Oś Świata/Kolokolo Bird

Reflektometr sznurkowy a ponadświetlne neutrina

23.02
2012

Dziś do mojej kolekcji w Akademii Uczniowskiej dość nietypowa lekcja, wywołana tematem dnia. Po raz pierwszy publikuję tu lekcję, której jeszcze nie przeprowadziłem (planuję na ten weekend), a sprawdziłem jedynie sam, że doświadczenie wychodzi bez najmniejszego problemu. Ale temat jest na tyle gorący, że już dziś chciałbym Państwu podpowiedzieć temat na tę bardzo aktualną zabawę, nadającą się (z różną oprawą wyjaśnień i rozłożeniem nacisków) od przedszkola po maturę. Nawet dla przedszkolaków rozchodzenie się fali w sznurku i odbicie tej fali od przeszkody może być rozwijającą intuicje fizyczne zabawą.
Patrz też: Neutrinowe sensacje.

Grupa docelowa:
Od przedszkola po liceum, a nawet technikum elektroniczne, dostosujmy tylko nasze wyjaśnienia do poziomu uczniów.

Cele edukacyjne:
Bezpośrednie odniesienie i wyjaśnienie newsa ze świata nauki, jaki poruszył dziś (23.02.2012) media — wykrycia błędów doświadczalnych w sensacyjnych doniesieniach eksperymentu OPERA sprzed kilku miesięcy o neutrinach szybszych niż światło.
Ruch falowy, propagacja fal, odbicie fal, solitony, zależność prędkość-droga-czas, fale poprzeczne, analogie pomiędzy falami mechanicznymi i elektromagnetycznymi, metodologia doświadczalna, pokazanie, jak banalny błąd może doprowadzić do ogólnoświatowej sensacji, dla młodszych: mnóstwo okazji do zaciekawienia różnymi aspektami fizyki.

Pytanie kluczowe (zadane mi jako temat najbliższych zajęć przez mojego ucznia):
W jaki sposób źle wetknięta wtyczka może spowodować błąd w pomiarze czasu? Przecież jeśli sygnał w ogóle przechodzi przez złącze, to nie jest opóźniany złym kontaktem?
Pytanie powstało w reakcji na doniesienia medialne (i notkę prasową CERN), że z powodu źle kontaktującego złącza na kablu światłowodowym wyliczone wyniki prędkości neutrin były większe od rzeczywistych (i po publikacji wywołały sensację „neutrina szybsze niż światło”).

W momencie opracowywania tej lekcji nie znam szczegółów problemu doświadczalnego OPERY — moje wyjaśnienie jest więc tylko spekulacją, dającą odpowiedź na pytanie ucznia: „jak ten mechanizm mógł wyglądać?”, choć być może rzeczywiste źródło błędu w eksperymencie OPERA było zupełnie inne. Niemniej, mechanizm jest na tyle prosty (i łatwy do zilustrowania analogiem mechanicznym), że wart przeanalizowania nawet, jeśli rzeczywisty problem powodujący błąd w wynikach w eksperymencie OPERA był innej natury.

Doświadczenie:
Badamy rozchodzenie się fali (solitonu) w luźno wiszącym sznurku. Obserwujemy odbicie tej fali od końca sznurka i od elementu zakłócającego (analogu źle zapiętego złącza).

Sprzęt:
— dość ciężka linka, sznur, łańcuch, gumowy wąż, etc. U mnie dobrze sprawdziła się 8mm nylonowa linka żeglarska;
— ciężarek o masie rzędu 100g, dający się przymocować do linki;
— stoper.

Lekcja-dyskusja: Pomiar prędkości neutrin polegał na opracowaniu statystycznym prędkości wyliczonych przez podzielenie odległości pomiędzy źródłem neutrin a detektorem przez czas upływający pomiędzy wysłaniem paczki neutrin z CERN a zaobserwowaniem neutrina w Gran Sasso. Pomiar ten wymagał, by zegary (zapisujące czas wysłania/odebrania) pokazywały dokładnie ten sam czas. Do synchronizacji użyto systemu GPS. Odbiorniki GPS muszą jednak być umieszczone na powierzchni, a oba laboratoria znajdują się pod ziemią (zwłaszcza Gran Sasso — w bardzo głębokim tunelu). Sygnał zegara przesyłany jest z odbiornika GPS do laboratorium kablem światłowodowym i przesłanie go zajmuje jakiś czas. Ten czas trzeba zmierzyć i uwzględnić w naszych wyliczeniach (dodać go do odebranej z GPS różnicy czasów).

Doświadczenie: Wiążemy jeden koniec sznurka do klamki u drzwi albo innego mocowania pod jedną ze ścian, rozciągamy linkę wzdłuż pomieszczenia (5m, albo więcej), trzymamy drugi koniec w ręku tak, by linka wisiała w powietrzu, ale nie była napięta. Wykonujemy pojedyncze krótkie szarpnięcie dłonią. W efekcie fala solitonowa (wybrzuszenie na sznurku) leci w kierunku drugiego końca linki. Prędkość fali zależy od parametrów linki ale jest dobrze widzialna gołym okiem — rzędu 2 m/s. Widzimy (mierzymy stoperem) że sygnał wysłany z naszego końca dociera do odbiornika kilka sekund później. Mierzymy czas przelotu sygnału w drugą stronę — jest taki sam.
Możemy wdać się w tu dygresję o równoczesności zdarzeń i synchronizacji odległych zegarów, możemy wykorzystać do tego oryginalną argumentację Einsteina: A.Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper / On the Electrodynamics of Moving Bodies / O elektrodynamice ciał w ruchu (polskie tłumaczenie nie jest dostępne on-line).

Lekcja-doświadczenie: Opowiadamy jak działa reflektometr (wysyła sygnał, sygnał odbija się od drugiego końca, mierzy czas po jakim odbity sygnał powraca, stąd, dzieląc ten czas przez dwa, wyznacza czas opóźnienia na łączu). Mierzymy czas po jakim wraca fala odbita od przeciwległej ściany.

Lekcja-doświadczenie: Opowiadamy, że źle zapięte złącze światłowodowe powoduje, że tylko część światła jest przesyłana dalej, a część jest gubiona. Jeśli mamy dwa krótkie kabelki światłowodowe i tulejkę łączeniową — możemy to pokazać, wkładając jakiś paproch (np. włos) w złącze. Jeśli nie mamy — pokazujemy ilustracje złącz światłowodowych. Odpowiednikiem takiego marnego złącza jest ciężarek, zakłócający falę na naszym sznurku. Montujemy ciężarek w około 1/3 długości sznurka (bliżej ściany). Powtarzamy nasze doświadczenie z wysłaniem solitonu. Mierzymy czas, po jakim powraca sygnał. Jest teraz mniejszy — odbicie nastąpiło od ciężarka. Powtarzamy doświadczenie z przesłaniem sygnału z jednego końca na drugi. Ten czas nie uległ zauważalnej zmianie, a tylko amplituda sygnału się zmniejszyła. Czyli teraz nasz reflektometryczny pomiar opóźnienia daje wartość istotnie mniejszą, niż czas propagacji rzeczywistego sygnału. Gdybyśmy użyli zmierzonego reflektometrycznie czasu jako poprawki do wskazań zegara, to nasze wyliczenia prędkości neutrin okazałyby się błędne — czas przelotu byłby zaniżony.

Pytanie: Jak daleko od odbiornika GPS musiało być to źle zapięte złącze, żeby spowodować błąd odczytu czasu o 60ns (według wrześniowego raportu OPERY neutrina średnio o tyle wcześniej przychodziły w porównaniu z tym, gdyby poruszały się z prędkością światła)?

Dla techników elektronicznych i telekomunikacyjnych: Wierzę, że to doświadczenie powinno bardzo ładnie wyjść z oscyloskopem, generatorem nanosekundowych impulsów i kablem, na którym robimy niedopasowane impedancją złącze. I równie dobrze powinno wyjść z reflektometrem do światłowodów i łączem, złożonym z dwóch, nieprawidłowo połączonych odcinków światłowodów. Możemy też zobaczyć, jak słabe odbicie impulsu dostaniemy od poprawnie wykonanego łączenia.

13
Dodaj komentarz

13 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
6 Comment authors
avataravataravataravataravatar Recent comment authors
  Subscribe  
najnowszy najstarszy oceniany
Powiadom o
avatar
Gość
MK

Rewelacja!
Bardzo inspirujące pomysły na zajęcia lekcyjne w szkole otwartej na świat i trzymającej rękę na pulsie życia.
Dziękuję!

avatar
Gość
marzenek

Witam. Mam na imię Marzena. Jestem nauczycielką i pracuję w warszawskim przedszkolu. Nie jestem zdziwiona zakresem grupy docelowej powyższego doświadczenia. Dlaczego? Dlatego, że w naszym przedszkolu od 1994 roku bawimy się z dziećmi w empiryczne poznawanie świata. Doświadczenie ze sznurkiem ukazującym powstawanie i rozchodzenie się fal jest jednym z bardzo wielu a robimy je zarówno przy okazji zabaw z akustyką (choć lepsze kamertony i najzwyczajniejsze miski na klocki), jak i światłem. Choć nie używamy uczonych nazw i specjalistycznych urządzeń i nie badamy stoperem prędkości, opóźnienia itp., to świetnie się bawimy: dzieci i my – nauczyciele – korzyści, jeśli tak można… Czytaj więcej »

avatar
Gość
marzenek

Witam i dziękuję serdecznie – chętnie skorzystam i z doświadczeń, i z konsultacji. W kwietniu organizujemy w naszym przedszkolu Pierwszy Praski Festiwal Nauki. Będziemy bawili się powietrzem i już nie mogę doczekać się pomysłów na doświadczenia i zabawy badawcze.
Empiryczne poznawanie świata – to jedna z moich pasji, dzięki którym nie grozi mi wypalenie zawodowe:-)).

Pozdrawiam gorąco – Marzena

avatar
Gość

Ksawery. Twoje pomysły i pasją są fascynujące i budujące. Zastanawiam się, jak odebrane byłyby przez zwykłych (tzw.) nauczycieli. Zapewne wielu z nich powiedziałoby, że to jest piękne, ale nie pasuje do rzeczywistości szkolnej. I chyba mieli by rację: system klasowo-lekcyjny jest bardzo sztywnym gorsetem. No, może zajęcia pozalekcyjne to dobre miejsce na takie eksperymenty. I tu czuję pewien zgrzyt: zajęcia lekcyjne – to ma być banał i nuda. a pozalekcyjne – to dopiero zabawa ! Ale zabawa dla kogo ? Jeśli dobrze rozumiem, Ty proponujesz eksperymenty-zabawy naukowe dla wszystkich. Jeśli tak, to bardzo popieram. To byłaby inna, nowa szkoła. Szkoła,… Czytaj więcej »

avatar
Gość

Ksawery. Dokładnie to miałem na myśli: każdy ma szansę. To zadanie dla szkoły: stworzyć każdemu szansę. Co więcej: dać możliwość, ale i konieczność dokonywania wyborów. Masz wybór: możesz być uczestnikiem lub obserwatorem, albo musisz znaleźć inne zajęcie. Pomożemy tobie je znaleźć. To jest przygotowywanie do prawdziwego życia, do prawdziwie aktywnego. A nie tak, jak w obecnej szkole – nauka przymusowa dla każdego = nauka na niby prawie dla wszystkich = życie na niby.

avatar
Gość
W. Szwajkowski

Mam też inne potwierdzenia Pana obserwacji, że nauczycielki przedszkolne wykazują większe zainteresowanie nowościami edukacyjnymi i są generalnie bardziej entuzjastycznie nastawione do swojej pracy. Pana hipotezy wydają mi się się bardzo prawdopodobne. Dodałbym jeszcze do nich takie przypuszczenie, że nauczycielki przedszkolne są bardziej otwarte, ponieważ nie muszą się raczej obawiać tego, że dziecko wykaże im ich niekompetencje. A w szkole to może wyglądać różnie. Im później, tym ryzyko dla nauczyciela większe. Nauczyciel ma więc do wyboru: nadążać za rozwojem wiedzy, potrafić przyznać się uczniom, że nie wszytko jeszcze wie lub nie wszystko rozumie, albo zamykać się w swoim wyimaginowanym świecie nieomylności… Czytaj więcej »

avatar
Gość

Neurony lustrzane? Drama? – chyba z każdego po trochu… Może też inaczej postrzegamy te pojęcia. Przecież jak uczniowie wychodzą z ławek, rozciągają sznur, mierzą czas stoperem – eksperymentują – to imitują naukowców, sami dochodzą do wniosków… elementy komunikatyne, dramatyczne są. I o to mi właśnie chodzi. Gdyby uczniowie ubierali do tego fartuchy, byłoby jeszcze lepiej 🙂

Świetna lekcja, mieszanina metod, krytyczne spojrzenie na świat, rozwijanie choryzontów. 🙂

avatar
Gość
Dawid Grabowski

Uczac smazyc sie jajecznice na poczatku nasladuje czynnosci mamy, imituje ja by jajecznica rownie wyszla mi dobrze. Na poczatku nie wychodzi mimo iz robimy dokladnie to samo. Wiec dalej probujemy, az do skutku. Gdy juz umiemy ja zrobic zaczynamy ja udoskonalac o zdobyte nam doswiadczenia kulinarne, zaczynamy eksperymentowac, dodawac inne przyprawy itp, tak by byla lepsza niz u mamy. Byc lepszym od mistrza… przez proces, ktory przechodzimy. Tak to widze. Podobnie bylo z twoimi uczniami. Sa i nie sa naukowcami. Nie usiluje na chama wcisnac, ze twoja lekcja byla prowadzona drama, nie, ma jej elementy, widac w twojej lekcji cele… Czytaj więcej »