Obsah: OBSAH: ................................................................................................................................................................. 0 ÚVOD: ................................................................................................................................................................... 1 1. MĚŘENÍ DÉLKY ............................................................................................................................................. 2 2. MĚŘENÍ TEPLOTY. TEPLOMĚR, JEDNOTKY TEPLOTY.................................................................... 5 3. ELEKTRICKÝ PROUD A ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ ................................................................................... 8 4. ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH ................................................................................................ 11 5. RYCHLOST POHYBU. ................................................................................................................................. 13 6. HYDROSTATICKÝ TLAK. .......................................................................................................................... 16 7. ATMOSFÉRICKÝ TLAK. ........................................................................................................................... 18 8. TLAK PLYNU V UZAVŘENÉ NÁDOBĚ, PODTLAK, PŘETLAK. ........................................................ 20 9. ZMĚNA TEPLOTY TĚLES TEPELNOU VÝMĚNOU. ............................................................................ 22 10. KALORIMETRICKÁ ROVNICE. ............................................................................................................. 24 11. MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA. ............................................................................................................... 26 12. TÁNÍ............................................................................................................................................................... 28 13. VYPAŘOVÁNÍ. ............................................................................................................................................ 31 14. TEPELNÉ ZÁŘENÍ...................................................................................................................................... 33 15. ZVUKOVÉ JEVY. ........................................................................................................................................ 36 16. VLHKOST VZDUCHU. ............................................................................................................................... 38 17. MAGNETICKÉ POLE. ................................................................................................................................ 41 18. ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCE ..................................................................................................... 44 19. ELEKTRICKÝ ODPOR, ZÁVISLOST ELEKTRICKÉHO ODPORU NA VLASTNOSTECH VODIČE, VÝSLEDNÝ ODPOR REZISTORŮ ZAPOJENÝCH ZA SEBOU A VEDLE SEBE. ............... 47 20. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ, ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ. ..................................................... 50 LITERATURA: ................................................................................................................................................... 52
Úvod: Vážení kolegové, následující text by vám měl pomoci v začátcích práce s měřicím systémem EdLaB. V následujících dvaceti kapitolách najdete podklady k vyučovacím hodinám fyziky, které se dotýkají různých částí této široké vědní oblasti. Hodiny jsou připraveny tak, aby vyučující mohl co nejefektivnějším způsobem využít systém EdLaB. Příprava pokusů, které by měly v rámci hodiny žákům přiblížit danou problematiku, by měla trvat pouze několik minut a některé můžete realizovat takřka okamžitě. Pro lepší vizualizaci prováděných experimentů je vhodné připojit měřicí systém k dataprojektoru. Pokusy jsou navrženy tak, aby bylo možné do nich aktivně zapojit žáky především v rámci klasické hodiny, případně v průběhu laboratorních cvičení (nejlépe po stanovištích jako skupinovou práci). Kontrolní otázky a úkoly jsou doplňkem, který lze v závislosti na průběhu vyučovací hodiny využít. Zde naleznete základní úlohy, které můžete se svými měřícími soupravami realizovat. Možnosti měřící soupravy jsou daleko širší a vítány jsou jakékoliv úpravy předkládaných pokusů či příprava nových neotřelých postupů k využití měřicího systému a příslušných čidel. Při tvorbě hodin jsem vycházel ze zdrojů, které jsou zde uvedeny a citovány, a tímto bych chtěl také poděkovat všem autorům, od kterých jsem čerpal materiály, ať už se jedná o materiály umístěné na serveru fyzweb.cz nebo www.vernier.cz, zejména o materiály Mgr. Pazdery a Mgr. Jermáře. Všechny pokusy jsou vyzkoušeny se systémem EdLaB včetně vytvořených grafů. Řadu námětů na úlohy pro obdobné systémy jiných výrobců lze nalézt na webových stránkách věnovaných moderní výuce fyziky (viz seznam zdrojů). Hodně úspěchů i potěšení v kreativní práci přeje autor.
1
1. Měření délky Teoretický úvod Rozměry těles, případně vzdálenosti mezi tělesy, určujeme pomocí fyzikální veličiny, které říkáme délka. Označujeme ji l. Dříve se užívaly v různých zemích i městech různé jednotky délky, nejčastěji odvozované z rozměrů částí lidského těla např. palec, pěst, stopa, loket apod. Koncem 18. století, v souvislosti s rozvojem průmyslu a obchodu, se v řadě států dohodli na sjednocení délkových jednotek. Mezinárodní dohodou byl za základní jednotku délky zvolen 1 metr. Kromě metru užíváme v praktických měřeních jeho díly a násobky – 1 dm, 1 cm,1 mm, 1 km. K určování délek používáme různá délková měřidla, která měří s různou přesností – pravítko, svinovací metr, pásmo, posuvné měřítko s noniem apod. K měření délky lze použít měřící zařízení používající světelný paprsek nebo ultrazvuk.
Praktické pokusy Určování vzdáleností mezi tělesy pomocí ultrazvukového čidla polohy a pohybu Pomůcky:
PC, EdLab , čidlo polohy a pohybu MB-BTD délková měřidla, stojan, těleso na závěsu, pružina, závaží, gymnastický či jiný vhodný míč, autíčko na dálkové ovládání
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ultrazvukový senzor do vstupu DIGITAL JB. 2. Okamžitě můžeme měřit různé vzdálenosti od senzoru. Jejich velikost se objeví na displeji panelu okamžité hodnoty měření v jednotkách, které si vyberete z rozbalovacího seznamu. Spolu se žáky může nejprve odhadovat, případně měřit jinými délkovými měřidly vhodné vzdálenosti a ty pak ověřovat senzorem. Příklad – od senzoru k tabuli, podlaze, stropu, žákově ruce, tělu ve vhodných místech třídy (pozor na to, co čidlo detekuje – vždy první těleso dostatečné velikosti) apod. 3. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 15 s, periodu vzorkování 100 ms. 4. Stiskem tlačítka Start měření realizujeme postupně následující možná měření: a) určujeme vzdálenost pohybující se dlaně od senzoru b) senzor postavíme na hranu stolu a měříme vzdálenost přibližujícího se a vzdalujícího se žáka v uličce mezi lavicemi c) zavěsíme těleso na závěs a měříme vzdálenost tělesa, které se kývá na závěsu d) zavěsíme na pružinu závaží, pod závaží položíme ultrazvukový senzor a měříme vzdálenost
2
kmitajícího závaží na pružině od senzoru; e) měříme vzdálenost jedoucího autíčka na dálkové ovládání Po každém měření uložíme graf do souboru s vhodným názvem (menu Data Uložit data grafu do CSV). Jednotlivé grafy pak lze otevřít (menu Data Načíst data grafu). Grafy jsou pak dostupné na pracovní ploše a pomocí záložek je mohu podle potřeby zobrazovat a s žáky analyzovat – zkoumat největší a nejmenší hodnoty, jak se mění vzdálenost v průběhu časového intervalu u jednotlivých pohybů apod.) Poznámky k realizaci:
Vyzkoušejte předem měření v konkrétní učebně, s vybranými pomůckami – důležité jsou rozměry tělesa, jehož vzdálenost měříme. Čidlo detekuje tělesa od velikosti přibližně dlaně. Je-li těleso příliš malé (např. míček), bude čidlo určovat vzdálenost těles za ním.
Nejmenší vzdálenost, kterou čidlo změří je 0,2 m
Pro určování vzdáleností pohybujících se těles je možné zmenšit dobu měření.
