NTSE - Nano Technology Science Education. Project No: LLP TR-KA3- KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ ΚΥΜΑΤΑ ΚΑΙ

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3- KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ ΚΥΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΝΑΙΩΡΗΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΠΟΥ ΧΟΡΕΥΟΥΝ ΜΕΡΟΣ Ι: ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Υποθέστε ότι κάθεστε στην παραλία με τους φίλους σας και παρακολουθείτε το ηλιοβασίλεμα. Καθώς ο κοκκινωπός ήλιος δύει παρακολουθείτε τα κύματα να χτυπούν την παραλία. Αυτή τη στιγμή δε βλέπετε μόνο αλλά ταυτόχρονα ακούτε το χαλαρωτικό ήχο των κυμάτων. Πόσων ειδών κύματα μπορείτε να αναγνωρίσετε τη στιγμή εκείνη; A. Τύποι κυμάτων: 1. Μηχανικά κύματα Ένα μηχανικό κύμα, που ονομάζεται επίσης υλικό κύμα, είναι ένα κύμα που χρειάζεται ένα μέσο για να ταξιδέψει. Τα Μηχανικά κύματα προκαλούν μια τοπική ταλάντωση του υλικού. Το ταλαντούμενο υλικό δεν μετακινείται μακριά από την αρχική θέση

2 ισορροπίας του. Τα μηχανικά κύματα μεταφέρουν μόνο ενέργεια. Αυτή η ενέργεια διαδίδεται στην ίδια κατεύθυνση με το κύμα. Οποιοδήποτε είδος κύματος (μηχανικά ή ηλεκτρομαγνητικά) έχει μια ορισμένη ενέργεια. Κανένα υλικό δε μεταφέρεται, ως αποτέλεσμα των μηχανικών κυμάτων. Τύποι Μηχανικών Κυμάτων: Εγκάρσιο κύμα: Ένα εγκάρσιο κύμα είναι ένα κύμα στο οποίο τα σωματίδια του μέσου κινούνται σε μια κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση που κινείται το κύμα. Τα εγκάρσια κύματα προκαλούν το μέσο να δονείται σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση του κύματος. Τα εγκάρσια κύματα έχουν δύο μέρη: την κορυφή και την κοιλία. Η κορυφή είναι το υψηλότερο σημείο του κύματος και η κοιλία το χαμηλότερο. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση από κορυφή σε κορυφή ή από κοιλία σε κοιλία. Το φως έχει ιδιότητες ενός εγκάρσιου κύματος, αλλα και ταυτόχρονα ένα Ηλεκτρομαγνητικό Κύμα (ΗΚ). Διάμηκες κύμα: Ένα διάμηκες κύμα είναι ένα κύμα στο οποίο τα σωματίδια του μέσου κινούνται σε κατεύθυνση παράλληλη προς την κατεύθυνση που κινείται το κύμα. Η ταχύτητα του διαμήκους κύματος αυξάνεται σε υλικά με υψηλότερο δείκτη διάθλασης, λόγω της στενότερης εγγύτητας των ατόμων στο μέσο που συμπιέζεται. Ο ήχος θεωρείται ένα διαμήκες κύμα. Επιφανειακά κύματα: Ένα επιφανειακό κύμα είναι ένα κύμα στο οποίο τα σωματίδια του μέσου υποβάλλονται σε κυκλική κίνηση. Τα επιφανειακά κύματα δεν είναι ούτε διαμήκη ούτε εγκάρσια. Αυτός ο τύπος του κύματος ταξιδεύει κατά μήκος μιας επιφάνειας που είναι μεταξύ δύο μέσων. Ένα παράδειγμα ενός κύματος επιφανείας θα είναι σε μια πισίνα, ή σε έναν ωκεανό, ή λίμνη, ή οποιοδήποτε άλλο είδος του υδάτινου σώματος.

