SCIENCELAB 5VWO. QTC fysisch onderzoek van Quantum Tunnelling Composite

Transcriptie

1 SCIENCELAB 5VWO QTC fysisch onderzoek van Quantum Tunnelling Composite

2 2

3 PROGRAMMA onderdeel WELKOM korte introductie ONDERZOEK kwalitatief onderzoek van QTC een klassiek model van QTC PRESENTATIE Kwantummechanisch model van QTC ONDERZOEK MET DE COMPUTER kwantitatief onderzoek van QTC eigen onderzoeksopdracht pauze 4 5 EIGEN ONDERZOEKSVRAAG of TECHNISCH ONTWERP Bedenken / uitvoeren PRESENTATIE of VERSLAG resultaten of technisch ontwerp uitwerken op een groot vel papier presenteren of verslag David Lussey, de ontdekker van QTC 3

4 ONDERDEEL 1 ONDERZOEK VAN QTC KWALITATIEF ONDERZOEK Nieuwe materialen Door de eeuwen heen heeft de mens steeds nieuwe materialen gemaakt. Het bijzondere is dat bijna alle nieuwe materialen per ongeluk gemaakt of ontdekt zijn. Buskruit, glas, penicilline, halfgeleidermateriaal, Bij het ontdekken of ontwikkelen van al deze stoffen heeft het toeval een grote rol gespeeld. Halverwege de jaren 90 van de vorige eeuw probeerde de Engelsman David Lussey lijm te maken met als bijzondere eigenschap dat die lijm ook stroom zou kunnen geleiden. Het lukte hem niet zo n soort lijm te maken en de producten kwamen in de prullenbak terecht. Eén van zijn medewerkers onderzocht Lussey s producten en deed verrassende ontdekkingen. Het spul met die bijzondere eigenschappen wordt QTC genoemd (Quantum Tunnelling Composite). Vandaag gaan jullie onderzoek doen aan QTC, een modern materiaal met verrassende eigenschappen. Je maakt daarbij ook kort kennis met quantummechanica. Kennismaking met QTC Je gaat nu kennis maken met QTC-materiaal. Als het goed is vind je op de practicumtafel een doos met veel spullen (aan het begin van deze handleiding is een plattegrond van de leskist weergegeven). In één van de vakjes vind je een plastic zakje met een paar vierkante zwarte snippertjes. Dat zwarte materiaal is QTC. Zo n klein snippertje QTC wordt in het Engels een QTC-pill genoemd. QTC-pills (3,6 x 3,6 mm) Zo n losse QTC-snipper is niet zo handig om mee te werken. In de leskist zit in het vakje links vooraan daarom ook een messing houder met daarin een stukje QTC gemonteerd. Deze messing houder (met QTC) gebruik je bij de eerste opdrachten. 4

5 Voordat je begint. Je gaat een paar schakelingen maken. In de doos (leskist) en op de practicumtafel zie je allerlei spullen waarmee je dat doet. Je hebt overigens lang niet alle spullen uit de leskist nodig. Verder heb je de beschikking over snoeren (in de zaal hangen er meer), krokodillenklemmen e.d. Aan het eind van het sciencelab zorg je er natuurlijk voor dat alle gebruikte spullen weer netjes in de leskist liggen! Bij deze handleiding hoort een antwoordblad waarop je alles kunt invullen. Dat doe je steeds als je het symbool van de pen tegen komt. Een aantal onderdelen uit de leskist heeft een eigen aansluiting met stekkers. Bij het maken van een schakeling moet je daarom soms stekkers in elkaar steken (zie foto), waarbij een contact open op tafel komt te liggen. Pas op dat er dan geen contacten tegen elkaar komen. Opdracht 1 Kennismaking met QTC Maak de schakeling die je hieronder weergegeven ziet. Gebruik het speciale draadje uit de leskist (vakje linksboven) om contact te maken met het QTC onder in de messing houder. Als spanningsbron gebruik je de batterijpack uit de leskist. NB Zet de batterijpack na gebruik s.v.p. UIT! Tussen de punten A en B sluit je een klein gloeilampje (uit de leskist) aan. messing 5

