Mgr. Michal Vodička. IT podpora reálného fyzikálního experimentu

Mgr. Michal Vodička

Modul 3

IT podpora reálného fyzikálního experimentu

Učme fyziku jinak! ‐ Modernizace výukových metod v zrcadle kurikulární reformy fyzikálního vzdělávání.

Obsah Úvod ............................................................................................................................................... 1 Data Studio ..................................................................................................................................... 3 Datalogger Xplorer ........................................................................................................................ 11 Mechanika .................................................................................................................................... 15 Pohyb tělesa po nakloněné rovině ............................................................................................. 15 Volný pád .................................................................................................................................... 21 2. Newtonův pohybový zákon ..................................................................................................... 25 2. Newtonův pohybový zákon .................................................................................................... 31 3. Newtonův pohybový zákon ..................................................................................................... 35 Zákon zachování hybnosti ........................................................................................................... 39 Smykové tření ............................................................................................................................. 47 Zákon zachování mechanické energie ........................................................................................ 51 Molekulová fyzika ......................................................................................................................... 56 Izotermický děj ........................................................................................................................... 56 Izochorický děj ............................................................................................................................ 58 Adiabatický děj ............................................................................................................................ 61 Tání a tuhnutí .............................................................................................................................. 64 Závislost skupenského tepla tání ledu na přítomnosti soli ve vodě ........................................... 67 Vypařování a kondenzace ........................................................................................................... 72 Závislost relativní vlhkosti na teplotě ......................................................................................... 74 Závislost teploty vzduchu na materiálu povrchu ........................................................................ 79 Mechanika kapalin ........................................................................................................................ 82 Hydrostatický tlak ....................................................................................................................... 82 Elektrické pole ............................................................................................................................... 86 Spojování rezistorů ..................................................................................................................... 86

Obsah Elektrický proud v kovech .............................................................................................................. 90 Voltampérová charakteristika polovodičové diody ................................................................... 90 Voltampérová charakteristika rezistoru, žárovky a termistoru ................................................. 96 Zatěžovací charakteristika zdrojů.............................................................................................. 100 Střídavý proud ............................................................................................................................ 104 Obvod střídavého proudu s odporem ...................................................................................... 104 Obvod střídavého proudu s indukčností .................................................................................. 106 Obvod střídavého proudu s kapacitou ..................................................................................... 109 Elektromagnetické záření a jeho energie ..................................................................................... 111

Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti od světelného zdroje .......................................... 111 Závislost napětí fotodiody na intenzitě osvětlení .................................................................... 115 Mechanické kmitání .................................................................................................................... 118 Určení tuhosti pružiny harmonického oscilátoru ..................................................................... 120 Odvození vztahu pro určení periody kmitání matematického kyvadla .................................... 123 Závěr ........................................................................................................................................... 129

Úvod Tento výukový materiál vznikl jako jeden z hlavních výstupů projektu zaměřeného na modernizaci výukových metod fyzikálního vzdělávání na 2. stupni základních škol a školách středních s názvem Učme fyziku jinak! – Modernizace výukových metod v zrcadle kurikulární reformy fyzikálního vzdělávání. Klade si za cíl výrazným způsobem zefektivnit, zjednodušit a urychlit práci vyučujícího fyziky při zavádění nejmodernějších forem výuky. Hlavní podporu tento materiál zřejmě přinese ve fázi přípravy vyučujícího na vyučovací hodinu, ale může být též námětem např. pro samostatnou práci žáků ve fyzikální laboratoři. Celý projekt pokrývá výuku ve čtyřech základních modulech: 1. Reálný fyzikální experiment I. - mechanika, molekulová fyzika a termika, kmitání a vlnění 2. Reálný fyzikální experiment II. - elektřina, magnetismus, optika 3. IT podpora reálného fyzikálního experimentu 4. Interaktivní fyzika - virtuální fyzikální experiment Tento výukový materiál je určen pro výuku modulu č. 3, zabývajícího se IT podporou reálného fyzikálního experimentu. Touto podporou je myšleno využití počítače k zaznamenání, popisu a analýze fyzikálního experimentu. Na trhu v dnešní době existuje více možností, jak zapojit počítač do experimentování ve výuce nejen fyziky. Zdálo by se, že ten, kdo při demonstracích nepoužívá počítač, nemůže držet krok s dobou a neučí tedy moderně. Z vlastní zkušenosti s přípravou tohoto textu můžu prohlásit, že to je i není pravda. Skutečností je, že současní studenti si neumí život bez počítače představit a učitel, který jim chce být autoritou, se musí s tímto trendem ztotožnit. Nicméně existuje řada experimentů, u kterých použití počítače vyloženě není vhodné, dále mnoho těch, u nichž je použití počítače vysloveně vhodné a dále velká skupina těch experimentů, u kterých je vhodné kombinovat použití počítače a tzv. staré metody. Tento text se tedy zaměřuje na představení 28 experimentů, které autor sestavil a vyhodnotil pomocí laboratorního počítačového systému PASCO. Tyto experimenty jsou současně cenné tím, že část z nich autor v minulých letech prováděl bez pomoci počítače a mohl tak ocenit přesnost výsledné analýzy. Úvodní část textu se zaměřuje na objasnění samotného laboratorního počítačového systému PASCO a rychlý popis jeho použití. Protože se jedná o studijní text pro účastníky pilotních kurzů, kteří na nich budou s tímto systémem pracovat, zabývám se v této části

1

Úvod textu krátkým popisem práce se softwarem Data Studio a s Xplorerem, které jsou součástí systému PASCO. Druhá část textu je zaměřena na představení 28 experimentů a jejich vyhodnocení. Všechny experimenty jsou představeny pomocí fotografií dokumentujících jejich sestavení, příp. schémata elektrických obvodů. Dále potom ukázky grafických závislostí exportovaných přímo z programu Data Studio. Zde cítí autor potřebu sdělit to, že nejlepší a nejjednodušší volbou tvorby grafických závislostí je použít právě program Data Studio. Sice umožňuje export veškerých dat do textového souboru a následný bezproblémový import do tabulkového procesoru, např. MS Excel, ale po mnoha hodinách exportů a importů dat a následných úprav autor zjistil, že je to ve většině případů ztráta času a že Data Studio většinu těchto úprav zvládne mnohem rychleji jednoduše proto, že nemusíte importovat a upravovat žádná data. Ta už zde máte.

2

Data Studio Data Studio Instalace Instalace programu Data Studio proběhne z dodaného CD-ROMu bezproblémově a intuitivně a myslím si, že není nutné ji zde rozebírat.

Česká lokalizace Po instalaci programu Data Studio a vložení licenčního klíče zjistíte že není lokalizován do českého jazyka. Počínaje verzí 1. 9. 8. 9 provádí český dodavatel Profimedia s.r.o. vlastní lokalizaci. Uvedu zde nutné kroky pro českou lokalizaci programu . 1. Nejprve si ze stránek www.pasco.cz, sekce Aktualizace SW stáhněte soubor cze1.9.8.9.ZIP. Na tomto webu najdete i postup pro přeložení knihoven programu. 2. Tento soubor rozbalte a všechny soubory *.dll překopírujte do umístění c:\Program Files\Pasco scientific\DataStudio\Languages\enu\. Kopírujte „Jako administrátor“, jinak se nepřepíšou všechny knihovny. V tomto případě přepíšete soubory s originálními anglickými knihovnami, proto si je zazálohujte. 3. Nezapomeňte, v systému Windows Vista a Windows 7 spouštějte Data Studio jako správce. Klikněte pravým tlačítkem myši na ikonu programu a zvolte „Spustit jako správce“.

Spuštění programu Při spuštění programu se objeví úvodní obrazovka, která umožní vybrat následující aktivitu. Pokud chcete otevřít již provedený a uložený experiment nebo jste si experiment nachystali a jen jej chcete v hodině otevřít a začít měřit, zvolte první možnost Otevřít aktivitu. Pokud chcete začít s měřením úplně od začátku, zvolte možnost Vytvořit experiment.

