Danmarks Fysik- og Kemilærerforening
Fysik/Kemi Undervisningsmateriale

Hvem myrdede Sir Ernest? Løs mysteriet med spektralanalyser

Af Ernest Hollweck og Johannes Almer, Science in Schools – Oversat af Anders Artmann

Introducer dine elever til akustiske og optiske spektre med et praktisk mordmysterie.

Denne samling af kriminaltekniske aktiviteter fremhæver styrken ved spektralanalyse og koblingen mellem akustiske og optiske spektre. I første aktivitet løser eleverne et mordmysterie, ved at analysere et akustisk spektrums “fingeraftryk” og identificere morderen ud fra hans vinglas.
Den anden aktivitet kræver, at eleverne undersøger det optiske spektrum ved at lave flammetest af metaller og metalforbindelser.
I den tredje aktivitet varierer eleverne spændingen over lysdioder (LEDs) for at forstå sammenhængen mellem fotoner og farvespektret. Til sidst samles alle tre aktiviteter i en afsluttende poster-præsentation.

Aktiviteterne er tilpasset elever i alderen 14 – 16 år og der benyttes almindelig tilgængeligt laboratorieudstyr eller husholdningsmidler. De tre aktiviteter og den afsluttende session kræver ikke mere end tre timer.

 

{embed:youtube:yqzgfDr9XKQ}

Figur  1: De tværfaglige aktiviteter starter med en video, før eleverne arbejder med de tre indbyrdes emner. Timerne afsluttes med poster-præsentationer.

FK4 2017 2 6
Aktivitet 1: Akustisk spektrum

Ved en stor fest i går nat, blev værten, Sir Ernest, myrdet. Nu er det op til dine elever at finde morderen ved at bruge ”fingeraftryk” af akustiske spektre.

Eftersøgningen af morderen starter med en video1 (figur 2). Sir Ernest tager imod sin første gæst – “Godt at se dig, Mr Darcy” – og de skåler med vinglas. Episoden gentager sig for to andre gæster, Mr Bennet og Mr Bingley, for hver af dem er der lyden af et specifikt glas. Da vi lavede videoen slog vi let på glassene med en hammer i stedet for at slå hvert af gæsternes glas mod Sir Ernests. Dette gav en distinkt lyd for hvert glas, uafhængigt af lyden fra Sir Ernests glas.

Næste scene er mordet, hvor Sir Ernest taler med en af de tre gæster uden at nævne hans navn. De to mænd skåler med glassene igen, før morderen trækker en kniv og dræber Sir Ernest. Denne gang er optagelsen af lyden fra både morderens og Sir Ernests vinglas.

Nu kan de unge detektiver begynde at løse mysteriet. De tre aktiviteter (A, B og C) i denne lektion kan blive tildelt forskellige grupper af elever afhængigt af deres kompetencer. Som afslutning skal hver gruppe præsentere deres resultater på en poster til klassen.

A) Sammenholdelse af akustiske spektre

I denne del af aktiviteten bruger eleverne lydprogrammer til at analysere den karakteristiske lyd fra hver gæsts glas og identificerer morderen ved at sammenligne resultaterne. De vil skulle bruge omkring 45 minutter.

Materialer
Computer med Audacity eller andet lydprogram1
Lydfiler fra mordscenen2

Fremgangsmåde
Bed eleverne om:
1.    Brug lydprogrammet til at analysere de fire lydfiler (Mr Darcys glas, Mr Bingleys glas, Mr Bennets glas og mordscenen). For hver fil skal de finde et akustisk spektrum: I et koordinatsystem afbildes frekvensen (i Hertz) i forhold til den relative lydintensitet mennesket kan høre (målt i dB(A)). Ud fra de akustiske spektre burde de kunne identificere morderens spektrum inden for spektret i mordscenen.
2.    Sammenlign spektrene (figur 3 og 4) for at bestemme morderen. Spektret af morderens glas stemmer overens med spektret fra mordscenen.
Øvrig instruktion i at anvende Audacity kan downloades fra de øvrige resurser2 (på engelsk, red.).

 FK4 2017 2 5Figur 3: Frekvensanalyse afslører de uskyldige gæster: spektret for Mr Darcy og Mr Bennets glas matcher ikke med spektret fra mordscenen. Billede: Johannes Almer
(På figuren vises Hz på x-aksen og dB på y-aksen, red.)

 FK4 2017 2 4Figur 4: Frekvensanalyse afslører at Mr Bingley er morderen. Billede: Johannes Almer
(På figuren vises Hz på x-aksen og dB på y-aksen, red.)

B) Smartphone spektrum

Ved at bruge smartphones analyserer eleverne de karakteristiske lyde af forskellige glas. Aktiviteten tager omkring 30 minutter.

