Na scenie: fizyka i dramat Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Pomyśl o możliwości przesyłania dźwięku za pomocą lasera, niewiarygodne? Właśnie tego dokonali uczniowie Alessio Bernardelli’ego – później przygotowali przedstawienie teatralne, aby scenie wyjaśniać wiedzę leżącą u podstaw swego…

Pragnąc zachęcić naszych uczniów (wiek 16-17 lat) by zamiast traktować technologię użytkową jak „czarną magię”, doszukiwali się zrozumienia jej istoty, moi koledzy i ja zwróciliśmy się do nich z propozycją zaprojektowania i zbudowania lasera modulowanego w oparciu o tani, dostępny w handlu wskaźnik laserowy. Gdy już wybrali zadowalający projekt, bardzo byli zdziwieni jego prostotą. Nawet niektórzy nauczyciele powątpiewali w możliwość jego działania.

Sukces przekroczył wszystkie nasze oczekiwania. Nie tylko udało się przesłać sygnał audio na drugi koniec pokoju, ale odtwarzana muzyka była głośna i wyraźna. Uczniowie byli zdumieni faktem, że dokonali czegoś, o czym nie wiedzieli nawet, że jest możliwe. Okazało się to jednak zadaniem całkiem prostym, które w dodatku może być pomocne w wyjaśnianiu szerokiego spektrum zagadnień fizycznych – co też nasi uczniowie uczynili w następnym etapie swojego przedsięwzięcia.

Mnie najbardziej podoba się to, że nasze urządzenie jest bardzo tanie i bardzo widowiskowe. Podobny przyrząd można nabyć za około £250, nasz kosztuje około £15. W dodatku dokładnie można przyjrzeć się jego konstrukcji, a więc nawet ktoś mniej uzdolniony technicznie może wynieść korzyść dla siebie.

Budowa modulowanego lasera

Sygnał wejściowy, przychodzący z urządzenia audio, płynie przez rezystor. Jako sygnał AC (prądu zmiennego), wywołuje zmianę napięcia na końcach tego rezystora, a w konsekwencji zmianę natężenia prądu płynącego w obwodzie z taką samą częstotliwością, jaką posiada sygnał wejściowy. Skutkiem tego jest zmiana natężenia światła wysyłanego przez diodę laserową, dokonująca się z identyczną częstotliwością.

Wiązka laserowa o zmiennym natężeniu jest wysyłana w kierunku elementu fotoelektrycznego, połączonego z niewielkim wzmacniaczem. Ponieważ ilość fotonów docierających do czujnika zmienia się zgodnie z częstotliwością sygnału audio, prąd generowany przez fotoelement również zmienia się z taką częstotliwością. Po wzmocnieniu, ten sygnał AC wywołuje ruch membrany głośnika – można słuchać muzyki.

Kondensator znajdujący się w układzie modulującym przepuszcza sygnał AC oraz odcina urządzenie audio od prądu stałego (DC) z baterii.

Materiały

• Wskaźnik laserowy (najmniej 5 mW)
• Mini-wzmacniacz
• Najlepszy i najtańszy wydaje się wyjęty z odbiornika krótkofalowegow1
• Przewód elektryczny zakończony wtykami 3.5 mm mono
• 3 baterie AAA
• Pojemnik mieszczący 3 baterie AAA
• Mały wyłącznik elektryczny
• Cyna lutownicza i przewód elektryczny
• 2 zaciski krokodylkowe
• Kondensator 100 μF
• Opornik 10 Ω
• Fototranzystor albo inny fotoelement
• Urządzenie audio, np.: odtwarzacz mp3 albo CD (dowolne urządzenie audio wyposażone w gniazda połączeniowe 3.5 mm)
• 2 statywy z łącznikami zaciskowymi

Montaż

Obwód modulatora

1. Wyjmij baterie z wnętrza wskaźnika laserowego.
2. Zaciśnij jeden z krokodylków na sprężynce we wnętrzu komory baterii wskaźnika.
3. Drugi krokodylek zaciśnij na obudowie wskaźnika; krokodylki nie mogą stykać się wzajemnie.
   Jeżeli wiązka laserowa nie pojawi się po zamknięciu skompletowanego obwodu, zamień krokodylki na sprężynce i na obudowie (dioda laserowa świeci, gdy prąd płynie we właściwym kierunku).

