Imię i nazwisko autora:

Przemysław Michalski

Przedmiot:

fizyka

Temat zajęć:

Czy można obserwować dyfrakcję i interferencję promieni X?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres 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.
III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji lub doświadczeń oraz wnioskowanie na podstawie ich wyników.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
XI. Fizyka atomowa. Uczeń:
8) opisuje jakościowo obraz dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na kryształach.

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. określa długość fali promieniowania rentgenowskiego i potrafi umiejscowić je w widmie fal EM,

2. porównuje długość fali promieniowania rentgenowskiego z obiektami,

3. opisuje warunki zachodzenia zjawisk dyfrakcji i interferencji,

4. tłumaczy, że dyfrakcja i interferencja są zjawiskami uniwersalnymi dla dowolnych fal,

5. wskazuje, dlaczego dyfrakcja i interferencja promieni X zachodzi na atomach,

6. uzasadnia, że niemożliwe jest mechaniczne wykonanie siatki dyfrakcyjnej do promieni X,

7. przeprowadza eksperyment dyfrakcyjno‑interferencyjny i analizuje jego wyniki.

Strategie nauczania:

strategia eksperymentalno‑obserwacyjna

Metody nauczania:

wykład, eksperyment

Formy zajęć:

praca indywidualna

Środki dydaktyczne:

tablica, ekran, projektor, komputer

Materiały pomocnicze:

płachta papieru, taśma klejąca, lasery w różnych kolorach, dwie siatki dyfrakcyjne, statywy, markery w kolorze laserów, okulary chroniące przed promieniowaniem laserowym

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Przed lekcją, nauczyciel przygotowuje zestaw eksperymentalny – na jednym statywie umieszcza laser, na drugim – skrzyżowane prostopadle siatki dyfrakcyjne (jeżeli mamy do dyspozycji siatki o różnych stałych sieci, można przygotować kilka zestawów). Na tablicy nakleja duży arkusz papieru i ustawia lasery i siatki w takiej odległości od tablicy, by obraz dyfrakcyjny zawsze powstawał w obrębie arkusza.
Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie definicji dyfrakcji i interferencji z naciskiem na wskazanie warunków, które umożliwiają zajście tych zjawisk. Wzbudza ciekawość uczniów zadając pytanie o uniwersalność tych zjawisk – czy zachodzą one dla wszystkich fal? Nauczyciel omawia podstawowe informacje dotyczące promieniowania rentgenowskiego – długość fali, miejsce promieniowania X w widmie fal elektromagnetycznych. Nauczyciel prosi uczniów o wskazanie, na podstawie wcześniej omówionych warunków, jaka powinna być wielkość przeszkody, by doszło do dyfrakcji i interferencji promieni X. Nauczyciel dyskutuje z uczniami możliwość skonstruowania mechanicznie odpowiedniej siatki dyfrakcyjnej, co prowadzi do negatywnej odpowiedzi. Nauczyciel ponownie wzbudza ciekawość uczniów, zadając pytanie dotyczące możliwości obserwacji dyfrakcji promieni X – jaką „przeszkodę” lub „siatkę” należałoby posiadać?

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wyświetla na ekranie widmo promieniowania EM wraz z wskazanymi obiektami o wymiarach zbliżonych do długości fali danej części widma (link np. w e‑materiale) i prosi uczniów o wskazanie (na podstawie wcześniej omówionych warunków), na jakich obiektach może zachodzić dyfrakcja promieni X. Po wskazaniu przez uczniów, że chodzi o atomy, nauczyciel przedstawia warunki obserwowania dyfrakcji na atomach – czyli istnieniu kryształu o uporządkowanym ułożeniu atomów, tj. uporządkowanym układzie przeszkód i szczelin.
Nauczyciel informuje o doświadczeniu, które zostanie przeprowadzone – „symulacji” dyfrakcji na krysztale. Rolę promieniowania X będzie pełnić widzialne światło laserowe, a rolę kryształu – skrzyżowane siatki dyfrakcyjne. Stosunek stałej siatki do długości fali lasera jest zbliżony do stosunku odległości między atomami w krysztale do długości fali promieniowania X.
Nauczyciel zaprasza dwóch uczniów‑ochotników do przeprowadzenia doświadczenia. Zadaniem jednego ucznia jest uruchomienie lasera skierowanego na skrzyżowane siatki, a zadaniem drugiego – zaznaczenie na arkuszu papieru punktów obrazu dyfrakcyjnego. Następnie następuje zmiana lasera, a doświadczenie przeprowadza kolejna para ochotników. Jeśli jest taka możliwość, dla ustalonego koloru lasera można przeprowadzić doświadczenie z różnymi stałymi siatek.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel prosi uczniów o przeprowadzenie dyskusji wyników doświadczenia – jak zmiana długości fali promieniowania lub stałej siatki wpływa na powstający obraz dyfrakcyjny?

Praca domowa:

W celu powtórzenia i utrwalenia wiadomości o dyfrakcji i interferencji promieni X uczniowie rozwiązują zadania z zestawu ćwiczeń .

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium można wykorzystać podczas lekcji, do zobrazowania uniwersalności dyfrakcji lub zlecić jego analizę jako samodzielną naukę/pracę domową dla uczniów.