Návrh a realizace úloh do Fyzikálního praktika z mechaniky a termiky DIPLOMOVÁ PRÁCE Studentka: Bc. Lenka Kadlecová Vedoucí práce: Ing. Helena Poláková, PhD.
Aktuálnost zpracování tématu Původně
– Fyzikální praktikum na PF
Od 2014
– Fyzikální praktikum na PřF – budova C
Potřeba ◦ Sestavit nově nakoupené pomůcky ◦ Vytvořit pracovní materiály pro studenty
Cíle diplomové práce 1) Popsat základní znalosti a vědomosti potřebné pro měření a zpracování navržených úloh Fyzikálního praktika z mechaniky a termiky.
2) Sestavit a proměřit navržené úlohy. 3) Vytvořit podrobný návod pro tvorbu a zpracování protokolů navržených úloh.
Způsob řešení DP Fyzikální praktikum z mechaniky a termiky ◦ Celkem 12 úloh ◦ Návody pro 9 úloh ◦ Detailní popis 6 úloh v DP
Výběr: ◦ Inovace ◦ Nepopsané
Způsob řešení DP Jedna úloha = jedna kapitola DP Teoretická část ◦ Popis (shrnutí) teorie ◦ Možnosti měření daného jevu
Způsob řešení DP Praktická část ◦ Analýza zakoupené sestavy ◦ Nastudování, sestavení experimentu ◦ Úpravy experimentu
Problémy měření – kalorimetrická komora Nekompletní návody ◦ Schémata obvodů ◦ Vstupní napětí topného tělesa
Software Cassy lab 2
Problémy měření – kalorimetrická komora Chlazení !
Problémy měření – stavová rovnice ideálního plynu Časová náročnost Úprava: ◦ Sloučit druhou a třetí část měření ◦ Chlazení zkumavky studenou vodou ◦ Kostky ledu
Způsob řešení DP Návod ◦ Úkol, postup měření ◦ Obrázky, grafy, tabulky
Ukázka – návod
Způsob řešení DP Návod ◦ Úkol, postup měření ◦ Obrázky, grafy, tabulky
Kontrolní měření ◦ Neslouží studentům! ◦ Kontrola funkčnosti experimentu
Implementace Účast ve výuce ◦ Letní semestr 2013/2014 ◦ Letní semestr 2014/2015
Zpětná vazba od studentů ◦ Úprava měření ◦ Úprava návodů ◦ Doplnění informací pro tvorbu protokolů
Přínos diplomové práce 1) Popsání základních znalostí a vědomostí pro měření a zpracování šesti vybraných úloh Fyzikálního praktika z mechaniky a termiky
2) Sestavení a proměření vybraných úloh – dokumentace potřebných úprav, rady pro vyučující 3) Vytvoření podrobných návodů pro tvorbu a zpracování protokolů šesti vybraných úloh – Moodle
Možné pokračování Doplnění zbylých šesti úloh Překlad do angličtiny
Děkuji za pozornost
Dotaz 1 – Ing. Helena Poláková, Ph.D. Bezproblémové úlohy:
Problémové úlohy:
Měření tíhového zrychlení
Ověření zákona zachování energie a hybnosti
◦ Reverzní kyvadlo ◦ Volný pád
Měření modulu pružnosti ◦ Tuhost pružin ◦ Průhyb nosníku
◦ Vzduchová dráha s vozíky
Dotaz 2 – Ing. Helena Poláková, Ph.D. Tepelné čerpadlo ◦ Studium principu ◦ Nová úloha
Dotaz 1 – RNDr. Petr Jelínek, Ph.D. 𝑴=𝐽∙𝜶 𝑴…točivý moment, moment síly, [kg ∙ m2 ∙ s-2] 𝐽…moment setrvačnosti, [kg ∙ m2] 𝜶…úhlové zrychlení, [rad ∙ s-2] nebo [s-2]
Dotaz 2 – RNDr. Petr Jelínek, Ph.D. Sluneční záření Přímé ◦ ze Slunce rovnou na kolektor ◦ lze soustřeďovat zrcadly a čočkami
Difúzní ◦ rozptylem přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře ◦ nelze soustřeďovat
