Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Prof. UAM dr hab. Grzegorz Musiał Zakład Fizyki Komputerowej Wydział Fizyki UAM Dualizm korpuskularno-falowy Konferencja podsumowująca.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Prof. UAM dr hab. Grzegorz Musiał Zakład Fizyki Komputerowej Wydział Fizyki UAM Dualizm korpuskularno-falowy Konferencja podsumowująca."— Zapis prezentacji:

1 prof. UAM dr hab. Grzegorz Musiał Zakład Fizyki Komputerowej Wydział Fizyki UAM Dualizm korpuskularno-falowy Konferencja podsumowująca projekt AS KOMPETENCJI, Uniwersytet Szczeciński, Combidata Poland sp. z o.o Metody aktywizujące uczniów szkół ponadgimnazjalnych – wykłady kadry naukowej dla UGP (mat.-fiz.)

2 32 wykłady, 13 tematów, 12 UGP, 8 szkół: Wyzwania dla zrozumienia podstaw budowy materii (CERN) Ciśnienie statyczne, dynamiczne i niskie temperatury Potencjalne i używane źródła energii (fizyka przemian) Drgania i ruch falowy Ruch obrotowy ciał sztywnych Bezpieczeństwo elektrowni jądr. a awaria w EJ Fukushima I Ciepło i przemiany fazowe wody Wybrane zjawiska z fizyki Ziemi Dualizm korpuskularno-falowy Systemy operacyjne Przetwarzanie sekwencyjne i równoległe Ciąg Fibonacciego a świat wokół nas i Giełda Różne rodzaje liczb (też niewymier. i zespol.) Metody aktywizujące uczniów szkół ponadgimnazjalnych – wykłady kadry naukowej dla UGP: kompetencje matematyczno-fizyczne

3 3 Przygotowałem 13 wykładów: 9 z kontekstowych problemów fizycznych, zarówno aktualnych (CERN, Fukushima, EJ, OŹE), jak też z życia codziennego (ruch falowy, obrotowy, przemiany fazowe, ciśnienie statyczne, dynamiczne i niskie temperatury, fizyka Ziemi), 2 z matematyki (różne rodzaje liczb, ciąg Fibonacciego w świecie i na giełdzie), 2 z informatyki (systemy operacyjne, przetwarzanie równoległe). Moje doświadczenia Część przygotowałem na zamówienie.

4 4 Moje doświadczenia Wybór tematów pozostawiałem szkołom, gdyż one mogą je traktować jako: wsparcie akademickie, pogłębienie zagadnień kursowych lub projektowych Najpopularniejsze były wykłady ilustrowane przywożonymi doświadczeniami, albo wyjaśniające, co bada się w gigantycznych eksperymentach w ośrodku CERN lub katastrof i kataklizmów. Prawie wszędzie wyjaśniałem bezpieczeństwo EJ. To oznacza dobrą realizację celów projektowych!

5 5 1. Nauczyciel architektem wiedzy ucznia 2. ERK i KRK: kształcenie zorientowane rynkowo 3. Budowa społeczeństwa opartego na wiedzy 4. Rewolucja informacyjna w 2. poł. XX w. 5. Zbyt niski, ~18% udział UE w rynku technologii : ~80% miejsc pracy w sferze usług Wyzwania dla edukacji: Zagrożenia dla edukacji: 1. Ciasne ramy programowe a bycie architektem 2. Etyka, baza kompetencji społecznych, opcjonalna? 3/4. Nauczanie kontekstowe – brak czasu i środków 5/6. Fizyka, fundament technologii, opcją po 1 kl. LO! Propozycje?Wsparcie akademickie UGP

6 6 Eksplozja ICT nie tylko zmienia życie, komunikację, ale też szybko i znacznie zmienia nasze mózgi, te ulegają ewolucji w nieznanym dotychczas tempie [G. Small, G. Vorgran, Scientific American Mind 2008]Scientific American Mind Nauczyciel architektem wiedzy ucznia Informacja jest mniej ważna niż umiejętność jej wyboru i przetwarzania w oparciu o uprzednie doświadczenia [Piaget, Bruner, Kelly] Nauczyciel to lider i architekt: organizuje i buduje konstrukcję, na której uczniowie budują swoje kwalifikacje; nie przekazuje kwalifikacji, ale tworzy warunki do budowania własnych. Czy ramy programowe to umożliwiają?UGP!

