Körmöczi János Fizikusnapok János Körmöczi Physicist Days

Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság Hungarian Technical Scientific Society of Transylvania

Körmöczi János Fizikusnapok “János Körmöczi” Physicist Days Aktualitások a fizikában Actualities in Physics

Marosvásárhely, 2004. szeptember 24–26. Târgu Mureş, September 24–26, 2004

A konferencia szervezője/Organizer Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság – EMT Fizika Szakosztály A konferencia elnöke/Chairman Csegzi Sándor – az EMT Fizika Szakosztályának elnöke A konferencia tudományos bizottsága/Scientific committee Csegzi Sándor, az EMT Fizika Szakosztályának elnöke Dr. Nagy László, az EMT alelnöke A konferencia szervezőbizottsága/Organizer committee Brem Walter Horváth Erika Matekovits Hajnalka Pap Tünde Prokop Zoltán Támogatók/Sponsors Illyés Közalapítvány, Budapest Marosvásárhelyi Polgármesteri Hivatal Pro Technica Alapítvány, Kolozsvár Nyomda/Print Incitato Kft., Kolozsvár

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a Românei Zilele Fizicienilor “Körmöczi János”, Conferinţă (2004, Tg. Mures) Körmöczi János Fizikusnapok : Aktualitások a fizikában : Marosvásárhely, 2004, szeptember 24-26 “Körmöczi János” Physicist Days : Acutalities in Physics, Tg. Mures, September 24-26, 2004. Cluj-Napoca : Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, 2004

ISBN 973-86852-8-1 53(063)

2

EMT

A konferencia programja

szeptember 24., péntek 1700 – 2100 – regisztráció, elszállásolás 2000 – vacsora

szeptember 25., szombat 700 – reggeli 800 – regisztráció 900 – konferencia megnyitó, köszöntők 930 – plenáris előadások 1130 – kávészünet 1200 – plenáris előadások 1400 – ebéd 1630 – előadások, kísérleti bemutatók 2000 – állófogadás

szeptember 26.,vasárnap 800 – reggeli 900 – módszertani előadások 1200 – ebéd – hazautazás

Körmöczi János Fizikusnapok

3

Előadások Aktualitások a fizikában Ülésvezető: Csegzi Sándor 930

Dr. Lovas István, akadémikus KFKI, Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest Legújabb eredmények a részecskefizikában

1000

Dr. Tél Tamás ELTE TTK, Elméleti Fizikai Tanszék, Budapest Nemlineáris fizika

1100

Dr. Szabó Gábor, Budapest Eötvös Loránd Fizikai Társulat, Budapest A kvantumrendszerek optimális kontrolljától az ipari gázérzékelőkig; lézerek az alap- és alkalmazott kutatásban

1130 – 1200 kávészünet Ülésvezető: Nagy László 1200

Dr. Néda Zoltán Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék, Kolozsvár A naplemente optikája

1230

Dr. Toró Tibor Temesvári Egyetem

1300

Dr. Dávid László Sapientia EMTE, Marosvásárhely Kvantumszámítógépek, kvantumalgoritmusok

1400 – 1600 ebédszünet 1600

4

Nagy Márton Vermes Miklós Fizikus Tehetségápoló Alapítvány, Sopron Fényes díjak átadása

EMT

Ülésvezető: László József 1630

Dr. Vallasek István Sapientia EMTE, Csíkszereda Szilárdtest-diffúzió vizsgálata oxidkerámiákban

Kísérleti bemutatók 1700

Szász Ágota Bolyai Farkas Elméleti Líceum, Marosvásárhely A fénysebesség mérése optikai szálak segítségével

1730

Horváth Emőke-Ágnes Bolyai Farkas Elméleti Líceum, Marosvásárhely Lökéshullámok ... másként!

1800

Bíró Tibor Bolyai Farkas Elméleti Líceum, Marosvásárhely Érdekes fizikai kísérletek

Módszertani előadások Ülésvezető: Máthé Márta 900

Dr. Berkes József ELFT, Általános Iskolai Oktatási Szakcsoport, Pécs A magyarországi fizikatanítás időszerű kérdései

930

Dr. Berkes József ELFT, Általános Iskolai Oktatási Szakcsoport, Pécs Az Öveges József Fizikaverseny

1000

Dr. Kovács Zoltán BBTE, Pszichológia és Neveléstudományi Kar, Kolozsvár Fizika – másképpen

1030

Nagy Edit Pedagógusok Háza, Marosvásárhely A Pedagógusok Házának szerepe a tanárok továbbképzésében

1100

Cseh Gyopárka "Alexandru Borza" Iskolaközpont, Kolozsvár A fizika és a számítógép egymás szolgálatában


5

Tisztelt Vendégek, Kedves Résztvevők! Öröm számomra, hogy újra köszönthetem Önöket a Körmöczi János Fizikusnapokon. Úgy is mint szervező, úgy is mint házigazda, nagy elégtétel számomra egy hagyományt éltetni, lehetőséget teremteni a találkozásra és elmélkedésre. Jövőnk a tudásalapú társadalom. Ezt hangoztatják szónokszerűen, sokan. Mindig a tudás jelentette a jövőt a kerék feltalálásától az atomenergia felszabadításáig. A társadalmat, bár mindig jelen volt a politikum, a tudomány vitte előre, s ez így lesz mindig, hisz az élet értelmét keresve, az ember tudását gyarapítva, a tudomány által ad tulajdonképpen értelmet életének. Érdekes önmagába fordulása a dolgoknak. A Körmöczi János Fizikusnapok kis cseppje a Tudomány Tengerének, de itt a Bolyaiak városában, miért ne érezhetnénk úgy, hogy tudatosan és valóban részei vagyunk annak a folyamatnak, mely egy kicsit előbbre viszi a társadalmunkat egy olyan irányba, melyben egyetlen hatalom a tudás, s célja nem az uralkodás, elnyomás, hanem a segítés, az építés. Jó tanácskozást, gazdag informálódást kívánok!

Csegzi Sándor az EMT Fizika Szakosztályának elnöke

6

EMT

Az Öveges József Fizikaverseny

(A tehetségek kiválasztásának, elindításának egy lehetősége)

The József Öveges Physics Competition

(An opportunity to identify talented students and getting them started) Dr. Berkes József

Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet

Abstract This four level competition was announced for the first time in the 1990-1991 school year for 13 and 14 year old Hungarian students. In two years time the best representatives from Hungarian minorities from neighboring countries who are learning physics in Hungarian were invited to the final competition. The final is an event that is free of charge and sponsored by the Loránd Eötvös Physics Association. At the beginning, the annual competition was held in Tata. Then Budapest and Győr organized this intellectual competition. During the final, young competitors need to solve problems that require calculating, experimenting, analyzing and answering questions about Physics’ History. During the competition’s 14 years of history, 611 physics teachers and 848 students attended the finals. Among the participants were Hungarians from neighboring countries, i.e. 48 colleagues and 92 students. From the year 2000 onwards the absolute winner and his/her teacher receive the Medal of József Öveges. Students studying for different numbers of periods and different courses but who were successful competitors at the József Öveges competition later become excellent participants in national and international competitions scoring outstanding results. A verseny névadója Öveges József, aki 1895-ben a Zala megyei Pákán született. Gimnáziumi tanulmányait Győrben, majd Kecskeméten végezte. 1912-ben a Piarista Rend tagja lett. Matematika-fizika szakos oklevelét 1919-ben szerezte. Pappá 1920-ban szentelték. Tanári pályáját a piarista rend szegedi gimnáziumában kezdte, majd a tatai, a váci, azután ismét a tatai és a budapesti gimnáziumokban folytatta. Több évig tanított a budapesti Pedagógiai Főiskolán. 1979-ben bekövetkezett halála után Zalaegerszegen temették el. Jó néhány fizika tankönyv, népszerűsítő könyv és sok száz cikk szerzője. Az egész ország megismerte a rádióban tartott előadásai és a TV-ben bemutatott érdekes kísérletei révén. Munkáját, a természettudományos gondolkodást formáló tevékenységét több kitüntetéssel jutalmazták. A verseny országos méretű kiírására az 1990/1991-es tanévben került sor. A hazai 13-14 éves korú gyerekek mellett az 1992/1993-as tanévtől meghívást kaptak Körmöczi János Fizikusnapok

7

a határon túli területeken fizikát magyar nyelven tanuló diákok legjobbjai is. Az első tíz évben a verseny megrendezésére Tatán került sor, abban a városban, ahol Öveges József két periódusa alatt 12 évig dolgozott. 2001-ben és 2002-ben Budapest (Csillebérc), 2003-ban és 2004-ben Győr adott otthont a versenynek. Az országos verseny szervezésének alapvető célja a tehetséges, a fizika iránt fogékony tanulók kiválasztása, fejlődésük optimális biztosítása, amelyhez egyúttal pályaorientáló tevékenység is kapcsolódhat. A verseny iskolai fordulójában a tanítási órákon a kérdésekre gyorsan és jól válaszoló, ügyesen kísérletező, többlettudással rendelkező stb. diákoktól várható sikeres és eredményes szereplés. A verseny történetének több éves tapasztalata azt mutatja, hogy az országos döntő díjazottjai a későbbi középiskolai fizika versenyeken is meghatározó szerepet játszottak. Többen közülük bekerültek a diákolimpiai csapatba, ahol fényesen csillogó érmeket szereztek. Néhányan közülük: Horváth Péter, Pozsgay Balázs, Geresdi Attila, Pápai Tivadar, Siroki László, Vigh Máté stb. A négyszintű, országos döntővel záruló, önkéntes, egyéni versenyt az Oktatási Minisztérium is támogatta, és mindeddig az Oktatási Közlönyben került meghirdetésre. A helyi (iskolai) versenyek meghirdetését és lebonyolítását (feladatkitűzés, javítás, értékelés) az iskolák szaktanárai végezték. A területi (Budapesten kerületi) és a megyei (Budapesten fővárosi) versenyek meghirdetésére és lebonyolítására (feladatkitűzés, javítás, értékelés) az Eötvös Loránd Fizikai Társulat a Pedagógiai Intézeteket, illetve a helyükbe lépett intézményeket kérte fel. A feladatok az érvényben lévő tantervi programok időarányosan feldolgozott részéből kerültek kitűzésre. A határon túlról érkező versenyzőket az adott országokban kialakult rend szerint választották ki. Az országos döntő megszervezése és lebonyolítása eddig az ELFT Általános Iskolai Oktatási Szakcsoportja versenybizottságának a feladata volt. A verseny döntőjének feladatai lefedték az érvényben lévő teljes tananyagot. A versenyen egyszerű gondolkodtató, illetve összetett számításos feladatokat, valamint kísérleti, kísérletelemző és fizikatörténeti feladatot kellett a tanulóknak megoldani. A kitűzött feladatok megoldásait a diákok kétoldalas, indigós munkalapra készítették el, és a feladatok megoldásának befejezése után a versenyzők a feladatlapokat, és a megoldások indigós másolatait magukkal vihették. Megtekintés céljából kifüggesztésre kerültek a versenyfeladatoknak a kitűzők által megadott megoldásai, illetve a pontozási rendszer is. A feladatok megoldásainak javítását három, az utóbbi évben négy zsűri végezte, és a zsűriket egy-egy ellenőr kontrollálta. A teljes javítás a zsűri elnökének, illetve a versenybizottság elnökének irányításával történt. A javítás befejezése után a diákok kódszámaik alapján megkapták a versenybizottságtól a feladatok megoldásának nem hivatalos pontértékét. A feladatok, azok közreadott megoldásának, pontozási rendszerének, valamint a versenyző megoldásának ismerete alapján a kísérőtanár eldönthette, hogy a zsűritől kapott nem hivatalos pontérték számukra elfogadható-e. Amennyiben nem, kifogást emelhetett, és írásban kérhette a konkrét probléma felülvizsgálatát, megjelölve az igényelt pontszámot is. A tévedés esélyét szerettük volna a lehető legkisebbre csökkenteni a reklamálás lehetőségének biztosításával. 8

