Πειράματα με μικροκύματα στο σχολείο

Όπως μπορείτε επίσης να διαβάσετε σε αυτό το τεύχος του Science in School (Stanley, 2009), Ισραηλινοί επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει μικροκύματα για να δημιουργήσουν τρύπες μέσα σε γυαλιά και κεραμικά αλλά και να παράγουν μπάλες πλάσματος. Οι φούρνοι μικροκυμάτων είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τους εκπαιδευτικούς όπως και για τους επιστήμονες. Εδώ παρουσιάζεται μια συλλογή από διασκεδαστικά πειράματα μικροκυμάτων που είναι κατάλληλα για να γίνουν μέσα στην τάξη.

Μπάλες πλάσματος

Χρησιμοποιώντας έναν φούρνο μικροκυμάτων μπορείτε να δημιουργήσετε μπάλες πλάσματος^w1 στο σχολείο από νανοσωματίδια αιθάλης. Ο Δρ Chris Schrempp ο οποίος διδάσκει σε ένα Λύκειο της Καλιφόρνια το κάνει στην τάξη του εδώ και καιρό. Λέει, «Πρόκειται για μια επίδειξη η οποία προκαλεί πάντοτε μεγάλη εντύπωση σε μαθητές κάθε επιπέδου. Μολονότι ο ιδιοκτήτης του φούρνου μικροκυμάτων, εάν είναι παρών, θα είναι είναι απόλυτα σίγουρος ότι αποκλείεται να λειτουργεί μετά την επίδειξη, παραδόξως δεν παθαίνει τίποτα.»

Υλικά

• Ένα μικρό γυάλινο μπολ θερμοαντοχής.
• Ένα κοντό ξυλαράκι ή μία οδοντογλυφίδα (μήκους 3-5 cm)
• Ένας φελλός
• Εργαστηριακά δοχεία ζέσης των 50ml (ή άλλα παρόμοιου μεγέθους αντικείμενα κατάλληλα για φούρνο μικροκυμάτων)

Διαδικασία

1. Αφαιρέστε τον περιστρεφόμενο δίσκο από το φούρνο και καλύψτε ή αφαιρέστε τη λάμπα.
2. Στερεώστε το ξυλαράκι ή την οδοντογλυφίδα μέσα στο φελλό.
3. Στηρίξτε ανάποδα ένα μικρό γυάλινο μπολ θερμοαντοχής στο κέντρο του φούρνου χρησιμοποιώντας μία κυκλική διάταξη δοχείων ζέσης. Το μπολ θα πρέπει να είναι αρκετά ψηλά ώστε η οδοντογλυφίδα που είναι στερεωμένη στο φελλό να μπορεί να τοποθετηθεί μέσα σε αυτό.
4. Προγραμματίστε το φούρνο για να λειτουργήσει σε πλήρη ισχύ για 30 δευτερόλεπτα και σβήστε τα φώτα στο δωμάτιο.
5. Ανάψτε το ξυλαράκι και βάλτε το μέσα στο φούρνο κάτω από το γυάλινο μπολ.
6. Κλείστε την πόρτα και ανάψτε το φούρνο.

Το πλάσμα σχηματίζεται συνήθως σε περίπου 10 δευτερόλεπτα. Ο Schrempp λέει, «Θα κάνει έναν τρομακτικό θόρυβο, λες και το εσωτερικό του φούρνου τηγανίζεται.» Εάν σε αυτό το σημείο δεν έχει σχηματιστεί μια μπάλα πλάσματος, σταματήστε το φούρνο, ανάψτε ξανά το ξυλαράκι και ξεκινήστε ξανά.

Ο φούρνος θα πρέπει να λειτουργήσει το πολύ για περίπου 20-30 δευτερόλεπτα διαφορετικά μπορεί το γυάλινο μπολ να υπερθερμανθεί και να σπάσει. Βεβαιωθείτε ότι δεν θα αφήσετε την οδοντογλυφίδα να καεί μέχρι κάτω και να βάλει φωτιά στο φελλό.