V rámci měření je možné procvičit i převody jednotek délky
Obrázky a grafy:
3
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se nazývá základní jednotka délky ? … metr 2. Jaká délková měřidla používáme k měření rozměrů a) knihy …pravítko b) okenní tabule …svinovací metr c) třídy …pásmo d) obvodu svého pasu … krejčovský metr 3. Jaké díly a násobky metru užíváme v praxi ? …mm, cm, dm, km 4. Rozměry kterých těles určujeme a) v mm …hřebíky, šrouby, špendlíky, tloušťka hrotů v tužkách atd b) v m …žebřík, dům, třída, atd. 5. Jak se mění vzdálenost od senzoru v závislosti na čase při měření a) – e). využijeme uložené grafy jednotlivých měření
4
2. Měření teploty. Teploměr, jednotky teploty. Teoretický úvod Teplota je fyzikální veličina, kterou používáme k popisu stavu tělesa (rychlost pohybu atomů a molekul), označujeme ji t. Určování teploty bez použití přístroje, podle svých pocitů, je velmi nepřesné. Proto k určení teploty tělesa používáme teploměr. Běžné druhy teploměrů jsou založeny na změně objemu kapaliny v závislosti na změně teploty. Např. rtuťový, lihový. Další teploměry mohou využívat různou délkovou roztažnost dvou kovů (bimetalový), nebo změnu elektrických vlastností (odporový). Teplotu měříme ve stupních Celsia. Další možné jednotky: stupeň Fahrenheita. Kelvin. (Celsius - švédský fyzik, Fahrenheit – německý fyzik, lord Kelvin – anglický fyzik) Celsiova stupnice se užívá především v Evropě, Fahrenheitova v USA. Celsiova stupnice má dva základní body : - teplotu tajícího ledu … 0°C - teplotu varu vody … 100°C
5
Praktické pokusy Odhad teploty a pak ověření odhadu teploměrem. Ověření teploty tajícího ledu. Ověření teploty varu vody. Určení změny teploty při ohřívání nebo ochlazování tělesa. Pomůcky:
PC, EdLaB, teploměry, kádinky, případně PET lahve, varná konvice, lihový kahan, stojan, voda, led, sůl
Postup práce: 1. Do několika kádinek či nádob z PET lahví připravíme vodu o různé teplotě – první přidáme led a u ostatních postupně více a více horké vody z varné konvice. 2. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr (případně dva teploměry). 3. Okamžitě můžeme měřit teplotu v nastavených jednotkách. Nejdříve zkusíme odhadnout teplotu a potom ověříme pomocí teploměru teplotu různých těles: a) vzduch v místnosti (u podlahy, uprostřed, u stropu) b) vzduch za oknem c) teplá voda d) studená voda e) horká voda f) tající led g) tající led a sůl h) vařící voda i) teplota lidského těla atd. 4. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 1 min, periodu vzorkování 2s. Po stisku tlačítka Start měření, uchopíme senzor teploměru do ruky (zahřívat lze i dechem) a pozorujeme změnu teploty. (případně po 30 s teploměr pustíme a necháme ochlazovat). 5. Dále můžeme sledovat změny teploty při zahřívání či ochlazování vody. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 6 min, periodu vzorkování 2s. Senzor teploměru umístíme do kádinky se studenou vodou a začneme ohřívat lihovým kahanem. Stiskem tlačítka Start měření měříme teplotu vody v průběhu 3 minut (ohřívání). Pak zahasíme kahan a měříme další 3 minuty (ochlazování). Jiné varianty: Sledujeme ochlazování vody různých teplot, vody se solí, v různých nádobách, po přidání ledu apod. Délku měření a periodu vzorkování upravíme podle potřeby. 6
Po každém měření uložíme graf do souboru s vhodným názvem (menu Data .. Uložit data grafu do CSV). Jednotlivé grafy pak lze otevřít (menu Data .. Načíst data grafu). Grafy jsou pak dostupné na pracovní ploše a pomocí záložek je mohu podle potřeby zobrazovat a s žáky rozebírat). 6. Zapojte do EdLaBu dva teploměry. Vezměte dvě nádoby s vodou o různých teplotách – studená a teplá. Změřte jejich teploty a zapište např. na tabuli. Nastavte v panelu měření Délku měření na 2 min, periodu vzorkování 2 s. Přelijte vodu z první nádoby do druhé a současně vložte teploměr z první nádoby do druhé. Stiskněte tlačítko Start měření. Po ukončení měření nechte žáky popsat, co viděli. Nechte žáky z grafu určit teplotu po smíchání. Poznámky k realizaci:
Vyzkoušejte předem měření s připravenými nádobami – zejména manipulaci s vodou různých teplot.
Máte-li možnost, nechejte měřit s vhodnou periodou teplotu vzduchu v místnosti či za oknem v průběhu další vyučovací hodiny, dne.
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. 2. 3. 4. 5.
V jakých jednotkách udáváme teplotu? … 1 °C Které jsou základní body Celsiovy stupnice? … teplota varu vody, teplota tajícího ledu Jak se mění teplota místnosti? …u stropu vyšší než u podlahy Jak se mění teplota vody při zahřívání a ochlazování? … nejprve roste, potom klesá Jak se mění teplota při smíchání dvou vzorků různé teploty? … studenější voda se zahřívá, teplejší voda se ochlazuje
7
3. Elektrický proud a elektrické napětí Teoretický úvod Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic. Elektrický proud poznáme podle jeho účinků – pohybových, světelných, tepelných. Elektrický proud se označuje písmenem I. Jeho jednotkou je 1 ampér (A). Elektrické napětí se označuje písmenem U. Jednotkou elektrického napětí je 1 volt (V). Elektrický proud měříme ampérmetrem a napětí voltmetrem. Ampérmetr zapojujeme sériově s žárovkou. Voltmetr zapojujeme k žárovce paralelně.
Praktické pokusy Určení proudu procházejícího žárovkou. Změření napětí na žárovce. Změna jasu žárovky při různých hodnotách proudu (účinky proudu). Pomůcky:
PC, EdLaB, ampérmetr, voltmetr plochá baterie, reostat 100 Ω, žárovka 3,5 V / 0,3 A, případně více kusů i druhů
Schema:
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ampérmetr a voltmetr do analogových vstupů.(z J1 .. J6). .Sestavíme schéma podle nákresu. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 20 s, periodu vzorkování 100 ms. Před začátkem měření můžeme oba měřicí přístroje vynulovat. Displeje měřících zařízení umístíme pod sebe v plovoucích oknech. 3. Reostat 100 Ω nastavíme na minimální hodnoty odporu (napětí).
8
4. Po stisku tlačítka Start měření reostatem pomalu (20 s) zvětšujeme proud (směrem k max.) až ho nastavíme do krajní polohy (Hodnota proudu by neměla překročit 0,6 A. ). V grafech se ukáže průběh napětí a proudu v časovém intervalu. Pokud nastavíme spuštění ampérmetru v závislosti na chodu voltmetru, bude v grafu zobrazena závislost proudu na napětí. 5. Opakujeme měření pro různé žárovky. Vyslovíme závěr (při jaké hodnotě proudu žárovka začíná svítit). Poznámky k realizaci:
Podle místních podmínek lze využít k sestavení obvodu stavebnice i demonstrační panely, různé zdroje bezpečného stejnosměrného napětí, reostaty a žárovky.
Obrázky a grafy:
9
Kontrolní otázky a úkoly: Jak poznáš, že elektrickým obvodem prochází elektrický proud? ..svítí žárovka V jakých jednotkách měříme elektrické napětí? … ve voltech V jakých jednotkách měříme elektrický proud? … v ampérech Žárovku připojíme k baterii, ale nesvítí, jaké mohou být příčiny? ... rozpojený obvod, baterie neposkytuje dostatečné napětí 5. Jak se mění jas žárovky, když zvyšujeme napětí? …jas se zvyšuje Co můžeme říci o velikosti proudu v této situaci? … proud roste 1. 2. 3. 4.
10
4. Elektrický proud v kapalinách Teoretický úvod Má-li procházet látkou elektrický proud, musí jí procházet elektrický náboj. V kovech náboj přenášejí volné elektrony. V kapalinách přenášejí náboj ionty. V čisté vodě je volných iontů málo, proto je špatným vodičem. Ionty vznikají v kapalinách nejčastěji při rozpouštění solí a kyselin. Proto stačí ve vodě rozpustit dostatečné množství např. kuchyňské soli. Kuchyňská sůl je sloučeninou sodíku a chloru. V atomu sodíku je několik elektronů. Jeden z nich je vázán k jádru jen velmi slabě, snadno je od atomu odtržen a vzniká kladný iont sodíku. Atom chloru k sobě tento elektron přitáhne a vzniká záporný iont chloru. Když sůl rozpustíme ve vodě, pohybují se ionty sodíku i chloru volně mezi molekulami vody. Po připojení napětí k elektrodám vloženým do slané vody se začnou ionty pohybovat – slanou vodou prochází elektrický proud.
Praktické pokusy Ověření vzniku iontů rozpouštěním soli ve vodě měřením elektrického proudu. Pomůcky:
PC, EdLaB, ampérmetr zdroj proudu a napětí, žárovka, vanička a elektrody, voda,sůl. Schema:
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ampérmetr do analogového vstupu.(z J1 .. J6). Sestavíme schéma podle obrázku, spínač je rozpojen. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 min, periodu vzorkování 500 ms.. Před začátkem měření můžeme měřící přístroj vynulovat.
