Kto zamordował Sir Ernesta? Ślady spektralne rozwiązaniem zagadki. Teach article

Tłumaczyła Katarzyna Badura. Zapoznaj uczniów z widmami akustycznymi i optycznymi na przykładzie tajemnicy morderstwa.

Ten zbiór sądowych zadań przybliża wagę analizy widm i powiązanie między widmami akustycznymi i optycznymi. W pierwszym ćwiczeniu uczniowie wykorzystują dźwięk do rozwiązania zagadki morderstwa, analizując widmo akustyczne w poszukiwaniu śladów pozwalających na identyfikację mordercy na podstawie jego kieliszka. Drugie zadanie polega na zbadaniu optycznego widma poprzez przeprowadzenie badania płomieniem pojedycznych jonów metali i związków metali. W trzecim ćwiczeniu uczniowie zmieniają napięcie na diodach (LED) aby zrozumieć związek między fotonami a barwami widma. Ostatecznie wszystkie trzy ćwiczenia będą zestawione w ramach sesji plakatowej.

Zadania są przeznaczone dla uczniów w przedziale wiekowym 14-16 i możliwe do realizacji przy użyciu łatwo dostępnych materiałów laboratoryjnych lub domowych. Trzy zadania wraz z przygotowaniem plakatu zajmują w sumie nie więcej niż trzy godziny czasu.

Ćwiczenie 1: Widmo akustyczne

Wczoraj wieczorem, na wielkim balu, gospodarz, Sir Ernest, został zamordowany. Teraz uczniowie mają za zadanie znaleźć mordercę, wykorzystując w tym celu akustyczne widma śladów.

Poszukiwania mordercy rozpoczynają się od obejrzenia video^w1 (ryc. 2). Sir Ernest wita pierwszego gościa – „Miło Pana widzieć, panie Darcy” – i słychać dźwięk stukających się kieliszków. Scena powtarza się dla dwóch kolejnych gości, Pana Bennet i Pana Bingley, z których każdy powiązany jest z dźwiękiem konkretnego szkła. W czasie kręcenia video, zamiast zderzać kieliszki gości z kieliszkiem Sir Ernesta, delikatnie uderzaliśmy w nie młotkiem. To pozwoliło na wygenerowanie rozpoznawalnego dźwięku dla każdego naczynia szklanego, nie tłumionego dźwiękiem szkła Sir Ernesta.

Następnie pojawia się scena morderstwa, w której Sir Ernest rozmawia z jednym z trzech gości bez wymieniania jego nazwiska. Obai mężczyźni stukają się jeszcze raz kieliszkami, po czym morderca wyciąga nóż i zabija Sir Ernesta. Tym razem nagrany dźwięk rzeczywiście jest dźwiękiem kieliszka mordercy uderzającego w kieliszek Sir Ernesta.

Teraz młodzi detektywi mogą rozpocząć rozwiązywanie zagadki. Trzy ćwiczenia (a, b oraz c) z tej sekcji można przypisać różnym grupom uczniów, w zależności od ich zdolności. Pod koniec lekcji każda z grup powinna przedstawić wyniki swojej pracy w postaci plakatu.

a) dopasowanie widma akustycznego

W tej części ćwiczenia uczniowie wykorzystują oprogramowanie audio w celu przeanalizowania charakterystycznego dźwięku wydawanego przed szklane naczynie każdego z gości i zidentyfikowania mordercy poprzez porównanie końcowych widm akustycznych. Ta część trwa ok. 45 minut.

Materiały

• Komputer z Audacity lub innym oprogramowaniem audio^w1
• Pliki audio ze sceny morderstwa^w2

Procedura

Zadania dla uczniów:

1. Wykorzystaj oprogramowanie audio do przeanalizowania czterech plików audio (szklane naczynie Pana Darcy, szklane naczynie Pana Bingley’a, szklane naczynie Pana Bennet’a i naczynie szklane mordercy). Dla każdego pliku wygeneruj widmo akustyczne: wykres częstotliwości (w Hertzach) w odniesieniu do względnej głośności odbieranej przez ludzkie ucho (A-zmierzone decybele, lub dB(A)). Wykorzystując widmo akustyczne zidentyfikuj pojedyncze spektrum mordercy na tle widma miejsca zbrodni.
2. Porównaj te widma (ryc. 3 i 4) i wytypuj mordercę: widmo szklanego naczynia mordercy przypomina widmo z miejsca zbrodni.

Dodatkowe instrukcje dotyczące obsługi Audacity można pobrać z sekcji materiałów dodatkowych^w2.

b) Widmo smartfonu

Przy pomocy smartfonów uczniowie analizują charakterystyczne wysokości tonu dla różnych naczyń szklanych. To ćwiczenie trwa ok. 30 minut.

