Zespół Laboratoriów Dydaktycznych

 

Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki Stosowanej

Politechnika Krakowska

 

Rola zajęć laboratoryjnych w procesie kształcenia inżynierów

 

Standardy nauczania na kierunku studiów fizyka techniczna i informatyka, prowadzonych dla Wydziału Fizyki, Matematyki i Informatyki Stosowanej (WFMiIS), przewidują znaczący udział zajęć w formie laboratorium. Zajęcia laboratoryjne (praktyczne) stanowią niezwykle cenny wkład do kształcenia politechnicznego przyszłych inżynierów. Warto podkreślić, że fizyka i informatyka dla inżynierów, podobnie jak i matematyka, stanowią kanon przedmiotów uznawanych za podstawowe w standardach kształcenia na większości kierunków studiów, prowadzonych przez poszczególne wydziały Politechniki Krakowskiej. Zatem, Instytut Fizyki ma ogromny i trudny do przecenienia wkład w procesie kształcenia na całej Uczelni.

 

Instytut Fizyki prowadzi zajęcia dla WFMiIS z podstaw fizyki ogólnej, mechaniki, elektroniki, teorii obwodów elektrycznych, układów i systemów elektronicznych, teorii pola elektromagnetycznego, teorii fal i drgań, mechaniki płynów, zjawisk mikroskopowych, fizyki atomowej, optyki kwantowej, fizyki fazy skondensowanej, fizyki statystycznej i termodynamiki, metod opracowywania pomiarów w fizyce i technice. To oczywiście nie stanowi pełnego wykazu nauczanych przedmiotów, ale pokazuje różnorodność i wszechstronność w kształceniu oraz pokazuje wagę, jaką Instytut Fizyki przykłada do kształcenia nie tylko w zakresie teorii, ale również i pod kątem umiejętności praktycznego wykorzystania wiedzy przez przyszłych magistrów inżynierów w ich dalszej karierze zawodowej w różnych sektorach przemysłu opartego na nowych technologiach, pomiarach i kontroli jakości.

 

 Niezbędnym elementem uzupełniającym wykładów i ćwiczeń rachunkowych prowadzonych z takich przedmiotów, są również zajęcia laboratoryjne. Uczą one samodzielności i wykorzystania wiedzy w praktyce. W ramach zajęć laboratoryjnych studenci wykonują ćwiczenia praktyczne w zespołach dwu lub trzyosobowych pod kierunkiem prowadzącego. Są to ćwiczenia z wykorzystaniem specjalnych zestawów aparaturowych, które uwzględniają komputerowe metody opracowania wyników pomiarów lub nawet komputerowe wspomaganie. Podczas takich zajęć studenci mają za zadanie przygotowanie swojego stanowiska pomiarowego, wykonanie pomiarów, opracowanie wyników i przygotowanie raportu w formie pisemnego sprawozdania.

 

Pracownie aparaturowe Instytutu Fizyki

 

Nasze pracownie są pogrupowane pod względem tematycznym i stopnia zaawansowania wykorzystywanej aparatury

 

 

 

Laboratorium Fizyczne I

 

Laboratorium Fizyczne I obejmuje podstawowy zakres ćwiczeń laboratoryjnych. Zapoznają one studentów z podstawami pomiarów w fizyce, technikami miernictwa, zasadami określania niepewności pomiarowych. Studenci mają do dyspozycji podstawowe przyrządy i nabierają umiejętności posługiwania się nimi w pomiarach bezpośrednich i pośrednich. Poprzez wykonywanie pomiarów, poznają praktyczne znaczenie zjawisk i praw fizycznych. Wiele zestawów aparaturowych jest prostych koncepcyjnie, niemniej jednak pozwalają na dokonywanie pomiarów właściwości materiałowych z dużą dokładnością. Jest to możliwe, dzięki umiejętnemu wykorzystaniu pewnych zjawisk i praw fizycznych. Zajęcia laboratoryjne w ramach Laboratorium Fizycznego I pokazują różnorodność metod pomiarowych i wpływ zastosowanych metod i klasy przyrządów na dokładność takich pomiarów. Studenci przekonują się, że ich pomiary nie ustępują jakością współczynnikom materiałowym dostępnym do porównań i wykonanym już profesjonalnie. Przykładem takich pomiarów materiałowych są pomiary gęstości rozmaitych materiałów w różnorodnej postaci i formie, modułów sprężystości drutów i prętów wykonanych z różnych materiałów, współczynników przewodnictwa cieplnego przykładowych próbek materiałów, oporów elektrycznych rozmaitych materiałów (metale, półprzewodniki) w zależności od temperatury, badanie charakterystyk układów półprzewodnikowych (tranzystor, przerwa energetyczna), właściwości dielektryków. Wiele z tych zestawów aparaturowych pozwala na zaadaptowanie ich do pomiarów właściwości dostarczonych materiałów.

