FyzWeb 
Žákovské aktivity inspirované výzkumem částic

Úvod

Moderní fyzika přináší mnoho velmi zajímavých a přitažlivých témat, avšak jejich pochopení není často vůbec jednoduché. K takovým oblastem moderní vědy patří i výzkum částic, který probíbá v několika velkých laboratořích na světě. Jedním z těchto vědeckých zařízení je Fermilab u Chicaga.

Vedle obrovského urychlovače, který obsluhují desítky odborníků a další stovky pracují na zpracování naměřených dat, funguje ve Fermilabu také Lederman Science Center. O vznik centra se zasadil Leon Lederman, mezinárodně uznávaný odborník na částicovou fyziku, nositel Nobelovy ceny za rok 1988 a ředitel Fermilabu v letech 1978-1989. Toto vzdělávací centrum zaměřené na přírodovědné předměty (kromě fyziky zejména na biologii a chemii) nabízí učitelům a studentům možnost navštívit stálou výstavu o výzkumu ve Fermilabu, účastnit se pravidelných workshopů a programů pro různě staré studenty a také využít připravených materiálů.

Ve snaze usnadnit středoškolským učitelům fyziky výklad obtížných témat, připravili pracovníci Ledermanova centra soubor materiálů Topics in modern physics (Témata moderní fyziky). Na tvorbě materiálu se kromě odborných fyziků podíleli také středoškolští učitelé, kteří měli možnost vyzkoušet navržené činnosti se studenty ve škole. Část materiálů je věnována relativitě, část elementárním částicím a právě kapitoly zaměřené na výzkum částic jsem se rozhodla přeložit a upravit.

O tomto materiálu

Najdete zde několik návrhů na práci v hodinách fyziky. Teoretická cvičení a praktická měření by měla ve studentech prohloubit pochopení způsobu vědecké práce. A to jak vědeckých metod obecně (opakované měření, ověřování hypotéz, statistické zpracování dat...), tak i metod využívaných v částicové fyzice (měření hmotnosti t kvarku). Předložené náměty mohou být ve výuce použity mnoha způsoby.

Každé výukové téma obsahuje pracovní list pro studenty s takovým rozložením textu, aby se list dal přímo vytisknout a použít ve výuce. Učitelé mají k dispozici text pracovních listů doplněný o metodické poznámky, podrobnější vysvětlení úkolů a některé náměty na možné rozšíření aktivit (doplňující poznámky pro učitele jsou psány modře v rámečcích). Text si mohou učitelé samozřejmě přizpůsobit, případně přeskupit úkoly v jednotlivých kapitolách. Celý materiál může sloužit také jako inspirace pro různé způsoby výuky.

Náměty na práci v hodinách fyziky



  • Jak funguje vesmír? - puzzle analogie

    Úvod: Schopnost rozpoznat uspořádání, porozumět často komplikovaným vztahům uvnitř přírodního systému a následně vytvořit teorii popisující tento systém – to jsou důležité schopnosti každého vědce. Fyzikové zabývající se částicovou fyzikou nejsou výjimkou. Za přispění experimentálních poznatků vytvářejí vědci teorie, které mohou odpovědět základní otázku: “Jak funguje vesmír?“ Než si také budete moci odpovědět na tuto otázku, položme si dvě jiné:
    1. Jaké jsou základní stavební kameny, z nichž je složen vesmír?
    2. Jaké jsou základní síly, které mohou mezi základními jednotkami působit?

    Abychom porozuměli způsobům, které při hledání odpovědí na tyto otázky zvolili fyzikové, podívejte se na různé obrazce na obrázku níže. „Skládačka“ poskytuje podobnost mezi tím, co pozorujeme a naopak nikdy nepozorujeme ve světě elementárních částic a jejich srážek. Úkolem je objevit „pravidla fungování vesmíru“ skrze podobnost s pravidly pro tuto skládačku.


    Pozorované tvary

    Nepozorované tvary

    První skupinu obrazců v horním řádku tvoří pozorované tvary (tyto případy mohou nastat), zatímco spodní skupinu obrazců nepozorujeme (nemohou nastat). Skládačka vyvolává dvě otázky:
    1. Z jakých základních geometrických útvarů jsou složeny pozorované objekty?
    2. Jaká jsou pravidla pro spojování těchto základních útvarů?

    Stejné základní geometrické obrazce mohou být použity pro obě skupiny objektů. Jsou to pravidla pro spojování těchto základů, která způsobují, že některá uspořádání jsou pozorována a jiná nikoli. Uvědomte si, že stejné množství informací o pravidlech najdete v obou skupinách objektů.

    Ke stažení:
    Pracovní list pro studenty 106kB    129kB (1 strana textu)

    Rozšíření pro učitele 147kB    169kB (3 strany textu)



  • Nepřímé měření

    Téměř všechny obory moderní fyziky závisí na nepřímo měřených fyzikálních vlastnostech látek nebo částic. Následující úkol by měl studenty přesvědčit o tom, že nepřímé měření je velmi důležitou metodou při získávání přesných informací.

    Toto cvičení může být zařazeno do výuky např. před výklad Rutherfordova modelu atomu. Jedná se vlastně o simulaci částicového experimentu, kdy jsou terčíky z určitého materiálu ostřelovány vysokoenergetickými částicemi a jejich vzájemné kolize jsou pak rozebírány a studovány.

    Úkol: Určete nepřímým měřením poloměr jednotlivých kroužků na papíře.

    Návod na provedení: Použijte papíry, na nichž jsou kruhy ve velkém obdélníku. Papíry obraťte potištěnou stranou dolů a položte na zem na kopírovací papír (ideální je starý klasický černý „kopírák“). Na takto uspořádané papíry pak z dostatečné výšky upusťte kuličku (můžete použít obyčejnou hliněnku nebo skleněnku, vhodné jsou také ocelové kuličky z ložiska). Zopakovat byste tento hod měli aspoň 100x. Hlídejte si výšku, ze které budete kuličku pouštět - měla by být taková, aby kulička rovnoměrně zasahovala celý papír.

    Zajímavá bude určitě debata o chybách, které nepřímé měření přináší. Jak moc se vypočítaná hodnota liší od přímo změřené? Zkuste se studenty společně rozebrat chyby při nepřímém měření.

    Ke stažení:
    Pracovní list pro studenty 27kB    30kB (1 strana textu)

    Pracovní list s poznámkami pro učitele 41kB    153kB (1 strana textu)

    Kruhy 321kB    417kB (2 strany)



  • Princip Milikanova pokusu

    Pokud porozumíte systému základních částic, můžete objevit na jedné straně složitou, ale zároveň jednoduchou strukturu celého světa. Stejně jako jsou všechna myslitelná slova složena ze 34 písmen české abecedy, atomová fyzika nás učí, že atomy všech existujících prvků jsou složeny ze tří částic – protonu, neutronu a elektronu. Když v minulém století neuvěřitelně narůstal počet dalších „elementárních“ částic postupně objevovaných v kosmickém záření a při vysokoenergetických srážkách, objevila se teorie, která předpokládala, že také všechny tyto částice jsou tvořeny několika základními stavebními prvky.

    K porozumění principu Milikanova pokusu je potřeba, aby si studenti uvědomili, že elektrický náboj je měřen v diskrétních hodnotách, tzn. má svou nejmenší, dále nedělitelnou hodnotu. Stejně tak k nahlédnutí do Standardního modelu je třeba uvědomit si, že kvarky jsou nejmenší dnes pozorované částice, z nichž je složena veškerá hmota.
    Tento úkol by měl studentům pomoci určit různé typy „atomů“ a také je přivést k určení základní jednotky. Mohou také dospět k zjištění, že vnitřní strukturu může mít i to, co považovali za nejmenší část svých „atomů“.

    Připravte si stejné kartičky (je jedno, jaké přesně použijete, ale měly by být všechny stejně velké a měly by být ze silnějšího papíru) a vložte je do běžných obálek tak, aby byl počet kartiček v každé obálce dělitelný třemi. Budete potřebovat hodně kartiček i obálek, aby měli studenti k dispozici dostatečnou statistiku.

    Připravené obálky zamíchejte a rozdejte každému studentovi 10 z nich. Jednotlivé obálky představují „částice“. Studenti nyní musí pomocí vah změřit hmotnosti svých částic a výsledky zaznamenat pro další zpracování. Při vážení by mělo stačit určení hmotnosti s přesností 0,1 g. Digitální váhy budou určitě velkým pomocníkem při urychlení procesu vážení. Pro zpracování všech naměřených dat bude nejjednodušší použít některý počítačový program, který umí vytvářet grafy (např. Excel). Z naměřených hodnot sestavte graf a určitě bude na první pohled nápadné, že hmotnosti se rozdělily do několika „hladin“. Hmotnosti nyní seřaďte podle velikosti a znovu nechte vykreslit graf. Nyní už je zřejmé, že hmotnosti nemají libovolnou hodnotu, ale rozdělení je diskrétní a navíc rozdíly mezi jednotlivými hladinami jsou stejné.

    Na základě tohoto pozorování by studenti měli vyslovit teorii, co je podle nich základní jednotkou hmotnosti v jejich „atomech“. Zkuste se studentů zeptat, jak by zjistili, že jejich základní jednotka má další strukturu. Musí k tomu použít „větší energii“ – otevřít obálku a zjistit, co se vevnitř skrývá. Po otevření obálek studenti zjistí, že jejich „základní“ jednotka se skládala z dalších tří částí. Je to podobné tomu, že protony a neutrony se skládají ze tří kvarků.

    Ke stažení:
    Pracovní list pro studenty 15kB    28kB (1 strana textu)

    Rozšíření pro učitele 47kB    58kB (3 strany textu)

    Ukázka naměřených dat 41kB    153kB (3 strany textu)



  • Určení hmotnosti t kvarku

    Studenti by měli mít k dispozici dvoustránkový pracovní list s několika úkoly vedoucími k nalezení hmotnosti t kvarku. Zároveň by před sebou měli mít obrázky A.3 – A.7, neboť některé z nich budou potřebovat ke své práci. Nejdůležitější z nich je graf CAL+TKS END VIEW (jeden z obrázků A.5, A.6 nebo A.7). Protože tento úkol je celkem složitý, je potřeba studentům vysvětlit postupně jednotlivé kroky. Můžete při tom využít poznámky z textu v souborech ke stažení. Šíře informací, které studentům poskytnete, záleží na časových možnostech i projeveném zájmu.

    Text vznikl v roce 1996 v době objevu posledního a nejtěžšího ze šestice kvarků – kvarku t. Základní princip hledání hmotnosti t kvarku je stále stejný, část objasňující tuto problematiku tedy neztratila nic na aktuálnosti. Fyzikové zkoumající t kvark dnes dále zpřesňují jeho hmotnost i další charakteristiky a zvětšují statistiku naměřených dat.

    Ke stažení:
    Pracovní list pro studenty 43kB    49kB (2 strany textu)

    Rozšíření pro učitele 113kB    215kB (7 stran textu)

    Obrázky srážek A.3-A.7 886kB    1139kB (5 obrázků na 3 stranách)



Jana Burešová, 24.11.2006