Sborník seminárních materiálů I

Sborník seminárních materiálů I

Olomouc 2011

Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji. Registrační číslo: CZ.1.07/1.3.13/02.0002 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. První vydání  Slovanské gymnázium Olomouc, 2011 ISBN 978-80-7329-259-1 (Repronis)

Obsah Úvod

5

Kurz „Aktivní práce se žáky ve výuce fyziky“. Projekt Heuréka I. DVOŘÁKOVÁ, L. DVOŘÁK: Jak se snaţíme učit fyziku v projektu Heuréka

7

I. DVOŘÁKOVÁ: Metodika projektu Heuréka – 6. ročník, vlastnosti látek

14

– 7. ročník, Newtonovy zákony

23

– písemné práce

27

L. DVOŘÁK: Náměty na experimenty s vlněním

29

L. DVOŘÁK: Náměty na experimenty s počítačem

31

Z. DROZD – L. NĚMEC: Fyzikální dílna na koleně Seznam vyráběných pomůcek

34

Váţení vzduchu

35

Poznámky k beztíţnému stavu

37

P. ŽILAVÝ: Elektřina a magnetismus v různých podobách Pokusy s indukčním vařičem

40

Obrazovka monitoru PC jako nástroj pro demonstraci pohybu elektronů v magnetickém poli

47

J. HUBEŇÁK: Superjasné LED

53

M. BARÁNEK: Pokusy z fyziky

61

3

ÚVOD

Sborník obsahuje seminární materiály dvou seminářů projektu ESF Slovanského gymnázia v Olomouci Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji, které proběhly v podzimních měsících roku 2010 s následujícím programem: 23. září 2010 Aktivní práce se žáky ve výuce fyziky Lektoři: Doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc., a RNDr. Irena Dvořáková z Matematicko-fyzikální fakulty UK v Praze

11. listopadu 2010 Fyzikální dílna na koleně Lektoři: Doc. RNDr. Zdeněk Drozd, Ph.D., a Ing. Ludvík Němec z Matematicko-fyzikální fakulty UK v Praze Elektřina a magnetismus v různých podobách Lektor: RNDr. Peter Ţilavý, Ph.D., z Matematicko-fyzikální fakulty UK v Praze Kromě výše uvedených statí jsou do sborníku zařazeny příspěvky doc. RNDr. Josefa Hubeňáka, CSc., z Přírodovědecké fakulty Univerzity Hradec Králové a Mgr. Milana Baránka z VOŠ a SPŠ elektrotechnické v Olomouci.

5

Kurz „Aktivní práce se žáky ve výuce fyziky“ Projekt Heuréka Jak se snažíme učit fyziku v projektu Heuréka IRENA DVOŘÁKOVÁ, LEOŠ DVOŘÁK Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha Stojí za to zlepšovat výuku fyziky ve školách? Tak, aby byla pro ţáky přitaţlivější a přitom si z ní více odnesli? Mnoho učitelů určitě přisvědčí – a také se snaţí svou výuku vylepšovat. Většinou jde o snahy individuální. I ty leckdy vedou k pozoruhodným výsledkům, o nichţ se někdy dozvídáme například z prezentací na různých konferencích. I výborní učitelé však často ocení moţnost hledat cesty ke zkvalitňování výuky společně, sdílet a vyměňovat si zkušenosti a dále rozvíjet to, co uţ jiní vyzkoušeli a co v praxi funguje. Výhodou takové spolupráce je i moţnost nabídnout vodítko a pomocnou ruku těm učitelům, kteří cítí potřebu změnit stávající způsob výuky, ale nejsou si jisti v tom, jak vybočit ze zajetých kolejí, aby situaci spíše nezhoršili. Heuréka Projekt Heuréka je právě takovou příleţitostí spolupracovat, přiučit se novým přístupům a dále je rozvíjet. Nechceme tvrdit, ţe příleţitostí jedinou; přesto však je v lecčem specifický a zajímavý:  Jde o projekt, který začal „zdola“, jako aktivita několika málo učitelů a dalších lidí, jimţ nevyhovoval „klasický“ způsob výuky zaměřený na jednosměrné předávání poznatků od učitele k ţákům.  Heuréka úspěšně „ţije“ uţ téměř dvacet let. Za tu dobu nashromáţdila řadu zkušeností, zejména s výukou fyziky na druhém stupni ZŠ. A obohacuje se o zkušenosti další.  Ze skrovných počátků se Heuréka rozvinula do projektu, který má nyní přes stovku aktivních účastníků, je podporován katedrou didaktiky fyziky Matematicko-fyzikální fakulty UK, pořádá řadu víkendových seminářů a dalších akcí a pořádá semináře i na Slovensku.

7

Základní charakteristiky „výuky podle Heuréky“ V následujícím popisu vyjdeme z bodů, které si zformulovali sami účastníci na jednom ze seminářů projektu. (Formulace účastníků zde vyznačujeme tučně, kurzívou jsou k nim doplněny naše komentáře.) Není snad nutno zdůrazňovat, ţe zde uvedené „zásady“ nejsou ţádná dogmata, která by se měli účastníci projektu například učit zpaměti a pak bez přemýšlení aplikovat. Podstatné není jejich přesné znění, ale celkový smysl.

1.

Vztah učitel – žák a role učitele

 Vysoká míra interakce s dětmi. Učitel s dětmi komunikuje během celé hodiny, podporuje i komunikaci mezi dětmi navzájem.  Učitel je v roli průvodce – musí znát nejen jednu cestu, ale mapu krajiny. Díky tomu nemá strach, když děti někam zahnou, nebojí se jejich otázek. Seznámit se s celou „krajinou fyzikálních poznatků“ probíraných na základní škole samozřejmě není pro učitele úplně jednoduché. Často přitom zjistí, ţe s mnohými zákoutími (i elementárních částí) fyziky se dosud nesetkal, ţe má mezery v pochopení např. Newtonových zákonů, Archimédova zákona apod. Hledání hlubších souvislostí, zpřesňování odborných znalostí učitelů je také jednou z hlavních součástí seminářů pro učitele, o kterých budeme hovořit později.  Kritériem pravdy není sdělení učitele, ale realita. Velká výhoda fyziky na rozdíl od humanitních věd. Učitel můţe vést děti k tomu, aby se o pravdivosti svých hypotéz přesvědčily pomocí experimentu samy (samozřejmě jen do určité úrovně – o pravdivosti hypotéz týkajících se moţných příčin havárie jaderné elektrárny by bylo jistě vhodnější se seznámit v literatuře či na Internetu).  Učitel zachází s dětmi i s rodiči jako s partnery (i na provokace se snaží reagovat s humorem, ne hystericky). Tato zásada by měla být samozřejmá nejen ve výuce fyziky, ale ve všech případech, kdy učitel jedná s dětmi, studenty a rodiči.  Zodpovědnost za svoji práci mají děti, učitel jen nabízí. Pokud někdo nechce, nelze ho donutit se učit, ale pak je hodnocen podle toho, co umí. Zásada, která platí jen do jisté míry. Učitel je samozřejmě odpovědný za to, jakým způsobem s dětmi pracuje. Na druhou stranu by ale i děti měly pociťovat

8

zodpovědnost za své učení a jeho výsledky a také spoluzodpovědnost za atmosféru ve třídě.  Je třeba domluvit pravidla vzájemné interakce, která dodržují nejen děti, ale i učitel. (Jedním ze základních pravidel je, že se nikdo nikomu neposmívá za jeho názory, třeba i chybné.) Tuto zásadu povaţujeme za velmi důleţitou. Domluvení „pravidel chování“ pomáhá při plnění prakticky všech ostatních zásad práce podle projektu Heuréka. Pokud děti někdy zapomenou na tyto zásady, můţe se učitel na domluvená pravidla odvolat, v krajním případě můţe i přerušit výuku podle projektu a přejít k výuce fyziky pouze „s křídou a tabulí“. Dle zkušeností účastníků projektu je tato metoda velmi účinná. Děti se brzy zklidní a ţádají znovu o experimenty, o zajímavou práci při hodinách.

2.

Základní strategie výuky

 Vychází se z toho, co děti znají ze života. Děti do doby, neţ se začaly učit fyziku, neţily v informačním vakuu. Spoustu věcí znají z praxe, z televize, dnes jiţ i z Internetu. Byla by škoda těchto informací nevyuţít při práci ve třídě.  Základem výuky je otázka. Děti se učí pozorovat děje, popisovat je a potom se pokouší pozorované skutečnosti vysvětlovat a vyvozovat fyzikální zákonitosti. Během celého tohoto procesu pomáhá učitel ţákům kladením vhodných otázek.  Chyba je normální, žádná odpověď není zavrženíhodná. Během historického vývoje fyzikálních teorií se objevilo velmi mnoho slepých cest. Jestliţe tedy vedeme děti k tomu, aby zkráceně, pod vedením učitele, ale přesto do značné míry samostatně prošly podobnou cestou objevování fyzikálních poznatků, je samozřejmé, ţe také narazí na slepé cesty, budou dělat chyby. Měly by se však naučit, ţe chyba je samozřejmou součástí poznávacího procesu, ţe za ni nebudou trestány (a to ani ironickými poznámkami spoluţáků, či dokonce učitele).  Pojmy se zavádějí na konec, jako výsledek pozorování. Jedna z nejdůleţitějších zásad Heuréky. Při budování pojmu se nezačíná názvem, slovem (případně nadpisem na tabuli), ale sbíráním poznatků. Děti pro popis jevů pouţívají běţný jazyk. Fyzikální termíny se zavádějí aţ poté, kdy mají děti vytvořenou poměrně dobrou představu o obsahu tohoto termínu, o jeho významu (např. pojem elektrický náboj zavede učitel aţ po prozkoumání jeho základních vlastností). Tento postup uţíváme proto, abychom sníţili

9

pravděpodobnost, ţe si dítě zapamatuje pouze prázdné slovo, bez znalosti jeho obsahu.  V hlavách dětí vzniká obrázek, film, ne slova. O tomto základním principu Heuréky jsme se zmiňovali jiţ dříve. Naším cílem je naučit děti rozumět světu kolem sebe, vedeme tedy děti k porozumění, nikoliv k pouhé reprodukci poznatků.  Střídání témat: 2 – 3 za hodinu (hlavně v 6. třídě). Ačkoliv je toto střídání témat v jedné hodině nezvyklé, v naší práci se nám osvědčuje. Jednak přispívá k udrţení pozornosti, ale pomáhá také vytvářet paralely mezi jednotlivými jevy a poznatky. V přírodě také nejsou jevy týkající se mechaniky odděleny od jevů elektrických či magnetických. Navíc volba takové struktury látky pomáhá učiteli vytvářet širší základnu poznatků, na které můţe v dalších hodinách či ročnících navazovat.  Výuka si klade cíle smysluplné (pro děti i učitele). Zdánlivě triviální zásada, ale je vţdy dodrţována? „Smysluplnost“ pro ţáky můţe vycházet z jejich přirozené zvídavosti, touhy uplatnit se apod. Motivující a smysluplné tak můţe být například řešit zajímavé problémy (tedy problémy zajímavé pro ţáky) nebo tvořit, uplatnit přitom vlastní nápady a s výsledkem se pochlubit ostatním. Nebo prostě snaţit se lépe porozumět něčemu z reálného světa kolem nás – a dojít k tomuto porozumění vlastním úsilím, v interakci s vrstevníky. Pro učitele je smysluplné, kdyţ vzbudí aktivitu ţáků, vidí, ţe je podněcuje k přemýšlení a tvůrčí činnosti – a zároveň je přirozeně vede ke vzájemné spolupráci, ochotě vyslechnout názor druhého a zamyslet se nad ním a k dalším dovednostem, které budou v ţivotě potřebovat leckdy víc neţ jen znalost konkrétních fyzikálních faktů.

3.

Konkrétní aplikace těchto principů v hodinách

Výše uvedené obecné zásady jsou rozpracovány do konkrétních dílčích postupů, rad a námětů, jak postupovat v hodinách fyziky. Učitelé zapojení do tohoto projektu tuto metodiku samozřejmě dostávají k dispozici. Nejen vzletné myšlenky aneb co můžeme nabídnout Samotné, byť krásně znějící, myšlenky a zásady však výuku nevylepší. Proto se můţete právem zeptat, co Heuréka pro zkvalitnění výuky konkrétně dělá. Celý projekt má několik rovin:

10

 Základní rovinou je výuka žáků v hodinách fyziky. O té jsme jiţ leccos řekli v předchozích odstavcích. Konkrétní metodiku výuky si přirozeně kaţdý učitel přizpůsobí. Učit podle nějakých fixně stanovených učebních plánů a jediné metodiky, od níţ by se nesměli odchýlit, by bylo vlastně proti duchu celé Heuréky.  Víkendové semináře pro nové zájemce také k projektu neoddělitelně patří. Nové formy práce s ţáky a způsoby výuky je totiţ třeba na vlastní kůţi zaţít a trénovat. Totéţ platí o vztahu učitel-ţák. Pouţijeme-li termínu z oblasti záţitkové pedagogiky, můţeme říci, ţe nové přístupy je vhodné zaţít a trénovat v bezpečném prostředí. A tím právě semináře pro učitele jsou. Pro mnohé účastníky je to opravdu záţitek, ţe při řešení problémů mohou volně formulovat hypotézy a dopouštět se i omylů a chyb – prostě opravdu přemýšlet, a ne sypat z hlavy vzorečky či „jediné správné odpovědi“ – a nikdo je za to nekárá a nehledí na ně spatra. O atmosféře seminářů snad něco vypovídá i to, ţe pro ně pouţíváme neformální název „učitelská školka“. Jedná se o dvouletý cyklus 10 víkendových seminářů, během kterých učitelé pracují velmi podobně jako ţáci ve škole. Tento praktický trénink a vlastní záţitek (při němţ se dotkneme i osobnostního rozvoje učitele) se podle našeho přesvědčení a podle našich zkušeností nedá adekvátně nahradit nastudováním nějakého manuálu či příručky. Metodické a další materiály účastníci dostávají (samozřejmě zdarma), ovšem aţ v návaznosti na absolvované semináře. Semináře jsou velmi neformální; setkáváme se ve škole, účastníci spí ve třídách ve spacácích, o jídlo se stará kaţdý sám. Nový cyklus „učitelské školky“ začíná 5. – 7. 11. 2010. Pokud Vás projekt Heuréka zaujal, můţete se přihlásit, máme ještě několik volných míst.  Semináře pro posluchače učitelství jsou formou, jíţ Heuréku zapojujeme do dalších aktivit, jimiţ se na MFF UK snaţíme rozvíjet přípravu budoucích učitelů fyziky.  Rozvoj Heuréky a její otevřenost novým nápadům a podnětům zajišťují mimo jiné semináře pro tradiční účastníky, tedy pro ty, kteří jsou do projektu zapojeni jiţ delší dobu. Tyto semináře bývají tematicky zaměřené, například v loňském roce jsme se zabývali Fyzikou v létání, Fyzikou v hornictví či Fyzikou v IQ parku.  Příleţitostí k setkávání účastníků z různých cyklů seminářů je konference Dílny Heuréky. Ta je pořádaná formou workshopů kaţdoročně od roku 2002

11

začátkem října na Jiráskově gymnáziu v Náchodě a zúčastňuje se jí zhruba 80 učitelů z celé republiky i ze Slovenska. Jsme velmi rádi, ţe je naše konference (přestoţe probíhá převáţně v češtině) zajímavá i pro zahraniční účastníky. V roce 2004 se Dílen Heuréky zúčastnila dr. Elizabeth Swinbank z University of York z Velké Británie. Vedla sama jednu dílnu a své dojmy z konference popsala v příspěvku [1]. Nebudu zde vypisovat všechny další zahraniční kolegy, kteří v průběhu let do Náchoda přijeli a vedli zde své dílny, neboť by jich byl poměrně dlouhý seznam. Zmíním zde jen dva, kteří patří mezi významné pracovníky v oboru fyzikálního vzdělávání v Evropě – byli to Wim Peeters z Belgie a Gorazd Planinsic ze Slovinska (ten o naší konferenci napsal příspěvek [2]). Ve školním roce 2009/2010 strávil na KDF MFF svůj sabbatical americký učitel Rodney Milbrandt z Rochester Community and Technical College in Rochester, Minnesota, USA, který své dojmy z náchodské konference (a z Veletrhu nápadů učitelů fyziky pořádaného KDF) popsal v článku [3]). V roce 2010 je připraveno 18 dílen (od velmi jednoduchých, spíše hravých, např. Tvořivé pokusohraní, Mechanické hračky z brček a drátků, aţ po poměrně myšlenkově náročné, např. Elektromagnetická indukce a s ní související jevy). Téměř vţdy se objeví i nějaká dílna, ve které účastníci něco vyrábějí (letos to budou například dřevoplynová kamna z plechovky). Dílny připravují sami učitelé – účastníci projektu Heuréka, a samozřejmě také pozvaní hosté, pokud mají zájem. Kaţdá dílna trvá 1,5 hodiny a několikrát se opakuje. Témata dílen z letošní i několika minulých konferencí lze nalézt na stránkách projektu [4]. Opět přijedou i kolegové ze zahraničí. Je přihlášeno 5 učitelů z Lotyšska, 2 z Ukrajiny a do Náchoda přijede dokonce jeden učitel z Mexika, který přijal naše pozvání vyslovené na jaře 2010 na konferenci latinskoamerických učitelů v Mexiku. Na této akci se pravidelně objevuje velké mnoţství zajímavých nápadů či experimentů, které by mohly být inspirací i pro ty účastníky projektu, kteří na konferenci v daném roce přijet nemohli. Proto vydáváme sborníky příspěvků z konference, které jsou k dispozici nejen účastníkům, ale i dalším učitelům, kteří se samotné konference nemohli zúčastnit. Máte-li zájem… O rozsahu projektu i o atmosféře na našich seminářích si můţete udělat představu z webových stránek [4]. Najdete tam i další informace o Heuréce, ukázky metodických materiálů a prací ţáků, další materiály a kontakty.