7 Kontekstowy przykład aktywizacji uczniów: dualizm korpuskularno-falowy 1.Światło to fale? Ugięcie i interferencja 2.Światło to cząstki? Efekt fotoelektryczny 3.Kriogenika: ciekły azot i...? 4.Lewitacja i nadprzewodnictwo 5.Czy cząstki mogą być też falą? 6.Mech. kwantowa – rozwiązanie paradoksu 7

8 Czy fale na wodzie też ugną się na szczelinie? 1. Ugięcie (i interferencja!) światła na szczelinie [Wikipedia] 8 W. Nawrocik W Fizyki UAM

9 1. Zasada Huygensa Każda wychylona cząstka staje się źródłem fali rozchodzącej się we wszystkich kierunkach Ugięcie fali na szczelinie, gdy Christiaan Huygens (1629 – 1695, Holandia) [Wikipedia] Cząstki ośrodka sprężystego drgają, nie przesuwają z falą 9

10 10 1. Ugięcie fali na szczelinie fala padająca fala ugięta Posługujemy się pojęciem promień światła, ale wydzielenie szczeliną wąskiej smugi światła jest niemożliwe wskutek zjawiska ugięcia fali (dyfrakcji) Aby fala ugięła się, rozmiar przeszkody musi być rzędu [R.Resnick, D.Halliday, Fizyka, PWN 1998]

11 Ugięcie i interferencja [Wikipedia] Zasada Huygensa: każdy punkt, też w szczelinie, gdzie formuje się nowe czoło fali, to źródło fali kulistej Za szczeliną te fale nakładają się, interferują, wzmacniają się lub osłabiają. Natężenie I światła o dług. λ dla kąta φ : Na ekranie: kolejne rzędy ugięcia

12 1. Światło – fala elektromagnetyczna Fala elektromagnetyczna to wzajemnie prostopadłe zmienne pola elektryczne i magnetyczne, jedno indukuje drugie z szybkością ok m/s. [Wikipedia] Fala elektro- magnetyczna nie potrzebuje ośrodka materialnego, rozchodzi się również w próżni! 12

13 Widmo fal elektromagnetycznych Światło widzialne to zakres fal elektromagnetycznych o długościach fali od 380 do 780 nm, maksimum czułości względnej oka ludzkiego to 550 nm, ale czułość ta spada do 1% już przy 430 nm i 690 nm p r o m i e n i o w a n i e podcze- F krótkie gamma X UV rwień radar M TV fale AM światło widzialne to wąski przedział 10 –14 10 –12 10 –10 10 –8 10 –6 10 –4 10 – długość fali [m] [nm] 1 nm = 10 –9 m

14 14 1. Interferencja fal na wodzie W. Nawrocik W Fizyki UAM

15 15 1. Interferencja fal światła na dwóch szczelinach T. Young (1801) R. Naskręcki W Fizyki UAM

16 16 1. Interferencja fal światła na dwóch szczelinach T. Young (1801) J. Latosińska M. Latosińska W Fizyki UAM

17 Doświadczenie Thomasa Younga (1801) światło Thomas Young (1773 – 1829, Anglia) ugięta, spójna, sferyczna fala świetlna Nakładają się (interferują) dwie sferyczne fale o takich samych parametrach, każda ze swoją fazą: 1. Interferencja fal Prążki jasne A (grzbiet na grzbiet) i ciemne B (grzbiet na dolinę) prążki dla każdego rzędu ugięcia! 17

18 Ugięcie i interferencja światła – dwie szczeliny Ugięcie i interferencja światła – jedna szczelina [Wikipedia] 18

19 1. Interferencja fal – siatka dyfrakcyjna Interferencja światła ze 150 – 900 szczelin / 1 mm daje ostre prążki. Joseph von Fraunhofer, niem., 1821 Kąt α dla n -prążka zależy od stałej siatki d i długości fali światła λ :

20 20 2. Efekt fotoelektryczny K. Kaczała PDiPF WFiz. UAM

21 Pole elektryczne przyspiesza elektrony emitowane z oświetlanej katody: obserwujemy najpierw wzrost prądu, a potem jego nasycenie ograniczone zdolnością emisyjną katody A. Einstein (1905) kwantowa teoria światła (Planck 1900) : energia fotonu padającego na powierzchnię metalu zostaje pochłonięta przez elektron I V Układ do badania fotoprądu I w funkcji przyłożonej różnicy potencjałów V 2. Efekt fotoelektryczny Max Planck, niem., 1900