EMT

A versenyek során gyakran felmerülő probléma volt a leírtak egyértelmű értelmezhetősége, a helyesírás, a mennyiségekkel történő számolás, az áttekinthető jegyzőkönyvkészítés, illetve a megoldások külalakja, olvashatósága, rendezettsége. A jelenlegi, átmeneti időszakban alapprobléma a használható különféle tantervek és tankönyvek közös részének megkeresése, és az ezt lefedő feladatok kitűzése. A határon túlról érkező tanulók eredményes felkészítése szükségessé teszi a magyarországi tantervek, illetve tankönyvek ismeretét, a náluk nem, vagy másképpen tanított anyagrészek külön foglalkozások keretében történő megtanítását. A versenyről az ELFT Általános Iskolai Oktatási Szakcsoportja minden évben kiadványt jelentetett meg, mely tartalmazza a verseny krónikáját, a kitűzött feladatokat, azok megoldását, a megoldások elemző értékelését, az eredménylistát, kimutatásokat, díjakat, jutalmakat és a támogatók listáját. Az első öt évben kitűzött feladatok és azok megoldása a Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. gondozásában nyomtatásban is megjelent (dr. Berkes József – Janóczki József – Ősz György – Rónaszéki László – dr. Vida József: Öveges József Országos Általános Iskolai Fizikaverseny 1991-1995). A Fizikai Szemlében a néhány soros ismertető mellett a kitűzött feladatok és a díjazott versenyzők listája minden évben közlésre került. A Fizika Tanításában a versenyek krónikája, a kitűzött feladatok, azok megoldása, elemző értékelése és az eredménylista került ismertetésre. Harmadik éve a kitűzött feladatok és a megoldások az Eötvös Loránd Fizikai Társulat honlapján is olvashatók. Az elmúlt 14 év statisztikájából néhány érdekes adat a) Az országos döntőkön eddig 611 tanár 845 diákja szerepelt. A 82 helységből érkező 192 díjazott versenyzőt 155 fizikatanár készítette fel a sikeres szereplésre. b) Az eddigi győztesek O1991. Horváth Péter, Kecskemét, tanára: Varjú Lajos 1992. Erdélyi Gábor, Nyergesújfalu, tanára: Nyitrai Ferenc 1993. Varga László, Tata, tanára: Maráz Lászlóné 1994. Ficsor Anita, Kecskemét, tanára: Sikó Dezső 1995. Jász Judit, Szeged, tanára: dr. Miskolczi Józsefné és Horváthné Fazekas Erika 1996. Baharev Ali, Vác, tanára: Boroncsok Béláné O1997. Pozsgay Balázs, Pécs, tanára: Mándli Gyula O1998. Geresdi Attila, Pécs, tanára: dr. Győrpál Elemérné 1999. Fehér Ádám, Győr, tanára: Balogh Szabolcs O2000. Vigh Máté, Pécs, :tanára: Sebestyén Zoltán Öveges Érem Virga Gábor, Ajak, tanára: Varga István Öveges Érem 2001. Nagy Róbert, Tápiószecső, tanára: Almási János Öveges Érem 2002. Szurmai Csongor, Budapest, tanára: Kotek Gábor Öveges Érem Körmöczi János Fizikusnapok

9

2003. Kőrösi Márton, Békéscsaba, tanára: Kovácsné Bálint Judit 2004. Szirmai Péter, Kisvárda, tanára: Monos Tibor

Öveges Érem Öveges Érem

Az O-val jelöltek eljutottak egy, illetve két esetben is a Fizikai Diákolimpiákra, ahonnan különböző színű érmekkel tértek vissza hazájukba. Szakcsoportunk vezetősége a 2000-ben alapított Öveges Érmet adományozza az abszolút első helyezett diáknak, illetve felkészítő tanárának. c) Az 611 kolléga közül, a teljesség igénye nélkül, megemlítjük azok nevét, akik a legtöbb diákot készítettek fel a versenyekre: Nagy Teréz, Nagymegyer SK (14 fő/1 fő III. díjas) Kotormán Mihály, Debrecen (13 fő/1 fő II. és 2 fő III. díjas) Sebestyén Zoltán, Pécs (11 fő/1 fő I., 1 fő II. és 2 fő III. díjas) Gyimesi Éva, Szentendre (10 fő/3 fő III. díjas) Búcsú Ferenc, Szeged (9 fő/2 fő II. díjas) Maráz Lászlóné, Tata (8 fő/1 fő I. és 2 fő III. díjas) Sikó Dezső, Kecskemét (8 fő/1 fő I. és 1 fő III. díjas) Anka Attiláné, Pécs (7 fő/2 fő III. díjas) Cselyuszka Antalné, Székesfehérvár (7 fő/1 fő III. díjas) Sebestyén Antalné, Szombathely (7 fő/2 fő III. díjas) d) Határainkon túl fizikát magyar nyelven tanító 48 kolléga 92 diákja jutott el az országos döntőbe. Közülük néhányan: Nagy Teréz, Nagymegyer SK (14 fő/1 fő III. díjas) Dr. Győrffy István, Beregszász UKR (5 fő/1 fő III. díjas) Hevesi Anikó, Révkomárom SK (5 fő) Andruskó Imre, Révkomárom SK (4 fő) Molnár Zoltán, Csíkszereda RO (4 fő) Popa Márta, Kolozsvár RO (4 fő) Mártin Csilla, Szatmárnémeti (2 fő/1 fő III. díjas) Rend Erzsébet, Margitta RO (2 fő/1 fő II. díjas) Sábli-Gálik Ilona, Ada YU (2 fő/1 fő III. díjas) Kiáts Gyula, Nagymegyer SK (2 fő/1 fő III. díjas) e) A díjazott versenyzők település szerinti eloszlása: Város I. díj II. díj III. díj Budapest 1+1 9 13 Debrecen 1 3 7 Pécs 3 1 5 Zalaegerszeg 3 2 3 Szeged 1 5 1 Eger 0 1 5 Város I. díj II. díj III. díj Szombathely 0 2 4 10

Összesen 24 11 9 8 7 6 Összesen 6 EMT

Kecskemét 2 Nyíregyháza 0 Fertőd 1 Győr 1 Miskolc 1 Sopron 1 Szentendre 0 Gyöngyös 0 Szekszárd 0 Tata 1 Dorog 1 Nagymegyer (SK)0 Vác 1

1 1 2 2 0 1 0 3 1 0 0 0 1

2 4 1 1 3 2 4 0 2 2 1 2 0

5 5 4 4 4 4 4 3 3 3 2 2 2

Az első díjasoknál a vastagon jelölt szám az abszolút első helyezett versenyzőt jelenti. A 2004/2005-ös tanévtől az Oktatási Minisztérium anyagilag továbbra is támogatja a tehetséggondozó versenyeket, de új rendszerben. Pályázni lehetett az egész ország területére kiterjedő, a közoktatás 7-8. évfolyamú tanulói számára versenyek szervezésére, a nemzeti alaptanterv műveltségterületének adott részletére, például a fizika tantárgyra. A pályázatok elbírálásánál „előnyben részesültek azok a pályázatok, amelyekben már korábban is megvalósított, a diákok széles körét aktivizáló, sikeresnek minősíthető verseny szerepelt.” Az ELFT Általános Iskolai Oktatási Szakcsoportja elnyerte a 2004/2005. évi verseny megszervezésének és a döntő lebonyolításának jogát. A verseny ebben az évben 3 fordulós (iskolai, megyei/fővárosi, országos döntő) lesz. Minden forduló feladatait ugyanaz a bizottság tűzi ki központilag. Az iskolai forduló (2005. január 11.) feladatait a szaktanár javítja, és a 69%-nál jobb teljesítményt elért diákok kapnak meghívást a második fordulóra (2005. április 5.). A fordulóban 60%-nál jobb eredményt elért diákok dolgozatait az országos zsűri újra átnézi, és a legjobb 70 diákot hívja be az országos döntőbe (2005. május 20-21.), melynek szerkezete, a feladatok típusa a korábbiakhoz hasonló lesz. A fizikatörténeti feladatban Arkhimédész munkásságával kapcsolatosan fogalmazódnak meg kérdések. A többi feladat lefedi az érvényben lévő hetedik és nyolcadik osztályos magyarországi tantervi anyagot. Az országos döntőre, mely ebben az évben is Győrben lesz, Romániából négy, Szlovákiából három, Szerbiából és Ukrajnából két-két diák és egy-egy kísérőtanár kap térítésmentesen meghívást. Az adott ország nevezési szándékát 2004. október 31-ig kérjük eljuttatni az ELFT Titkárságára. A határon túli fordulók a hagyományoknak megfelelően kerülnek megrendezésre, illetve a szokáselv alapján választják ki az indított versenyzőket. A korábban megküldött nevezési lapokat 2005. április 30-ig kérjük visszajuttatni az ELFT Titkárságára. Pécs, 2004. 09. 05.


11

A Magyarországi fizikatanítás időszerű kérdései (Új szerepben a motiváció az alapfokú fizika tanításában)

Up TO Date Questions about Teaching Physics in Hungary (Motivation plays a new important part in teaching physics) Dr. Berkes József

Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet

Abstract The economical and social changes during the past 15-20 years started a radical innovation process in education. The results of various international surveys show that, our globalized world requires a different type of knowledge. Schools need to teach other things, in other ways. Considering these circumstances, the National Educational Curriculum was introduced and revised in Hungary. In 2005 there will be a double–level final examination at the end of secondary school, and the prescribed college and university entrance examination will be cancelled. The emphasis will be on teaching foreign languages with increased and demanding care, as well as introducing environmental and health education. The introduction of new ways does not happen without problems. The apparent problems: physics is not a mandatory final exam subject, the number of periods Physics is taught has been radically reduced, the prescribed experiments are costly and expenses are only partly guaranteed. Consequently, it is very important to reinforce motivation, to coordinate between the different scientific subjects and guarantee a deeper acquisition of the basic curriculum. Az elmúlt 15-20 évben, Magyarországon, de a térség többi országában is jelentős társadalmi, gazdasági változások tanúi lehettünk. A megváltozott világ új kihívásokat teremtett, és nagyméretű innovációs folyamatokat indított el. A különböző tartalmú és célú nemzetközi felmérések eredményei azt mutatják, hogy globalizálódott világunkban a korábbitól különböző tudásra van igény, az iskolákban mást és másképpen kell tanítani. A közoktatás átalakítása, modernizálása, korszerűbbé tétele, egy új struktúra kiépítése szükségszerű. Ennek kapcsán természetesen változhat a tantárgyi rendszer struktúrája, az egyes tantárgyak megnevezése, tartalma, az alkalmazott módszerek és eszközök rendszere is. A főiskolákra, egyetemekre való bekerüléshez előírt felvételi vizsga megszűnik, előtérbe kerül az idegen nyelvek fokozottabb, igényesebb tanítása, a környezeti- és az egészségvédelemi nevelés. 12

EMT

Ezek figyelembevételével Magyarországon bevezetésre került a NAT és megtörtént a felülvizsgálata (2004. szeptemberétől, az első osztályban kerül bevezetésre felmenő rendszerben) is. − Az első négy évfolyamon szöveges értékelés félévkor és év végén. − Évfolyamismétlésre csak a szülő beleegyezésével lehet utasítani a gyereket. − Minden iskolában megújították, illetve a környezeti- és egészségneveléssel kiegészítették a pedagógiai programokat. − A középiskolák szeptembertől előkészítő nyelvi osztályokat indíthatnak, ami öt évfolyamos képzést jelent. A kétszintű (közép és emelt) érettségi bevezetése (2005-től). 1. Középszintű érettségi vizsga a) Írásbeli vizsga Központi feladatsor − Húsz feleletválasztásos (teszt) feladat az öt nagy fejezetből, egyenlő arányban. A 3-4 megadott válaszból egy a helyes. − Négy nyíltvégű kérdésből (számításos feladat, illetve jelenség vagy kísérletelemzés) hármat kell választani és megoldani.