Materiały

• Zbiór różnych naczyń szklanych (kieliszek na wino, kieliszek na szampan, szklanka na wodę)
• Młotek (lub inny przedmiot do uderzania naczyń)
• Smartfon z aplikacją do analizy częstotliwości^w3
• Kartka papieru i ołówek

Procedura

Zadania dla uczniów:

1. Delikatnie uderz młotkiem w każde z naczyń. Przy pomocy smarfona nagraj akustyczne spektrum każdego naczynia.
2. Dla każdego z naczyń zapisz w tabeli natężenie najbardziej wyczuwalnego piku.
3. Przy pomocy papieru i ołówka nakreśl widmo (zależność częstotliwości od amplitudy) dla każdego z naczyń, wykorzystując dane z tabeli.

Alternatywnie, uczniowie mogą przeanalizować nagrania dźwiękowe z video z mordestwem i wtedy naszkicować widmo.

c) Zabawa z wysokością piku

W ostatniej części tego ćwiczenia uczniowie wykorzystają smartfony do zbadania wpływu stopnia wypełnienia szlanego naczynia na wysokość tonu przy uderzeniu młotkiem. Ta część ćwiczenia zajmie w sumie ok. 30 minut czasu.

Materiały

• Przynajmniej pięć identycznych kieliszków na wino
• Młotek (lub inny przedmiot do uderzania w kieliszki)
• Smartfon z aplikacją dźwiekową^w4
• Woda
• Cylinder pomiarowy (lub inne naczynie pozwalające odmierzyć wodę)

Procedura

Zadania dla uczniów:

1. Wlej do kaźdego ze szklanych naczyń inną ilość wody, każdorazowo notując wlaną wartość.
2. Uderz delikatnie młotkiem w każde naczynie. Wykorzystaj aplikację dźwiękową na spartfonie i nagraj częstotliwość każdego z powstałych pików.
3. Wyświetl uzyskane wyniki graficznie, np. jako histogram (ryc. 5).

Ćwiczenie 2: Chemiczni detektywi

Nie tylko Pan Bingley został oskarżony o morderstwo, również higiena żywności w jego domu w Netherfield Hall została zakwestionowana!

Po kolacji, gość o nazwisku pan Wickham posypuje resztki kurczaka na swoim talerzu chlorkiem litu (LiCl). Następnego dnia jemu i jego żonie zostaje podana zupa z kurczakiem. Pan Wickham zanurza w niej pręt tlenku magnezu i umieszcza go w płomieniu palnika alkoholowego. Płomień robi się czerwony. Co nam to mówi?

W tym ćwiczeniu, przeprowadzając test płomienia, uczniowie obserwują piki widma emisji dla najróżniejszych kationów. Na podstawie dokonanych obserwacji, uczniowie definiują skład dwóch mieszanin. To zadanie zajmuje ok. 30 minut czasu.

Materiały

Każda grupa uczniów będzie potrzebowała:

• Palnik Bunsena
• Stojak zaciskowy i zaciski
• Kleszcze
• Pręt tlenku magnezu (MgO)
• Szkiełko podstawowe
• Spektrometr ręczny
• Okulary ochronne
• 5 ml 0,1 M kwasu chlorowodorowego w małej porcelanowej miseczce
• Na szkiełku podstawowym, po czubku szpatułki następujących związków:
  • Chlorek sodu (NaCl)
  • Węglan wapnia (CaCO₃)
  • Chlorek litu (LiCl)
  • Chlorek potasu (KCl)
  • Mieszanina 1 (NaCl i CaCO₃)
  • Mieszanina 2 (LiCl I KCl)

Mieszanina 1 powinna być tak drobno utarta w moździerzu, aby uczniowie nie rozpoznali składników. Należy ją przygotować bezpośrednio przed lekcją, bowiem węgla wapnia jest higroskopijny.

