Title An investigation of conceptual understanding of atomic spectra among university students Title (croatian) Istraživanje konceptualnog razumijevanja atomskih spektara kod studenata Author Lana Ivanjek Mentor Damir Veža (mentor)Mentor Lillian C. McDermott (komentor) Committee member Antonije Dulčić (predsjednik povjerenstva)Committee member Mirko Planinić (član povjerenstva)Committee member Damir Veža (član povjerenstva)Committee member Lillian C. McDermott (član povjerenstva) Committee member Hrvoje Buljan (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2012-04-27, Croatia Scientific / art field, NATURAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 53 - Physics Abstract This dissertation describes an investigation on conceptual understanding of discrete line spectra that was conducted among more than 1000 science majors at a Croatian and at an American university. Some serious conceptual and reasoning difficulties were indentified. Students often could not relate spectral lines to transitions between atomic energy levels, nor did many recognize the experimental conditions necessary for the observation of line spectra. Results from the research guided the design and assessment of curriculum. The tutorial that was developed to help students understand the relationship between energy levels and atomic spectra proved effective. Significant progress was also made on research-based instructional materials related to the experimental apparatus. The investigation of student conceptual understanding was complemented by supplementary research that focused on the properties of plasma that are related to atomic processes. A determination of the parameters of mercury-indium plasma, which involved the application of experimental atomic spectroscopy methods, was an outcome of the experiments.
Abstract (croatian) Spektroskopija ima ključnu ulogu u modernoj fizici. Kroz povijest je opažanje diskretnih spektara dovelo do razvoja ideje o kvantizaciji energijskih nivoa u atomu i doprinijelo razvoju kvantne fizike. Danas se osnovni pojmovi vezani uz spektre uče već u srednjoj školi, kao i na uvodnim i specijaliziranim kolegijima iz fizike na fakultetima. Elektromagnetski spektri i priroda svjetlosti smatraju se najčešće poučavanom i najbitnijom temom na kolegijima iz osnova astronomije i astrofizike. Ovaj rad izvještava o istraživanju studentskog razumijevanja atomskih spektara. Istraživanje je provedeno na dva sveučilišta: na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu i na University of Washington, Seattle, USA. Cilj istraživanja bio je provjeriti koliko dobro studenti nakon klasičnih predavanja razviju funkcionalno razumijevanje spektara. U istraživanjeu je sudjelovalo više od 1000 studenata. Na sveučilištu u Zagrebu populacija je uključivala studente druge i četvrte godine studija fizike. Na University of Washington populacija je uključivala studente na trećem dijelu uvodnog kolegija iz fizike. Jedan manji dio tih studenata bio je uključen u poseban „honors“ dio kolegija iz fizike, namijenjen najboljim studentima. Uz identifikaciju i analizu specifičnih studentskih poteškoća, ovaj rad opisuje i proces razvoja, primjene i evaluacije nastavnih materijala i strategija koje mogu pomoći u razrješavanju uočenih studentskih poteškoća. Studentske su poteškoće podijeljene u dvije velike grupe, koje se djelomično preklapaju: (A) poteškoće u povezivanju disketnih spektara, energijskih nivoa i prijelaza (B) poteškoće u razumijevanju uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog postava u opažanju spektara. Istraživanje studentskog razumijevanja atomskih spektara upotpunjeno je dodatnim laboratorijskim istraživanjem visokotlačnog izboja žive i indija. Taj dio rada daje primjer primjene klasičnih spektroskopskih metoda u istraživanju parametara visokotlačnog izboja – temperature, gustoće neutralnih čestica u plazmi i tlaka. Parametri visokotlačnog izboja žive i indija određeni su istraživanjem oblika i širine spektralnih linija žive u vidljivom i bliskom infracrvenom dijelu spektra. Istraživanje studentskog razumijevanja atomskih spektara zahtijeva dublje razumijevanje atomskih procesa odgovornih za nastanak atomskih spektara, kao i praktično iskustvo u radu s eksperimentalnim postavom za emisijsku spektroskopiju. Teorijski okvir i eksperimentalne metode laboratorijskog dijela istraživanja učvrstili su bazu za pitanja razvijena u svrhu istraživanja studentskog razumijevanja spektara. Elektromagnetski spektar u nastavi se uobičajeno uvodi na uvodnim kolegijima fizike nakon što su studenti obradili teme iz fizikalne optike. Studenti tada trebaju proći put od razumijevanjavjetlosti kao elektromagnetskog vala do razvoja konceptualnog modela u kojem se svjetlost sastoji od fotona s diskretnim vrijednostima energije. Tijekom nastave studenti obično prvo vide demonstracijski pokus pri kojem bijela svjetlost upada na prizmu ili optičku rešetku, te kao rezultat daje kontinuirani spektar bijele svjetlosti na zastoru. Studentima se također prikaže i diskretni spektar žive ili vodika. Uvođenjem Balmerove, Lymanove i Pashenove serije studentima se objašnjava kako nastaje linijski spektar vodika. Uvodi se ideja da atomi u izvoru svjetlosti imaju samo diskretne, kvantizirane energijske nivoe i da je emitirana svjetlost rezultat prijelaza elektrona između dvaju energijskih nivoa. Svaki atom sadrži svoj jedinstveni skup energijskih nivoa, koji rezultira njegovim karakterističnim emisijskim spektrom. Tijekom uvođenja pojma spektra, nastavnici pretpostavljaju da su studenti upoznati s konceptima potrebnim za daljnje razumijevanje spektara i da ih razumiju. To uključuje: (1) svjetlost ima valna svojstva i svaka boja svjetlosti ima svoju specifičnu valnu duljinu i frekvenciju (2) svjetlost se prolazeći kroz prizmu lomi pod različitim kutovima, ovisno o valnoj duljini, a ako prolazi kroz optičku rešetku dolazi do interferencije svjetlosti (3) svjetlost se sastoji od fotona, gdje svaki foton sadrži energiju Ef= hc/λ (4) linijski spektar nastaje emisijom fotona pri prijelazu elektrona s jednog energijskog nivoa na drugi (ΔE = E2 – E1, gdje je ΔE = Ef)
Keywords
atomic spectra
conceptual understanding
Keywords (croatian)
atomski spektri
konceptualno razumijevanje
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:217:780646 Study programme Title: Physics Type of resource Text Extent 251 str. File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2017-08-23 10:24:58