3

Data Studio

Zvolím 2. Možnost a vytvoříme experiment úplně od začátku. Zatím jsem nepřipojil žádné čidlo, takže pracovní plocha je prázdná. Nicméně dělí se na 3 zóny. Vlevo nahoře je zóna, do které se budou přidávat všechny fyzikální veličiny, které mohou připojená čidla měřit a budou se zde objevovat všechna dosud provedená měření. Ve druhé zóně vlevo dole se nabízí několik možných zobrazení naměřených dat. Graf, tabulka, histogram, měřák, atd. Třetí zóna je vpravo a v ní se budou všechny grafy, tabulky a měřáky zobrazovat.

4

Data Studio Nyní připojím k počítači přes USB rozhraní Datalogger Xplorer. Nabídne se mi možnost stáhnout z něj naměřené experimenty. Toto dialogové okno ukončím a do Xploreru vložím čidlo počasí. To umožňuje měřit relativní vlhkost, absolutní vlhkost, atmosférický tlak, teplotu, relativní výšku a rosný bod.

V zóně 3 se mi objevilo okno Měřák, v němž jsou nachystané všechny měřené veličiny. Zatím ovšem nejsou k dispozici žádná data.

5

Data Studio Chytnu okno Měřáku v pravém dolním rohu a zvětším. Stisknu tlačítko Start a hned Konec.

Zaznamenaly se všechny veličiny, které umí čidlo měřit. Některé jsou ovšem v nevhodných jednotkách. Klikněte tedy na tlačítko Setup a zvolte vhodné jednotky.

Okno zavřete křížkem. Nic se nemusí ukládat.

6

Data Studio Pokud chcete zobrazit graf závislosti teploty na čase, v zóně 1 klikněte na položku Run 1 u měřáku Temperature (°C) a přetáhněte ji do zóny 2 na položku Graf. Protože jsem v průběhu měření na čidlo dýchnul, došlo ke změně teploty. Graf si můžu zvětšit a upravovat.

Pokud chcete graf roztáhnout v ose x, najeďte kurzorem myši nad tuto osu, až se objeví místo kurzoru ikona takové pružiny se šipkami. Potom upravte měřítko. Pokud chcete graf posunout, najeďte kurzorem myši nad některou z os, až se objeví symbol ruky. Potom graf posuňte.

7

Data Studio

Pokud byste chtěli graf závislosti teploty na relativní vlhkosti, nemusíte exportovat data a upravovat v tabulkovém procesoru. Stačí kurzorem myši najet na popisek příslušné osy (v tomto případě na text Čas (s) na ose x) až se objeví symbol tabulky. Klikněte a zvolte příslušnou veličinu.

8

Data Studio

Naměřená data můžete exportovat. A to buď do textového souboru formátu .txt nebo jako obrázek grafu do souboru .bmp.

9

Data Studio

Tímto bych tento velmi krátký úvod do programu Data Studio ukončil. Pokud bych chtěl popsat vše, co jsem použil při experimentech, musel bych pro tisk použít mnoho listů papíru. Byla to jen krátká exkurze a snad stačí k prvotnímu připojení čidla k počítači a naměření prvních hodnot.

10

Datalogger Xplorer Datalogger Xplorer Xplorer umožňuje měřit experimenty bez přímého použití počítače. Hodí se tedy zejména do terénu nebo jako slučovač čidel, protože obsahuje 4 vstupní konektory pro čidla.

V sadě s Xplorerem dostanete voltmetr a 2 čidla teploty. Ty se umísťují do připravených konektorů na Xploreru. K Xploreru můžete také připoji flash disc a ukládat měření na něj.

11

Datalogger Xplorer

12

Datalogger Xplorer

Po zapnutí se ukáže menu Xploreru. Pohyb v něm se provádí pomocí tlačítek doleva, doprava, nahoru a dolů a potvrzuje tlačítkem „fajka“.

13

Datalogger Xplorer

Tlačítkem se symbolem šipky se spouští a zastavuje experiment. Další nastavení a používání Xploreru bude součástí pilotních školení.

14

Mechanika Název pokusu: Pohyb tělesa po nakloněné rovině Cíl pokusu: ukázka pohybu tělesa po nakloněné rovině a demonstrace závislosti rychlosti a zrychlení tělesa na hmotnosti a úhlu, který svírá nakloněná rovina s vodorovnou rovinou. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, vozíková dráha, zarážka Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Na vozíčkovou dráhu umístěte na jednu stranu čidlo polohy a na druhou stranu zarážku. Zarážka stejně jako vozíček má na obou stranách magnety umístěné tak, že v jednom případě je vozíček přitažený k zarážce a ve druhém je od ní odpuzen. Doporučuji umístit zarážku tak, aby byl vozíček přitažen k zarážce a nejezdil po dráze sem a tam. Navíc, vozíček je velmi dobře vyrobený a i při velmi malém sklonu dráhy jezdí velmi rychle. Pokud umístíte zarážku druhým způsobem, vozíček okamžitě po nárazu vyletí z dráhy.

15

Mechanika

Vozíčkovou dráhu na straně s čidlem polohy zvedněte a spustťe vozíček po dráze. Totéž měření provádějte pro různé hmotnosti vozíku (lze nakládat závaží) a pro různé úhly sklonu dráhy.

16

Mechanika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení. Výsledné měření: Všechna měření jsem prováděl pro úhel sklonu dráhy 2°, 3° a 5° a pro prázdný vozík (250 g), pro vozík s jedním závažím (500 g) a se dvěma závažími (750 g).

a) Úhel sklonu

, prázdný vozík (250 g)

Z grafu je patrné, že doba za kterou urazí vozík vzdálenost 1,63 m je úměrná velikosti úhlu, který svírá nakloněná rovina s vodorovnou.

17

Úhel / °

dráha / m

čas / s

2

1,628

3,285

3

1,633

2,485

5

1,633

2,155

Mechanika b) Úhel sklonu

, vozík s jedním závažím (500 g)


18

Úhel / °

dráha / m

čas / s

2

1,630

3,205

3

1,637

2,445

5

1,636

2,125

Mechanika c) Úhel sklonu

, vozík se dvěma závažími (750 g)


19

Úhel / °

dráha / m

čas / s

2

1,634

3,165

3

1,639

2,365

5

1,637

2,085

Mechanika d) Úhel sklonu

, hmotnosti vozíku 250 g, 500 g, 750 g

úhel / °

dráha / m

čas / s

3

1,633

2,485

3

1,637

2,445

3

1,639

2,365

Z grafů a tabulek v a) – c) je zřejmé, že opravdu doba pohybu vozíku na nakloněné rovině nezávisí na hmotnosti vozíku. To, že doby pohybu vozíku nejsou pro jeden úhel sklonu dráhy a pro různé hmotnosti vozíku stejné je způsobeno zřejmě odporem vzduchu, protože vozík je poměrně lehký.

20

Mechanika Název pokusu: Volný pád Cíl pokusu: demonstrace závislosti doby volného pádu na hmotnosti a tvaru tělesa. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, stojan, kniha, papírová složka, dřevěný kvádr, kovová kulička Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 20 minut

Na stojan zavěste čidlo polohy tak, aby snímalo polohu tělesa kolmo k zemi. Spusťte měření a pouštějte volným pádem různá tělesa. V tomto pokusu jsem místo Xploreru použil pro připojení čidla k počítači hardwarový převodník.

21

Mechanika

Pro měření volného pádu jsem si zvolil knihu a papírovou složku z toho důvodu, aby se těleso při pádu neodchýlilo výrazněji z prostoru snímání čidlem pohybu.

Pro měření jsem použil i dřevěný kvádr a kovovou kuličku.