22 h = + E kmax prąd płynie przy małym napięciu hamującym V h, zależnym tylko od częstotliwości światła, istnieje pewna częstotliwość progowa 0, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi, gdyby foton był falą, prąd zależałby od natężenia światła. Elektron pochłania foton światła: Energia kwantu Praca wyjścia 2. Efekt fotoelektryczny Fotokomórki! Foton (kwant): cząstka, nie fala, a ma częstość! Energia kinetyczna Albert Einstein, niem., szwajc.,

23 Zatem, gdy rozmiar przeszkody a ~ musimy stosować zasady optyki falowej, natomiast gdy a >>, stosujemy zasady optyki geometrycznej. Zwierciadła i soczewki mają rozmiary a >>, zatem dalej stosujemy zasady optyki geometrycznej. Oczywiście te, które uginają się na przeszkodach terenowych i dochodzą do miejsc zasłoniętych nimi, czy krzywizną powierzchni Ziemi, czyli DŁUGIE. Jakie radiowe fale (elektromagnetyczne) mają największy zasięg? 2. Kiedy optyka geometryczna, a kiedy falowa? 23

24 3. Kriogenika: ciekły azot T w = –195,8 °C (77,35 K) 24 Absolutne zero: T = –273,15 °C = 0 K T k = –210,0 °C = 63,14 K Stały azot J. Stankowski Z. Trybuła W. Kempiński IFM PAN

25 3. Kriogenika ciekły 4 He Dewar – naczynie do magazynowania cieczy w niskich T (szkocki fizyk J. Dewar) Kontener do przewozu ciekłego helu l ( galonów) ~5000 kg ciekły N 2 T = –273,15 °C = 0 K –195,8 °C 25

26 Atmosfera Ziemi Obecna atmosfera (P = 0,1 MPa, T = 0 o C = 273,15 K): N 2 – 78 % O 2 – 21 % Ar – 1 % CO 2 – 0,04 % H 2 O – 0,40 % T = 2,73 K Wszechświat – promieniowanie tła 26 Absolutne zero: T = –273,15 °C = 0 K

27 3. Kriogenika: ciekły azot T w = –195,8 °C (77,35 K) O2O2 ? T w = –182,95°C (90,2 K) Absolutne zero: T = –273,15 °C = 0 K 27 K. Kaczała PDiPF Wydziału Fizyki UAM

28 3. Kriogenika – ciekły azot LN 2 – azot pierwiastkowy w stanie ciekłym, bezbarwny. W otwartym naczyniu w warunkach normalnych (p= Pa=1013,25 hPa=1 atm, T=273,15 K=0 °C) wrze w temperaturze T w = –195,8 °C (77,35 K) i ma gęstość 0,808 g/cm 3, a krzepnie przy –210,0 °C (63,14 K). Współcześnie ciekły azot otrzymujemy na wielką skalę przez skraplanie i parowanie frakcjonujące powietrza atmosferycznego. 28

29 3. Kriogenika – ciekły tlen LO 2 – tlen w stanie ciekłym, bladoniebieski, 8 elektronów 2s 1, 2s 2, 4p 2, stąd silne właściwości paramagnetyczne, slajdy 5, 6:, – moment siły, – rzut momentu magnet. na oś pola magn., gęstość 1,141 g/cm³, T w = –182,95°C (90,2 K), krzepnięcia 218,4°C (54,8 K), w warunkach normal. Też otrzymujemy go na wielką skalę przez skraplanie i parowanie frakcjonujące powietrza atmosferycznego. Ciekły tlen jest powszechnie stosowany jako utleniacz paliwa rakietowego, zazwyczaj w połączeniu z ciekłym wodorem lub naftą. Ciekły tlen daje jedną z najmniejszych mas utleniacza i rakieta uzyskuje duży impuls właściwy (Δp/Δm). 29

30 3. Przemiany fazowe ciecz-gaz Czy zmiana temperatury wpływa na zmianę własności ciał? Jak? Ile razy powietrze zwiększa swoją objętość po ogrzaniu powyżej temperatury ciekłego azotu T w = –195,8 °C (77,35 K)? Gęstość azotu (78% powietrza): 1,250 g/l (faza gazowa, 0 °C, 1013 mbar); 0,8085 kg/l (faza ciekła, –195,8 °C). Zatem objętość azotu wzrośnie: 30

31 Gęstość tlenu (21% powietrza): 1,429 g/l (faza gazowa, 0 °C, 1013 mbar); 1,141 kg/l (faza ciekła, –182,95 °C). Zatem objętość tlenu wzrośnie: Zatem ile razy wzrośnie objętość powietrza (78,5% N, 21,5% O)? 3. Przemiany fazowe ciecz-gaz 31

