Název: Studium záření Autor: RNDr. Jaromír Kekule, PhD. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: fyzika, biologie (ochrana života a zdraví) Ročník: 5. (3. ročník vyššího gymnázia) Tematický celek: Elektromagnetické záření Stručná anotace: Slunce vyřazuje do prostoru elektromagnetické záření ve velmi širokém rozsahu vlnových délek. Pro člověka nejzajímavější jsou záření tepelné (infračervené) a viditelné (světlo) a dále záření ultrafialové (UV). Záření o nižších vlnových délkách jsou pohlcena atmosférou Země. V této práci se žáci pokusí změřit celkové množství slunečního záření dopadajícího na Zemi a jeho závislost na počasí (jasno, zataženo) či denní době. Dále pak měří UVA a UVB záření a jeho závislost na výše zmíněných faktorech a v neposlední řadě prostupnost tohoto záření různými materiály včetně opalovacích krémů. Z povahy práce je zřejmé, že nemůže probíhat přímo ve vyučovací hodině, ale na měření je potřeba několika dní. Ve vyučovací hodině je ovšem možné provést některé její části (například prostupnost UV záření různými materiály).
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita. Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
Výukové materiály
Studium záření Pomůcky (seznam potřebného materiálu) modul solarimetr (pyranometr), modul měřič UVA záření, modul měřič UVB záření, datalogger, různé zkoumané materiály Teorie Slunce vyřazuje do prostoru okolo sebe elektromagnetické záření ve velmi širokém rozsahu vlnových délek. Pro člověka nejzajímavější jsou záření tepelné (infračervené) a viditelné (světlo) a dále záření ultrafialové (UV). Záření o nižších vlnových délkách jsou vesměs pohlcena atmosférou Země. Jako viditelné záření se označuje elektromagnetické záření o vlnové délce přibližně 400 nm až 750 nm. Ultrafialové záření má vlnové délky menší, tedy vyšší frekvence a je nebezpečnější pro kůži. Dělí se do více kategorií; nás bude zajímat záření UVA (vlnové délky cca. 320 nm – 390 nm) a záření UVB (vlnové délky cca. 280 nm – 320 nm). Celkový výkon slunečního záření dopadajícího na 1 m2 zemského povrchu kolmého na směr záření určuje tzv. sluneční konstanta, která má na rovníku hodnotu 1,0 kW/m2. Cíl 1. Pokusit se změřit hodnotu sluneční konstanty v našich zeměpisných šířkách a porovnat ji s tabulkovou hodnotou. Zjistit, jak závisí na počasí a denní době. 2. Změřit záření UVA a UVB dopadající na povrch Země a jeho závislost na denní době, oblačnosti apod. Dále změřit prostupnost těchto záření různými materiály. Postup 1. Měření sluneční konstanty 1. Připojte solarimetr k dataloggeru. Položte solarimetr na otevřené prostranství a natočte ho směrem ke slunci. Zapište si naměřenou hodnotu. 2. Natáčejte solarimetr různými směry (přístroj měří i odražené záření). Zapisujte naměřené hodnoty a popište vždy příslušné natočení solarimetru. 3. Proveďte stejná měření při jasné obloze v různých fázích dne (ráno, v poledne, večer). Porovnejte naměřené hodnoty. 4. Proveďte stejná měření při různě zatažené obloze (jasno, skoro jasno, polojasno, skoro zataženo, zataženo). Porovnejte naměřené hodnoty. 5. Pokuste se změřit záření odražené od těles z různých materiálů (bílý/černý papír, kov, látka, atd.). Orientujte solarimetr směrem od slunce k tělesu a to plně vystavte slunečnímu záření. Fixujte solarimetr a měňte tělesa. Zapisujte naměřené hodnoty a porovnejte je. 2. Měření UVA záření 1. Připojte měřič UVA záření k dataloggeru. Položte měřič na otevřené prostranství a natočte ho směrem ke slunci. Zapište si naměřenou hodnotu. 2. Proveďte stejné měření při jasné obloze v různých fázích dne (ráno, v poledne, večer). Porovnejte naměřené hodnoty. 3. Proveďte stejné měření při různě zatažené obloze (jasno, skoro jasno, polojasno, skoro zataženo, zataženo). Porovnejte naměřené hodnoty.