22

Mechanika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení.

Výsledné měření:

a) Porovnání doby volného pádu pro tělesa různých hmotností kniha

papírová složka

dřevěný kvádr

Doba pádu pro knihu je

kovová kulička

při uražené dráze

Přehled pro všechna tělesa. Těleso kniha papírová složka dřevěný kvádr kovová kulička

dráha / m 0,6245 0,6163 0,6152 0,6233

Delší čas u papírové složky je dán odporem prostředí.

23

doba pádu / s 0,3318 0,3618 0,3218 0,3218

Mechanika b) Závislost dráhy, rychlosti a zrychlení na čase pro volný pád

24

Mechanika Název pokusu: 2. Newtonův pohybový zákon Cíl pokusu: ověření platnosti 2. Newtonova pohybového zákona. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, vozíková dráha, vozík, zarážka, kladka, závaží, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Položte dráhu na vodorovný laboratorní stůl a zarovnejte ji k hraně stolu, nebo tak, aby tuto hranu stolu lehce přesahovala. Připevněte kladku se svorkou na konec dráhy do blízkosti hrany stolu tak, aby se kladka nacházela uprostřed dráhy. Na druhý konec dráhy připevněte senzor pohybu tak, aby bylo čidlo namířeno na kladku.

25

Mechanika

Položte vozík na dráhu a vyrovnejte ji do vodorovné polohy pomocí posuvných nožiček tak, aby vozík zůstal po uvolnění v klidu. Ustřihněte přibližně 1 m dlouhé vlákno (provázek, nit), které použijeme později při měření.

26

Mechanika

Na konec dráhy umístěte zarážku tak, aby se vozík při nárazu do ní neodrazil, ale byl přitažen k zarážce.

Na vozík postupně nakládejte závaží a měřte dobu pohybu vozíku po dráze. Totéž provádějte se závažími zavěšenými přes kladku.

27

Mechanika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení. Výsledné měření: Všechna měření jsem prováděl pro závaží zavěšená přes kladku o velikostech 50g, 100g, 150g a pro prázdný vozík (250 g), pro vozík s jedním závažím (500 g) a se dvěma závažími (750 g).

a) Hmotnost vozíku 250 g, hmotnosti závaží zavěšených přes kladku 50 g, 100 g a 150 g

okamžitá rychlost [m.s-1]

okamžitá rychlost 0,7 0,6

100 g

150 g

0,5 0,4

50 g

0,3

hmotnost vozíku 250 g

0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3 čas [s]

28

0,4

0,5

0,6

Mechanika

Z grafů je patrné, že směrnice rychlosti je rostoucí a zrychlení je pro daný poměr hmotností vozíku a tělesa zavěšeného přes kladku konstantní a odpovídá teoretické hodnotě podle vztahu

kde

je hmotnost závaží a

je hmotnost vozíku.

To, že pro hmotnosti závaží 100 g a 150 g není graf závislosti zrychlení na čase konstantní je dáno tím, že dráha pro těleso přes kladku nebyla dostatečně dlouhá. b) Hmotnost vozíku 250 g, 500 g a 750 g, hmotnost závaží zavěšeného přes kladku 50 g

29

Mechanika

okamžitá rychlost okamžitá rychlost [m.s-1]

0,7

250 g

0,6 0,5

500 g

0,4

750 g

0,3 0,2 0,1

hmotnost závaží přes kladku 50 g

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

čas [s]

Z grafu je patrné, že opět zrychlení vozíku je konstantní. Oblasti, kdy se závaží přes kladku pohybovalo, jsou časově posunuté. Je to způsobeno vypuštěním vozíku v jiné časové okamžiky. Vozík o hmotnosti 250 g projížděl dráhu v čase 1,9 s – 2,2 s, vozík o hmotnosti 500 g jí projel v čase 1,72 s – 2,00 s a konečně vozík o hmotnosti 750 g v čase 1,36 s – 1,800 s.

30

Mechanika Název pokusu: 2. Newtonův pohybový zákon Cíl pokusu: demonstrace závislosti výsledné síly působící na pružinový oscilátor na zrychlení. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, čidlo síly, pružiny, závaží, stojan, čtverec z tvrdého papíru Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Na stojan zavěste čidlo síly, na ně zavěste pružinu a na ní závaží. Pod závaží postavte čidlo polohy a obě čidla připojte k Xploreru. Vždy jakmile zavěsíte na pružinu závaží nezapomeňte stisknout tlačítko ZERO, aby došlo k vynulování čidla a v rovnovážné poloze tak byla zaznamenána nulová výsledná síla působící na těleso.

31

Mechanika

Pokud chcete měřit tlumený kmitavý pohyb, přiložte na závaží čtverec vystřižený z tvrdého papíru. Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení. Výsledné měření: Všechna měření jsem prováděl pro závaží o hmotnosti 50 g zavěšené na pružině a pro 4 různé pružiny lišící se délkou nebo tuhostí. Všechna měření jsem prováděl dvakrát. Jednou pro netlumené kmitání a podruhé pro tlumené kmitání. Zde jsou prezentovány jen výsledky pro pružinu č.1 a netlumené kmitání. Poznámka: kmitání tělesa na pružině bez papírového čtverce považuji pro tento pokus za netlumené kmitání.

32

Mechanika Pružina č.1, netlumené kmitání (závaží 50 g, pružina 10 g) zrychlení / m.s-2

výsledná síla F naměřená / N

-0,644 -1,074 -1,397 -1,290 -1,183 -1,291 -0,861 -0,323 0,000 0,323 0,646 1,291 1,076 1,613 1,182 1,182 0,644 0,429 0,107

-0,029 -0,058 -0,087 -0,087 -0,087 -0,058 -0,058 -0,029 0,000 0,029 0,029 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,029 0,029 0,000

Graf závislosti síly na poloze

33

výsledná síla F´ vypočítaná dle vzorce F´ = m.a -0,039 -0,064 -0,084 -0,077 -0,071 -0,077 -0,052 -0,019 0,000 0,019 0,039 0,077 0,065 0,097 0,071 0,071 0,039 0,026 0,006

F - F´ 0,0098 0,0066 -0,0029 -0,0093 -0,0157 0,0197 -0,0061 -0,0095 0,0000 0,0095 -0,0098 -0,0197 -0,0067 -0,0390 -0,0131 -0,0131 -0,0098 0,0031 -0,0064

Mechanika Graf závislosti síly na rychlosti

Graf závislosti síly na zrychlení

Z naměřených hodnot vyplývá, že opravdu závislost síly na výchylce a síly na zrychlení je lineární.

34

Mechanika Název pokusu: 3. Newtonův pohybový zákon Cíl pokusu: ověření platnosti zákona akce a reakce v různých situacích. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, 2x čidlo síly, závaží, stojan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 10 minut

Na stojan zavěste čidlo síly a do něj zaklesněte druhé čidlo síly. Nyní můžete začít táhnout čidlem síly, které držíte v ruce. Před započetím pokusu nezapomeňte u obou čidel vynulovat hodnoty, které ukazují čidla pomocí tlačítka ZERO.

35

Mechanika

Stejný pokus proveďte pro situaci, kdy obě čidla síly držíte v rukou.

Poslední situace odpovídá táhnutí tělesa po podložce. Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení.

36

Mechanika Výsledné měření: a) Jedno čidlo na stojanu, druhé v ruce

b) Obě čidla v rukou

37

Mechanika c) Jedno čidlo na podložce se zátěží a druhé v ruce

Otázka: Proč nejsou grafy pro obě čidla úplně stejné?

Odpověď: Důvodem je, že nebyla provedená kalibrace čidel. Po provedení kalibrace čidel byl rozdíl naměřených hodnot 0,1 N. Měřící rozsah čidla je 50 N. Nicméně je vidět, že obě síly (akce a reakce) se mění v čase stejně.