11
3. Stiskneme tlačítko Start měření, po 10 sekundách nasypeme sůl do vody. Pozorujeme, jak se mění proud při rozpouštění soli v roztoku vody a soli, jak vznikají ionty. Vyslovíme závěr. Poznámky k realizaci:
Stejné měření můžeme provést s různým množstvím soli – 1 lžička, 2 lžičky,…
Lze zkusit různé druhy materiálů elektrod – Fe, Cu, Zn, C, Pb,…
Lze vyzkoušet různé soli, případně cukr
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jaké částice tvoří elektrický proud v kapalině? … kladné a záporné ionty 2. Proč čistá voda špatně vede elektrický proud? … je v ní málo volných iontů 3. Jaké ionty se uvolňují v roztoku kuchyňské soli? … kladné ionty sodíku a záporné ionty chloru 4. Co se děje v roztoku soli, když jím prochází elektrický proud? … kladné ionty sodíku se pohybují k záporné elektrodě, záporné ionty chloru k elektrodě kladné 5. Jakou jinou látku mohu ve vodě rozpustit, aby lépe vedla proud? …např. cukr
12
5. Rychlost pohybu. Teoretický úvod Rychlost v je dráha, kterou urazí těleso za jednotku času. Rychlost měříme v metrech za sekundu m nebo v kilometrech za hodinu km . U rovnoměrného pohybu se rychlost s
h
nemění, u nerovnoměrného pohybu se rychlost mění (u zrychleného se zvětšuje, u zpomaleného se zmenšuje). Průměrná rychlost je podíl celkové dráhy s a celkové doby t, za kterou těleso dráhu urazilo. Průměrná rychlost určená ve velmi krátkém časovém úseku se nazývá okamžitá rychlost. Měříme ji tachometrem.
Praktické pokusy Změření rychlosti různých těles pomocí čidla polohy a pohybu. Pomůcky:
PC, EdLaB, čidlo polohy a pohybu MB-BTD stojan, těleso na závěsu, pružina, závaží, gymnastický či jiný vhodný míč, autíčko na dálkové ovládání
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo polohy a pohybu do vstupu DIGITAL JB. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 – 10 s, periodu vzorkování 100 ms 3. Stiskem tlačítka Start měření realizujeme postupně následující možná měření:
a) pohybujeme dlaní (knihou) nad senzorem tam a zpět – měříme rychlost pohybu dlaně k senzoru (lze realizovat i ve vodorovném směru) b)můžeme ultrazvukový senzor postavit svisle na hranu stolu a pak se přibližovat a následně se vzdalovat od senzoru – měříme rychlost chůze člověka (0,2 m až 6 m) c)zavěsíme těleso na závěs a měříme rychlost tělesa, které se kývá na závěsu kyvadla d)zavěsíme na pružinu závaží, pod závaží položíme čidlo a měříme rychlost kmitajícího závaží na pružině nad senzorem e) vezmeme senzor do ruky (míří svisle dolů), pod něj vložíme gymnastický míč (nebo jiný vhodný) a pustíme míč k zemi – měříme rychlost padajícího míče od senzoru (zde je vhodné nastavit kratší dobu měření) f) měříme rychlost jedoucího autíčka na dálkové ovládán Po každém měření uložíme graf do souboru s vhodným názvem (menu Data .. Uložit data grafu do CSV). Jednotlivé grafy pak lze otevřít (menu Data .. Načíst data grafu). Grafy jsou 13
tak dostupné na pracovní ploše a pomocí záložek je mohu podle potřeby zobrazovat, s žáky rozebrat – zkoumat největší a nejmenší hodnoty, který pohyb se blíží rovnoměrnému apod.) Poznámky k realizaci:
Vyzkoušejte předem měření v konkrétní učebně, s vybranými pomůckami – důležité jsou rozměry tělesa, jehož vzdálenost měříme. Čidlo detekuje tělesa od velikosti přibližně dlaně ve vzdálenosti větší než 0,2 m.
podle vybavení školy je možné použít např. vozíčkovou dráhu apod.
Obrázky a grafy:
14
Kontrolní otázky a úkoly: 1. 2. 3. 4. 5.
V jakých jednotkách určujeme rychlost tělesa? …m/s, km/h Jak se mění rychlost při rovnoměrném pohybu tělesa? … nemění se Jak se mění rychlost při zrychleném pohybu? …zvětšuje se Jak se mění rychlost při zpomaleném pohybu? … snižuje se Jaký druh pohybu znázorňují jednotlivé grafy? … podle jednotlivých průběhů, rovnoměrný nebo nerovnoměrný, zrychlený nebo zpomalený
15
6. Hydrostatický tlak. Teoretický úvod Působení gravitační síly na kapalinu v klidu se projevuje tím, že kapalina o hustotě ρ tlačí nejen na dno, ale i stěny nádoby tlakovou silou Fp .Tato síla vyvolává v hloubce h hydrostatický tlak ph. Hydrostatický tlak ph v hloubce h je roven součinu hloubky h, hustoty kapaliny ρ a tíhového zrychlení g.
ph h g Hydrostatický tlak ph v hloubce h je nezávisí na tvaru nádoby.
Praktické pokusy Změření hydrostatického tlaku v různých hloubkách. Pomůcky:
PC, EdLaB, tlakové čidlo, odměrný válec s měřítkem (případně upravená PET lahev)
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo tlaku do analogového vstupu.(z J1 .. J6). K senzoru přišroubujeme hadičku, kterou pak ponořujeme do vody. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 30 s, periodu vzorkování 500 ms. 3. Po stisku tlačítka Start měření ponořujeme pomalu rovnoměrným pohybem konec hadičky do vody v odměrném válci a zpět. 4. Čidlo můžeme použít jako digitální tlakoměr - pouze zaznamenávat tlak pro jednotlivé hloubky a ověřovat závislost hydrostatického tlaku na hloubce. Hadičku můžeme izolepou přilepit na pravítko z umělé hmoty tak, že začátek hadičky bude na „nule“ pravítka. Tím můžeme měřit délku ponoření hadičky – hloubku v kapalině. 16
5. Na grafu s žáky rozebereme změnu hodnoty tlaku v průběhu měření. 6. Stejné měření můžeme provést pro jinou kapalinu. 7. Obdobným měřením lze ověřit nezávislost tlaku v kapalině na směru. 8. Dále můžeme změřit hydrostatický tlak ve stejných hloubkách různě tvarovaných nádob. V nádobách je stejná kapalina. Poznámky k realizaci:
POZOR na manipulaci s vodou – nesmí se dostat do senzoru!!!
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Na čem závisí velikost hydrostatického tlaku ? … na hustotě kapaliny, hloubce, tíhovém zrychlení 2. Jak se mění hydrostatický tlak při zvětšování hloubky? … zvětšuje se 3. Jak se mění hydrostatický tlak ve stejné hloubce v různých kapalinách? …zvětšuje se s hustotou 4. Jak je přibližně velký hydrostatický tlak ve hloubce 2m pod hladinou vody? … 20 kPa 5. Proč je hráz přehrady u dna širší než u hladiny? … u dna působí větší hydrostatický tlak
17
7. Atmosférický tlak. Teoretický úvod Horní vrstvy atmosféry Země působí v gravitačním poli Země tlakovou silou na dolní vrstvy atmosféry. Tím vzniká tlak vzduchu na zemský povrch, kterému říkáme atmosférický tlak a značíme ho pa. Na libovolnou plochu o obsahu S v atmosférickém vzduchu působí pak kolmo tlaková síla Fp = pa.S. Atmosférický tlak měříme rtuťovým tlakoměrem (barometrem). Hodnota atmosférického tlaku závisí na počasí a na nadmořské výšce. V malých výškách nad úrovní mořské hladiny se zmenšuje atmosférický tlak přibližně o1,1 kPa na 100m výšky.
Praktické pokusy Určení změn tlaku v závislosti na výšce a v průběhu času. Pomůcky:
PC, EdLaB, barometr
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme barometr do analogového vstupu.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 20 s, periodu vzorkování 500 ms . 3.Barometr umístíme těsně nad povrchem země. 4. Po stisku tlačítka Start měření. Pomalu zvedáme senzor (v místnosti) vzhůru ke stropu (místnosti) a případně zase dolů. 5.Provedeme analýzu naměřených hodnot. 6. Můžeme provést delší měření na jednom místě. Máme-li možnost dopředu umístit např. počítač s čidlem v dané učebně, můžeme Délku měření nastavit na 1den (či více dle možností) a periodu vzorkování 5 min (300s). Spolu se žáky vyhodnotíme předem připravený graf. Poznámky k realizaci:
Jak závisí změna tlaku na nadmořské výšce, můžeme zkoumat také při pohybu na schodech nebo ve výtahu. Měření lze realizovat pomocí notebooku v různých místech budovy, případně při vycházce v různých místech okolí školy.