Materialer

Et udvalg af forskellige glas (fx vin-, champagne-, vandglas)
Hammer (eller lignende til at slå på glassene)
Smartphone med app til frekvensanalyse3
Papir og blyant

Fremgangsmåde
Bed eleverne om at:

1.    Slå forsigtigt på de forskellige glas med hammeren. Brug appen til at optage det akustiske spektrum for hvert glas.
2.    For hver glas noteres frekvensen for de mest markante toppe i en tabel.
3.    Brug papir og blyant til at skitsere spektret (frekvens ift. amplitude) for hvert glas ud fra tabelværdierne.

Alternativt kan dine elever analysere lydoptagelsen fra videoen med mordet og tegne spektret.

C) Leg med tonehøjden

I den sidste del af aktiviteten bruger eleverne smartphones til at undersøge effekten på den tonehøjde man opnår ved at slå på glas, der har forskellig væskehøjde. De får brug for omkring 30 minutter.

Materialer
Mindst fem identiske vinglas
Hammer (eller lignende til at slå på glassene)
Smartphone med en tuner-app4
Vand
Måleglas

Fremgangsmåde
Bed eleverne om:
1.    Hæld forskellig mængde væske i hvert af glassene og noter væskemængden.
2.    Slå forsigtigt på glassene med hammeren
3.    Brug appen til at optage frekvensen af den resulterende tone.
4.    Vis resultaterne grafisk, fx ved et histogram (figur 5)

 FK4 2017 2 3Figur 5: Eksempel på histogram hvor frekvensen fra glasset falder med øget væskemængde. Billede: Johannes Almer

Aktivitet 2: Kemiske detektiver

Mr Bingley er ikke alene blevet mistænkt for mord. Hans fødevarehygiejne i hjemmet, Netherfield Hall, stilles der også spørgsmål ved!

Efter middagen tager en gæst, kaldet Mr Wickham, og drysser resten af sin kylling med lithiumklorid (LiCl). Dagen efter får han og hans kone serveret kyllingesuppe. Mr Wickham dypper et stykke magnesiumoxid i suppen og holder det derefter ind i flammen fra en alkohol-brænder. Flammen bliver rød. Hvad fortæller dette ham?

I denne aktivitet skal eleverne observere emissionslinjerne fra forskellige kationer ved at udføre en flammetest. Ved at bruge deres opdagelser skal eleverne bestemme blandingen af to stoffer. Denne aktivitet tager omkring 30 minutter.

Materialer
Hver gruppe af elever får brug for:
Bunsenbrænder
Stativ
Tænger
Magnesiastænger
Spot plade (evt. en isterningbakke, red.)
Spektrometer
Sikkerhedsbriller
5 ml 0,1 M saltsyre i en lille porcelænskål

På spot pladen skal der ligge en knivspids:
Natriumklorid (NaCl)
Kalciumkarbonat (CaCO3)
Lithiumklorid (LiCl)
Kaliumklorid (KCl)
Blanding 1: (NaCl og CaCO3)
Blanding 2: (LiCl og KCl)
Blanding 1 bør males fint i morter så eleverne ikke kan genkende stofferne. Forbered blandingen umiddelbart før timen da kalciumkarbonat let optager vand fra omgivelserne.

Fremgangsmåde
Bed eleverne om:
1)    Hold magnesiastangen ind i flammen fra bunsenbrænderen indtil farven på flammen forbliver uændret.
2)    Dyp stangen i saltsyren og bagefter i en af de kendte salte (LiCl, NaCl, KCl eller CaCO3) på pladen. Hold staven i den varmeste del af flammen. Noter farven på flammen og se på den med spektrometeret.
3)    Når farven på flammen er vendt tilbage til det normale, gentages flammetesten med et andet salt indtil alle fire salte er testet.
4)    Noter farven på flammen og spektret for hver kation (Li⁺, Na⁺, K⁺ og Ca²⁺; se figur 6)
5)    Gentag flammetesten med blanding 1 og 2. Sammenlign resultaterne med de tidligere data og identificer hvilke kationer der er til stede i de to blandinger.
6)    Overvej historien der indledte denne aktivitet. Hvad forsøgte Mr Wickham at undersøge? Hvor sandsynligt er det at han vil få pålidelige resultater uden brug af et spektrometer?

 FK4 2017 2 2Figur 6: Eleverne noterer bølgelængde og flammefarve for hver kation (Li⁺, Na⁺, K⁺ og Ca²⁺). Billede: Johannes Almer

Aktivitet 3: LED og spænding

Denne aktivitet går videre med undersøgelse af emnet om farvespektret. Eleverne bestemmer den energi, der er nødvendig for at få forskelligt farvede LED til at lyse, ved at bruge følgende formel:

energi (E) = spænding (V) x ladning (Q)

LED produceres ved samlingen mellem to halvledere, hvor den ene har et overskud af elektroner og den anden har et underskud (André & André, 2014). Når en elektrisk strøm ledes gennem samlingen vil rekombinationen af elektroner frigive energi i form af fotoner. Hver LED-farve har forskellige grænseværdier for den spænding, der skal til at frigive fotoner. Hvilket igen bestemmer hvilken farve lyset fra LEDen har. En ændring af den kemiske sammensætning af halvlederne vil dermed også ændre farven på lyset. Eleverne kan eventuelt sammenligne spektrallinjerne fra forskellige lyskilder. De vil få brug for omkring 30 minutter til at fuldføre undersøgelsen.