38

Mechanika Název pokusu: Zákon zachování hybnosti Cíl pokusu: ověření platnosti zákona zachování hybnosti ve dvou různých situacích. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, vozíčková dráha, 2x vozík, čidlo polohy, optická brána, zarážka Časová náročnost na přípravu pokusu: 30 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Na vozíčkovou dráhu umístěte na jednu stranu čidlo polohy a na druhou stranu optickou bránu a zarážku. Na dráhu postavte dva vozíky. Na každý vozík potom můžete ještě vkládat závaží o hmotnosti 250 g. Samotný vozík má hmotnost také 250 g.

39

Mechanika

Čidlo polohy pouze nasuňte na konec vozíčkové dráhy. Zde bohužel není možné kvůli měření dát zarážku a proto pro měření pohybu vozíčků od středu na konce dráhy musíte vozík zastavit rukou.

Dráhu nezapomeňte pomocí stavěcích šroubů ustavit do roviny.

40

Mechanika

Na vozík, který bude projíždět optickou bránou, musíte nasunout panel se značkami, které odečítá čidlo optické brány. Podle výšky brány na stojanu nastavujete, jaká řada bude při průjezdu vozíčku snímána. Já jsem pro toto měření používal horní řadu.

Každý vozík má pružinu, kterou je možné stlačit různou silou a při stlačení tlačítka (viz obr.) dojde k vystřelení pružiny a vozík se začne pohybovat. Toto jsem využil pro první typ měření. Vozíky jsou uprostřed dráhy a při stisknutí tlačítka se začnou pohybovat směrem od sebe.

41

Mechanika

Druhý typ měření jsem prováděl tak, že jsem červený vozík poslal proti stojícímu modrému vozíku. Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení.

Výsledné měření: Oba typy měření jsem prováděl opakovaně a měnil při tom hmotnosti obou vozíků pomocí přídavných závaží. Čidlo polohy měřilo polohy, rychlost a zrychlení modrého vozíku a optická brána pomocí logických stavů měřila rychlost pohybu červeného vozíku. V tomto textu uvedu pouze výběr 2 různých měření pro každý typ měření.

42

Mechanika a) Oba vozíky bez závaží (250 g) jsou odpuzeny uvolněnou pružinou od sebe Následující grafy ukazují závislost polohy, rychlosti a zrychlení na čase pro modrý vozík a závislost logických stavů na čase pro červený vozík. U červeného vozíku jsem použil panel s horní řadou značek, které jsou od sebe vzdálené o 1 cm. Pokud by se tedy červený vozík pohyboval rychlostí 1 m.s-1, musely by být jednotlivé logické stavy od sebe vzdálené časově o 1/100 s.

43

Mechanika Čidlo polohy pro modrý vozík změřilo v čase 2,7812 s okamžitou rychlost 0,88 m.s-1. Optická brána změřila v odpovídajícím čase od počátku pohybu obou vozíků pro červený vozík, že časový rozdíl mezi dvěma odpovídajícími logickými stavy je 0,011658 s. Rychlost červeného vozíku je tedy

b) Červený vozík bez závaží (250 g) a modrý vozík s jedním závažím (500 g) jsou odpuzeny uvolněnou pružinou od sebe

44

Mechanika

Čidlo polohy pro modrý vozík změřilo v čase 2,2619 s okamžitou rychlost 0,55 m.s-1. Optická brána změřila v odpovídajícím čase od počátku pohybu obou vozíků pro červený vozík, že časový rozdíl mezi dvěma odpovídajícími logickými stavy je 0,009766 s.

Rychlost červeného vozíku je tedy

Výsledek tedy odpovídá tomu, že modrý vozík má dvojnásobnou hmotnost oproti červenému vozíku.

Podle teorie totiž platí zákon zachování hybnosti, který říká, že hybnosti modrého i červeného vozíku musí být stejné. Má-li tedy modrý vozík dvojnásobnou hmotnost, musí se pohybovat poloviční rychlostí oproti červenému vozíku.

45

Mechanika

V následující tabulce uvádím přehled naměřených rychlostí pro různá měření.

modrý vozík červený vozík m/g m/g 250 500 750 250 250

250 250 250 500 750

modrý vozík v/m.s-1

červený vozík naměřená v/m. s-1

červený vozík teorie v/m. s-1

rozdíl v/m. s-1

rozdíl v/%

0,88

0,858

0,880

0,022

0,55 0,40 1,09 1,13

1,023 1,103 0,492 0,357

1,100 1,200 0,545 0,376

0,077 0,097 0,053 0,019

2,56 7,53 8,79 10,77 5,32

Rozdíl v naměřených hodnotách oproti teorii byl zřejmě způsobený nedokonalým vyvážením vozíčkové dráhy.

46

Mechanika Název pokusu: Smykové tření Cíl pokusu: demonstrace závislosti velikosti třecí síly na hmotnosti tělesa a kvalitě povrchu. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo síly, 3x dřevěný kvádr, různé povrchy Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 20 minut

Připravte si různé povrchy, po kterých budete táhnout přes čidlo síly dřevěné kvádry. Různých povrchů použijte co nejvíce. Ve školní sadě pro smykové tření se nachází 5 různých povrchů.

47

Mechanika

Měření provádějte nejenom pro různé povrchy, ale i pro různé hmotnosti tělesa.

48

Mechanika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení.

Výsledné měření: Všechna měření jsem prováděl pro různé hmotnosti tělesa, tj. pro 1, 2 a 3 dřevěné kvádry na sobě a pro 5 různých povrchů. Závislost třecí síly na přítlačné síle

, tj. na hmotnosti, uvedu pouze pro povrch č. 5.

Závislost třecí síly na povrchu, tj. na součiniteli smykového tření , uvedu do jednoho grafu pro všechny povrchy.

a) Závislost velikosti třecí na hmotnosti tělesa

Z grafu je zřejmé, že velikost třecí síly je přímo úměrná hmotnosti tělesa.

49

Mechanika b) Závislost velikosti třecí na povrchu

Jednotlivé povrchy: - povrch č. 1 – hladká dřevotříska - povrch č. 2 – drsná dřevotříska - povrch č. 3 – smirkový papír - povrch č. 4 – koberec - povrch č. 5 – molitan

Z grafu je zřejmé, že velikost třecí síly je přímo úměrná drsnosti povrchu.

50

Mechanika Název pokusu: Zákon zachování mechanické energie Cíl pokusu: ověření platnosti zákona zachování mechanické energie. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, vozíčková dráha, vozík, čidlo polohy, zarážka Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 20 minut

Na vozíčkovou dráhu umístěte na jednu stranu čidlo polohy a na druhou stranu zarážku. Na dráhu umístěte vozíky a na straně čidla polohy zvedněte do výšky.

51

Mechanika

Vozík s vytaženým pístkem umístěte na dráhu ke konci se zarážkou. Stiskněte tlačítko pro započetí sběru dat a po několika sekundách vypněte. Tímto jste zaznamenali vzdálenost od čidla pohybu, která bude určovat vzdálenost, ve které se bude vozík odrážet od zarážky. Nyní zatlačte celý píst do vozíku, umístěte vozík na konec dráhy na zarážku a stiskněte tlačítko na vozíku. Píst se vysune a vozík se bude pohybovat po dráze směrem vzhůru. Sklon nastavte tak, aby se vozík dostal nejblíže max. 15 cm od čidla pohybu. Zatlačte píst do vozíku, vozík umístěte na spodní část dráhy k zarážce, stiskněte tlačítko pro započetí sběru dat a vozík pusťte stisknutím tlačítka na vozíku. Po odrazu od zarážky se bude vozík pohybovat vzhůru, potom zpět dolů na zarážku a tak dále.

Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení.

Výsledné měření: Obě měření jsem prováděl pro úhel sklonu 3° a 7°. Úhel sklonu jsem měřil úhloměrem.

