E7 H7 Eindopdracht

7 Eindopdracht

Deeltjesversnellers

We hebben al gezien dat geladen deeltjes met elektrische velden tot enorme snelheden versneld kunnen worden. En met magnetische velden kunnen we deeltjes in een cirkelbeweging dwingen. In deeltjesversnellers worden deze eigenschappen van elektrische en magnetische velden gebruikt om geladen deeltjes keihard op elkaar te laten botsen. Maar waarom?

Dat gaan we nu proberen uit te zoeken. We gaan daarvoor 'virtueel' naar Genève.

 

Bekijk idt filmpje

 

De opdracht

 

Je werkt in viertallen. Je moet een poster maken voor een breed publiek over het CERN. Daarnaast maken jullie een PowerPoint over de technische werking van de verschillende typen deeltjesversnellers die in Genève worden gebruikt.

De poster bevat in elk geval de volgende informatie:

1. korte geschiedenis van het CERN;

2. iets over de verschillende soorten versnellers die worden gebruikt;

3. eigenschappen van de Large Hadron Collider (LHC). Deze wordt wel the Big Bang Machine genoemd!

4. iets over de elektromagneten die voor de afbuiging zorgen (denk aan een plaatje; hoe krijg je zulke grote stromen?; supergeleiding);

5. het botsen van de protonen en wat men hieruit wil leren;

6. iets over de kosten. Is het het geld wel waard?

 

De PowerPoint moet dieper ingaan op de natuurkundige achtergrond. Hij bevat in elk geval:

1. uitleg van de natuurkunde achter de verschillende soorten versnellers;

2. iets over het Higgsdeeltje;

 

Naast het filmpje hierboven, kunnen de volgende bronnen behulpzaam zijn:
http://www.higgsdeeltje.nl/

http://www.lhc-closer.es/php/index.php?i=1&s=4&p=20&e=0

 

Les 1

In deze eerste les moeten in elk geval:

  • de groepjes worden samengesteld;
  • de filmpjes worden bekeken;
  • afspraken gemaakt worden met je groepsleden, over de werkzaamheden.

Thuis werk je jouw deel uit.

 

Les 2

 

 

In deze les moet het grootste deel van het werk worden gedaan. De afronding zul je thuis moeten doen, want de volgende les moeten de presentaties al worden gegeven!

In elk geval zul je:

  • de opzet van de powerpoint en/of de poster uitgewerkt moeten hebben;
  • de taakverdeling (wie gaat wat vertellen?) voor de presentatie moeten hebben gemaakt. Mail deze naar je begeleider (docent of PAL).

De Poster en de PowerPoint zullen thuis moeten worden afgemaakt.

 

Les 3

 

 

Tijdens de derde les zullen de presentaties worden beoordeeld en van commentaar voorzien.

Als je de presentaties goed hebt kunnen volgen, dan zal de laatste opgave van de module geen probleem meer voor je zijn

 

Opgave 45)

Lees onderstaand artikel:

 

"Large Hadron Collider (LHC) geopend

Wetenschappers zijn al jaren op zoek naar het zogenaamde Higgs-deeltje.

Om dit te vinden, is in de buurt van Genève in het voorjaar van 2010 de Large Hadron Collider (LHC) in gebruik genomen.

Deze ondergrondse deeltjesversneller is met een diameter van maar liefst 8,4858 km de grootste ter wereld.

In de LHC worden protonen versneld tot bijna de lichtsnelheid.

De LHC bestaat uit een ondergrondse ring met daarin twee dicht naast elkaar gelegen cirkelvormige buizen. In de twee buizen gaan twee bundels protonen rond in tegengestelde richting.

Als ze door het versnellen een energie van 7,0 TeV (tera-elektronvolt) hebben gekregen, laten de wetenschappers de protonen in een detector tegen elkaar botsen.

Tijdens de botsing ontstaan allerhande elementaire deeltjes. Hierbij hopen de wetenschappers het Higgs-deeltje te vinden."

