J. HubeĖák: Hezká fyzika z poþítaþe
Hezká fyzika z poþítaþe JOSEF HUBEĕÁK Univerzita Hradec Králové Poþítaþ je univerzální nástroj a studenti, žáci a uþitelé jej bČžnČ používají. I když doslouží, je stále zajímavým objektem pro vyuþování fyzice. Také kompaktní disky stárnou a jejich obsah již nepotĜebujeme. Pro fyziku jsou i nadále zajímavé. NejdĜíve jako materiál pro zruþné žáky – ti mohou snadno vyrobit
VČtrník z CD Co budeme potĜebovat? Jeden CD, dvČ ložiska z 5,25" mechaniky, drát o prĤmČru 2 mm, tavné lepidlo a horkovzdušnou pistoli. NĤžkami stĜihneme CD na poloviny a z jedné pĤlky nastĜíháme þtyĜi listy rotoru. Každý list v proudu horkého vzduchu vytvarujeme „do vrtule“ a vlepíme do ložiska. Tím je hotov rotor.
List rotoru Ložisko Do druhého ložiska vetkneme svislou osu vČtrníku, kterou vyrobíme napĜíklad z použitého popisovaþe. Na jeden konec drátu pĜilepíme pĤlku CD jako smČrovku,drát protáhneme svislou osou a nasadíme rotor. VČtrník je hotov.
Na vČtru se krásnČ toþí a barevné efekty, jeho pohyb a zájem kolemjdoucích jsou odmČnou za námahu. Obr. 1. VČtrník
33
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 10
Spektroskop z CD Kompaktní disky CD-R jsou prodávány i po balících (spindl) a horní a spodní disk jsou chránČny pĜed poškozením prĤhledným polotovarem disku, který má nalisovánu vodící drážku. Díky tomu jej lze použít jako mĜížku na prĤhled. S pomocí laserového ukazovátka se známou vlnovou délkou Ȝ = 650 nm a jednoduchého mČĜení lze urþit mĜížkovou konstantu: CD prĤhledný
Max. 1.Ĝádu
L
y
Į Laser
Obr. 2. Schéma mČĜení mĜížkové konstanty CD Pro maximum prvního Ĝádu platí b.sinĮ = Ȝ a z toho
Úhel urþíme z tangenty: tgD
b
O sin D
y L
Pro CD-R bylo takto urþena mĜížková konstanta poþet þar na milimetr
-6
b = 1,529.10 m , -1 N = 654 mm Į = 25,153°
Vypoþtené hodnoty mají chybu pĜibližnČ 6 %, protože vlnová délka použitého laseru je v intervalu 635 až 670 nm a délková mČĜení mají chybu asi 1 %. Pro pĜesná mČĜení se mĜížka se štČrbinami ve tvaru obloukĤ také nehodí. CD tČsnČ k oku
svČtelný zdroj
Obr. 3. Pozorování spektra 34
J. HubeĖák: Hezká fyzika z poþítaþe
PĜesto lze tyto disky použít pro pozorování spektra. PotĜebujeme pouze svČtelný zdroj ve tvaru úzkého obdélníka. Spojité spektrum ukáže pohled na halogenovou žárovku, pro pozorování nespojitého spektra se výbornČ hodí lineární záĜivka. Pozorovatel vidí v pĜímém smČru svČtelný zdroj (nulté maximum) a vlevo a vpravo od nČj v prvním maximu intenzivní spektra. V pĜípadČ CD je patrné i druhé maximum, jen pohled musíme nasmČrovat pod úhlem asi 60°. NČkteĜí výrobci fyzikálních pomĤcek a pĜístrojĤ nabízejí pĜímohledný mĜížkový spektroskop (napĜ. Pierron). S trochou šikovnosti jej zhotoví i studenti: do trubky 15 cm dlouhé s vnitĜním prĤmČrem asi 25 mm dlouhé vložíme x x x x
vstupní štČrbinu (výška 10 mm, šíĜka 1 mm), 3 clonky s otvorem o prĤmČru 10 mm distanþní trubiþky z þerného kartonu mĜížku z CD
MĜížka
Vstupní štČrbina
Clonky Obr. 4. MĜížkový spektroskop
Subjektivní pozorování lze nahradit trvalým záznamem pozorovaného obrazu – digitální fotografií spektra. K tomu postaþí digitální fotoaparát a prĤhledné CD. Není obtížné rozebrat starý filtr a sklo nahradit koleþkem z CD a takový filtr nasadit na objektiv. Snímek halogenové žárovky bude obsahovat spojitá spektra:
Obr. 5. Spojité spektrum halogenové žárovky 35
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 10
Spolu s wolframovým vláknem zde záĜí i kĜemenná trubice a její teplota je uprostĜed nejvyšší. To dává spektru komplikovaný tvar. Jednodušší tvar má sodíková vysokotlaká výbojka a také její spektrum je „þitelnČjší“ :
Obr.6. Spektrum sodíkové vysokotlaké výbojky Zde je vidČt kombinaci pásového, þárového a spojitého spektra argonu, plynného sodíku a rozžhavené korundové trubice. Zajímavá je inverzní þára ve žluté oblasti – tady sodíkové atomy pohlcují þást fotonĤ s vlnovou délkou, typickou pro žluté sodíkové svČtlo nízkotlakých výbojek. Lineární záĜivka má ze všech zdrojĤ svČtla nejlepší tvar pro fotografování spektra:
Obr. 7. Spektrum lineární záĜivky OkamžitČ je vidČt, že luminofory záĜivky svítí modĜe, zelenČ a þervenČ a nČkteré vlnové délky zde zcela chybí. Fotografovat lze ale i maximum druhého Ĝádu.
Anemometr z poþítaþe V poþítaþi nČkdy doslouží harddisk a to je þasto malá tragédie, pokud nemáme zálohu všech dat, která tak zmizí vČtšinou navždy a bez varování. I takový harddisk mĤže fyziku obohatit – pĜíkladem je anemometr, vyrobený z motorku pevného disku.
36
J. HubeĖák: Hezká fyzika z poþítaþe
Rotor je magnetovým kolem z permanentních magnetĤ a stator obsahuje tĜífázové vinutí zapojené u nČkterých typĤ do hvČzdy, u jiných do trojúhelníka. To snadno rozeznáme podle poþtu vývodĤ motorku. Pro anemometr použijeme sdružené napČtí ze dvou vývodĤ. Staþí pĜipojit stĜídavý milivoltmetr (rozsah do 200 mV), rukou R roztoþit motorek a ihned je patrné, že 500 ȍ výstupní napČtí je úmČrné otáþkám. Na motorek pĜipevníme þtyĜi plastové misky, pĜipojíme potenciometr, vhodný konektor a celek umístíme do držáku z plastové trubky. Cejchování je nároþnČjší: potĜebujeme Ĝidiþe, auto a za bezvČtĜí vystrþit anemometr co nejdále od karosérie. Potenciometrem nastavíme údaj milivoltmetru tak, aby pĜi rychlosti -1 -1 36 km.h ukazoval právČ 100 mV a zkontrolujeme, zda pĜi 54 km.h ukazuje 150 mV. Tím jsme hotovi a mĤžeme mČĜit x rychlost bČžce, x rychlost cyklisty, x rychlost malého motocyklu, x rychlost vČtru. Zajímavé bude dlouhodobé mČĜení, kdy digitální multimetr pĜipojíme k poþítaþi a zaznamenáme rychlosti vČtru napĜ. za 24 hodin.
Obr. 8. Anemometr NámČtĤ, jak využít materiál z poþítaþe, je celá Ĝada a objevují se další možnosti. Jak ukazují pĜedchozí stránky, nemusí jít vždy o peþlivá a pĜesná mČĜení. Podstatou je pĜedevším práce s fyzikálním obsahem, vlastní þinnost žákĤ a studentĤ a vytváĜení zájmu o fyziku.
37