52

Mechanika a) Úhel sklonu dráhy 3°

Z grafu vyberu hodnoty pro případ, kdy už se vozík pohyboval s vysunutým pístem. To byla vzdálenost 1,707 m. Ze vzdálenosti d a úhlu sklonu tratě θ vypočítám maximální výšku h, které vozík dosáhl.

Vzdálenost je tedy 1,504 m.

53

Mechanika Výška, do jaké se dostane vozík:

Potenciální energie

Z grafu určím počáteční rychlost vozíku.

Potom kinetická energie

54

Mechanika Z grafu jsem odečetl hodnoty. vzdálenost / m 1,504 1,021 0,505 0

čas / s 1,045 1,4436 2,0021 3,3606

rychlost / m.s 1,36 1,04 0,78 0

Potom je možné vypočítat potenciální a kinetickou energii ve vzdálenosti 1/3 a 2/3 dráhy. výška s / m 0,000 0,026 0,054 0,079

Ep / J 0,000 0,065 0,131 0,193

Ek / J 0,231 0,135 0,076 0,000

Ec / J 0,231 0,200 0,207 0,193

Z poslední tabulky je vidět, že část energie se v průběhu pohybu ztrácí.

b) Úhel sklonu dráhy 7° Z grafu jsem odečetl hodnoty. vzdálenost / m 0,888 0,651 0,298 0

čas / s 1,8836 2,0829 2,4419 3,2411

rychlost / m.s 1,22 1,10 0,78 0,00

Potom je možné vypočítat potenciální a kinetickou energii ve vzdálenosti 1/3 a 2/3 dráhy. výška s / m 0,000 0,016 0,034 0,047

55

Ep / J 0,000 0,038 0,084 0,114

Ek / J 0,186 0,151 0,076 0,000

Ec / J 0,186 0,190 0,160 0,114

Molekulová fyzika Název pokusu: Izotermický děj Cíl pokusu: demonstrace platnosti závislosti tlaku na objemu u izotermického děje. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo tlaku, hadička a injekční stříkačka (obsaženo u čidla tlaku) Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 5 minut

Umístěte čidlo tlaku do Xploreru, připojte hadičkou injekční stříkačku a tlačítkem start spusťte měření závislosti tlaku na čase.

56

Molekulová fyzika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření:

tlak (kPa)

V průběhu času tlačte píst injekční stříkačky a vždy po určitých úsecích daných měřící stupnicí na stříkačce vyčkejte pro pozdější určení tlaku. V každém z těchto míst odečtěte z grafu tlak uvnitř stříkačky a k tomu si poznačte objem tohoto prostoru. Následně sestrojte graf závislosti tlaku na objemu (p-V diagram). Získáte tak křivku, která odpovídá této závislosti v případě izotermického děje – izotermu. Totéž vyzkoušejte při jiné teplotě.

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

teplota 22,4°C teplota -7,5°C

0

5

10

15 objem (ml)

57

20

25

30

Molekulová fyzika Název pokusu: Izochorický děj Cíl pokusu: demonstrace platnosti závislosti tlaku na teplotě u izochorického děje. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo tlaku, hadička a injekční stříkačka (obsaženo u čidla tlaku), čidlo teploty Časová náročnost na přípravu pokusu: 15 minut Délka trvání pokusu: 60 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 20 minut

Umístěte čidlo tlaku do Xploreru a připojte hadičkou injekční stříkačku.

58

Molekulová fyzika

Píst injekční stříkačky nastavte na nějakou hodnotu objemu a dále s ním nehýbejte. Celou stříkačku potom vložte do teplé vody. Čidlo teploty vložte do vody samostatně.

Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení.

59

Molekulová fyzika Výsledné měření:

Po vložení injekční stříkačky do teplé vody se nejprve zvýšil tlak vzduchu uvnitř. Po dosažení hodnoty asi 111 kPa začal postupně klesat a současně klesala teplota. Výsledná křivka je tedy graf závislosti tlaku na teplotě. V p-V diagramu se nazývá izochora.

60

Molekulová fyzika Název pokusu: Adiabatický děj Cíl pokusu: demonstrace platnosti závislosti tlaku na objemu u adiabatického děje. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo teploty, nafukovací balónek Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 5 minut

Umístěte čidlo teploty do nafukovacího balónku dostatečně daleko tak, aby po nafouknutí balónku byl konec čidla co nejvíce uvnitř balónku.

61

Molekulová fyzika

Balónek nafoukněte a pokud to bude možné, zasuňte čidlo teploty ještě hlouběji dovnitř.

Tlačítkem start spusťte měření závislosti tlaku na čase a ostrým předmětem propíchněte balónek.

62

Molekulová fyzika Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: Zasuňte čidlo teploty co nejvíce dovnitř nafukovacího balónku a nafoukněte jej. Při nafukování balónku dojde k zahřátí vzduchu uvnitř balónku a je potřeba počkat na ustálení teploty na hodnotě odpovídající teplotě okolního prostředí.

Jakmile dojde k poklesu teploty, vezměte špendlík a balónek propíchněte. Při tom prasknutí dojde k prudké změně tlaku, objemu i teploty. Získáte tak křivku, která odpovídá této závislosti v případě adiabatického děje – adiabatu (v případě p-V diagramu).

63

Molekulová fyzika Název pokusu: Tání a tuhnutí Cíl pokusu: demonstrace závislosti skupenského tepla tání ledu na množství dodaného tepla. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo teploty, kalíšek, voda Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 180 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 10 minut

Nejprve je potřeba do kalíšku nalít 30 ml vody.

64

Molekulová fyzika

Do kalíšku umístěte čidlo teploty a lepící páskou jej připevněte ke kalíšku, aby nevypadlo dokud voda nezmrzne.

Kalíšek vložte do mrazničky a nechejte tak dlouho, dokud voda nezmrzne. Potom jej vyndejte mrazničky, sondu připojte k Xploreru a začněte měřit závislost změny teploty na čase.

65

Molekulová fyzika Poznámka: na těchto fotografiích je v kalíšku 100 ml vody. S kalíškem nebylo během pokusu vůbec manipulováno. Ani nebyla voda míchána.

Výsledky měření pro 30 ml vody:

Z následujícího měření je vidět, že změna skupenství probíhá při konstantní teplotě, v tomto případě 0°C.

66

Molekulová fyzika Název pokusu: Závislost skupenského tepla tání ledu na přítomnosti soli ve vodě Cíl pokusu: demonstrace skupenského tepla, které je třeba dodat vodě a vodě smíchané se solí pro skupenskou přeměnu. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, 2x čidlo teploty, 2x kalíšek, 0,5 g kuchyňské soli, 2x 30 ml vody Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 180 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 10 minut

Nejprve je potřeba do kalíšků nalít 30 ml vody a do jednoho z nich nasypat a rozmíchat 0,5 g kuchyňské soli. Pro lepší zapamatování toho, ve kterém kalíšku je sůl, je dobré si je označit a nebo použít barevně různé.

67

Molekulová fyzika

Do kalíšků umístěte čidla teploty a lepící páskou je připevněte ke kalíškům, aby nevypadly dokud voda nezmrzne.

68

Molekulová fyzika

Kalíšky vložte do mrazničky a nechejte tak dlouho, dokud voda nezmrzne. Potom je vyndejte mrazničky, sondy připojte k Xploreru a začněte měřit závislost změny teploty na čase. Poznámka: na těchto fotografiích je v kalíšcích 100 ml vody. Před samotným spuštěním měření tlačítkem čidel současně. a) Zmáčkněte tlačítko otevření menu Graf.

, nastavte v menu Xploreru měření dvou

pro návrat do hlavního menu a potom tlačítko

b) Pro otevření nabídky menu Graf stiskněte tlačítko veličin (Two Measurements mode). c) Stiskněte tlačítko

69

pro automatické škálování grafu.

pro

a tlačítkem 4 zvolte měření dvou

Molekulová fyzika Výsledky měření pro 30 ml vody a 0,5 g kuchyňské soli:

Výsledky měření pro 100 ml vody a 1 g kuchyňské soli:

70

Molekulová fyzika Jiný pokus jsem nedokončil. Parametry byly stejné jako ve druhém případě, ale počáteční teploty byly kolem -18°C. Po asi 3800 sekundách přestal Xplorer reagovat (nebyl připojený v elektrické síti) a musel jsem tedy měření ukončit. Nicméně, pokud solí v zimě posypete led, rychle roztaje. Pokud však směs vody a soli necháte zmrznout, sníží se teplota tání na hodnotu menší než 0°C. Jak je vidět z grafu, u zmrzlé směsi vody a soli po 60 minutách teplota vzrostla z -18°C na -2°C.

Poznámka: Tvar grafu pro slanou vodu je dán tím, že sůl způsobí pokles teploty tání pod bod mrazu. V grafu na předchozí straně je vidět, že tato směs netaje při stálé teplotě. Je to zřejmě způsobeno tím, že pro měření byla použitá voda z vodovodu a měření tudíž ovlivnily nečistoty ve vodě. Návrh vylepšení pokusu: použít destilovanou vodu.

71

Molekulová fyzika Název pokusu: Vypařování Cíl pokusu: demonstrace závislosti růstu teploty vody na množství dodaného tepla a toho, že voda se vypařuje při stálé teplotě. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo teploty, konvice, voda Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 30 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 10 minut

Nejprve je potřeba do konvice nalít dostatečné množství vody.

72

Molekulová fyzika Konvici umístěte na hořák, vodu přiveďte k varu a nějakou dobu nechejte vařit. Sondu mějte připojenou k Xploreru a měřte závislost změny teploty na čase.

Výsledky měření:

Toto měření jsem prováděl s vodou v kádince, která byla na hořáku. Proto je doba, než byla voda přivedena k varu dlouhá.

73

Molekulová fyzika Název pokusu: Závislost relativní vlhkosti na teplotě Cíl pokusu: demonstrace závislosti relativní vlhkosti a rosného bodu na teplotě. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo počasí Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Připojení čidla počasí (měří teplotu, relativní vlhkost, absolutní vlhkost, rosný bod, relativní výšku, atmosférický tlak) na Xplorer.

74

Molekulová fyzika Po připojení čidla do Xploreru můžete hned začít měřit. Není třeba žádného nastavení. Pro zahájení měření stiskněte tlačítko start v místnosti a vložte Xplorer ven (na okenní parapet, na balkon, …). Měření nechejte běžet asi 500 sekund. Jakmile budete chtít pokus ukončit stiskněte opět tlačítko start. Naměřená data nezapomeňte v Xploreru uložit. Nyní můžete naměřená data uložit do počítače a zpracovat.

Naměřená data: Závislost teploty na čase 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0

1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361 376 391 406 421 436 451 466

10,0

Pozor: Systém sice měří i ve °C, ale data ukládá ve °F. Proto pro zobrazení grafu z naměřených dat je nutné provést následující přepočet. Přepočet teplot °F = °C x 9/5 + 32 °C = (°F - 32) x 5/9

75

Molekulová fyzika

Závislost atmosférického tlaku na čase

Pozor: Systém opět umožňuje měřit atmosférický tlak v jednotkách hPa, ale data ukládá v jednotkách inch of mercury (palec rtuťového sloupce). Musíte tedy pro zobrazení grafu z naměřených dat provést přepočet. Přepočet jednotek tlaku 1 Pa = 2,953.10-4 Hg

76

1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 417 433 449 465

teplota rosného bodu (°C)

22,0 19,2 17,4 16,4 16,3 16,4 15,6 15,7 16,1 15,8 14,8 14,9 14,8 14,6 14,0 13,0 13,7 13,3 13,4 13,3 13,1 13,3 13,3 13,4 13,5 13,5 13,1 12,9 12,8 12,6

atmosférický tlak (hPa)

Molekulová fyzika

Ukázka grafu v jednotkách hPa. 987,0

986,0

77 985,0

984,0

983,0

982,0

981,0

980,0 teplota (°C)

Závislost teploty rosného bodu na čase

16,0

14,0

12,0

10,0

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

čas (s)

Pozor: Opět budete muset provést přepočet ze °F na °C.

Molekulová fyzika Pokud srovnáte tento graf s grafem závislosti absolutní vlhkosti na čase vidíte, že mají stejný průběh. Z tohoto srovnání vyplývá, že teplota rosného bodu závisí na množství vodních par ve vzduchu. 13 14,0

teplota rosného bodu (°C)

11 10 9 8 7

10,0 8,0 6,0 4,0

6

2,0 1 38 75 112 149 186 223 260 297 334 371 408 445

5 čas (s)

78

12,0

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 401 441

absolutní vlhkost (g/cm3)

12

čas (s)

Molekulová fyzika Název pokusu: Závislost teploty vzduchu na materiálu povrchu Cíl pokusu: demonstrace závislosti teploty vzduchu na tom, zda měříme teplotu vzduchu ve výšce 1 m nad trávou, asfaltem nebo dlažbou nebo v blízkosti obydleného objektu. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo teploty Časová náročnost na přípravu pokusu: 15 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 10 minut

1

3

2

4

Umístěte čidlo teploty do Xploreru a ve výšce 1m začněte měřit teplotu vzduchu nad různými povrchy.

79

Molekulová fyzika

Nejprve si připravte seznam míst, na kterých budete měřit. Nastavení Xploreru pro měření: a) Připojte čidlo teploty, stisknutím tlačítka otevřete menu Senzory (Senzors). b) Pomocí tlačítka tlačítkem

zobrazte hlavní menu a tlačítkem

otevřete nabídku a zvolte manuální režim pomocí šipek a potvrďte

.

c) Otevře se nabídka vlastností měření dat. Ověřte, že na první pozici je zvolená možnost „Keyboard Data“ a potvrďte tlačítkem d) Stisknutím tlačítka (Table).

.

zobrazte hlavní menu a tlačítkem

otevřete menu Tabulka

e) Stisknutím tlačítka aktivujte záhlaví tabulky a nastavte do prvního sloupce teplotu a do druhého vkládaná data z klávesnice.

80

Molekulová fyzika

f) Po stisku tlačítka se spustí měření, ale data je ještě nezaznamenávají. g) Přejděte na místo měření, které není pod přímým slunečním svitem, podržte Xplorer s čidlem teploty ve výšce 1 m, počkejte 15 s a stiskněte tlačítko které jste si zvolili na plánku a stiskněte tlačítko zvoleném v přípravě. h) Celkové měření ukončete stisknutím tlačítka

. Nyní zadejte číslo místa,

. Měření nemusíte provádět v pořadí .

Výsledné měření: teplota (°C) 8,6 9,2 9,3 8,9

lokace 1 2 3 4

1 … tráva na zahradě 2 … dlažba na vjezdu 3 … asfaltová silnice 4 … travnatý pás na vjezdu Poznámka: Měření bylo prováděno ve 13:00. Všechna místa byla od rána ve stínu a teploty změřeny v rozmezí 5 minut. Auta nebyla nejméně 12 hodin před měřením v pohybu.

81

Mechanika kapalin Název pokusu: Hydrostatický tlak Cíl pokusu: ověření platnosti vztahu pro určení hydrostatického tlaku. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo tlaku, 2x odměrný válec, 2x kádinka, voda, líh Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 20 minut

Pro měření si nachystejte 2 odměrné válce a 2 kádinky. Do odměrného válce a kádinky nalijte vodu tak, aby v obou nádobách byla hladina ve stejné výšce. Totéž proveďte i pro líh.

82

Mechanika kapalin

Do Xploreru zapojte čidlo tlaku, spusťte měření a hadičku zasunujte do obou nádob.


Výsledné měření: Ve všech měřeních jsem používal nádoby, ve kterých byla hladina ve stejné výšce. a) Hydrostatický tlak u dna nádoby s vodou a lihem

Z grafu je vidět, že hydrostatický tlak u dna nádoby je v případě vody vyšší než u lihu. Je to dáno tím, že líh má menší hustotu než voda a je to také jediná veličina, která v tomto případě ovlivňuje velikost hydrostatického tlaku. Platí vztah

Výška h i tíhové zrychlení g je u vody i lihu stejné.

83

Mechanika kapalin b) Hydrostatický tlak u dna dvou různých nádob s vodou

Z grafu je vidět, že hydrostatický tlak u dna nádoby je v obou případech prakticky stejný. Rozdíl je způsobený tím, že odměrný válec má podstavec a kádinku tedy bylo nutné podložit, aby měli obě nádoby dna ve stejné výšce a bylo možné nastavit do stejné výšky hladiny. Zřejmě se nepodařilo dokonale vyrovnat úrovně dna. Rozdíl tlaků je

Tomu odpovídá rozdíl výšek

84

Mechanika kapalin c) Hydrostatický tlak u dna nádoby s vodou a vodou se saponátem

Z grafu je vidět, že hydrostatický tlak u dna nádoby je v obou případech stejný.

85

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Spojování rezistorů Cíl pokusu: ověření vztahů pro spojování rezistorů za sebou a vedle sebe. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo napětí a proudu, zdroj, rezistory Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 30 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Ke zdroji stejnosměrného proudu připojte za sebe 3 rezistory o odporech 10 Ω, 20 Ω a 50 Ω. Na každém z nich a v celém obvodu měřte napětí a proud.

86

Elektřina a magnetismus

Ke zdroji stejnosměrného proudu připojte vedle sebe 3 rezistory o odporech 10 Ω, 20 Ω a 50 Ω. Na každém z nich a v celém obvodu měřte napětí a proud.


87

Elektřina a magnetismus Výsledné měření: a) Sériové zapojení rezistorů

Z grafu je dobře patrné, že opravdu při sériovém zapojení více rezistorů všemi prochází stejný proud. V tomto případě o velikosti 0,056 A. Naopak na každém rezistoru je jiné napětí dané velikostí odporu každého rezistoru. Součet napětí na všech rezistorech je roven napětí zdroje, které je v tomto případě 4,415 V.

Celkové napětí potom

Odpor rezistoru pro náhradní schéma obvodu

Proud, který prochází obvodem podle Ohmova zákona

88

Elektřina a magnetismus b) Paralelní zapojení rezistorů

Z grafu je dobře patrné, že při paralelním zapojení více rezistorů je na všech stejné napětí. V tomto případě se hodnoty v obvodu a na jednotlivých rezistorech liší o 0,01 V, což je dáno zřejmě ztrátami energie. Naopak každým rezistorem prochází jiný proud daný velikostí odporu každého rezistoru. Součet proudů, procházejících všemi rezistory je v tomto případě 0,594 A.

Celkový proud potom

Odpor rezistoru pro náhradní schéma obvodu

Napětí podle Ohmova zákona

Odchylky naměřených a vypočítaných hodnot jsou v tomto případě způsobené zřejmě tím, že výsledný odpor má hodnotu pouze a tudíž na rozdíl od sériového zapojení ovlivňuje měření odpor ampérmetru, který má odpor .

89

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Voltampérová charakteristika polovodičové diody Cíl pokusu: demonstrace závislosti proudu na napětí polovodičové diody a fotodiody v propustném a závěrném směru. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo napětí a proudu, dioda 3NZ 70 a KY 132/150, fotodioda 1 PP 75 Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte diodu do elektrického obvodu nejprve v propustném a potom v závěrném směru (viz další foto), regulujte napětí zdroje stejnosměrného proudu a měřte napětí na diodě a proud v obvodu.

90


Dále zapojte do obvodu fotodiodu.

91

Elektřina a magnetismus Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: Měření V-A charakteristiky jsem prováděl pro dvě různé polovodičové diody, 3NZ 70 a KY 132/150 a fotodiodu 1 PP 75. Měřil jsem je vždy v propustném a závěrném směru. Na fotografiích je kladný pól zdroje vpravo.

a) Dioda 3NZ 70 Schéma zapojení V

A -

+

propustný směr

V

A -

+

závěrný směr

92


polovodičová dioda 3NZ 70 1,20 1,00 proud [A]

0,80 0,60 0,40 0,20 -6

b) Dioda KY 132/150 Schéma zapojení V

A -

+

propustný směr

V

A -

+

závěrný směr

93

-4

0,00 -2 0 -0,20 napětí [V]

2


proud [A]

polovodičová dioda KY 132/150

-8

-6

-4

-2 napětí [V]

c) Fotodioda 1 PP 75 Schéma zapojení V

A -

+

propustný směr

V

A -

+

závěrný směr

94

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 0

2


proud [A]

fotodioda 1 PP 75

-5,00

95

-4,00

-3,00

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 -2,00 -1,00-0,10 0,00 napětí[V]

1,00

2,00

3,00

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Voltampérová charakteristika rezistoru, žárovky a termistoru Cíl pokusu: demonstrace závislosti proudu na napětí rezistoru, žárovky a termistoru. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo napětí a proudu, rezistor, žárovka, termistor Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte nejprve rezistor, potom žárovku a nakonec termistor do elektrického obvodu, regulujte napětí zdroje stejnosměrného proudu a měřte napětí na rezistoru/žárovce/termistoru a proud v obvodu.

96


Žárovka

Termistor.

97

Elektřina a magnetismus Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: a) Rezistor Schéma zapojení V

A -

+

b) Žárovka Schéma zapojení V

A +

98

-

Elektřina a magnetismus c) Termistor Schéma zapojení V

A +

99

-

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Zatěžovací charakteristika zdrojů Cíl pokusu: demonstrace závislosti napětí na proudu zdrojů napětí. Určeno pro: nižší a vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo napětí a proudu, reostat, vypínač, plochá baterie, akumulátor, stejnosměrný zdroj Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte nejprve plochou baterii a potom akumulátor do elektrického obvodu, regulujte napětí pomocí reostatu a měřte napětí na ploché baterii/akumulátoru a proud v obvodu.

100


Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: Schéma zapojení

101

Elektřina a magnetismus a) plochá baterie

napětí [V]

plochá baterie 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,8

1

1,2

proud [A]

Zkratový proud má hodnotu přibližně

b) akumulátor

akumulátor 6,5 6,48 napětí [V]

6,46 6,44 6,42 6,4 6,38 6,36 0

0,2

0,4

0,6 proud [A]

102


Zkratový proud má hodnotu přibližně

103

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Obvod střídavého proudu s odporem Cíl pokusu: demonstrace fázového posunutí časových průběhů napětí a proudu v obvodu střídavého proudu s odporem. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, RC generátor, čidlo napětí a proudu, rezistor Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte rezistor do elektrického obvodu střídavého proudu a měřte napětí na rezistoru a proud v obvodu.

Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: Obvod sestavte podle následujícího schématu. V

A

104


Z grafu je vidět, že fázový posun časových průběhů napětí a proudu je roven nule.

105

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Obvod střídavého proudu s indukčností Cíl pokusu: demonstrace fázového posunutí časových průběhů napětí a proudu v obvodu střídavého proudu s indukčností. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, RC generátor, čidlo napětí a proudu, cívka, jádro Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte cívku do elektrického obvodu střídavého proudu a měřte napětí na cívce a proud v obvodu.

106


Cívku proměřte v obvodu nejprve bez jádra a potom s jádrem.


Výsledné měření: Obvod sestavte podle následujícího schématu.

V

A

107

Elektřina a magnetismus a) cívka bez jádra

Z grafu je vidět, že fázový posun časových průběhů napětí a proudu je nenulový, ale ještě není roven . a) cívka s jádrem

Z grafu je vidět, že fázový posun časových průběhů napětí a proudu je roven a tudíž proud se zpožďuje za napětím.

108

Elektřina a magnetismus Název pokusu: Obvod střídavého proudu s kapacitou Cíl pokusu: demonstrace fázového posunutí časových průběhů napětí a proudu v obvodu střídavého proudu s kapacitou. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, RC generátor, čidlo napětí a proudu, kondenzátor Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte kondenzátor do elektrického obvodu střídavého proudu a měřte napětí na kondenzátoru a proud v obvodu.


Výsledné měření: Obvod sestavte podle následujícího schématu.

V

A

109


Z grafu je vidět, že fázový posun časových průběhů napětí a proudu je roven proud předbíhá napětí.

110

a tudíž

Elektromagnetické záření a jeho energie Název pokusu: Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti od světelného zdroje Cíl pokusu: demonstrace závislosti intenzity osvětlení na vzdálenosti od světelného zdroje (žárovky). Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, zdroj stejnosměrného proudu, žárovka (6 V), čidlo osvětlení, čidlo pohybu, vozík Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte žárovku do obvodu stejnosměrného proudu a umístěte ji na vozík. Na jednu stranu umístěte vozík se žárovkou a na druhou čidla pohybu a osvětlení.

111

Elektromagnetické záření a jeho energie

Nyní spusťte měření tlačítkem start a pohybujte vozíkem směrem k čidlům pohybu a osvětlení. Mějte na paměti, že ve vzdálenosti menší než 15 cm už čidlo pohybu neměří přesně.

112

Elektromagnetické záření a jeho energie Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení.

Výsledné měření:

Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Výsledná závislost by měla být při vynesení závislosti osvětlení na převrácené hodnotě vzdálenosti lineární podle vztahu

kde J … svítivost zdroje E … intenzita osvětlení r … vzdálenost od zdroje

113


závislost intenzity osvětlení na převrácené hodnotě druhé mocniny vzdálenosti 90 80 70

E [lx]

60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40 1/r2 [m]

Aproximace závislosti intenzity osvětlení na vzdálenosti Proložená křivka je exponenciální.

114

50

60

70

Elektromagnetické záření a jeho energie Název pokusu: Závislost napětí fotodiody na intenzitě osvětlení Cíl pokusu: demonstrace závislosti napětí fotodiody na intenzitě osvětlení. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, zdroj stejnosměrného proudu, čidlo napětí a proudu, fotodioda, žárovka, čidlo osvětlení Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 20 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 30 minut

Zapojte žárovku do obvodu stejnosměrného proudu. K žárovce přistavte fotodiodu, ke které připojte čidlo napětí.

115


Z druhé strany přiložte k žárovce čidlo osvětlení kombinované s voltmetrem. Připojte tento voltmetr k žárovce a způsob snímání osvětlení nastavte na tlačítko se symbolem žárovky. Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádné nastavení. Výsledné měření: Obvod sestavte podle následujícího schématu. V

V +

116

-

Elektromagnetické záření a jeho energie Závislost napětí fotodiody na intenzitě osvětlení

Závislost intenzity osvětlení na napětí žárovky

117

Mechanické kmitání Název pokusu: Určení tuhosti pružiny harmonického oscilátoru Cíl pokusu: demonstrace časového průběhu výchylky u harmonického oscilátoru pro netlumené a tlumené kmitání a určení tuhosti pružiny. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, čidlo síly, stojan, pružiny, těleso Časová náročnost na přípravu pokusu: 20 minut Délka trvání pokusu: 30 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 40 minut

Na stojan umístěte čidlo síly a na něj zavěste těleso na pružině, pod těleso umístěte čidlo polohy. Do Xploreru umístěte čidla síly a polohy (viz fotografie) a měřte závislost výchylky na čase pro pružiny různých tuhostí a pro tlumené a netlumené kmitání. Pro tlumené kmitání připevněte na těleso čtvereček papíru. Kmitání pouze tělesa na pružině budeme považovat za natlumené.

118

Mechanické kmitání


119

Mechanické kmitání Výsledné měření: Všechna měření trvala 50 s, s jedním stejným závažím na 4 různých pružinách, vždy v netlumeném a tlumeném stavu. Pro každé měření jsem zaznamenal i závislost rychlosti a zrychlení na čase a velikost síly, jakou působila pružina s tělesem na závěs. Pro každé měření jsem vypočítal tuhost pružiny podle vztahu . Pružina č.1

Perioda kmitání je Hmotnost tělesa je

. .

Poznámka: Před každým měřením, když je těleso zavěšené na pružině v klidu, je dobré vynulovat senzor síly tlačítkem, které je na senzoru. Z toho důvodu má v grafu závislosti síly na čase síla v rovnovážné poloze hodnotu 0 N. Tuhost pružiny je tedy

120


Srovnání časové závislosti výchylky na čase netlumeného a tlumeného kmitání.

121

Mechanické kmitání Detail časové závislosti výchylky.

Srovnání periody kmitání a tuhosti pružiny

pružina č.1 pružina č.2 pružina č.3 pružina č.4

122

T (s)

tuhost pružiny (N.m-1)

0,8 0,56 0,76 0,52

30,81 62,88 34,14 72,93

Mechanické kmitání Název pokusu: Odvození vztahu pro určení periody kmitání matematického kyvadla Cíl pokusu: demonstrace poznatku, že perioda kmitání matematického kyvadla závisí pouze na délce závěsu. Určeno pro: vyšší gymnázium Pomůcky: Xplorer GLX, čidlo polohy, čidlo síly, stojan, pružiny, těleso Časová náročnost na přípravu pokusu: 30 minut Délka trvání pokusu: 30 minut Časová náročnost počítačového zpracování dat: 40 minut

Na stojan umístěte kyvadlo a v ose kyvu kyvadla umístěte čidlo polohy. Do Xploreru umístěte čidlo polohy (viz fotografie) a měřte závislost výchylky na čase pro různé délky závěsu a různé hmotnosti tělesa umístěného na závěsu.

123


Původně jsem pro určení periody používal optickou bránu, která počítala logické stavy průchodu tělesa bránou. Později jsem ji však odstranil, protože způsobovala nedokonalost v zaznamenávání polohy tělesa.

Nastavení Xploreru pro měření: Není třeba žádného zvláštního nastavení. Výsledné měření: Všechna měření jsem prováděl pro délku závěsu 0,25 m, 0,5 m a 1 m. U každé délky závěsu jsem provedl měření pro dvě různé hmotnosti tělesa: 50 g a 100 g.

124

Mechanické kmitání a) Délka závěsu

.

Z grafů je patrné, že jak pro různé výchylky, tak pro různé hmotnosti tělesa, je perioda kmitání kyvadla stále stejná.

125


.


Nedokonalost grafu je způsobená tím, že se těleso při pohybu dostalo z měřícího pole čidla.

126


.


127

Mechanické kmitání Všechna provedená měření dokazují, že parametrem, který ovlivňuje periodu kmitání kyvadla je délka závěsu a tíhové zrychlení.

Graf závislosti periody kmitání na délce závěsu: délka závěsu l (m) 0,25 0,5 1

perioda T (s) 1 1,4 2

2,5

perioda [s]

2 1,5 1 0,5 0 0

0,2

0,4

0,6 délka závěsu [m]

Platí tedy vztah

128

0,8

1

1,2

Závěr

Věřím, že tento soubor pokusů se pro Vás stane návodem a inspirací pro provádění pokusů při výuce i bez použití laboratorního počítačového systému. Přeji Vám hodně příjemných chvil při provádění experimentů ve škole.

129

Mgr. Michal Vodička. IT podpora reálného fyzikálního experimentu

Recommend Documents