6 Kijk wat er gebeurt, als je met het dunne (stekker)pootje zachtjes contact maakt met het QTC. Onderzoek wat er gebeurt, als je met dat (stekker)pootje steeds ietsje harder op het QTC drukt. (Het dunne pootje mag uiteraard geen contact maken met het messing rondje waar het QTC in zit.) Opdracht 1 Noteer op het antwoordblad bij opdracht 1 een conclusie over deze eigenschap van QTC. Gebruik bij het verwoorden van deze eigenschap de term soortelijke weerstand. De schakeling die je net gemaakt hebt, kun je in een schakelschema weergeven zoals je hiernaast ziet. Een stukje QTC kan immers als variabele weerstand gebruikt worden. Opdracht 2 Schakeling met motortje Maak nu de schakeling waarvan je hiernaast het schakelschema ziet. Het rondje met de letter M is een klein elektromotortje (zie foto) dat je in de leskist kunt vinden. Elektromotortje (de aansluitingen zijn de metalen lipjes aan de achterkant) Opdracht 2 Vraag: doet deze schakeling wat je op grond van de eigenschap van QTC zou verwachten? 6

7 Opdracht 3 Bijzondere schakeling (1) Hiernaast zie je het schema van een schakeling waarin een lampje niet in serie met een stukje QTC is geschakeld, maar parallel. Je hoeft deze schakeling niet te maken, maar het mag natuurlijk wel. Deze schakeling heeft de eigenschap dat naarmate er harder op het QTC gedrukt wordt, het lampje minder fel brandt. Opdracht 3 Vraag: leg uit hoe dat komt. Bediscussieer je antwoord onderling en met de begeleiders! Opdracht 4 Bijzondere schakeling (2) Deze schakeling hoef je niet te maken, maar het mag natuurlijk wel. Het kost wel wat meer tijd en let extra op open liggende contacten. Opdracht 4 Vraag: wat doet deze schakeling, als je of het ene stukje QTC of het andere steeds verder indrukt? Geef ook de stroomrichting in beide situaties aan. 7

8 EEN KLASSIEK MODEL VAN QTC Een model voor stroomgeleiders In de wetenschap willen we altijd proberen te begrijpen waarom iets is zoals het is of hoe iets werkt. De afwisseling van dag en nacht, de afwisseling van de seizoenen, stroomgeleiding in een metaal, de werking van ons oog, Voor veel natuurverschijnselen maken wetenschappers modellen. Een model is een (vereenvoudigde) voorstelling van de werkelijkheid, waarmee we de natuur beter proberen te begrijpen. Met een model kunnen we ook heel vaak bepaalde verschijnselen voorspellen. Het model van stroomgeleiding in een metaal ken je vast wel klassiek model van een metaal Hierboven zie je metaalatomen dicht op elkaar gestapeld. Als er een elektrische stroom door het metaal gaat, stellen we ons klassiek voor dat elektronen van het ene atoom op het andere kunnen overwippen. Met een heleboel tegelijk bewegen ze dan (voortgestuwd door bijvoorbeeld een batterij) bijvoorbeeld van links naar rechts door zo n metaalrooster (van de ene pool van een batterij naar de andere). Met een rode lijn is aangegeven hoe een elektron door het metaal beweegt. In dit model gaat er dus een elektrische stroom in horizontale richting door het metaal. Een model voor isolatoren (niet-geleiders) Plastic bestaat uit langwerpige moleculen. Hieronder zie je een model van een stukje plastic: de grijze slangetjes stellen de plasticmoleculen voor. Zoals je weet kunnen plastics geen stroom geleiden, dus het overspringen van elektronen (tussen de moleculen) komt bij plastic blijkbaar niet voor. model van plastic 8

