45

Projekt:

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0011

Didaktický materiál

Kurz: Autor:

Aplikovaná fyzika Ing. Darina Jašíková, Ph.D. – Mgr.Tomáš Jerje

TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Ing. Darina Jašíková, Ph.D. – Mgr.Tomáš Jerje: Aplikovaná fyzika

Základní vlastnosti tekutin A

strana 1

6. ročník ZŠ

A 90 min.

I.-XII. Prostředí Fyzikální učebna Hlavní myšlenka lekce Ověřit základní vlastnosti kapalin a plynů, najít vlastnosti společné a naopak odlišné. Umět jednotlivé vlastnosti demonstrovat vhodným a dostupným pokusem.

Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní poznatky z prvouky a přírodovědy (voda, vzduch).

Zásadní otázka/y lekce Jak závisí rychlost molekul látky na teplotě? Jak se mění objem tekutin v závislosti na jejich teplotě? Příprava lekce - Pracovní list, ideálně dva odměrné válce 250 ml, inkoust nebo potravinářské barvivo - PET láhev, nafukovací balónek - lavůrek (větší nádoba), plechovka od limonády, kahan

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 2

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci zjistí náplň lekce, žáci si vybaví vědomosti o vlastnostech kapalin a plynů, které znají, vymýšlejí další a přemýšlí nad jejich důkazem pomoci pokusů. 15 min. Pomůcky Pracovní list Základní vlastnosti tekutin A, tabule, fixy

1. Učitel na obrázku ukáže vodní plochu, mraky a poloprázdnou láhev minerální vody. Zeptá se, jestli žáky napadá, jakého tématu se obrázky týkají. Žáci by měli dospět k odpovědím: voda, vzduch, plyn, kapalina, tekutina, … 2. Žáci dostanou pracovní list, kde se věnují prvnímu úkolu, kterým je tvorba myšlenkové mapy na téma voda a plyn. Poté chodí před tabuli, kde se snaží napsat co nejvíce asociací k pojmu voda a plyn. 3. Učitel předvede nezapomenutelný vstup do světa bádání. Praskne nafouknutý balónek z části naplněný vodou před žáky. Tento pokus dokazuje spoustu věcí, nicméně zvukový, optický i prožitkový vjem má v paměti žácích zanechat dlouhou stopu. 4. Učitel se ptá, co žáci viděli, proč se tak stalo, jestli již něco podobného znají ze života a aktivuje u nich touhu po zjišťování a hledání odpovědí na otázky týkající se vlastností kapalin a plynů.



strana 3

2) Evokace 1.

Cíl aktivity Žáci vymýšlejí otázky týkající se vlastností kapalin a plynů z běžného života. Hledají a formulují možné hypotézy. Hledají postupy, kterými by své hypotézy potvrdili nebo naopak vyvrátili. Navrhují ověřovací experimenty k jednotlivým vlastnostem tekutin. 15 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list Základní vlastnosti tekutin A

Žáci společně diskutují o tom, zda již nějaké pokusy s kapalinou nebo plynem viděli. Popřípadě nějaký pokus již sami prováděli.

2. Žáci vymýšlejí otázky týkající se vlastností kapalin a plynů z běžného života, učitel žáky koriguje a snaží se je navést k vytvoření výzkumných otázek, které napíše na tabuli. Ty se týkají základních vlastností tekutin, mezi které patří rychlost částic (molekul)v tekutině vzhledem k její teplotě, změna objemu tekutina při změně teploty. 3. Žáci se snaží přijít na důvod, proč je na obrázku v pracovním listě znázorněn lékařský teploměr 4. Žáci si výzkumné otázky zapíší do pracovního listu a snaží se stanovit hypotézy týkající se výzkumných otázek. 5. Poté společnými silami hledají postupy, kterými by hypotézy potvrdili nebo vyvrátili. Žáci diskutují o vhodnosti/nevhodnosti jednotlivých nápadů, jak pokusy realizovat. Učitel opět musí korigovat a usměrňovat nápady žáků z hlediska nejen správnosti, ale i z hlediska možnosti provedení v podmínkách, kterými škola disponuje.



strana 4

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci provedou jednotlivé pokusy, které povedou k objasnění fyzikálního jevu a potvrdí nebo vyvrátí svou hypotézu, kterou si před pokusem stanovili. 45 min. Pomůcky Pracovní list Základní vlastnosti tekutin A, ideálně dva odměrné válce 250 ml inkoust nebo potravinářské barvivo, PET láhev s víčkem s malou dírkou, nafukovací balónek, lavůrek (větší nádoba), plechovka od limonády, kahan, lihové indikační teploměry

1. Žáci do jednoho odměrného válce nalijí po horní okraj studenou vodu, do druhého horkou vodu ohřátou v rychlovarné konvici na cca 60 oC, aby v případě převržení válce nedošlo k opaření (přesto pracují žáci s velkou opatrností a pod stálým dohledem učitele). Současně do obou odměrných válců kápnou inkoust nebo vhodí špetku potravinářského barviva a sledují, jak vlivem Brownova pohybu částic ve vodě dochází k difúzi barviva, která je mnohem rychlejší v teplé vodě. 2. Žáci nasadí na hrdlo PET láhve nafukovací balónek tak, aby byl svěšený k láhvi. PET láhev začnou nad umyvadlem opatrně polévat horkou vodou (cca. 60 oC, poté dochází k její deformaci) a sledují, co se děje s nafukovacím balónkem. 3. Do velké nádoby nalijeme studenou vodu. Výška hladiny by měla být podobná, jako je výška plechovky. Plechovku v chemických kleštích zahříváme dostatečně dlouho nad plamenem kahanu, aby se vzduch uvnitř plechovky dostatečně ohřál. Poté rychle ponoříme plechovku do nádoby s vodou tak, že vrchní část plechovky s dírou jde pod vodu jako první. Žáci sledují, co se s plechovkou stalo. 4. Žáci opatrně v dlaních zahřívají lihový indikační teploměr a sledují, co se děje se sloupcem lihu v kapiláře. Poté nechají teploměr chladnout s opět sledují, co se děje se sloupcem. 5. Učitel pomalu zahřívá 500 ml PET láhev plnou vody uzavřenou víčkem s malou dírkou. Žáci sledují, co se děje s vodou v láhvi.



strana 5

4) Reflexe

Cíl aktivity Žáci zhodnotí úspěšnost jednotlivých pokusů, odprezentují své výsledky verbálně i písemným popisem, potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, zhodnotí badatelský postup. 15 min. Pomůcky Pracovní list Základní vlastnosti tekutin A

1. Žáci společně odpovědí na výzkumné otázky stanovené na začátku lekce. Ve svých odpovědích se střídají a případně se doplňují. Diskuzi řídí a koriguje vyučující. 2. Žáci nejprve ústně potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, které si stanovili a následně experimentálně ověřili. Učitel by měl zmínit, že za chybnou hypotézu se netřeba stydět, naopak zdůraznit, jak je důležité pokusu k ověření skutečností a že to je právě cílem společného bádání. 3. Učitel žáky vyzve k verbálnímu popisu provedení pokusu a vyhodnocení svých výsledků. Žáci si zjištěné poznatky pečlivě a srozumitelně poznamenají do pracovního listu. 4. Reflexe badatelského postupu – žáci diskutují, co bylo obtížné, kde nastaly problémy, nebo naopak s čím nebyl problém a bylo snadné. Zda by se daly pokusy obměnit, případně provést lépe, zajímavěji, případně na co si dát při jeho předvedení např. rodičům pozor. 5. Žáci dále v diskuzi hledají odpovědi na otázky, kde se zkoumané fyzikální jevy objevují ve skutečném životě žáků, zda žáky nějaký experiment překvapil a proč.



strana 6

5) Problémový výklad Brownův pohyb jako základ difúze V roce 1827 pozoroval skotský botanik Robert Brown chování pilových zrnek na talířku s vodou. Zpozoroval, že když pilové zrnko dopadlo na hladinu s vodou, začalo se trhavě a chaoticky pohybovat. Vysvětlení nebylo s tehdejšími poznatky možné. Až v roce 1905 Albert Einstein přišel s vysvětlením. Částice se skládají z jednotlivých atomů, případně atomů spojených do molekul. Částice v kapalinách a plynech nejsou mezi sebou spojeny vazbami a neustále chaoticky kmitají. Říkáme, že se jedná o ustavičný neuspořádaný Brownův pohyb. Do pylového zrnka narážejí molekuly vody a zrnko uvádějí do pohybu. Zdroj obrázku: http://cs.wikipedia.org/wiki/Robert_Brown#/media/File:Robert_Brown_%28botanist%29.jpg