4. Przylutuj przewód łącząc jeden z krokodylków z biegunem pojemnika na baterie.
5. Przylutuj przewód łączący drugi biegun pojemnika baterii z opornikiem.

6. Przylutuj przewód, by połączyć przeciwległy koniec opornika do wyłącznika i zamknij obwód przez wlutowanie przewodu między wolnym końcem wyłącznika a drugim krokodylkiem.
   Część DC obwodu już jest kompletna. Aby modulować wiązkę laserową, potrzebne jest jednak zmienne napięcie na oporniku, aby wywołany nim prąd AC nałożył się na prąd DC z baterii.

7. Podziel przewód zakończony wtykami „jack” na dwie połowy. Usuń izolację z jednego z uciętych końców. (Zachowaj drugą połowę przewodu dla odbiornika, zobacz po lewej).
8. Jak widzisz, przewód wykonano tak, że cienkie miedziane druciki (ekran) owinięto wokół drutu osłoniętego gumą. Skręć razem wszystkie druciki ekranu, separując je od otulonego gumą drutu umieszczonego w centrum (trzeba usunąć gumę, by go odsłonić).

9. Przylutuj któryś z przewodników (bez znaczenia czy wybierzesz skręcone druciki ekranu, czy drucik centralny) do jednej z końcówek kondensatora.
10. Przylutuj któryś z przewodników (bez znaczenia czy wybierzesz skręcone druciki ekranu, czy drucik centralny) do jednej z końcówek kondensatora.

11. Aby ukończyć montaż obwodu, przylutuj wolny drucik przewodu z wtykiem „jack” do przeciwległego końca opornika.
12. Możesz teraz podłączyć wskaźnik laserowy do urządzenia audio (za pomocą wtyku „jack”).

Odbiornik

1. Usuń izolację z końcówki drugiej połowy przewodu elektrycznego zakończonego wtykiem „jack”, według wskazówek opisanych w krokach 7 i 8 powyżej.
2. Jeden z odsłoniętych przewodników (nie ma znaczenia który) przylutuj do jednej z końcówek fotoelementu, a drugi przewód do drugiej.
3. Za pomocą wtyku „jack” podłącz fotoelement do wzmacniacza. Odbiornik jest gotowy do działania.

Działanie

Starannie nakieruj promień laserowy na fotoelement, wykorzystując w tym celu statywy z łącznikami zaciskowymi.

Włącz urządzenie audio. Po przesyłaniu za pomocą lasera muzyka będzie odtwarzana przez wzmacniacz. Aby bardziej udramatyzować demonstrację, podłącz do wyjścia wzmacniacza jakiś potężniejsze urządzenie nagłaśniające.

Comunicando la física

Tak oto sposób zbudowaliśmy niezwykły gadżet. W gronie kolegów sądziliśmy, że uda się nam przygotować wraz z naszymi uczniami okazjonalny, interaktywny wykład – ale oni okazali się o wiele bardziej pomysłowi. Postanowili napisać sztukę opartą na przygodach James’a Bond’a oraz wykorzystać swoje przedstawienie do objaśnienia koncepcji fizycznych, na których opiera się działanie zbudowanego urządzenia.

Napisali zachwycający scenariusz, wypełniony treściami fizycznymi, z wieloma momentami zachęcającymi widzów do uczestnictwa. Przedstawienie przeznaczono dla uczniów w wieku 13-14 lat (dziewiąty rok nauki w szkole). Miało ono podnieść zainteresowanie przedmiotem – a także zachęcić do głębszego studiowania fizyki w szkole lub nawet na poziomie uniwersyteckim w przyszłości.