Το αναποδογυρισμένο γυάλινο μπολ χρησιμοποιείται για την αποθήκευση του πλάσματος ώστε αυτό να μπορεί να φαίνεται εύκολα μέσα από το παράθυρο. Η επίδειξη μπορεί να γίνει και χωρίς το μπολ, αλλά τότε η πύρινη μπάλα θα ανέλθει στο πάνω μέρος του φούρνου οπότε θα πρέπει να σκύψετε και να κοιτάξετε ψηλά μέσα από το παράθυρο για να τη δείτε.

Η μόνη αρνητική συνέπεια της επίδειξης είναι μια μυρωδιά καμένου μέσα στο φούρνο. Ο Schrempp λέει ότι ποτέ δεν του έτυχε να υποστεί κάποια σημαντική ζημιά ο φούρνος, απλά μερικά σημάδια καπνού, αλλά προτείνει, σε κάθε περίπτωση, να χρησιμοποιηθεί κάποιος παλιότερος φούρνος.

Τη συγκεκριμένη επίδειξη του Schrempp καθώς και άλλα εντυπωσιακά πειράματα μπορείτε να τα δείτε στο δικτυακό τόπο του Exploscience^w2.

Μπάλες πλάσματος μπορούν επίσης να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας σταφύλια, όπως περιγράφεται στο ηλεκτρονικό βιβλίο του Schrempp Βροντές, Αστραπές και Εκρήξεις – Ένας εικονογραφημένος οδηγός πειραμάτων χημείας^w3:

1. Κόψτε μία ρόγα σταφύλι στα δύο, διατηρώντας ένα μικρό κομμάτι φλούδας έτσι ώστε να κρατηθούν τα δύο κομμάτια συνδεδεμένα στη μία άκρη τους.
2. Τοποθετήστε τη ρόγα σταφύλι σε ένα πιάτο έτσι ώστε οι κομμένες πλευρές να κοιτούν πάνω, και βάλτε το στο φούρνο.
3. Όταν ο φούρνος ανάψει, θα εκπεμφθεί πλάσμα από την περιοχή της φλούδας που συνδέει τα δύο μισά κομμάτια.

Μπορείτε να βρείτε ένα βίντεο με το πλάσμα σταφυλιού στο διαδίκτυο^w4.

Γλυπτική σε σαπούνι

Ένα κομμάτι σαπούνι, όταν τοποθετηθεί σε φούρνο μικροκυμάτων, ο οποίος λειτουργεί σε πλήρη ισχύ για ένα περίπου λεπτό, εξελίσσεται σε παράξενη ηφαιστειακή λάβα, ή σε κάτι που μοιάζει με τρομακτικό μύκητα. Η αλλαγή του σχήματός του οφείλεται σε μικροσκοπικές ποσότητες νερού μέσα στο σαπούνι οι οποίες εξατμίζονται, ή σε εγκλωβισμένο αέρα μέσα στο σαπούνι που διαστέλλεται καθώς ζεσταίνεται.

Η διαδικασία αυτή μπορεί να αφήσει μία έντονη μυρωδιά στο φούρνο (και στην τάξη), έτσι προσπαθήστε να χρησιμοποιήσετε μη αρωματικά σαπούνια, ενώ αποφύγετε να χρησιμοποιήσετε φούρνο στον οποίο ετοιμάζετε φαγητό.
Η επίδειξη αυτή έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι ο καθηγητής μπορεί να αφήσει το χρησιμοποιημένο σαπούνι στο παρασκευαστήριο του εργαστηρίου προβληματίζοντας τους συναδέλφους, ή οι μαθητές μπορούν να το πάρουν σπίτι τους αναστατώνοντας τα μέλη της οικογένειάς τους.

Αυτό αλλά και άλλα πειράματα μπορούν να βρεθούν στο δικτυακό τόπο physics.org^w5.

Εκρήξεις αυγών

Αν οι επιδείξεις είναι ενδιαφέρουσες, οι εκρήξεις είναι αξέχαστες. Τα παιδιά μου δεν θα με αφήσουν να ξεχάσω τη νύχτα που το βραστό αυγό του γιού μου είχε ένα μάλλον νερουλό ασπράδι και είπα, «λίγα δευτερόλεπτα στο φούρνο μικροκυμάτων θα είναι ό,τι πρέπει»! Ένα αυγό κότας, ακόμη και κομμένο στο πάνω μέρος, θα εκραγεί μεγαλοπρεπώς όταν ζεσταθεί σε φούρνο μικροκυμάτων. Μπορείτε να το δοκιμάσετε σε κάποιο μάθημα, φτάνει να είστε προετοιμασμένοι ότι θα χρειαστεί να καθαρίσετε το εσωτερικό του φούρνου αμέσως μετά!

