Mathesis Πειραματική Κβαντομηχανική στο Σχολικό Εργαστήριο
Περιγραφή του μαθήματος
Μέσα στο σχολικό Εργαστήριο, η Κβαντομηχανική παύει να είναι μια στοίβα από τύπους στο χαρτί και γίνεται εμπειρία με 4 σταθμούς.
1ος σταθμός: Η «σωτηρία» από την Υπεριώδη Καταστροφή:
Από την... αναμέτρηση ενός laser με ένα μπαλόνι υπό το «βλέμμα» μιας θερμικής κάμερας, θα ανακαλύψουμε τη συμμετρία της εκπομπής και της απορρόφησης φωτός από την ύλη. Θα παρακολουθήσουμε τη «μουσική των χρωμάτων» να αλλάζει καθώς το νήμα βολφραμίου πυρακτώνεται, επιβεβαιώνοντας τον νόμο του Wien για το Μέλαν Σώμα. Κατόπιν, όχι μόνο θα επιβεβαιώσουμε αλλά και θα ανακαλύψουμε ξανά μέσω ηλεκτρικών κυκλωμάτων τον νόμο των Stefan-Boltzmann, όπου η θερμοκρασία «διατάζει» την ύλη για το ποια και πόση ακτινοβολία θα εκπέμψει.
2ος σταθμός: «Κυνηγώντας» τα Φωτόνια:
Θα φορτίσουμε το ηλεκτροσκόπιο και θα διαπιστώσουμε ότι το ορατό φως αποτυγχάνει εκεί όπου το υπεριώδες θριαμβεύει. Κατόπιν, θα «παγιδεύσουμε» εξερχόμενα ηλεκτρόνια μέσα σε μια φωτολυχνία Καισίου και θα βιώσουμε τη στιγμή που ο Einstein παίρνει τη σκυτάλη από τον Planck και μετατρέπει μια απλή Αρχή Διατήρησης Ενέργειας σε «διάσημη» Φωτοηλεκτρική Εξίσωση.
3ος σταθμός: Η «υπογραφή» των Στοιχείων:
Στο φασματοσκόπιο θα δούμε το συνεχές φάσμα της πυράκτωσης να δίνει τη θέση του στα «barcodes» των αερίων∙ ώστε, έπειτα, να συγκρίνουμε τις θεωρητικές προβλέψεις του Bohr με τις δικές μας μετρήσεις που προκύπτουν από τον «κβαντικό χορό» του ηλεκτρονίου μεταξύ των ενεργειακών σταθμών.
4ος σταθμός: To «κλείδωμα» των Θεωριών:
Με έναν πολύ μικρών διαστάσεων ανιχνευτή ακτινοβολίας γ, θα δούμε το φαινόμενο Compton να «χτίζει»... υπόβαθρο και να ξεχωρίζει από το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο καθώς και αντιπροσωπευτικές εφαρμογές σύγχρονων ηλεκτρονικών διατάξεων και οργάνων που κάνουν την Κβαντομηχανική να «δουλεύει» μπροστά στα μάτια μας!
Τεχνολογία και Ψηφιακά Εργαλεία: Εκεί που οι αισθήσεις σταματούν...
Επιστρατεύουμε την τεχνολογία, για να «δούμε» το αόρατο. Από τα ψηφιακά πολύμετρα και τη συσκευή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, μέχρι τη θερμική κάμερα που αποκαλύπτει την κρυμμένη ακτινοβολία. Χρησιμοποιούμε smartphone ως φωτόμετρο και λάμπα υπεριώδους ακτινοβολίας για αποτελεσματική αλληλεπίδραση ύλης-φωτός. Οπτικοποιούμε την κβαντική φύση με διαδραστικές προσομοιώσεις και μετατρέπουμε τα πειραματικά δεδομένα σε γραφήματα.
Ο Στόχος:
Να κάνουμε την Κβαντομηχανική του Λυκείου ζωντανή, προσβάσιμη και γοητευτική! Γιατί, τελικά, η Κβαντική Φυσική ανακαλύφθηκε για να δικαιολογήσει την ίδια μας την ύπαρξη!
Πειραματική Κβαντομηχανική στο Σχολικό Εργαστήριο (Νέο)
Κατερίνα Κομμά
Η Κατερίνα Κομμά είναι απόφοιτος του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης, με διδακτική εμπειρία 35 ετών στην ιδιωτική και δημόσια εκπαίδευση. Ως υπεύθυνη Σχολικού Εργαστηρίου, πιστεύει ότι το πείραμα είναι ο απαραίτητος «σπόρος» για την καλλιέργεια της κριτικής ανάλυσης και του ανήσυχου πνεύματος των μαθητών.
Η διαρκής αναζήτηση νέων δρόμων στη διδασκαλία και η ενσωμάτωση ψηφιακών εργαλείων την οδήγησαν πρόσφατα στο βραβείο δημιουργικής διδασκαλίας "Εύρηκα, Εύρηκα!" του ΙΤΕ. Παράλληλα, έχει συμμετάσχει σε καινοτόμες δράσεις, όπως το πρόγραμμα «Future Library» του Ιδρύματος Σταύρος Νιάρχος.