Rychlost Brownova pohybu částic závisí na jeho teplotě následovně. S rostoucí teplotou roste energie jednotlivých částic, která se projeví zvýšením kinetické (pohybové) energie, tedy zvětšením rychlosti neuspořádaného pohybu. Dnes již víme, že Brownův pohyb je základním kamenem pro vysvětlení jevu zvaného difůze. Jedná se o samovolné pronikání částic jedné látky do látky druhé, která má stejné skupenství. Všechny látky se snaží přecházet z prostředí vyšší koncentrace do prostředí s nižší koncentrací rozpouštěné látky. Výsledkem toho je, že se rozpouštěná látka rovnoměrně rozptýlí do celého objemu rozpouštědla (v celém objemu je stejná koncentrace rozpouštěné látky). Říkáme, že látky takto difundují. Látky difundují tím rychleji, čím je rychlejší Brownův pohyb částic, tedy čím je vyšší teplota látek. Difúze probíhá v kapalných a plynných látkách. Protože objemová hustota částic v plynu je výrazně menší než ve stejném objemu kapalné látky, pohybují se částice v plynné látce rychleji, tudíž difúze probíhá rychleji. To je důvod, proč se barvivo v kapalné látce roznese pomaleji, než vůně v místnosti.



strana 7

Změna objemu tekutin na teplotě Kapaliny a plyny jsou složeny z částic, které kmitají neuspořádaným pohybem, který se nazývá Brownův pohyb částic. Již z předchozího povídání víme, že s rostoucí teplotou dochází k urychlování a zvýšení rychlostí kmitání jednotlivých částic látky. Tím pádem roste kinetická energie částic. Pokud narazí tyto částice na stěnu nádoby, vyvine se deformační síla, která se snaží tlačit na stěny nádoby a nutí zvětšit objem nádoby. Pokud se zvětšení nedaří, pak dochází k nárůstu tlaku v uzavřené nádobě a říkáme, že zde vzniká přetlak. Budeme-li uvažovat dokonale pružnou nádobu, pak se tlak zachová, ale rozměry nádoby se budou muset zvětšit. Dojde tedy ke zvětšení objemu nádoby. Mluvíme o teplotní roztažnosti kapalin a plynů. Tento děj popisuje Gay - Lussacův zákon, který říká, že při konstantním tlaku a konstantním látkovém množství je objem systému přímo úměrný teplotě.

V = konst. T

Opačný jev nastane v případě, že se látka bude ochlazovat. V pevné nádobě se tlak zmenší a vytvoří se v ní podtlak. V pružné nádobě dojde ke zmenšení jejího objemu. Teplotní roztažnost plynů je mnohem větší než roztažnost kapalin. Je to dáno. Zajímavost: Výše popsané platí pro většinu látek. Důležitou výjimkou v kapalinách tvoří voda v teplotním intervalu 0 – 3,98 °C, v němž se s rostoucí teplotou objem vody zmenšuje. Tento jev je označován jako anomálie vody.

Z historie: Na začátku 17. století využil profesor univerzity v Itálii Galileo Galilei tepelné roztažnosti vzduchu k měření teploty. Vzduchový termoskop, jak se teploměru říkalo, byl tvořen kapilárou (tenkou trubičkou), která byla na konci opatřena skleněnou baňkou. Galileo baňku zahřál a konec trubičky ponořil do obarvené kapaliny. Jak vzduch uvnitř soustavy zmenšoval svůj objem, kapalina byla nasávána do trubičky. Poté každá další změna teploty baňky znamenala změnu výšky vodního sloupce ve skleněné trubičce a tedy i možnou indikaci změny teploty. Tento teploměr nebyl opatřen stupnicí.



strana 8

PRACOVNÍ LIST ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TEKUTIN A 1. Co se ti vybaví, když se řekne slovo voda a co, když se řekne plyn?

Voda

Plyn

2. Pečlivě si prohlédni obrázek:

3. Opiš si z tabule výzkumné otázky a utvoř na ně hypotézy (odpovědi): - 1. Výzkumná otázka:

Hypotéza:

- 2. Výzkumná otázka:

Hypotéza:

4. V jaké vodě (teplá, studená) došlo k rychlejšímu roznesení barviva do celého objemu? Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


ODHAD:

strana 9

SKUTEČNOST:

5. Načrtni obrázek, jak vypadal nafukovací balónek na PET láhvi na začátku pokusu a jak vypadal na konci pokusu.

začátek pokusu:

konec pokusu:

6. Co si zpozoroval(a) při ponoření ohřáté plechovky do studené vody?

7. Odpovědi na výzkumné otázky: Odpověď na 1.:

Odpověď na 2.:



Základní vlastnosti tekutin B

strana 10

6. ročník ZŠ

A 75 min.

I.-XII. Prostředí Fyzikální učebna Hlavní myšlenka lekce Ověřit další základní vlastnosti kapalin a plynů, najít vlastnosti společné a naopak odlišné. Umět jednotlivé vlastnosti demonstrovat vhodným a dostupným pokusem. Zásadní otázka/y lekce Jsou kapaliny a plyny stlačitelné? Dají se kapaliny a plyny přelévat? Jak je to s hladinou kapalin a plynů? Příprava lekce - dvě stejně velké PET láhve s uzávěrem - dvě skleněné odměrné nádoby, plyn do zapalovačů, kahan, svítilna nebo dataprojekor Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní poznatky z prvouky, přírodovědy (voda, vzduch) a z předchozí lekce Základní vlastnosti tekutin A. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 11

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci se s některými vlastnostmi kapalin a plynů v minulosti seznámili, nyní vymýšlejí další a přemýšlí nad jejich důkazem pomoci pokusů. 20 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list Základní vlastnosti tekutin B, text k řízenému čtení

1. Žáci na začátku lekce řeší křížovku, která má zopakovat základní poznatky plynů a kapalin z minulé lekce. Zároveň tajenka skrývá název jednoho z problémů, kterými se budou žáci zabývat a tím je pojem „stlačitelnost“. 2. Žáci se shromáždí v komunitním kruhu a učitel provede s žáky řízené čtení na téma stlačitelnosti a nestlačitelnosti kapalin a plynů. Slovíčka kapalina a plyn jsou však nahrazena jinými smyšlenými slovy. Žáci se během příběhu snaží na tato slovíčka přijít. Po přečtení celého příběhu následuje reflexe a odtajnění dvou slovíček. Při této aktivitě se žáci učí číst s porozuměním, předvídat situace, hlouběji se zamýšlet nad problémem, ale především má v žácích navodit příjemnou atmosféru k badatelské činnosti. 3. Učitel prozradí celé téma lekce a zmapuje postoje žáků k tématu a případně vstupní znalosti žáků z této problematiky. 4. Učitel rozřadí žáky pomocí rozlosovávacích kartiček do čtyř skupin.



strana 12

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci vymýšlejí otázky týkající se vlastností kapalin a plynů z běžného života. Hledají a formulují možné hypotézy. Hledají postupy, kterými by své hypotézy potvrdili nebo naopak vyvrátili. Navrhují ověřovací experimenty k jednotlivým vlastnostem tekutin. 15 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list Základní vlastnosti tekutin B

1. Žáci ve skupinách diskutují o tom, kde se se stlačeným plynem, nejčastěji vzduchem setkali. Své poznatky a postřehy zapisují do pracovního listu. 2. Dále přemýšlejí, jak by se daly realizovat pokusy, které by demonstrovaly stlačitelnost, respektive nestlačitelnost plynů a kapalin. Snaží se přijít na jednoduché, ale názorné demonstrační pokusy. 3. Řeší předloženou otázku, zda se dají plyny stejně jako kapaliny rozlévat. Případně jakým vhodným pokusem tuto vlastnost ukázat ostatním žákům. 4. Výzkumné otázky si žáci zapíší do pracovního listu a snaží se stanovit hypotézy týkající se výzkumných otázek. 5. Po práci ve skupinách své nápady prozradí ostatním žákům. Poté všichni žáci hledají postupy, kterými by hypotézy potvrdili nebo vyvrátili. 6. Žáci zvažují reálné možnosti jednotlivých nápadů, jak pokusy realizovat. Učitel opět musí korigovat a usměrňovat nápady žáků z hlediska nejen správnosti, ale i z hlediska možnosti provedení v podmínkách, kterými škola disponuje.



strana 13

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci provedou jednotlivé pokusy, které povedou k objasnění fyzikálního jevu a potvrdí nebo vyvrátí svou hypotézu, kterou si před pokusem stanovili. 20 min. Pomůcky Dvě stejně velké PET láhve s uzávěrem, dvě skleněné odměrné nádoby, plyn do zapalovačů, kahan, svítilna nebo dataprojektor.

