Lampa neonowa i inne lampy wyładowcze

Zagadnienia

• Światło
• Elektrony
• Poziomy energetyczne

Opis

Ta interaktywna symulacja pozwala użytkownikom zrozumieć wzbudzenia atomów na skutek zderzeń z elektronami. Użytkownik może ustawić napięcie elektrod w symulowanej rurze wyładowczej i zobaczyć przejścia między poziomami energetycznymi oraz widmo fotonów emitowanych przez atomy wzbudzone przez elektrony w rurze. Badane mogą być zarówno atomy konkretnych gazów, jak i atomy o poziomach energetycznych zdefiniowanych przez użytkownika. Użytkownik może ustawić liczbę poziomów energetycznych w konfigurowalnych atomach, prąd elektronowy oraz to, czy symulowany jest jeden czy wiele atomów. Procesy można oglądać w zwolnionym tempie lub krok po kroku.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Sam McKagan, czerwiec 2010)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnienie, jak działa lampa wyładowcza i w jaki sposób jest przekazywana energia w każdym procesie z nią związanym.
• Poznanie związku między poziomami energetycznymi a światłem emitowanym przez atom.
• Zrozumienie podstaw analizy spektroskopowej.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Zjawisko emisji i absorpcji energii przez atomy gazu (ZPE)
• Seria Lymana, Balmera, Paschena, Bracketta (ZPE)
• Czym są widma emisyjne? (ZPE)
• Obserwacja widm atomowych za pomocą siatki dyfrakcyjnej (ZPE)
• W jaki sposób możemy zinterpretować linie widmowe? (ZPE)
• Widma atomowe i promieniowanie rentgenowskie (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Wytwarzaj światło, bombardując atomy elektronami. Zobacz, jak powstają widma charakterystyczne różnych pierwiastków i skonfiguruj stany energetyczne własnego pierwiastka, aby generować światło o różnych kolorach.

Ekran Jeden atom

Obserwuj wzbudzenie pojedynczego atomu poprzez zderzenia z elektronami wyrzucanymi z katody w procesie termoemisji. Zobacz model wzbudzanego i emitującego fotony atomu.

Ekran Wiele atomów

Na tym ekranie uczniowie mogą obserwować wynik interakcji elektronów i wielu atomów. Obserwuj światło powstające na skutek wyładowań elektrycznych w oparach metali albo gazów.

Złożone sterowanie

• Pamiętaj, aby wypróbować wszystkie zakładki u góry symulacji.
• W zakładce Jeden atom można chwycić i przeciągnąć atom.
• Jeśli opcja Rodzaj atomu jest ustawiona na Ustawialne, można chwycić linie stanów wzbudzonych na diagramie poziomów energetycznych i przesuwać je w górę i w dół.
• Można wstrzymać symulację, a następnie użyć funkcji Krok, aby przeprowadzić stopniową analizę.

Ułatwienia dostępu

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Zalecamy rozpoczęcie od pierwszej zakładki, aby pomóc uczniom zapoznać się z podstawowymi ideami dotyczącymi pojedynczego atomu. Druga zakładka może być przytłaczająca, jeśli będzie analizowana jako pierwsza.
• Uczniowie czasami mają problemy z odniesieniem tego, co widzą w symulacji do tego, co zobaczą, jeśli spojrzą na prawdziwą lampę wyładowczą. Wyświetlenie zdjęcia rzeczywistych lamp wyładowczych powinno w tym pomóc. Zalecamy również korzystanie z symulacji w połączeniu z demonstracją laboratoryjną lub wykładową z prawdziwymi lampami wyładowczymi.




• Uczniowie często myślą, że to napięcie, a nie grzałka, powoduje, że elektrony odrywają się od płytki. Aby to wyjaśnić, poproś ich, aby przewidzieli, co się stanie, jeśli znacznie zwiększą napięcie i wyłączą grzałkę.
• W wywiadach stwierdziliśmy, że nawet uczniowie bez zaplecza z zakresu nauk ścisłych byli w stanie zrozumieć podstawy działania lamp wyładowczych, bawiąc się tą symulacją.

Uproszczenia / założenia modelu

• Używamy konwencji oznaczania stanu podstawowego jako „1”, pierwszego stanu wzbudzonego jako „2” itd. Inną powszechną konwencją jest oznaczanie stanu podstawowego jako „G”, pierwszego stanu wzbudzonego jako „1” itd. Jeśli w podręczniku i/lub materiałach szkoleniowych używana jest ta druga konwencja, należy wskazać uczniom tę rozbieżność.
• Aby wytworzyć dużą ilość światła w tak małym układzie, prawdopodobieństwo absorpcji i wymuszonej emisji jest wyższe niż w rzeczywistości. Dlatego od czasu do czasu można zaobserwować wymuszoną emisję, chociaż w rzeczywistości proces ten jest bardzo rzadki.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

• Użyj lamp wyładowczych jako kontekstu, aby pomóc uczniom zrozumieć przejścia atomowe, absorpcję, emisję i linie widmowe.
• Rzuć uczniom wyzwanie, aby zaprojektowali lampę wyładowczą, która wytwarza głównie zielone światło.
• Poproś uczniów, aby prześledzili i wyjaśnili przepływy i konwersje między różnymi formami energii zachodzące w lampie wyładowczej, które sprawiają, że wytwarza ona światło.

Przykładowe polecenia

• Wystrzel pojedynczy elektron w kierunku atomu wodoru. Opisz, co się dzieje krok po kroku. (W tej części pomocne może być wykorzystanie opcji Spowolnij animację.)
• Czy możliwe jest, aby pojedynczy elektron zderzył się z atomem wodoru, co spowoduje emisję więcej niż jednego fotonu (cząstki) światła? Wyjaśnij, jak to się dzieje.
• Gdy atom wodoru zostanie przesunięty w lewo w rurze wyładowczej, nie jest możliwe spowodowanie emisji światła. Dlaczego tak się dzieje?
• Zwracając szczególną uwagę na diagram energetyczny w modelu, opisz proces, w wyniku którego następuje emisja promieniowania elektromagnetycznego (światła).
• Jakie widzisz dowody sugerujące, że światło jest emitowane w ilościach skwantowanych? Wyjaśnij

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Lampa neonowa i inne lampy wyładowcze tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).

Symulacje zbliżone tematycznie