется детектором. Если после столкновения частицы не приобрели достаточно большого поперечного импульса, то они «улетают в трубу», и детектор их не видит. При анализе реальных столкновений надо всегда помнить про эти процессы.
- Угловое распределение — даже если бы начальные состояния реальных сталкивающихся частиц были точно известны, результат каждого конкретного столкновения предсказать нельзя, это одно из ключевых свойств квантовой механики. Поэтому физики не довольствуются одним столкновением, а повторяют его множество раз и смотрят получившиеся распределения результатов. В нашем случае, это иллюстрируется угловым распределением при повторных столкновениях.
- Сгустки частиц — вероятность столкновения в одной пары частиц в реальных ускорителях ничтожно мала. Поэтому там в каждом направлении циркулирует не одна частица, а целый сгусток из миллиардов частиц.
- Эффект нагромождения (pile-up) — когда количество частиц в сгустке достаточно велико, при одном столкновении сгустков может произойти сразу несколько независимым столкновений частиц. Результаты столкновения нагромождаются в детекторе друг на друга, и из анализ становится непростой задачей. Здесь можно заметить, что направления треков четко указывают на то, что произошло несколько столкновений в разных точках.
 |
| Рис. 4. Пример столкновения «сгустков» из нескольких шариков. |
- «Мертвое время» детектора — детектору всегда требуется некоторое время на то, чтобы «считать» треки, передать данные в компьютер и очистить детектор. Во время этого процесса детектор не готов воспринимать новые частицы. Это «мертвое время» детектора влияет на его быстродействие.
Технические подробности
Если кто-то захочет самостоятельно сделать подобную модель, то вот несколько замечаний и советов.
1) Самая сложная в изготовлении часть — это труба. Мы заказывали ее в фирме, которая как раз гнет трубы из плексигласа. Главная трудность — сделать так, чтоб внутренняя поверхность была гладкой и ровной, без морщин. При таком соотнощении радиуса трубы и радиуса закругления это оказалось не так уж и просто, фирма сделала это вовсе не с первой попытки. Для примера выкладываю чертеж трубы с параметрами, которые я запросил у фирмы. Можно, конечно, сделать трубу из чего-то другого, надо только убедиться, что материал достаточно жесткий — иначе шарик не будет долго катиться (на нашей модели он делает 3-4 оборота, это достаточно для демонстрации).
 |
| Рис. 5. Чертеж трубы из плексигласа. |
2) В окрестности места столкновений труба должна быть максимально плоской, чтобы позволить частицам вылетать вбок без подпрыгивания. Поэтому центральная секция у нас выполнена в виде металлической вставки, которая вначале повторяет кривизну трубы, а к центру распрямляется. Поскольку нереально просчитать заранее все параметры, надо дать себе свободу действий для настройки этой секции. Кроме того, надо сделать так, чтобы на месте стыка трубы и вставки не было ступеньки.
3) Опять же, трудно заранее просчитать, под каким углом и с какой скоростью шарики должны влетать в трубу, чтобы попасть на хорошую траекторию и не вылететь в центральной секции. Здесь тоже надо предоставить себе свободу маневров, как по высоте, так и по углу. Мы использовали для этого липучки-велкро на концах желобов, на их держателе, и на окошках трубы.