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
4. Zjistěte, jak různé látky propouštějí UVA záření. Natočte měřič směrem ke slunci a zafixujte ho. Potom před něj vkládejte tělesa z různých látek (např. suché tričko, mokré tričko, sklo, plexisklo, průsvitný papír, atd.). Zapisujte naměřené hodnoty a porovnejte je. Vyslovte závěry. 5. Změřte účinnost různých opalovacích přípravků. Vezměte průhlednou fólii, která dobře propouští UVA záření (je třeba předem změřit). Potom na ni nanášejte trošku opalovacího přípravku (vždy jen na malý kousek fólie). Pokuste se změřit, kolik procent záření přípravek propustí. Pokuste se měření provést s různě tlustými vrstvami přípravku a s různými přípravky (s různým ochranným faktorem). Poznámka. Tato měření jsou velmi orientační – je těžko dosažitelné vytvořit homogenní vrstvu přípravku o určité tloušťce. Měření je nicméně zajímavé. 3. Měření UVB záření Postupujte stejným způsobem jako v případě měření UVA záření. Výsledky a diskuze Příklady výsledků: Celkové záření jsme měřili solarimetrem při polojasné obloze – slunce svítilo skrz lehký závoj mraků. Naměřili jsme 715 W/m2, což je v dobré shodě se sluneční konstantou 1000 W/m2. Poté, co se obloha zatáhla, se hodnota snížila na 330 W/m2. Dále jsme měřili intenzitu dopadajícího záření UVA a UVB. Měřili jsme při polojasné obloze, poté jsme senzor zakryli okenním sklem a sledovali pokles naměřené hodnoty. Nakonec jsme měřili při zatažené obloze. Výsledky shrnuje následující tabulka. Hodnoty jsou přibližné, při měření často kolísají. druh záření / podmínky UVA UVB
polojasná obloha – intenzita záření / mW.m-2 4500 150
polojasná obloha, senzor za sklem – intenzita záření / mW.m-2 900 20
zatažená obloha – intenzita záření / mW.m-2 1800 70
Okenní sklo propustilo v obou případech pouze asi jednu pětinu záření. Dále jsme se pokusili změřit účinnost opalovacího krému proti UVA a UVB záření. Tenkou vrstvu krému s ochranným faktorem 30 jsme aplikovali na průhlednou fólii. Napřed jsme změřili intenzitu záření za čistou fólií, potom intenzitu záření za fólií namazanou krémem. Výsledky shrnuje následující tabulka. Hodnoty jsou přibližné, při měření často kolísají. druh záření / podmínky UVA UVB
za čistou fólií – intenzita záření / mW.m-2 3000 80
za fólií namazanou krémem – intenzita záření / mW.m-2 200 50
Je vidět, že opalovací krém významně redukuje intenzitu dopadajícího UVA záření, zatímco u UVB záření není rozdíl příliš velký. Dále jsme provedli měření prostupnosti UVA a UVB záření slunečními brýlemi. Požili jsme dvoje brýle – jedny dioptrické pro dospělé, druhé obyčejné dětské. Výsledky měření shrnuje následující tabulka. Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
druh záření / podmínky UVA UVB
bez brýlí – intenzita záření / mW.m-2 3300 100
za brýlemi pro dospělého – intenzita záření / mW.m-2 110 25
za dětskými brýlemi záření / mW.m-2 35 15
Je vidět, že oboje použité brýle významně pohlcují oba druhy UV záření.