12

A pokud byste měli chuť se o Heuréce dozvědět více, podívat se do třídy, jak děti pracují, nebo se k nám přidat a rozšířit řady kantorů, kteří se o víkendech učí lépe učit, ozvěte se a přijďte, budete vítáni.

Kontakt: Irena Dvořáková, [email protected] Leoš Dvořák, [email protected]

Literatura [1] Swinbank, E. (2005). Reporting from a mattress in Nachod. Physics Education 40, No.1, p. 5 [2] Planinsic, G. (2006). Teachers share experiment know-how. Physics Education 41, No.1, 7-8 [3] Milbrandt, R. (2010). Innovative Physics Teaching Conferences in the Czech Republic, Physics Teacher 48, September 2010, p. 395-396 [4] (cit. 7. 9. 2010)

13

Metodika projektu Heuréka – 6. ročník, vlastnosti látek IRENA DVOŘÁKOVÁ

1. hodina Probírané fyzikální jevy: látky pevné, kapalné, plynné, jejich vlastnosti a vzájemné srovnání Použité pomůcky: svíčka, zápalky, špejle, olovo v plechovce, ocelový šroub, plynový kahan, stojánek a síťka nad kahan, 2 plechovky, voda, zčernalá ţárovka, 2 větší kádinky (cca 1 litr), průhledná injekční stříkačka, plyn do zapalovačů ve spreji (propan-butan) I. část hodiny (U některých otázek jsou uvedeny i předpokládané odpovědi dětí. Ty jsou označeny písmenem Ţ.) Na stůl si připravte svíčku, plechovku s olovem a kus ledu. U: Co to mám na stole? Ţ: Kus ledu. Ţ: Svíčku. Ţ: Plechovku s nějakým kovem. Moţných odpovědí je více (např. cín). Je potřeba si uvědomit, ţe ţáci nemohou kovy rozlišit. Učitel musí uznat, ţe by to mohl být uváděný kov, ale upřesní, ţe se v daném případě jedná o olovo. U: Popište, co všechno mají společné kus vosku, kus ledu a olovo. Ţáci navrhují vlastnosti, učitel je píše na tabuli (formulace nechává takové, jak je říkají děti). Dále uvedené pokusy učitel přizpůsobí situaci ve třídě a tomu, jak děti vlastnosti jmenovaly. U: Vyjmenovali jste spoustu vlastností a teď si s tím budeme chvíli hrát. Dívejte se.

14

Zapalte svíčku a nechte chvíli hořet, neţ se vosk důkladně rozehřeje. Mezitím zapalte kahan a nechte rozehřívat olovo. U: Co vidíte? Ţ: Hoří to. U: To také, ale sledujte, co se děje s voskem. Ţ: Teče. U: Olovo uţ se nám také ohřálo, pojďte se na něj podívat. U: Umí šroub plavat? Ţ: Ne. U: Tak se dívejte. Vloţte šroub na roztavené olovo. Pomocí špejle můţete ţákům ukázat, ţe i po ponoření šroub vyplave zpět na hladinu. Ţ: Na olovu šroub plave. Ţ: Olovo také teče. U: A teď se podíváme na kousek ledu. Mohl by také téct? Ţ: Ano, kdyţ ho ohřejeme, bude z něj voda a poteče. V kádince ohřejte jen část ledu, aţ se rozpustí na vodu, vylitím ukaţte, ţe teče. Do plechovky dejte zbytek ledu. Do druhé ruky vezměte prázdnou plechovku. U: Teď mám v téhle plechovce led. Jak ho můţu dostat do té druhé? Ţ: Přesypu ho. U: Mohli bychom stejně přesypat vosk a kousek olova? U: Změní se nějak tvar toho /přesýpaného/ kousku? Ţ: Ne. U: A co kdyţ si do plechovky naberu vodu? Naberte vodu do plechovky. U: Jak ji dostanu z téhle plechovky do druhé. Ţ: Stejně.

15

U: Také ji budu přesýpat? Ţ: Vlastně ne, vodu přeliji. U: Tak nám pojď ukázat, jak to budeš dělat. Ţáka nechte nad umyvadlem několikrát přelít vodu z jedné plechovky do druhé. Dbejte, aby se plechovky při přelévání nedotýkaly ("lití z výšky"). U: Jde ti to dobře, ale teď to zkus se zavřenýma očima. Ale nerozbryndej. Nechte několik ţáků, ať si několikrát zkusí přelévání vody, nejprve s otevřenýma a pak se zavřenýma očima. Nedaří-li se někomu přelévání výrazně, je potřeba jej upozornit, ţe si musí představovat, jak voda teče. Stejně ukaţte, jak se dá přelít vosk (přímo ze svíčky do plechovky) a řekněte ţákům, ţe stejně by se dalo přelít i olovo. U: Máme tady injekční stříkačku. Do ní můţeme nabrat vodu. Jak můţu poznat, ţe v ní voda je? Ţ: To vidím. U: Ano. Jak jinak to ještě mohu poznat? Ţ: Vystříknu ji. U: Správně. Ještě nějak jinak? Ţ: Kdyţ ucpu stříkačku prstem, tak nejde zmáčknout. (K této odpovědi je třeba ţáky dovést, neboť tato metoda bude vyuţita dále.) U: Ano, to je správné. Do vhodné stříkačky bychom stejně mohli nabrat i rozehřátý vosk a olovo. To, co jsme zatím zjistili, si zapíšeme: │vosk –

tvrdý

│

teče

│ │olovo –

tvrdé

│

teče

│ │voda –

tvrdá

│

teče

16

U: Co dále můţeme udělat s vodou? Dovést ţáky k tomu, ţe z vody můţeme udělat páru. Dejte hřát kádinku s vodou a nad ní přidrţte druhou kádinku, jejíţ dno se záhy orosí. U: Můţeme tedy k vodě přidělat třetí "fous". Zápis na tabuli upravíme následujícím způsobem: │voda-

tvrdá

│

teče

│

pára

U: Můţeme udělat třetí "fous" i k vosku? Nechte děti rozvíjet a obhajovat jejich názory. U: Tak si to zkusíme... Kousek vosku dejte na alobal. Alobal drţte v kleštích a přidrţte nad hořící svíčkou. Po chvíli se vosk ohřeje a začne z něj stoupat bílý dým - vosková pára, kterou lze hořící špejlí snadno zapálit. Hořící vosk lze i opatrně vylít na nehořlavou podloţku. Ţ: Ano, vosková pára existuje. Dokonce hoří. Ţ: K vosku můţeme připsat třetí "fous". │vosk-

tvrdý

│

teče

│

pára

U: A teď vám předvedu kouzlo. Umím zapálit svíčku na dálku. Dívejte se. Připravte si do ruky hořící špejli. Krátkým prudkým fouknutím zhasněte svíčku a do stoupajícího prouţku dýmu vloţte hořící špejli. Vosková pára se vznítí a zapálí knot. Nechte děti vyzkoušet si pokus v lavicích. Poţadujte popis a vysvětlení pozorovaného jevu. U: Víme, ţe existuje vodní pára a vosková pára. Co myslíte, existuje také olověná pára? Ţ: ...

17

U: Existuje, ale ukázat vám jí nemůţu. Podívejte se ale na tuhle ţárovku. Proč myslíte, ţe je zčernalá? Ukaţte ţákům spálenou začernalou ţárovku. Doveďte je k závěru, ţe "to černé" jsou vysráţené páry kovu, z něhoţ je vyrobeno vlákno ţárovky (wolfram). U: "Třetí fous" tedy doplníme i k olovu. │olovo- tvrdé │

teče

│

pára

II. část hodiny V kabinetě si připravte větší skleněnou kádinku, do které vstříknete trochu plynu do zapalovače (PB). Kádinku přikryjte například listem papíru a tajuplně přineste do třídy. U: Přinesla jsem kádinku. Co myslíte, je v ní něco? Ţ: Vzduch. U: Vzduchem se teď nebudeme zabývat. Přemýšlejte, co jiného by v kádince ještě mohlo být? Jak to zjistíme? Nechte rozvinout diskusi o různých metodách, kterými by děti mohly zjistit, co v kádince je. Mezi ţáky se jistě časem objeví i návrh kádinku ohřát. U: Ano, to by jistě šlo, ale raději to nebudeme zkoušet. Stačí, kdyţ do kádinky vloţíme hořící špejli. Pokus proveďte, efekt bude pro děti překvapivý. (Podrobnější popis experimentu s fotografiemi viz http://www.rvp.cz/clanek/1818) U: Lze tedy udělat závěr, ţe v kádince něco bylo. Ukáţu vám, jak jsem to tam dala. Před dětmi znovu stříkněte trochu PB do kádinky. U: Co myslíte, lze to "něco" přelít do druhé kádinky? Hořící špejlí vyzkoušejte, ţe ve druhé kádince PB není, a opatrně plyn přelijte do této kádinky. Hořící špejlí dokaţte, ţe jste PB přelili (nutno ověřit v obou kádinkách, tzn. v jedné, ţe tam je, a ve druhé, ţe tam není). Vyzvěte některého

18

ţáka, ať pokus zopakuje. (Pozor na rozbryndání.) Zeptejte se dětí, jestli je napadá důvod, proč na začátku hodiny přelévali vodu se zavřenýma očima. Děti obvykle dokáţou vymyslet, ţe teď mají sice oči otevřené, ale to, co přelévají, stejně nevidí. Ve fyzice je nutno počítat s tím, ţe se často setkáme s věcmi, které nejsou vidět, ale přesto existují. Na závěr hodiny upozorněte ţáky, ţe ve fyzice budete dělat experimenty, které děti mohou dělat samy, potom experimenty, které mohou dělat doma pouze pod dozorem rodičů (například zapalování svíčky na dálku), ale také experimenty, které doma v ţádném případě dělat nesmějí (pokusy s propan-butanem, zapalování voskové páry v mističce z alobalu). Domácí úkol: Doma si zkuste zapalovat svíčku na co největší dálku. Znovu zdůrazněte nutnost opatrnosti při práci s ohněm.

2. hodina Probírané fyzikální jevy: porovnání vlastností PB a CO2, vlastnosti vzduchu Použité pomůcky: opakování - viz minulá hodina, dvě větší kádinky, svíčka, zápalky, špejle, skleněná trubička (popř. pipeta, průhledné brčko), injekční stříkačka. Pro výrobu CO2: sifonová láhev bez vody s bombičkou nebo jedlá soda, ocet a vhodná láhev. Kontrola DÚ: Nechte děti vyprávět záţitky ze zapalování svíčky na dálku. I. část hodiny – opakování: V rámci diskuse zopakujte vlastnosti látek pevných, kapalných a plynných. (Pochopitelně, ţe tyto názvy nebudete pouţívat, ale vyjdete z termínů, které děti začaly samy pouţívat v minulé hodině.) Společně s dětmi byste měli vytvořit na tabuli přibliţně takovýto zápis, který si děti udělají i do sešitu.

19

led, tvrdý vosk, tvrdé olovo

voda, ohřátý vosk, ohřáté olovo

má svůj tvar

má tvar nádoby

neteče

teče

poloţím-li na to něco, drţí to

věci na tom plavou nebo se potopí

nedá se přelévat

dá se přelévat

nejde nabrat do stříkačky

jde nabrat do stříkačky a ta nejde zmáčknout

ohřátím to roztaje

ochlazením to ztvrdne

U: V minulé hodině jsme také zjistili, ţe kromě vody, která je vidět, se dá přelévat i propan-butan, který není vidět. Pojďte nám někdo oba pokusy zopakovat. II. část hodiny Do stejné kádinky jako v minulé hodině si v kabinetě předem připravte CO 2. (Podrobnější popis experimentu viz http://www.rvp.cz/clanek/1874.) Postup 1: Do prázdné sifonové láhve vpusťte CO2 z bombičky a plyn pak opatrně "nastříkejte" do polozakryté kádinky. Postup 2: Do vhodné láhve (např. od velké limonády) nasypte trochu jedlé sody a přilijte ocet. Okamţitě se začne s šuměním vyvíjet CO2, který přelijete do kádinky, kterou přikryjete. U: Zase jsem přinesla kádinku. Jak můţeme poznat, ţe v ní něco je? Ţ: Zkusíme hořící špejli. U: Tak nám to pojď předvést. Hořící špejle v kádince zhasne. Na to můţete reagovat tím, ţe se třeba najde někdo šikovnější a vyvoláme dobrovolníky. Špejle zhasne také, děti tedy musí udělat závěr, ţe v kádince je něco jiného, neţ tam bylo minule a ţe tohle špejli zhasíná. Pochvalte tento závěr, pojmenujte plyn v kádince a předveďte, jak jste CO2 do kádinky dali.