Podczas przedstawienia starsi uczniowie wyjaśniali zagadnienia fizyczne, zawarte w programie GCSE (wiek 14-16 lat), jak np.: modulowanie sygnału, światło jako środek komunikacji, odbicie światła i światłowody oraz wybrane bardziej zaawansowane zagadnienia, np. efekt fotoelektryczny. Można ściągnąć scenariusz^w2, i dokładnie zapoznać się z ich sposobem wyjaśniania tych idei.

Przedstawienie było wystawiane nie tyko w naszej szkole, ale także w innych szkołach w Walii. Dobre wrażenie pozostawiły u widzów: jakość sztuki, wiedza uczniów oraz ich umiejętność przekazywania jej młodszym kolegom. Najmłodsi widzowie potraktowali przedstawienie jako rozrywkowy sposób poznawania fizyki. Spodobało im się także to, że to nie nauczyciele a starsi koledzy objaśniali im te koncepcje.

Nastawienie uczniów biorących udział w przedstawieniu również uległo zmianie. Jedna z dziewcząt stwierdziła, że dopiero po napisaniu scenariusza i prezentacji efektu fotoelektrycznego młodszym uczniom, sama zrozumiała to zjawisko. Nauczyciele często doświadczają czegoś podobnego: dopiero gdy trzeba nauczyć danego tematu, samemu zaczynasz rozumieć go na wskroś. Częściowo wskutek realizacji tego projektu, wszyscy zaangażowani w nim uczniowie wybrali studiowanie fizyki albo studia politechniczne.

Rezultaty projektu

Projekt realizowano w czerwcu 2008 roku, ale jego efekty są odczuwalne nadal. W odwiedzanych przez nas szkołach nie tylko uczniowie oglądali nasze przedstawienie, także ich nauczyciele. Pokazywaliśmy jak wiele fizyki można wyjaśnić z pomocą naszego urządzenia. Ponieważ korzystaliśmy również ze wskaźników zbudowanych przez naszych widzów własnoręcznie, mogli później wykonywać podobne demonstracje na swoich lekcjach. Moi koledzy z Croesyceiliog School^w3 nadal korzystają z takiego urządzenia podczas lekcji.

Oddziaływanie naszego projektu wykroczyło poza rejon Walii. W październiku 2008, wraz z kilkoma moimi uczniami, prowadziliśmy warsztaty dla nauczycieli na Konferencji Walijskich Nauczycieli Fizyki (Welsh Physics Teachers’ Conference), zorganizowanej przez Instytut Fizyki UK^w4.

W kwietniu 2009 odwiedziła naszą szkołę Science Made Simple^w5 i włączyła fragmenty naszego projektu do swojego nowego pokazu dla szkół podstawnych i średnich, propagując nasz pomysł w całej Anglii i Walii.

Czas

Projekt był realizowany przez rok w ramach Rolls-Royce Science Prize 2008-09^w6, w którym byliśmy jednym z dziewięciu finalistów. Poszukiwania informacji i prace projektowe zajęły nam kilka tygodni, budowa urządzenia trwała kilka dni. Pisanie scenariusza, próby i występy na scenie zajęły około dwóch miesięcy. Pozostała część roku została spożytkowana na współdziałanie z Institute of Physics oraz Science Made Simple.

Poświęcaliśmy na projekt jednogodzinną lekcję tygodniowo (dwie w tygodniu) przez około dwa miesiące. Pozostała część pracy została wykonana poza szkołą.

Podziękowania

Kierował projektem Alessio Bernardelli, ale byłoby to niemożliwe, gdyby nie pomagali mu Matt Smith and John Ivins, jego koledzy z Croesyceiliog School.

W okresie realizacji projektu Matt był metodykiem w Croesyceiliog School. Odegrał zasadniczą rolę w projektowaniu obwodu i rozwiązał wiele problemów narosłych w trakcie projektu. Obecnie jest szefem ds. fizyki w międzynarodowej szkole w Rzymie, we Włoszech.

John Ivins był kluczowym członkiem zespołu, dzięki swojemu dobremu kontaktowi z uczniami. Obecnie jest przewodniczącym zespołu nauczycieli fizyki w Croesyceiliog School w Cwmbran w Walii, UK.