1. Jednu PET láhev naplníme po okraj vodou a uzavřeme ji. Snažíme se, aby v láhvi nebyl téměř žádný vzduch. Druhou láhev necháme prázdnou, ale také ji uzavřeme. Obě láhve se pokusí žáci co nejvíce zmáčknout. Žáci porovnávají, která láhev jde lépe zmáčknou, a která hůře. Snaží se přijít na to proč. 2. Do jedné odměrné nádoby opatrně stříkneme dostatečné množství plynu do zapalovačů, na dně by neměl být plyn v kapalném stavu. Jelikož má plyn (směs propan-butanu) větší hustotu, bude se držet v nádobě a pokud nebude v místnosti velké proudění, vydrží v ní dlouhou dobu. Nyní žákům řekneme, že plyn, který je uvnitř nádoby přelijeme do druhé nádoby. Před tím ještě ukážeme, že v druhé nádobě není nic hořlavého nad plamenem kahanu. Hrajeme divadlo, jak se plyn přelévá, žáci nám nevěří, protože ho nevidí. Po přelití opatrně přiblížíme nádobu s plynem ke kahanu a následuje jeho vznícení. Pozor na popálení. Pokud bychom se chtěli vyhnout hoření, můžeme přelévání plynu ukázat přes zdroj světla z baterky, kdy je na stěně vidět, jak se plyn přelévá z jedné nádoby do druhé. Místo baterky je pokus možno zviditelnit přes světlo dataprojektoru na interaktivní tabuli. 3. Žáci vhodným způsobem ukážou a dokážou stejnou vlastnost u kapalin, tedy že se dají přelévat. 4. Žáci zkoumají, jak se chová hladina vody v nádobě, pokud ji naklánějí a výsledek zakreslují do pracovního listu.



strana 14

Bezpečnostní upozornění Při tomto pokusu pracujeme s hořlavinami, ovšem při dodržení bezpečnostních opatření a pod stálým dozorem vyučujícího je pokus se zapalováním plynu bezpečný. Zde jsou uvedeny základní bezpečností pravidla, která je zapotřebí při provádění popsaného pokusu v bodě 4-7 respektovat: •

•

•

•

Odměrné nádoby s plynem musí být vždy v dostatečné vzdálenosti od svíčky (alespoň několik desítek centimetrů)! V případě výbuchu nádobky s plynem by mohlo dojít k závažnému požáru. Při zapalování plynu v nádobě je důležité držet špejli před sebou a nenaklánět se nad nádobku s plynem (plamen vyletí nahoru)! Plyn v kádince rychle vyhoří, nádoba z varného skla je plameni vystavována jen krátce a nemělo by dojít k jejímu poškození. Je potřeba počítat s tím, že může být po skončení experimentu horká. V případě, že se plyn vylije mimo nádobu, není třeba panikařit, plyn rychle shoří a stůl nijak nepoškodí.



strana 15

4) Reflexe

Cíl aktivity Žáci zhodnotí úspěšnost jednotlivých pokusů, odprezentují své výsledky verbálně i písemným popisem, potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, zhodnotí badatelský postup. 20 min. Pomůcky Pracovní list Základní vlastnosti tekutin B

1. Reflexe se tentokrát odehrává v komunitním kruhu, jak tomu byla na začátku lekce. Žáci svými slovy interpretují průběh fyzikálního bádání, obtížnosti, nesnáze a naopak úspěchy ze svého provádění pokusů. Cílem je porovnat závěry jednotlivých skupin a pokusit se je sjednotit, poslední slovo by měli mít žáci. 2. V další fázi diskuze žáci potvrdí nebo vyvrátí počáteční hypotézy, které si z části před bádáním stanovili a část hypotéz přijali od učitele. Pokud se závěry jedné skupiny liší, je třeba umět pracovat s chybou a hledat příčiny a důvod, proč tomu tak je. 3. Žáci dostanou chvilku čas, aby své postřehy a závěry shrnuli do pracovních listů. Případně zde nastává prostor pro případné dotazy. 4. V následné diskuzi by měli žáci zhodnotit zvolený badatelský postup, žáci diskutují, co bylo obtížné, kde nastaly problémy, nebo naopak s čím nebyl problém a bylo snadné. Zda by se daly pokusy obměnit, případně provést lépe, zajímavěji, případně na co si dát při jeho předvedení např. rodičům pozor. 5. V tento okamžik by měli být žáci schopni vymyslet co nejvíce asociací se skutečností, že plyn je stlačitelný a této vlastnosti se využívá ve spoustě aplikací v běžném životě. 6. Stejně tak se žáci zkusí zamyslet nad tím, co by světu přineslo, kdyby hladina kapaliny nezaujímala ve volném prostoru vodorovnou hladinu.



strana 16

5) Problémový výklad Stlačitelnost tekutin Stlačitelnost/nestlačitelnost tekutin je jedna ze základních vlastností tekutin. Pro porozumění si budeme muset vysvětlit, jaký je rozdíl mezi kapalinou a plynem z hlediska atomárního. V kapalinách jsou jednotlivé částice (atomy, molekuly, ionty) relativně blízko sebe a tato vzdálenost se výrazně neliší. Mezi těmito jednotlivými částicemi neexistují pevné vazby, proto je kapalina tekutá. U plynů je mikroskopický pohled podobný s tím rozdílem, že jednotlivé částice jsou výrazněji dále od sebe, než tomu bylo v případě kapalin. Částice si nedrží stejnou vzdálenost a rádi se pohybují po celém objemu. Tyto vzdálenosti, mezi kterými působí odpudivá síla jednotlivých částic, se tedy liší a v případě vyvinutí vnějšího tlaku na nádobu se lépe či hůře částice přibližují k sobě. V případě plynů dochází ke stlačování. U kapalin je tomu naopak. Říkáme, že kapaliny jsou téměř nestlačitelné.

Kapaliny

Plyny

Využití: Stlačitelnost plynů se využívá například v nahuštěných pneumatikách, nafukovacích lehátkách a míčích. V sifonové bombičce se nachází stlačený oxid uhličitý CO2, v potápěčské láhvi směs plynů (vzduch + vzácné plyny). Stlačený plyn se nachází také v Papinově hrnci, kde způsobí nárůst teploty varu.



strana 17

Přelévání tekutin Tuto vlastnost mají kapaliny i plyny shodnou, v obou případech se dají snadno dělit a to právě přeléváním. Je to způsobeno tím, že mezi jednotlivými částicemi neexistují pevné vazby a částice se můžou vůči sobě relativně snadno pohybovat. Míru tekutosti udává fyzikální veličina viskozita. Ta charakterizuje vnitřní tření mezi částicemi a závisí především na přitažlivých a odpudivých silách mezi částicemi.

Vodorovná hladina tekutin Abychom dokázali odpovědět na otázku, proč hladina klidné vody v otevřené nádobě při působení gravitace je vodorovná, musíme se na problém podívat z hlediska povrchového napětí. Povrch kapaliny se chová, jako by ho tvořila velmi tenká pružná vrstva, která by se snažila stáhnout povrch kapaliny do co nejmenší plochy při daném stejném objemu kapaliny. V případě, že by na kapalinu nepůsobila gravitační síla, zaujala by kulový tvar, protože koule má ze všech těles o stejném objemu nejmenší povrch. V případě působení gravitační síly je situace obtížnější. Vždy se však volný povrch kapaliny snaží zaujmout co nejmenší celkový povrch. To je důvod, proč hladina kapaliny zaujímá vodorovnou polohu, neboť jakýkoliv jiný tvar by znamenal zvětšení plochy kapaliny. Druhým aspektem je skutečnost, že každá částice v kapalině má potenciální (polohovou energii). Každá částice se snaží mít co nejmenší potenciální energii. Proto se jednotlivá místa nádoby zaplňují rovnoměrně. U plynů s větší hustotou, než je hustota vzduchu, je problém s vodorovnou hladinou shodný jako u kapalin.



strana 18

PRACOVNÍ LIST ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TEKUTIN B 1. Opiš si z tabule výzkumné otázky a utvoř na ně hypotézy (odpovědi): - 1. Výzkumná otázka:

Hypotéza:


Hypotéza:


Hypotéza:

2. Jakou láhev více zmáčkneš (prázdnou, plnou vody)? ODHAD:

SKUTEČNOST:

3. Dají se plyny přelévat? Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


ODHAD:

strana 19

SKUTEČNOST (viz pokus):

4. Vyzkoušej a poté do obrázku zakresli, jak bude vypadat hladina vody v kádince v jednotlivých případech.


Odpověď na 2.:

Odpověď na 3.:



Viskozita a povrchové napětí kapalin

strana 20

7. ročník ZŠ

A 100 min. I.-XII.

