Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Radioizotopowe generatory termoelektryczne

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
8) wymienia przykłady zastosowania zjawiska promieniotwórczości w technice i medycynie.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
14) wymienia przykłady zastosowania zjawiska promieniotwórczości w technice i medycynie.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. opisuje działanie radioizotopowego generatora termoelektrycznego,

2. stosuje jednostkę Bq do opisu aktywności promieniotwórczej,

3. oszacowuje aktywność próbki promieniotwórczej po danym czasie, znając czas połowicznego zaniku radioizotopu.

Strategie nauczania:

formative feedback

Metody nauczania:

wykład informacyjny, rozwiązywanie zadań rachunkowych bazując na wiedzy posiadanej

Formy zajęć:

praca indywidualna, praca w parach

Środki dydaktyczne:

rzutnik lub ekran do wyświetlania multimedium

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel opisuje krótko historię eksploracji kosmosu przez człowieka i pyta uczniów czy wiedzą, w jaki sposób zasilane są sondy i łaziki kosmiczne. Nauczyciel wyjaśnia, że satelity znajdujące się na orbicie Jowisza mogą być jeszcze zasilane dzięki panelom słonecznym, jednak dalsze obiekty muszą mieć już inne źródło energii elektrycznej. Nauczyciel pokazuje zdjęcia sond kosmicznych i łazików (np. sond Voyager 1 i 2, New Horizons i łazika Curiosity) wykorzystujących do zasilania radioizotopowe generatory prądu (RTG).

Faza realizacyjna:

Uczniowie oglądają multimedium ze schematem RTG. Nauczyciel wyjaśnia, jak zbudowany jest RTG, zwraca uwagę na użycie radioizotopów jako źródła ciepła w modułach paliwowych, oraz wyjaśnia, w jaki sposób energia cieplna jest zamieniana na energię elektryczną za pomocą termopar.
Nauczyciel podaje, że w sondzie New Horizons jako paliwa użyto tlenku plutonu‑238, który początkowo dostarczał 4000 W energii cieplnej, z której RTG generował 245 W energii elektrycznej. Nauczyciel omawia razem z uczniami zadania 1 i 2 z zestawu zadań aktywizujących do multimedium, w których oblicza się sprawność RTG oraz średni roczny ubytek dostarczanej mocy prądu. Bazuje na wiedzy już posiadanej i wzbogaca o nowe jej elementy.
Nauczyciel wyjaśnia, że pluton‑238 nadaje się jako paliwo do RTG, ponieważ ma odpowiednio długi czas połowicznego zaniku, dużą gęstość mocy i jest emiterem promieniowania alfa, które jest silnie absorbowane w materii i nie wymaga stosowania dodatkowych osłon. Nauczyciel omawia krótko sposób otrzymywania plutonu‑238.
Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie pojęć - aktywności promieniotwórczej, jednostki Bq i czasu połowicznego zaniku. Nauczyciel prosi uczniów o policzenie aktywności 0,5 kg plutonu‑238 (zadanie 5 z zestawu ćwiczeń), a następnie o przeliczenie energii wydzielanej w przemianie alfa plutonu‑238 z megaelektronowoltów na dżule (zadanie 3 z zestawu ćwiczeń). Nauczyciel na podstawie wyników zadań 5 i 3 oblicza ilość ciepła generowanego w czasie sekundy przez jeden wkład paliwowy w sondzie New Horizons (może w tym miejscu obliczyć gęstość mocy plutonu‑238). Wyjaśnia, że długi czas połowicznego zaniku plutonu‑238 zapewnia długotrwałe działanie sondy kosmicznej.
Uczniowie, w parach, rozwiązują zadanie 6 z zestawu ćwiczeń, w którym oblicza się czas, po jakim aktywność próbki plutonu‑238 spadnie do poziomu 25%.
Nauczyciel podaje przykłady zastosowań RTG w warunkach ziemskich (latarnie morskie, nadajniki, stacje pomiarowe w trudnodostępnych miejscach).
Uczniowie, w parach, rozwiązują zadanie 7 z zestawu ćwiczeń (czas połowicznego zaniku strontu‑90).

Faza podsumowująca:

Nauczyciel razem z uczniami rozwiązuje zadanie 8 z zestawu ćwiczeń, w którym oblicza się ubytek paliwa w sondzie Voyager 1 po ponad 40 latach misji kosmicznej.

Praca domowa:

W ramach powtórzenia i utrwalenia wiadomości uczniowie rozwiązują zadania 1, 2 i 4 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium może być wykorzystane przez uczniów po lekcji w celu powtórzenia i utrwalenia wiadomości.