18
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. 2. 3. 4. 5.
Na čem závisí velikost atmosférického tlaku? … na počasí, na nadmořské výšce Čím měříme atmosférický tlak? … barometrem Jak se mění atmosférický tlak v místnosti? … s rostoucí výškou klesá Kde bude větší atmosférický tlak, ve sklepě nebo na půdě budovy? … ve sklepě Jak lze využít změnu atmosférického tlaku v závislosti na výšce? … např. ve výškoměru
19
8. Tlak plynu v uzavřené nádobě, podtlak, přetlak. Teoretický úvod Plyn má v nádobě podtlak, jestliže je tento tlak nižší než atmosférický. Plyn má v nádobě přetlak, jestliže je tento tlak větší než atmosférický. Příklady přetlaku plynu v praktických situacích: v duši jízdního kola či automobilu, v míči, v ocelových lahvích potápěčů Příklady podtlaku v praktických situacích: pod víčkem zavařovacích sklenic, které jsou zahřáté k varu a pak ochlazeny, pod přitištěným zvonem na uvolňování výtoků umyvadel, v sacích pumpách
Praktické pokusy Změření přetlaku, podtlaku plynu v nádobě. Pomůcky:
PC, EdLaB, barometr, tlakové čidlo, PET láhev, dětský nafukovací balonek
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme tlakové čidlo do analogového vstupu. (z J1 .. J6). K senzoru připevníme injekční stříkačku s nastavenou hodnotou objemu „10 ml“. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 60 s, periodu vzorkování 500 ms . Čidlo vynulujeme. 3. Čidlo umístíme těsně nad povrchem země. 4. Po stisku tlačítka Start měření, tlakem na píst vyvoláváme přetlak a podtlak . 5. Měření uložíme.
6. K senzoru připojíme (našroubujeme) skleněnou baňku naplněnou vzduchem. Teplota plynu uvnitř je stejná jako v okolí. Opakujeme předchozí měření s tím, že baňku (tím i plyn) ohříváme v teplé vodě a ochlazujeme ve studené (kostky ledu) vodě. Pozorujeme, jak se mění tlak. 7. Vyslovíme závěr – kdy nastává přetlak a kdy podtlak.
20
Poznámky k realizaci: Další možnosti měření:
Místo skleněné baňky použijeme PET láhev, případně dětský nafukovací balónek. Místo čidla tlaku použijeme barometr.
Připojíme k senzoru PET láhev. Mačkáme láhev a měříme hodnotu přetlaku.
Ohřejeme plyn v PET láhvi (horkou vodou). Uzavřeme PET láhev a ochlazujeme láhev (plyn). Měříme podtlak uvnitř láhve.
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Charakterizuj přetlak plynu v nádobě? … tlak plynu je větší než atmosférický 2. Charakterizuj podtlak plynu v nádobě? … tlak plynu je menší než atmosférický 3. Jak můžeme přetlak a podtlak vytvořit? … např. zahříváním nebo ochlazením plynu v nádobě 4. Kde se přetlak a podtlak využívá? … přetlak – v pneumatikách automobilů, podtlak v sací pumpě atd. 5. Změř přetlak v balónku. Jak se mění s průměrem balónku? ... s rostoucím průměrem roste
21
9. Změna teploty těles tepelnou výměnou. Teoretický úvod Částice tělesa s vyšší teplotou předávají při nárazech část své pohybové energie částicím tělesa s nižší teplotou. Vnitřní energie tělesa s vyšší teplotou se snižuje, vnitřní energie tělesa s nižší teplotou se zvyšuje. Říkáme, že změna vnitřní energie obou těles proběhla tepelnou výměnou. Děj probíhá tak dlouho, dokud se teploty obou těles nevyrovnají. Příklad – hrnek a horký čaj v něm, lžička v horkém čaji – tepelná výměna probíhá i mezi dvěma částmi jednoho tělesa s různou teplotou. Tepelná výměna mezi dvěma dotýkajícími se tělesy nebo dvěma částmi jednoho tělesa se nazývá tepelná výměna vedením. Látky, u kterých probíhá tepelná výměna vedením rychle,nazýváme tepelné vodiče (např. kovy) Látky, jejichž částicová stavba umožňuje jen pomalou tepelnou výměnu vedením,nazýváme tepelné izolanty. Tepelná výměna v běžných podmínkách probíhá v otevřené soustavě, takže dochází k úniku tepla (ztráty). Velikost tepelných ztrát závisí na způsobu izolace soustavy.
Praktické pokusy Určení změny teploty vody při tepelné výměně s okolím za různých podmínek Pomůcky:
PC, EdLaB, teploměry kalorimetr, kádinky, hrníčky, varná konvice, voda, lžička Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 3 min, periodu vzorkování 1 s . 3. Připravíme jednotlivé pomůcky, do otevřené nádoby a kalorimetru nalijeme odměřené stejné množství horké vody, kterou si připravíme ve varné konvici. Kalorimetr uzavřeme víkem. Teploměr 1 umístíme do kalorimetru (otvorem ve víku). Teploměr 2 umístíme do otevřené nádoby. 4. Po stisku tlačítka Start měření, sledujeme průběh změny teploty v jednotlivých nádobách.. 5. Po dokončení měření analyzujeme se žáky zaznamenaný průběh změny teploty.
22
Poznámky k realizaci: Další možnosti měření:
Doplňující pokusem může být provedení tohoto měření při různých okolních podmínkách (různá teplota okolí), případně s různými počátečními teplotami vody. Měření provádíme s nádobami různých tvarů z různých materiálů (vždy s podobnou počáteční teplotou a množstvím vody), můžeme vložit do nádoby lžičku apod.
V případě dostatečného množství pomůcek můžeme zadat žákům tyto úkoly pro skupinovou práci – každá skupina zkoumá jinou situaci – porovnávají průběh
Případně lze měřit v některých skupinách klasickými měřidly – vycházet ze stejných teplot a množství vody, pak porovnávat po stejné době koncové hodnoty teploty
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Popiš, co se děje při tepelné výměně.? … teplejší těleso předá část své vnitřní energie tělesu chladnějšímu. 2. Které fyzikální veličiny charakterizují tepelnou výměnu? … vnitřní energie (teplo) 3. Proč jsou některé lžičky opatřeny dřevěným nebo plastovým zakončením? … aby je bylo možné použít na manipulaci s horkou kapalinou 4. Jak lze ochladit horký čaj v hrnku bez přelévání do jiné nádoby? … např. mícháním kovovou lžičkou 5. Do jaké nádoby naliješ čaj, aby zůstal co nejdéle teplý? … např. tzv. termohrnek . uzavřený, dobře izolovaný
23
10. Kalorimetrická rovnice. Teoretický úvod Při tepelné výměně mezi dvěma tělesy v soustavě tepelně izolované od okolí platí kalorimetrická rovnice: Q1 = Q2. Po dosazení: c1m1(t-t1) = c2m2(t2-t). c1,m1,t1 … měrná tepelná kapacita, hmotnost, počáteční teplota studenějšího tělesa c2,m2,t2 … měrná tepelná kapacita, hmotnost, počáteční teplota teplejšího tělesa
Praktické pokusy Ověření platnosti kalorimetrické rovnice Pomůcky:
PC, EdLaB, dva teploměry dvě upravené PET láhve (případně kalorimetry), varná konvice, voda, Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 2 min. , periodu vzorkování 1 s 3. Do nádoby z PET láhve připravíme teplou vodu o hmotnosti m1 a teplotě t1. Do druhé nádoby z PET láhve připravíme studenou vodu o hmotnosti m2 a teplotě t2. Hmotnosti určíme pomocí digitální váhy. Do první nádoby vložíme první teploměr a do druhé nádoby druhý teploměr. Teploměry můžeme upevnit do stojanů. 4. Po stisku tlačítka Start měření, přeložíme teploměr z nádoby se studenou vodou do nádoby s teplou vodou a současně přelijeme studenou vodu do teplé a počkáme, až nastane rovnovážný stav. Ukončíme měření. 5. Z grafů odečteme teploty před tepelnou výměnou (t1 a t2) a po tepelné výměně (t). Určíme teplo odevzdané Q1 a teplo přijaté Q2. Porovnáme výsledné hodnoty. Vyslovíme závěr. Poznámky k realizaci:
Měření lze vyzkoušet i pro jedno kapalné a jedno pevné těleso (kovový váleček s teplotou okolního vzduchu)
24
Máme-li k dispozici dostatečné množství pomůcek, můžeme toto měření realizovat jako laboratorní práci pro skupiny žáků, případně kombinovat měření klasickými a digitálními pomůckami.