Megoldási idő: 120 perc. Eszközök: függvénytáblázat, zsebszámológép. b) Szóbeli vizsga A legalább húsz tételből álló sort a szaktanár állítja össze. Mechanika 25%, hőtan 20%, elektromágnesség 25%, atom, magfizika 20%, gravitáció, csillagászat 10%. Tétel: elmélet, kapcsolódó kísérlet, illetve egyszerű számításos feladat. Kétharmadának tényleges mérést is kell tartalmazni. Eszközök: az előkészített kísérleti eszközök, függvénytáblázat, zsebszámológép. 2. Emeltszintű érettségi vizsga a) Írásbeli vizsga Központi feladatsor − Húsz feleletválasztásos (teszt) feladat az öt nagy fejezetből, 25%, 20%, 25%, 20%, 10% arányban. A 4 megadott válaszból egy a helyes. − Négy, különböző nehézségű, számítást igénylő probléma megoldása. − Háromból egy téma szöveges kifejtése megadott szempontok alapján. Megoldási idő: 240 perc. Eszközök: függvénytáblázat, zsebszámológép. Körmöczi János Fizikusnapok

13

b) Szóbeli vizsga A legalább húsz tételből álló központi tételsor. Mechanika 25%, hőtan 20%, elektromágnesség 25%, atom, magfizika 20%, gravitáció, csillagászat 10%. Tétel: Egy mérési és egy kísérleti feladatot tartalmaz. Kétharmadának tényleges mérést kell tartalmazni. Eszközök: az előkészített kísérleti eszközök, függvénytáblázat, zsebszámológép. A felvételi vizsga eltörlése (2005-től). Az egyetemre, főiskolára kerülést az érettségi vizsga eredménye határozza meg. Az emelt szintet csak néhány nyelv esetében írják elő. Ha valaki mégis emelt szintem érettségizik annak ellenére, hogy ez nincs előírva, plusz pontokat kap. A fizika tanításával kapcsolatos, jelenleg fennálló alapvető problémákból csupán néhányat ragadok ki. 1. A fizika nem kötelezően előírt érettségi tárgy. Magyarországon, jövőre leehetőség lesz arra, hogy a mai, korszerű világban természettudományos tárgyból tett érettségi vizsga nélkül kerüljön ki a fiatal az iskolapadból. Ez vajon milyen következményekkel járhat? a) A szülő szemszögéből − A pályaválasztás reális és irreális előrehozása. − Divatszakmák előtérbe kerülése (jogász, közgazdász, informatikus stb.) − Csak azt tanuldd fiam, amire szükséged lesz! (Óriási tananyaghalmaz, amit az iskola felkínál a mai gyerekeknek ahhoz, hogy a hagyományos értelemben vett általánosan művelt emberré váljon.) b) A gyerek oldaláról − Igénytelenség a tudás egy nagyon fontos szelete iránt. Minek ezt tanulni? Úgy sem kell ez nekem soha! − Aki keveset tud, azt hiszi, hogy már sokat tud. − A természet megismerésének birtokába csak nehézségek, erőfeszítések árán juthatunk, ráadásul a matematika is kell hozzá. − Jelentősen nőtt a kulturszegény környezetből érkező gyerekek száma. c) A tanár szerint − A társadalom nem preferálja az általa tanított tárgyat. − A fizika kísérleti, időigényes tantárgy, de sem erkölcsileg, sem anyagilag nem térül meg befektetett munkája. − Nincs kötelezően előírt érettségi fizikából, így nincs valódi megmérettetése munkájának. 14

EMT

2. Jelentősen lecsökkentett óraszám Természetismeret keretében van némi fizika, de általában a biológia- vagy a földrajztanár tanítja. Fizika 7. osztályban 2 óra, 8. osztályban 1,5 óra, 9. osztályban 2 óra, 10 osztályban: 2 óra, 11. osztályban: 1,5 óra, összesen: 9 ó. 3. Kísérleti tárgy − Fejlesztésre, eszközökre alig van pénz − Magas osztálylétszám − Időigényes munka Mindezek azt jelentik, hogy nem megfelelő motiváció vagy annak hiánya érezhető. Mit lehet tenni? Hogyan lehet mégis a legkisebb zökkenőkkel, a legrövidebb idő alatt a jó megoldást megtalálni? (Az óraszám és a tananyag fő vonalaiban kötött) 1. A motiváció erősítése kísérletekkel a) Tanárok − Jobb tanítási feltételek, eszközellátottság biztosítása. − Az Internet és a számítógép adta lehetőségek szélesítése. b) Gyerekek (a természet iránti kíváncsiság ébrentartása) • Néhány otthoni kísérlet (megfigyelés, kísérlet, értelmezés, magyarázat) 1. Hirtelen leguggolás és felállás a fürdőszoba mérlegen. 2. Meleg vízzel elmosott pohár fordított helyzetben, üveglapra helyezve. 3. Melyik a főtt, illetve nyers tojás? 4. A pingponglabda felfelé, illetve lefelé való kifújása tölcsérből. 5. Borotvapenge úsztatása vízen. 6. Víz szállítása szitában. • Megdöbbentő eredményt hozó kísérletek bemutatása 1. Kettős kúp alakú test felfelé gurulása lejtőn. 2. Klóretil forralása tenyérben. 3. Dérképzés klóretillel. 4. Szárazjég előállítása szifon patronnal. 5. A martinis üveg alakváltozása. 6. Gyümölcselem. 7. Hangvilla megszólaltatása vonóval, rezonancia, lebegés bemutatása. • Elemző, kreativitást igénylő feladatok (kísérleti és kísérletelemző feladatok) 1. Hogyan lehet három, illetve négy fogyasztót kapcsolni? 2. Erős mágnes és vashenger ejtése alumínium csőben. Körmöczi János Fizikusnapok

15

3. A három kivezetésű dobozban három azonos ellenállású fogyasztó van. Bármely két kivezetés között 10 Ω ellenállás mérhető. Mekkora ellenállásúak a fogyasztók és hogyan kapcsolták őket? 5. A fekete doboz két kivezetésére egy középállású ampermérőt és egy elhanyagolható belső ellenállású, 4,5 V feszültségű telepet kapcsoltak sorosan. Az ampermérő 1 A erősségű áramot mutat. Ha a telep sarkait felcserélik, 0,5 A az áramerősség. Mi van a dobozban? • Számításos feladatok 1. Mekkora sebességgel kell a falnak dobni a 0 oC hőmérsékletű hógolyót a falnak dobni, hogy az teljesen megolvadjon? 2. Párhuzamosan kapcsolt fogyasztók eredőjének meghatározása (azonos és különböző ellenállások esetén) a reciprokos összefüggés alkalmazása nélkül. 2. A természettudományos tárgyak közötti koordináció erősítése a) A vizsgálat, a kutatás tárgya közös. b) Közösek a kutatás módszerei. c) Fontos tudni, hogy mit adhat a fizika a biológiának, a földrajznak és a kémiának, illetve mit várhat el a fizika ezeknek a tantárgyaknak a tanításától. 3. A legalapvetőbb tananyag mélyebb, alaposabb elsajátíttatása (a mindenki számára fontos és nélkülözhetetlen ismeretek megszerzése). Pécs, 2004. 09. 09.

16

EMT

Az Öveges József Fizikaverseny 14 éve Dr. Berkes József Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet


17

A fizika és a számítógép egymás szolgálatában The Physics and the Computer in Each Others Service Cseh Gyopárka

„Alexandru Borza” Iskolaközpont, Kolozsvár

Abstract In the history of the computer we can see that evry development that was made on it was a result of the physics. The physics made posible that the computers could reduce their volums and in the mean time increase their performances. In other order of ideas the computer is and was a real help for the scientists in physics and for the physics teachers as well. There are several programs made to simulate different physical events or processes, or to help the students to resolve some problems, or to evaluate their knowledge. I would like to present some of these educational programs here. A számítógép megalkotása és továbbfejlesztése a fizika nélkül nem valósulhatott volna meg. A fizika vívmányai tették lehetővé a számítógépeknek ezt a rohamos fejlődését. Ugyanakkor a számítógépek segítik a fizikusokat és a fizikatanárokat a további munkájukban. A programok sokasága áll rendelkezésünkre a különböző fizikai jelenségek szimulálására, vagy bizonyos feladatok megoldására, vagy akár a tudásuk felmérésére. Ezekből szeretnék egy néhányat itt bemutatni. Kulcsszavak: fizika, számítógép, szimuláció, program

1. A fizikának egy lépés előnye van Az automatikus számológép gondolata már 1832-ben felmerült Charles Babbage agyában. Az ötletet Robert Falcon 1787-ben megépített lyukkártyás vezérlésű szövőgépe adta. Sajnos technikailag kivitelezhetetlenül bonyolult volt még ez a mechanikus számológép. Bár 1800-ban már Alessandro Volta jóvoltából lehetett egyenáramot előállítani, mégis 1890-ig kellett várni míg ezt a felfedezést Herman Hollerith felhasználta és megalkotta az első elektromos számológépet. 1904-ben felfedezik az elektroncsövet, majd a triódát, és így 1940 körül megszületik az első elektronikus számítógép mely elektroncsövekkel működött. Ezek a gépek még mindig a lyukkártyákat vagy lyukszalagokat használják.

18

EMT

1948-ban John Bardeen, Walter Houser Brattan és William Bradford Shockley felfedezik a félvezetőkből felépített tranzisztort, és így az 1960-as évekre a számítógépekben az elektroncsöveket felváltják a tranzisztorok. Az 1970-es évekre a félvezetőknek köszönhetően a méretek nagyban csökkentek a mikroprocesszoroknak köszönhetően, majd a 80-as évekre megjelennek a kurzorok helyett az egerek és az ablakok. Így aztán a 80-as évek közepére megjelennek már a személyi számítógépek. Alfred Kastler kutatásainak köszönhetően 1950-ben megjelenik a lézer, és a 90es évekre ezt felhasználva létrehozzák a CD-ket, melyek segítségével megugrik a hordozható adattárolók memóriája. Mint látható a fizika mindig egy lépéssel a számítógép előtt volt, ami különben érthető is, hiszen előbb ismerni kell a jelenséget, majd születik egy ötlet mely a jelenséget felhasználja, ezt technikailag kivitelezhetővé kell tenni, majd szériagyártásra alkalmassá, és csak azután tudja a számítógép a fizika vívmányait élvezni.