Záření = Výkon záření ◦ množství slunečního záření ve Wattech na jednotku plochy Množství záření dopadající na plochu – závislost na prostředí Využitelnost kolektorem – závislost na sklonu (reflexe)
Dotaz 1 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Výpočet momentu setrvačnosti:
Výpočet chyby měření momentu setrvačnosti: 1) Aritmetický průměr tří hodnot času
𝑴=𝐽∙𝜶 𝐽=
𝐽=
𝑟𝑀 ∙ 𝑚𝑀 ∙ 𝒈 𝜶 𝑟 𝑀 ∙ 𝑚𝑀 ∙ 𝒈 ∙ 𝑡 2 2𝜑
2) Absolutní odchylky času 2 3
3) Pravděpodobná chyba času ∙
2 𝑡 𝑖 𝑖
𝑛∙(𝑛−1)
4) Výpočet momentu setrvačnosti 5) Pravděpodobná chyba složené veličiny 𝜗𝐽 =
𝜕𝐽 𝜕𝑡
2
∙ 𝜗𝑡2
Dotaz 1 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Chyba v tabulce 5.5 (objem z výšky) Chyba 1 % - návod
1) Absolutní chyba výšky 𝛿ℎ = 0,3 ∙ 1 𝑚𝑚 2) Relativní chyba objemu 𝜉𝑉 = 𝜉ℎ = 3) Absolutní chyba objemu
𝛿ℎ ℎ
𝛿ℎ 𝛿𝑉 = 𝑉 ∙ 𝜉𝑉 = ∙ℎ∙ = 2𝜋𝑟 2 ∙ 𝛿ℎ ℎ Chyba v tabulce 5.5 (tlak) 2𝜋𝑟 2
𝛿𝑝 = 0,3 ∙ 20 mBar
Dotaz 2 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Regresní křivky, rovnice regresní křivky Úvodní hodina – u známých závislostí
Dotaz 2 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Graf 5.1: Závislost nepřímo úměrné závislosti objemu vzduchu na jeho tlaku
𝑝𝑉 = 𝑁𝑘𝑇
1,90
𝑁𝑘𝑇 𝑉= 𝑝
Objem V (cm3)
1,70
y = 1 291x-1
1,50
1,30
𝑉 = 𝑝−1 ∙ 𝐶
1,10
0,90
𝐶 = 𝑁𝑘𝑇
0,70
0,50
300
400
500
600
700
Tlak p (hPa)
800
900
1000
Dotaz 2 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Graf 2.2: Závislost momentu setrvačnosti J na vzdálenosti přídavného závaží 𝑟J od osy otáčení 3,50
3,00
Moment setrvačnosti J (g ∙ m2)
𝑦 = 𝐴𝑥 2 + 𝐵
y = 0,0001x2 - 0,0027x + 0,9215
2,50
𝐽 = 𝑚𝐽 𝑟𝐽2 + 𝐽0
2,00
1,50
1,00
0,50 10
30
50
70
90
110
130
150
Vzdálenost urychlovacího závaží od osy otáčení rJ (mm)
Dotaz 3 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. „Máme-li v povrchu úsečku délky 𝑙, působí na ni z obou stran kolmo síla 𝐹 a pro povrchové napětí 𝜎 dostáváme vztah 𝑭 𝜎= . 𝑙
Dotaz 4 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Povrchové napětí 𝜎 se rovná podílu velikosti povrchové síly 𝐹 a délky 𝑙 okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí kolmo v povrchu kapaliny.
𝑭 𝜎= 𝑙
𝑷𝟎 𝜎= 4𝜋𝑟
Dotaz 5 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Hodnota povrchového napětí pro vodu Tabulková hodnota 𝜎 = 73 mN ∙ m-1
𝑇 = 20 °C
Naměřená (1) 𝜎 = 59 ± 1 mN ∙ m-1
Naměřená (2) 𝑇 = 21 °C
𝜎 = 72 ± 7 mN ∙ m-1
𝑇 = 23,2 °C
Dotaz 6 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Rozdíl mezi ztrátami zářením a emisními ztrátami (reflexe na absorbéru).
Dotaz 7 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Intenzita záření od lampy
Intenzita záření ze slunce
Výkon: 1000 W
Intenzita záření: 800 W ∙ m2
Plocha kolektoru: 0,12 m2
Intenzita záření: 8 300 W ∙ m2
Dotaz 8 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Ano, je nutné vyčkat na dynamickou rovnováhu. Měření ◦ Vyčkat ◦ Delší časový úsek
Problém: 60 °C Vlastní měření
Studentské měření
Dotaz 9 – Mgr. Václav Šlouf, Ph.D. Účinnost solárního kolektoru při započtení spotřeby elektromotoru čerpadla
