Cząsteczki i promieniowanie elektromagnetyczne

Zagadnienia

• Cząsteczki
• Fotony
• Absorpcja
• Światło

Opis

Symulacja Cząsteczki i promieniowanie elektromagnetyczne pozwala zbadać, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z cząsteczkami w naszej atmosferze.

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

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar & Fiedler, sierpień 2023)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Zbadaj, jak światło oddziałuje z cząsteczkami w naszej atmosferze.
• Zidentyfikuj, że absorpcja światła zależy od cząsteczki i rodzaju światła.
• Powiąż energię światła z wynikającym z tego ruchem.
• Zidentyfikuj, że energia fotonu wzrasta od mikrofal do ultrafioletu.
• Przewiduj ruch cząsteczki na podstawie rodzaju pochłanianego przez nią światła.
• Zidentyfikuj, w jaki sposób struktura cząsteczki wpływa na jej interakcję ze światłem.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Spektroskopia: oddziaływanie światła z materią (Khan Academy)
• Widmo promieniowania elektromagnetycznego (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak gaz cieplarniany wpływa na klimat i dlaczego tak ważna jest warstwa ozonowa? Użyj tej symulacji do zbadania w jaki sposób światło oddziałuje z cząsteczkami w naszej atmosferze.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Cząsteczki i promieniowanie elektromagnetyczne chcesz chcesz wyciszyć dźwięk (sound=muted) i wyłączyć linki zewnętrzne (allowLinks=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/molecules-and-light_all.html?sound=muted&allowLinks=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/molecules-and-light_all.html?locale=pl&sound=muted&allowLinks=false

Parametr query i opis	Przykłady
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
sound - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	sound=muted sound=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

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.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Dźwięk i sonifikacja

• Każda interakcja foton-cząsteczka ma swój własny dźwięk, aby podkreślić rodzaj interakcji. Fotodysocjacja, wibracja, rotacja i wzbudzenie elektronowe mają swój własny dźwięk. Absorpcja i emisja fotonu również odtwarzają swój własny dźwięk, aby zaznaczyć dokładny moment ich wystąpienia.
• Tryby uginania i rozciągania odtwarzają ten sam dźwięk, aby podkreślić rodzaj interakcji z podczerwienią.
• Interakcja światło-materia skutkująca rozciąganiem/zginaniem i rotacją odtwarza dźwięki, które przenoszą się między lewym i prawym głośnikiem. Użyj słuchawek, aby w pełni wykorzystać tę funkcję dźwięku stereo!
• Podczas wybierania źródeł światła częstotliwość fotonów wzrasta, gdy przechodzimy do źródeł o wyższej energii. Wybranie źródła światła odtwarza również dźwięk, którego wysokość wzrasta wraz ze wzrostem energii.
• Więcej przydatnych wskazówek na temat tego, jak koncepcje i dźwięk są zintegrowane w tej symulacji, można znaleźć w filmie Funkcje dźwiękowe. Więcej szczegółów na temat wszystkich dźwięków w tej symulacji można znaleźć w opublikowanej dokumentacji Sound Design.

Interaktywny opis

• Ta symulacja zawiera interaktywny opis umożliwiający dostęp niewizualny, dostarczany wyłącznie podczas korzystania z oprogramowania czytnika ekranu. Więcej informacji na temat korzystania z tej funkcji można znaleźć w filmie Introduction to Interactive Description.
• Nauczyciele mogą uzyskać dostęp do A11y View tutaj, aby zdecydować, czy interaktywny opis tej symulacji spełnia ich potrzeby instruktażowe. Przypomnienie: A11y View nie jest przeznaczony do użytku przez uczniów i nie zapewni dobrego doświadczenia uczniom korzystającym z oprogramowania do odczytu ekranu.