Στο τηλεοπτικό πρόγραμμα Brainiac Science Abuse, οδήγησαν αυτό το πείραμα στα όριά του χρησιμοποιώντας ένα αυγό στρουθοκαμήλου. Αυτό είναι ένα πείραμα που δεν θα θέλατε να κάνετε (ή δεν θα μπορούσατε) υπάρχουν ωστόσο πολλές εκδοχές του στο YouTube^w6. Έχω σοβαρές υπόνοιες ότι το πείραμα ήταν κατά κάποιο τρόπο στημένο, αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το βίντεο για να ξυπνήσετε οποιαδήποτε τάξη.

Φωτεινές λάμπες

Μία ακόμη κλασική επίδειξη είναι να βάλετε μια λάμπα σε έναν φούρνο μικροκυμάτων. Μία λάμπα πυρακτώσεως (καινούργια ή καμένη) θα ανάψει όταν ακτινοβοληθεί με μικροκύματα, εφόσον το γυάλινο περίβλημά της είναι άθικτο. Ανάλογα με το είδος της λάμπας μπορείτε να πάρετε διάφορα χρώματα. Θυμηθείτε ότι η λάμπα θα θερμανθεί πολύ γρήγορα: 10 δευτερόλεπτα είναι ίσως αρκετά προτού την αφήσετε να κρυώσει ξανά.

Λάμπες φθορισμού θα ανάψουν επίσης και το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξετε τυχόν διαρροή μικροκυμάτων γύρω από τις πόρτες των φούρνων μικροκυμάτων. Θέστε σε λειτουργία το φούρνο μικροκυμάτων και κρατήστε μία λάμπα φθορισμού κοντά στα όρια της πόρτας του φούρνου. Εάν ο φούρνος έχει διαρροή θα ανάψει την λάμπα. (Σβήστε τα φώτα στο δωμάτιο ώστε να μπορείτε να δείτε τη λάμψη.) Η μέθοδος λειτουργεί καλύτερα εάν ο φούρνος είναι κενός, αλλά εάν ελέγχετε έναν παλιότερο φούρνο (κατασκευασμένο πριν το 1980), ίσως θα θέλατε να εισάγετε ένα ποτήρι νερό. Ας σημειωθεί ότι η μέθοδος θα ανιχνεύσει μόνο τις μεγαλύτερες διαρροές.

Αυτό και άλλα γεγονότα, μύθοι και πειράματα σχετικά με τους φούρνους μικροκυμάτων έχουν συλλεχθεί στο δικτυακό τόπο του William Beaty^w7.

Μετρήστε την ταχύτητα του φωτός με ψωμί και μαργαρίνη

Οι ‘καθαρά επιστήμονες’ Chris Smith και Dave Ansell περιγράφουν μία πολύ όμορφη επίδειξη που χρησιμοποιεί στάσιμα κύματα για τον υπολογισμό της ταχύτητας φωτός των μικροκυμάτων στο βιβλίο τους Crisp Packet Fireworks και στο δικτυακό τους τόπο^w8, όπου θα βρείτε επίσης περισσότερα για τα μικροκύματα αλλά κι άλλα πειράματα.

Έχοντας διδαχθεί τα δύσκολα ιστορικά πειράματα για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, οι μαθητές θεωρούν σπουδαίο το να χρησιμοποιήσουν αυτή την εύκολη μέθοδο. Το μόνο μειονέκτημα αυτής της επίδειξης είναι μία μάλλον έντονη μυρωδιά τοστ. Αυτό το πείραμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης για να ενδυναμώσει την ιδέα ότι όλα τα κύματα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός.