2. A számítógép hálája A számítógép manapság már szükséglet, mondhatni nélkülözhetetlen kellék minden irodában, de szinte minden házban is. Mondhatni nincs is olyan ember aki ne használná ezt az eredményes segítő eszközt a munkája során. A tudósok nem tudtak volna olyan ütemben haladni az adatok feldolgozásával, tehát a kutatással, ha nem állt volna a rendelkezésükre a számítógép. A számítógépes szimulálást is használják a tudósok a munkájuk során. Ugyanakkor a gyermekeket nagyon leköti a számítógép, így célszerű minél többet használni a tanítás során. A számítógép használata a fizika órán indokolt olyan esetben amikor a jelenséget nem lehet a gyerekeknek bemutatni, vagy mert nem látható szabad szemmel, vagy mert veszélyes lenne a gyerekek számára, vagy mert túl költséges lenne, vagy mert a jelenség túl lassan, vagy éppen túl gyorsan játszódik le ahhoz, hogy a tanulók is megfigyelhessék. Ilyen esetekben érdemes a jelenség szimulálását bemutatni a számítógép segítségével. A fizika órákon továbbá használható a számítógép fizika példák megalkotására, megoldására, vagy bizonyos adatok feldolgozására. A továbbiakban bemutatnék egy néhány ilyen alkalmazást általam írt programok segítségével. 2.1. Fizikai jelenségek szimulálása 1. Félvezetők Ez a program mozgásban ábrázolja az elektronokat és így érthetőbbé válik a tanulók számára, hogy mi is játszódik le egy félvezetőben.


19

1. ábra Az elektronok mozgása egy félvezetőben

2. Lencsék képalkotása Lencsékkel lehet és kell is kísérletezni órán is, de ez még nem elég, hisz a tanulók a sugarakat nem látják melyek a képalkotásnál szerepet játszanak. E program lehetőséget nyújt, hogy megválasszuk a tárgy távolságát a lencsétől, a lencsét cserélhetjük homorúra vagy domborúra és minden esetben kiírja, hogy milyen képet kapunk.

2. ábra Lencsék képalkotása

20

EMT

3. Az emberi szem képalkotása és a szemhibák Ez a program bemutatja, hogy hogyan képződik a kép az emberi szemben, illetve hogy miben állnak a különböző szemhibák és hogyan segít ezeken a szemüveg. 4. A maghasadás Ezt a jelenséget a tanulók nem figyelhetik meg érthető okokból, így célszerű bemutatni a szimulálását.

3. ábra Az emberi szem

2.2. Feladatok megoldását segítő programok Ezekkel a programokkal lehet feladatokat alkotni vagy megoldani azokat.. Könnyen kaphatunk a segítségükkel megfelelő adatpárokat, de az adatok függvényében ábrázolni, szemléltetni is tudunk. Jól használhatók a hajításoknál, az ütközéseknél, stb. 2.3. Felmérők szerkesztése Manapság a felmérőket szinte kizárólag számítógépen szerkesztik. A legelterjedtebb a szövegszerkesztő programok használata, bár ebben az esetben a számítógép csak szimplán átvette az írógép helyét mert kényelmesebb a használata. Ennél sokkal érdekesebb és hasznosabb az olyan speciális programok használata mellyel megszerkeszthető és helyben ki is értékelhető a felmérő. Ma már szinte minden iskolában rendelkezésünkre áll ilyen program.


21

Fizika – másképpen Another way to teach Physics in the secondary school Dr. Kovács Zoltán Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Kolozsvár

Abstract Why is necessary to teach Physics in the secondary school in another way like usually? In our planned workshop we try to find ways in a technological and humanistic approximation of subject matter instead of that ordered by science chapters used in generally. In our paper we present some title of such lessons and also we give an example called "Physics of the iron wire". We hope that in this way the Physics could be better understand by the students, and they will learn Physics much enthusiastic. Also using the methods of the new alternative pedagogy the teachers could increase their efficiency of learning and get more satisfaction in their work. Miért kell a fizikát másképpen tanítani? És mihez viszonyítva másképpen? Tudott dolog, hogy a fizikaismeretek, akárcsak a többi természettudományos ismeret, állandóan gyarapodnak. Ezért állandóan frissíteni, aktualizálni kell az iskolai tananyagot is. Az is tény, hogy napjainkban, az oktatás eltömegesedésének idején, a természettudományok – és így a fizika – tanulása iránti érdeklődés megcsappant. Az okokat kereshetjük az iskola (a tanításra felkínált tartalom, tankönyvek, tanítási módszerek) oldalán is, de a fizikusi szakmának a társadalomban játszott szerepe felől is. Ez utóbbi érdekében növelni kellene a fizikusi pálya presztízsét új, érdekes és keresett fizikusi szakmák (mint pl. az autó-fizikus, a radon-fizikus stb.) létesítése révén. A közoktatásban megváltozott a tanulóknak az iskolához, tanárokhoz fűződő viszonya is. Ma többnyire egy sokkal demokratikusabb, közvetlenebb, a tanuló érdeklődését, igényét jobban kielégíteni akaró iskolarendszerrel állunk szemben. Ez az új helyzet magával hozza a tanítási stílus, a tananyag felkínálásának a megváltoztatását is. A korábbi Firka évfolyamokban alternatív oktatási eljárásokat, és egyéb aktív és csoportos oktatási eljárásokat is ismertettünk, amelyeknek értő alkalmazása mind elősegítheti a tanítási-tanulási folyamat hatékonyságát a megváltozott körülmények között. A foglalkozás keretében az iskolához kapcsolódó kérdések oldaláról úgy próbálunk a fizika tantárgy iránti érdeklődés növeléséhez hozzájárulni, hogy a tantervi anyagot tiszteletben tartjuk, ugyanis a fizikatantárgy tanítási tartalma központilag 22

EMT

meghatározott. Ellenben igyekszünk a fizikát egy kissé ember-közelibb (humanisztikus) formában, szélesebb kontextusba ágyazottan (interdiszciplináris), nem a tudományos szakkönyvek fejezetei szerinti anyagfelkínálásban prezentálni, illetve aktív módon, konkrétan hozzájárulni az ilyen megközelítésmód kialakításához. Véleményünk szerint a jelenlegi fizikaprogramok anyaga a megalapozó szakaszban ilyenszerű felépítésben is lefedhető lehetne. Példaképpen felsorolunk néhány fizikalecke-témát ebben a megközelítésben, a foglalkozás keretében pedig konkrét megvalósítási lehetőséget bemutatni. 1. A barkácsolás fizikája 2. A biciklizés fizikája 3. A biliárd fizikája 4. Diszkó-fizika 5. A Föld mozgásának fizikai hatásai 6. A biztonságos gépkocsivezetés 7. A hallás fizikája 8. A közlekedés (autó) története 9. A látás fizikája 10. A légkör fizikája 11. A repülés fizikája 12. A szigonyhalászok fizikája 13. A vérnyomás és mérése 14. A világűr titkai 15. A vitorlás hajó fizikája 16. Az energia problémája a Földön 17. Az erdő fizikája 18. Az információ-fizikája 19. A mobiltelefon fizikája

20. A fényképezés fizikája 21. Az ókori technika megvalósításai 22. Biofizika 23. Élőlények elektromossága 24. Épület fizikája 25. Galilei és Arisztotelész a szabadesésről 26. A háztartási gépek fizikája 27. Időjárás-fizika 28. Kibernetika 29. A számítógép fizikája 30. Konyhafizika 31. Korszerű fegyverek fizikája 32. Korszerű fűtéstechnika 33. Szerkezeti színek a természetben 34. Szórakoztató fizika 35. Médiumok-fizikája 36. Tábori fizika 37. A természet találmányai 38. Paradoxonok a fizikában

Fizikatanár kollégáinkkal konkrét példák kidolgozására teszünk kísérletet. Meggyőződésünk, hogy a fizika ilyenszerű megközelítésben, társítva a többi aktív, csoportos oktatási eljárással, kezdetben megteremtheti a fizika tanulása iránti érdeklődés kialakulását a tanulóknál. A vashuzal „fizikája”1 Vegyünk egy 2-3 mm vastagságú, 80-90 cm hosszú, könnyen hajlítható, egyenes vashuzalt. 1) Ha függőlegesen a földbe szúrjuk, napóra pálcája lehet. (Tanulmányozható az égitestek helyzete.) 1

Néhányat a kísérletek közül az EMT természetismereti táborában is bemutattunk 2004. június 27-én, Torockón.


23

2) Megmérve a pálca árnyékát, meg egy oszlopét, meg tudjuk határozni az oszlop magasságát. (A hasonló háromszögek tanulmányozása, a Föld sugarának meghatározása.) 3) Ha függőlegesen elejtjük a pálcát, másvalaki pedig elkapja, megmérhető ez utóbbinak a reflexideje. (A szabadesés törvényének tanulmányozása.) 4) Gyorsasági próba: vízszintesen elejtjük, valaki pedig fentről próbálja elkapni. (Két test együttes mozgásának tanulmányozása.) 5) Rögzítsük a pálcát mereven egyik végétől vízszintes helyzetbe. Másik végébe szúrjunk fel egymás után néhány falevelet, majd vegyük őket sorba le. Jegyezzük fel eközben a pálca elhajlását! (A rugalmas és a tartós alakváltozás tanulmányozása.) 6) Ha a pálcát L alakban meghajlítjuk, a vízszintes ágának a két végét pedig a mutatóujjainkra fektetjük, megkereshetjük a rendszer súlypontját. Ehhez csupán egymás felé kell csúsztatnunk az ujjainkat. (A súlypont, a párhuzamos erők felbontása, a súrlódási erő, a tapadás tanulmányozása.) 7) Ha ívszerűen meghajlítjuk, és a közepén alátámasztjuk, biztos egyensúlyi helyzetbe kerül. (Egyensúlyi helyzetek tanulmányozása.) 8) Ha közepétől vízszintesen cérnaszálra függesztjük, iránytűként viselkedik. (A földmágnesség, a mágneseződés tanulmányozása.) 9) Ha a vízszintes pálca egyik végét mereven rögzítjük, a másikat pedig szegre fektetjük, majd alágyújtunk, a szegen átdugott szalmaszál elfordul, mivel hőkiterjedést szenved. (A hőkiterjedés tanulmányozása.) 10) Fogóval különböző helyen függőlegesen tartva, majd a pálcát egy szeggel ütögetve különböző magasságú hangokat hallunk. (A hangok előállítása és jellegzetességeinek tanulmányozása. Hangsebesség meghatározása.) További érdekes kísérletek sorozata valósítható meg a műanyag-palack, a szívószál, a papír, a szappanbuborék, a lézerfény stb. segítségével. A foglalkozáson ilyen témákból építjük fel a fizikát.

24

EMT

A Naplemente Optikája Optics of the setting Sun 1

1

2

Néda Zoltán , Volkán-Kacsó Sándor és Wayne Daviddson

3

Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Elméleti Fizika Kar, Kolozsvár, Romania 2 University of Notre Dame, Physics Department, USA 3 Canadian Meteorological Institute, Resolute Bay, Canada

Abstract The setting Sun provides us with many interesting and puzzling optical phenomena, that can be successfully used in physics education. The phenomenon of moon-illusion, the flattening of the rim for the setting Sun, the green-flash or the delay in sun-rise and sun-set time is investigated here. We argue that except of the moon-illusion all the other mentioned phenomena is due to atmospheric refractions. By elaborating a standard optical atmosphere model where the refraction index varies as a function of height only, and by tracing the path of light beams in this atmosphere one can successfully understand all these optical phenomena. Within this approach we systematically investigate as a function of observation and meteorological conditions the flattening rim of the setting Sun, the green-rim and the delay in sunset time, We compare our theoretical results with many experimental pictures and data. Some extreme and unusual observations in arctic conditions are discussed, and it is argued that for understanding these, ones one needs more complicated models, taking into account horizontal refraction index gradients too. A naplementével kapcsolatban számos olyan érdekes és elbűvölő jelenséget figyelhetünk meg, melyek hasznosak lehetnek az optika tanításában. Ezen előadás keretében számos ilyen jelenséget tanulmányozunk. Röviden tárgyaljuk a jólismert “hold-illuziót”, aminek a lényege a napkorong látszólagos megnagyobbodása a horizont közelében. Megmutatjuk, hogy a tévhitekkel ellentétben ezen jelenségnek semmi köze nincs az optikához, hanem egy furcsa, nehezen megmagyarázható pszichológiai tévedés. A napkorong ellaposodása a horizont közelében, a zöld-folt megjelenése és a napkelte/napnyugta idejének az eltolódása azonban valódi fizikai jelenségek, melyek az atmoszférikus fénytörésnek tulajdoníthatók. Az atmoszférikus fénytörés a fizika egyik legrégebben tanulmányozott jelensége, amelynek kiváltó oka, hogy a levegő törésmutatója gyengén változik a levegő páratartalmának, hőmérsékletének és nyomásának függvényében. Néhány más ismert jelenség, amit az atmoszférikus fénytöréssel magyarázunk a délibábok keletkezése, a távoli csillagok fényének a jól ismert vibrálása (szcintillációja) illetve a csillagok valódi és Körmöczi János Fizikusnapok

25

látszólagos helyzete közötti különbség. Jelen előadás keretében a lemenő (felkelő) Nap (vagy telihold) által szolgáltatott érdekes és tanulságos fénytörési jelenségeket tárgyaljuk standard atmoszférikus körülmények mellett. Számos kísérleti eredményt vetünk össze elméleti számításainkkal. Elméleti számításaink lényege egy standard optikai atmoszféra modell kidolgozása, melyben a törésmutató csak a magasság függvényében változik, majd a fénysugarak útjának a meghatározása ezen optikai atmoszféra keretében. A fénysugarak útjának a meghatározását három különböző módszer segítségével végeztük el, a jelenlegi előadásban azonban csak a Fermat elvre alapozott módszert fogjuk bemutatni. Részletesen tanulmányozzuk a napkorong ellaposodását a napmagasság, megfigyelési magasság és meteorológiai viszonyok függvényében. Vizsgáljuk ugyanakkor a zöld-folt jelenségét és megfigyelhetőségét illetve a napkelte és napnyugta idejének az eltolódását standard atmoszférikus viszonyok mellett. Az esetek többségében elméleti közelítéseink megfelelőeknek bizonyultak. Arktikus körülmények között felfigyelünk néhány olyan esetre, melyek a jelenlegi modellünk és módszereink alapján nem magyarázhatóak. Ezen extrém fénytörési jelenségek megértése végett a vízszintes irányban fellépő törésmutató gradienseket is figyelembe kell venni, ezek azonban nehezen kontrolálhatóak. Tapasztalataink alapján az általunk itt tárgyalt és mindenki által könnyen megfigyelhető jelenségek jól hasznosíthatók az atmoszférikus fénytörési jelenségek szemléltetésére, illetve a légkör tulajdonságainak a vizsgálatára.

26

EMT

From Optimum Control of Quantum Systems to Industrial Gas Sensors; Lasers in Fundamental & Applied Research Gábor Szabó Department of Optics & Quantum Electronics, University of Szeged, Hungary

Abstract Shortly after the invention of lasers it became clear that the unique properties of laser light offer great potential for application. Since then lasers have found their way to almost all areas of physics and even to everyday life. In this presentation some novel applications will be discussed starting from optimum control of molecular dynamics by high-intensity, femtosecond laser pulses to laser processing of thin films and diode laser based photoacoustic sensors for industrial applications.


27

A fénysebesség mérése optikai szálak segítségével Measuring the Speed of Light with fiber optic cable Szász Ágota

Bolyai Farkas Líceum, Marosvásárhely

Abstract With modern inexpensive apparatus this previously almost impossible experiment can now be carried out to a good degree of accuracy in the school laboratory. The experiment described here measures the speed of light in a fiber optic cable (an polymer fiber) whose refractive index is determined with Chaulnes method and the value of it is 1.515. Light travels through the core of the fiber optic cable by repeated reflections from the cladding material surrounding which surrounds it. The cladding material has a lower refractive index than the core. This phenomenon is called total internal reflection. The light beam is then contained in the core of the cable so that it can follow the curves in the cable. The speed of light’s apparatus consists of a light transmitting module for simplex digital signal (TOTX195), two optical fibers with 2m and 52m length, a receiving module for simplex digital signal (TORX194) to detect the light after it had traveled the length of the cable, a 10 MHz fervency dual beam oscilloscope, and a solid state square wave oscillator . If there are time delays in any part of the electronics then these delays should be the same for both experiments with the different cables. The only difference between the two experiments is that the light had to travel a further 50m in the second case. We measure with the oscilloscope T1 and T2 time-difference and then subtracting one from the other should give the amount of time taken to travel the extra 50m. The experiment’s results are closer than 2% compared to the official value of the light’s speed in vacuum.

28

EMT

Szép látomások – előbb homályosak, Majd fénylők, mert az ész, mely kél a szépség Öléből (honnét a formák valók, S ezek csak árnyaik) rájuk teríti Az összegyűjtött fényt, mely a valóság – SHELLEY: A megszabadított Prometheus WEÖRES SÁNDOR fordítása

Az egyenest a fénysugár jelöli ki. A fényvezető szálak azonban meghajlítva, görbítve, megcsomózva is csapdát jelentenek a fény számára. Az általam bemutatott mérési módszerben e hajszálvékony szálakban fogjuk megmérni a fényhullámfront terjedési sebességét, aránylag könnyen beszerezhető, laboratóriumokban létező eszközök segítségével, olyan módon, hogy az középiskolás diákok számára is érthető legyen. Bevezető az optikai szálak világába A fényt, információk és jelek továbbítására, már több ezer évvel ezelőtt is használták. Az irányított fény alkalmazása információátvitelre is több száz évvel ezelőtt kezdődött. A vezetett fényt először orvosi szálakban és repülőgépműszerekben használták fel. Ezek a fénykábelek nagy csillapítás értékkel és jelentős diszperzióval rendelkeztek. Döntő fordulatot jelentett e téren K.C. KAO és G.A. HOCHAM 1966-ban megjelent cikke, amely kimutatta, hogy a nagy csillapítás nem az üveg alapvető tulajdonsága, hanem a benne lévő szennyeződések okozzák. Ezután hamarosan előállítottak olyan tisztaságú üveget, melynek 20-100 km-es jeltovábbítás áthidalását teszi lehetővé erősítés és regenerálás nélkül. Az optikai szál magból és héjból áll, az optikai kábel valamivel bonyolultabb. A magban terjed a fény, a héj feladata, hogy a terjedő fényt a magban tartsa. Ezt azzal érik el, hogy a két anyag (mag és héj) törésmutatóját úgy választják meg, hogy a teljes visszaverődés törvénye érvényesüljön. A fényvezető szálakban csak bizonyos hullámhossztartományba eső fényhullámok terjednek, ezeket módusoknak nevezzük. Így a terjedés módja szerint megkülönböztetünk többmódusú illetve egymódusú szálakat. Továbbá nézzük meg, hogy az optikai szálakban hogyan terjednek az impulzusok, a mag különböző törésmutató profilja szerint, és azok milyen torzításokat szenvednek a jel átvitel során.


29

1. ábra

Az állandó törésmutatójú, lépcsős indexű többmódusú szálakban a fény terjedése, a Snellius-Descartes-törvény alapján, teljes visszaverődések sorozatával írható le. Ezt a fényvezető szál típust alkalmazták először a gyakorlatban távközlési célokra. A nagy magátmérőben (D=100-200 µm) több száz módus terjedhet, innen kapta nevét is. Ennél a száltípusnál a legnagyobb problémát az jelenti, hogy az egyes módusok más-más utat futnak be a szál belsejében. Ez nagy módusszórást eredményez, aminek következtében a kimeneten nagy jeltorzulás következik be. Ennek köszönhetően főként kistávolságú összeköttetésekhez használják. Egymódusú lépcsős indexű szálakban a rendkívül kicsi (kb. 10 µm) magátmérő csak egyetlen módus terjedését teszi lehetővé, ezért ennél a száltípusnál nincs is módusszórás. Az egyetlen problémát az anyagi diszperzió jelenti, ami lényegesen lecsökkenthető kis spektrumszélességű fényforrás alkalmazásával (LD). Ezt a szálat használják nagy távolságú összeköttetésekhez (pl.: helyközi kábel). A változó törésmutatójú gradiens indexű szálak magjában a törésmutató értéke nem állandó, hanem a sugár függvényében változik. Így a fényutak már nem egyenesek, de a változás a hullámhosszhoz viszonyítva nagyon kicsi. A sugáranalízis eredményeként azt kaptuk, hogy a fénysugarak terjedési ideje független a belépési szögtől és helytől, mert a nagyobb szög alatt belépett sugarak az optikai szál kisebb törésmutatójú tartományában terjednek és ezért nagyobb a sebességük, míg a tengely mentén haladóknak kisebb a sebességük, ezért közel egyszerre érnek célba, csomósodási pontokat létrehozva. Ezáltal a módusdiszperzió lényegesen csökkenthető és az ilyen száltípus jól használható közepes távolságú összeköttetések létesítésére.

30

EMT

A mérési módszer leírása Az itt sorra kerülő kísérletben, a bemutatott optikai szálak közül, egy lépcsős indexű műanyag magú optikai kábelt fogunk használni, melynek a fénytörési mutatói ismeretében következtetni fogunk a fény terjedési sebességére légüres térben. A mérés elméleti lényege az, hogy megmérjük azokat az időket amelyek szükségesek ahhoz, hogy egy fényimpulzus végighaladjon két különböző hosszúságú optikai szálon. Ez a 2. ábrán feltüntetett módon valósítható meg.

2. ábra

A fénysebességet mérő berendezés összetevői közé tartoznak a következők: egy fényközvetítő közeg, ami a mi esetünkben két különböző hosszúságú optikai kábel lesz, fényforrás, detektor, amely érzékeli a fényimpulzust, miután az megtette a huzal hosszúságát, a fény szaggatására egy állítható frekvenciájú négyszögjelgenerátor és a megfelelő mérésre (min 0.5 µs /cm időalapú) alkalmas kétsugaras oszcilloszkóp. A négyszögjel-generátor által keltett két elektromos impulzust (az eredeti jelt és a fénydetektor által érzékelt jelet) az oszcilloszkóp képernyőjén fogjuk tanulmányozni. Mivel a fénynek egy véges időre van szüksége ahhoz, hogy elérje a fénydetektort, a második jel időben késni fog (∆t) és a kapott impulzus el fog tolódni az oszcilloszkóp időbázis-tengelye mentén. Ha megmérjük az eltolódást, akkor abból következtetni lehet, hogy mennyi időre volt szükség ahhoz, hogy a fényimpulzus áthaladjon az adó, az optikai kábel és a vevő mentén. Az időbeli késések az elektronikai részekben azzal küszöbölhetők Körmöczi János Fizikusnapok

31

ki, hogy különböző hosszúságú kábeleket használunk és ezáltal a relatív időeltolódások és a kábelek hosszának ismeretében megmérhetővé válik a fény sebessége. A fénysebesség az optikai szálakban ezek szerint, ha a szálak relatív hossza: ∆L, és a relatív időeltolódások értéke ∆T, akkor v =∆L/∆T . Mivel n = c/v , a fénysebességre légüres térben azt kapjuk, hogy : c=n∆L/∆T. A kísérlet gyakorlati kivitelezése

A 2. ábrán vázolt oszcilloszkópos mérés gyakorlati kivitelezéséhez (3. Ábra) a következő eszközöket használtuk fel: − Változtatható frekvenciájú négyszögjel generátor (134 PULSE GENERATOR) − 800/1000 multimódusú LPW műanyag optikai kábel: 2, 52 m-es, csatlakozókkal ellátva, − Fénykibocsátó (2)és fényérzékelő detektor (3) − ±5 V-os egyenáramú tápforrás − 10 MHz-es kétsugaras oszcilloszkóp

3. ábra

A fénykibocsátó (2) és fényérzékelő detektor (3) felépítésének a megtervezése jelentette a legnagyobb kihívást, ugyanis számos feltételnek (elég érzékeny legyen, megfelelő módon erősítsen) eleget kellett tennie. Több próbálkozás után, a végső és egyben sikeresen használható detektort és tápforrást a 4.-es ábrának megfelelő kapcsolási rajzok szerint állítottuk össze.