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Které fyzikální veličiny charakterizují tepelnou výměnu? … m,c,t 2. Na čem závisí teplo, které přijme chladnější voda při této tepelné výměně? … na hmotnosti vody a rozdílu počáteční a koncové teploty. 3. Proč nemusí být teplo přijaté studenou vodou a teplo odevzdané vodou teplou úplně stejné? … dochází ke ztrátám tepla – soustava není dokonale izolována od okolí 4. Jak můžeme omezit tepelné ztráty? … použitím lépe izolovaných nádob (kalorimetr) 25
11. Měrná tepelná kapacita. Teoretický úvod Přijmou-li dvě tělesa z různých látek o stejné hmotnosti stejné teplo, změní se jejich teplota různě. Změna teploty daného množství látky je přímo úměrná množství dodaného tepla. Konstanta, vyjadřující kolik tepla je třeba dodat jednomu kilogramu dané látky, aby změnila teplotu o jeden kelvin (stupeň Celsia), se nazývá měrná tepelná kapacita; označuje se c. Tato veličina je charakteristická pro každou látku. Tabulková hodnota měrné tepelné kapacity vody je 4 186 Jkg-1K-1, lihu 2 460 Jkg-1K-1, glycerolu 2390 Jkg-1K-1.
Praktické pokusy Srovnání měrné tepelné kapacity vody a lihu (glycerolu) Pomůcky:
PC, EdLaB, dva teploměry dvě stejné kádinky, voda, technický líh nebo glycerol, digitální váhy Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů.(z J1 .. J6). 2. Na plotýnku vařiče postavíme jednu kádinku s vodou a druhou s lihem. V obou kádinkách je třeba mít stejnou hmotnost dané látky (nikoliv objem). To zajistíme použitím digitálních vah nebo přepočtem na objem (hustota vody 1000 kg.m-3, hustota lihu790 kg.m-3). Obě látky musí mít stejnou počáteční teplotu (používáme proto odstátou vodu). 3. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 3 min., periodu vzorkování 1 s (event.2s, 5s) pro oba teploměry. Displeje měřících zařízení umístíme pod sebe v plovoucích oknech. Oba teploměry by měly na vzduchu ukazovat stejnou teplotu (pokud ne, je vhodné je kalibrovat – viz manuál EdLaB). Do kádinek pak ponoříme oba teploměry. 4. Zapneme vařič, stiskneme tlačítko Start měření, sledujeme změnu teploty obou látek. 5. Vzhledem k nižší měrné tepelné kapacitě lihu je výsledná teplota (po dodání stejného množství tepla) u lihu vyšší než u vody. Poznámky k realizaci:
Pozor u lihu na teplotu varu – cca 70°C. Při experimentu se této teplotě nesmíme přiblížit, mohlo by dojí k vyvření lihu na plotýnku vařiče, případně k jeho vznícení!
26
Je vhodné použít vodu i líh z lednice, abychom začínali na nižší startovací teplotě a nemuseli se varu lihu obávat. Místo lihu lze použít glycerol, u kterého nehrozí vzplanutí Obě kádinky na plotýnku umístíme symetricky, aby bylo teplo dodáváno stejným způsobem lihu i vodě. V úvodní části grafu může být oblast, kde se plotýnka sama zahřívala. Pokud chceme tuto oblast odstranit, je vhodné spustit měření až v okamžiku, kdy na jednom teploměru zpozorujeme nárůst teploty. Během měření dbáme, aby se ani jeden teploměr nedotýkal dna ani bočního skla kádinky. Kapalinu můžeme pomocí teploměrů průběžně míchat.
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Na čem závisí, kolik tepla při tepelné výměně přijme nebo odevzdá těleso? … m, c, počáteční a koncová teplota 2. Která látka z použitých bude mít po předvedeném ději vyšší teplotu … líh (glycerol) 3. Proč nemají látky stejnou teplotu? … mají různou c 4. Která z použitých látek má větší měrnou tepelnou kapacitu? … voda 5. Jak se projevuje při tepelné výměně větší měrná tepelná kapacita vody? … k ohřátí potřebuje velké množství tepla, při ochlazování velké teplo vydá, využití např. v ústředním topení
27
12. Tání. Teoretický úvod Pevné skupenství látky se mění na kapalné. Pro tuto přeměnu za stálé teploty je třeba tělesu dodat skupenské teplo tání. Toto teplo je potřebné k uvolnění částic z rovnovážných poloh v krystalu. Různé krystalické látky mají různé teploty tání a různá měrná skupenská tepla tání. Krystalické látky tají při určité teplotě tání, beztvaré (amorfní) při zahřívání postupně měknou, až se změní v kapalinu (nemají určitou teplotu tání).
Praktické pokusy Rozpouštění kostek ledu v obyčejné a slané vodě (závody kostek ledu) Pomůcky:
PC, EdLaB, 4x teploměr dvě stejné skleničky (kádinky), větší nádoba na vodu ( PET láhev, džbánek), kuchyňská lžíce kuchyňská sůl (asi 3 lžíce na 100 ml vody), voda formička na ledové kostky, mraznička, voda, potravinářské barvivo
Postup práce: Příprava:
Je potřeba několik hodin předem (nejlépe přes noc) začít připravovat ve formičce na led ledové kostky (či jiné tvary). Kromě obyčejných kostek z čisté vody lze připravit také obarvené kostky. Do sklenice s vodou stačí přidat trochu potravinářského barviva, zamíchat a obarvenou vodu rozlít do formičky. Připravíme dvě sklenice s vodou o přibližně pokojové teplotě – jedna sklenice s obyčejnou vodou, druhá s nasyceným nebo téměř nasyceným roztokem kuchyňské soli (na dně může zůstat sůl nerozpuštěná). Do velké nádoby nalijeme vodu o přibližně pokojové teplotě. První skleničku naplníme asi do tří čtvrtin vodou z velké nádoby. Přidáme kuchyňskou sůl (dvě až tři lžíce na 100 ml vody) a mícháme asi půl minuty. Pak doplníme obě sklenice kousek pod okraj (0,5 cm až 2 cm) vodou z velké nádoby. Nyní bychom měli mít stejná množství stejně teplé vody – obyčejné a velmi slané. Před provedením:
Nejprve vysvětlíme žákům, co budeme dělat. Můžeme je nechat tipnout si, která kostka se dříve rozpustí, případně zda to dopadne nerozhodně. Počty jednotlivých tipů lze zaznamenat na tabuli. Žáci mohou své tipy obhajovat, či uvádět argumenty proti. Dbáme, aby využívali svých dosavadních znalostí – i v případě, že jste ještě podrobnosti této látky neprobírali, žáci určitě využijí vlastní mimoškolní zkušenosti. 28
Vysvětlení:
Téměř vždy se rozpustí dříve kostka v obyčejné vodě. To proto, že hustota vody závisí na teplotě. V neosolené vodě odtávající studená voda klesá ke dnu a kostka ledu na hladině je stále obklopena teplou vodou. Pokud experiment provádíme s obarvenými kostkami ledu, vidíme jak studená barevná odtávající voda proudí ke dnu v „úzkých proudech“. Naproti tomu hustota teplé slané vody je větší než hustota teplé i studené neslané vody (pokud je dobře „solená“). Studená odtávající voda se proto drží u hladiny a brzy vytvoří kolem kostky ledu bazének studené vody. Kostka tedy taje pomaleji. Žáci (i dospělí) často tipují, že dříve roztaje kostka ve slané vodě, argumentují přitom domnělou chemickou reakcí mezi ledem a solí, případně tím, že „se přece solí silnice, aby led na nich roztál“. Následně lze udělat stejný experiment také s cukrem, ten je ve vodě ještě výrazně rozpustnější než sůl. Tedy chemické složení tento jev neovlivní. Provedení: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 min., periodu vzorkování 1 s 3. Vezmeme dvě kostky ledu a vložíme je obě současně do skleniček. Vložíme teploměry do kádinek. Stiskneme tlačítko Start měření. Nemícháme, nejprve jen sledujeme, která kostka se rozpustí dříve a která později. Led se téměř jistě rozpustí mnohem dříve v neosolené vodě, typicky do pěti minut. Teprve za dalších pět až deset minut se rozpustí led i ve vodě osolené. Během objevování příčin toho, proč experiment dopadl tak, jak dopadl, rozebereme změřenou teplotu u dna a u povrchu v obou skleničkách. Pokud použitá čidla nejsou dostatečně bodová, je nutné použít dostatečně vysoké nádoby. Poznámky k realizaci:
Pokud nemáme více bodových čidel, úplně stačí použít jeden teploměr na každou nádobu a proměřit všechna čtyři místa (u dna i u povrchu v obou skleničkách) postupně. Máte-li více čidel, můžete je zapojit do počítače současně a promítat žákům více teplot najednou Pokus můžeme opakovat, v prvním pokusu bez měření teplot, nebo měříme jen vodu bez soli (dvěma teploměry), v druhém pokusu měříme vodu osolenou. Použijeme pokud možno vysoké úzké sklenice a dostatečně velké kostky ledu Připravíme si skleničky i kostky ledu stejné (tvar i velikost); Během rozpouštění se můžeme věnovat se třídou jiné činnosti, jen kostky chvílemi sledujeme a až bude jedna z nich skoro rozpuštěná, vrátíme se k tomuto experimentu
29
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. 2. 3. 4.