Inna grupa przyrządów i aparatury pozwala na badania naprężeń (metodą tensometru oporowego) pojawiających się w materiałach pod wpływem obciążeń statycznych. Z kolei ćwiczenie oparte na hallotronie pozwala na pomiary indukcji pola magnetycznego z duża dokładnością. Dysponujemy ćwiczeniem, w którym określa się rozkład pola elektrycznego w pobliżu elektrod o rozmaitym kształcie. Ciekawe pomiary zapewniają przyrządy z zakresu optyki geometrycznej i falowej. Można przy ich użyciu badać wielkości fotometryczne (natężenie oświetlenia), polaryzację światła, i stopień skręcenia tej polaryzacji przez substancje optycznie czynne, określać współczynniki załamania, określać rozmiar niewielkich szczelin z wykorzystaniem światła laserowego (dysponujemy laserem gazowym He-Ne oraz półprzewodnikowym). Studenci uczą się identyfikować gazy poprzez analizę ich widma w pomiarach przy użyciu spektrometru. Metody analizy spektralnej są niezwykle ciekawe z punktu widzenia zastosowań technicznych. Inne ciekawe zestawy obejmują fotokomórkę, i inne fotoelementy do rejestracji światła. Pozwalają one dzięki czułym miernikom prądu (prądy rzędu mikroamperów) i stabilizowanym zasilaczom dokonywać pomiarów stałej Plancka (podstawowej stałej z punktu widzenia zastosowań we współczesnych technologiach opartych na własnościach materiałów wykorzystujących kwantowe własności materii).

Pełny wykaz ćwiczeń (zlokalizowanych w dwóch pracowniach, każda obejmuje około 40 różnych zestawów aparaturowych) wraz z opisem wykorzystywanej aparatury i metod pomiarowych można znaleźć w najnowszym wydaniu skryptu dla studentów.

Część nowoczesnej aparatury do zestawów aparaturowych (min. mierniki uniwersalne wysokiej klasy, generator funkcji, fotokomórkę o odpowiednich parametrach, termoregulator i inne elementy do nowych piecyków termicznych) zakupiliśmy dla potrzeb tego laboratorium w roku akademickim 2005/2006.

Laboratorium to pozwala nie tylko na własnoręczne wykonanie pomiarów wielkości użytecznych dla przyszłego inżyniera, ale także na umożliwia kontakt z nowoczesną aparaturą i zapoznanie się ze nowoczesnymi trendami w metodach pomiarowych i diagnostycznych w praktyce inżynierskiej.

 

 

Laboratorium Fizyczne II

 

W ramach zajęć na Laboratorium Fizycznym II wykonuje się bardziej zaawansowane koncepcyjnie i aparaturowo ćwiczenia niż na Laboratorium Fizycznym I. Studenci mają do dyspozycji wyspecjalizowaną aparaturę, która umożliwia pomiary prędkości światła, elektrycznego ładunku elementarnego, analizę efektu Comptona. Na naszych zestawach aparaturowych studenci badają zjawisko Zeemana i elektrooptyczny efekt Kerra, które są wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki. Dysponujemy niezwykle ciekawym zestawem do pomiarów widma rentgenowskiego i absorpcji promieniowania X, w którym dane pomiarowe są rejestrowane przez komputerowy układ pomiarowy. Mamy komputerowy układ pomiarowy, w którym można badać zjawisko elektronowego rezonansu paramagnetycznego i jądrowego rezonansu magnetycznego dla wybranych próbek substancji. Są to niezwykle wartościowe zestawy z punktu widzenia edukacyjnego i możliwości zastosowań w technice i diagnostyce medycznej. W ramach ćwiczeń prowadzimy pomiary widm fotoluminescencyjnych i absorpcyjnych rozmaitych substancji. Posiadamy zestawy do pomiarów spektrofotometrycznych (spektrometr PC 2000 wraz z zintegrowaną sferą odbiciową ISP-REF). Dzięki tej aparaturze można prowadzić badania kolorów i kalibrację barw emitowanego światła. Z praktycznego punktu widzenia ma to ogromne znaczenie dla procesów, w których niezbędna jest np. kontrola jakości produktu. Można także poprzez badania światła rozproszonego określać stopień gładkości powierzchni czy też rozmiary drobin proszków i granul. Niezwykle interesująco i nowocześnie prezentują się nasze zestawy pozwalające na badanie irradiacji oraz parametrów optycznych i geometrycznych cienkich warstw (np. powłok polimerowych).