3 2. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι ένα κύμα που είναι ικανό να διαδίδει την ενέργεια του μέσω του κενού (δηλαδή του άδειου χώρου). Τα ΗΜ κύματα παράγονται από την ταλάντωση των φορτισμένων σωματιδίων. Ένα ΗΜ κύμα είναι μια διαταραχή, η οποία δεν απαιτεί κανένα υλικό μέσο για την διάδοσή του και μπορεί να ταξιδέψει ακόμη και μέσω κενού. Τα ΗΜ προκαλούνται λόγω μεταβαλλόμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Το φως, τα μικροκύματα, οι ακτίνες Χ, το ραδιόφωνο και οι τηλεοπτικές μεταδόσεις είναι όλα παραδείγματα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό πεδίο που περιβάλλει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Ομοίως, το μαγνητικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό πεδίο που περιβάλλει ένα μαγνητικό πόλο. Εκτός αυτού, ένα ηλεκτρικό πεδίο που αλλάζει με το χρόνο, όπως για παράδειγμα λόγω της κίνησης ενός φορτισμένου σωματιδίου στο πεδίο, σχηματίζει ένα μαγνητικό πεδίο. Με άλλα λόγια, ένα κινούμενο φορτίο έχει πάντα τόσο ένα μαγνητικό όσο και ένα ηλεκτρικό πεδίο, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο συνδέονται μεταξύ τους σε ένα πεδίο που ονομάζεται «ηλεκτρομαγνητικό πεδίο». Σε αυτό το πεδίο, το ηλεκτρικό πεδίο και το μαγνητικό πεδίο μετακινούνται σε ορθές γωνίες μεταξύ τους. Διαφορές μεταξύ των μηχανικών κυμάτων και Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων Τα μηχανικά κύματα χρειάζονται ένα υλικό μέσο για την διάδοσή τους, τα ΗΜ κύματα δεν χρειάζεται κανένα υλικό μέσο για την διάδοσή τους. Τα μηχανικά κύματα παράγονται λόγω των δονήσεων των σωματιδίων του μέσου, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που προκαλούνται λόγω αλλαγων σε ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Τα μηχανικά κύματα έχουν χαμηλή ταχύτητα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν υψηλή ταχύτητα. B. Τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια: Τα μηχανικά κύματα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι δύο σημαντικοί τρόποι που η ενέργεια μεταφέρεται στον κόσμο γύρω μας. Τα κύματα στο νερό και τα ηχητικά κύματα στον αέρα είναι δύο παραδείγματα των μηχανικών κυμάτων. Τα μηχανικά

4 κύματα προκαλούνται από μια διαταραχή ή δόνηση στην ύλη, σε μορφή είτε στερεή, είτε αέρια είτε υγρή. Το υλικό μέσα στο οποίο ταξιδεύουν τα κύματα ονομάζεται μέσο. Τα κύματα του νερού δημιουργούνται από δονήσεις σε ένα υγρό και τα ηχητικά κύματα σχηματίζονται από δονήσεις σε ένα αέριο (αέρα). Αυτά τα μηχανικά κύματα ταξιδεύουν μέσω ενός μέσου προκαλώντας τα μόρια να προσκρούουν μεταξύ τους, όπως η πτώση του ντόμινο μεταφέροντας ενέργεια από το ένα μόριο στο επόμενο. Τα ηχητικά κύματα δεν μπορούν να ταξιδέψουν στο κενό του διαστήματος, επειδή δεν υπάρχει μέσο για τη μετάδοση αυτών των μηχανικών κυμάτων. Τα κλασσικά κύματα μεταφέρουν ενέργεια χωρίς να μεταφέρουν το ύλη μέσα από το μέσο. Τα κύματα σε μια λίμνη δεν μεταφέρουν τα μόρια του νερού από τόπο, αλλά την ενέργεια του κύματος που ταξιδεύει μέσα στο νερό, αφήνοντας τα μόρια του νερού στη θέση του, σαν ένα έντομο που επιπλέει πάνω από κυματισμούς στο νερό. ΜΕΡΟΣ II: ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ Δραστηριότητα 1: Θυμηθείτε τις καλοκαιρινές σας διακοπές. Έχετε δει τις σημαδούρες που χρησιμοποιούνται για να σηματοδοτήσουν βαθιές θαλάσσιες περιοχές. Όταν τα κύματα φτάνουν σε αυτές παρατηρούμε ότι αυτές οι σημαδούρες μετακινούνται κατακόρυφα με τα κύματα. Μπορείτε να σκεφτείτε ότι οι σημαδούρες είναι τα νανοσωματίδια μας στο ρευστό και τα μαγνητικά κύματα μπορούν να θεωρηθούν ως τα κύματα της θάλασσας.. Δραστηριότητα 2: Για το πείραμα αυτό, θα πρέπει να έχετε ένα πλαστικό μπολ και κάποιες μικρές μπάλες.