20

U: Propan-butan jsme minule přelévali. Myslíte, ţe můţeme přelít i kysličník uhličitý? Ţ: ... U: Tak to pojď vyzkoušet. Stejně jako v minulé hodině přelijte CO2 do druhé kádinky, hořící špejlí dokaţte přítomnost plynu. Pozor, CO2 snadno uniká, je nutná zvýšená pozornost při přelévání. Nechte děti porovnat a zapsat na tabuli společné a rozdílné vlastnosti PB a CO2. Například:

propan-butan

oxid uhličitý

není vidět

není vidět

jde přelévat

jde přelévat

uniká z kádinky

uniká z kádinky

bouchá, hoří

zhasíná plamen

Opět odejděte do kabinetu a stejně jako v minulých případech přineste zakrytou kádinku. Tentokrát v ní ale bude skutečně pouze vzduch. Děti jistě navrhnou zkoušku pomocí hořící špejle, ale zjistí, ţe se plamen nezmění. U: Hořící špejlí jsme tedy nic nezjistili. Je v kádince vůbec něco? Můţeme to poznat nějak jinak? Děti by si měly vzpomenout, ţe kdyţ nabraly vodu do stříkačky, nešla zmáčknout a ţe by tuto metodu mohly pouţít i v tomto případě. Zjistí, ţe naberou-li do stříkačky "něco" z kádinky a zacpou ji, stříkačka pruţí. Nechte děti vymýšlet, co by v kádince mohlo být. Pokud děti automaticky řeknou vzduch, upozorněte je, ţe z předvedených pokusů nevyplývá, ţe by to musel být pouze vzduch. (Příklad plynů, které danými pokusy nelze rozlišit: vzduch a potápěčská směs (helium – kyslík)). Po této diskusi ukaţte "nalití" vzduchu z jedné prázdné kádinky do druhé prázdné kádinky a nechte děti rozhodnout, zda jste tam skutečně něco nalili.

21

V další diskusi by děti měly přijít na odpověď na otázku, proč jste tuto řadu pokusů začínali s PB a CO2, nikoli se vzduchem. Očekávaná odpověď: na vzduch jsme zvyklí, protoţe je všude, tak jeho přítomnost ani vlastnosti vlastně nevnímáme, nemůţeme s ním ukázat přelévání a další zajímavé vlastnosti. Děti by si pak měly vzít do rukou stříkačky a vyzkoušet, ţe vzduch je skutečně všude (v zásuvce, v aktovce pod lavicí...). III. část hodiny U: Ukáţeme si další zajímavé vlastnosti vzduchu: a) Zapalte svíčku v kádince, nechte ji chvíli hořet a potom přikryjte například druhou stejnou kádinkou. Svíčka po chvíli zhasne. Děti by z pokusu měly odvodit, ţe na to, aby něco hořelo, je potřeba vzduch. b) Prstem ucpěte horní konec skleněné trubičky a ponořte ji do vody. Poté konec trubičky uvolněte. Děti by měly popsat, co vidí, a vysvětlit proč. Ţ: Je-li ve skleněné trubičce vzduch, voda se tam uţ nevejde, ale kdyţ to pustím, voda tam vleze a vzduch vystrčí. c) Ve stříkačce se vzduch dá stlačit; tím poznáme, ţe tam něco je. Měli jsme tedy pořád stejné mnoţství vzduchu, jenom jsme ho nacpali do menšího prostoru. Mohli bychom to ale udělat i jinak. Nechat stejnou nádobu, stejný prostor a do něj nacpávat stále více vzduchu. Víte někdo, kde se to takhle dělá? (Tlaková nádoba např. k postřikovači, s jistým přiblíţením i nafukování fotbalového či basketbalového míče.) U: Takţe si shrneme: v kádince jsme měli vzduch. Ten má tyto vlastnosti: │ 1) plamen nebouchá, nezhasíná, hoří │ 2) je všude │ 3) je to příčina toho, ţe plamen hoří │ 4) dá se stlačit U: Se vzduchem si budeme teď i v dalších hodinách hrát. Propan–butan i oxid uhličitý jsme uměli přelít z jedné kádinky do druhé. Šlo by to udělat i se vzduchem? Navrhněte způsob, jak přendat vzduch z téhle kádinky do téhle kádinky. Přemýšlení je moţné zadat i jako domácí úkol.

22

Metodika projektu Heuréka - 7. ročník, Newtonovy zákony IRENA DVOŘÁKOVÁ 1. Newtonův zákon (U některých otázek jsou uvedeny i předpokládané odpovědi dětí. Ty jsou označeny písmenem Ţ.) 1. Pokus: Podepřete prkno na jedné straně a kutálejte po něm plechovku (míček, kuličku, apod.). Plechovka se rozjede a dále se kutálí po stole. Při všech dalších úvahách a pokusech zůstává způsob rozhýbání plechovky stále stejný. U: Čím můţeme plechovku při pohybu na stole zastavit? Ţ: Rukou, foukáním, proudem vody, magnetem, zvednutím dojezdu, tím, ţe na stůl rozloţíme hadr, koţešinu... Jednotlivé návrhy ţáků zapisujte na tabuli do sloupce pod sebe. U: Zkuste najít, co mají tyto způsoby společného. (Ţáci by mohli dojít k tomu, ţe tam působí nějaká síla. Pokud k tomu sami nedojdou, řekněte jim to a pak je nechte pojmenovat, o jakou sílu se v jednotlivých případech jedná - síla ruky, vzduchu, vody, magnetu, Země). U: Působí nějaká síla proti pohybu i v případě zastavení plechovky na koţešině? Ţ: (Ţáci většinou popisují vliv chloupků a nerovností podloţky.) 2. U: Můţeme působící sílu ve všech předchozích případech měnit – zvětšovat či zmenšovat? Jak? Ţ: (Ţáci si uvědomí, ţe ve všech případech lze měnit velikost působící síly, a popíší, jak by to dělali.) 3. U: Šlo by to udělat tak, ţe by tyto síly proti pohybu vůbec nepůsobily? (Děti by měly dojít k tomu, ţe by se špatně odstraňovalo působení vzduchu – odpor vzduchu a vliv podloţky – tření) 4. Co by se stalo, kdyby se nám nějakým způsobem podařilo odstranit všechny síly proti pohybu?

23

Ţ: Plechovka by se kutálela pořád dál a dál... 5. U: Udělejte tedy závěr, o jaký pohyb se jedná. Ţ: …. Postupným zpřesňováním svých odpovědí by ţáci měli dojít k závěru, ţe kdyţ na těleso nepůsobí ţádná síla, stojí nebo se pohybuje rovnoměrným pohybem. 6. Pokus: Z bublifuku vyfoukněte několik bublin. Děti sledují jejich pohyb. Rozeberte příklad padající mýdlové bubliny – „tahá“ za ni Země, ale proti tomu fouká vzduch (blecha na bublině by cítila vítr). Tyto síly jsou skoro stejně velké, působí proti sobě, takţe výsledný pohyb je prakticky rovnoměrný. 7. U: Jak to, ţe na bublinu síly působily (Země, vzduch), a přesto se pohybovala rovnoměrně? Ţ: … Opět postupným zpřesňováním odpovědí dojdou ţáci k závěru, ţe v tomto případě byla výslednice sil nulová. 8. U: Řekněte tedy přesnější formulaci toho, co jsme zjistili, a napište ji na tabuli. Ţ: ..... 9. U: Tento zákon objevil Isaac Newton na konci 17. století. Porovnejte svoji formulaci s tím, jak je uvedena v učebnici. Říkají obě formulace totéţ? 2. Newtonův zákon Nejdříve s dětmi na příkladech zopakujte chování tělesa, kdyţ na něj nepůsobí ţádná síla, případně je výsledná síla nulová. Pak jim řekněte, ţe v této hodině se budete zabývat případy, ve kterých na těleso působí nějaké síly. Uvaţujte s dětmi o následujících problémech:  Je jednodušší rozhýbat či zastavit těţký míč (medicinbal) nebo stejně velký míč lehký (např. volejbalový)? 

Působím-li různě velkou silou na stejné míče, který se rozhýbe víc?

24

 Jak se bude pohybovat těleso, kdyţ na něj působí síla ve směru pohybu? To uţ známe z úvah týkajících se 1. Newtonova zákona.  Víme také, jak se pohybuje těleso, na které působí síla proti směru pohybu. Jak?  Jak musím „pohlavkovat“ míč, aby se po stole kutálel dokola? Jaký směr má síla působící na závaţí na provázku, které se točí ve vodorovné rovině? Jak působí mantinel na kuličku rulety? Jaký můţeme udělat závěr? (Aby se těleso pohybovalo rovnoměrným pohybem po kruţnici, musí na ně působit síla směřující do středu kruţnice.)  Shrňte tedy s dětmi předchozí úvahy. Jak se pohybuje těleso, je-li výsledná síla – nulová, - ve směru pohybu, - proti směru pohybu, - kolmo na směr pohybu? Upozorněte děti, ţe stejné úvahy můţeme udělat i obráceně – kdyţ pozorujeme, ţe se těleso pohybuje přímočarým zrychleným pohybem, musí na ně působit síla ve směru pohybu (analogicky i pro všechny další případy). Řekněte dětem, ţe po nich nebudete poţadovat ţádnou formulaci 2. Newtonova zákona, ale budete po nich chtít, aby byly schopny řešit konkrétní problémy. 3. Newtonův zákon Proveďte s dětmi následující pokusy a z nich plynoucí myšlenkové úvahy: Na stůl poloţte např. křídu, klíče, láhev s vodou. Řekněte dětem, ţe ve třídě máte velmi inteligentní stůl. Velmi přesně ví, nejen kde jsou tyto předměty, ale dokonce přesně i kolik váţí. Rozhovor s dětmi veďte podle těchto bodů: 

Předměty jsou v klidu, tedy výsledná síla je nulová.

 Působí na ně směrem dolů Země, a to silou, kterou umíme zjistit (a napíšeme ji na tabuli k obrázku těles).  Náš velmi chytrý stůl nejen ví, kde na něm je křída, závaţí atd., ale i přesně ví, kolik váţí a jakou silou směrem nahoru má tedy působit (aby výsledná síla byla nulová).  Jak je to moţné? Nechte děti vymýšlet, řešit tento zdánlivý paradox. (Na této úrovni poznání zatím s dětmi není třeba rozebírat vzájemné silové působení

25

tělesa, Země a stolu. Je vhodnější skutečně problém takto vyhrotit a nechat děti řešit zřejmě nesmyslnou úlohu.) Jako nápovědu k řešení můţete pouţít tenkou laťku, podepřít ji na koncích a opřít se o ni rukou. S dětmi pak řešte otázky: 

Tlačí tyčka na moji ruku? Proč? Jakou silou?

 Kdybych na tyčku místo ruky dala kilogramové závaţí, jakou silou na ně tyčka působí? Proč? 

Co kdyţ dám závaţí na molitanovou houbu, na tvrdou houbu, na stůl?

Doveďte děti k tomu, ţe se stůl pod váhou závaţí trochu prohne (jako kdybychom v něm zmáčkli pruţinky) a chce se narovnat. Působí tedy na závaţí stejnou silou, jako závaţí působí na něj. Síla je stejně velká, ale má opačný směr. Pak nechte děti naformulovat 3. Newtonův zákon.

26

Metodika projektu Heuréka - písemné práce IRENA DVOŘÁKOVÁ Písemná práce pro 9. D – opakovací 1. Ponoříme-li olovnici do hrnce, který je do poloviny naplněn vodou, tak provázek s hladinou svírá pravý úhel. Kdyţ hrnec nakloníme, tak bude provázek s hladinou svírat úhel: a) menší neţ 90° , b) velikost úhlu závisí na náklonu hrnce, c) pravý úhel, d) větší neţ 90°. Vyber a zdůvodni správnou odpověď. 2. Co je těţší? Krychle, která má hustotu 8 g/cm3, nebo krychle, která má dvakrát delší strany, ale má hustotu 4 g/cm3? 3. Na roztátí 1 kg ledu potřebujeme dost velké teplo. O kolik stupňů bychom stejným mnoţstvím tepla ohřáli 1 litr vody? (Měrná tepelná kapacita vody je 4,2 kJ/kg ∙ °C, ledu 2,1 kJ/kg ∙ °C, měrné skupenské teplo tání ledu je 334 kJ/kg.) 4. Máš dvě nabité tyče. Navrhni, jak bys zjistil, zda jsou nabitě stejně nebo opačně. 5. Dva magnety jsou zavěšeny podle obrázku. Menší magnet je slabší neţ větší. Přitahují se, nebo odpuzují? Působí větší silou první magnet na druhý, nebo druhý magnet na první? Který z magnetů se na závěsu více vychýlí? Nakresli obrázek a zdůvodni všechny odpovědi. 6. Navrhni děje, které by mělo smysl měřit v: a) m2/hod, b) ml/min, c) mg/rok, d) hod/m3, e) m/s /min, f) 1/m2 (jedna lomeno m2) 7. Máme krychli o hmotnosti 2,8 kg a objemu 0,5 dm3. Jaký údaj bude ukazovat siloměr se stupnicí v newtonech, zavěsíme-li na něj krychli a) ve vzduchu b) ponořenou ve vodě? 8. Rozhodni, zda jsou ţárovky v lustru zapojeny sériově, nebo paralelně. Vysvětli, jak jsi ke svému závěru došel.

27

9. Jak určíš ohniskovou vzdálenost lupy? Popiš pokus, který uděláš. Co budeš měřit? Nakresli obrázek. 10. Dvě naprosto stejné kostky ledu necháme v jedné místnosti. První volně poloţenou na vzduchu, druhou zabalíme do koţichu. Která kostka roztaje dříve? Proč? 11. Z auta neseš domů nákup. V tašce s nákupem máš tři kila brambor, dvě láhve Dobré vody (1,5 litrové), litr mléka a půl kila salámu. Od auta k domu musíš jít 40 metrů po rovině. Bydlíte ve druhém patře, takţe musíš vyjít po 50 schodech, kaţdý z nich je vysoký 20 cm. Jakou práci přitom vykonáš? Písemná práce pro 7. ročník 1. Turista šel půl hodinu rychlostí 8 km/hod, další dva kilometry šel rychlostí 4 km/hod., pak půl hodiny odpočíval. Zbývajících 10 km šel rychlostí 5 km/hod. Vypočítej, kolik kilometrů ušel, jak dlouho mu to trvalo (včetně odpočinku). Vypočítej průměrnou rychlost jeho pohybu. Narýsuj graf závislosti dráhy na čase pro tento pohyb. 2. Malá a velká mýdlová bublina se snášejí rovnoměrným přímočarým pohybem k zemi. Malá uletí 30 centimetrů za 10 sekund, velká za stejnou dobu jen 10 centimetrů. Na kterou z nich působí větší výsledná síla? Zdůvodni. 3. Dítě jedoucí na sedačkové lanovce upustí míč. Nakresli obrázek, vyznač, po jaké dráze se bude míč pohybovat. Zdůvodni. 4. Popiš, jak se liší povrch podráţek vojenských kanad a tanečních střevíčků. Zdůvodni rozdíly. 5. Kolem Země se pohybuje druţice. Nakresli obrázek, vyznač v něm všechny síly, které působí na druţici, a všechny síly, které působí na Zemi. Kresli pečlivě, aby byl jasný směr těchto sil a jejich velikost. Vliv ostatních vesmírných těles (Slunce, Měsíce apod.) zanedbáváme. 6. Na dřevěný plot máš připevnit čtvrtky s úlohami na orienťák. Vezmeš si na připevnění raději špendlíky, nebo připínáčky? Proč?

28

Náměty na experimenty s vlněním LEOŠ DVOŘÁK Vlnění na gumičce (a na pruţině) Postupné vlny (příčné) 1

2

3

4

Demonstrace postupné příčné vlny Šíření vlny ukaţte na 5 m dlouhé gumičce, která je na druhém konci přivázána k pevnému bodu. Výchylku „startujte“ rukou.

K

postupná vlna

Odraz na pevném konci Pozorujte odraz na gumičce. Je ve fázi, nebo v protifázi? Totéţ lze učinit s gumovou hadicí (např. poloţenou na zemi).

K

odraz vlnění

Rychlost šíření Změřte rychlost šíření vlny na gumičce. (Vlnu lze sledovat při odrazech tam a zpět. Šíření 10x tam a zpět dává celkem 100 m, čas vychází 3 aţ 8 s, coţ lze dobře naměřit.)

M

rychlost postupné vlny

Na čem závisí rychlost šíření vlny? Je pro více napnutou gumu rychlost vyšší, nebo niţší? Jaká je rychlost pro různě tlusté gumičky?