Prostředí Fyzikální učebna, běžná třída Hlavní myšlenka lekce Poznat, jak viskozita kapaliny ovlivní její chování. Ověřit přítomnost povrchového napětí kapalin a vliv povrchového napětí při interakci předmětů s kapalinou. Naučit se tyto fyzikální jevy vhodně demonstrovat.

Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Zvládnutí lekce Základní vlastnosti tekutin A a B.

Zásadní otázka/y lekce Jak ovlivní viskozita kapalin jejich chování? Co způsobuje povrchové napětí a co díky němu může existovat a fungovat? Příprava lekce - PC s přístupem na internet - Pracovní list, tři zkumavky, voda, olej, med, kahan - Desetníky, miska, jar, kancelářská sponka - Tenký měděný drátek, nůžky



strana 21

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci si vyluštěním křížovky zopakují látku minulé lekce a současně zjistí náplň lekce současné. Hledají a zapisují otázky a zároveň odhadují odpovědi. 20 min. Pomůcky Pracovní list, PC s internetem, tabule, fixy

1. Žáci se na začátku lekce nedozvědí téma, kterým se budou zaobírat. Až po vyřešení křížovky, kterou si zopakují základní vlastnosti tekutin z předchozích lekcí, se dozvědí téma lekce. 2. Před žáky postavíme skleničku s medem a skleničku s vodou, žáci se snaží najít co nejvíce rozdílů, které chodí zapisovat na tabuli. V druhém kole chodí žáci podtrhávat barvičkami vlastnosti, které jsou rozdílné pouhým okem a vlastnosti, které vyžadují důkaz pokusem. 3. Nakonec pustí učitel video, na kterém se snaží experimentátoři běžet po vodní hladině. Žáci polemizují nad pravostí videa a případně hledají odpovědi, jak je to možné, či proč to možné není. Odkaz na video: https://www.youtube.com/watch?v=WYRNBZOKp_M



strana 22

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci diskutují nad shlédnutým videem. Hledají a formulují možné hypotézy. Hledají postupy, kterými by své hypotézy potvrdili nebo naopak vyvrátili. Navrhují ověřovací experimenty k jednotlivým vlastnostem tekutin. 15 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list

1. Protože slovo viskozita je pro žáky často neznámé, uvede učitel žáky do problematiky. Žáci poté přemýšlí, kde se s viskozitou již setkali. 2. Žáci dále pokračují v diskuzi nad shlédnutým videem, na kterém viděli člověka běžícího po vodní hladině. Tvoří teorie, zda je možné běh po vodě realizovat, nebo zda se jedná o podvrh. 3. Učitel žákům předloží výzkumné otázky a žáci tvoří hypotézy a zamýšlí se nad pokusy, kterými by mohli své hypotézy potvrdit nebo vyvrátit. 4. Žáci se v této fázi snaží vymyslet zajímavé postupy a pokusy, kterými by ukázali rozdílnou viskozitu látek a vlastnosti látek s rozdílnou teplotou. Mají za úkol vymyslet pokus, který by dokázal povrchové napětí vody. Učitel žákům předloží deset kartiček, na kterých je vždy vypsána jedna pomůcka. Žáci se snaží vybrat ty správné a spojit je do děje, který by vytvořil ověřovací experiment.



strana 23

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci provedou jednotlivé pokusy, které povedou k objasnění fyzikálního jevu a potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, které si před pokusem stanovili. 50 min. Pomůcky Pracovní list Viskozita a povrchové napětí kapalin, tři zkumavky, voda, olej, med, kahan, desetníky, kancelářská sponka, miska, jar, tenký měděný drátek, nůžky

1. Žáci rozdělení do skupin, si připraví do tří zkumavek vodu, olej a med. Výška sloupce kapaliny by měla být stejná (cca. 10 cm). Poté v jeden okamžik vhodí ocelové kuličky do tří zkumavek a sledují, jak rychle propadávají jednotlivé kuličky. 2. Při druhém pokusu potřebují dvě čisté zkumavky, do kterých si připraví stejné množství medu (cca. 10 cm). Jednu zkumavku nechají s medem o pokojové teplotě přibližně 20 oC a druhou zkumavku s medem zahřejí nad kahanem. Pozor na manipulaci se zkumavkou, může být horká! Poté opět v jeden okamžik vhodí ocelové kuličky do obou zkumavek a sledují, jak rychle propadávají jednotlivé kuličky. 3. Žáci si napustí misku s vodou a snaží se na hladinu umístit co nejvíce drobných mincí (desetníky, dvacetníky), k tomu využívají vhodně ohnutou kancelářskou sponku. Poté do misky přikápnou jednu kapku jaru a sledují, co se stane.

4. Učitel žáky seznámí s vodoměrkou štíhlou, která právě využívá povrchového napětí kapalin k tomu, aby se mohla pohybovat po vodní hladině. Zeptá se, zda si žáci takovou vodoměrku nechtějí vyrobit.



strana 24

5. Žáci vyrábí vodoměrku drátkovou z měděného drátku, který vhodně zkroutí a zohýbají dle obrázku. Pokud bude vodoměrka držet na vodní hladině, jsou úspěšní. Tip: je třeba dbát, aby voda v misce byla zcela čistá a neobsahovala mastnoty z rukou a ani jar z předchozího pokusu.

6. V dalším pokusu si žáci dle předlohy vystřihnou z tvrdého papíru lodičku. Misku naplní čistou vodou a do vyznačeného místa kápnou kapku jaru a sledují, co se stane. Do obrázku v pracovním listu nakreslí polohu lodičky po provedení pokusu.

8. Každý žák dostane bublifuk a ve dvojicích se snaží spojit co nejvíce bublin do jednoho objektu. Počet bublin, které se každému podaří spojit, zapíší do pracovního listu a poté se vyhlásí žák, kterému se podařilo nejvíce bublin spojit do jednoho hroznu.



strana 25

4) Reflexe

Cíl aktivity Žáci zhodnotí úspěšnost jednotlivých pokusů, odprezentují své výsledky verbálně i písemným popisem, potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, zhodnotí badatelský postup. 15 min. Pomůcky Pracovní list Základní vlastnosti tekutin A

1. Žáci odpovědí na připravené otázky v pracovním listu, které mapují zjištěné poznatky z provedených pokusů. Současně s tím odpoví na výzkumné otázky. 2. Žáci zapíší, zda se jim potvrdily hypotézy, které si na začátku lekce napsali. 3. Učitel žáky vyzve, aby prezentovali jednotlivé výsledky svých pokusů, zaznamenané v pracovním listu. 4. Ve skupinách opět otevřou otázku, zda video na úvodu bylo pravdivé, nebo šlo o podvrh. Učitel potvrdí žáků domněnku, že to není možné a že jde o podvrh. 5. Žáci přemýšlejí, kde by se dalo dále využít povrchového napětí, hledají další případy, kde se povrchové napětí projevuje (kapka drží v brčku, hladina v hrníčku se u krajů zvyšuje, …). 6. Učitel nechá část žáků zhodnotit, co nového se dozvěděli, co si budou pamatovat, co si z lekce odnášejí.



strana 26

5) Problémový výklad Viskozita Pro ideální tekutinu předpokládáme, že mezi jednotlivými částicemi neexistují smyková – tečná napětí. V případě skutečné tekutiny to ale platí pouze v případě, že se kapalina nepohybuje. Ve skutečné tekutině mezi částicemi vznikají třecí síly. Představme si dvě roviny, ve kterých se nacházejí částice (atomy, molekuly, ionty), které se vůči sobě pohybují. Na rozhraní těchto dvou vrstev, kde není relativní rychlost mezi vrstvami nulová, vzniká smykové tření, které je příčinou viskozity tekutin. Čím větší smykové tření mezi vrstvami tekutiny vzniká, tím více je tekutina viskózní.

Povrchové napětí Povrchové napětí vzniká vlivem silového působení, vzájemné interakce přitažlivých sil mezi jednotlivými částicemi látky, z nichž se skládá povrchová vrstva. Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin vykazuje vlastnosti tenké, pružné blány. To je také důvod, proč se mohou někteří živočichové pohybovat po vodní hladině. Velikost povrchového napětí má každá kapalina jiná. Velikost povrchového napětí závisí na teplotě kapaliny vůči prostředí nad jejím volným povrchem. Se zvyšující se teplotou kapaliny dochází k větším oscilacím částic, zmenšení přitažlivých sil a k poklesu povrchového napětí kapaliny. Existují chemické látky (smáčedla, tenzidy), které účelně snižují velikost povrchového napětí. Jednou z látek je například jar. Takto upravená voda se lépe dostává do struktury prádla a účinněji z něho odstraní nečistoty. Dalším příkladem je mytí mastných rukou. Mytí mastných rukou je obtížné, protože voda nesmáčí mastné povrchy. V mýdlovém roztoku jsou mezi molekulami menší přitažlivé síly než síly mezi molekulami vody. Tím se sníží povrchové napětí vody a tento roztok již smáčí mastný povrch.



strana 27

Zajímavost Bruslařka obecná je jedním z nejrozšířenějších živočichů našich vodních hladin. Najdeme ji na celém světě kromě polárních oblastí a Austrálie. Často bývá zaměňována s vodoměrkou. Je hnědo-černé barvy, její úzké tělo dorůstá v dospělosti do délky 8-10 milimetrů. Přední končetiny jsou krátké a slouží k uchopení a držení ulovené kořisti. Prostřední a zadní končetiny jsou podstatně delší a štíhlejší. Zadní dvojice slouží jako kormidlo, tedy k určování směru pohybu bruslařky, kdežto prostřední nohy používá k pohybu. V případě ohrožení jsou bruslařky schopné vyskočit do výšky několika centimetrů. Bruslařky mají sací ústní ústrojí. Živí se drobným hmyzem, ze kterého vysávají pomocí sosáku krev. V České republice se vyskytují dva druhy bruslařek, křídlatá a bezkřídlá. Vyskytují se převážně na hladinách stojatých vod a pomalu tekoucích potoků. Na souši se pohybují ztěžka. Díky povrchovému napětí vody jsou schopni se pohybovat velkou rychlostí po vodní ploše.

Zdroj obrázku: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gerris.lacustris.-.lindsey.jpg



strana 28

PRACOVNÍ LIST VISKOZITA A POVRCHOVÉ NAPĚTÍ KAPALIN 1. Když vyplníš křížovku, tajenkou bude název prvního dnešního tématu. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

1. Nejrozšířenější kapalina na světě. 2. Část kapaliny, která zaujímá vodorovnou polohu. 3. Výška hladiny v hadicové vodováze je v obou ramenech trubice …… 4. Skupenství, ve kterém se nachází voda při teplotě 20 oC. 5. Zařízení se stupnicí, které využívá teplotní roztažnosti lihu (rtuti) v úzké trubičce. 6. Plyny a kapaliny se se zvyšující teplotou ……… 7. Společný název pro plyny a kapaliny. 8. Plyny i kapaliny se dají …………. (pokus s propan-butanem) 9. Plyny jsou na rozdíl od kapalin dobře ……………..

2. Opiš si z tabule výzkumné otázky a utvoř na ně hypotézy (odpovědi):



strana 29


Hypotéza:


Hypotéza:

3. V jaké kapalině propadne kovová kulička rychleji až na dno? ODHAD: med

SKUTEČNOST: voda

olej

4. Nyní máme podobný úkol. Máme dvě nádoby s medem. V jedné má med pokojovou teplotu a v druhé nádobě med ohřejeme. V jakém případě propadně kovová kulička rychleji až na dno? Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


ODHAD:

med při pokojové teplot

strana 30

SKUTEČNOST:

zahřátý med na cca. 60 oC.

5. Může plavat na hladině desetník nebo dvacetník? A co třeba koruna nebo desetikoruna? ODHAD: SKUTEČNOST: Nyní přikápni do misky saponát (jar) a sleduj, co se stane:

6. Podle obrázku vytvoř vodoměrku drátkovou a vyzkoušej, zda bude držet na hladině:

7. Podle náčrtku si vystřihni z tvrdého papíru model lodičky.



strana 31

Lodičku polož do misky s vodou a do vyznačeného místa kápni kapku jaru. Obrázkem popiš, co se stalo: - začátek pokusu

- konec pokusu

jar

8. Povrchové napětí bublin z bublifuku. Povedly se mi spojit 3 bubliny, kolik se podaří tobě?

Mně se podařilo spojit:


Odpověď na 2.:



Hustota kapalin

strana 32

6. ročník ZŠ

A 90 min.

I.-XII. Prostředí Fyzikální učebna, běžná třída Hlavní myšlenka lekce Porozumění hustoty látek, ověření vzájemné interakce látek a těles s rozdílnou nebo stejnou hustotou. Umět vztahy hustot vhodně demonstrovat jednoduchými a názornými pokusy.

Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Zvládnutí lekce Základní vlastnosti tekutin A a B, Viskozita a povrchové napětí.

Zásadní otázka/y lekce Jak se budou chovat tělesa různých hustot v kapalině? V jakém případě tělesa ve vodě plovají, vznášejí se a klesají ke dnu? Příprava lekce - Pracovní list, odměrné válce 250 ml, med, jar, voda, olej, líh - PET láhev, víčko od propisky, modelína - miska, modelína - MA-FY tabulky - lávová lampa, Galileův teploměr



strana 33

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci zjistí náplň lekce, prozkoumají dva exponáty, hledají jevy ze života, kde se hustota projevuje a ovlivňuje spoustu zařízení a jevů. 20 min. Pomůcky Pracovní list Hustota, tabule, fixy, Galileův teploměr, lávová lampa

1. Žáci dostanou pracovní list, kde chybí napsané téma a žáci ani netuší, čím se budou v této lekci zabývat. Téma získají po vyřešení křížovky, kde odpovídají na otázky týkající se základních vlastností kapalin a plynů. V tajence vyjde slovo hustota. 2. Žáci se seznámí se dvěma exponáty demonstrujícími problematiku lekce. Těmi jsou lávová lampa, kterou někteří žáci znají a Galileův teploměr, ten tak známý není. Žáci si vyzkouší, jak obě pomůcky pracují a začínají přemýšlet nad fyzikálním principem, na kterém jsou založeny. 3. Učitel žákům prozradí, v čem spočívá fyzikální význam hustoty látek z atomárního hlediska. 4. Žáci by v tento okamžik měli být nabuzeni po fyzikálním bádání, které umožní v průběhu odpovědět na otázky ohledně principu dvou exponátů, které žáci poznali v úvodu. 4. Po chodbě jsou rozmístěny lístečky, na kterých jsou fotografie znázorňující život pod vodní hladinou (ryby, vodní živočichové), život na vodní hladině (loď, lehátko), život na souši (auto, tygr) a život ve vzduchu (vzducholoď, čáp). Žáci si jeden lísteček vezmou a nikomu ho neukazují. Až ve třídě bez jakékoliv komunikace zkusí vytvořit čtyři skupiny podle stejných vlastností z lístečků. Skupiny si sednou do předem připravených hnízd z lavic.



strana 34

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci přemýšlí nad principem rozdělení skupin. Seznamují se s výzkumnými otázkami a formulují hypotézy. Seznamují se s postupy, kterými by ověřili správnost svých stanovených hypotéz. Navrhují ověřovací experimenty k jednotlivým vlastnostem tekutin. 15 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list Hustota