 

 

Voordat de protonen in de ring van de LHC binnenkomen, worden ze eerst in een lineaire versneller versneld. Deze versneller is niet te zien in de figuur in het artikel.

Daarbij doorlopen de protonen een groot aantal malen een elektrische spanning van 5,0 kV.

 

a. Bereken hoe vaak de protonen deze spanning moeten doorlopen om een snelheid van 1,2·107 m s-1 te krijgen, als ze vanuit stilstand versneld worden.

Voordat de protonen in de grote ring komen, worden ze in twee bundels gesplitst. Daarna worden de protonen versneld totdat ze 11245 maal per seconde de ring doorlopen.

 

b. Bereken hoeveel procent de snelheid van de protonen dan verschilt van de lichtsnelheid.

Als je met de klassieke theorie de kinetische energie van 7,0 TeV omrekent naar de snelheid van het proton, vind je een waarde die veel groter is dan del ichtsnelheid.

Volgens de relativiteitstheorie is dit niet mogelijk, omdat de massa van een deeltje tot oneindig toeneemt als het deeltje de lichtsnelheid bereikt. Dit is weergegeven in figuur 1.

Bij elke omwenteling neemt de kinetische energie van een proton toe.

 

c. Leg aan de hand van figuur 1 uit dat een proton nooit de lichtsnelheid bereikt,hoe groot de kinetische energie ook is.

In de ring bevinden zich twee buizen waarin de protonen in tegengestelde richting bewegen. Dit is schematisch weergegeven in figuur 2.

Rechts in figuur 2 zie je een foto van de dwarsdoorsnede bij punt A.

De protonen worden in de buizen in een cirkelbaan gehouden door sterke elektromagneten om de buizen.

In figuur 2 is met een stip aangegeven dat de protonen in de rechterbuis naar je toe bewegen en met een kruis dat de protonen in de linkerbuis van je af bewegen.

 

d. Welke richting heeft het magneetveld in het rechterdeel van figuur 2? En in het linkerdeel?

 

Voor een proton met een energie van 7,0 TeV dat rondgaat in een buis, geldt voor de middelpuntzoekende kracht:

Hierin is:

- E de energie van het proton,

- r de straal van de baan.

 

e. Bereken de sterkte van het magneetveld.

De protonen gaan in groepjes door de buizen. Dit is schematisch weergegeven in figuur 3.

In één buis bewegen 2808 groepjes protonen. Hierdoor is in die buis de stroomsterkte gelijk aan 0,582 A.

 

f. Bereken hoeveel protonen er in één groepje zitten.

 

In de detector laten de wetenschappers de bundels elkaar snijden. Als twee protonen op elkaar botsen, kunnen nieuwe elementaire deeltjes ontstaan.

De wetenschappers hopen hierbij het Higgs-deeltje te vinden. De massa van het Higgs-deeltje is nog niet bekend. Wel zijn schattingen gemaakt.

Eén van de schattingen stelt dat de massa van het Higgs-deeltje in de orde van grootte van 10-25 kg is.

 

g. Laat met een berekening zien of de energie van de twee botsende protonen genoeg is om een Higgs-deeltje te laten ontstaan.

 

  • Het arrangement E7 H7 Eindopdracht is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Bètapartners Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
    Laatst gewijzigd
    2014-11-28 21:54:35
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

    Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld  en getest in een SURF-project  (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student).  In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT.  In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo).  Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.

    Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl

    De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website). 

    Gebruiksvoorwaarden:  creative commons cc-by sa 3.0

    Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.

     

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'Elektrische en magnetische velden' voor VWO 5 en 6 voor het vak natuurkunde.
    Leerniveau
    VWO 6; VWO 5;
    Leerinhoud en doelen
    EM-straling (niet zichtbaar); Natuurkunde; Licht, geluid en straling;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Trefwoorden
    e-klassen rearrangeerbaar

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Meer informatie voor ontwikkelaars

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van