5 Πρώτα, συμπληρώστε το ήμισυ του μπολ με νερό και βάλτε τις μικρές μπάλες σας στο μπολ. Στη συνέχεια, μπορείτε να αρχίσετε να χτυπάτε κάτω από την λεκάνη. Όταν χτυπήσετε, μερικά κύματα εμφανίζονται στο μπολ, λόγω του νερού. Τα κύματα αυτά κινούν τις μπάλες σας. Μπορείτε να παρατηρήσετε τη μεταφορά της ενέργειας σε αυτό το σύστημα. Δραστηριότητα 3: Σα μια αρχική προσέγγιση μπορούμε να πούμε πως η συμπεριφορά των φερομαγνητικών νανοσωματιδίων μοιάζει με τη συμπεριφορά των μικρών μπάλων στο μπολ. Παρακολουθήστε το βίντεο για να καταλάβετε τη συμπεριφορά των φερομαγνητικών νανοσωματιδίων. Δραστηριότητα 4: δοκιμάστε την εμπειρία των φερρομαγνητικών νανοσωματιδίων στο γεμάτο υγρό δοκιμαστικό σωλήνα που τοποθετείται σε ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Συσκευές Συστήματος: 1. Γεννήτρια συχνοτήτων (FG) 2. Ενισχυτής υψηλής ισχύος (HPA) 3. Σωλήνας που περιέχει φερρομαγνητικά νανοσωματίδια 4. Συσκευή συγκράτησης δοκιμαστικού σωλήνα 5. Συσκευή συγκράτησης για τους Μαγνήτες 6. Φακός 7. Μαγνήτες Νεοδυμίου υψηλής ισχύος 8. Μαγνητικό πηνίο παραγωγής πεδίου

6 Δοχείο Φερρομαγνητικών νανοσωματιδίων Βάση στήριξης μαγνητών Ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου Πηνίο δημιουργίας μαγνητικού πεδίου Βάση στήριξης δοκιμαστικού σωλήνα Φακός Ο δοκιμαστικός σωλήνας τοποθετείται στη βάση. Όταν το μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται, μπορείτε να δείτε τη συμπεριφορά των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων. Οι αλλαγές στην κίνηση εξαρτώνται από τη μεταβολή στο πεδίο.