Pracownia ta wprowadza studentów we współczesny świat fizyki, poprzez ukazanie obszarów jej najnowocześniejszych zastosowań.

 

 

Pracownia Specjalistyczna Fizyczna

 

Pracowania ta wchodzi w skład Laboratorium Badań Materiałowych i została uruchomiona w semestrze letnim roku akademickiego 2005/2006. Jest to najbardziej zaawansowana spośród naszych pracowni fizycznych pod względem aparatury i technik pomiarowych.

Pracownia ta umożliwia prowadzenie badania podatności zmiennoprądowej magnetyków pod ciśnieniem hydrostatycznym wybranych związków. Bada się przejścia fazowe i zmianę właściwości materiałów (podatność, namagnesowanie, ciepło właściwe) w funkcji ciśnienia i temperatury. W pracowni znajduje się bogato wyposażone stanowisko z zakresu chemii związków organicznych, które pozwala na wytwarzanie rozmaitych struktur cienkich warstw polimerowych. Takie warstwy mają niezwykle ciekawe własności fotoluminescencyjne i wykorzystuje się je do budowy ogniw fotowoltaicznych oraz świecących organicznych diod elektroluminescencyjnych. To są materiały przyszłości, których potencjał technologiczny jest nadal niewykorzystany w pełni. W tej pracowni istnieje możliwość tworzenia cienkich warstw o zadanej grubości w warunkach specjalnej atmosfery lub wysokiej próżni. Aparatura pozwala na diagnostykę tak wytworzonych warstw i pomiary ich własności optycznych (luminescencyjnych). Niezwykle atrakcyjnie z punktu widzenia technologicznego przedstawia się zestaw do przygotowywania i uzyskiwania bardzo wysokiej próżni. Przygotowanie próżni jest niezwykle skomplikowanych zadaniem. W ramach tego ćwiczenia, dzięki min. pompie dyfuzyjnej i specjalnym metodom pomiarów ciśnienia gazów resztkowych, można sporządzić zależność ciśnienia od czasu aż do momentu uzyskania próżni końcowej. Sondy pomiarowe termoelektryczna i jonizacyjna wraz z odpowiednimi miernikami umożliwiają precyzyjne wykonanie tych pomiarów. W ramach Pracowni Specjalistycznej prowadzimy również ćwiczenia z mikroskopii optycznej. Dzięki wykorzystaniu mikroskopu interferencyjnego z kontrastem fazowym i ze zmiennym rozdwojeniem obrazu można prowadzić ciekawe badania makroobiektów w świetle białym, monochromatycznym i spolaryzowanym. Stanowi to niezwykle uniwersalne narzędzie, które umożliwia wiele ciekawych zastosowań w diagnostyce, kontroli jakości.

 

 

Pracownia Elektroniczna

 

Pracownia Elektroniczna umożliwia studentom zapoznanie się z najnowszymi osiągnięciami nauki oraz z możliwościami pracy na stanowiskach naukowych. Studenci przekonują się na czym polega powiązanie badań podstawowych w dziedzinie fizyki i wykorzystanie ich owoców w nowoczesnej technice elektronicznej i komputerowej (przykładem może być tranzystor skonstruowany w 1947, za co przyznano Nagrodę Nobla z Fizyki w 1956; o współczesnej roli tanzystora – elementu niemal wszystkich urządzeń powszechnego użytku - nie trzeba już chyba nikogo przekonywać).