Procedura

Zadania dla uczniów:

1. Trzymaj pręt tlenku magnezu w płomieniu palnika Bunsena tak długo, aż kolor płomienia przestanie się zmieniać.
2. Zanurz pręt w roztworze kwasu chlorowodorowego i w jednej z podanych soli (LiCl, NaCl, KCl lub CaCO₃) na szkiełku podstawowym. Umieść pręt w najgorętszej części płomienia. Zanotuj kolor płomienia i dokonaj jego obserwacji za pośrednictwem spektrometru.
3. Po tym, jak kolor płomienia wróci do stanu pierwotnego, powtórz test płomienia z kolejnymi solami.
4. Zapisz powtałe kolory i linie emisji dla każdego z kationów (Li⁺, Na⁺, K⁺ and Ca²⁺; patrz: ryc. 6).
5. Powtórz test płomienia dla mieszanin 1 i 2. Porównaj otrzymane wyniki z wcześniejszymi danymi i zidentyfikuj kationy obecne w obu mieszaninach.
6. Przypomnij sobie historię wprowadzającą w to ćwiczenie. Co Pan Wickham próbował zbadać? Jak myślisz, jak duże ma szanse na uzyskanie miarodajnegu wyniku eksperymentu nie używając spektrometru?

Ćwiczenie 3: Diody LED i napięcie

To ćwiczenie pozwala na dalsze zgłębienie tematu barw spektralnych. Uczniowie definiują energię potrzebną do zapalenia diod LED w różnych kolorach, wykorzystując w tym celu następujące równianie:

energia (E) = napięcie (V) x ładunek (Q)

Diody LED są wytwarzane przez połączenie dwóch „sproszkowanych” materiałów półprzewodnikowych, z których jeden ma nadmiar elektronów, a drugi niedomiar elektronów (André & André, 2014). W momencie, gdy wprowadza się prąd elektryczny, kombinacja elektronów uwalnia energię w formie fotonów. Każdy z kolorów diody ma inne napięcie progowe, przy którym fotony są uwalniane, co definiuje kolor światła emitowanego przez LED; dlatego zmieniając skład chemiczny materiałów półprzewodnikowych zmienia się również kolor. Opcjonalnie uczniowie porównują również linie widm emicji dla różnych innych źródeł światła. Na wykonanie caości ćwiczenia potrzeba ok. 30 minut.

Materiały

• Diody LED w różnych kolorach i (opcjonalnie) różne źródła światła.
• zasilanie z ogranicznikiem prądu (reostat)
• Multimetr (do pomiaru napięcia)
• Spektrometr

Procedura

Zadania dla uczniów:

1. Ustaw obwód, podłączając multimetr równolegle do diody LED, w celu pomiaru napięcia. Napięcie możesz zmieniać przy pomocy reostatu.
2. Dla każdej z diod metodą małych kroków (np. 0.05V) zwiększaj napięcia do momentu, aż dioda LED się zapali. Studenci nie powinni przykładać do obwodu więcej niż 3,5 V.
3. Użyj multimetru do pomiaru napięcia trafiajacego bezpośrednio do diody LED.  Zanotuj minimalne napięcie wymagane do zapalenia diody LED.
4. Użyj spektrometru do obserwacji i zapisz linię emisji promieniowania dla każdej diody LED (ryc. 7). Ewentualnie porównaj je z innymi źródłami światła (np. lampą sufitową, palnikiem Bunsena).

Prezentacja plakatowa

W momencie, gdy twoi uczniowie będą prezentować klasie swoje plakaty, zachęcaj ich do tego aby poszukali powiązań między przeprowadzonymi ćwiczeniami, podkreslając istotę analizy spektralnej. Widma akustyczne mogą być wykorzystywane jako „odciski palców” (np. w przypadku kieliszków do wina) w sposób bardzo podobny do tego, w jaki wykorzystuje się widna światła do identyfikacji atomów. Możecie poruszyć następujące kwestie:

• Czy byłaby możliwa identyfikacja mordercy, gdyby po tym, jak stuknie się swoim kieliszkiem z kieliszkiem Sir Ernesta, jeszcze się z niego napił?
• Dlaczego zmiana poziomu wody w szklanym naczyniu zmienia pik na widmie?
• Wyjaśnij, korzystając z dwóch różnych widm, w jaki sposób jesteś w stanie zidentyfikować szklankę dającą wyższy pik.
• Co badał Pan Wickham na kurczaku w Netherfield Hall i dlaczego?
• W jaki sposób linie emisji są powiązane z poziomem energii zaangażowanych atomów?
• Jaka jest zależność pomiędzy napięciem a kolorem diody LED?

Podziękowanie

Ten artykuł oparty jest na projekcie, który został zaprezentowany na festiwalu German Science on Stage w 2006 roku. Science on Stage^w5 istanowi sieć europejskich nauczycieli nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM), zainicjowaną pierwotnie w 1999 roku przez EUROforum, wydawcy Science in School. Science on Stage, jako stowarzyszenie non-profit, zachęca nauczycieli z całej Europy do wymieniania się pomysłami na nauczanie i najskuteczniejszymi podejściami praktycznymi z eustazjastycznie nastawionymi kolegami z 25 krajów.