7 Βήματα: Ι-Πειραματιστείτε στη συμπεριφορά του συστήματος των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων στο δοκιμαστικό σωλήνα υπό την επίδραση του συνεχούς μαγνητικού πεδίου. II-Διαμορφώστε το το σταθερό πεδίο, με την προσθήκη ηλεκτρομαγνήτη στο πείραμα για την δημιουργία "χρονομεταβλητού" μαγνητικού πεδίου. III-Τέλος, χρησιμοποιείστε ήχους από διαφορετική μουσική για να απεικονίσετε πιο ελκυστική συμπεριφορά των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων στο σύστημα δοκιμαστικού σωλήνα. Πείραμα: Τοποθετήστε το "σύστημα του δοκιμαστικού σωλήνα" πάνω από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τους μαγνήτες Νεοδυμίου. Στη συνέχεια, δημιουργούμε εξωτερικά χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιώντας ένα πηνίο που τοποθετείται 90 μοίρες κάθετα προς τις σταθερές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Όπως μπορεί κανείς εύκολα να δει στην παρακάτω εικόνα, η ογκώδης μάζα με αιχμές υπό το συνεχές μαγνητικό πεδίου έχει γίνει πιο ορατή. Έχει επίσης παρατηρηθεί ότι χαμηλής συχνότητας και υψηλό πλάτους χρονομεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο εμφανίζει αλλαγές στο μεσαίο τμήμα της συνολικής μάζας, και καθώς η συχνότητα του πεδίου αυξάνετε, οι πλευρές της μάζας αυξάνονται σε απόκριση..

8 Για τη διαταραχή που προκαλείται στο πείραμα αυτό λόγω του υγρού και του κυλινδρικού σχήματος του δοχείου αποφασίσαμε να αναλύσουμε περαιτέρω κάποιες σημαντικές παραμέτρους του συστήματος του σωλήνα δοκιμής (TTS). a- Σαρώσαμε συχνότητες 1-20 Hz σε διαφορετικούς τύπους κυμάτων που σχηματίζονται από τη γεννήτρια. Θα βρείτε τη φυσική συχνότητα συντονισμού TTS ως μια συγκεκριμένη τιμή. (Ο λόγος για αυτή τη συχνότητα είναι ότι η μαγνητική δύναμη η μπορεί μετακινήσει μόνο ορισμένη ποσότητα των νανοσωματιδίων, και το συγκεκριμένο σχήμα του σωλήνα δοχείου.) b- Στη συνέχεια, γίνεται σάρωση συχνοτήτων από 1 Hz έως 30 Hz. Παρατηρήστε ότι τα νανοσωματίδια μέσα στο TTS δεν ανταποκρίνονται άνω των 18 Hz, συχνότητα η οποία δείχνει την σημείο αποκοπής "cut-off συχνοτήτων». (Ο λόγος για αυτή τη συχνότητα είναι ότι μετά από ένα ορισμένο όριο, η μαγνητική δύναμη που σχηματίζεται έξω από τα TTS δεν μπορεί να μεταφερθεί σε νανοσωματίδια λόγω του περιβάλλοντος ρευστού μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και του συγκεκριμένου σχήματος του σωλήνα) c- Τέλος, χρησιμοποιήστε τους ήχους διαφορετικής μουσικής για να αλλάξετε τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Η επίδραση χρονομεταβαλλόμενων μαγνητικών γραμμών μπορεί εύκολα εμφανιστεί στα σωματίδια. Παρατηρήστε τις επιπτώσεις που επιφέρουν οι υψηλότερες συχνότητες στην κίνηση των εξωτερικών άκρων του συνολικού σύννεφου των νανοσωματιδίων.

9 ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ Συμπληρώστε τα κενά με τις κατάλληλες εκφράσεις. 1 Τα κύματα μεταφέρουν..., αλλά όχι... 2 Από μηχανική άποψη, "ο ήχος" έχει το χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός... κύματος, και το "φως" έχει το χαρακτηριστικό ενός... κύματος. 3 Τα επιφανειακά κύματα οδεύουν κατά μήκος μιας επιφάνειας που είναι... δύο μέσων. 4 - Σε αντίθεση με μηχανικά κύματα, τα κύματα EM είναι ικανά για τη μετάδοση ενέργειας μέσω "Ο χορός " των φερροϋγρών σχηματίζεται από την... στο μαγνητικό πεδίο. 6 - Μετά από ένα ορισμένο όριο, η μαγνητική δύναμη δεν μπορεί να μεταφερθεί με τα νανοσωματίδια, η οποία ονομάζεται συχνότητα.... ΑΝΑΦΟΡΕΣ: