Doświadczenie Rutherforda

Autor: Ksawery Stojda

Dołącz do dyskusji na blogu autora

 

Dziś do mojej kolekcji w Akademii Uczniowskiej kolejne zajęcia z cyklu „wakacyjna nauka dla przedszkolaków” — piłeczkami tenisowymi robimy doświadczenie Rutherforda.

 

Grupa docelowa:

Przedszkole, nauczanie początkowe, (raczej niewiele na wyższych szczeblach szkoły), doktoranci fizyki.

Uwaga: doświadczenie wymaga pomocnika (raczej starszego od dzieci).

 

Doświadczenie:

Zabawa inspirowana jest grą edukacyjną ze strony CERN for Kids (dostępnej również po polsku) i zabawą z działu przeznaczonego dla najmłodszych w CERN-owskim muzeum nauki.
Ta z kolei pochodzi od sportowo-zręcznościowo-rekreacyjnych wygłupów wymyślonych 25 lat temu przez studentów CERN.

 

Sprzęt:

– ciężki fotel o podstawie w kształcie litery D, albo dowolne inne ciężkie przedmioty o krawędziach: półokrągłej, płaskiej, płaskich tworzących kąt prosty, tworzących kąt rozwarty (np. duża okrągła donica, drewniana skrzynka);
– parawan lub inna zasłona rozwieszona na dwóch stojakach, musi mieć u dołu prześwit wysokości 10-20cm;
– piłki tenisowe.

 

Doświadczenie:

Na środku pokoju stawiamy fotel — płaską stroną podstawy ustawiony w stronę drzwi. W drzwiach staje dziecko i rzuca (raczej toczy po podłodze) piłeczkę tenisową tak, by odbiła się od krawędzi fotela, piłeczka odbija się i wraca do dziecka. Powtarzamy to kilka razy.

Obracamy fotel tak, że skierowany jest teraz narożnikiem w stronę drzwi. Dziecko znów rzuca piłeczki — teraz będą odbijały się: część piłek w lewo, część w prawo.

Obracamy pod kątem ok 30° — kąt odbicia piłeczek lecących w lewo jest inny, niż tych odbijanych w prawo.

Ustawiamy fotel wypukłą stroną podstawy w stronę drzwi. Teraz piłeczki odbijają się pod różnymi kątami.

Jeśli mamy inne kształty, to oglądamy jak wyglądają odbicia od nich.
Zostawmy sobie jeden z możliwych do ustawienia kształtów (np. mocno rozwarty kąt między dwoma krawędziami) bez pokazywania go.

 

Konkurs — zabawa:

Fotel (target) zasłaniamy parawanem takim, żeby piłeczki mogły swobodnie przetoczyć się pod nim, ale by dzieci nie widziały jego ustawienia. Dzieci mają za zadanie rzucając piłeczkami i patrząc, gdzie poleciały po odbiciu odgadnąć kształt (ustawienie) przeszkody. Potrzebujemy tu pomocnika do zbierania piłeczek, które zostały po „niewidocznej” stronie zasłony i do ustawiania przeszkód tak, by dzieci tego nie widziały.

 

Dyskusja — wykład:

Mieliśmy w głowach teorię (moglibyśmy to wyliczyć, gdybyśmy umieli więcej z matematyki, ale my się tego nauczymy dopiero za kilka lat, więc nie liczyliśmy, tylko sprawdziliśmy praktycznie) jak piłki odbijają się od różnych przeszkód. Ale teraz możemy działać w drugą stronę! Nie znając kształtu przeszkody, a tylko patrząc jak od niej odbijają się piłki potrafimy dowiedzieć się, jaki jest kształt tej niewidocznej dla nas przeszkody!

Opowiadamy, że to, jak oni rozpoznawali kształt nie widząc go, a tylko rzucając piłeczki, to jedna z najważniejszych metod badawczych fizyki. Pokazujemy zdjęcia z dyfrakcji rentgenowskiej na kryształach (np. z Wiki:— czarne plamki to tam, gdzie poleciały odbite od kryształu kwanty γ ) i opowiadamy o użyciu tej techniki do badania dużych struktur złożonych z atomów (kryształów, białek…)

 

 

Opowiadamy o doświadczeniu Rutherforda i odkryciu jądra atomowego przez badanie pod jakimi kątami cząstki α odbijają się od folii ze złota, co pokazało, że odbijają się one od czegoś bardzo małego, ale ciężkiego (skupiającego większość masy atomu) — jądra atomowego.

Opowiadamy, jak rozpraszając neutrony (albo inne cząstki) na jądrach atomowych, można obejrzeć ich wewnętrzną strukturę.

Wreszcie opowiadamy, jak rzucając w protony elektronami, mogliśmy znaleźć i ich wewnętrzną strukturę złożoną z kwarków.

A czy da się zejść jeszcze głębiej? Na razie nie i bardzo prawdopodobne, że w ogóle nie ma struktury drobniejszej, niż kwarki. Ale niech dzieciaki uczą się, potem studiuja fizykę i w końcu pojadą do CERN-u szukać tej wewnętrznej struktury kwarków!

 

Dygresja:

Zabawę tę wymyślili studenci w CERN którejś zimy w latach 1980′ ustawiając na lodowisku stalową beczkę obciążoną gruzem i grając w „hokejowy pinball” — krążek miał trafić do bramki po odbiciu od beczki. Po kilku dniach, gdy mało kto potrafił tak strzelić, któryś ze studentów zbudował bardzo porządny detektor, otaczający beczkę i mierzący kąty, pod jakimi krążki się odbijają: wygięty w łuk pas blachy z piezoelektrycznymi przetwornikami na końcach, wzmacniaczami, dyskryminatorami i licznikiem czasu, wyznaczający kąt z różnicy czasów pomiędzy drganiem docierającym do obu końców, podłączony do komputera zbierającego dane (dziś to banał, ale to były czasy nie laptopów, a wielkiego jak szafa PDP/11, do którego trzeba było dociągnąć 200m kabli…) No i zaczęły sie konkursy hokejowo-łyżwiarskie.

Któryś z CERN-owskich profesorów, przechodząc obok, rzucił studentom: „Pięknie! Za tydzień na moim seminarium poproszę o prelekcję, przedstawiającą wyniki waszych pomiarów współczynnika tarcia krążka o beczkę.”
Da się to wyliczyć z rozkładu kątów odbitych krążków…

 

Historia:

Opowiadamy historię zmieniających się 100 lat temu hipotez na temat budowy atomu, rozstrzygającego te spory doświadczenia Rutherforda, możemy dorzucić trochę ciekawostek o Ernscie Rutherfordzie.

 

Modyfikacje:

Zabawę można przeprowadzić nie tylko z piłkami tenisowymi, czy krążkami hokejowymi, ale na tysiąc innych sposobów wymagających mniejszej lub większej sprawności fizycznej i zręczności: z piłkami futbolowymi, do siatkówki, na stole bilardowym, serwując piłeczki pingpongowe w stronę powieszonej na ścianie miski, serwując piłki tenisowe o betonowy słup, przerabiając „pinball machine”, staczając kuleczki od łożysk po pochylonym blacie stolika, grając monetami w cymbergaja, a nawet w grze komputerowej.
Gdyby ktoś z Czytelników chciał się w to bawić w stylu hokejowym na publicznym lodowisku, to zamiast beczki jako target polecam (napompowane) zapasowe koło od samochodu — nie niszczy lodowiska tak jak beczka.