Pracownia ta została również niedawno temu utworzona i wyposażona. Jest wyposażona w nowoczesną aparaturę wysokiej klasy, każde ćwiczenie jest szczegółowo i przejrzyście opisane w formie instrukcji dla studentów. Pracownia Elektroniczna swoją działalność w pełni rozpoczęła w roku akademickim 2005/2006. Dysponujemy zestawami do precyzyjnych pomiarów charakterystyk różnych typów tranzystorów (złączowe, polowe) i lamp elektronowych. Określania parametrów i badania podstawowych elementów i układów elektronicznych (filtry dolno-, górnoprzepustowe, wzmacniacze operacyjne, układy RLC,

 źródła napięciowe i prądowe). Do tego celu służą liczne generatory funkcji, uniwersalne mierniki, oscyloskopy analogowe i cyfrowe. Pracownia ta umożliwia studentom zapoznanie się z podstawami elektroniki, z nowoczesną aparaturą pomiarową oraz wykorzystaniem elementów i układów w nowoczesnych zastosowaniach (budowa wzmacniaczy itp.). Szczególnie interesujące są ćwiczenia wprowadzające studentów w zagadnienia współczesnej telekomunikacji i podstawy optoelektroniki.

 

 

Pracownia Miernictwa

 

Pracownia uczy wykorzystania komputerów we współczesnej technice pomiarowej. Dysponujemy zestawami umożliwiającymi programowanie procesu pomiarowego i jego sterowaniem w środowisku LabVIEW. Stanowi to doskonałe przygotowanie studentów do wymagań współczesnych zautomatyzowanych linii technologicznych. Dysponujemy zestawem pomiarowym do akwizycji ogromnej ilości danych i do ich analizy. Ogromna ilość informacji we współczesnych systemach wymaga umiejętności komputerowego opracowywania tej informacji w czasie rzeczywistym. Mamy układ doświadczalny, który uczy podstaw sterowania procesem technologicznym na przykładzie regulacji temperatury poprzez interfejs komputerowy. Mamy bardzo ciekawy układ doświadczalny, który pokazuje istotę przetworników analogowo-cyfrowych.

 

 

Pracownia Komputerowa

 

Pracownia jest w trakcie reorganizacji. Ma zawierać siedem zestawów komputerowych. Będą przeznaczone na potrzeby Koła Naukowego Fizyków oraz zajęcia z fizycznych podstaw modelowania komputerowego w fizyce i technice (metody numeryczne, wizualizacja). Planowane zajęcia będą szczególnie przydatne dla kierunku fizyka techniczna o specjalności modelowanie komputerowe.

 

 

Podsumowanie

 

W Instytucie Fizyki mamy do dyspozycji kilka pracowni obejmujących tematycznie zakres zagadnień wykładanych z fizyki, techniki i współczesnych (nowych) technologii oraz technik pomiarowych w fizyce doświadczalnej oraz technice. Niektóre zestawy aparaturowe, którymi dysponujemy są bardzo wysokiej klasy, a niektóre z nich unikatowe w skali uczelni Krakowa i całej Polski. Wynika to z tego, że oryginalne badania naukowe prowadzone przez pracowników naszego Instytutu są powiązane z działalnością dydaktyczną na kierunku fizyka techniczna. Pracownicy Instytutu Fizyki wykonują często ekspertyzy naukowe i badania zlecane przez zakłady przemysłowe. Świadczy to o ustalonej renomie, jaką cieszy się nasz Instytut w zakresie badań interesujących dla przemysłu. Warto też dodać, że specjalistyczna aparatura, którą dysponujemy, służy naszym studentom do wykonywania ciekawych i oryginalnych prac dyplomowych na stopień magistra inżyniera. Zatem zasoby naszej wiedzy i aparatury umożliwiają właściwe powiązanie procesu dydaktyczno-badawczego z etapem wdrażania do produkcji przemysłowej. Chcielibyśmy dalej rozwijać nasze kontakty z przemysłem poprzez udział w kształceniu przyszłych kadr oraz prace w zakresie badawczo-rozwojowym.

 

(RG 23/10/2006)