9 Opdracht 5 Een model van QTC QTC bestaat voor een deel uit moleculen (plastic), maar voor een belangrijk deel ook uit atomen van het metaal nikkel. Die nikkelatomen zijn door het plastic heen gemengd. Opdracht 5 Teken op het antwoordblad een model voor QTC dat de volgende eigenschappen heeft: Er zitten langwerpige moleculen plastic in (die zijn al getekend). Er zitten nikkelatomen in (voorgesteld door bolletjes), Het model moet verklaren dat QTC gaat geleiden, als het (in de tekening in het midden) samengeperst wordt. NB. In dit model gaat er een elektrische stroom in verticale richting door het QTC. ONDERDEEL 2 presentatie: QUANTUMMECHANICA 9

10 ONDERDEEL 3 ONDERZOEK VAN QTC KWANTITATIEF ONDERZOEK Tot nog toe heb je QTC kwalitatief onderzocht. Hoog tijd om het onderzoek kwantitatief aan te pakken. Spanningskast Je hebt de beschikking over een spanningskast, die er uit kan zien zoals je hieronder ziet. spanningskasten Je gebruikt bij je onderzoek uitsluitend de gelijkspanning. Sensoren Verder heb je de beschikking over twee losse sensoren waarvan je hiernaast foto s ziet. Met de differential voltage sensor meet je een spanning, met de current sensor meet je een stroomsterkte. De sensoren worden op dezelfde manier geschakeld als een gewone voltmeter, resp. een gewone ampèremeter. Let dus op de polariteit (+ en -) van de meters. Het enige verschil is dat de door de sensoren gemeten waarden zichtbaar gemaakt moeten worden met een computer. De hiervoor gebruikte software is Coach6. NB Sensoren : ROOD = + aansluiting van meter ZWART = _ aansluiting van meter 10

11 ULAB Interface De sensoren worden niet rechtstreeks op een computer aangesloten. Er moet een zogenaamde interface tussen, in dit geval de ULAB (zie foto). Aan de voorkant van de ULAB kunnen maximaal vier sensoren aangesloten worden. De computer (PC of laptop) en de software zijn zo ingesteld, dat de spanningssensor in ingang 1 moet en de stroomsensor in ingang 2. Ingang 3 blijft leeg. Verderop in deze handleiding zul je zien dat op ingang 4 ook nog een krachtsensor aangesloten wordt. De computer (PC of laptop) De metingen worden gedaan binnen de meetsoftware van Coach6. Als het bijbehorende QTC-bestand is opgestart, dan is op het scherm zichtbaar wat je hieronder weergegeven ziet. Het scherm is in vier kaders verdeeld. In het kader linksboven staan wat aanwijzingen, linksonder zie je dat de ULAB al is ingesteld voor de sensoren die je vandaag gebruikt. In de andere twee kaders wordt van een serie meetpunten meteen een grafiek gemaakt. 11

12 De meetopstelling met de krachtsensor Om goed onderzoek te doen aan QTC is een stabiele meetopstelling nodig. Hiernaast zie je er een foto van. In het witte kastje zit de krachtsensor. Als er van boven af op de krachtsensor gedrukt wordt, meet de sensor (die op ingang 4 van de ULAB aangesloten moet worden) met welke kracht dat gebeurt. Als je goed kijkt zie je op het ronde plateautje een QTC-pill (van 3,6 x 3,6 mm) liggen. Het stukje QTC kan van bovenaf min of meer platgedrukt worden met behulp van een schroefmicrometer. Door voorzichtig de schroefmicrometer rechtsom te draaien wordt een steeds grotere kracht (van boven naar beneden) op het QTC uitgeoefend. De getallen op de schroefmicrometer hebben voor het QTC-onderzoek geen betekenis (met schroefmicrometers meet je heel kleine diktes, ze zijn eigenlijk niet gemaakt om QTC mee samen te persen). Als het goed is dan is het schuifblok, waarin de schroefmicrometer zit, op de juiste hoogte ingesteld. Controleer of de schroeven van het schuifblok goed vastzitten. De aansluitingen 2 Om een stroom door het QTC te kunnen sturen moet je met behulp van het speciale draadje van opdracht 1 contact maken via het gaatje in de as onder het plateautje ( 1 ). Voor de andere aansluiting gebruik je het gaatje dat zich in de zij- of bovenkant van het schuifblok van de micrometer bevindt ( 2 ). Zie de foto hiernaast. De stroom gaat dan in verticale richting door het QTC, als er een kracht op wordt uitgeoefend. 1 12

