Practicum P6: bewegend geladen deeltje in magneetveld (II)

Omschrijving

Met behulp van deze simulatie kunnen de leerlingen de verbanden afleiden die uiteindelijk leiden tot de formule voor de Lorentzkracht en/of de formule voor de baanstraal in een magnetisch veld. Deze simulatie is een vervolg op de simulatie uit P5 waar leerlingen kwalitatief geleerd hebben hoe bewegende geladen deeltjes zich gedragen in een magnetisch veld. In deze simulatie kunnen ze de massa, de lading, de beginsnelheid en de sterkte van het magneetveld variëren. Als resultaat komt er dan steeds een andere baan uit. In deze simulatie blijven alle banen zichtbaar zodat leerlingen ook een kwalitatieve indruk krijgen van de invloed van de verschillende grootheden.

Leerdoelen

Met behulp van deze simulatie leren de leerlingen:

• De invloed van de sterkte van het magneetveld, de lading, de snelheid en de massa op de straal van de baan en de Lorentzkracht

Voorkennis

• Basiskennis van het gedrag van een bewegend geladen deeltje in een magneetveld
• Coördinatentransformatie
• Middelpuntzoekende kracht

Benodigdheden

• Laptop of Chromebook
• https://ophysics.com/em7.html

Klassikale introductie van het practicum

• Als klassikale introductie kan de simulatie uit P5 gebruikt worden.
• Herhaal met leerlingen de basisvereisten voor het ontstaan van een Lorentzkracht
  • Geladen deeltje
  • Bewegend
  • Richting van de snelheid loodrecht op het magneetveld
• Herhaal de derde rechterhandregel
• Laat leerlingen hypotheses opstellen over het verband tussen r en B, q, v, en m.
• In deze simulatie zijn er 4 onafhankelijke variabelen (m, v, B, q) de afhankelijke variabele is de straal. Hierdoor is het mogelijk om de relatie te onderzoeken tussen r en B, q, m en v. Dit leidt tot de formule 

Uitvoering

De volgende onderzoeksvragen kunnen aan de leerlingen gevraagd worden.

• Wat is het verband tussen de straal van de baan en de massa van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de straal van de baan en de snelheid van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de straal van de baan en de lading van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de straal van de baan en de sterkte van het magneetveld?

Het is ook mogelijk om met de leerlingen te bespreken dat de middelpuntzoekende kracht gelijk is aan de Lorentzkracht. Door deze kracht uit te rekenen met kan dan de relatie worden onderzocht tussen  en m, v, B en q. Dit leidt tot de volgende onderzoeksvragen:

• Wat is het verband tussen de Lorentzkracht en de massa van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de Lorentzkracht en de snelheid van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de Lorentzkracht en de lading van het deeltje?
• Wat is het verband tussen de Lorentzkracht en de sterkte van het magneetveld?

Naast onderzoek met behulp van de simulatie is het ook mogelijk om leerlingen theoretisch de Lorentzkracht op een deeltje te laten afleiden, daarmee de formule .

Door het grote aantal onderzoeksvragen dat mogelijk is, is het verstandig om de onderzoeksvragen te verdelen over de groepen. Elke groep heeft op deze manier een unieke bijdrage aan de uiteindelijke discussie.

Organisatie (optioneel)

Tijdsplanning (70 – 80 minuten):

Het is een practicum waar veel verbanden aan de orde komen waardoor het prettig is om het in een blokuur uit te voeren.

• Introductie (P5 al gedaan, 10 minuten, P5 nog niet gedaan 20 minuten)
• Onderzoeksvragen verdelen en hypothese opstellen (10 minuten)

• Onderzoek + whiteboard (30 minuten)
• Kringgesprek (25 minuten)
• Afleiding formule  uit middelpuntzoekende kracht en Lorentzkracht
• Logboek (10 minuten)

Inhoud kringgesprek

• De straal van de baan is omgekeerd evenredig met de sterkte van het magneetveld B en de lading van het deeltje
• De straal van de baan is recht evenredig met de massa en de snelheid van het deeltje
• Laat leerlingen uitleggen waarom de grootheden B en q omgekeerd evenredig zijn en m en v recht evenredig met de straal
• Lorentzkracht is niet afhankelijk van de massa van het deeltje
•  

Inhoud logboek (optioneel)

• Optioneel: Herhaling van de basisvereisten voor het ontstaan van een Lorentzkracht
• Recht evenredig verband tussen m en v en de straal van de baan
• Omgekeerd evenredig verband tussen  B en q en de straal van de baan
• Bij gelijkblijvende B,q en v zorgt de massa voor een andere baanstraal. Dit is het principe van de massa-spectrometer