32

EMT

Adó

Vevő 4. ábra

Ezeknél a kapcsolásoknál a felhasznált áramköri elemek a következők: − TOTX195–egyszerű digitális optikai jeladó, GaAs alapú LED-et tartalmaz, 670 nm hullámhosszú (vörös) sugárzást bocsát ki − TORX194 - egyszerű digitális optikai jelvevő, GaAs alapú diódát tartalmaz − PL3V5–Zener-dióda, ez biztosítja, hogy az adóra ne kerüljön +5V-nál nagyobb feszültség − A kapcsolási rajzban feltüntetett, különböző értékű ellenállások, tekercs és kondenzátor Mivel ebben a mérésben használt (1) lépcsős indexű műanyag (800/1000 µm) kábel törésmutatóját nem adják meg a katalógusok, ezért kísérletileg határoztuk meg mikroszkóp segítségével, Chaulnes-módszer alapján. Ennek a módszernek a lényege abban áll, hogy a síkpárhuzamos optikai lemezen keresztül megfigyelt valós tárgyakról alkotott látszólagos (virtuális) kép helyzete függ a közeg e vastagságától és annak n törésmutatójától, illetve a megfigyelés szögétől. A fénytörés jelensége segítségével értelmezhetjük a síkpárhuzamos optikai közegen keresztül ( a lepucolt optikai szálat egy adott átmérőnél síkpárhuzamos optikai közegnek tekintjük) megfigyelt tárgypontról (pld. rávitt tintafolt, A1) alkotott látszólagos képeltolódás értékét (d) és a közeg törésmutatójának meghatározására (n) az alábbi kifejezést alkalmazhatjuk, ha a beesési merőleges mentén levő kisszögű megfigyelés feltétele teljesül.


33

n=

e e−d

Képeltolódás szemléltetése síkpárhuzamos optikai közegben

A d és e méréshez csavarmikrométerrel ellátott optikai mikroszkópot használunk. minek eredményeként a törésmutató meghatározására n=1.515 ± 0,0088 értéket kaptunk. A mért adatok feldolgozása A négyszögjel-generátor által keltett elektromos impulzust, ami a direkt jel, és a fénydetektor által érzékelt jelek közötti eltolódást, az oszcilloszkóp képernyőjéről olvassuk le. Az alábbiakban bemutatok ezzel a módszerrel végzett mérések közül egy párat:

−

− − − −

34

1,9m-52m-es műanyag magú optikai kábelek közötti jelek öszszehasonlítása mindkettő a direkt jelhez képest, Alkalmazott frekvencia: 0,091 MHz Az Oszcilloszkóp időalapjának beállítása: 0,5µs Fényforrás hullámhossza: 650 nm (fényadó készülék) Fényérzékelő: az általunk készített TORX154-es vevő

EMT

− 1,9m-52m-es műanyag magú optikai kábelek közötti jelek összehasonlítása mindkettő a direkt jelhez képest, − Alkalmazott frekvencia: 0,091 MHz − Az Oszcilloszkóp időalapjának beállítása: 0,2µs − Fényforrás hullámhossza: 650 nm (fényadó készülék) − Fényérzékelő: az általunk készített TORX154-es vevő Mivel n = c/v , a fénysebességre légüres térben azt kapjuk, hogy : c=n∆L/∆T. Az oszcilloszkóp képernyőjéről leolvasott értékek és a számítások az alábbi táblázatba foglalhatók össze: mérés

∆L (m)

∆T (us)

dT(us)

v=∆L/∆T

n

c=v.n(10^6m/s)

5

50.1

0.25

0.00375

200.4

1.515

303.606

5 6 6

50.1 50.1 50.1

0.26 0.25 0.255

0.00625 0.00375 0.00125

192.6923077 200.4 196.4705882

1.515 1.515 1.515

291.9288462 303.606 297.6529412

0.25375

0.00375

197.490724

átlag

299.1984468

Ennél a mérési módszernél, a kábelhossz mérésből bejövő relatív mérési hiba értéke δl=0,001% alatt van, ezért a számításoknál nem vettük figyelembe. A megadott táblázat alapján, az oszcilloszkópról leolvasott időértékek abszolút mérési hibájának dt=0.00625 µs értéket kaptunk, ami egy δt=1,47%-os relatív hibának felel meg. Mindezeket figyelembe véve az általunk kapott fénysebesség értéke: c=(2,991984468 ±0,0442165).10^8m/s. Ez az érték 0,2% alatt közelíti meg az elfogadott fénysebesség értékét, ami iskolai körülmények között nagyon jó eredménynek fogatható el. Felhasznált irodalom [1.] [2.] [3.] [4.] [5.] [6.] [7.] [8.] [9.]

http://www.picotech.com/experiments/ Ronald Ebert :Does the Speed of Light Slow Down Over Time? Bódi Sándor Elektronikai alapismeretek – Kovács Kálmán: Optika. Egyetemi jegyzet http://www.mozaik.info.hu/MozaWEB/Feny http://www.phys.virginia.edu/ http://www.kfki.hu/fszemle/ Bernolák Kálmán: A fény http://www.kfki.hu/természetvilaga


35

Nemlineáris fizika Non-linear Physics Tél Tamás ELTE, Elméleti Fizikai Tanszék, Budapest

Abstract Non-linear phenomena turned out in the last decades to have new and surprising features. The mathematical tools proved to be so powerful in the linear world, break down here. Thus, e.g., the simple form of an equation of motion (whenever non-linear) does not imply at all the simplicity of the motion itself. We review some basic non-linear aspects also related to everyday phenomena: non-linear oscillations, bifurcations, and chaos in systems of point mechanics. They are compared with their spatio-temporal counterparts: non-linear waves (solitons), hydro dynamical instabilities, and turbulence. We hope that these phenomena, in simple interpretations, can become part of high-school physics teaching. A természetben semmi sem lineáris, legalábbis egzaktul nem az. A klasszikus fizika fejlődése során mégis hasznosnak bizonyult az a feltevés, hogy bizonyos mennyiségek egyenes aranyban vannak egymással, mint például a rugóerő a megnyúlással. Ez az egyszerűsítés sok jelenség alapvető fogalmi (és matematikai) megértését tett lehetővé, mely a harmonikus oszcillátortól kezdve, a hullámjelenségeken keresztül elvezetett a rácsrezgések leírásáig. Érdemes megemlíteni, ma mar tudjuk azt is, hogy a Kepler-probléma egzakt megoldása azért volt lehetséges, mert a probléma megfelelő transzformációval leképezhető a harmonikus oszcillátoréra [1]. A sikerek lattan nem csoda, hogy évszázadokon át tartotta magát az a nézet, hogy a nemlineáris jelenségek a lineárisak kissé módosított változatainak bizonyulnak (majd ha egyszer megértjük őket). Az utóbbi néhány évtizedben kiderült azonban, hogy ez egyáltalán nem így van: a nemlinearitás számos új és szokatlan vonással jelentkezik, ráadásul a lineáris világban jól működő matematikai módszerek érvényüket veszítik. A mozgásegyenlet egyszerű alakjából (ha nemlineáris) például egyáltalán nem következik az, hogy maga a mozgás is egyszerű lesz. A nemlineáris jelenségek nem részei a középiskolai fizika tananyagnak, de mivel számos, hétköznapi jelenseggel is kapcsolatosak, érdemes a legfontosabbakat áttekintenünk, abban a reményben, hogy hasonló egyszerű tárgyalásban az oktatásban is megjelenhetnek. Először a csak időbeli változást mutató (pontmechanikai) 36

EMT

rendszereket tekintjük át, s azután térünk át a térben is kiterjedt (hidrodinamikai) rendszerek sajátosságaira, a megfelelő eseteket párhuzamba állítva. Pontmechanika Nemlineáris rezgések: A nagy kitérésű rezgéseknek, első látásra talán nem is meglepő vonása, hogy rezgésidejük függ az amplitúdótól [1,2]. Ha azonban azt a kérdést tesszük fel, hogy az összes lehetséges erőtörvény közül, mikor kaphatunk amplitúdófüggetlen rezgésidőt, azt találjuk, hogy csakis a lineáris esetben. Bifurkációk: A nemlineáris rendszerek paramétereik változása következtében elveszíthetik stabilitásukat. Az eredetileg stabil állapot instabillá válik, de megjelenik rendszerint két új stabil állapot [3]. Az állapotok helyzetet a paraméter függvényében ábrázolva, villa-szerű rajzolatot kapunk, ezért hívjuk ezt a jelenséget bifurkációnak. A nemlinearitás elválaszthatatlan társa tehát az instabilitás. (Az egész jelenség hasonló a termodinamikai fázisátalakuláshoz, de ne feledjük, hogy ott nem egyetlen anyagi pont, hanem Avogadro-számnyi részecske szerepel.) Nemcsak nyugalmi állapot, hanem egy adott mozgástípus is elveszítheti stabilitását. A gerjesztett nemlineáris oszcillátornak a rezonancia-frekvencia közelében két különböző amplitúdójú rezgése lehetséges (melyek különböző kezdőfeltételekből érhetők el), és létezik egy instabil rezgés is közöttük (mely a gyakorlatban sohasem érhető el) [2]. Káosz: Az energiabefektetés növelésével a rendszerek olyan bifurkációkon mennek keresztül, melyek során mozgásuk egyre bonyolultabb lesz. Ennek a sorozatnak a végállapota az un. káosz [3,4]. Ez sokáig tartó (nem csillapodó) mozgás, mely azonban sohasem ismétli önmagát. A mozgás törékeny abban az értelemben, hogy formája nagyban függ a pontos kezdeti állapottól, vagyis kis kezdeti különbségek felerősödnek. A kaotikus mozgás tehát nem jelezhető hosszú tavon előre, hiszen a kezdeti bizonytalanságok jelentős eltérésekre vezetnek az eredetileg közelről induló pályákban. A káosz ezért valószínűségi módszerekkel írható csak le helyesen. A nemlinearitás tehát a klasszikus fizikán belül vezet el olyan vonásokhoz, melyeket korábban csak más tudományágakhoz lehetett rendelni (előrejelezhetetlenség -meteorológia, valoszínűségi leírás – kvantummechanika). Hidrodinamika Nemlineáris hullámok: A nagy amplitúdójú hullámok mar nem képesek arra, hogy interferáljanak, így sokszor megőrzik alakjukat. Ezért pusztítóak, mint a földrengés által keltett tengerhullámok (tsunamik). Legegyszerűbb példáik a szolitonok [5], melyeken jól latszik, hogy sebességük függ az amplitúdójuktól, és ráadásul a hullámhosszuk is. Így végső soron a hullámhossz függ az amplitúdótól! Ez a szokásos lineáris hullámok világában elképzelhetetlen (milyen lenne a hang, ha frekvenciája függne az amplitúdójától?). Instabilitások: Energiabefektetés hatására a teljes áramlási mintázat megváltozhat.


