Imię i nazwisko autora:

Przemysław Michalski

Przedmiot:

fizyka

Temat zajęć:

Fale materii dla obiektów mikroskopowych

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.

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.
XI. Fizyka atomowa. Uczeń:
9) opisuje zjawiska dyfrakcji oraz interferencji elektronów i innych cząstek; oblicza długość fali de Broglie’a poruszających się cząstek.

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. podaje tezy teorii dualizmu korpuskularno‑falowego,

2. stosuje wzór opisujący długość fali materii,

3. wskazuje, że dualizm korpuskularno‑falowy dotyczy każdego obiektu materialnego,

4. wyjaśnia, dlaczego możliwa jest obserwacja fal materii obiektów mikroskopowych,

5. opisuje zastosowania fal materii.

Strategie nauczania:

blended learning

Metody nauczania:

pogadanka

Formy zajęć:

praca grupowa

Środki dydaktyczne:

tablica, komputer, projektor

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie podstawowych informacji dotyczących fal (czym jest długość fali) oraz zjawisk, którym ulegają fale (dyfrakcja, interferencja, odbicie, załamanie, polaryzacja). Nauczyciel następnie omawia różnice między falami i obiektami materialnymi (zwłaszcza pod kątem, że fala jest rozciągła w przestrzeni, obiekt ma skończone wymiary) i wzbudza ciekawość uczniów wprowadzając teorię dualizmu korpuskularno‑falowego, mówiącego, że te dwie różne koncepcje fali i cząstki mogą współistnieć razem.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wprowadza pojęcie fali materii i podaje oraz omawia wzór opisujący długość fali de Broglie’a. Podaje też wzór opisujący relatywistyczną zmianę masy i podaje zakres jego stosowalności. W dalszej części lekcji nauczyciel wraz z uczniami omawia zagadnienie fal materii dla obiektów mikroskopowych na przykładach transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) oraz dyfrakcji elektronów na krysztale.
Pierwszy przykład: TEM. Nauczyciel wprowadza uczniów w zagadnienie obrazowania mikroskopowego – aby otrzymać dobrej jakości obraz danego przedmiotu, musi być on większego rzędu od długości fali oświetlającej, by nie ulegała ona dyfrakcji na tym obiekcie. Nauczyciel zaczyna od podania długości fali światła widzialnego (mikroskop optyczny), a następnie prosi ucznia o wyznaczenie długości fali materii elektronów rozpędzonych w układzie przyspieszającym TEM do 50% prędkości światła (z uwzględnieniem efektów relatywistycznych). Nauczyciel komentuje uzyskany wynik (o kilka rzędów wielkości mniejsza długość fali), a następnie prezentuje obrazy z TEM, przedstawiające struktury atomowe w bardzo dużych powiększeniach, z widocznymi atomami (dużo zdjęć dobrej jakości można znaleźć w internecie, wpisując w wyszukiwarkę np. „HR‑TEM images”.
Drugi przykład: dyfrakcja elektronów. Nauczyciel prosi uczniów o odpowiedź na pytanie – czy ich zdaniem fale materii mogą ulegać dyfrakcji jak inne fale? Po odpowiedziach uczniów nauczyciel daje odpowiedź twierdzącą i wyjaśnia, że fale materii mogą ulegać dyfrakcji i interferencji jak wszystkie inne fale. Nauczyciel wskazuje, że „siatką dyfrakcyjną” dla elektronowych fal materii może być kryształ ciała stałego. Nauczyciel wyjaśnia to pojęcie oraz opisuje, co w krysztale pełni rolę „przeszkód” i „szczelin”. Nauczyciel prezentuje zdjęcia dyfrakcji elektronowej (hasło do wyszukiwarki: electron diffraction”), a następnie wskazuje, że różne kryształy (różne „siatki”) będą dawać różne obrazy dyfrakcyjne – przez co dyfrakcję elektronów można wykorzystać do zbadania struktury kryształu.
Nauczyciel podkreśla, że możliwość uzyskania obrazów TEM lub dyfrakcyjnych wiąże się z falową naturą elektronu – przy cząstkach nie zachodziłaby dyfrakcja. Wskazuje to na istnienie dualizmu korpuskularno‑falowego.

Faza podsumowująca:

Uczniowie zapoznają się z animacją i odpowiadają na zawarte w niej pytania.
Czas na pytania i wątpliwości uczniów.

Praca domowa:

Rozwiązanie zadań dołączonych do e‑materiału.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium może zostać wykorzystane przez uczniów do utrwalenia swojej wiedzy po zajęciach lub jako możliwość jej zdobycia, przy wykorzystaniu metody flipped classroom.