Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Experimenty s tlakovými senzory Vernier PAVEL BÖHM KDF MFF UK PĜíspČvek obsahuje námČty na nČkolik experimentĤ s tlakovými senzory Vernier.
Jaké tlakové senzory jsou k dispozici Spoleþnost Vernier [1, 2] nabízí dva tlakové senzory: barometr BAR-BTA a tlakové þidlo GPS-BTA. Senzor BAR-BTA mČĜí s citlivostí zhruba 10 Pa v rozsahu cca 80 kPa až 120 kPa (0,8 až 1,2 atmosféry). Je tedy vhodný pro studium jemných zmČn tlaku vzduchu s poþasím a s nadmoĜskou výškou. Pozorovatelná zmČna nastává dokonce už tehdy, když barometr zdvihneme ze zemČ nad hlavu, kdy je zmČna tlaku pĜibližnČ 20 Pa. Senzor GPS-BTA mČĜí s citlivostí zhruba 50 Pa v rozsahu 0 Pa až cca 200 kPa (0 až 2 atmosféry). Je tedy vhodný pro experimenty, pĜi kterých se tlak výraznČji mČní. Souþástí tlakového senzoru (nikoliv barometru) je doplĖková sada obsahující mimo jiné gumovou zátku, hadiþku a stĜíkaþku se závity pro vzájemné spojování a našroubování na tlakový senzor. DoplĖková sada se dá k barometru pĜikoupit pod kódem PS-ACC. Kam senzory pĜipojit Senzory je tĜeba pĜipojit buć k pĜenosnému dataloggeru LabQuest, nebo pomocí libovolného z rozhraní Vernier [3] k poþítaþi pĜes USB. Výhodou pĜipojení k poþítaþi je možnost promítat hodnoty a grafy dataprojektorem všem studentĤm. S LabQuestem navíc mĤžeme vyrazit do terénu. K rozhraním je zdarma dodáván software Logger Lite, jehož možnosti plnČ postaþují pro základní školu. Pro výuku na stĜední a vysoké škole je vhodné zakoupit Logger Pro, který nabízí mnoho nástrojĤ pro zpracování a analýzu dat (statistika, fitování kĜivek, numerická derivace, vypoþítávání ploch pod grafy, videoanalýza a podobnČ). V nouzi mĤžeme použít volnČ dostupný emulátor LabQuestu, který po pĜipojení rozhraní LabQuest k poþítaþi pĜes USB simuluje na obrazovce dotykový displej tohoto rozhraní. Protože LabQuest, stejnČ jako Logger Pro, obsahuje mnoho nástrojĤ pro zpracování a analýzu dat, lze touto „fintou“ pĜes LabQuest emulátor získat zdarma mnohé z toho, za co bychom jinak u Logger Pro museli platit.
24
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 ZmČna tlaku s výškou nebo hloubkou (a s poþasím) Pro tento experiment je lepší použít senzor BAR-BTA, protože je pČtkrát citlivČjší než GPS-BTA. Závislost tlaku vzduchu na výšce je exponenciální, ovšem pro malé výšky se mČní pĜibližnČ lineárnČ – klesá asi o 10 Pa na metr výšky. MĤžeme tak demonstrovat zmČnu tlaku s výškou pĜímo ve tĜídČ, jak bylo zmínČno výše, ale také lze pomocí barometru napĜíklad mČĜit výšku budovy. Zajímavé je vzít barometr na školní výlet nebo exkurzi do vysokých hor þi hlubokých dolĤ. PĜi práci s barometrem si musíme dát pozor na to, že tlak vzduchu se mČní také v závislosti na poþasí. Tyto zmČny jsou bČžnČ v Ĝádech jednotek pascalĤ za minutu. Dlouhodobé mČĜení tlaku mĤže být zajímavým meteorologickým projektem. Další možností je pĜišroubovat k barometru hadiþku a ponoĜovat ji do rĤzných kapalin (pozor na to, že samotný senzor se nesmí namoþit). MĤžeme tak demonstrovat hydrostatický tlak, hydrostatický paradox nebo nezávislost tlaku v kapalinČ na smČru.
Tlakový senzor s pĜipojenou hadiþkou. Závislost tlaku na objemu (BoyleĤv-MariottĤv zákon) StĜíkaþku z doplĖkové sady PS-ACC nastavíme na 10 ml, pĜišroubujeme k tlakovému senzoru GPS-BTA a ten pĜipojíme k nČkterému z rozhraní Vernier.
Tlakový senzor s pĜipojenou stĜíkaþkou.
25
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 V programu Logger Lite, Logger Pro nebo v LabQuestu zmČníme výchozí zpĤsob mČĜení (þasová základna) na události + hodnoty. V tomto režimu nejsou hodnoty zaznamenávány v pravidelných þasových intervalech, ale pouze tehdy, když stiskneme tlaþítko. NáslednČ jsme dotázání na hodnotu. Spustíme mČĜení a rovnou zaznamenáme první hodnotu, kterou je aktuální atmosférický tlak. Jsme dotázáni na objem, zapíšeme tedy 10. NáslednČ stlaþíme stĜíkaþku na 9 ml, zaznamenáme tlak, zapíšeme 9 a tak dále. Musíme dávat pozor, abychom nepĜekroþili rozsah tlakového þidla (0 až 2 atm). Když se takto dostaneme k hodnotČ 5 ml (a tlaku pĜibližnČ 2 atm), zaþneme naopak píst stĜíkaþky vytahovat a tlak tím snižovat. MĤžeme se z 11 ml dostat postupnČ až na 20 ml. Pokud chceme být peþliví, dáme plynu ve stĜíkaþce vždy pĜed zmČĜením tlaku chvilku þasu na to, aby vyrovnal svoji teplotu s okolím. PĜi stlaþování se totiž zahĜívá, pĜi rozpínání ochlazuje. Proložíme-li namČĜenými body kĜivku, zjistíme, že tlak závisí na objemu nepĜímo úmČrnČ: p =
konst . V
NamČĜená závislost tlaku na objemu. Závislost tlaku na teplotČ (Gay-LussacĤv zákon) Tentokrát nastavíme zpĤsob mČĜení na události místo události + hodnoty, protože druhou hodnotu nebudeme zadávat ruþnČ, ale mČĜit teplomČrem. MĤžeme napĜíklad pĜipojit k poþítaþi souþasnČ s tlakovým senzorem ještČ USB teplomČr Vernier
26
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Go!Temp nebo pĜipojit nČkterý z dalších teplomČrĤ [4] k libovolnému rozhraní, z nichž vČtšina má tĜi a více konektorĤ pro pĜipojování senzorĤ. S tlakovým senzorem spojíme hadiþkou sklenČnou nádobku pĜes nasazenou gumovou zátku. Zátka i hadiþka je souþástí doplĖkové sady PS-ACC, ale sklenČnou nádobku si musíme opatĜit napĜíklad u chemikáĜĤ.
Tlakový senzor s pĜipojenou sklenČnou nádobkou. Nyní promČĜíme tlak pĜi nČkolika rĤzných teplotách. MĤžeme zaþít pĜi pokojové teplotČ a pokraþovat v rĤzných lázních: 0 °C (led s vodou), okolo 90 °C (horká voda z rychlovarné konvice), rĤzné hodnoty mezi 0 °C a 90 °C (mícháním rĤzných množství rĤznČ teplé vody). Je dĤležité vždy dostateþnČ dlouho poþkat, než se teplota i tlak ustálí. V grafu nastavíme jako vertikální osu teplotu a jako horizontální osu tlak. Proložímeli namČĜenými body kĜivku, zjistíme, že tlak je pĜímo úmČrný teplotČ: p = konst ⋅ T . Pokud navíc namČĜená data extrapolujeme k nulovému tlaku, mČla by jít teplota k absolutní nule (-273,15 °C). V praxi se daĜí dosahovat hodnot okolo -300 °C. Výše uvedenými dvČma experimenty jsme získali stavovou rovnici ideálního plynu pĜi konstantním látkovém množství:
pV = konst . T
27
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
NamČĜená závislost tlaku na teplotČ + extrapolace k nulovému tlaku za úþelem zjištČní absolutní nuly.
Odkazy [1] http://www.vernier.cz [2] http://www.vernier.com [3] http://www.vernier.cz/produkty/rozhrani [4] http://www.vernier.cz/produkty/teplotni-cidla
28