1. Lístečky na rozdělení do skupin nadále poslouží k tomu, aby žáci diskutovali o tom, proč je na jejich kartičce právě onen obrázek a jak souvisí s tématem lekce. 2. Žáci vymýšlejí otázky týkající se vlastností chování látek s odlišnými hustotami, učitel žákům položí výzkumné otázky, které si žáci zapíší do pracovních sešitů. 3. Žáci se snaží stanovit hypotézy týkající se výzkumných otázek a snaží se je písemně zdůvodnit do pracovního listu. 4. Žáci dostanou soupis několika pokusů, kterými rozhodnou o správnosti napsaných hypotéz. Žáci diskutují o realizaci pokusů. Učitel koriguje a usměrňuje nápady žáků z hlediska nejen správnosti, ale i z hlediska možnosti provedení v podmínkách, kterými škola disponuje. 5. Žáci diskutují ve skupinách, co se stane, když smícháme vodu s olejem. Své názory musejí argumentovat a asociovat jeden příklad ze všedního života, který dokládá podobnou problematiku.



strana 35

3) Uvědomění

Cíl aktivity Provedení jednotlivých pokusů a zkoumání povedou k objasnění vzájemného chování těles a látek s rozdílnou hustotou a potvrdí nebo vyvrátí jejich hypotézu, kterou si před pokusem stanovili. Naučí se vyhledat hustotu v MA-FY tabulkách. 40 min. Pomůcky Pracovní list Hustota, odměrné válce 250 ml, med, jar, voda, olej, líh, PET láhev, víčko od propisky, modelína, miska, MA-FY tabulky

1. Žáci dostanou do každé skupiny odměrný válec, med, jar, vodu, líh. Mají za úkol do odměrného válce tyto kapaliny opatrně nalít ta, aby se mezi sebou nesmísily. Tento úkol je jednoduchý, protože i nesprávné pořadí kapalin se seřadí dle hustoty a výsledek je zaručený. Jedná se o efektní pokus, který žáky zaujme a již z něj si mohou odnést poznatky o hustotě kapalin a jejich vzájemném chování. 2. Žáci do misky s vodou nalijí menší množství oleje a sledují, co se stalo. V MA-FY tabulkách najdou hustotu vody a hustotu oleje a porovnají. 3. Skupina se snaží vytvořit Karteziánka, tedy potápěče v PET láhvi, který se bude potápět a vynořovat na pokyn cvičitele (žáka). Na sponu víčka od propisky přiděláme kousek modelíny. Množství je potřeba odzkoušet někde v misce nebo hrníčku, odkud je možno víčko snadno vytáhnout. Špička víčka se musí ještě plovat na hladině. Naplníme PET láhev po okraj vodou a do ní umístíme potápěče. Zaděláme a PET láhev zmáčkneme rukou a sledujeme, co se stane. 4. Nyní žáci zkusí potvrdit skutečnost, proč kovové lodě přes to, že jsou ze železa plavou. Do misky s vodou zkusí vhodit kuličku z plastelíny a výsledek zakreslí do pracovního listu. Poté se zkusí vymyslet tvar z modelíny, který by se na vodní hladině udržel, tedy by ploval. Pokud tvar objeví, opět ho zakreslí do druhého obrázku v pracovním listě.



strana 36

4) Reflexe

Cíl aktivity Žáci odprezentují své výsledky a zapíší do pracovního listu, zhodnotí úspěšnost jednotlivých pokusů, potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, zhodnotí badatelský postup, navrhnou další pokusy. 15 min. Pomůcky Pracovní list Hustota

1. Žáci do pracovních listů zapíší odpovědi na výzkumné otázky, které byly na začátku lekce stanoveny. Ve svých odpovědích se můžou radit pouze se svou skupinou. 2. Žáci nejprve ve skupině potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, které si stanovili a následně experimentálně ověřili. Zvolí mluvčího, který následně přednese své výsledky a závěry bádání. 3. Žáci poté ústně popisují provedení jednotlivých pokusu, vyhodnocení výsledků a provádí závěry bádání. Dále diskutují, co bylo obtížné, s čím měli problém, nebo naopak co bylo snadné. Navrhují, jaké pokusy by se daly provést lépe, zajímavěji, názorněji, případně na co si dát při jejich provádění pozor. 4. Žáci dále v diskuzi hledají odpovědi na otázky, kde se zkoumané fyzikální jevy objevují ve skutečném životě žáků, zda žáky nějaký experiment překvapil a proč. 5. Učitel položí poslední otázku a utvrdí se v tom, že žáci problematice hustoty porozuměli. Ti by měli odhadnout a správně argumentovat odpovědi na otázku, jakou přibližnou hustotu má lidské tělo a proč.



strana 37

5) Problémový výklad Archimédův zákon Archimédes nebyl pouze řeckým fyzikem, ale byl také výborným matematikem, astronomem a především slavným vynálezcem. Přesné datum narození není známo, pravděpodobný rok jeho narození se odhaduje na 287 před naším letopočtem. Pobýval část svého mládí v egyptské Alexandrii, většinu svého života však prožil Archimédes na Sicílii. V Alexandrii se věnoval studiu přímo u Euklidových žáků. Zde se seznámil s matematikem Eratosthenem, který už v té době aktivně pracoval na měření a výpočtech velikosti Země. Archimédes se věnoval široké škále činností. První pochopil a popsal fyzikální význam pojmu hustota kapalin. Ani geometrie mu nebyla cizí. Však to byl on, kdo první odhadl velikost čísla π. Je vynálezcem dodnes používaných systémů, jako je kladkostroj, vodní šnekové čerpadlo. Uvádí se, že Archimédes napsal všechna svá díla až v druhé polovině svého života. Dodnes se dochovaly pouze přepisy a překlady jeho děl.

Na každé těleso ponořené do tekutiny působí síla, která ho nadlehčuje – vztlaková síla. Vycházíme z toho, že tělesa ponořená v kapalině jsou nadlehčována. Síla, která tělesa v kapalině nadlehčuje, se nazývá vztlaková síla Fvz a má opačný směr než tíhová síla FG, kterou na těleso působí Země. Velikost vztlakové síly lze určit jednoduchým měřením. Na siloměr zavěsíme závaží a určíme velikost tíhové síly FG. Pak závaží ponoříme do kapaliny a zjistíme, že siloměr ukáže menší výchylku, velikost síly F (F < FG). Velikost vztlakové síly je roven: Fvz = Fg - F



strana 38

Vztlaková síla vzniká jako výslednice hydrostatických sil působících na povrch tělesa v kapalině v klidu. Máme-li těleso pravidelného tvaru, například kvádru s podstavou o plošném obsahu S a výšce h, které je ponořeno celé do kapaliny o hustotě ρ, jehož podstavy jsou rovnoběžné s vodorovným povrchem kapaliny.

Na všechny stěny kvádru působí kapaliny hydrostatickými tlakovými silami. Tlakové síly F0 a F0´ působí na boční stěny, jsou stejně velké ale opačného směru, proto se navzájem vyruší. Na horní podstavu v hloubce h1 působí tlaková síla F1 o velikosti F1 = ρ.S.h1.g Na dolní podstavu v hloubce h2 působí tlaková síla F2 o velikosti F2 = ρ.S.h2.g Výslednice sil F1 a F2 je rovna vztlakové síle Fvz o velikosti

Vycházíme z toho, že h2 – h1 = h a S je plošný obsah podstavy, pak

Tato síla vzniká jako rozdíl hydrostatických tlaků, které působí na těleso ve spodní a horní části, protože tlak na horní část je menší. Velikost vztlakové síly závisí na objemu ponořené části tělesa, na hustotě kapaliny a na tíhovém zrychlení. Není však závislá na hloubce, objemu kapaliny ani na hustotě tělesa. Vztlakovou sílu značíme Fvz , základní jednotkou je newton (N).



strana 39

Archimédův zákon: Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou, která je rovna tíze kapaliny tělesem vytlačené. Často se v nových učebnicích fyziky setkáváme s jiným zněním Archimédova zákona: Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou, jejíž velikost se rovná tíze kapaliny stejného objemu, jako je objem ponořeného tělesa. Zákon je pojmenován podle Archiméda. Traduje se, že na zákon přišel, když se koupal. Přemýšlel, jak by odhalil klenotníka při podvodu, který nahradil zlato v královské koruně za jiný méně ušlechtilý kov. Když se ponořil do vany tak sledoval, co se stane s hladinou vody. Svým objevem byl tak šokován, že pobíhal nahý po městě a neustále křičel „Heuréka“ (Našel jsem!).

