Browsing by Subject "hahmottava lähestymistapa"

Työssä tarkastellaan F2k-laboratorioon hankittun mustan kappaleen säteilyn tutkimiseen tarkoitetun oppilastyölaitteiston käyttömahdollisuuksia modernin fysiikan opetuksessa ja opiskelussa. Teoriakehyksenä käytettiin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella käytössä olevaa hahmottavaa lähestymistapaa. Tältä pohjalta kehitettiin opetusmalli, jonka tarkoituksena tutustua mustan kappaleen säteilyyn ja sen avulla kvantittumiseen. Opetusmallia varten tarkasteltiin myös mustan kappaleen säteilyn tutkimusta fysiikan historiassa. Alkuperäinen mustan kappaleen määritelmä oli teoreettinen tai korkeintaan ajatuskokeisiin pohjautuva. Tätä teoreettista kehitelmää ryhdyttiin tutkimaan kokeellisesti useilla erilaisilla laitteistoilla. Vanhimpiin kvantitatiivisiin tuloksiin lukeutuu Stefanin ja Boltzmannin laki. Tämän jälkeen havaittiin myös Wienin siirtymälaki. Planck onnistui sovittamaan näihin tuloksiin käyrän mustan kappaleen säteilyn spektriselle energiatiheydelle. Toisin kuin usein väitetään, Rayleigh'n ja Jeansin laki ei edeltänyt Planckin säteilylakia. Se ennemminkin johdettiin etsittäessä perustelua Planckin laille. Oikea perustelukin lopulta löytyi, vaikka vahvalle pohjalle sen saattoi vasta Einsteinin valosähköisen ilmiön selitys. Koska historiallinen kehitys sopi suurelta osin hahmottavan lähestymistavan mukaiseen opetukseen, päätettiin sitä seurata opetusmallissa. Opetusmallissa mustan kappaleen ja mustan kappaleen säteilyn perushahmotukseen käytettiin ajatuskoetta. Tämän jälkeen mustan kappaleen säteilyn käsitettä alettiin muokata tarkastelemalla kvalitatiivisesti mustana kappaleena käytetyn hehkulampun säteilyä. Seuraavaksi siirryttiin kvantifioimaan havaittuja riippuvuuksia piirtämällä spektrisen energiatiheyden kuvaajia eri lämpötiloissa. Näitä kuvaajia analysoimalla voitiin kvantifioida Stefanin ja Boltzmannin laki sekä Wienin siirtymälaki. Lopuksi strukturoinnin ja teoreettisten käyrien vertailun avulla havaittiin kvantittumisen selittävän spektrin muodon. F2k-laboratorion muut kokeet tarjoavat tärkeän tuen mustan kappaleen säteilyn spektrin selittävän kvantittumisen ymmärtämiselle. Laitteistoa tutkittaessa havaittiin sen olevan erittäin virheherkkä. Mittauspohjaan esitettiin useita korjausehdotuksia. Samoin ehdotettiin kulmamittauksen muuttamista ja spektrin skannauksen automatisointia. Erittäin huolellisesti tehdyillä mittauksilla saadaan kuitenkin myös kvantifiointiin kelpaavia tuloksia.