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
Pracovní list pro žáka
Studium záření Pomůcky (seznam potřebného materiálu) modul solarimetr (pyranometr), modul měřič UVA záření, modul měřič UVB záření, datalogger, různé zkoumané materiály Teorie Slunce vyřazuje do prostoru okolo sebe elektromagnetické záření ve velmi širokém rozsahu vlnových délek. Pro člověka nejzajímavější jsou záření tepelné (infračervené) a viditelné (světlo) a dále záření ultrafialové (UV). Záření o nižších vlnových délkách jsou vesměs pohlcena atmosférou Země. Jako viditelné záření se označuje elektromagnetické záření o vlnové délce přibližně 400 nm až 750 nm. Ultrafialové záření má vlnové délky menší, tedy vyšší frekvence a je nebezpečnější pro kůži. Dělí se do více kategorií; nás bude zajímat záření UVA (vlnové délky cca. 320 nm – 390 nm) a záření UVB (vlnové délky cca. 280 nm – 320 nm). Celkový výkon slunečního záření dopadajícího na 1 m2 zemského povrchu kolmého na směr záření určuje tzv. sluneční konstanta, která má na rovníku hodnotu 1,0 kW/m2. Cíl 1. Pokusit se změřit hodnotu sluneční konstanty v našich zeměpisných šířkách a porovnat ji s tabulkovou hodnotou. Zjistit, jak závisí na počasí a denní době. 2. Změřit záření UVA a UVB dopadající na povrch Země a jeho závislost na denní době, oblačnosti apod. Dále změřit prostupnost těchto záření různými materiály. Postup 1. Měření sluneční konstanty 1. Připojte solarimetr k dataloggeru. Položte solarimetr na otevřené prostranství a natočte ho směrem ke slunci. Zapište si naměřenou hodnotu. 2. Natáčejte solarimetr různými směry (přístroj měří i odražené záření). Zapisujte naměřené hodnoty a popište vždy příslušné natočení solarimetru. 3. Proveďte stejná měření při jasné obloze v různých fázích dne (ráno, v poledne, večer). Porovnejte naměřené hodnoty. 4. Proveďte stejná měření při různě zatažené obloze (jasno, skoro jasno, polojasno, skoro zataženo, zataženo). Porovnejte naměřené hodnoty. 5. Pokuste se změřit záření odražené od těles z různých materiálů (bílý/černý papír, kov, látka, atd.). Orientujte solarimetr směrem od slunce k tělesu a to plně vystavte slunečnímu záření. Fixujte solarimetr a měňte tělesa. Zapisujte naměřené hodnoty a porovnejte je. 2. Měření UVA záření 1. Připojte měřič UVA záření k dataloggeru. Položte měřič na otevřené prostranství a natočte ho směrem ke slunci. Zapište si naměřenou hodnotu. 2. Proveďte stejné měření při jasné obloze v různých fázích dne (ráno, v poledne, večer). Porovnejte naměřené hodnoty. 3. Proveďte stejné měření při různě zatažené obloze (jasno, skoro jasno, polojasno, skoro zataženo, zataženo). Porovnejte naměřené hodnoty.
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
4. Zjistěte, jak různé látky propouštějí UVA záření. Natočte měřič směrem ke slunci a zafixujte ho. Potom před něj vkládejte tělesa z různých látek (např. suché tričko, mokré tričko, sklo, plexisklo, průsvitný papír, atd.). Zapisujte naměřené hodnoty a porovnejte je. Vyslovte závěry. 5. Změřte účinnost různých opalovacích přípravků. Vezměte průhlednou fólii, která dobře propouští UVA záření (je třeba předem změřit). Potom na ni nanášejte trošku opalovacího přípravku (vždy jen na malý kousek fólie). Pokuste se změřit, kolik procent záření přípravek propustí. Pokuste se měření provést s různě tlustými vrstvami přípravku a s různými přípravky (s různým ochranným faktorem). Poznámka. Tato měření jsou velmi orientační – je těžko dosažitelné vytvořit homogenní vrstvu přípravku o určité tloušťce. Měření je nicméně zajímavé. 3. Měření UVB záření Postupujte stejným způsobem jako v případě měření UVA záření. Výsledky
Diskuze
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