K M

v~

Demonstrace stojatých vln Na 5m gumičce vybuďte kmitáním rukou jednu nebo více půlvln. Jaká je jejich vlnová délka? Jak se mění λ se zvyšující se frekvencí?

K

λ = v/f (kvalitativně)

Frekvence stojatých vln Změřte dobu kmitu nejdelší vlny. Spočtěte periodu, z ní frekvenci, ověřte vztah f=v /λ – porovnejte

M *

perioda a frekvence vln,

F 

Stojaté vlny (příčné) 5

6

29

s pokusem 3. (Pozor, při obou pokusech musí být guma stejně napnutá!) Jak ţákům zdůvodníte, ţe vlnová délka je dvojnásobkem délky gumičky? 7

8

9

10

11

vlnová délka

Stojaté vlny s vyšší frekvencí – demonstrace Vybuďte na gumičce více kmitů (vln, „buřtíků“). (Budit vlny lze rukou, vrtačkou, holicím strojkem, mixérem ...) Ukaţte kmitny a uzly.

K

kmitny a uzly

Stojaté vlny s vyšší frekvencí – měření Vybuďte na gumičce více kmitů. Změřte vlnovou délku. V jakém poměru jsou vlnové délky k délce gumičky? V jakém poměru jsou frekvence k základní frekvenci? (Zopakujte pokus 6 pro více vln na gumičce.)

M *

frekvence vln a vlnová délka

„Měření frekvence pravítkem“ Vybuďte stojaté vlny na gumičce holicím strojkem. Nezávisle určete rychlost vln. Vypočítejte frekvenci.

M *

λ = v/f (kvantitativně)

Stojatá vlna na volném konci Konec gumičky uvaţte na delší nit. Jak se tento konec chová při vybuzení stojatých vln? (Tento pokus modeluje polozavřenou píšťalu. λ = 4 l.)

K

model polouzavřené píšťaly

Model píšťaly otevřené na obou koncích Oba konce gumičky prodluţte nitěmi. Vybuďte vrtačkou (blízko poloviny gumičky) stojatou vlnu. (Pokus je citlivý na délku gumičky.)

K

model otevřené píšťaly

K

podélné vlnění

Podélné stojaté vlny 12

Podélné stojaté vlny Vybuďte holicím strojkem vlny na pruţině z kalendáře. Ukaţte kmitny a uzly.

Poznámka k označení pokusů: K = kvalitativní, M = měření, * = náročnější

30

Náměty na experimenty s počítačem LEOŠ DVOŘÁK Několik námětů na jednoduchá měření s počítačem (téměř zadarmo). K pokusům se hodí libovolný malý mikrofon, který připojíme do vstupu zvukové karty počítače. (Místo mikrofonu můţeme do mikrofonního vstupu zvukové karty připojit i levný fototranzistor. Software, který umoţní z počítače udělat osciloskop a je pro vzdělávací účely k dispozici zadarmo, je Soundcard Scope autora Ch. Zeitnitze a lze jej stáhnout z: http://www.zeitnitz.de/Christian/Scope/Scope_en.html (v anglické a německé verzi). Druhým programem, téţ volně k dispozici, je Audacity, označovaný jako „svobodný editor zvuku“, dostupný na adrese: http://audacity.sourceforge.net. (Ten umoţňuje zaznamenat i delší zvuk a leccos na něm měřit.) 1. Snímání a analýza hlasu a) Zobrazte časový průběh zvuku různých samohlásek. (á, é, í, ó, ú – který průběh se nejvíc podobá sinusovce?) Změřte periodu zvuku.

b) Zobrazte spektrum frekvencí (třeba zase hlásek á, é, í, ú). (Studentům můţete ukázat, ţe frekvence vyšších harmonických tónů jsou násobky základní frekvence.) Zobrazte spektrum sykavek.

31

2. Zvuk ladičky a) Zobrazte časový průběh zvuku ladičky. (Změřte periodu a frekvenci, jestli odpovídá údaji výrobce.) b) Zobrazte frekvenční spektrum ladičky. (Krátce po úderu do ladičky vidíme i druhou harmonickou frekvenci.) c) Útlum kmitů ladičky. (Programem Audacity snadno ukáţete, jak klesá amplituda kmitů.) 3. Rázy a) Rozezněte dvě ladičky na mírně odlišných frekvencích a sledujte průběh zvuku. (Na jednu z ladiček přidáme přívaţek – třeba malý magnet. Zvuk nahrajte programem Audacity.) b) Zobrazte osciloskopem sloţení zvuku ze dvou reproduktorů s frekvencí odlišnou např. o 1 Hz. (Můţete vyuţít generátor, který je součástí programu Soundcard Scope. Zvuk krásně pulzuje.) 4.

Zvuk píšťal a rour – a zvuky tyčí a) Na jaké frekvenci kmitá vzduch v rouře na obou koncích otevřené? (Ano, délka píšťaly je asi polovina vlnové délky – ověřte vztah mezi vlnovou délkou a frekvencí. Pro rouru na jednom konci uzavřenou je její délka rovna čtvrtině vlnové délky.) b) Jaká je frekvence podélných kmitů tyče (např. hliníkové, drţené v polovině)? (Stačí ťuknout do konce tyče. Z frekvence a vlnové délky můţeme spočítat rychlost zvuku v materiálu.)

32

5. Měření rychlosti zvuku ve vzduchu a) odrazem zvuku od tabule, od zdi, od podlahy, … (Přímý zvuk i odraz zaznamenejte programem Audacity. Zvukem můţe být tlesknutí – ale velmi krátké!) b) odrazem zvuku v rouře nebo hadici c) měřením rezonanční frekvence (resp. frekvence kmitů) vzduchu v otevřené trubici nebo hadici 6. Měříme i ledacos jiného a) Změřte mikrofonem a počítačem tíhové zrychlení. (Lze změřit doby pádu závaţí: dole ťukne o zem, nahoře musíme při puštění vydat zvuk.) b) Změřte reakční dobu (při reakci na zvuk). (Ťukněte tuţkou o stůl. „Měřená osoba“ má za úkol také ťuknout, jakmile uslyší zvuk.) Ke vstupu zvukové karty lze připojit i fototranzistor… 7. Měříme rychlost otáček, rychlost ruky atd. Namiřte fototranzistor na rotující káču (s vyznačenou značkou), na sklíčidlo vrtačky, vyuţijte jej jako „fotozávoru“ pro měření rychlosti ruky atd. 8. Jak blikají zářivky a žárovky? Časový průběh signálu z fototranzistoru namířeného na zářivku či ţárovku ve stolní lampě sledujte programem SoundCard Scope. Jakou má signál frekvenci? Proč? 9. Detekujeme infračervený signál z TV ovladače Namiřte na fototranzistor TV ovladač a stiskněte např. tlačítko pro změnu kanálu. Sledujte časový průběh signálu. Lze infračervené záření z ovladače odráţet zrcátkem?

33

Fyzikální dílna na koleně ZDENĚK DROZD – LUDVÍK NĚMEC Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha

Seznam vyráběných pomůcek 1. Raketa - efektní model rakety na lihový pohon (3. Newtonův zákon, ZZH) 2. Pomůcky pro demonstraci beztíţného stavu + fyzikální rozbor problému - pastelka v PET láhvi (kosmonaut vznášející se v kosmické lodi) - voda v beztíţném stavu (Jak je to s hydrostatickým tlakem v beztíţném stavu?) - beztíţná klec (ukázka pomůcky) 3. Nosič hrnku (CD nosič) - demonstrace nezávislosti zrychlení padajícího tělesa na jeho hmotnosti 4. Horkovzdušný balón z pytle do odpadkového koše - demonstrace Archimédova zákona v plynech 5. Tlaková láhev (PET láhev s ventilkem) - nafouknutí balónku v láhvi - adiabatická expanze vzduchu - váţení vzduchu 6. Fixírka - demonstrace aerodynamického paradoxu 7. Létající brčko - „komplikovaná“ aerodynamika 8. Hřebíkový elektromagnet 9. Jednoduchý stejnosměrný elektromotorek (problémový experiment – stejnosměrný elektromotor bez komutátoru) 10. Píšťalka z víčka od zavařovací sklenice, trumpetka z brčka 11. Primitivní kompas (ovšem plně funkční) 12. Voltův sloup 13. Člověk jako elektrický zdroj 14. Dírková komora s demonstrací funkce clony

34

Vážení vzduchu Pomocí tlakové PET láhve, vyrobené v tomto semináři, můţete „zváţit vzduch“. Přesněji řečeno, získáte údaje pro výpočet hustoty vzduchu. Kromě zmíněné láhve budete potřebovat nějaké vhodné vahadlo, nebo digitální váhu (optimální bude, kdyţ umoţní váţení s přesností 0,1 g). Vahadlo, které vám bylo předvedeno na semináři, je vyříznuto z plexiskla. Takové vahadlo sice vypadá efektně, ale jeho zhotovení je zbytečně pracné a zdlouhavé. S výrobou jiného pouţitelného vahadla si jistě nějak poradíte. K jeho koncům přivaţte pomocí pevné niti dvě čepičky od automobilového ventilku. Další důleţitou pomůckou jsou dvě plastové láhve (1,5 l) s upravenými víčky. Úprava spočívá v tom, ţe do víček namontujete automobilové ventilky. Ty seţenete v pneuservisu. Pouţívají se pro bezdušové pneumatiky. Cena ventilku je asi 40 Kč. Změřte pro jistotu průměr ventilku (bývá to 13 mm). Do víčka plastové láhve vyvrtejte otvor stejného průměru a začistěte jej. Můţete pouţít vrták do dřeva a vrtat přímo rukou (vrtačka není nutná). Pro jistotu drţte vrták v nějaké staré rukavici – snadno byste se jinak mohli pořezat. Ventilek potom do vyvrtaného otvoru ve víčku nasuňte. Nasouvání jde ztěţka – nebojte se pouţít větší sílu. Víčko našroubujte na láhev a jste hotovi. Láhve budete potřebovat dvě. Jedna bude slouţit jako závaţí, ve druhé budete váţit vzduch. Jednu z nich tedy natlakujte pomocí vhodné hustilky nebo kompresoru. Dříve neţ se do toho pustíte, seţeňte si ještě asi půl metru dlouhou hadičku, kterou lze těsně navléknout na ventilek. Měla by to být pokud moţno měkká hadička. Přistupte k samotnému měření. Natlakovanou láhev připevněte na jeden konec vahadla, druhou láhev na konec druhý. Vahadlo pečlivě vyvaţte (lze pouţít např. kolíček na prádlo, který posouváte po vahadle). Nyní vahadlo podepřete nebo nějak jinak zajistěte a láhev se stlačeným vzduchem opatrně sundejte. Vezměte dvoulitrovou plastovou láhev plnou vody, obraťte ji dnem vzhůru a ponořte (hrdlem dolu) do kbelíku s vodou. Drţte láhev tak, aby hrdlo bylo několik cm pod hladinou, a odšroubujte víčko. Láhev nechejte podrţet pomocníkovi. Na ventilek láhve se stlačeným vzduchem nasuňte hadičku a její druhý konec zasuňte do láhve s vodou (ve kbelíku). Přes hadičku mačkejte ventilek a vypouštějte vzduch z láhve. Vzduch vytlačuje vodu z druhé láhve. Ta má objem 2 litry, takţe aţ bude voda téměř vypuzena, ubudou z „tlakové láhve“ 2 litry vzduchu. Láhev, která je nyní lehčí o vypuštěné dva litry vzduchu, opět našroubujte na vahadlo. Je vidět, ţe je skutečně lehčí. Dovaţte ji

35

vhodným závaţím. Hmotnost 2 l vzduchu je zhruba 2,5 g. Můţete si tedy předem připravit vhodné závaţí. Vyrobte je např. z plastové destičky a napište na ně hmotnost. Podařilo se vám zváţit vzduch. Následující fotografie ukazuje vahadlo s láhvemi.

Místo vahadla můţete pouţít digitální váhy. V tom případě si vystačíte s jednou PET láhví s ventilkem ve víčku. Po natlakování ji zvaţte, vypusťte 2 litry vzduchu a znovu zvaţte.

36

Poznámky k beztížnému stavu Většinou se setkáte s následujícími dvěma chybnými odpověďmi na otázku, proč je v kosmické lodi beztíţný stav: 1. Kosmická loď je příliš daleko od Země a ta na ni proto nepůsobí gravitační silou. 2. Na kosmonauty působí odstředivá síla, která ruší účinky gravitační síly. První odpověď snadno vyvrátíte tak, ţe nakreslíte na tabuli Zemi v měřítku 1 cm  100 km. Obrázek Země má průměr 130 cm a ţáci moţná vědí, ţe raketoplán nebo ISS létá ve vzdálenosti asi 400 km od povrchu Země. Kdyţ do obrázku nakreslíte polohu kosmické lodi 4 cm od obrázku Země, je jasné, ţe kosmonauti jsou „velice blízko“ u Země a ta je přitahuje skoro stejně, jako kdyby byli na jejím povrchu. Navíc, pokud ţáci znají Newtonův gravitační zákon, je jim jasné, ţe gravitační síla působí mezi libovolně vzdálenými tělesy (i kdyţ je to třeba síla malá) a ţe změna vzdálenosti kosmonauta o 400 km vzhledem ke středu Země nemá na velikost gravitační síly mezi ním a Zemí příliš velký vliv. Druhou odpověď zpochybníte otázkou, jestli tedy působí odstředivá síla také na kosmickou loď (ne jenom na kosmonauta). Potom by se totiţ tato síla měla vyrušit s gravitační silou a nebyl by důvod k tomu, aby kosmická loď obíhala okolo Země. Podle 1. Newtonova zákona by odletěla po přímce do kosmického prostoru. Studenti tedy nakonec připustí, ţe odstředivá síla zde nemá co dělat. Jak tedy beztížný stav vysvětlit? Uţ Galileo Galilei přišel na to, ţe všechna tělesa padají k Zemi se stejným zrychlením. Přesněji řečeno, kdyby Země neměla atmosféru, bylo by tomu tak. Na tělesa totiţ při pádu působí odporová síla vzduchu. Ta ve většině případů roste s druhou mocninou rychlosti a po nějaké době se vyrovná tíhové síle. Potom uţ těleso dále nezrychluje. Tělesa s menší hmotností tedy přestanou zrychlovat při menší rychlosti neţ tělesa s hmotností větší. Při malých rychlostech ale můţeme vliv vzduchu zanedbat. (Samozřejmě ţe ne u padajícího papíru nebo padáku.) Kdyţ drţíte v ruce kladívko, skočíte s ním ze stolu a volně jej přitom pustíte, kladívko padá stejně jako vy, a je vůči vám v klidu. Kdybyste přitom byli zavření v bedně, viděli byste, ţe se kladívko v bedně (stejně jako vy) vznáší. Je tam tedy beztíţný stav. Beztíţný stav není „bezgravitačním stavem“. Tíha je

37

síla, kterou tělesa tlačí do podloţky nebo kterou napínají závěs. Při volném pádu padají tělesa se stejným zrychlením a nemají ţádný důvod tlačit jedno do druhého. Zcela přirozené je tedy vysvětlovat beztíţný stav stejným padáním všech těles. Kosmická loď padá volným pádem k Zemi, přitom se ale musí pohybovat správnou rychlostí ve směru rovnoběţném s povrchem Země, aby se drţela stále stejně vysoko (letí první kosmickou rychlostí). Kosmická loď i kosmonauti padají k Zemi se stejným zrychlením, a proto se v ní mohou volně vznášet (a kaţdé jiné těleso v lodi samozřejmě také). Toto je vysvětlení z hlediska inerciální soustavy. Tedy nejpřirozenější vysvětlení, kdy my, jako pozorovatelé, jsme v klidu a pozorujeme třeba pád krabičky s matičkami na gumičkách. V inerciální vztaţné soustavě platí, ţe kaţdá síla má svého pachatele. Není tam místo pro ţádné setrvačné síly, ţádnou odstředivou, Coriolisovu nebo Eulerovu sílu. (Jen tak mimochodem. U kosmické lodi je gravitační síla silou dostředivou, tedy tou, která zatáčí pohyb lodi. Odstředivá síla by nám trajektorii pěkně narovnala a lety na oběţné dráze by byly těţko realizovatelné.) Beztíţný stav je samozřejmě moţné vysvětlit i z hlediska neinerciální vztažné soustavy. Toto vysvětlení je ale pro ţáky náročné a málokdo z nich ho asi správně pochopí. Takţe teď vysvětlení z hlediska neinerciální soustavy. Představte si, ţe padáte v zavřené bedně a zaţíváte tam beztíţný stav. Všechna svá pozorování vztahujete k bedně. Bedna je tedy pro vás v klidu. Ale pozor! Nesmíte si představovat, jak s vámi bedna padá. Bedna pro vás skutečně představuje soustavu, která je v klidu. Celý svět se pro vás pohybuje nahoru se zrychlením rovným zrychlení volného pádu (dům, vedle kterého padáte, Země, Slunce, Měsíc...). Směrem nahoru myslím ten směr, v němţ se celý svět zrychleně pohybuje). Pokud s sebou máte v bedně nějaký důmyslný přístroj, jenţ dokáţe změřit gravitační sílu, kterou na vás působí jiná tělesa, zjistíte, ţe jste přitahováni k Zemi gravitační silou a přitom ve směru této síly nezrychlujete. Jste v klidu a přitom na vás působí nenulová výsledná síla! (Nezapomeňte, ţe se volně vznášíte v bedně, která je z vašeho hlediska v klidu, takţe vy jste taky v klidu. Nebo třeba plujete bednou rovnoměrným přímočarým pohybem.) To je ale v rozporu s Newtonovými zákony! Na těleso, které je v klidu, přece nepůsobí ţádná síla nebo se všechny síly působící na těleso navzájem ruší. Chcete-li nadále Newtonovy zákony pouţívat, chcete-li tedy nadále „dodrţovat pravidla hry“, nezbývá vám, neţ připustit, ţe na vás působí ještě nějaká síla neznámého původu, která je stejně veliká, ale opačně

38

orientovaná neţ gravitační síla, kterou vás přitahuje Země. Této síle se říká např. fiktivní síla, setrvačná síla apod. Nenajdete ale pachatele, který touto silou působí. Takové síle se také říká nepravá síla. Tato setrvačná síla se ve svých účincích ruší s gravitační silou. Výsledná síla, která na vás působí, je tedy nulová a Newtonovy zákony jsou zachráněny! Poloţme si ještě otázku, na která jiná tělesa působí setrvačná síla při vašem popisu světa vzhledem k padající bedně. Samozřejmě, ţe úplně na všechna tělesa ve vesmíru. Na tělesa v bedně musí působit proto, aby se tato tělesa mohla „beztrestně“ vznášet v bedně, na bednu působí proto, ţe bedna je v klidu a přitom na ni působí Země gravitační silou. Všechna ostatní tělesa vůči bedně zrychlují, a proto na ně musí působit síla. Přitom nikdo nenajde pachatele, který urychluje okolní domy, stromy, hory... Jakmile popisujete pokus z hlediska neinerciální soustavy, působí setrvačná síla na všechna tělesa.

39

Elektřina a magnetismus v různých podobách PETER ŢILAVÝ Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha

Pokusy s indukčním vařičem Indukční vařič je dnes snadno dostupným elektrickým spotřebičem. Jak pracuje? Proč na něm nelze pouţít hliníkové nádobí? A jaké pokusy s ním lze předvést (nejen) v hodině fyziky? Praktické hledání odpovědí na tyto i další otázky je obsahem tohoto článku. Úvod Před několika lety se v nabídce supermarketů i internetových obchodů (např. [1]) objevil nový pomocník do domácnosti – indukční vařič. V komentáři prodejce na jeho internetových stránkách (stejně jako v návodu k pouţití přístroje [2]) se můţeme dočíst: Základ indukčního vařiče, jak je jiţ z názvu patrné, tvoří indukční cívka (elektromagnet) umístněná pod keramickou deskou. Spolu s kovovým dnem nádobí vytváří elektromagnetický obvod, díky němuţ indukční vařič vlastně ohřívá jen dno nádoby (98 % elektrické energie je přeměněno na teplo). Při vyuţití běţného elektrického ohřevu (plotýnkový vařič, běţná sklokeramická varná deska) přechází vyrobené teplo kovovou či sklokeramickou deskou a aţ potom se odevzdá dnu hrnce, ve kterém vaříte. Kaţdým předáváním tepla vznikají obrovské ztráty. Indukční vařič, na rozdíl od všech ostatních, nevydává teplo, a proto nepřipálí ţádné potraviny! Vaření je o mnoho rychlejší a úspornější neţ všechny ostatní pouţívané metody. Indukční vařič - nádobí Při vaření na indukčním vařiči je třeba pouţívat nádobí z vodivého zmagnetizovaného materiálu, jako je litina, smalt a jiné speciální nádoby, a zároveň musí mít nádoba rovné dno (velikost dna nádoby 12-30 cm). Vaření je zcela bezpečné, neboť povrch varné desky zůstává i při ohřevu chladný. www.tvproducts.cz

40

Kromě pasáţe o nepřipalování potravin zaujme kaţdého alespoň trochu fyzikálně myslícího člověka část návodu věnovaná nutnosti pouţití speciálního zmagnetizova(tel)ného nádobí. Proč nelze pouţít např. hliníkové nádobí, kdyţ proměnné magnetické pole vytvoří v hliníku stejně dobře vířivé proudy jako např. v ţeleze? Je důleţitý poţadavek feromagnetického materiálu hrnců? Lze indukční vařič pouţít v hodině fyziky na předvádění demonstračních pokusů? Experimentálně zjištěné odpovědi na tyto otázky nabízí další odstavce. Popis přístroje Popisovaný indukční vařič má sklokeramickou desku, pod kterou se skrývá vzduchová plochá cívka (hustě vinutá spirála) nalepená na plastovém podkladu. Cívka je napájena impulzy o frekvenci přibliţně 25 kHz (měřeno jednozávitovou smyčkou na sondě osciloskopu přiblíţenou k cívce).

Základní obsluha vařiče je jednoduchá – poté, co na sklokeramickou desku vařiče postavíme (neprázdný) hrnec, stiskem tlačítka ON/OFF vařič zapneme a po ukončení vaření také vypneme. Výkon vařiče lze upravit tlačítky s vyobrazením šipek. Nikdy neohříváme prázdný hrnec – velmi rychle dojde k jeho ohřátí na vysokou teplotu a k jeho moţnému poškození.

41

Pokud zapneme vařič bez hrnce, po malé chvilce se na displeji objeví chybové hlášení, zazní zvukový signál (pípání) a vařič se vypne. Stejným způsobem se vařič zachová, pokud se na něj postaví „nevhodné“ nádobí. Pokud se o to moc nesnaţíme, vařič se ochrání sám před špatnou manipulací. Zkoumání indukčního vařiče Na vařič jsem postavil ţelezný (plechový) smaltovaný hrnec s cca 0,05 l vody (na pokrytí dna) a zapnul vařič (stupeň „1 200 W“). Voda se po krátké chvilce (10 - 15 sekund) dostala do varu. Tím byla ukázána základní funkce vařiče. Předchozí „pokus“ jsem po chvilce zopakoval s tím, ţe jsem hrnec postavil na vařič přes dřevěnou mříţku vysokou asi 1cm (jaká se pokládá na stůl, kdyţ se na něj chce dát něco horkého), resp. přes stejně silnou vrstvu pěnového polystyrénu. Voda se opět rychle dostala do varu. Bezprostředně po odebrání hrnce i mříţky (polystyrénu) je moţno rukou zkusit teplotu sklokeramické desky vařiče – je studená. V případě indukčního vařiče nedochází k transportu tepla vedením či sáláním, vířivé proudy indukované v materiálu hrnce jej Jouleovým teplem ohřívají přímo. Místo mříţky jsem pod hrnec dal silný hliníkový plech (hrnec jsem postavil do hliníkové pánve nebo hliníkového spodku od Remosky) a opět zopakoval předchozí - vařič ohlásil chybu a začal pípat. Stejně se zachoval, kdyţ jsem dal do pánve pouze vodu a zapnul vařič (kdyţ jsem se pokusil pouţít standardním způsobem hliníkové nádobí). Pokus ukázal, ţe vařiči „vadí“ přítomnost dobře vodivého silného hliníku (hlásil chybu, i kdyţ v pánvi byl vloţený ţelezný hrnec). Vrátil jsem se k ţeleznému hrnci (uţ bez dřevěné mříţky), pod něj jsem dal na celou plochu alobal. Po zapnutí se spíše ohříval alobal neţ hrnec nad ním – voda se ohřívala znatelně pomaleji, po sundání hrnce i alobalu byla sklokeramická deska od něj hodně teplá. Zkusil jsem dále poloţit na vařič pouze alobal - po zapnutí vařiče se vznesl. A nebylo to teplým vzduchem! (Vzpomeňte si například na školní pokus s hliníkovým prstencem na demonstraci Lenzova zákona…) Kdyţ jsem pak samotný alobal (bez chlazení hrncem) přidrţel na desce vařiče, rozţhavil se místy do bílého ţáru, začal se tavit a jiskřit. Zdá se, ţe tenký alobal nezatíţil vařič natolik, aby jej vestavěná ochrana vypnula.

42

Dále jsem na vařič postavil hrnec z neferomagnetické nerezové oceli (vyzkoušeno magnetem) bez sendvičového dna (obyčejný plech). Voda se opět bez problémů uvařila. Pak jsem totéţ zopakoval ještě s „luxusním“ nerezovým hrncem se sendvičovým dnem (které zřejmě obsahuje masivní hliník kvůli rozvádění tepla), vařič ohlásil chybu a začal pípat. Pokud se plechový nerezový nebo ţelezný hrnec s trochou vody podrţí „v prstech“ nad zapnutým vařičem, je znatelně cítit jeho nadlehčování. Podobně jako to bylo v případě alobalu. Z uvedených pokusů plyne, ţe hrnec ohřívají především v materiálu indukované vířivé proudy (spíše neţ hysterezní ztráty či jiné mechanizmy – funguje to i na vodivé neferomagnetické materiály). Materiál hrnce ale nesmí být příliš vodivý – jinak je vařič příliš zatíţen a jeho ochrana jej vypíná. Kdyţ přiblíţíte hliníkovou pánev (hrnec) k cívce indukčního vařiče, je to, jako byste u transformátoru zkratovali sekundární vinutí. I primárním vinutím pak teče mnohem větší proud, který můţe transformátor zničit. Vařič má pro tento případ vestavěnou ochranu, která to pozná, odpojí napájení cívky a vypíše chybové hlášení na displeji (stejně tak vypíše chybové hlášení, kdyţ na vařiči není hrnec - kdyţ na "sekundární" straně není odběr). Upozornění: použití více vrstev alobalu (vyzkoušeno s osmi) vedlo ke zničení tranzistoru spínajícího proud do cívky vařiče. Tato závada je opravitelná. Pokusy s indukčním vařičem v hodině fyziky Předchozí pokusy s hrnci mne inspirovaly k několika dalším pokusům demonstrujícím některé základní jevy z oblasti elektromagnetismu:  Levitace měděného prstence Měděný vodič o průřezu 1 mm2 jsem stočil do tvaru kruţnice o průměru asi 10 cm a uzavřel pomocí šroubovací instalatérské svorky (vnitřku „čokolády“). Na vařič jsem poloţil malý plechový hrnek s trochou vody (abychom jej nepřehřáli) a kolem něj vytvořený měděný prstenec. Po zapnutí vařiče se díky magnetickým silám působícím na prstenec s indukovaným proudem tento prstenec vznesl. Pokus neprovádíme dlouho, prstenec se silně zahřívá (pokud byl pouţit izolovaný vodič, dojde k roztečení izolace, ze stejného důvodu není

43

vhodné uzavřít prstenec pájením). Hrnek v tomto případě slouţí jako „spotřebič“ pro indukční vařič, aby jej nevypínala ochrana.  Vařič jako transformátor Prstenec z předchozího pokusu rozpojíme (nebo vytvoříme nový) a do tohoto místa vřadíme objímku se ţárovičkou 6 V (např. 0,1 A). Vznikne tak vlastně cívka tvořená jedním závitem, která napájí ţárovičku. Poté, co závit poloţíme na desku vařiče a nad něj (opět kvůli „obelstění“ ochrany vařiče) přiblíţíme plechový hrnec s trochou vody, se ţárovička rozsvítí. Vytvořili jsme vlastně transformátor. Primární vinutí tvoří plochá cívka indukčního vařiče, sekundární cívkou je závit z měděného drátu se ţárovkou. Díky velké frekvenci změn magnetického pole nepotřebujeme ani magnetický obvod, který magnetické pole „dopraví“ k sekundární cívce.

Pokus s malou ţárovičkou jsem úspěšně zopakoval i se ţárovkou 24 V/100 W (aby byl pořádně vidět na celou třídu). Ţárovku 24 V/100 W lze koupit v kaţdém velkoskladu elektro. K tomu jsem navinul na průměr 11 cm (lze pouţít např. odpadovou instalatérskou trubku) z izolovaného vodiče o průřezu 1 mm2 cívku o čtyřech závitech, kterou jsem přímo připojil k velké objímce se ţárovkou. Lze pouţít i ţárovku 230 V/100 W, cívka ovšem musí mít 40 závitů (všimněte si, ţe to odpovídá indukovanému napětí přibliţně 6 V na závit). Cívka musí být vinuta z tenčího vodiče (vyhoví například vodiče z rozpleteného kabelu

44

datových sítí nebo tenčí zvonkový drát), aby její závity byly po poloţení na desku vařiče nejvýše 1 cm nad jejím povrchem. Pokud však pouţijeme příliš tenký (smaltovaný) drát, můţe dojít k jeho přepálení indukovaným proudem. Při předvádění pokusu dbáme zvýšené opatrnosti, nyní (i kdyţ má cívka „pouze“ 40 závitů) už pracujeme s nebezpečným indukovaným napětím! Dotýkáme se pouze objímky, nikoli vodičů, které nemají dostatečnou izolaci.

45

Poslední experiment jsem také vyzkoušel s největší snadno dostupnou ţárovkou 230 V/0,5 kW. Pouţil jsem stejnou cívku, jako v předchozím případě (40 závitů), k ţárovce však potřebujeme větší objímku (závit E40). Pro rozsvícení ţárovky opět přiblíţíme k desce vařiče plechový hrnec s vodou, po jeho oddálení však jiţ ţárovka zůstane svítit – příkon ţárovky je jiţ dostatečný k tomu, aby cívku se ţárovkou vařič „vyhodnotil“ jako řádný hrnec leţící na jeho povrchu. Závěr Pro vaření na indukčním vařiči lze pouţít nerezové nebo ţelezné (smaltované) nádobí neobsahující dobře (elektricky i tepelně) vodivou hliníkovou vrstvu. Ohřev je způsoben vířivými proudy indukovanými přímo v materiálu hrnce, nádobí rozhodně nemusí být „zmagnetované“ (jak píše návod k pouţití) a nemusí být ani z feromagnetického materiálu. Uvedené pokusy jsou jen inspirací k celé řadě dalších experimentů, které lze s indukčním vařičem provést. Dostupný výkon vařiče umoţňuje provádět efektní pokusy, při řadě z nich je však nutné dbát zvýšené opatrnosti. Zvláštní upozornění: pozor na vodivé prstýnky na rukou, pokud s nimi manipulujete v bezprostřední blízkosti (jednotky centimetrů) desky zapnutého vařiče. Krátkodobé působení magnetického pole vařiče na ruce není nebezpečné, vhodně natočený dobře vodivý prstýnek však vařič umí zahřát na vysokou teplotu během několika sekund.