Materialer

Forskelligt farvede LED og eventuelt forskellige lyskilder
Strømforsyning og skydemodstand
Multimeter (eller voltmeter)
Spektrometer

Fremgangsmåde

Bed eleverne om:
1)    Opstil kredsløbet ved at sætte multimeteret parallelt over LEDen for at måle spændingen over den. Denne spænding varieres med skydemodstanden.
2)    Øg spændingen trinvis for hver LED (fx 0,05 V) indtil der er nok spænding til at LEDen lyser. Eleverne bør ikke tilføre mere end 3,5 V til kredsløbet.
3)    Brug multimeteret til at måle spændingsforskellen over LEDen. Noter hvilken minimum spænding, der er nødvendig for at få LEDen til at lyse.
4)    Brug spektrometeret til at observere og registrere spektrallinjerne for hver LED (figur 7). Sammenlign eventuelt disse med andre lyskilder (fx loftbelysningen, bunsenbrænderen)

 FK4 2017 2 1Figur 7: Eleverne tegner spektrallinjerne for hver lyskilde de observerer gennem spektrometeret. Fra venstre mod højre: loftbelysning, gul LED; blå LED, rød LED, lighter. Billede: Johannes Almer

Sikkerhed

Vi benytter en strømforsyning med strøm-begrænsning på 100mA for at undgå for stor strømstyrke igennem og skade på LEDerne. Alternativt kan LEDerne sammen med en 100 Ω modstand parallelforbindes med en rød eller orange LED.

Poster-præsentation

Opfordr dine elever til at overveje betydningen af de tre aktiviteter og sammenhængen mellem dem, når de fremlægger deres poster. Fremhæv styrken ved spektralanalyse. Akustiske spektre kan benyttes som ”fingeraftryk” (fx for vinglas) meget lig den måde linjespektre kan bruges til at identificere atomer. Læg særligt vægt på:
Ville de have været i stand til at identificere morderen hvis han havde drukket af sit glas, efter han havde skålet med Sir Ernest?
Hvorfor vil volumen af vandet i glasset ændre dets tone?
Forklar hvordan man ved at bruge to forskellige spektre kan identificere et glas med en højere tone.
Hvad testede Mr Wickham med kyllingen i Netherfield Hall og hvorfor?
Hvordan er emissionslinjerne relateret til de pågældende atomers energiniveau?
Hvad er sammenhængen mellem spænding og farven på lyset fra en LED?

Denne artikel er baseret på et projekt der blev præsenteret på festivalen German Science on Stage i 2016. Science on Stage5 er netværket for European science, technology, engineering and mathematics (STEM) undervisere, der blev startet I 1999 af EIROforum, udgiveren af Science in Schools. Non-profit foreningen Science on Stage samler naturfagslærere fra Europa for at de kan udveksle ideer og best practice med entusiastiske kollegaer fra 25 lande.


Kilder

André MRASF, André PSB (2014), http://www.scienceinschool.org/2014/issue28/planck

Noter
1: http://www.audacityteam.org/
2: Introduktionsvideoen er tilgængelig på youtube: her…. Lydfiler, arbejdsark og andre materialer er tilgængelig (på engelsk) under ”Additional materials” på den originale hjemmeside: her….
3: Mulige app til frekvensanalyse er fx:
–    Android Spectral Audio (download fra Google Play)
–    Apple iOS SpectrumView (download fra Apple App store)
–    (Prøv fx Spectroid fra Google Play, red.)
4: Mulige gratis apps er fx:
–    Android DaTuner (lite) (download fra Google Play)
–    Apple iOS Soundcorset (download fra Apple App store)
5: Se Science on Stage hjemmeside: her…

Øvrigt materiale
Læs mere om hvordan spektre var opdaget og hvordan forskellige spektre kan benyttes til at identificere sammensætningen af stjerner på hjemmesiden her….
Find instruktioner om hvordan man bygger sit eget spektrometer: her….
Eksempler på hvordan spektralanalyse benyttes i den virkelige verden, yderligere arbejdsark om Fraunhofer og ChemCam på Mars Curiosity Rover kan findes på forfatternes hjemmeside: her….

Om forfatterne
Ernst Hollweck og Johannes Almer er undervisere ved Ludwig-Thorma-Gymnasium ved Prien am Chiemsee i Bavaria, Tyskland. Ernst underviser i kemi og biologi, og Johannes underviser i matematik og fysik. De er begge medlemmer af den tyske delegation af den internationale festival Science on Stage, der afholdes i Debrecen, Ungarn, i år. Ernst og Johannes skriver også jævnligt artikler til videnskabelige tidsskrifter og magasiner.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.