Fyzikální měření s dataloggery Vernier. Stanoviště 1: motion detector ( netopýr )

Přírodovědec – Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědecko výzkumné práci v oblasti přírodních věd reg. č. CZ.1.07/2.3.00/09.0040 http://www.prirodovedec.eu

Fyzikální měření s dataloggery Vernier Materiál pro účastníky projektu k semináři konanému 22. září 2011

Stanoviště 1: motion detector („netopýr“) Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Rozhraní LabQuest, ultrazvukový senzor pohybu motion detektor, míč, hrnek, pružina, kyvadlo (improvizované)

Postup a úkoly • Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. • Měření rychlosti pohybu Detektor měří do vzdálenosti asi 6 m. Změřte rychlost členů vaší pracovní skupiny při pohybu směrem k detektoru a od něho. Pokuste se dosáhnout rovnoměrného resp. rovnoměrně zrychleného pohybu. • Pád míčku Umístěte detektor na židli postavené na lavici a tam ho přidržujte rukou (dejte pozor, aby při pokusu židle nespadla). Pod detektorem podržte balón a nechte ho padat na podlahu. Sledujte průběh pohybu a určete koeficient vzpruživosti pro dopad míčku na podlahu. • Kmity na pružině Upevněte hrníček na pružinu, detektor umístěte pod něj a sledujte (téměř) harmonické kmity. Začněte malými kmity – při velké výchylce by se hrnek mohl uvolnit a rozbít!

i Poznámky Ověřte, v jakém rozsahu detektor měří a jaké faktory ho ovlivňují. Koeficient vzpruživosti je definován podílem velikosti rychlosti míčku po odrazu a před odrazem. Využijte údaje z vícenásobného odrazu a to jak hodnoty rychlosti, tak údaje o výšce, kterou míček dosáhl. Vztah pro určení koeficientu vzpruživosti pomocí dosažené výšky odvoďte, odpor vzduchu zanedbejte, výsledky porovnejte.

1



Stanoviště 2: senzor síly Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Rozhraní LabQuest, senzor síly, deska (soustava na měření smykového tření s úhloměrem), dřevěné hranoly, pružiny, různá závaží, stojan, kyvadlo (improvizované), optická závora, hřeben

Postup a úkoly • Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. • Měření smykového tření na nakloněné rovině Určete koeficient smykového tření pro předmět klasickou metodou pro předmět umístěný na nakloněné rovině. Potřebný vztah pro výpočet odvoďte. • Měření smykového tření posunem po vodorovné rovině Táhněte předměty po vodorovné rovině a pomocí senzoru síly změřte sílu potřebnou na překonání tření. Výsledky porovnejte s předchozí částí. Lze zaznamenat přechod mezi třením v klidu a za pohybu? • Kmity na pružině Upevněte senzor na stojan, zavěste na něj pružinu a studujte harmonické kmity. Vyzkoušejte různé pružiny a různá závaží, určete tuhosti pružin a doby kmitu, ověřte vztah pro frekvenci (dobu kmitu) tělesa o hmotnosti m zavěšeného na pružině o tuhosti k. Začněte malými kmity, postupně je můžete trochu zvětšovat, dejte však pozor na rozsah senzoru! • Kyvadlo Určete dobu kmitu matematického kyvadla a odhadněte hodnotu tíhového zrychlení. Potřebné vztahy odvoďte, popřípadě najděte v tabulkách. Zkuste, jak optická závora reaguje na průchod ruky nebo hřebene při různých rychlostech.

i Poznámky Zvolte rozsah měření senzoru podle hmotnosti závaží nebo použitých předmětů. Uvědomte si, že hmotnosti 1 kg odpovídá tíha 10 N. Při měření s optickou závorou nezapomeňte nastavit správný režim snímání. 2



Stanoviště 3: teploměry Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Rozhraní LabQuest, nerezový teploměr, čidlo povrchové teploty, hrnek, varná konvice, čelenka (šátek), hadr, odměrný válec, uzavřené nádoby

Postup a úkoly • Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. • Soutěž teploměrů Ponořte teploměr do nádoby s horkou vodou (varné konvice po vypnutí). Po chvíli jej vyjměte a sledujte pokles teploty s časem. Jak se průběh změní, když teploměr po vyjmutí osušíme nebo když s ním budeme mávat? Kdy bude teplota klesat nejrychleji a kdy nejpomaleji? • Pokles teploty v uzavřené a otevření nádobě Nalijte horkou vodu do otevřené a uzavřené nádoby a sledujte pokles teploty s časem po dobu několika minut. Využijte LabQuest k nalezení empirické závislosti poklesu teploty na čase. • Účinnost varné konvice Nalijte 0,5 l studené vody, ponořte do ní nerezový teploměr a konvici zapněte. Sledujte nárůst teploty a změřte čas, za který voda začala vřít. Z času a příkonu konvice určete spotřebovanou energii, energii potřebnou na zahřátí 0,5 l vody zjistěte výpočtem, měrné skupenské teplo najděte v případě potřeby v tabulkách. Jaká je účinnost varné konvice? Dejte pozor, aby se teploměr nedotýkal varné spirály! • Frekvence dýchání Umístěte čidlo teploty do otevřených úst (z hygienických důvodů necucat!) a změřte změny teploty při nadechování a vydechování. Určete frekvenci dýchání různých členů vaší skupiny. • Zvýšení teploty při námaze Upevněte povrchové čidlo teploty pod čelenku (šátek), zaznamenejte teplotu a potom měřte teplotu po zdolání schodů z přízemí do nejvyššího patra (případně lze výstup opakovat). Lze zaznamenat zvýšení teploty při zvýšené námaze?

i Poznámky Při manipulaci s horkou vodou buďte opatrní, ať nedojde k opaření!. 3



Stanoviště 4: čidla tlaku Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Rozhraní LabQuest, čidlo barometr, čidlo tlaku plynu a jeho sada, hadička, lahev s vodou, délkové měřidlo (pravítko), hadr

Postup a úkoly • Z návodu k detektorům zjistěte, na jakém principu fungují. • Ověření Boylova-Marriottova zákona Připojte k čidlu GAS PRESSURE SENZOR stříkačku a zaznamenávejte hodnoty objemu a tlaku při stlačování. Nestlačujte na menší než poloviční objem, jinak by vysoký tlak poškodil senzor! • Hydrostatický tlak v PET lahvi Sledujte změnu tlaku při ponořování hadice to PET lahve s vodou. Výpočtem odhadněte, jaká změna by měla odpovídat ponoření o 1 cm. Tlakové čidlo udržujte vždy nad úrovní hladiny vody. Pokud by se do něj dostala voda, dojde k jeho poškození! • Změna tlaku vzduchu s nadmořskou výškou Připojte BAROMETR a položte ho na podlahu. Zjistěte, o kolik se změní tlak při zvednutí do výšky 1 m resp. 2 m, proveďte i odhad výpočtem. Potom zaznamenejte změnu tlaku při chůzi z přízemí do nejvyššího patra, snažte se stoupat co nejrovnoměrněji, nastavte si odpovídající délku měření a vzorkovací frekvenci. Vyhodnoťte, zda lze barometr použít k monitorování nadmořské výšky a zamyslete se nad faktory, které takové měření ovlivňují při pohybu v přírodě. Odhadněte výšku budovy PřF UP. Teoretickým základem měření je barometrický vzorec ) ( ) ( gMm gMm ∆h ≈ p0 1 − ∆h . p = p0 exp − Rm T Rm T

i Poznámky Dejte pozor, abyste použili k daným měřením správná tlaková čidla. Pro ověření Boylova-Marriotova zákona a měření v PET lahvi je vhodné změnit režim záznamu hodnot z časové základny na záznam vybraných hodnot. 4



Stanoviště 5: spektrometr a čidlo osvětlení Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Rozhraní LabQuest, spektrometr, čidlo osvětlení, žárovka, úsporná žárovka, světla na kolo, délkové měřidlo, hadr (papírový kapesník)

Postup a úkoly • Z návodu k detektorům zjistěte, na jakém principu fungují. • Ověření poklesu osvětlení se čtvercem vzdálenosti Připojte LIGHT SENSOR, zvolte vhodný rozsah a zjistěte, jak se změní osvětlení při posunu do dvojnásobné vzdálenosti. Porovnejte intenzitu osvětlení žárovky a úsporné žárovky ve stejné vzdálenosti. Je úsporná žárovka o výkonu 11 W ekvivalentní klasické žárovce 60 W, jak udává výrobce? • Kolísání osvětlení úsporné žárovky Připojte LIGHT SENSOR a nastavte dostatečnou frekvenci záznamu (např. 1000/s). Ukažte, že osvětlení úsporné žárovky kolísá s určitou frekvencí. Odhadněte tuto frekvenci a vysvětlete, s čím je spojena. Určete frekvenci blikání cyklistického osvětlení. • Spektrum Připojte spektrometr a proměřte spektrum různých světelných zdrojů: žárovky, úsporné žárovky, diody, červené diody. Čím se spektra liší?

i Poznámky Úlohu je vhodné provádět v temnější části místnosti, ideálně v temné komoře. Výměnu žárovek provádějte za dozoru vyučujícího a při vypnutém vypínači!. Žárovku přitom držte přes hadřík nebo papírový kapesník.

5



Stanoviště 6 (rezervní): Audacity Z Se všemi pomůckami a přístroji zacházejte opatrně! Z

i Pomůcky Notebook, mikrofon, program Audacity, lahev od sirupu, míč (ping-pongový míček), délkové měřidlo, fén, power-ball

Postup a úkoly • • • • •

Určení frekvence zvuku v lahvi od sirupu; změní se, když zahřejeme vzduch fénem? Frekvence power-ballu Generování signálů, skládání kmitů, rázy Trvání lusknutí prstů, frekvence dopadu balónku na zem Spektrální analýza: určete spektrum kmitů ladičky, sklenice na víno, uzavřené i otevřené píšťaly

i Poznámky Možná sami přijdete na další nápady, co pomocí této metody změřit. Při manipulaci s mikrofonem dejte pozor, ať nestrhnete notebook!

6

Fyzikální měření s dataloggery Vernier. Stanoviště 1: motion detector ( netopýr )

Recommend Documents