Literatura [1] http://www.tvproducts.cz [2] Indukční vařič – návod k pouţití (dodáváno s přístrojem) Článek byl publikován ve sborníku z Veletrhu nápadů učitelů fyziky 13 v roce 2008 a v doplněné anglické verzi také v časopise Physics Education v roce 2009.

46

Obrazovka monitoru PC jako nástroj pro demonstraci pohybu elektronů v magnetickém poli Článek popisuje pouţití obrazovky z vyřazeného monitoru PC pro názornou demonstraci pohybu elektronů v magnetickém poli. Je zde uveden postup mechanické úpravy levného CRT monitoru Hyundai i způsob napájení obrazovky pomocí jediného 6V školního NiFe akumulátoru a Ruhmkorffova induktoru. Úvod V současné době dochází k masivnímu nahrazování klasických CRT počítačových monitorů modernějšími plochými monitory. Staré (avšak často dobře funkční) přístroje tak končí jejich likvidací bez naděje na další vyuţití. Přitom poměrně jednoduchou úpravou lze z těchto monitorů získat názornou učební pomůcku pro demonstraci magnetické (Lorentzovy) síly působící na pohybující se nabité částice. V literatuře (např. [1]) je popsána celá řada pokusů s magnety a televizní obrazovkou. Tyto pokusy ale většinou vyuţívají existující obraz funkční televize či monitoru PC a zaměřují se pouze na jeho deformaci po přiblíţení magnetu k přední části obrazovky. Interpretace výsledků (směr magnetické síly) je však sloţitá (různý směr svazku elektronů, přibliţování magnetu z nevhodného směru). Většinou se zde spokojíme jen s tvrzením, ţe magnetické pole ovlivňuje pohyb nabitých částic. Pro názornou demonstraci magnetické síly působící na nabité částice (demonstraci Flemingova pravidla levé ruky, vzorečku pro Lorentzovu sílu) potřebujeme proud nabitých částic v definovaném směru a moţnost přiblíţení magnetu kolmo k tomuto směru. Potřebujeme tedy nevychylovaný svazek elektronů a moţnost přístupu s magnetem kolmo ke krku obrazovky. Obojí získáme dále popsanou mechanickou úpravou monitoru. Důleţitou úlohou je vyřešení bezpečného napájení obrazovky. Většinu experimentátorů odradí komplikované obvody napájení obrazovky a potřeba vysokého napětí. Jelikoţ ale pro demonstraci nepoţadujeme ideálně zaostřený elektronový svazek (naopak, stopa na stínítku obrazovky by měla být dostatečně velká a i z dálky viditelná – v průměru jeden aţ dva centimetry), lze

47

napájení obrazovky velmi výrazně zjednodušit. Místo transformátoru s vn násobičem, který v monitoru poskytuje vysoké napětí pro obrazovku, můţeme pouţít Ruhmkorffův induktor, běţně pouţívaný ve škole například při pokusech s výboji v plynech. Obejdeme se tedy bez veškeré elektroniky monitoru (lze ji úplně odebrat) i bez nebezpečného napětí elektrické sítě. Mechanická úprava monitoru Účelem následující úpravy monitoru je získat pouze jeho obrazovku (s paticí) mechanicky umístěnou v drţáku – spodní části skříně monitoru. V případě námi pouţitého levného monitoru Hyundai je postup následující. Po odebrání plastových krytek v přední části monitoru a následně i vrchního krytu přístroje (postačí k tomu plochý šroubovák) odpojíme (bez pouţití nástrojů) veškeré vodiče a kabely spojující vychylovací systém a obrazovku se zbytkem monitoru. Malý plošný spoj s paticí opatrným tahem také odpojíme od obrazovky. Poté opatrně uchopíme oběma rukama obrazovku v její přední části (nikdy ne za krk obrazovky!), vyzvedneme ji z krytu a čelním sklem ji poloţíme na předem připravenou měkkou podloţku (obr. 2). Ze spodní plastové části monitoru odstraníme veškerou elektroniku (je potřeba uvolnit pouze několik šroubků kříţovým šroubovákem). Z ní vyzískáme ještě silný vn kabel vedoucí k boku (anodě) obrazovky (ustřihneme jej od vn násobiče). Můţeme také pomocí nůţek na plech a odlamovacího noţe vytvořit v krytu výřezy pro snadné přibliţování magnetu z boku ke krku obrazovky (obr. 1). Vychylovací systém je nasunutý na krku obrazovky a zajištěný dvěma kovovými stahovacími pásky. Pro jeho sundání nejdříve povolíme kříţovým šroubovákem šroubky těchto pásků a sundáme je. Poté noţem opatrně oddělíme kousky plastického lepidla u skla obrazovky a odlepíme plastové lamely původně přitlačené ke sklu stahovacími pásky. Uvolněný vychylovací systém stáhneme z krku obrazovky. Rozpouštědlem nebo opatrně mechanicky odstraníme zbytky lepidla z krku obrazovky. Upozornění: Při manipulaci s obrazovkou (přenášení, odebrání vychylovacího systému) dbejte zvýšené opatrnosti a použijte ochranný štít na obličej. Uvnitř obrazovky je vakuum, při poškození skla, nárazu či namáhání krku obrazovky hrozí imploze s následným rozletem skla do okolí.

48

Obr. 1 Upravený monitor bez elektroniky a vychylovacího systému

Obr. 2 Obrazovka bez vychylovacího systému Posledním krokem je získání patice pro obrazovku z malého plošného spoje, na kterém byla původně umístěna. Místo náročného současného nahřívání mnoha pinů této patice na desce plošného spoje je výhodnější pomocí měděného vodiče spleteného z mnoha drátků (licny) odsát pájku z kaţdého pinu a patici

49

pak uţ jen lehce prsty vytáhnout. Odizolovaný měděný vodič nejdříve páječkou nahřejeme, vloţíme do kalafuny a poté přiloţíme na místo, kde je potřeba pájku odsát. Po nahřátí páječkou se roztavená pájka nasaje do licny podobně jako voda do houbičky na mytí nádobí. Po odsátí pájky ze všech pinů patice a jejich uvolnění v dírách plošného spoje patici lehce vytáhneme. Následně provedeme propojení dle následujícího popisu. Je moţno (ale je to méně názorné a méně „elegantní“) ponechat na patici plošný spoj a provést připojení přímo na něj. Napájení obrazovky Označení jednotlivých vývodů patice obrazovky je obvykle naznačeno (natištěno) na plošném spoji. Při pohledu na patici ze strany vývodů (plošného spoje) mají piny následující význam (postup zleva doprava – viz obr. 3): G1: první mříţka (Wehneltův válec), G: katoda systému zelené barvy, G2: druhá (urychlovací) mříţka, R: katoda systému červené barvy, GND: zem, společný vodič, H: ţhavení katod (vlákno zapojeno proti GND), B: katoda systému modré barvy, GND: zem, společný vodič. Ve spodní části patice je ještě jeden pin – GND. Ze strany patice směrem k obrazovce jsou dvě dutinky – vývody fokusačních mříţek G3 a G4. Vodiče lze z těchto dutinek vysunout a zasunout po silnějším zatlačení na „tlačítka“ v jejich blízkosti.

Obr. 3 Napájení obrazovky

50

Pro naše pouţití nejdříve pospojujeme holým vodičem vývody G1, G, R, GND, B, GND, GND dohromady. Poté zapojíme rezistor 560 k mezi G2 a GND (viz obr. 3 a 4 vlevo). Následně spojíme obě dutinky G3 a G4 na obrácené straně patice vodičem a mezi něj a G2 připojíme rezistor 5M (viz obr. 3). Pak ještě (s vyuţitím původního vn vodiče připojíme mezi G3, G4 a anodu obrazovky rezistor 8,2 M (viz obr. 2, 3 a 4 vpravo). Přesná hodnota odporů není kritická, zmenšením odporu 560 k na 100 k lze např. dosáhnout zmenšení průměru stopy na stínítku obrazovky. Je však nutné pouţít delších rezistorů (vyhoví staré „šuplíkové“ zásoby), aby nedošlo k průrazu mezi jejich vývody.

Obr. 4 Detail připojení rezistorů a vodičů k patici obrazovky Následně k vývodům H a GND na patici připájíme dvojici vodičů pro připojení akumulátoru (ţhavení – 5 článků školního NiFe akumulátoru, ze kterého budeme současně napájet i Ruhmkorffův induktor). K vývodu GND připájíme vodič pro připojení k výstupu induktoru (hrot). K vn vodiči připájíme ještě přívod k induktoru (deska) – viz obr. 2. Veškeré pájení provádíme na patici sundané z obrazovky! Po provedení všech úprav ještě monitor označíme výrazným nápisem, ţe není určen pro standardní pouţití, ale pouze k demonstraci vychylování elektronů v magnetickém poli. Vychylování elektronů v magnetickém poli Před začátkem pokusu připojíme Ruhmkorffův induktor i vodiče ţhavení obrazovky ke školnímu NiFe akumulátoru. Zbylé dva vodiče (od anody

51

obrazovky a GND) připojíme k výstupu induktoru. Otočením vypínače zapneme induktor a pozorujeme světelnou stopu uprostřed stínítka obrazovky. Pokud se stopa neobjeví, zkusíme otočit vypínačem na induktoru na druhou stranu, resp. zaměnit mezi sebou vodiče vedoucí k výstupu induktoru. Pro demonstraci vychylování elektronů v magnetickém poli jednoduše přiblíţíme nejdříve severní pól standardního školního tyčového magnetu shora k rovné části krku obrazovky. V souladu s Flemingovým pravidlem levé ruky (proud teče zepředu dozadu obrazovky) se elektrony, a tedy i světelná stopa, vychýlí vlevo. Následně pokus zopakujeme s opačným pólem magnetu či s přibliţováním magnetu z vodorovného směru.

Obr. 5 Světelná stopa na stínítku obrazovky, uspořádání experimentu Po ukončení experimentu je vhodné spodní část skříně monitoru s obrazovkou opět zakrýt původním vrchním krytem (přívodní vodiče schováme dovnitř) – obrazovka je tak zajištěna proti poškození při přenášení či skladování. Literatura [1] Polák, Z.: Hrátky s magnetismem. Svět energie, ČEZ, a. s., Praha, 2007. Článek je publikován také ve sborníku z Veletrhu nápadů učitelů fyziky 15 v roce 2010.

52

Superjasné LED JOSEF HUBEŇÁK Přírodovědecká fakulta UHK, Hradec Králové V osmdesátých letech minulého století se v katalogu TESLA objevily první světelné diody československé výroby. První v řadě byla LQ 100, zářící červeným světlem. V katalogu najdeme údaje: svítivost 0,8 ≥ 0,2 mcd proud 20 mA napětí 1,65 ≤ 2 V vlnová délka λmax 660 nm Jen pamětníci si ještě vzpomenou na rubínově zbarvenou diodu se zlatavým kovovým pouzdrem: Přechod PN schopný emitovat fotony byl vytvořen v GaAs. Ačkoliv dioda svítí červeně, zdaleka nejde o monochromatické světlo. Pološířka spektrální charakteristiky byla 150 aţ 300 nm [1]. Galium fosfidové diody bez příměsí září zeleně s maximem na vlnové délce 565 nm a ţlutého světla lze dosáhnout příměsí teluru, zinku a kyslíku. Modře svítící diody měly PN přechod vytvořen v karbidu křemíku a příměsi dusíku, hliníku a bóru posouvaly dominantní vlnovou délku od 458 nm do 620 nm [1]. Děj, při kterém vznikají fotony, je přechod elektronu Obr. 1NLED LQ100 děrou. Přebytek energie elektron odevzdá z polovodiče do TESLA P a zachycení mříţce a vzniká teplo; pouze 1 aţ 10 elektronů ze sta vytvoří při tomto ději foton. Více neţ třicet let vývoje elektroluminiscenčních diod LED podstatně změnilo parametry a dnes při stejném příkonu mají svítivosti hodnoty o čtyři řády vyšší. Několik příkladů z nabídky dodavatele OSHINO Lamps:

53

typ SUR 50010, InGaAlP červená λmax = 641 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 1,9 V, svítivost 7400 mcd typ SUY 50010, InGaAlP žlutá λmax = 590 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 2,0 V, svítivost 6200 mcd typ SPG 50020, GaN zelená λmax = 523 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 7000 mcd typ SUB 50010, GaN modrá λmax = 470 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 2500 mcd typ SUW 50010, GaN bílá proud I = 20 mA, napětí U = 3,2 V, svítivost 20000 mcd barevné souřadnice x = 0,30, y = 0,30

Konstrukčně jsou si uvedené typy zcela podobné:

Obr. 2 Pouzdro současné LED Na vysoké svítivosti se podílí soustředění světelného toku do malého vyzařovacího úhlu, coţ je dobře vidět na polárním grafu svítivosti (obr. 3). Uvedené informace a grafy jsou převzaty z webové stránky [2]. Pro pokusy s těmito diodami je třeba znát jejich maximální příkon – není nijak velký a přehřátí vede Obr. 3 Polární graf svítivosti nejprve ke sníţení svítivosti a pak ke zničení. Výrobce udává pouze 100 mW. Při doporučeném proudu 20 mA nebezpečí přehřátí nehrozí. Pro napájení diod lze pouţít stejnosměrný zdroj a vhodný odpor do série. Jednoduché zapojení s tranzistorem umoţní nastavit proud v určitém intervalu a napájet diodu z devítivoltové baterie (obr. 4).

54

Obr. 4 Zapojení zdroje pro LED Napětí na Zenerově diodě je prakticky konstantní a potenciometrem P1 můţeme regulovat proud báze, a tím také proud kolektoru. Trimr P2 slouţí při nastavení zdroje na maximální proud LED. Mezní hodnotu nastavíme na 25 mA. Změny napětí baterie nemají na funkci zdroje velký vliv a úbytek napětí na LED není rozhodující. Zdroj je vestavěn do plastové krabičky, na čelní stěně je vypínač, zdířky pro připojení LED a knoflík potenciometru P1. Barevné LED umoţní ukázat skládání barev. Na snímku (viz barevnou přílohu, obr. B-1) jsou tři diody s červeným, zeleným a modrým světlem. V oblastech překrytí najdeme barvu ţlutou a fialovou, přesněji řečeno purpurovou. Regulací proudu diod lze docílit vhodné poměry osvětlení a vytvořit i bílé světlo. Světla barevných LED nejsou zdaleka monochromatická. Pro pozorování spektra byl pouţit objektiv ze starého zvětšovacího přístroje MAGNIFAX a vyrobena optická lavice s drţákem pro sondy (obr. 5).

Obr. 5 Optická lavice

55

Červený filtr patřící k vybavení zvětšovacího přístroje byl nahrazen průhledným cédéčkem, které zde slouţí jako optická mříţka. Posuv objektivu a poloha sondy dávají moţnost měnit velikost obrazu. Spektrum bílé LED je na obr. B-2. Pro fotografování zůstala clona objektivu MAGNIFAXU maximálně otevřena. Při pozorování je vhodné naopak co nejvíce zaclonit objektiv. Ze snímku je přesto patrné, ţe bílá LED obsahuje vlnové délky z celé viditelné oblasti. Spektrum ţluté LED je na obr. B-3. Na snímku je viditelná červená i zelená sloţka světla, které subjektivně vnímáme jako ţluté. Pozorování spekter lze doplnit i měřením vlnové délky. Laserový modul s vlnovou délku 650 nm je zabudován do sondy podobné předchozím s LED a pro napájení byl sestaven 3voltový zdroj ze dvou monočlánků (obr. 6). Mříţkové spektrum 1. řádu pro paprsek laseru je vhodné nastavit tak, aby vzdálenost od nultého byla rovna 65 mm.

