Feladat: 147. fizika mérési feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Major Zsuzsanna 
Füzet: 1993/március, 142 - 143. oldal  PDF file
Témakör(ök): Mechanikai mérés, Elektromos mérés, Mágneses dipólusra ható erő, Rutherford-kísérlet (-szórás), Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1992/november: 147. fizika mérési feladat

Vízszintes asztalon indigópapír segítségével megörökíthetjük egy nagyméretű guruló acélgolyó nyomvonalát. Helyezzünk el egy mágnest az asztalon, és vizsgáljuk meg a mellette más-más távolságra elhaladó golyó pályáját!
Milyen görbék lesznek a nyomvonalak?

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A feladat útmutatása alapján egyszerűen elkészíthetjük az acélgolyók pályájának vizsgálatához szükséges kísérleti elrendezést. Érdemes viszonylag nagy tömegű golyót és érzékeny indigópapírt használni, hogy a nyomvonalak minél jobban látszódjanak. Fontos az is, hogy az asztallap nagyon pontosan vízszintes legyen. A golyókat célszerű egy kis lejtő adott magasságú pontjából indítani, így a gurítás sebességének nagysága és iránya pontosan beállítható.

 
 

1. ábra
A golyók pályái
 

 
 

2. ábra
A golyók α eltérülési szöge
az ütközési paraméter függvényében
 

Major Zsuzsanna (Friedrich Eugens Gymnasium, I. o. t.) méréseit egy 2 cm átmérőjű acélgolyóval végezte. A mágnest a gurítás síkja alatt helyezte el, így a golyó nem ütközhetett a mágnesnek. Az 1. ábrán azonos kezdősebességgel, de a mágnestől különböző d távolságban haladó egyenesek mentén indított golyók nyomvonala látható. Megfigyelhetjük, hogy a mágnestől távol haladó golyók pályáját csak kis mértékben módosította a mágnes, míg a mágneshez közelebb guruló golyók jelentősen eltérültek. A két legkisebb d értékhez tartozó gurításnál a golyókat ,,befogta'' a mágnes; pályájuk a mágnes körüli térrészre korlátozódott.
A 2. ábrán az α eltérülési szög látható az ütközési paraméternek nevezett d mennyiség függvényében.
Az acélgolyók eltérülése hasonlít egy csillag gravitációs erőterében haladó égitest mozgására. A távolság négyzetével fordított arányban csökkenő gravitációs erőtérben a testek hiperbola, esetleg parabola, vagy ,,befogás'' esetén ellipszis alakú pályán mozognak. A mágnes erőtere azonban sokkal bonyolultabb, függ a mágnes alakjától és a pólusainak elhelyezkedésétől, így a pálya alakjának egyszerű matematikai leírása nem adható meg. Annyit mindenesetre állíthatunk, hogy a nagy impulzusú, a mágnestől messze haladó mozgás pályagörbéje hiperbolaszerű, míg ,,befogás'' esetén a pálya szabálytalan spirál alakú.
 
Megjegyzés. Az itt ismertetett kísérlethez hasonló ,,szóráskísérletekkel'' az atomi, vagy atomoknál sokkal kisebb részecskék közötti erőhatásra, kölcsönhatásra lehet következtetni. A szóródó részecske energiáját változtatva, illetve az eltérülés szögéből az ütközési paraméterre következtetve, a szóródó részecskék összeszámlálásával szinte le lehet ,,tapogatni'' a kölcsönhatást. A fizika történetében a legelső és talán leghíresebb szóráskísérlet Rutherford kísérlete volt, amely az atommag felfedezéséhez vezetett.