V které kapalině roztaje kostka ledu rychleji? … v nesolené vodě Jaký rozdíl je mezi teplotou solené vody u dna a u povrchu? … u povrchu je nižší. Jaký rozdíl je mezi teplotou neosolené vody u dna a u povrchu? … u povrchu je vyšší. Co způsobuje tyto rozdíly? … vyšší hustota teplé slané vody
30
13. Vypařování. Teoretický úvod Vypařování je přeměna látky v kapalném skupenství na látku ve skupenství plynném. Z kapaliny vzniká pára. Kapalina se vypařuje za každé teploty. Rychlost vypařování ovlivňuje teplota okolního prostředí, velikost povrchu kapaliny, odstraňování par nad povrchem kapaliny. Různé kapaliny se za stejných podmínek vypařují různou rychlostí. Při vypařování odebírá kapalina teplo ze svého okolí.Mírou rychlosti odpařování je i změna teploty na povrchu tělesa.
Praktické pokusy Porovnání rychlosti ochlazování na povrchu tělesa (závod teploměrů) Pomůcky:
PC, EdLaB, teploměr varná konvice, kalorimetr (termoska), voda, utěrka Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr do analogového vstupu.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 30s , periodu vzorkování 1 s . 3. Do kalorimetru si připravíme horkou vodu (t >90°C). Teploměr vložíme do vody a necháme ohřát (možno teploměr vložit rovnou do varné konvice). 4. Vytáhneme teploměr, stiskneme tlačítko Start měření. Teploměrem nehýbeme. Po ukončení měření uložíme graf. 5. Teploměr opět necháme zahřát v konvici nebo kalorimetru. Zahájíme měření a s teploměrem budeme 25 s mávat. Po ukončení měření opět uložíme graf. 6. Bod 3. až 5. opakujeme, ale tentokrát před zahájením měření teploměr utřeme. Po každém měření uložíme graf. 7. Na pracovní plochu umístíme všechny čtyři uložené grafy, porovnáme průběh změny teploty v jednotlivých případech.
31
Poznámky k realizaci:
Pozor při manipulaci s horkou vodou !
Měření lze vyzkoušet i pro jinou počáteční teplotu, můžeme využít i vlažnou vodu
Měření lze vyzkoušet i pro jinou kapalinu
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak ovlivní ochlazování teploměru jeho mokrý povrch? … rychleji klesá teplota, teplo se spotřebovává na vypařování vody na povrchu teploměru 2. Jak ovlivní ochlazování teploměru mávání mokrým teploměrem? … vypařování probíhá rychleji 3. Proč pomáhá pocení regulovat tělesnou teplotu člověka? … odpařováním potu klesá teplota těla 4. Proč je v parném počasí nutné dodržovat pitný režim? … aby měl člověk dostatek potu k odpařování 32
14. Tepelné záření. Teoretický úvod Rozžhavené těleso vydává do okolí světelné a tepelné záření - např. vlákno žárovky. Tepelné záření vnímáme tepelnými čidly v pokožce lidského těla. Některými tělesy tepelné záření prostopuje, jiná tělesa je pohlcují. Pohlcuje-li těleso tepelné záření, zahřívá se. Zvýšení teploty tělesa při pohlcení tepelného záření závisí na vzdálenosti zdroje záření od tělesa, na teplotě zdroje záření, na barvě a úpravě povrchu tělesa.
Praktické pokusy Měření teploty v okolí světelného zdroje Pomůcky:
PC, EdLaB, teploměr, délkové měřidlo elektrická svítilna s klasickou žárovkou, LED svítilna nebo lampa s úspornou zářivkou Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr do analogového vstupu.(z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 8 min., periodu vzorkování 5 s . 3. Rozsvítíme žárovku, teploměr umístíme do vzdálenosti 5 cm od žárovky.
4. Po stisku tlačítka Start měření sledujeme, jak se mění teplota. Po 3 minutách přemístíme čidlo do vzdálenosti 15cm, v 5. minutě do 25 cm. Uložíme graf. 5. Měření opakujeme pro úspornou žárovku nebo LED svítilnu. 6. Porovnáme grafy změn teplot u obou zdrojů. Zdůrazníme, že jsme po určitém čase zvětšili vzdálenost zdroje od čidla. Poznámky k realizaci:
Měření lze vyzkoušet s dalšími zdroji tepelného záření
Zvolíme-li delší dobu měření, lze nechat pokus probíhat (jen v daných časech změnit vzdálenost) a zabývat se s žáky jinou činností, pak vyhodnotit průběh podle grafu
Mírné výkyvy teploty mohou být způsobeny pohybem osob, případně průvanem.
V dalším možném pokusu můžeme měřit změnu teploty vlivem barvy a úpravy povrchu tělesa: Elektrickou svítilnou svítíme ze stejné vzdálenosti stejnou dobu na 33
teploměr zakrytý lesklým materiálem (alobal), bílým papírem, tmavým matným papírem. Těleso s matným povrchem se vlivem pohlcování tepelného záření za stejných podmínek zahřívá více než těleso s lesklým a světlým povrchem. Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Můžeme vidět tepelné záření? … ne, vnímáme je tepelnými čidly v pokožce 2. Jak závisí teplota okolí na vzdálenosti od zdroje tepelného záření? … s rostoucí vzdáleností klesá. 3. Žárovka vyzařuje světelné a tepelné záření. Které záření bude mít větší energii? … tepelné 4. Které zdroje světla v domácnosti jsou šetrnější k životnímu prostředí? … ty s menší spotřebou elektrické energie – využívají úsporné zářivky nebo LED diody
34
5. Proč mají nákladní auta s vnitřním chlazením pro přepravu čerstvých potravin bílý nátěr? … aby pohlcovala co nejméně tepelného záření
35
15. Zvukové jevy. Teoretický úvod Zvuky nás obklopují neustále. Abychom zvuk slyšeli, musí existovat zdroj zvuku, prostředí, kterým se zvuk šíří a zdravý sluch. Zvuk vzniká kmitáním nebo chvěním pružných těles. Vzniká-li zvuk pravidelným kmitáním, vnímáme tón. Jestliže zvuk vzniká nepravidelným chvěním, vnímáme jej jako hluk (např. vrzání, šramot, šustění, hukot, praskot). Hudební nástroje vydávají tóny s různou výškou a barvou. Výška tónu je určena kmitočtem zdroje. Lidské ucho vnímá zvuky od kmitočtu 16 Hz do 20 kHz.
Praktické pokusy Určen časového diagramu některých zdrojů zvuku Pomůcky:
PC, EdLaB, mikrofon zdroje zvuku (hudební nástroje), ladičky Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme mikrofon do analogového vstupu.(J1nebo J2). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 s., periodu vzorkování 10 ms . 3. Stiskneme tlačítko Start měření, rozezvučíme zdroj zvuku, necháme 5s znít 4. Jako zdroj zvuku používáme ladičku, různé hudební nástroje (flétna, klávesy, kytara), lidský hlas (zaznamenáme různé samohlásky, souhlásky), 5. Po každém měření graf uložíme pod vhodným názvem a pak se žáky grafy rozebereme. Mikrofon zaznamenává akustický tlak (pracuje se zvukem do frekvence 10 kHz).
Poznámky k realizaci:
Měření lze vyzkoušet i pro méně obvyklé zdroje zvuku – rolničky, 2 suché klacky klapající o sebe apod.
Práci se zdroji zvuku je třeba předem zkusit, nastavit umístění mikrofonu apod.
Zdroje zvuku mohou ovládat žáci, mohou si třeba přinést vlastní hudební nástroj apod.
