Kvantová fyzika středoškolsky a aktivně
Také Vás fascinují zvláštnosti a nepochopitelnosti dějů v mikrosvětě? Snažíte se proniknout do tajů kvantové fyziky nebo byste se o to rádi pokusili? A možná jste učitelé a rádi byste tyto podivuhodné věci nějak přiblížili svým studentům. Jistě jim o tom můžete vykládat, a to velmi zajímavě. Ale možná byste chtěli, aby studenti měli možnost si něco „objevit“ sami.
V takovém případě je tato stránka určena právě Vám.
Naleznete zde materiály s náměty na aktivity z kapitoly nazývané často Vznik kvantové fyziky nebo Pokusy vedoucí ke kvantové fyzice. Náměty jsou zpracovány tak, aby byly zvládnutelné středoškolskými studenty a aby studenti při práci s experimantálními daty si sami vytvářeli vysvětlení (hypotézy) a závěry. Náměty jsou zpracovány jako sled úkolů a vedou ke konkrétnímu poznatku či zákonu.
Tyto aktivity byly součástí semináře Vybrané kapitoly z kvantové fyziky, který se konal pro učitele zapojené do projektu Heuréka v květnu 2007 a také byly představeny učitelům fyziky na konferenci Veletrh nápadů učitelů fyziky 12 v srpnu 2007.
Zatím jsou náměty uveřejněny jako pracovní listy určené učitelům použité na zmíněném semináři a vzorová řešení. Jejich přepracování na úplný metodický materiál se chystá v brzké době.
Popis jednotlivých námětů:
Od spektra atomu vodíku k jeho struktuře
Aktivita začíná od experimentálně naměřeného spektra vodíku (získaného z profesionální databáze atomových spekter NIST) a pomocí sledu jednotlivých úkolů jsou řešitelé vedeni k tomu, aby se ve spektru zorientovali a pokusili se v něm vysledovat nějakou pravidelnost či zákonitost. Tímto způsobem studenti „objeví“ existenci sérií spektrálních čar a vlastnosti čar v dané sérii.
Další krok se zabývá hledáním vhodného matematického popisu frekvence čar. Po vyhledání vhodného tvaru vzorce jsou volné koeficienty hledány metodou nejmenších čtverců (vícedimenzionální) pomocí nástroje Řešitel v programu MS Excel. Tímto postupem jsou nalezeny vzorce pro každou sérii zvlášť a poté jsou spojeny do jediného vztahu, který dokáže předpovědět frekvenci dané spektrální čáry v závislosti na dvou parametrech – čísla série a čísla čáry v dané sérii.
V poslední části se pracuje s hypotézou energetických hladin v atomu. Studenti hledají argumenty, které by jim pomohly rozhodnout mezi konkurenčními hypotézami popisujícími tyto stavy v atomu vodíku a přechody elektronu mezi nimi.
Tento námět byl inspirován a rozšiřuje aktivitu popsanou v příspěvku L. Koopmana na konferenci GIREP 2006.
Materiály a odkazy:
- Zadání aktivity (pracovní listy určené původně učitelům)
- Applet zobrazující emisní spektra vybraných prvků
- databáze atomových spekter NIST
- Tabulka (xls) s úplnými údaji o spektru atomu vodíku
- Tabulka (xls) se spektrem vodíku, předpřipravená pro studenty
- Soubor (xls) s kompletním řešením všech úkolů
Posviťme si na kovy
Tato aktivita se zabývá vnějším fotoelektrickým jevem. Řešitelé nejprve „proměří“ závislost proudu na frekvenci a intenzitě světla pomocí appletu, tj. počítačové grafické simulace. Dále se zaměří na význam brzdného napětí a jeho spojitost s kinetickou energií elektronů, se kterou opouštějí kovovou desku. Následně proměří závislost maximální kinetické energie elektronů na charakteristikách použitého světla. Naměřené závislosti zobrazí pomocí grafů.
Po proměření a popisu jednotlivých závislostí jsou dalšími úkoly směřování k vytvoření hypotézy, která by celý jev vysvětlila, a postupně „odkryjí“ Einsteinovu rovnici pro vnější fotoelektrický jev.
Materiály:
- Zadání aktivity (pracovní listy určené původně učitelům)
- Soubor appletů Physics Education Technology
- Applet The Photoelectric Effect ze souborů appletů PhET
- Soubor (xls) s řešením úkolů
- NOVÉ: Zadání pro žáky vytvořené pro Interaktivní fyzikální laboratoř
Dvojštěrbina to není jen dvakrát tolik štěrbin
Tento materiál se věnuje interferenci vlnění. Nejprve si řešitelé odvodí vzorec pro interferenci dvou vlnění v blízkém poli a své výsledky porovnají s reálným experimentem, videonahrávkou nebo s počítačovou simulací interference vln na vodě.
V dalším kroku se provede aproximace pro stínítko ve velké vzdálenosti (v porovnání s vlnovou délkou vlnění) a získané výsledky se porovnají s obrázkem interference světla (experimentálně získaným obrazcem nebo s jeho obrázkem). Poslední část se věnuje interferenci elektronů na dvojštěrbině. K demonstraci tohoto jevu je použit program Dualismus [4]. Studenti porovnávají průběh interference a získaný obrazec pro elektrony s interferenčním obrazcem dvou vlnění a modelem dvojštěrbiny jako dvou „nepřesných“ děl (tento model je popsán v [5]). Výsledkem je zjištění, že elektrony se v něčem podobají dělovým koulím, ale v něčem se chovají spíše jako vlny.
Tento námět byl inspirován materiálem Double slit experiment L. Koopmana.
Materiály:
- Zadání aktivity (pracovní listy určené původně učitelům)
- WolframAlpha, který lze využít pro vykreslování průběhů funkcí
- Soubor appletů Physics Education Technology
- Applet Wave Interference ze souborů appletů PhET
- program Dualismus - vznik interferenčního elektronového obrazce
- Řešení úloh 2 a 3 (gif), Řešení úlohy 6 (gif), Řešení úlohy 9 (gif)
nahoru