Obr. 6 Nastavení velikosti obrazu laserem Pak uţ stačí vyměnit sondu s laserem za sondu s LED, objektiv ponechat na místě a posouváním sondy nastavit ostrý obraz nultého maxima. Vzdálenost dané části spektra od středu nultého maxima v milimetrech stačí vynásobit deseti a máme vlnovou délku v nanometrech. Odečítání vlnových délek není zcela přesné, jak ukáţe jednoduchý rozbor systému (obr. 7).

56

Obr. 7 Poloha prvního maxima Z obrázku je zřejmé, ţe vzdálenost nultého a prvního maxima je y = L tg . Pro vlnovou délku  a mříţku s konstantou a platí podmínka prvního maxima a sin  = . Z této podmínky je sin   , a pokud jsou úhly malé (pod 5°), lze sinus a a tangens vzájemně zaměnit. Pak pro výchylku platí y  L  . V sestavě a daného měření jde ale o úhel asi 25° a odchylka tangenty a sinu jiţ není zanedbatelná. Kalkulátor ukáţe číselné hodnoty: tg 25° = 0,4663 sin 25° = 0,4226 Hodnoty se liší o 10 % a stejná chyba vznikne při odečítání vlnové délky přímo ze stínítka. Pro informativní zjištění vlnové délky je taková chyba přípustná. Bílá LED se svítivostí 20 cd umoţnila sestavit model světlovodu (obr. 8). Hadička z průhledného plastu je naplněna silikonovým olejem, na vstupu je zalisována dioda a výstup je opatřen zátkou z průhledného epoxidu (zde byla pouţita LED o průměru 3 mm). Podmínka totálního odrazu není splněna pro všechny paprsky vyzářené diodou a na světlovodu je moţné pozorovat ztráty. Hadičku lze narovnat i zakřivit a sledovat vliv zakřivení na intenzitu výstupního svazku. Do skupiny experimentů s LED lze zařadit také pozorování luminiscence (obr. B-4).

57

Obr. 8 Model světlovodu Dnešní bezpečnostní předpisy poţadují označení východů a únikových cest z objektů i pro případ, kdy není k dispozici elektrické osvětlení, a existují firmy dodávající nápisy, značky a symboly vyrobené z moderních luminiscenčních materiálů s relativně vysokým jasem a dlouhou dobou dosvitu (řádově desítky minut). Zde byl vyuţit terčík o průměru 50 mm. Červená, zelená a modrá LED poloţené vedle terče ukáţí zajímavý efekt: luminiscenční stopu vytvoří pouze dioda modrá. Důkazem jsou obrázky v barevné příloze (B-5 aţ B-8). Intenzívní luminiscence nastane po zhasnutí modré LED, jak ukazuje obr. B-7. V nabídce LED jsou dnes i diody vyzařující ultrafialové světlo. Díky poměrně velkému intervalu vlnových délek takové LED září i ve viditelné oblasti spektra. Po zhasnutí ultrafialové LED se objeví také intenzívní luminiscenční stopa (obr. B-9). Diody s vysokou svítivostí jsou snadno dostupné a experimenty s nimi jsou fyzikálně zajímavé, bezpečné a esteticky působivé. Sonda s laserovou diodou nabízí ještě další vyuţití. Fyzika a optika se podílejí i na efektních obalech některého zboţí a následující snímek ukazuje odraz laserového paprsku od ústřiţku krabičky z kosmetického zboţí (obr. 9).

58

Obr. 9 Odraz laserového paprsku Ústřiţek vsazený do špejle vrací nulté maximum přímo na laserovou sondu a symetricky rozmístěná další maxima připomínají laueogramy. Tady jde patrně o dvě mříţky navzájem kolmé a vytvořené ve dvou vrstvách nad sebou. Po této ukázce je moţné, ţe studenti s laserovým ukazovátkem budou studovat obaly kosmetického zboţí. S výkonnými „ledkami“ se budeme setkávat stále častěji a zadáním dotazu „Power Leds“ do internetového vyhledávače se otevře mnoţství informací o posledním vývoji v této oblasti. Například korejský výrobce Seoul Semiconductor nabízí řadu výkonných „ledek“ Z-Power Led (obr. 10).

Obr. 10 Čip a montáţní celek Z-Power Led [3]

59

Parametry jedné „ledky“ z této řady: světelný tok 178 lm, barevná teplota 6 300 K, napětí v propustném směru 3,5 V, doporučený proud 1,4 A, úhel vyzařování 110°, barva bílá. Spektrum pokrývá vlnové délky od 400 do 800 nm, dominantní je 450 nm a další maximum leţí na 560 nm (obr. 11).

Obr. 11 Rozloţení intenzity ve spektru bílé LED X10490 [3]

Literatura [1] Svečnikov, S. V.: Základy optoelektroniky SNTL Praha 1975. [2] http://www.oshino-lamps.de/ [3] http://www.acriche.com/en/

60

Pokusy z fyziky MILAN BARÁNEK VOŠ a SPŠ elektrotechnická, Olomouc 1. Termočlánek V uvedeném pokusu je prokázána schopnost termočlánku přeměnit tepelnou energii na elektrickou a udrţet po určitou dobu elektromagnet v aktivním stavu. Je vyuţit termočlánkový obvod z plynového kotle (karmy). Tento mechanizmus zajišťuje trvání tzv. věčného plamínku, který slouţí pro zaţehnutí proudu plynu aktivovaného průtokem vody. Podrobnější informace najdete v článku „Technika a fyzika plynového spotřebiče“ [1]. Sestavu pokusu vidíme na obr. 1. Spojení vodičů od termočlánku s ventilem je zajištěno v originální objímce. Detail elektromagnetu – součást těsnicího ventilu – je na obr. 2 (bez těsnicího krouţku).

Obr. 1 Sestava pokusu

Obr. 2 Detail elektromagnetu

Přiloţením zapálené svíčky pod termočlánek jej zahříváme. Asi po 30 sekundách zkoušíme zamáčknout kotvu elektromagnetu a pomalu pouštět. Nemusí sama drţet okamţitě, proto zkoušíme v 5sekundových intervalech zatlačení znovu. Záleţí na správném zahřívání svíčkou (plamínek by neměl uhýbat), a tudíţ dostatečném zvýšení teploty konce čidla. Zanesení sazemi by nemělo vadit. Kdyţ elektromagnet zůstane zamáčknutý, udrţuje jej v zapnutém stavu elektrická energie termočlánku. Provedení ukázky obohatíme poloţením

61

zajímavého předmětu (např. mince) na těsnicí krouţek elektromagnetu. Po zhasnutí plamínku po krátké době ventil skokem povolí a lehce vymrští pouţitý předmět. V reálné praxi tento ventil zastaví přívod plynu. Otázky: Jak se nazývá jev způsobující vznik napětí na zahřívaném termočlánku? Vysvětlete jeho podstatu. Jak se nazývá jev k němu inverzní? Problém: Můţe termočlánek ovládat libovolný elektromagnet? 2. Alternátor pro bicykl Alternátor pouţitý v následujících ukázkách (obr. 3) slouţí cyklistům pro získání elektrické energie, kterou napájí svítilny vpředu a vzadu na bicyklu. O tomto zdroji, označovaném jako „dynamo“, informuje článek v časopise MFI [2] a rovněţ ukazuje moţnosti demonstrace zajímavých vlastností. Mezi nejdůleţitější patří charakteristika indukovaného napětí, které je střídavé, podobné sinusovému průběhu a má amplitudu kolem 6 V, je-li zatíţené. Pro indikaci napětí jsou dále vyuţita různá zapojení s diodami LED a piezoelektrickou sirénou.

Obr. 3 Alternátor pro bicykl Pomůcky: alternátor („dynamo“ pro bicykl), dvouţilový vodič, několik diod LED různých barev, piezoelektrická sirénka (samovybuzující), elektrolytický kondenzátor 100 F/16 V, usměrňovací můstek ze 4 diod, kontaktové pole.

62

Pro rotaci dynama je moţné vyuţít předloktí chráněné oděvem. Výkon dynama je úměrný otáčkám. Zkoušíme různou rychlost otáčení a chování indikátorů. Nejdříve pouţijeme jednu diodu LED bez usměrňovače. Potom zkusíme dvě v sérii, dvě paralelně a dvě antiparalelně. Můţeme zkoušet různé sestavy a pozorovat světelné efekty. Ochranný odpor není třeba pouţít. Zapojíme-li dynamo dle obr. 4, máme k pouţití stejnosměrný proud. Zkusíme opět různá zapojení s LED. Zapojíme také piezoelektrickou sirénu, u které uslyšíme přerušovaný tón, připomínající zvukový projev cvrčka. Přidáme-li k siréně paralelně kondenzátor 100 F, dojde k filtraci stejnosměrného pulzujícího napětí a siréna vydává svůj charakteristický tón. Výrobce piezosirén upozorňuje na moţnost zničení, pokud se napájecí napětí zapojí opačně!

Obr. 4 Zapojení pro indikaci napětí z alternátoru Otázky: Proč není název „dynamo“ správný? V čem je nevýhoda moţnosti zapojit na bicyklu více alternátorů pro získání větší elektrické energie? Problém: Navrhněte způsob, kterým by se napětí na bicyklu vyrábělo bez tření. Na jakém principu fungují otáčkoměry a kilometrovníky pro kola? 3. Motor z disketové mechaniky 5,25“ Pro ukázku je vyuţit motor ze starší mechaniky pro 5,25“ diskety. Je vhodné ho z mechaniky vyjmout a ponechat pouze přívodní 4 či 5ţilový napájecí a řídicí kabel. Dále je třeba uvolnit talíř s permanentním magnetem (obr. 5). Ten je připevněn 2 či 3 šroubky. Tyto šroubky mají často levotočivý závit. Odkryjeme zajímavé uspořádání cívek, v nichţ je pomocí elektroniky generováno točivé

63

magnetické pole s konstantními otáčkami. Uspořádání pólů v magnetu rotoru můţeme demonstrovat pomocí několika ocelových kuliček (obr. 6).

Obr. 5 Motor z disketové mechaniky 5,25“

Obr. 6 Magnetické pole rotoru

64

Na desce plošných spojů bývá označen význam vodičů. U čtyř ţil jsou obvykle značky: +5

+12

zem(GND)

S (nebo M).

Vodič S nesouvisející s napájením připojíme na zem. Podrobností jsou uvedeny např. v knize [3]. K napájení vyuţijeme zdroj z PC. Motor vykazuje většinou 300 ot/min. Volně poloţený talíř můţeme za chodu odejmout a poté vracet zpět na cívky. V ruce cítíme moment točivého magnetického pole. U některých typů lze demonstrovat vznik magnetického pole citlivým indikátorem (viz pokusy s tranzistorem). Z obrázků je vidět různý počet cívek a uspořádaných permanentních magnetů na kotouči. Tím je zajištěna dostatečná plynulost otáčení, která je podpořena také setrvačností kotouče. Jinak by se projevovaly skoky podobně jako u krokových motorků. Na rotujícím kotouči ukáţeme také vznik a zánik setrvačné síly. Delší šroub pomocí magnetu připevníme na střed kotouče a na konec šroubu uváţeme na niti lehčí kuličku. Počet otáček můţeme brzděním (třením) sniţovat a pozorovat zmenšení setrvačné síly. Otázka: Proč je nutné zabránit trhavému pohybu rotoru nesoucímu disketu? Uveďte různé způsoby zajištění konstantních otáček u motorků. Problém: Navrhněte způsob, jak demonstrovat točivé magnetické pole opticky. 4. „Perpetuum mobile“ jako kyvadlo Vysvětlíme si elektrické schéma dekoračního předmětu, označovaného jako „perpetuum mobile“. Tvoří jej cívka se dvěma vinutími a ţelezným jádrem, tranzistor NPN a napájecí baterie 6 - 9 V. Odpor cívky v obvodu báze je asi 1,6 k, v obvodu kolektoru asi 160 . Zapojení ukazuje obr. 7. Kývající magnet prolétá nad cívkou dostatečně rychle, indukuje napětí v obvodu báze. Proteče malý proud a otevře se tranzistor. V obvodu kolektoru proteče větší proud, který vyvolá silnější magnetické pole s opačným pólem. Ten působí proti pólu, který indukci vyvolal, a magnet je magnetickou silou postrčen ve směru pohybu. Hračka dovede kmitat několik měsíců (neţ se vybije baterie).

65

Obr. 7 Schéma kývajícího perpetuum mobile Pokusem s touto hračkou připomeneme pojem hybnost, zákon akce a reakce, tlumené kmitání a zákon zachování energie. Kývající přístroj poloţíme na vozík (auto) s malým valivým odporem a ten na hladkou podloţku. Pokud auto drţíme v klidu, perpetuum spolehlivě kmitá. Pokud jej pustíme, rozhýbe se i auto a po chvíli se kmitání celé soustavy zastaví. Důvodem je zvýšená hmotnost a tlumení kmitající soustavy perpetuum – auto. Soustavu ukazuje obr. 8. Otázky: Jakou největší hodnotu dosahuje proud kolektorem tranzistoru dle schématu? Jak se projeví zvýšení napětí baterie na chování hračky? Obr. 8 Zastavené perpetuum mobile

Problém: Navrhněte a vyzkoušejte velké perpetuum mobile stejného typu. Co lze očekávat při zvětšení délky kyvadla či hmotnosti závaţí?

5. Laserová závora Pro následující demonstraci je vyuţita polovodičová laserová dioda s vestavěnou optikou. Můţeme ji získat např. rozebráním laserového ukazovátka. Laser má výkon asi 1 mW, barvu červenou, napájecí napětí 3,5 aţ 5 V. Modul nemá zabudovaný omezovač proudu, při vyšším napětí hrozí nebezpečí přehřátí a zničení laserové diody. Omezovač proudu má modul, který je moţné koupit v obchodech se součástkami. Tento je vyuţit v ukázce. Na červený vodič je zapojen kladný pól zdroje. Na obr. 9 je vidět, ţe vodiče pro

66

napájení laserové diody jsou zakončeny běţným konektorem pro napájení ze síťového adaptéru.

Obr. 9 Laserová dioda a čidlo laserového paprsku s akustickou signalizací Čidlo pro příjem laserového paprsku obsahuje fototranzistor (např. KP 101, KP 102), nízkofrekvenční NPN tranzistor (např. KC237), piezosirénku a omezovací rezistory. Po zapojení napětí (obr. 10) siréna píská, jelikoţ tranzistor je otevřený. Běţné světlo nestačí otevřít přechod mírně zastíněného fototranzistoru, který tak vykazuje velký odpor. Aţ po osvícení laserovým paprskem fototranzistor způsobí zavření tranzistoru. Závora tedy akusticky indikuje přerušení paprsku.