13 Voor je begint Maak, voor je verder gaat, eerst op het bureaublad van de computer een map. Geef deze map een herkenbare naam, bv. gemaakt van jullie eigen namen. Tijdens het experimenteren kun je hierin bestanden (grafieken e.d.) opslaan die je later kunt gebruiken voor analyse, presentatie, verslag e.d. Opdracht 6 De meetopstelling Opdracht 6 Teken op het antwoordblad het elektrische schakelschema van de schakeling waarin je de spanning over en de stroomsterkte door het QTC kunt meten. Teken de spanning- en stroomsensoren als gewone spanning- en stroommeters. Zet nu de meetopstelling zo in elkaar dat je met de computer deze drie grootheden kunt meten: de spanning over het QTC (spanningssensor op ingang 1 van de ULAB) de stroomsterkte door het QTC (stroomsensor op ingang 2) de kracht op het QTC uitgeoefend (krachtsensor op ingang 4). NB. De kracht wordt door de sensor als negatief weergegeven, als de sensor ingedrukt wordt. De krachtsensor geeft een positieve waarde aan de kracht, als het plateautje omhooggetrokken zou worden (dat is hier niet het geval). Als je de schakeling goed in elkaar gezet hebt, moet je kunnen zien dat in de twee meetvensters op het scherm de spanning, de stroomsterkte en de kracht af te lezen zijn (een rood kruis). Dat controleer je door de spanning of de kracht een beetje te variëren. Lukt het je niet een werkende meetopstelling in elkaar te zetten, roep dan de hulp in van een van de begeleiders. 13

14 Opdracht 7 Het verband tussen de kracht en de stroomsterkte Als eerste onderzoek je het verband tussen de kracht die op het QTC uitgeoefend wordt en de stroomsterkte door het QTC. Doe dat bij een spanning van bijvoorbeeld 4,0 V. Laat de kracht eerst (langzaam) toenemen en daarna (langzaam) weer afnemen. NB. De kracht mag absoluut niet groter worden dan 50 N! De stroomsensor heeft een bereik van 500 ma! Een meting start je binnen Coach 6 met de groene Start-knop m.b.v. de rode Stop-knop (of via Esc). (of via F9). De meting stop je Opdracht 7 Schets op het antwoordblad het resultaat. Als het goed is, heb je een bijzonder effect ontdekt: bij het vergroten van de kracht blijkt het verband tussen de kracht en de stroomsterkte anders te zijn dan wanneer de kracht kleiner wordt. Als het verband tussen twee grootheden afhangt van de richting waarin één van beide grootheden verandert, noemt men dat hysterese of een hysterese effect. Geef in de schets op het antwoordblad met twee pijlen aan in welke richting de hysterese verlopen is. Analyse, verslag, presentatie e.d. De meetgegevens van opdracht 7 en de grafiek op het scherm kun je bewaren voor later gebruik. Bv. om op school verder te verwerken via Coach6 of om als afbeelding op te nemen in een verslag. Er zijn diverse mogelijkheden: Via Bestand Opslaan als binnen Coach6 kun je de hele meting als.cmr-bestand opslaan om later weer in te lezen in Coach6. Je kopieert de grafiek (via contextmenu onder rechter muisknop) naar het klembord. Open een Worddocument met je eigen naam en plak daarin de grafieken. Noteer daarbij steeds de essentiële gegevens van de bijbehorende proef / opdracht. Sla bestanden op in je eigen map op de computer-desktop of op jouw usb-stick. Eventueel kun je het mailen aan jezelf. 14