37

Az eredeti áramlás instabillá válik, és helyette új áramlási minta (vagy minták) alakul(nak) ki. Ezt a jelenséget nevezzük hidrodinamikai instabilitásnak, melynek során azt is mondhatjuk, hogy az áramlási bifurkáción megy keresztül. Ez különösen meglepő abban az esetben, ha a kiindulási állapotban nincs is áramlás. Ekkor ugyanis egy kritikus energiabefektetés mellet, hirtelen megmozdul a folyadék, és ráadásul valamilyen szabályos mintázatban kezd áramolni, a legegyszerűbb esetekben csíkok vagy hatszöges szerkezetek alakulnak ki [6,7]. A 'semmiből' tehát hirtelen lesz 'valami'. Ezt nevezzük mintázatképződésnek. Ez ráadásul spontán történik, hiszen semmilyen külső információ nem szükséges a minta kialakulásához, adott energiaáram mellett a minta mindig létrejön (adott edényben). Bonyolultabb esetekben a minta időben változhat is. Turbulencia: Az egyre növekvő energiabefektetés következtében egyre több instabilitáson megy át a folyadék, egyre összetettebb és időben is változó áramlások alakulnak ki. Ezek egyre bonyolultabbak, de előbb-utóbb mindegyikük instabillá válik. Az egész folyamat végállapota a turbulens áramlás [5,7], mely térben is és időben is rendezetlen. Úgy is mondhatnánk, hogy 'kaotikus', de most nem néhány változó, hanem - a térbeli kiterjedés miatt - végtelen sok változó mutatja ezt a bonyolult viselkedést. A turbulencia térben és időben is 'kaotikus', ezért végtelenszer bonyolultabb, mint maga a káosz. Vannak természetesen hasonló vonásaik is, mint pl. az előrejelezhetetlenség. A turbulens áramlásban a folyadékmozgás egyfajta bolyongás (s ezért csak valószínűségi eszközökkel írható le). valamely koncentráció-különbség álló folyadékban csak diffúzióval terjedhet szét, melynek során néhány méter megtétele napokig tartana. Ha tehát megérezzük a szobában, hogy mi készül a konyhában, az nem a diffúzió, hanem a levegő mindig jelenlévő turbulens mozgásának következménye, és a turbulenciában rejlő véletlenszerű viselkedés bizonyítéka. Összefoglalásként elmondhatjuk, hogy egy lineáris világban az itt felsoroltak egyike sem fordulhatna elő. Ráadásul, a lineáris törvények csak igen kivételes esetekben érvényesek. Amíg tehát a fenti jelenségek nem kerülnek be a középiskolai anyagba, addig a kivételt tanítjuk, nem a szabályt. Irodalom [1.] [2.] [3.] [4.] [5.] [6.] [7.]

38

Nagy Karoly: Elméleti Mechanika (Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp., 2002) Budo Ágoston: Mechanika (Tankönyvkiadó, Bp., 1969) Tél Tamás, Gruiz Márton: Kaotikus Dinamika (Tankönyvkiadó, Bp., 2002) James Gleick: Káosz, egy új tudomány születése (Goncol Kiadó, Bp., 1996) Tél Tamás: Környezeti Áramlások (ELTE Elméleti Fizikai Tanszék, Bp., 2003) Hermann Haken: Szinergetika (Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1978) Milton van Dyke: An Album of Fluid Motion (The Parabolic Press, Stanford, 1982)

EMT

Szilárdtest-diffúzió vizsgálata alumíniumoxidokban Solid State Diffusion Studies in Alumina Vallasek István

SAPIENTIA – Erdélyi Magyar Tudományegyetem, Csíkszeredai Karok

Abstract The study of diffusion phenomena in solid state materials is a very actual topic in contemporary physics and materials science. Alumina has a broad field of applications in various domains as electronics, machine design, chemical industry and medicine. In this work carried out in the Solid State Physics Department of the Debrecen University Ni tracer diffusion was studied in high purity sapphire single crystals and in polycrystalline alumina using precision mechanical sectioning technique. Our results are in good agreement with previous results obtained by french and american research groups. 1. Bevezetés A szilárd testekben lejátszódó diffúziós folyamatok vizsgálata napjainkban a szilárdtestfizika igen intenzíven kutatott területei közé tartozik. A kristályos szilárd testeket (pl. fémek, ötvözetek, félvezetők) alkotó atomoknak a hőmérséklettől függő kinetikus energiája van, ennek következtében rezgőmozgást végezhetnek egyensúlyi helyzetük körül, vagy átugorhatnak a kristályrács szomszédos rácspontjaiba, de nem végezhetnek folytonos haladó mozgást. A termikus mozgás során a kristályos testek atomjai még így is eljuthatnak eredeti helyüktől nagy távolságra, egymás utáni rácsállandónyi ugrásokkal. Egy kiszemelt fématom szobahőmérsékleten másodpercenként 104 ugrást végez a szomszédos rácshelyekre, az olvadásponti hőmérsékleten pedig 108 ugrást. Ilyen jelenségek játszódnak le a szilárd testekben a diffúziós folyamatok során. A diffúzió jelenségének vizsgálata igen fontos szerepet tölt be az anyagtudományban, a különböző anyagok gyártási technológiájának kidolgozási folyamatában. A fémek és ötvözetek öntésénél, a megszilárdulás folyamatában lényeges a különböző komponensek mozgása, ami azok koncentráció-eloszlását módosíthatja az olvadékéhoz képest. Az ötvözetekben az ötvözők homogén vagy inhomogén eloszlása megfelelő eljárások segítségével, pl. hőntartás, edzés (gyors lehűtés), megeresztés ( közepes hőmérsékletű hőntartás) alkalmasan befolyásolható. A nemesedő ötvözetek (pl. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si) legfontosabb jellemzője, hogy közepes hőmérsékletű hőkezeléssel szilárdságuk jelentősen növelhető, mert a homogén eloszlású második vagy harmadik komponens eközKörmöczi János Fizikusnapok

39

ben nagy szilárdságú kiválásokban gyűlik össze. A kiválások megakadályozzák a nagyobb mértékű deformációt. A kiválások kialakulásán kívül a legtöbb fázisátalakulás, az újrakristályosodás és képlékeny alakítás utáni megújulás diffúzióval játszódik le. A félvezető anyagok célszerű tulajdonságainak kialakítását a heterogén diffúzió alkalmazása tette lehetővé. A kétféle (n és p ) vezetési típusú és különböző vezetőképességű tartományok kialakítása a különféle atomok megfelelő diffúziójával érhető el. Az integrált áramkörökben a különböző koncentráció-eloszlás mellett a megfelelő koncentráció értékeknek is jelentős szerepe van. Igen fontos tényező a félvezető alapanyagok nagyfokú fizikai tisztasága, ami annyit jelent, hogy a felhasznált lapkában egyetlen vonalszerű hiba (diszlokáció) sem lehet. Ugyanis a diszlokációk mentén a diffúzió sokkal gyorsabban megy végbe, aminek következtében az egyes rétegek között elektromos rövidzár keletkezhet, így az áramköri elem alkalmatlanná válik eredeti feladatának ellátására. Két különböző fém érintkezési tartományában magasabb hőmérsékleten kölcsönös diffúzió játszódik le. Ha például egy fémhuzal felületére egy másik fémet viszünk fel a galvanizálás vagy párologtatás módszerével, magas hőmérsékleten a diffúzió következtében cső keletkezik, mivel a huzal anyaga gyorsabban diffundál kifelé, mint a felvitt külső réteg anyaga befelé. A kölcsönös diffúzió során keletkező, általában rideg intermetallikus fázisok és üregek az így készült alkatrészek súlyos károsodásához, töréséhez vezethetnek. Az anyagtudományban gyakran alkalmazott porkohászati eljárásoknál fontos szerepe van a felületi diffúziónak. Az apró fémporszemcsék összehegedése részben a csatlakozó felületeken át térfogati, részben a szemcsék külső felületén lejátszódó felületi diffúzió eredménye. Ez utóbbi folyamat lényegesen gyorsabb, mint a térfogati diffúzió. Az említett példákból láthatjuk, hogy szilárd fázisban az atommozgás fő formái a térfogati, felületi (külső vagy belső, pl. szemcsehatár menti ) és vonalhiba (diszlokáció) menti diffúzió. 2. Diffúzió vizsgálata alumíniumoxidokban Az oxidkerámiákat egyre szélesebb körben alkalmazzák a gépgyártásban, vegyiparban, műszergyártásban, elektronikai iparban és az orvostudományban. A diffúziós folyamatok vizsgálata révén értékes információkat szerezhetünk olyan folyamatokról és jelenségekről (pl. elektromos vezetőképesség, szinterelés, szemcsenövekedés, kúszás, repedésnövekedés, törés, kiválások keletkezése, sugárkárosodások begyógyulása), amelyek az oxidkerámiák (pl. Al2 O3) gyakorlati alkalmazhatósága szempontjából kiemelt jelentőséggel bírnak. A monokristályos (zafir) és polikristályos alumíniumoxidban lejátszódó diffúziós folyamatokat a radioaktív ”tracer “ módszerrel vizsgáltuk a Debreceni Egyetem Szilárdtestfizika Tanszékén doktori ösztöndíjasként végzett munkám során. A radioaktív ”tracer” vagy nyomjelzéses módszer kidolgozója Hevesy György (Budapest, 1885.aug.1.- Freiburg, 1966. júl.5.) magyar tudós volt, akit ezért a korszakalkotó felfedezésért 1943-ban kémiai Nobel-díjjal tüntettek ki. A módszer lényege 40

EMT

abban áll, hogy valamely elem inaktív izotópjához meghatározott arányban ugyanazon elem radioaktív izotópját keverjük és mivel ez az arány változatlan marad, az aktivitás mérése útján meghatározhatjuk a két izotóp együttes koncentrációját. A leírt módszerrel a rejtett vízfolyások, barlangok belseje, a szilárd testek szerkezete és az élő szervezetek anyagcseréje, a biokémiai folyamatok egyaránt kutathatóvá váltak. A nukleáris orvostudomány megalapítójának, Hevesy Györgynek a radioaktív izotópoknak a daganatos megbetegedések diagnosztizálásában és kezelésében történő felhasználásáért 1959-ben az Atoms for Peace Awards (Az atom békés felhasználásáért) díjat is odaítélték. A diffúziós folyamatok vizsgálatában általunk felhasznált radioaktív “tracer” módszer vázlatos leírása a következő : 1. A 7x7x1,5 mm-es zafir (monokristályos alumíniumoxid) minta felületére ionimplantációs eljárással vagy vegyi eljárással radioaktív 57Co illetve 63 Ni atomokból álló igen vékony “tracer” réteget vittünk fel. 2. A szinterelt MgO kapszulákba helyezett mintákat meghatározott ideig levegőn diffúziós hőkezelésnek vetettük alá az 1200- 1600 K hőmérsékleti tartományban. 3. A hőkezelt minta aktivitását erre a célra épített detektoros mérőberendezés segítségével határoztuk meg. 4. A hőkezelt minták szeletelése mechanikus módszerrel történt, a szeletvastagságot a próbatestek tömegének változásából határoztuk meg Sartorius gyártmányú mikromérleg segítségével. 5. Az egyes szeletek eltávolítása után a minta maradékaktivitását mértük meg vákuumban, ablak nélküli PIN szilícium detektorral ( 63Ni esetében), illetve a szeletek aktivitását NaJ számlálóval (57Co esetében).

3. Eredmények − A mérési eredményekből meghatároztuk a behatolási függvény alakját, a diffúziós együttható értékét és az Arrhenius függvényeket : D = f (1/T). − A 63Ni esetében a diszlokációk menti diffúzió vizsgálatát végeztük el zafir mintákon, a polikristályos mintákon a szemcsehatár-diffúzió vizsgálatára nyílt lehetőség. A 57 Co esetében a térfogati diffúziót vizsgáltuk zafir mintákon. − A szakirodalomban eddig csak az ezüst díszlokációk menti diffúziójára vonatkozó adatok ismertek zafir esetében. Az általunk nikkelre kapott diffúziós együttható értéke 5 nagyságrenddel kisebb, mint ezüst esetében egy adott hőmérsékleten a Marseille-i kutatócsoport által mért érték (6). − A szemcsehatár-diffúzió vizsgálatakor nyert Arrhenius görbe jó egyezést mutat a Hu és munkatársai által EPMA módszerrel mért adatokkal (7).