Jak se může těleso chovat v kapalině? a) Hustota tělesa ρ je větší než hustota kapaliny ρK pak FG > Fvz , výslednice sil F směřuje dolů a těleso klesá ke dnu. b) Hustota tělesa ρ je stejná jako hustota kapaliny ρK, pak FG = Fvz , výslednice sil F je nulová a těleso se v kapalině vznáší. c)

Hustota tělesa ρ je menší než hustota kapaliny ρK, pak FG < Fvz, výslednice sil F směřuje nahoru. Těleso stoupá k volné hladině kapaliny, částečně se vynoří a ustálí se v poloze, že tíhová síla FG je v rovnováze se vztlakovou silou Fvz, která má velikost rovna tíze kapaliny stejného objemu V, kterou vytlačuje ponořená část tělesa.

a) FG > Fvz

b) FG = Fvz

c) FG < Fvz



strana 40

PRACOVNÍ LIST HUSTOTA 1. Když vyplníš křížovku, tajenkou bude název dnešního tématu. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

1. Co jsme použili na zvýšení teploty medu? 2. Jar sirky ve vodě odpuzuje (snižuje povrchové napětí) oproti tomu …. sirky přitahuje (zvyšuje povrchové napětí). 3. Vlastnost látek, která ovlivňuje jejich tekutost. 4. Čím můžeme snížit viskozitu medu. 5. Viskozitu jsme zkoušeli na látkách med, voda a ? 6. Jaká mince se byla schopná udržet na hladině vody? 7. Jak nazýváme ošetření oděvů, které je chrání před vodou?

2. Opiš si z tabule výzkumné otázky a utvoř na ně hypotézy (odpovědi): - 1. Výzkumná otázka:

Hypotéza:

- 2. Výzkumná otázka: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 41

Hypotéza:

3. Doplň, jaké kapaliny tvořily barevný semafor:

4. Podle návodu realizuj Potápěče – Karteziánka Pomůcky: PET láhev, víčko od propisky, kousek modelíny, kelímek Návod na stavbu: a) Tělo potápěče je tvořeno víčkem od propisky, které je z vrchu zcela uzavřeno. b) Na sponu víčka připevni takové množství modelíny, aby potápěč ploval na hladině, ale síla potřebná k jeho potopení nebyla velká. c) Množství modelíny zkoušej v kelímku, odkud můžeš potápěče v případě potopení vytáhnout. d) PET láhev naplň zcela vodou a opatrně do ní vlož svého potápěče, zašroubuj víčko a sleduj, co se bude dít v případě zmáčknutí PET láhve. e) Pokud je potřeba velkého stisku, je potřeba k víčku připevnit ještě kousek modelíny.

5. Doplň správně slova (klesat ke dnu, plovat, vznášet se)



strana 42

Látky s menší hustotou než je hustota vody budou Látky se stejnou hustotou než je hustota vody budou Látky s větší hustotou než je hustota vody budou

6. Proč plavou kovové zaoceánské lodě? a) Udělej z kousku modelíny kuličku a vhoď ji do nádoby s vodou. Do obrázku zakresli, co se stalo.

Vyber odpověď: modelína má menší, stejnou, větší hustotu jako voda.

b) Zkus z modelíny vytvořit takový objekt, který by ploval na hladině a ještě by unesl závaží. Do obrázku zakresli, jak takový objekt musí vypadat.

Využití v praxi:




strana 43

Odpověď na 2.:



Hustota v běžném životě

strana 44

7. ročník ZŠ

A 100 min. I.-XII.

Prostředí Fyzikální učebna, běžná třída Hlavní myšlenka lekce Pochopení principu ponorky, velikosti ponoru lodě a horkovzdušného balónu. Umět vztahy hustot vhodně demonstrovat a vysvětlit na jiných pokusech.

- bezdotykový teploměr Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Zvládnutí lekce Základní vlastnosti tekutin A a B, Viskozita a povrchové napětí, Hustota kapalin.

Zásadní otázka/y lekce Na jakém principu a jak funguje ponořování a vynořování ponorky? Proč a jak se změní ponor lodě, když vpluje z moře na sladkovodní plochu a opačně? Na jakém principu funguje horkovzdušný balón? Proč létají pouťové balónky? Příprava lekce - Pracovní list Hustota v běžném životě, PC, dataprojektor - RC model ponorky, velký plastový box - plastový model loďky, miska, sůl - velké mikrotenové sáčky, kahan - bomba s héliem, nafukovací balónky Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 45

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci zjistí náplň lekce, shlédnou motivační pokus, diskutují nad svými zážitky a postřehy. 20 min. Pomůcky Pracovní list Hustota v běžném životě, PC, dataprojektor, RC model ponorky, velký plastový box

1. Na úvod lekce má učitel připravenou v prezentaci PowerPoint hru, při které vybírají žáci čísla a učitel odkrývají příslušná políčka, pod kterými se skrývají tři obrázky. Jsou to obrázky lodě, horkovzdušného balónu a ponorky. 2. Učitel žákům představí dálkově řízenou ponorku, která je po funkční a principiální stránce zmenšenou kopií skutečné ponorky. Předvede jim, jaké funkce má a jakými směry se ve vodě může pohybovat. Především zmíní a ukáže ponořování a vynořování ponorky na povel z dálkového ovládání. 3. Učitel s žáky diskutuje nad tím, proč je na obrázcích právě ponorka, loď a horkovzdušný balón. Žáků se zeptá, zda někdo již jedním z prostředků cestoval, nebo alespoň viděl na vlastní oči. 4. Žáci se pomocí rozlosovávacích kartiček rozdělí do čtyř skupin.



strana 46

2) Evokace 1. Žáci již ve skupinách diskutují nad tím, jak mohou jednotlivé prostředky a létající objekty fungovat a na jakém principu jsou založeny. Cíl aktivity Žáci přemýšlí nad rozdělením skupin. Seznamují se s výzkumnými otázkami a formulují hypotézy. Seznamují se s postupy, kterými by ověřili správnost svých stanovených hypotéz. Navrhují ověřovací experimenty k jednotlivým vlastnostem tekutin. 15 min. Pomůcky Tabule, fixy, pracovní list Hustota v běžném životě

2. Každá skupina vymyslí tři otázky týkající se daného tématu. Učitel tyto otázky shrne a položí žákům výzkumné otázky, které si žáci zapíší do pracovních sešitů (učitel má otázky předem vymyšlené - Na jakém principu a jak funguje ponořování a vynořování ponorky? Proč a jak se změní ponor lodě, když vpluje z moře na sladkovodní plochu a opačně? Na jakém principu funguje horkovzdušný balón? Proč létají pouťové balónky?). 3. V rámci celé skupiny se žáci snaží vytvořit hypotézy týkající se výzkumných otázek a snaží se je písemně zdůvodnit do pracovního listu. 4. Každá skupina si dojde pro pomůcky a zahájí výzkumnou činnost.



strana 47

3) Uvědomění

Cíl aktivity Na stanovištích provedení jednotlivých pokusů a zkoumání. Ty povedou k objasnění principu chování netradičních dopravních prostředků. Aktivity mají ověřit správnost stanovených hypotéz. 45 min. Pomůcky Pracovní list Hustota v běžném životě, RC model ponorky, velký plastový box, plastový model loďky, miska, sůl, velké mikrotenové sáčky, kahan, bomba s héliem, nafukovací balónky.

1. Každé stanoviště je zaměřeno na jeden fyzikální jev, respektive na princip fyzikálního zařízení. Skupiny se budou u jednotlivých stanovišť po 10 minutách střídat tak, aby navštívili všechna stanoviště. 2. Na prvním stanovišti zkouší žáci ovládat model RC ponorky, zkouší především zanořování a vynořování ponorky na povrch hladiny vody v plastové boxu. Žáci dále vědí, že se musí měnit celková hustota ponorky vůči hustotě vody, aby se pohybovala nahoru nebo pod vodní hladinu. Nyní ale zkoumají, jakým principem dochází ke změně hustoty u modelu ponorky, respektive i u skutečné ponorky. Žáci si postřehy poznamenají v bodech do pracovního listu. 2. Druhé stanoviště je zaměřeno na ponor plastové lodičky. Žáci vloží lodičku do vody a udělají na jejím trupu značku, kam sahá vodní hladina. Poté do vody přisypávají kuchyňskou sůl (simulace vjezdu lodě do moře), rozpouštějí ji v misce a sledují, co se děje s ponorem. Výšku hladiny opět označí. Do pracovního listu načrtnou výsledek po přisypání soli a změří výškový rozdíl hladin v případě sladké a v případě slané vody. 3. Na třetím stanovišti si žáci sami nafouknou pouťový balónek héliem. Pomocí MA-FY tabulek zjistí hustotu vzduchu a hélia a zapíší do pracovního sešitu. Poté na provázek umisťují kousky modelíny tak, aby se balónek vznášel na místě, kam byl umístěn. 4. Čtvrté stanoviště je zaměřeno na horkovzdušné balóny. Žáci zkoušejí pomocí ohřátého vzduchu z kahanu uvést mikrotenový sáček ke stoupání. Nyní přemýšlejí nad tím, proč ohřátý vzduch má menší hustotu a tedy vstoupá vzhůru.