15 ONDERDEEL 4 EIGEN ONDERZOEK of TECHNISCH ONTWERP Afhankelijk van het gekozen programma zijn er nu verschillende mogelijkheden voor verder onderzoek, een technisch ontwerp en/of een presentatie. Je hebt nu wat ervaring met het gedrag van QTC en misschien al een paar eigenaardig dingen gezien. Ook heb je wellicht al gediscussieerd over mogelijke oorzaken voor bepaalde effecten in de metingen die je tot nu toe gedaan hebt. Op grond hiervan kun je een onderzoeksvraag formuleren. Bedenk hierbij goed welke variabele je voor dat onderzoek moet kunnen instellen, welke je als afhankelijke grootheid moet meten en vooral ook welke variabelen je constant moet (kunnen) houden! Bij opdracht hieronder geven een voorbeeld van zo n nieuwe onderzoeksvraag. Maar bij opdracht 9 kun je er echt zelf een opstellen! Opdracht 8 Wet van Ohm? Een eigen onderzoeksvraag Zoals je weet bepaalt in het algemeen de spanning over een geleider de stroomsterkte door de geleider (maar bij QTC speelt blijkbaar ook de op het QTC uitgeoefende kracht een rol). Bij een stukje constantaandraad blijkt de spanning recht evenredig te zijn met de stroomsterkte. Deling van spanning en stroomsterkte levert dan altijd dezelfde uitkomst: de weerstand. Bij constantaan geldt dus de wet van Ohm. Bij een lampje blijkt de verhouding tussen spanning en stroomsterkte niet constant te zijn: bij een grotere spanning neemt de stroomsterkte wel toe, maar de verhouding van spanning en stroomsterkte (de weerstand) wordt ook groter. Oorzaak is de hogere temperatuur van de gloeidraad. Hoe zit dat bij QTC? Wat is daar het verband zijn tussen de spanning en de stroomsterkte. Dat verband ga je nu onderzoeken. Opdracht 8A Formuleer op het antwoordblad je onderzoeksvraag. Je gaat aan de slag om te proberen (een) antwoord(en) te vinden op je onderzoeksvraag. Opdracht 8B Gebruik de ruimte op het antwoordblad voor aantekeningen / schetsen / schema s / metingen / enz.. Formuleer ook je conclusie(s). 15

16 Opdracht 9 Eigen onderzoek (& onderzoeksvraag) Tijdens het uitvoeren van opdracht 7 (en eventueel opdracht 8) heb je verschillende proeven gedaan met QTC. Daarbij heb je verschillende grootheden ingesteld en gemeten. Er zijn je ongetwijfeld bijzonderheden opgevallen, die je verder kunt onderzoeken. Je wordt nu uitgedaagd zelf een onderzoeksvraag op te stellen die betrekking heeft op de fysische eigenschappen van QTC. Opdracht 9A Formuleer je onderzoeksvraag op het antwoordblad. Je gaat aan de slag om te proberen (een) antwoord(en) te vinden op je onderzoeksvraag. Opdracht 9B Gebruik het antwoordblad voor aantekeningen/schetsen/schema s/metingen/enz. Formuleer daar ook je conclusie(s). Opdracht 10 Technisch ontwerp Je hebt eigenschappen van QTC onderzocht en je hebt een paar schakelingen met QTC gemaakt waarin je kon zien hoe QTC gebruikt kan worden. Je zou een nieuw nuttig apparaat kunnen bedenken waarin QTC toegepast wordt. Het ontwerp van zo n apparaat, waarin o.a. een schakeling zit die aan bepaalde eisen voldoet, noemen we een technisch ontwerp. Een thermostaat of een dimmer voor een lamp kun je een technisch ontwerp noemen. Bedenk een (liefst origineel) technisch ontwerp met een stukje QTC. Let er op dat de bijzondere eigenschappen van QTC in het apparaat toegepast worden. Opdracht 10 Maak op het antwoordblad een schets van je technisch ontwerp en geef er een korte beschrijving bij. Zorg er ook voor dat het elektrische schakelschema in je schets zichtbaar is. 16

17 ONDERDEEL 5 PRESENTATIE of VERSLAG EINDE 17