36
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Co je zdrojem zvuku? … chvějící se těleso 2. Proč se ve vzduchoprázdnu nemůže zvuk šířit? …zvuk potřebuje k šíření látkové prostředí 3. Jak se liší tón a hluk? … zdrojem hluku je nepravidelné chvění, tónu pravidelné kmitání zdroje 4. Co určuje výšku tónu? … frekvence kmitání zdroje zvuku 5. Urči podle grafu, jak se liší zvuk lidského hlasu při vyslovení samohlásky a souhlásky. 37
16. Vlhkost vzduchu. Teoretický úvod Dolní vrstvy ovzduší obsahují vždy vodní páru. Ta vzniká vypařováním vody z půdy, rostlin a živočichů, z povrchu vodních toků a ploch. Absolutní vlhkost vzduchu je určena hmotností vodní páry obsažené v 1 m3 vzduchu. Je-li vzduch za dané teploty vodní párou nasycen, má největší možnou vlhkost. Nemůže přijímat další vodní páru, pokud se nezvýší jeho teplota. Pro praktické posouzení vlhkosti vzduch zavádíme relativní vlhkost vzduchu, kterou udáváme v procentech. Vypočítáme ji, dělíme-li absolutní vlhkost vzduchu největší absolutní vlhkostí vzduchu za dané teploty. Suchý vzduch má relativní vlhkost 0%. Je-li vzduch vodní párou zcela nasycen, má relativní vlhkost 100%. Nejpříznivější vlhkost vzduchu pro zdravotní stav a pracovní výkon je 50% až 70% při teplotě 20°C. Relativní vlhkost měříme vlhkoměrem. Např. vlhkoměr vlasový obsahuje napnutý svazek vlasů zbavených tuku. Při napínání se více prodlužuje vlhčí vlas, prodloužení se přenáší na ručku přístroje.
Praktické pokusy Jak se mění vlhkost vzduchu v závislosti na čase, okolním prostředí. Pomůcky:
PC, EdLaB, čidlo relativní vlhkosti vzduchu zavařovací sklenice, mandarinka nebo jablko, gumička Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo vlhkosti vzduchu do analogového vstupu.(J1… J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 1 min. , periodu vzorkování 1 s . 3. Stiskneme tlačítko Start měření, čidlem měříme vlhkost u.podlahy, u okna, pokud je možno za oknem, na slunci, ve stínu,uvnitř navlhčené zavařovací sklenice apod. 4. Po ukončení měření vyhodnotíme graf. Další možný pokus: 1. Připravíme si zavařovací sklenici, umístíme do ní čidlo, překryjeme potravinovou fólií, kterou připevníme gumičkou.
38
2. Nastavíme Délku měření na 5 minut a vzorkovací periodu na 5s. 3. Začneme měřit, po minutě pozastavíme měření, rychle vložíme do sklenice neoloupanou mandarinku a opět připevníme krycí fólii a pokračujeme v měření (vlhkost vzduchu roste) 4. Připravíme si oloupanou mandarinku a po 3 minutách rychle vyměníme neoloupanou mandarinku za oloupanou. (vlhkost vzduchu roste výrazněji). 5. Po ukončení měření vyhodnotíme se žáky graf – jaký měla vliv mandarinka se slupkou, bez slupky na vlhkost vzduchu ve sklenici. Poznámky k realizaci:
Máme-li možnost, můžeme nechat měřit čidlo na jednom místě delší čas (hodiny, den) a grafy uložit, v další hodině vyhodnotit.
Místo mandarinky lze použít jablko, to je nutné oloupat škrabkou těsně před měřením a odsát přebytečnou šťávu papírovým kapesníkem.
Obrázky a grafy:
39
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Je vlhkost vzduchu našeho okolí stále stejná? … ne mění se s časem, vlivem počasí 2. Jak se dostává vodní pára do ovzduší? ... vypařováním 3. Jak ovlivní neoloupané ovoce vlhkost vzduchu ve sklenici? … zvýší ji, ze slupky se odpařuje voda 4. Proč po oloupání ovoce relativní vlhkost ve sklenici prudce vzroste? … z ovoce se odpařuje více vody, než když je chráněno slupkou 5. Jaká je funkce slupky u ovoce? … chrání ovocný plod před rychlým vysycháním 6. Proč se poblíž některých druhů pečiva nechává rozkrojené jablko? … zabraňuje rychlému vysychání (tvrdnutí) pečiva Poznámka.
Původní pokus s jablkem a čidlem fy Vernier popisuje Mgr. Jakub Jermář na http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=152
40
17. Magnetické pole. Teoretický úvod Magnet vytváří ve svém okolí magnetické pole, které můžeme znázornit soustavou magnetických indukčních čar. Pomocí magnetky (malý magnet) můžeme „zmapovat“ magnetické pole – určit směr indukčních čar. Mnohem rychleji lze obrazec indukčních čar určit pomocí železných pilin. Země je také velkým magnetem. Proto se otáčivá magnetka nebo volně otáčivý magnet nastaví tak, že jedním pólem směřují vždy přibližně k severu. Magnetické pole popisuje veličina magnetická indukce, kterou označujeme B. Měříme ji v jednotkách tesla (T). Magnetickou indukci měříme teslametrem. Velikost magnetické indukce pole např. v blízkosti permanentního magnetu je řádově 0,01 T až 0,1 T. Zemské magnetické pole v ČR má magnetickou indukci přibližně 0,05 mT.
Praktické pokusy Určení magnetické indukce magnetického pole magnetu Pomůcky:
PC, EdLaB, teslametr permanentní magnety, stojan Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teslametr do analogového vstupu (z J1 .. J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s , periodu vzorkování 100 ms.Tlačítkem na horní stěně přístroje nastavíme vhodný rozsah. měření. 3. Po stisku tlačítka Start měření, pomalu rovnoměrně přibližujeme (asi 5 sekund) teslametr k severnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund). Po dokončení měření uložíme graf. 4. Po stisku tlačítka Start měření, pomalu rovnoměrně přibližujeme (asi 5 sekund) teslametr k jižnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund). Po dokončení měření uložíme graf. 5. Po stisku tlačítka Start měření, pomalu rovnoměrně pohybujeme (asi 5 sekund) teslametrem kolmo k podélné ose magnetu k jižnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund).Po dokončení měření uložíme graf. 41
6. Zopakujeme měření pro magnet tvaru podkovy. 7. Postupně vyhodnotíme změnu hodnoty indukce zaznamenanou v jednotlivých grafech. Poznámky k realizaci:
Měření je vhodné připravit a vyzkoušet v učebně, kde budeme hodinu realizovat
Měření lze doplnit i ukázkou měření magnetické indukce pole Země.: o nejprve otáčet teslametrem bez přítomnosti magnetu ve vodorovné rovině, můžeme z měřidla či grafu určit, kde je maximum a minimum (směr k magnetickým pólům Země) o v dalším měření otáčet teslametrem ve svislé rovině (N-S směr), pozorujeme, kde je maximum a kde je minimum. Maximální hodnota je hodnotou magnetické indukce B Země.
Obrázky a grafy:
42
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak zobrazujeme silové působení magnetického pole? … pomocí magnetických indukčních čar 2. V jakých jednotkách měříme magnetickou indukci? … Tesla. 3. Jakých hodnot dosahovala magnetická indukce v okolí pólů tyčového magnetu? … 4. Jakých hodnot dosahovala magnetická indukce v okolí pólů podkovového magnetu? … 5. Jakou maximální hodnotu jsme naměřili pro magnetickou indukci pole Země? …
43
18. Elektromagnetická indukce Teoretický úvod Elektromagnetická indukce je jev, při kterém vzniká elektrické napětí v cívce vodiči změnou magnetického pole v okolí cívky. V uzavřeném obvodu cívky vzniká indukovaný elektrický proud. Indukované napětí závisí na velikosti změny magnetického pole i na rychlosti jeho změny. Čím je změna magnetického pole větší a rychlejší, tím větší je při jinak stejných podmínkách indukovaný proud.
Praktické pokusy Určení indukovaného napětí, ověření na čem závisí. Pomůcky:
PC, EdLaB, voltmetr cívka s jádrem, permanentní magnet, stojan Schema:
44
Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme voltmetr do analogového vstupu.(z J1 .. J6). .Sestavíme schéma podle nákresu. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 s, periodu vzorkování 100 ms (případně 10 ms). 3. Roztočíme magnet v těsném okolí cívky (jádra) 4. Stiskneme tlačítko Start měření. 5. Opakujeme měření s rychlejším (pomalejším) otáčením magnetu. 6. Opakujeme měření se „silnějším“ magnetem. Po každém měření uložíme graf. Postupně vyhodnocujeme se žáky průběhy grafu v jednotlivých situacích. Vyslovíme závěr – na čem závisí indukované napětí. Poznámky k realizaci:
Během realizace můžeme zkusit měření s cívkami s různým počtem závitů
Před měřením s otáčejícím se magnetem můžeme vyzkoušet bez zaznamenání grafu reakci voltmetru na zasouvání a vysouvání magnetu do cívky bez jádra.
Obrázky a grafy:
45
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Kdy vzniká mezi svorkami cívky indukované napětí? … mění-li se v jejím okolí magnetické pole 2. Jak mohu indukované napětí na svorkách cívky zvětšit? … např. zvětším rychlost otáčení magnetu 3. Jak se změní indukované napětí na svorkách cívky, když zmenšíme počet závitů? … sníží se 4. Vznikne indukované napětí, když se kolem nehybného magnetu bude pohybovat cívka? … ano
46
19. Elektrický odpor, závislost elektrického odporu na vlastnostech vodiče, výsledný odpor rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe. Teoretický úvod Odpor R je vlastnost vodiče klást odpor průchodu částic s elektrickým nábojem. Jednotkou elektrického odporu je ohm (Ω). Odpor vodiče závisí na jeho délce l, na ploše příčného průřezu S vodiče, na látce, ze kterého je vodič zhotoven – rezistivita ρ a na teplotě t vodiče. Výsledný odpor dvou spotřebičů zapojených za sebou je roven součtu jejich odporů. Pro výsledný odpor dvou spotřebičů zapojených vedle sebe platí:
Praktické pokusy Určení odporu vodiče, ověření závislosti odporu na délce, ověření velikosti výsledného odporu dvou rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe. Pomůcky:
PC, EdLaB, ohmmetr různé rezistory, reostat, odporová dekáda, propojovací vodiče Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ohmmetr do analogového vstupu.(J1… J6). Pro jednotlivá měření tlačítkem na horní stěně přístroje vždy aktivujeme příslušný rozsah měření (500 Ω, 10kΩ, 250kΩ). 2. Nejprve ověříme odpory jednotlivých přichystaných rezistorů (lze zapsat na tabuli). Každý odpor připojíme dvěma vodiči k ohmmetru. 3. Určíme největší možný odpor reostatu (zapojení viz foto). 4. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s, periodu vzorkování 100 ms. 5. Stiskneme tlačítko Start měření, během 10 s přesuneme jezdce reostatu do druhé krajní polohy. Na grafu pak sledujeme změny jeho odporu. Zdůrazníme, že s časem zvětšujeme délku využitého vodiče v reostatu. Vyslovíme závěr. 6. K dalším měřením využijeme ohmmetr jako měřící přístroj. Přichystané rezistory nejprve zapojíme za sebou, žáci odhadují výsledný odpor, poté jej odměříme. Obdobně provedeme s rezistory zapojenými vedle sebe.
47
Poznámky k realizaci:
Po reostatu můžeme předvést odporovou dekádu, zapojujeme postupně stále delší drát – roste odpor.
Lze použít a určit odpor nejrůznějších spirál apod.
Obrázky a grafy:
48
Kontrolní otázky a úkoly: 1. 2. 3. 4. 5.
V jakých jednotkách měříme elektrický odpor? … v ohmech Jak se mění elektrický odpor s rostoucí délkou vodiče? ... roste Jak se změní celkový odpor soustavy, připojíme-li další rezistor sériově? … zvýší se Jak se změní celkový odpor soustavy, připojíme-li další rezistor paralelně? … sníží se Jak se změní celkový odpor soustavy, zapojíme-li tři stejné rezisory vedle sebe? … sníží se 3x.
49
20. Elektromagnetické záření, ultrafialové záření. Teoretický úvod Elektromagnetické záření dělíme podle jeho vlnové délky, na rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření, záření gama. Ultrafialové záření má vlnové délky od 400nm do 10 nm. Oblast vlnových délek od 320nm do 400 nm označujeme UVA záření, oblast vlnových délek od 280 nm do 320 nm označujeme UVB záření. Kratší vlnové délky než 280 nm tvoří UVC spektrum. UVC záření je sice velmi škodlivé pro člověka, ale téměř kompletně jej pohlcuje vrstva ozónu kolem Země. UVB a UVA záření proniká zemskou atmosférou. Obojí může mít negativní účinky. UVA působí pomaleji, ale s rozsáhlejšími účinky než UVB záření. Ultrafialové záření způsobuje opálení nechráněné pokožky, může však způsobit i rakovinu kůže. Oči před ním musíme chránit slunečními brýlemi. Největší intenzitu má ve vysokých horách a u moře. Použité čidlo detekuje UVA záření v mW/cm2.
Praktické pokusy Určení intenzity UVA záření v různých místech učebny, ověření propustnosti látek vzhledem k UVA. Pomůcky:
PC, EdLaB, UVA senzor. brýle – různé druhy, utěrka (suchá, mokrá) Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme UVA senzor do analogového vstupu.(J1… J6). 2. Nejprve určíme intenzitu UVA záření v různých místech učebny, je-li možné, tak čidlo vysuneme z okna, na slunci, ve stínu. Sledujeme změny intenzity. 3. Je-li možné delší měření předem, nastavíme čas měření na 12 h, vzorkovací periodu na 5 min (300 s) a zachytíme změny intenzity v průběhu dne (např. od 7.00 do 19.00). Poté zachycený graf s žáky analyzujeme – kdy je intenzita maximální, kdy minimální, možné příčiny výkyvů apod. 4. Srovnáváme intenzitu UVA záření u otevřeného okna, pod různými druhy skel –okenní, v dioptrických brýlích, ve slunečních brýlích apod. 50
5. Můžeme srovnat kolik záření propustí suchá látka (utěrka, tričko) a mokrá látka. POZNÁMKY K REALIZACI :
Měření lze ve spojení s notebookem a měřící soustavou provádět i mimo budovu, zvlášť v jarních a letních měsících.
Obrázky a grafy:
Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se bráníme UVC záření? … v našich krajích nijak, toto záření pohlcuje ozónová vrstva kolem Země 2. Jaké nežádoucí účinky má UVA záření? ... může způsobovat poškození kůže a očí 3. Jak se chráníme před účinky UVA záření např. na horách? … používáme kvalitní ochranné brýle, povrch kůže chráníme vhodnými opalovacími krémy 4. Jak se mění intenzita UVA záření během dne? … roste od rána k odpoledním hodinám, v podvečer opět klesá 5. Můžete se opálit přes okno automobilu? … ne, sklo v okně pohlcuje UVA záření.
51
LITERATURA: NAHODIL, Josef. Fyzika v běžném životě. 2. vydání. Praha: Prometheus, spol. s r.o., 2004. ISBN 80-7196-278-3. KAŠPAR, Emil, Jozef JANOVIČ a František BŘEZINA. Problémové vyučování a problémové úlohy ve fyzice. 1. vydání. Praha: SPN, 1982. ISBN 14-752-82. KOLÁŘOVÁ, Růžena a Jiří BOHUNĚK. Fyzika pro 6. ročník základní školy. 2. vyd. Praha: Prometheus, 2002,162 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus). ISBN 978-80-7196-246-5. KOLÁŘOVÁ, Růžena a Jiří BOHUNĚK. Fyzika pro 7. ročník základní školy. 2., upr. vyd. Praha: Prometheus, 2003, 203 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus). ISBN 978-807196-265-6. KOLÁŘOVÁ, Růžena a Jiří BOHUNĚK. Fyzika pro 8. ročník základní školy. 1.vyd., dotisk. Praha: Prometheus, 2003, 224 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus).. ISBN 978-8071961-499. KOLÁŘOVÁ, Růžena. Fyzika pro 9. ročník základní školy. Praha: Prometheus, 2008, 236 s. ISBN 978-807-1961-932. PAZDERA, Václav, Jan DIVIŠ a Jan NOHÝL. Měření fyzikálních veličin se systémem Vernier: Pracovní listy pro ZŠ a víceletá gymnázia [online]. Olomouc, 2012. Dostupné z http://www.mojewiki.cz/exploratoriumfyziky WWW zdroje: http://www.vernier.cz/experimenty/prehled http://www.mojewiki.cz/exploratoriumfyziky http://fyzweb.cz/materialy http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=152 www.edlab.cz http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page Fotografie: Jiří Pavelka, Jan Pavelka
52