Θεωρεί τον εαυτό της ευνοημένο που υπήρξε φοιτήτρια του Στέφανου Τραχανά. Η εμπειρία της ως βοηθός διδασκαλίας σε μαθήματά του στο Mathesis την έφερε σε ουσιαστική επαφή με την αξία της ποιοτικής και ανοικτής διαδικτυακής μάθησης, την οποία υπηρετεί σήμερα με το ίδιο πάθος.
Στέφανος Τραχανάς
Ο Στέφανος Τραχανάς διδάσκει, μεταξύ άλλων, κβαντική φυσική και διαφορικές εξισώσεις στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης, από το 1983 έως σήμερα. Από το 1986 και μετά είναι μέλος του επιστημονικού προσωπικού του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) και η διδασκαλία του στο τμήμα Φυσικής προσφέρεται δωρεάν.
Είναι συγγραφέας έντεκα πανεπιστημιακών συγγραμμάτων στα παραπάνω πεδία καθώς και των βιβλίων Το φάντασμα της όπερας: Η επιστήμη στον πολιτισμό μας, Το αμάρτημα της Εύας: Φυσική κάτω από τ’ άστρα και δημιουργική μάθηση, Ο Κύκλος: Επιστήμη και Δημοκρατία σε ανήσυχους καιρούς και Ο Βομβιστής κι ο Στρατηγός: Ιστορώντας την κβαντική επανάσταση, 1900-2025, τα οποία απευθύνονται στο ευρύτερο κοινό. Το βιβλίο του An Introduction to Quantum Physics κυκλοφόρησε το 2018 από τον εκδοτικό οίκο Wiley. Πρόσφατα κυκλοφόρησε επίσης το βιβλίο του Κβαντομηχανική Λυκείου: Για τη χαρά της ανακάλυψης, το οποίο απευθύνεται κυρίως σε εκπαιδευτικούς και ανήσυχους μαθητές, και το βιβλίο του Προβλήματα Κβαντομηχανικής Λυκείου: Γιατί υπάρχουν και πανελλαδικές εξετάσεις!, με το οποίο ολοκληρώνεται η προσπάθειά του να στηριχτεί η διδασκαλία του αντικειμένου στο ελληνικό σχολείο. Υπό έκδοση βρίσκεται το βιβλίο του Η εκδίκηση του πυριτίου: Μια σύντομη ιστορία της νοημοσύνης. Δείτε περισσότερα
Νίκος Γκικόπουλος
Ο Νίκος Γκικόπουλος συνεργάζεται με τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης από το 2011 ως τεχνικός πληροφορικής, αρχικά για την κατασκευή ενός ειδικού διαδικτυακού και διαδραστικού βιβλίου και την παραμετροποίηση του λογισμικού αυτοματοποιημένης εξέτασης των χρηστών του. Έπειτα, από το 2014 και μετά είναι ο τεχνικός υπεύθυνος του Mathesis με τη βασική ευθύνη τόσο για την παραμετροποίηση της πλατφόρμας OpenEdX όσο και τη βιντεοσκόπηση των μαθημάτων του.
Το 2022 του απονεμήθηκε το Βραβείο Εξαιρετικών Υπηρεσιών προς το ΙΤΕ.
Περιεχόμενα μαθήματος
Εβδομάδα 1: Η ακτινοβολία του μέλανος σώματος
1.1 Η ακτινοβολία του μέλανος σώματος
1.1.1 Οι πειραματικοί νόμοι της ακτινοβολίας των θερμών σωμάτων και το… φιάσκο της κλασικής φυσικής
1.1.2 Πώς η υπόθεση του φωτεινού κβάντου σώζει τη φυσική και τους φυσικούς
1.1.3 Ο υπέροχος πραγματικός κόσμος εκεί έξω: Τέσσερις σχετικές ασκήσεις
1.2 Τα μαύρα σώματα ζουν ανάμεσά μας
1.2.1 Η καμπύλη της «Σωτηρίας» μας!
1.2.2 Το άσπρο μπαλόνι με τις μαύρες βούλες
1.2.3 Η προσομοίωση
1.3 O Νόμος του Wien
1.3.1 Η μεταβολή του φάσματος ενός στερεού με την αύξηση της θερμοκρασίας
1.3.2 Η μεταβολή του χρώματος ενός στερεού με την αύξηση της θερμοκρασίας
1.3.3 Το «ψυχρό» κόκκινο και το «θερμό» μπλε
1.4 Ο Νόμος των Stefan-Boltzmann
1.4.1 Το πυρωμένο «μάτι» της κουζίνας
1.4.2 Γιατί ο Stefan και ο Boltzmann είχαν δίκιο (Αποδεδειγμένα στην κουζίνα!)