41

Irodalom [1.] Kedves F. – Beke D. (1978) : Diffúzió szilárdtestekben, Fizika 1978, szerk. Abonyi I., Gondolat Kiadó, Budapest, 193-224 old. [2.] Beke D. (1983) : 65 Zn diffúziója híg alumínium ötvözetekben, Magyar Fizikai Folyóirat, XXXI. köt., 2.sz, 93-166 old. [3.] Beke D. (1991) : Ponthibák és diffúzió fémekben és ötvözetekben, Debreceni Egyetem, 38 old. [4.] Vallasek I. (1997) : Diffusion in Sapphire, Ph. D. Workshop, University of Debrecen, 13. nov. 1997. [5.] Vallasek I. - Erdélyi G. – Langer G. – Gödény I. – Beke D. (2001) : Ni Short Circuit Diffusion in Alumina, Defect and Diffusion Forum, vol. 194-199, pag.1033-1038. [6.] Badrour L. and al. (1989) : J. Phys. Chem. Solids, vol.50, pag.551. [7.] Hu W. and al. (1987) : Acta Mater. Vol. 45, pag. 4535. [8.] Vallasek I. (2002) : Szilárdtest-diffúzió vizsgálata oxidkerámiákban, EME Természettud. és Matem. Szakosztály Évi Tudományos Ülésszaka, Marosvásárhely, 50 old.

42

EMT

Résztvevők névsora Bartos Elekes István Dr.

Berkes József Dr.

Ady Endre Líceum 410001 Oradea (Nagyvárad) Str. Moscovei nr. 1 Tel.: +40-259-231706 ELFT, Általános Iskolai Oktatási Szakcsoport 7624 Pécs Jakabhegyi u. 8/G Tel.: +36-20-3229300 Fax: +36-72-501571 E-mail: [email protected]

Bíró István

Babeş-Bolyai Tudományegyetem 400084 Cluj (Kolozsvár) Str. M. Kogălniceanu, nr. 1

Bíró Tibor

Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300

Bondár Piroska

Böjte Mária

Brem Walter

Czitrovszky Aladár Dr.


Terebesi Általános Iskola 415300 Marghita (Margitta) Str. Bujorului, nr. 27 Tel.: +40-259-362397, +40-741-731168 E-mail: [email protected] Mártonffy György Általános Iskola 537035 Cârţa (Csíkkarcfalva), nr. 502 Tel.: +40-745-817154 E-mail: [email protected] EMT 400604 Cluj (Kolozsvár) B-dul 21 Dec. 1989 nr. 116 Tel.: +40-264-590825 Fax: +40-264-594042 E-mail: [email protected] MTA KFKI SZFKI 1026 Budapest, Lotz Károly u. 1. Tel.: +36-1-3922626 Fax: +36-1-3922590 E-mail: [email protected], [email protected]

43

Csegzi Sándor

Cseh Gyopárka

Dancs László Csaba

"Alexandru Borza" Iskolaközpont 400441 Cluj (Kolozsvár) Str. Actorului, nr. 57 Tel.: +40-264-546636, +40-721-150475 E-mail: [email protected] Apáczai Csere János Elméleti Líceum 400171 Cluj (Kolozsvár) Str. Baia Mare, nr. 13 Tel.: +40-264-532979 E-mail: [email protected]

Darvay Béla

400699 Cluj (Kolozsvár) B-dul 1 Dec. 1918 nr. 14 Tel.: +40-264-187034

Dávid Anna

"Traian Vuia" Iskolaközpont 540554 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Pandurilor, nr. 18/15 Tel.: +40-265-255660 E-mail: [email protected]

Dávid László Dr.

Sapientia EMTE 540053 Tg. Mureş (Marosvásárhely) P-ţa Trandafirilor, nr. 61 E-mail: [email protected], [email protected]

Gagyi Anna

Halász Gyöngyi

Horváth Emőke-Ágnes

44

EMT 540077 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Corneşti nr. 68/A Tel.: +40-265-311179 E-mail: [email protected]

Kós Károly Líceum 535600 Odorheiu Secuiesc (Székelyudvarhely) Str. N. Bălcescu nr. 35/A Tel.: +40-266-218264 E-mail: [email protected] Márton Áron Gimnázium 530211 Miercurea Ciuc (Csíkszereda) Str. G. Coşbuc, nr. 80 Tel.: +40-266-312444 Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300

EMT

Kakasi Margit

Kenéz Lajos Dr.

Khell Katalin

Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300 Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Optika és Sepektroszkópiai Tanszék 540155 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. N. Bălcescu nr. 4/39 Tel.: +40-265-260732 E-mail: [email protected] Gaál Mózes Általános Iskola 525100 Baraolt (Barót) Str. Kulcsár, nr. 3 Tel.: +40-267-377144 E-mail: [email protected]

Kisberk József

Vermes Miklós Fizikus Tehetségápoló Alapítvány 9400 Sopron, Mátyás király u. 24

Kovács Zoltán Dr.

Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Módszertan Tanszék 400084 Cluj (Kolozsvár) Str. M. Kogălniceanu, nr. 1 Tel.: +40-265 260880

Köllő Gábor Dr.

EMT 400604 Cluj (Kolozsvár) B-dul 21 Dec. 1989 nr. 116 Tel.: +40-264-590825 Fax: +40-264-594042 E-mail: [email protected]

Lakatos Mónika

2-es sz. Általános Iskola 545500 Sovata (Szováta) Str. Principală, nr. 208 Tel.: +40-745-426374 E-mail: [email protected]

László József

Lovas István Dr.


Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300 KFKI, Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet 1121 Budapest, Konkoly Thege u. 29-33. Tel.: +36-1-3922222/1788 E-mail: [email protected]

45

Máthé Márta

Nagy Csilla

Nagy Edit

Nagy László Dr.

Nagy Márton

Nagy-Kóródi László

Néda Zoltán Dr.

Németh Judit Dr.

Pap Tünde

46

Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300 E-mail: [email protected] "Onisifor Ghibu" Líceum 400210 Cluj (Kolozsvár), Str. Mecanicilor, nr. 25 Tel.: +40-264-536462 E-mail: [email protected] Pedagógusok Háza 540343 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Crinului nr. 2 Tel.: +40-265 260880 Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Atomfizika, Magfizika és Környezetfizika Tanszék 400210 Cluj (Kolozsvár), Str. Mecanicilor, nr. 25 Tel.: +40-264-536462 E-mail: [email protected] Vermes Miklós Fizikus Tehetségápoló Alapítvány 9400 Sopron, Mátyás király u. 24 Tel.: +36-99-312393 "Aurel Moşora" Állami Gimnázium 545400 Sighişoara (Segesvár) Str. Crizantemelor, nr. 36 Tel.: +40-265-776908 E-mail: [email protected] Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék 400084 Cluj (Kolozsvár) Str. M. Kogălniceanu, nr. 1 E-mail: [email protected] Eötvös Loránd Fizikai Társulat 1027 Budapest, Fő u. 68 Tel.: +36-1-2018682 E-mail: [email protected] EMT 400604 Cluj (Kolozsvár) B-dul 21 Dec. 1989 nr. 116 Tel.: +40-264-590825 Fax: +40-264-594042 E-mail: [email protected]

EMT

Péterffy Csaba-Ákos

Puskás Ferenc Dr.

Ravasz József

Rend Erzsébet

Szabó Gábor Dr.

Szász Ágota

Szász Zoltán

Kájoni János Gazdasági Szakközépiskola 530163 Miercurea Ciuc (Csíkszereda) Str. Narciselor, nr. 1/A/4 Tel.: +40-266-323683 E-mail: [email protected] EMT 400604 Cluj (Kolozsvár) B-dul 21 Dec. 1989 nr. 116 Tel.: +40-264-590825 Fax: +40-264-594042 Mikes Kelemen Líceum 520023 Sfântu Gheorghe (Sepsiszentgyörgy) Str. Kriza János, nr. 1-3 Tel.: +40-267-318736 E-mail: [email protected] Margittai Általános Iskola 415300 Marghita (Margitta) Str. Crinului, nr. 5/E/6 Tel.: +40-259-364523, +40-721-066175 E-mail: [email protected] Eötvös Loránd Fizikai Társulat 1027 Budapest, Fő u. 68 Tel.: +36-1-2018682, +36-30-2505866 E-mail: [email protected] Bolyai Farkas Elméleti Líceum 540064 Tg. Mureş (Marosvásárhely) Str. Bolyai, nr. 3 Tel.: +40-265-264300 E-mail: [email protected] Romániai Magyar Pedagógusok Szövetsége 535600 Odorheiu Secuiesc (Székelyudvarhely) Str. Tompa László nr. 12 Tel.: +40-266-211473 Fax: +40-266-218017

Tél Tamás Dr.

ELTE TTK, Elméleti Fizikai Tanszék 1117 Budapest, Pázmány Péter stny. 1/A Tel.: +36-1-3722845/6124 E-mail: [email protected], [email protected]

Tellmann Jenő

400510 Cluj (Kolozsvár) Aleea Micuş nr. 6/9 Tel.: +40-264-165363


47

Toró Tibor Dr.

Vallasek István Dr.

Sapientia EMTE 530104 Miercurea Ciuc (Csíkszereda) P-ţa Libertăţii, nr. 1 Tel.: +40-266-372099 E-mail: [email protected]

Vörös Alpár István Vita

Apáczai Csere János Elméleti Líceum 400171 Cluj (Kolozsvár) Str. Gruia, nr. 58, bl. C2, ap. 15 Tel.: +40-264-531218 E-mail: [email protected]

Zsidó Sándor

48

Temesvári Nyugati Egyetem 300223 Timişoara (Temesvár) Bdl. V. Parvan nr. 4 Tel.: +40-256-494068

Nagykárolyi Elméleti Líceum 445100 Carei (Nagykároly) Str. Ignişului nr. 20. Tel.: +40-261-861684 Fax: +40-261-863892

EMT

Hasznos tudnivalók A Fizikusnapok titkárságának működési ideje és helyszínei péntek, szeptember 24. 1700 – 2100 Deus Providebit Tanulmányi Ház Rózsák tere 61., tel: 0265-250270 szombat, szeptember 25. 800 – 1600 Deus Providebit Tanulmányi Ház Rózsák tere 61., tel: 0265-250270

Az előadások, kísérletek helyszínei szombat, szeptember 25 de. szombat, szeptember 25 du. vasárnap, szeptember 26.

Deus Providebit Tanulmányi Ház díszterme Bolyai Farkas Elméleti Líceum fizikuma Deus Providebit Tanulmányi Ház előadóterme

Szálláshelyek Bolyai Farkas Elméleti Líceum bentlakása Deus Providebit Tanulmányi Ház CONTINENTAL Szálló

Bolyai u. 3., tel: 0265-264300 Rózsák tere 61., tel: 0265-250270 Színház u. 5., Tel.: 0265-260999

Étkezések − − −

a reggelit mindenki a szálláshelyén fogyasztja el, pénteki vacsora, szombati és vasárnapi ebéd – Deus Providebit Tanulmányi Ház Étterme, szombati állófogadás – Deus Providebit Tanulmányi Ház Hallja

Hasznos telefonszámok Magyar Főkonzulátus, Kolozsvár Pap Tünde


Tel.: 0264-596300 mobil: 0745-362432

49

Körmöczi János Fizikusnapok János Körmöczi Physicist Days

Recommend Documents