strana 48

4) Reflexe

Cíl aktivity Žáci nejprve zapisují do pracovních listů své poznatky, vyhodnotí hypotézy a poté odprezentují své výsledky ostatním, zhodnotí badatelský postup, navrhnou další pokusy. 20 min. Pomůcky Pracovní list Hustota v běžném životě

1. Po vystřídání všech čtyř stanovišť žáci zapíší do pracovních listů odpovědi na výzkumné otázky, které byly na začátku lekce stanoveny. Ve svých odpovědích se můžou radit pouze se svou skupinou. 2. Ve skupině žáci potvrdí nebo vyvrátí své hypotézy, které si stanovili a následně experimentálně ověřili. Zvolí dva mluvčí, kteří vyloží své výsledky a závěry bádání. 3. Žáci poté provedou verbální popis toho, co na jednotlivých stanovištích zažili a jaké poznatky pro ně byly nové. Dále diskutují, co se jim povedlo a s čím měli naopak problém, Navrhují, jakými dalšími pokusy by se daly jednotlivé jevy ukázat a vysvětlit. Dále také přemýšlí, kde se dané jevy v životě uplatňují a v technice využívají. 4. Žáci se na závěr zamyslí a hledají odpověď na otázku, kde v místnosti bude největší teplota (jde o využití poznatku, že teplý vzduch má menší hustotu a tedy stoupá vzhůru). Učitel poté provede důkaz bezdotykovým teploměrem. Pokud žáci rozumně argumentují, můžeme považovat lekci za zdařilou.



strana 49

5) Problémový výklad Něco málo o ponorkách? Ponorka je prostředek, který je schopen plout pod vodní hladinou. Dostane se i do velkých hloubek, kde se potápěči již nedostanou. Ponorky slouží k vojenským, vědeckým i turistickým účelům. Ponorky jsou vybaveny balastními nádržemi, tedy nádržemi, ve kterých je vzduch a v případě ponoru se do nádrží načerpá voda. Tím se zvětší celková hustota ponorky, v tomto případě dosahuje hustota celé ponorky větší hodnoty, než je hustota vody a ponorka klesá ke dnu. V případě, že se potřebuje vynořit, je voda z balastních nádrží vyčerpána mimo ponorku. Podíváme-li se do historie, tak historicky první doložená ponorka, zkonstruovaná konstruktérem Corneliusem van Drebem z Holandska, byla z roku 1624. Jednalo se o člun, který byl z vrchu utěsněn skleněnými deskami. Člun sloužil deset let a vozil londýnskou smetánku. První využití ponorky pro vojenské účely tak, jak ji známe teď, se odehrálo o mnoho let později. Až v roce 1776 sestrojil David Bushnell první skutečnou ponorku, kterou nazval Turtle (želva). První ponorky byly poháněny ručně, v řadě za sebou sedělo až 20 mužů a otáčením klikové hřídele přenášeli otáčky k lodnímu šroubu. Kolem 30. let 20. století se začal používat Walterův motor, kde docházelo k rozkladu peroxidu vodíku. Při této reakci vznikalo teplo, které bylo ještě zvýšeno vstřikováním paliva. Vzniklé teplo zahřívalo vodu a vzniklá pára poháněla turbínu, respektive lodní šroub. O deset let později se přešlo na Dieslův motor, nevýhodou byla přítomnost velkých nádrží s kyslíkem, které byly nezbytné k hoření. V 80. letech to potom byl Stirlingův motor, který využívá rozpínání inertního plynu (např. helia) při ohřívání a tuto změnu převádí na mechanickou energii. Moderní ponorky jsou nyní vybaveny jadernými reaktory, které přeměňují energii z uranu 235 U, který je do ponorky zavezen již při výrobě v takovém množství, aby vystačil na dobu, která je dána životností ponorky. Rekord Nejhlubšího ponoru 11034 metrů dosáhla 13. ledna 1960 ponorka zvaná Batyskaf Trieste. Zdolala dno Mariánského příkopu v severním Pacifiku. Plášť tvořily 13 centimetrů silné ocelové pláty.



strana 50

Vzducholodě a horkovzdušné balóny Vzducholoď je letadlo lehčí než vzduch, někdy je označována jako aerostat, zpravidla doutníkového tvaru, vybaven kabinou pro cestující a motory s vrtulemi pro pohyb. Hlavní část vzducholodě byla plněna výbušným vodíkem, který je lehčí než vzduch. V dnešní době je vodík nahrazen nečištěným héliem. Za předchůdce vzducholodi bývá označován pokus Jeana Babtiste Marie Meusiera z roku 1783. Nebyl však realizován vzhledem k absenci vhodného pohonného motoru. V tomto roce poprvé vzlétl první balón bratří Montgolfierů. Až v roce 1852 Henri Giffard sestrojil první skutečně létající a řiditelnou vzducholoď, která byla plněna vodíkem. Plynem, který se po dlouhá léta stal jediným pro náplň vzducholodě. Byla vybavena lehkým parním strojem, který si sám pro tento účel zkonstruoval. Počátky vzduchoplavectví byly obtížné, první vzducholodě byly řiditelné pouze za bezvětří. Mezník ve světě vzduchoplavectví přišel až v roce 1900, kdy vzducholoď Zeppelin LZ1provedla úspěšný let nad Bodamským jezerem. Dalšího rozmachu se vzducholodím dostalo během 1. světové války. Katastrofa vzducholodi Hindenburg v květnu 1937 zakončila éru velkých vzducholodí, využívaných k obchodní dopravě. Horkovzdušný balón je stejně jako vzducholoď aerostat lehčí než vzduch, který využívá Archimédova zákona. Skládá se z koše pro posádku a velkého balónu ze speciální tkaniny zvané nylon. Do balónu je vháněn horký vzduch ohřátý pomocí propan-butanu. Teplý vzduch má menší hustotu, proto výslednice vztlakové a gravitační síly směřuje vzhůru a balón může stoupat vzhůru. Jejich balón s netradiční posádkou (ovce, kohout, kachna) se vznesl před zraky Ludvíka XVI. Další balóny byly plněny vodíkem, svítiplynem a později bezpečným héliem. Vzhled a princip se do dnešní doby nijak výrazně neliší od prvních pokusů. Dnes se horkovzdušné balóny využívají především jako netradiční koníček. Upoutané balóny plněné plynem nacházejí využití v meteorologii, mapování území a reklamním účelům.



strana 51

PRACOVNÍ LIST HUSTOTA V BĚŽNÉM ŽIVOTĚ 1. Opiš si z tabule výzkumné otázky a utvoř na ně hypotézy (odpovědi): - 1. Výzkumná otázka:

Hypotéza:


Hypotéza:


Hypotéza:


Hypotéza:

2. Seznam se s dálkově ovládanou ponorkou:



strana 52

Zda-li těleso plove, vznáší se, nebo padá ke dnu záleží na celkové tělesa vzhledem k hustotě kapaliny. U modelu ponorky je to stejné jako u skutečné velké ponorky. Aby se ponorka potopila, musí se do komory tak, že se voda z této komory

voda. Naopak, vynoření se děje .

3. Udělej značku na lodi, kam bude přibližně sahat voda při vplutí ze sladkovodní vody do moře: Sladkovodní nádrž

Moře, oceán

Hustota sladké vody:

Hustota slané vody:

4. Proč pouťové balónky naplněné héliem stoupají vzhůru?

Pokus se na šňůrku od balónku uvázat takové závaží, aby se balónek vznášel ve výšce, do které ho dáš. Splnil(a) jsem

Nesplnil(a) jsem

5. Podle instrukcí vyučujícího sestroj jednoduchý model horkovzdušného balónu:



strana 53

Splnil(a) jsemNesplnil(a) jsem


Odpověď na 2.:

Odpověď na 3.:

Odpověď na 4.:


45

Recommend Documents