Practicum P5: bewegend geladen deeltje in magneetveld

Omschrijving

In dit practicum maken leerlingen kennis met het gedrag van geladen deeltjes in een magnetisch veld. Dit practicum is kwalitatief en geeft de leerlingen inzicht in wat er wel en niet gebeurt. Dit practicum kan daarom ook goed gebruikt worden als introductie voor practicum P6 waar daadwerkelijk verbanden worden afgeleid. In deze simulatie kunnen de leerlingen de invloed van de lading, de snelheid en de richting van het magnetische veld bestuderen.

Leerdoelen

Leerlingen ontdekken met deze simulatie het volgende:

• Invloed van de richting van het magnetische veld op de afbuiging van het deeltje
• Invloed van de grootte van de snelheid op de afbuiging van het deeltje
• Invloed van de grootte van de lading op de afbuiging van het deeltje

Voorkennis

• Begrip geladen deeltje
• Snelheid
• Middelpuntzoekende kracht
• Evenwijdig en loodrecht
• Lorentzkracht op een stroomdraad

Benodigdheden

• Laptop of Chromebook
• https://physics.bu.edu/~duffy/HTML5/charge_in_field.html

Klassikale introductie van het practicum

• Als demo kan een magneet bij een stroomdraad worden gehouden. Hoe komt dit?
• Alternatief is een staafje dat op twee geleidende koperen rails ligt. Wordt er dan een magneet bij het staafje gehouden, dat gaat het bewegen (mits er stroom loopt door het staafje). Je kunt variëren in wel of geen stroom, wel of geen magneet. Alleen de combinatie zorgt voor een bewegend staafje. Hoe komt dit?
• Werkt deze kracht ook “op afstand?”
• Herhaal de formule van de Lorentzkracht
• Demonstreer de simulatie
• Deze simulatie heeft de volgende opties:
  • Geen snelheid (“Starts from rest”)
  • Snelheid evenwijdig met B-veld (“Parallel to field”)
  • Verschillende ladingen (“+Q,+2Q, +3Q “) met standaard snelheid of dubbele snelheid
  • Drie verschillende snelheden

Uitvoering

• De simulatie kan de volgende vragen beantwoorden:
  • Is er een kracht als de snelheid evenwijdig is aan het magneetveld?
  • Is er een kracht als het deeltje stil staat?
  • Wat is de invloed op de kracht als de lading verandert?
  • Wat is de invloed van de snelheid op de straal van de baan?
• Bovenstaande kunnen klassikaal of in groepjes worden onderzocht
• Geef leerlingen de opdracht om tekeningen te maken met daarin de richting van de snelheid, het magnetische veld en de Lorentzkracht

Organisatie

Tijdsplanning (30 minuten):

• Introductie (5 minuten)
• Onderzoek + whiteboard (15 minuten)
• Kringgesprek + logboek (10 minuten)

Klassenorganisatie

• Deze simulatie is ook goed te gebruiken als introductie voor practicum P6
• Deze simulatie leent zich goed voor klassikale uitleg van de basisvereisten voor de Lorentzkracht op een deeltje.

Inhoud kringgesprek

• Geen lading à geen Lorentzkracht
• Geen snelheid à geen Lorentzkracht
• Snelheid evenwijdig (parallel) aan magnetisch veld à geen Lorentzkracht
• Hoe groter de lading à hoe sterker de Lorentzkracht
• Het teken van de lading bepaalt de richting van de Lorentzkracht
• Een grotere snelheid resulteert in een grotere baanstraal (Kijk uit dat leerlingen niet concluderen dat de Lorentzkracht kleiner is omdat de straal groter wordt !).
• Zorgt de Lorentzkracht voor een versnelling (discussie !)? Waarom wel/niet? Is er sprake van een snelheidsverandering?
• Laat zien dat de derde rechterhandregel ook werkt voor Lorentzkrachten op losse deeltjes mits je rekening houdt met het teken van de lading.

Inhoud logboek (optioneel)

• De voorwaarden voor het ontstaan van een Lorentzkracht:
  • Geladen
  • Bewegend
  • Beweegrichting moet loodrecht op magnetisch veld staan
• Hoe groter de lading hoe groter de Lorentzkracht
• De Lorentzkracht zorgt voor een eenparige cirkelvormige beweging
• De Lorentzkracht staat loodrecht op de cirkelvormige baan en levert dus de middelpuntzoekende kracht
• Lorentzkracht staat loodrecht op de cirkelvormige baan en kan daardoor geen arbeid leveren.  De snelheid blijft constant in grootte maar verandert alleen van richting.
• Derde rechterhandregel