Υλικά

• Ένα πιάτο (και ενδεχομένως ένα μπολ)
• Τέσσερεις φέτες ψωμί του τοστ
• Μαργαρίνη
• Ένα μαχαίρι αλείμματος
• Ένας χάρακας

Διαδικασία

1. Αφαιρέστε την περιστρεφόμενη βάση του φούρνου μικροκυμάτων.
2. Τοποθετήστε τέσσερεις φέτες ψωμί του τοστ σε ένα πιάτο ώστε να σχηματίσετε ένα τετράγωνο.
3. Αλείψτε τις φέτες εξολοκλήρου με μαργαρίνη, συμπεριλαμβάνοντας τα σημεία επαφής των φετών.
4. Πρέπει να εξασφαλίσετε ότι το πιάτο δεν θα περιστραφεί όταν τεθεί σε λειτουργία ο φούρνος. Εάν υπάρχει μία κεντρική στήλη στήριξης της περιστρεφόμενης βάσης, μπορείτε να την καλύψετε με ένα μπολ γυρισμένο ανάποδα και να ισορροπήσετε το πιάτο πάνω σε αυτό.
5. Ανάψτε το φούρνο σε πλήρη ισχύ για 15-20 δευτερόλεπτα μέχρι η μαργαρίνη να αρχίσει να λιώνει. Οι ισχυροί φούρνοι ίσως χρειάζονται λιγότερο χρόνο, έτσι ελέγξτε κάθε 5 δευτερόλεπτα. Να είστε πολύ προσεκτικοί ώστε να μην ακτινοβολήσετε τη μαργαρίνη για περισσότερο από όσο απαιτείται.
6. Θα πρέπει να δείτε γραμμές από παράλληλες περιοχές λιωμένης μαργαρίνης που εναλλάσσονται από περιοχές που δεν είναι λιωμένες. Βγάλτε έξω το πιάτο.
7. Μετρήστε την απόσταση σε εκατοστά μεταξύ δύο διαδοχικών περιοχών λιωμένης μαργαρίνης με έναν χάρακα. Πολλαπλασιάστε με το δύο και γράψτε την τιμή που βρήκατε: αυτό είναι το μήκος κύματος των μικροκυμάτων που παράγονται από το φούρνο σας – πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 12-12.5 cm.
8. Τώρα πρέπει να βρείτε τη συχνότητα των μικροκυμάτων. Θα μπορέσετε νε τη βρείτε σε ένα αυτοκόλλητο, συνήθως τοποθετημένο στο πίσω μέρος ή στο χείλος της πόρτας του φούρνου. Εάν δεν μπορείτε να βρείτε τη συγκεκριμένη τιμή του φούρνου σας, χρησιμοποιείστε την τιμή 2450 MHz (2.45 GHz) ως δεδομένη τιμή.
9. Πολλαπλασιάστε το μήκος κύματος (περίπου 12 cm) με τη συχνότητα. Αν χρησιμοποιείτε MHz, θα πρέπει πολλαπλασιάσετε το αποτέλεσμα με το ένα εκατομμύριο, ενώ για GHz με το ένα δισεκατομμύριο.
10. Το αποτέλεσμα θα είναι η ταχύτητα του φωτός σε εκατοστόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Διαιρέστε το με το 100 για να το μετατρέψετε σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Η απάντησή σας θα πρέπει να είναι περίπου 300 εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Ένας φούρνος μικροκυμάτων παράγει κύματα στη μία πλευρά του, αυτά ανακλώνται στην απέναντι πλευρά και επιστρέφουν εκεί από όπου ξεκίνησαν. Τα ανακλώμενα κύματα θα συναντήσουν τα αρχικά κύματα, ακυρώνοντας το ένα το άλλο σε κάποια σημεία ενώ θα ενισχυθούν σε κάποια άλλα: τα κύματα αναπηδούν στον φούρνο, συμβάλλουν μεταξύ τους και δημιουργούν ένα στάσιμο κύμα με θέσεις μέγιστου πλάτους (κοιλίες) όπου θα υπάρξει ισχυρή θέρμανση, και θέσεις με το πλάτος να τείνει στο μηδέν (δεσμοί) όπου η θέρμανση θα είναι ελάχιστη. Η απόσταση μεταξύ δύο θερμών σημείων είναι ίση με το μισό του μήκους κύματος – την απόσταση από τη μία κοιλία στην αμέσως επόμενη. Σε αυτά τα θερμά σημεία η μαργαρίνη θα λιώσει πρώτα.