1.4.3 «Βρήκα κι άλλο μονοπάτι…»
1.4.4 Προετοιμάζοντας τη γραφική παράσταση…
1.4.5 Η εξάρτηση της έντασης της ακτινοβολίας από τη θερμοκρασία
Εβδομάδα 2: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
2.1 Όταν τα φωτόνια «πεθαίνουν» για να ελευθερώσουν τα ηλεκτρόνια…
2.1.1 «Μυστήρια πράγματα…»
2.1.2 Το υπεριώδες τα κατάφερε!
2.1.3 Φωτοηλεκτρόνια… Ε, και;
2.2 Η προσομοίωση
2.2.1 Η συχνότητα κατωφλίου και το έργο εξαγωγής
2.2.2 Η Φωτοηλεκτρική Εξίσωση του Einstein
2.2.3 Η σχέση της έντασης του ρεύματος με την τάση
2.2.4 Η σχέση της έντασης του ρεύματος με την ένταση της ακτινοβολίας
2.2.5 Η σχέση της κινητικής ενέργειας με τη συχνότητα της ακτινοβολίας
2.3 Η συσκευή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου
2.3.1 Περιγραφή της συσκευής
2.3.2 Γραφική παράσταση i = i(I)
2.3.3 Γραφική παράσταση i = i(V)
2.3.4 Ανακεφαλαίωση
2.3.5 Πώς θα υπολογίζω την κινητική ενέργεια;
2.3.6 Μετρώντας την «τάση αποκοπής»!
2.3.7 Η εξάρτηση της κινητικής ενέργειας από τη συχνότητα της ακτινοβολίας
2.3.8 Η συμφωνία Einstein-Planck
Εβδομάδα 3: Το ατομικό πρότυπο του Bohr και μια αναφορά στο φαινόμενο Compton
3.1 Το Φασματοσκόπιο πρίσματος
3.1.1 Ο κατευθυντήρας και το πρίσμα
3.1.2 Ο σωλήνας κλίμακας και η διόπτρα
3.1.3 Το τροφοδοτικό τάσεων και η κλίμακα μετρήσεων
3.1.4 Το συνεχές φάσμα του λαμπτήρα πυρακτώσεως
3.1.5 Τα γραμμικά φάσματα των αερίων
3.2 Το άτομο του Υδρογόνου
3.2.1 Η προσομοίωση
3.2.2 Σωλήνες Geissler – To γραμμικό φάσμα του Υδρογόνου
3.2.3 Θεωρητικός υπολογισμός μηκών κύματος
3.2.4 Από τη θεωρία στην πράξη
3.3 Σταθερά του Planck: Ο παγκόσμιος συνδετικός κρίκος
3.3.1 Μια στάση εδώ…
3.3.2 Ενεργειακές μεταβάσεις
3.3.3 Υπολογισμός της σταθεράς του Planck
3.3.4 Η γραφική παράσταση και ένα «έντιμο» σχόλιο
Εβδομάδα 4: Εφαρμογές κβαντικών φαινομένων
4.1 Από το πρότυπο του Bohr στις εφαρμογές των ημιαγωγών
4.1.1 Εισαγωγή στους ημιαγωγούς
4.1.2 Δίοδος LED
4.1.3 Δίοδος LASER
4.2 Εφαρμογές φωτοηλεκτρικού φαινομένου
4.2.1 Φωτοδίοδος
4.2.2 Φωτοβολταϊκά στοιχεία
4.2.3 Φωτόμετρο
4.3 Σύστημα πομπού-δέκτη και εφαρμογές για το μέλαν σώμα
4.3.1 Φωτοπύλη
4.3.2 Αισθητήρας αυτοματισμού – τηλεχειριστήριο και τηλεόραση
4.3.3 Οπτικές ίνες
4.3.4 Θερμόμετρο υπερύθρων και θερμοκάμερα
4.4 Φθορισμός – Φωσφορισμός – Φωτοχημικές αντιδράσεις
4.4.1 Τα «μυστικά» των χαρτονομισμάτων
4.4.2 Το φθορίζον Tonic Water και οι κβαντικές δίνες του
4.4.3 Το φθορίζον νερό και τα κβαντικά σωματίδια του ελαιόλαδου
4.4.4 Φωσφορισμός και «μαγικές χάντρες»
4.4.5 Το «φουρνάκι νυχιών» και ο φωτοπολυμερισμός
4.4.6 Η φωτοχημική ζωγραφική του Ήλιου
4.5 Φαινόμενο Compton και φωτοηλεκτρικό φαινόμενο… ταυτόχρονα!
4.5.1 Παρατηρώντας τα αποτελέσματα του φαινομένου Compton
4.5.2 Ο ανιχνευτής ραδιενέργειας
4.5.3 Ακτινοδιάγνωση και ακτινοθεραπεία
4.6 Δύο ερωτήσεις και ένας επίλογος
4.6.1 Γιατί ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να απορροφήσει ένα φωτόνιο;
4.6.2 Και γιατί ένα δέσμιο ηλεκτρόνιο μπορεί να απορροφήσει ένα φωτόνιο;
4.6.3 Επίλογος
Διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ: https://mathesis.cup.gr/courses/course-v1:Physics+Eur5.7+26D/about
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου