(případně bavlny :-) Náměty na „miniprojekty“ pro Hraštici 2011 (L. D., 2. verze, 3. 5. 2010) Úvodní poznámka: No, to jsem si dal, takovéhle téma! Tam se vejde skoro všechno. Jak proboha nějak roztřídit všemožná témata? Zkusíme to podle druhů vln, vždy připíšeme pár námětů, co by šlo zkoumat, a pak uvidíme. (3.5. připsáno pár dodatků)
A. Druhy vln a vlnění 1. Mechanické a) Zvukové (včetně vlnění v pevných látkách) Zkoumat lze např: • Rychlost zvuku (v různých prostředích) • Odrazy • Ohyb na rozhraní (např. balón s CO2 má fungovat jako čočka…) b) Na struně, na gumičce • Odpovídá rychlost šíření vln teoretickému vztahu? • Jak je tomu s odrazem při přechodu mezi tlustou a tenkou gumičkou? • Šlo by udělat konec, na němž by se postupná vlna neodrážela? c) Na vodě (gravitační a kapilární vlny) • Změřit rychlost vln na rybníce. Jak závisí na frekvenci? (Tedy jaký je vztah mezi frekvencí a vlnovou délkou?) • Měření rychlosti zkusit pro vlnu na mělké a na hluboké vodě. • Jaké je chování vlny když najíždí na břeh? (Čili: namodelujte tsunami.) • Chování vln o malé vlnové délce (kdy jde o kapilární vlny) by mohlo jít zkoumat i v umyvadle. (Což nasnímat video fotoaparátem, případně vysokorychlostním?) 2. Elektromagnetické a) Velmi dlouhé vlny (akustických frekvencí) • Chytat ionosférické hvizdy? b) Radiové vlny (dlouhé, střední, krátké) • Postavit rádio (krystalku). • Zkusit postavit oscilátor a vysílat třeba na středních vlnách. • • •
(Jen chvilku a na malou vzdálenost, abychom někomu nerušili příjem.)
Zkusit využít rámovou anténu ke zlepšení citlivosti radiopřijímače. Z parametrů solenoidu a deskového kondenzátoru, které tvoří laděný obvod, a z rezonanční frekvence má jít vypočítat rychlost světla. Středovlnné rádio můžeme zkusit dát do Faradayovy klece. Jak moc bude stínit?
1
c) VKV až GHz (mobily, hifi, bluetooth) • Jak moc musí být zavřená Faradayova klec, aby v ní mobil neměl signál? • Ovlivňují blízké vodivé předměty příjem mobilu? • Šlo by nějak směrovat záření, které vysílá a přijímá mobil? • Jde k mobilu přidělat nějakou anténu či jinak zvýšit jeho citlivost? • Čím by šlo detekovat záření mobilu? (LEDkou?) • Jde nějak demonstrovat, že se záření mobilu odráží? • Jde nějak změřit vlnovou délku záření mobilu? • Kolik energie vyzařuje mobil? (Popcorn tím neupražíme, to je vtip, ale něco přece jen vyzařuje…)
d) Mikrovlny • Určení vlnové délky záření v mikrovlnce. • Kolik záření uniká z mikrovlnky? e) Infračervené záření • Čím ho lze detekovat? Zkusme to: (a) Fototranzistorem (b) Digitálním fotoaparátem (c) Webovou kamerou (zkusme ji využít na „noční vidění“) (d) Bezdotykovým IR teploměrem (e) Kusem černého plechu s připojeným digitálním teploměrem (f) Rukou (cítíme sálavé teplo) • Co ho vyzařuje? Zkusme zdroje: (a) Sluneční světlo (b) Zahřáté předměty (Rozžhavený hřebík, drát, plechovka s horkou vodou, ruka…) (c) Infračervené LED • Různé děje (zkusme je jednoduše demonstrovat): (a) Odraz (např. od kovových povrchů) (b) Pohlcování (c) Ohyb, lom, difrakce (d) Polarizace • Vlastnosti (a) Vlnová délka (Pozor, různé detektory jsou citlivé na výrazně různé vlnové délky; různé zdroje vyzařují IR záření výrazně různých vlnových délek!) Vlnová délka by měla jít měřit např. difrakcí na mřížce… (b) Intenzita (Možná by šlo ověřovat nějaké důsledky související se zářením černého tělesa. Například zahřívat procházejícím proudem drát a dívat se, kdy začne být vidět fotoaparátem nebo webovou kamerou.) f)
Optické záření
Abychom nezkoumali celou optiku, můžeme si vybrat jen něco, např.:
• • •
Citlivost oka Můžeme tužkovým laserem něco zahřát? Triboluminiscence (drcení cukru ve tmě vyvolává slabé záblesky; odtrhávání lepicí pásky prý taky – viz ještě dále)
2
g) Ultrafialové záření • Zdroje: (a) UV LED (b) Slunce •
(Šla by nějak difrakcí jednoduše oddělit a zkoumat UV část slunečního záření?)
Efekty: (a) Luminiscence
h) Rentgenové a gama záření Rentgenku asi na Hraštici tahat nebudeme, na druhou stranu odtrhávání lepicí pásky prý generuje i záření v rentgenové oblasti, viz např. http://www.josepino.com/discover/scotch_tape_xrays a http://www.nature.com/nature/journal/v455/n7216/abs/nature07378.html .
3. Radioaktivní záření a) Druhy • Alfa • Beta • Gama • Neutrony • Svazky částic… b) Co by šlo měřit (nejspíš Gamabetou): • Pozadí • Záření z přírodních zdrojů • Co a jak záření pohlcuje…
(Ale asi radši na Hraštici nebudeme vozit žádný zářič, ani školní…)
4. Gravitační vlny Tak tady je to jednoduché – ty na Hraštici určitě nechytíme!
Maximálně bychom mohli postavit model detektoru gravitačních vln využívající principu interferometru, kde bychom místo laserových paprsků využili zvukové vlny. Ale lepší bude měřit něco skutečného…
B. Zdroje, šíření a detektory záření a vln
(Tohle rozdělení nám může dát trochu jiný pohled na náměty na pokusy a měření uvedené už výše, nebo dát inspiraci k dalším experimentům.)
1. Zdroje a) Typy zdrojů (které by šly užívat a zkoumat): • Přirozené • Umělé b) Parametry zdrojů (snad by šly měřit nebo alespoň odhadovat) • Výkon • Směrovost • Frekvenční rozsah 2. Šíření vln a záření (a parametry, které by šly alespoň přibližně měřit): a) Rychlost b) Závislost intenzity na vzdálenosti od zdroje c) Vliv prostředí • Pohlcování • Rozptyl
3
d) Chování na rozhraní • Odraz • Lom • Difrakce 3.
Detekce vln a záření S tím souvisí například:
a) Citlivost detektorů b) Směrovost detektorů c) Antény…
C. Aplikace 1. Přenos informace (komunikace) a) Bezdrátová telegrafie (Můžeme signalizovat opticky, IR zářením, radiovými vlnami…) b) Rozhlas a telefon, mobily, vysílačky… (Můžeme postavit optický nebo IR telefon apod. Ostatně i v nitkovém telefonu se vlastně signál, alespoň zčásti, šíří vlněním…) c) Přenos dat (Kdyby si chtěl někdo přenášet třeba obrázek pomocí zvukových signálů, které by jeden notebook pískal a druhý mikrofonem přijímal, byl by to sice trochu šílený projekt, ale „proti gustu žádný dišputát“, jak říká klasik.) 2. Přenos energie a) Optickým a IR zářením (Ze Slunce, ale třeba i ze zahřátých těles – žárovičky, plechovky s horkou vodou…) b) Další možnosti • Energie přijímaná z vysílače • Zářivka svítící u Lecherových drátů nebo Teslova transformátoru… (Ty ale na Hraštici tahat nebudeme.)
3. Měření a) Laserový dálkoměr (Na jakém principu funguje? Což mu dát do cesty zrcadlo? Jak změří vzdálenost pod vodou?) b) IR teploměr (Jak měří teplotu předmětů s různou pohltivostí?) c) „Měřič elektromagnetického smogu“ 4. Detekce předmětů atd. a) Radar b) Sonar • Prozkoumat vlastnosti sonaru z Verniera • Nešlo by udělat sonar z notebooku, reproduktoru a 1-2 mikrofonů? c) Noční vidění Poznámka: Nepochybně přijdete na řadu dalších námětů. Fantazii se meze nekladou…
4
A, spíše pro legraci, když už jsem k těm vlnám zmínil i bavlnu:
D. Co s bavlnou… 1. Dokáže se vlnit? (Například její vlákno.) 2. Vlastnosti vlákna a) Pružnost b) Pevnost c) Jak tlumí kmity a vlny? (Fungoval by nitkový telefon s bavlněným vláknem?) 3. Vlastnosti tkaniny a) Albedo (čili jak odráží záření různých vlnových délek) b) Membrána z bavlněné tkaniny – jak se vlní? (Resp. jak kmitá?) c) Jak bavlněná tkanina absorbuje IR záření? Atd. atd. (Jen škoda, že pokud vymyslíte něco geniálního kolem vlnící se bavlny, v anglicky mluvících zemích ten fór neocení – když příslušné anglické názvy nemají společné ani jedno písmeno…)
E. Dodatky, co dělat: 1. Měření Stefanovy-Boltzmannovy konstanty (Se žárovičkou, voltmetrem a ampérmetrem – dle návodu Holanďanů z D9len Heuréky; Zdeněk Drozd to dělá se středoškoláky.) 2. Měřit, jak různé sluneční krémy či filtry propouštějí UVA a UVB složku slunečního záření (námět Pavla Böhma; sondy jsou k Vernieru – jde o to, zda bude svítit sluníčko) 3. Útlum světla v mlze či dešti (můj námět – aktuální vzhledem k počasí; šlo by zkusit světlo různých barev, např. lasery červené, zelený a modrý)
5