32 4. Lewitacja ? ? ? 32 J. Szuniewicz (gościnnie) PDiPF Wydziału Fizyki UAM

33 Po obniżeniu temperatury oporność metali maleje, lecz dla miedzi nawet dla mamy R R ~ ~ 4. Opór elektryczny R przewodnika a jego temperatura T N2N2 33 K. Kaczała PDiPF W Fiz. UAM

34 4. Lewitacja magnesu nad nadprzewodnikiem Wypychanie strumienia pola magnetycznego z nadprzewodnika (efekt Meissnera) [Wikipedia] Stan nadprzewodzący to niemierzalna oporność! 34 wyjaśnienie

35 [Wikipedia] 1927 – C.J. Davisson i.H. Germer wykazali doświadczalnie istnienie dyfrakcji cząstek, potwierdzili hipotezę L. de Brogliea (1924) Obraz dyfrakcji wiązki elektronów na powierzchni (0001) kryształu węglika krzemu SiC λ – długość fali cząstki, p – pęd cząstki, h = 6, –34 Js – stała Plancka Mechanika kwantowa, podstawowa teoria zjawisk elementarnych na poziomie atomowym: obserwowalne własności reprezentują (wyłącznie!) operatory matematyczne. 35

36 36 6. Pojęcia mechaniki kwantowej Operatory działają na funkcje stanu, zwane falowymi. Każdemu operatorowi  przyporządkowany są zbiory n funkcji n (funkcji własnych operatora  ) oraz n wartości a n (wartości własnych operatora  ). W jednym wymiarze x równanie własne operatora  Przy większej liczbie wymiarów, pojawiają się ich kolejne współrzędne i pochodne względem nich. Cząstki poruszają się w sposób opisany równaniem Schrödingera dla operatora energii, a zespolona funkcja falowa n (x) dobrze opisuje zachowanie rzeczywistych cząstek.

37 dP to prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danej chwili t w elemencie objętości dV = dxdydz, otaczającym dany punkt o współrzędnych x, y, z. Oczywiście ogólnie = (x, y, z, t) 1925 Max Born zaproponował następującą interpretację funkcji falowej fal de Brogliea: Kwadrat modułu funkcji falowej ( * oznacza funkcję zespoloną, sprzężoną z ) jest miarą gęstości prawdopodobieństwa dP znalezienia cząstki (np. elektronu) w objętości dV w danej chwili: Interpretacja funkcji falowej Max Born niem NN

38 x r Paczkę fal charakteryzują: prędkości fazowe – prędkości, z którymi wzdłuż kierunku propagacji przemieszcza się każda ze składowych fal harmonicznych, prędkość grupowa – prędkość przemieszczania się maksimum amplitudy paczki fal ( v g ) czyli cząstki vgvg To prędkość grupowa jest prędkością ruchu cząstki (paczki falowej) zajmującej mały obszar r Cząstka paczką falową Re (x) lub y | (x)| 2 x Biegnąca paczka falowa [http://pl.wikipedia.org/wiki /Paczka_falowa]http://pl.wikipedia.org/wiki /Paczka_falowa Gęstość prawdopod.

39 Rozwiązanie: dobrym opisem cząstki jako fal materii de Broglie jest paczka fal (grupa fal) czyli wiele nałożonych fal harmonicznych o bliskich częstościach interferujących ze sobą, znoszących się nawzajem wszędzie poza małym obszarem r, gdzie fala wypadkowa jest niezerowa. To usuwa paradoks dualizmu korpuskularno-falowego: cząstka to zlokalizowana przestrzennie paczka fal! Paradoks: cząstka w ruchu jako fala harmoniczna to tylko intuicja, nadmierne uproszczenie, gdyż fala jest nieograniczona w czasie i przestrzeni, a cząstka jest zlokalizowana czasowo i przestrzennie. Paczka fal – rozwiązanie problemu dualizmu 39

40 Dziękuję za uwagę prof. UAM dr hab. Grzegorz Musiał Zakład Fizyki Komputerowej Wydział Fizyki UAM Konferencja podsumowująca projekt AS KOMPETENCJI, Uniwersytet Szczeciński, Combidata Poland sp. z o.o


Pobierz ppt "Prof. UAM dr hab. Grzegorz Musiał Zakład Fizyki Komputerowej Wydział Fizyki UAM Dualizm korpuskularno-falowy Konferencja podsumowująca."

Podobne prezentacje


Reklamy Google