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Wielu uczniów będzie systematycznie badać symulację bez żadnych wskazówek (np. badając, jak podczerwień oddziałuje ze wszystkimi cząsteczkami przed przejściem do następnego źródła fotonów).
• Fotony nie są emitowane ze źródła, dopóki nie klikniesz na włącznik. Niektórzy uczniowie mogą nie od razu to zauważyć, choć wielu daje sobie z tym radę.
• Słowa używane przez uczniów w odniesieniu do fotonów w rozmowach obejmowały: światło, energię, fale, promienie, kropki, koraliki i cząstki światła (słowo "foton" nie pojawia się w symulacji).
• Woda skłoniła kilku uczniów do nawiązania do tego, co już wiedzieli - mikrofale podgrzewają wodę, światło jest zniekształcane w wodzie itp.
• Po spowolnieniu symulacji, gdy światło nie było tak intensywne (tj. szybkość fotonów była mała), uczniowie częściej mówili, że cząsteczki "przyjmują" foton, a nie że foton "odbija się" od cząsteczki. Tylko dwóch uczniów użyło słowa "absorbować". Uczniowie mogą potrzebować więcej wskazówek, aby zrozumieć, że fotony nie zderzają się z cząsteczką.

• Kilku uczniów skojarzyło większy ruch z większą energią i dlatego uważali, że mikrofale i podczerwień mają więcej energii niż światło widzialne. Dodaliśmy widmo promieniowania świetlnego, aby wzmocnić prawidłową kolejność energii fotonów.

Uproszczenia modelu

• Symulacja pokazuje tylko podstawowy proces absorpcji dla każdej grupy promieniowania (np. IR = wibracje). W rzeczywistości absorpcja promieniowania podczerwonego może wzbudzać rotacje wraz z wibracjami, a absorpcja promieniowania widzialnego (oznaczana w symulacji przez "poświatę") może wzbudzać wibracje i rotacje.
• Każdy foton reprezentuje zakres energii, ale nie wszystkie absorpcje w tym zakresie są pokazane. Kilka przykładów tego, co nie zostało uwzględnione: CO₂, H₂O, NO₂ i O₃ mają tryby drgań rozciągających w podczerwieni, O₃ słabo absorbuje w zakresie widzialnym, a absorpcja światła widzialnego przez NO₂ powoduje dysocjację przy niektórych długościach fal (niebieskich lub fioletowych). Foton UV pochodzi z regionu UV-B (290-320 nm), który jest zakresem pochłanianym przez ziemską warstwę ozonową; przy krótszych długościach fal inne cząsteczki również absorbują UV.
• W wyniku fotodysocjacji często powstają produkty w stanie wzbudzonym. W przypadku O₃, fragment O₂ wibruje i/lub emituje foton (w obszarach UV o wysokiej energii). To samo dotyczy NO, fragmentu NO₂. Nie są one pokazane w symulacji.
• Symulacja losowo wybiera pojedynczą strukturę rezonansową dla NO₂ i O₃, zamiast pokazywać wiązania zdelokalizowane.
• Dla przypadku, w którym absorpcja występuje, prawdopodobieństwo jest po prostu ustawione na 50%, aby uczniowie mogli zrozumieć, że nie każdy foton zostanie zaabsorbowany. W rzeczywistości prawdopodobieństwa różnią się w zależności od długości fali i rodzaju cząsteczki.

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.

Związki z życiem codziennym:

Poproś uczniów, aby wykorzystali swoje obserwacje do wyjaśnienia…

• Dlaczego kuchenka mikrofalowa podgrzewa jedzenie?
• Które gazy są uważane za gazy cieplarniane?
• Dlaczego warstwa ozonowa jest tak ważna?
• które gazy nie reagują z żadnym promieniowaniem i dlaczego może to być ważne (np. O₂)

Prognozowanie reaktywności nowej cząsteczki:

Przedstaw uczniom cząsteczkę, której nie ma w symulacji, taką jak HCN, CH₂O, NH₃ lub CH₄ i poproś ich, aby spróbowali przewidzieć, w jaki sposób będzie ona oddziaływać z różnymi rodzajami promieniowania. Pomocne może być, aby uczniowie najpierw zbadali kształt i polaryzację tej cząsteczki za pomocą symulacji Polaryzacja cząsteczek.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Cząsteczki i promieniowanie elektromagnetyczne tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).