Obr. 10 Laserová závora

67

Pro snadné zamíření laserového paprsku při sestavování je na fototranzistoru nasazen kousek papíru (viz obr. 9). Laserový paprsek má dalekou působnost, a proto jej můţeme pomocí hranolů a zrcátek odráţet a tím prodlouţit. Hlídaný prostor se tak pomyslně zvětší. Otázky: Proč je nutno dbát na opatrnost při práci s laserem, byť i malého výkonu 1 mW? Kde v praxi se pouţívá laserového paprsku? Problém: Hledejte největší délku paprsku a sledujte účinnost detekce. Uţijte všechny dostupné pomůcky pro odraz svazku paprsků. Které jevy nejvíce limitují toto snaţení? 6. Využití samoblikající LED Samoblikající dioda LED vzhledem k základnímu typu obsahuje navíc klopný obvod na čipu integrovaný spolu s přechodem PN. Frekvence bývá obvykle kolem 1 Hz. V následujících zapojeních je této diody vyuţito jako přerušovače. Tyto úlohy je vhodné realizovat v rámci laboratorních prací na téma Optika nebo Elektronika. Obě zapojení doplníme diskusí o bezpečnosti v dopravě. Přerušovaná siréna při couvání auta Následující jednoduchý a samoblikající LED.

obvod

vyuţívá

samovybuzující

piezosirénu

Po zapojení vydává siréna přerušovaný tón, coţ s výhodou můţe vyuţít kaţdý motorista, který nemá vozidlo vybavené zvukovým znamením zařazení zpátečky. Takové vyuţití obvodu určitě zvýší bezpečnost osob v blízkosti couvajícího auta. Velikost rezistoru je moţné zkoušet tak, aby vyhovovala hlasitost sirény a zároveň byl dodrţen maximální proud protékající diodou (dle typu aţ 20 mA). Je nutno připomenout, ţe ve schématu na obr. 11 je napájecí napětí uvedeno 12 V, ovšem napětí autobaterie dosahuje asi 14 V. V automobilu získáme toto napětí z kontaktů ţárovky, která signalizuje zařazení zpátečky. Pokud pouţijete uvedené zapojení jen jako ukázku v hodině fyziky, je moţné pouţít napájecí napětí 5 V a rezistor vynechat. Úkol: Uveďte další příklady elektronických zařízení v autě zvyšujících bezpečnost provozu.

68

Obr. 11 Siréna pro indikaci couvání auta Blikač s vysokosvítivými diodami ke kolu Elektrické zapojení (obr. 12) předvede v činnosti jednoduchý blikač, kde funkci přerušovače má samoblikající LED v obvodu báze tranzistoru. Diody v kolektorovém obvodu jsou vysokosvítivé, aby vynikl efekt blikače a tím jej předurčil pro bezpečnostní světlo k bicyklu (dle barvy dopředu či dozadu kola). Studenti si u tohoto zapojení upevní představu o funkci tranzistoru. Je nutno podotknout, ţe nejvýhodnější je pouţít typ s darlingtonovým vnitřním zapojením opatřeným diodou (např. výkonové BU806, BU807, TIP122). Důvodem je proud tekoucí samoblikajicí LED při jejím zhasnutí.

Obr. 12 Blikač ke kolu se samoblikajicí LED Otázky: Lze diody v kolektoru zapojit sériově? Lze zapojit větší počet LED? Problém: Navrhněte obvod, který vyuţije tento efekt pro 12 LED s napájením 12 V. Lze zapojit paralelně LED různých barev? Vyzkoušejte.

69

7. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru V této demonstraci jsem vyuţil informací z dokumentu Veletrh nápadů [4]. Známé zapojení pro demonstraci nabíjení a vybíjení kondenzátoru s velkou kapacitou je v mé ukázce provedeno na kontaktním poli (obr. 13). Schéma je na obr. 14. Napětí 5 V je moţné přivádět z rozhraní USB libovolného PC nebo notebooku pomocí speciálně upraveného kabelu. Je výhodné vyuţít přepínací tlačítko na rozdíl od aretovaného přepínače. Tím je zajištěno klidové rozpojení nabíjecí části obvodu.

Obr. 13 Zapojení obvodu na kontaktním poli

Obr. 14 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru

70

Pro indikaci nabíjení i vybíjení je také moţné pouţít samovybuzující sirénu (je třeba se vyvarovat přepólování – hrozí zničení součástky). Pomocí doby trvání jejího zvuku můţeme demonstrovat různé velikosti kapacit kondenzátorů. U kapacity 8,2 mF je zvuk slyšet několik desítek sekund. Doba se zkrátí, připojíme-li paralelně diodu s omezovacím odporem. Otázky: Jakou největší kapacitu mají dnes jiţ běţně vyráběné kondenzátory? Podle jaké matematické funkce probíhají uvedené přechodové děje? Problém: V praxi se pouţívají různé typy kondenzátorů. Navrhněte způsoby a metody pro měření jejich kapacit.

8. Demonstrace funkce tranzistoru Velmi jednoduché zapojení s tranzistorem typu NPN, vysocesvítivou LED a lithiovým článkem 3 V (obr. 15) ukazuje zajímavou formou funkci tranzistoru. Ten se otevře, spojíme-li body 1 a 2 pomocí prstů. Měly by být mírně vlhké, aby se projevil odpor lidského těla. Tento odpor o velikosti jednotek megaohmů stačí k otevíracímu proudu báze a LED se rozsvítí.

Obr. 15 Senzor s tranzistorem Celá pomůcka je zhotovena na drţáku pro 3 V článek (obr. 16). Tento drţák lze mimo jiné získat ze starší či nefunkční základní desky počítače. Výhodná je především velká plocha kladného pólu článku (svorka 2), a tudíţ snadného doteku prstem. Lze samozřejmě pouţít libovolné bateriové zdroje od 3 do 6 V a drţáky pro jejich uchycení.

71

Obr. 16 Senzor připájený na drţáku pro lithiový článek 3V Další jednoduchá pomůcka s tranzistorem umoţňuje indikovat nestacionární magnetické pole svítivou diodou LED nebo piezosirénkou (obr. 17). Zapojení je v podstatě stejné jako senzorový spínač. Do bodů 1 a 2 připojíme cívku s ţelezným jádrem, pocházející např. z relé. Vyzkoušené její hodnoty jsou: počet závitů 3000, odpor vinutí 22 k. Klidový proud z baterie je potom asi 0,12 mA.

Obr. 17 Indikátor magnetického pole s tranzistorem Otázky: Jak se změní uvedená zapojení, pouţijeme-li tranzistory typu PNP? Jakým způsobem se dá zjistit typ PNP či NPN, známe-li u tranzistoru polohu vývodů C, B a E?

72

Problém: Odpor lidského těla je závislý na různých faktorech. Navrhněte způsoby a metody pro jeho měření. Vysvětlete podstatu úrazu stejnosměrným proudem. Navrhněte spolehlivé metody proti úrazům elektrickým proudem. 9. Setrvačník z CD Vděčnou pomůckou pro ţáky jsou různé pohybující se či rotující hračky. Na těchto předmětech lze ukázat působivým pokusem základní zákony mechaniky. Setrvačník sestrojený z CD a šroubku M3 nebo M4 dostatečné délky s většími podloţkami samozřejmě snadno roztočíme pomocí prstů ruky. Překvapující vysoké otáčky docílíme pouţitím upraveného stejnosměrného motorku na 6 aţ 12 V (obr. 18). Na řemeničce je nalepen kousek gumy s duše kola. Na šikovnosti předvádějícího je závislý úspěch roztočení CD na otáčky srovnatelné s těmi, které dosahuje v mechanice PC. V prstech, pinzetě či kolíčku na prádlo přidrţujeme setrvačník rovnoběţně s podloţkou a jemně přikládáme gumu z motorku na hlavičku šroubku. Třením gumy o šroub zvyšuje setrvačník otáčky a stává se stabilnějším. Drţení hřídele pak můţeme odstranit.

Obr. 18 Setrvačník z CD a motorek pro roztočení Podobně můţeme vyuţít malou gramofonovou desku označovanou SP. Pokud má zachovaný otvor o průměru asi 7 mm, vystředění šroubu M6 s dvěma podloţkami se podaří snadno.

73

Úkoly: Odhadněte a potom zjistěte počet otáček rotujících zařízení v nejmodernějších přístrojích. Vyuţijte technické časopisy, reklamní materiály a internet. Oblíbeným předmětem se mezi sportovci stává tzv. POWERBALL. Zjistěte jeho princip nejdříve ve vlastních rukou a potom ověřte z materiálů v návodu a z internetu. 10. Hallova sonda v integrovaném obvodu Integrované obvody pro bezkontaktní spínače ovládané magnetickým polem se nejčastěji pouţívaly ve starších typech klávesnic. V moderních zařízeních je najdeme především v podobě malých snímačů otáček motorků. Kaţdý integrovaný obvod obsahuje Hallovu sondu. Pro demonstraci Hallova jevu stačí sestavit zapojení podle obr. 19. Je pouţit typ MH1SS1 nebo MH3SS2. Upozorňuji na jiné zapojení vývodů u těchto dvou typů pouţitých IO.

Obr. 19 Zapojení IO s Hallovou sondou

74

Indikaci sepnutí provedeme buď pomocí LED či samovybuzující sirénky, nebo zapojíme indikaci obojí. Výstupy 2 a 3 jsou rovnocenné, dodávají v sepnutém stavu kladné napětí přibliţně velikosti 4 V a nejsou chráněny proti zkratu. Maximální proud by celkem neměl překročit 20 mA. Velikost napájecího napětí IO je v katalogu uvedena 5 V s tolerancí 0,5 V. Magnetické pole přikládáme buď pomocí malého permanentního magnetu s dostatečnou magnetickou indukcí, nebo pouţijeme původní klávesy, které v sobě magnety obsahují (obr. 20).

Obr. 20 Klávesy s Hallovými sondami Otázky: Uveďte principy spínání kláves u moderních klávesnic PC. Které nevýhody kláves s Hallovými sondami nové klávesnice odstranily? Problém: Navrhněte jiné zajímavé zapojení a pouţití IO s Hallovou sondou. Kterou hlavní výhodu tyto spínače stále mají? Vyrábějí se i obvody, které reagují na magnetické pole pouze vysláním impulsu šířky asi 1 ms. Jak se dá vyuţít této moţnosti? 11. Pokusy s infračerveným zářením K uvedenému zapojení a pokusům s vysílačem a přijímačem infračerveného záření mě inspirovaly články z časopisu MFI [5] a [6]. V mém zapojení je pouţit infračervený přijímač SFH5110-36, v němţ je integrován i zesilovač a demodulátor (obr. 21). Je běţně k dostání a cena je asi

75

30 Kč. Pro vysílání záření pouţijeme libovolný dálkový ovladač z domácnosti. Pro indikaci příjmu je zapojena vysokosvítivá LED a piezosirénka. Čím větší je svit LED a hlasitost sirény, tím je signál intenzivnější. Schéma zapojení je na obr. 22. Pro stejné účely lze pouţít i vymontovaný přijímač infrazáření z vyřazeného televizoru či jiného přístroje na dálkové ovládání. Zjištění typu a zapojení vývodů však vyţaduje zkušenosti.

Obr. 21 Zapojení vývodů infrasenzoru

Obr. 22 Zapojení pro příjem infrazáření Během pokusu můţeme demonstrovat některé vlastnosti záření (odraz, lom, rozptyl) a propustnost materiálů v infračerveném oboru. Vyzkoušíme běţné látky jako sklo, papír, dřevo, umělou hmotu, vodu. Pro rozptyl vyuţijeme pauzovací papír, vodu s mlékem nebo matnou fólii. Zapojení můţe v domácnosti a ve škole slouţit také k testování funkčnosti pouţívaných dálkových ovladačů.

76

Lze infrazáření vidět? Kladnou odpověď dokáţe libovolná kamera. Působivou ukázku umoţní zobrazení vysílajícího dálkového ovladače webovou minikamerou na obrazovce počítače. CCD prvek v kameře nereaguje přesně pouze na viditelné záření. Detekuje i infračervené vlny a elektronika kamery přiřadí těmto vlnám téměř bílou barvu (jako by nás šidila). Rovněţ u tohoto pokusu je vhodné ověřit propustnost záření některými materiály. Můţeme ukázat i zvětšení či zmenšení vyzařovací diody (nebo dvou diod – podle typu ovladače) pomocí čočky. Vhodné je vše demonstrovat přes dataprojektor. Infračervená závora Z vyřazených počítačových zařízení lze získat zajímavý obvod, který obsahuje infradiodu a infratranzistor. Infrazávora s vlastní clonkou slouţící pro snímání polohy je na obr. 23. Pro demonstraci činnosti zapojíme schéma dle obr. 24. Společný pól je kladný, zvlášť je vyvedena katoda infradiody a kolektor infratranzistoru. Opět ověříme, ţe tenký bílý papír závoru téměř neovlivní, naopak černý předmět závoru aktivuje.

Obr. 23 Infrazávora s pohyblivou clonkou k indikaci polohy

Obr. 24 Zapojení infrazávory

Otázky: V čem tkví výhoda uţívat v závorách infračervené diody oproti LED? Uveďte další vyuţití infrazáření a popište jeho chování a účinky. Jakým způsobem se na jednom ovladači zajistí schopnost vysílat aţ několik desítek různých povelů? Proč se pro podobné účely nevyuţívají vlnové délky ultrafialového záření?

77

Problém: Navrhněte způsob, jakým by infračervené dálkové ovládání mohlo ovládat zařízení ve větší vzdálenosti, kde přímý paprsek jiţ nemá dostatečnou intenzitu a čidlo by reagovalo nespolehlivě. 12. Skládání barev s trojbarevnou LED Zapojení vývodů a základní charakteristiky diody L5R3G6B2 jsou na obr. 25. Písmenem „k“ je označena společná katoda. Má nejdelší vývod. Proud kaţdé barvy by neměl překročit 20 mA. Podle uvedených údajů je zřejmé, ţe nejjasněji svítí barva zelená a nejméně modrá (pokud testujeme jas vyvolaný stejným proudem). Pro skládání barev zapojíme do obvodu katody ochranný odpor 220  a u kaţdé barvy proměnný rezistor. Tím docílíme plynulého nastavení jasu. Poutavé zobrazování různých jasů a sloţení barev předvedeme podle obr. 26, nejlépe v zatemněné místnosti. Nádobka pochází od léku ve formě kapek a je téměř průhledná. Je naplněna vodou s kapkou mléka a způsobuje tak dostatečný rozptyl světla. Pouzdro diody je vodotěsně zasazeno do víčka nádobky.

(G - green: 6 cd ; 525 nm; B - blue: 2,5 cd ; 470 nm; R - red: 3 cd ; 626 nm) Obr. 25 Tříbarevná LED

Obr. 26 Tříbarevná LED a skládání barev

78

Otázky: Popište rozdíl mezi substraktivním a aditivním skládáním barev. Prohlédněte lupou vnitřní strukturu LED. Co je na vnitřním uspořádání zajímavé? Problém: V obchodní síti se dá pořídit lampa, která plynule automaticky mění barvy, a její součástí jsou výkonné barevné LED. Vysvětlete její princip. Jaké vlastnosti by mělo mít osvětlovací sklo?

13. Pokusy s bimetalem Některé pomůcky z technické praxe jsou na obr. 27.

Obr. 27 Různé provedení součástek s bimetalem Startér pro zářivky obsahuje bimetalový kontakt, umístěný na jedné z elektrod doutnavky, a kondenzátor. Z funkce startéru připomenu, ţe kontakt sepne po zahřátí od doutnavého výboje. Po sepnutí výboj ustane a bimetal ochlazením rozepne. Tento opakující se děj můţeme demonstrovat, zapojíme-li do série se startérem ţárovku 220 V/ 40 W. Ţárovka zajímavě bliká. Dbáme přitom na bezpečnost práce se síťovým napětím 220 V a s horkou ţárovkou.

79

Termostat v žehličce je opatřen regulačním šroubem, který mění mechanické předpětí mţikového bimetalového kontaktu a tím také teplotu potřebnou pro jeho reakci. V demonstraci zapojíme na kontakt indikaci sepnutí (např. LED nebo piezosirénu) a bimetal zahříváme plamenem z ručního plynového zapalovače. Nastavením regulátoru na vyšší teplotu vyţaduje delší dobu zahřívání. Varná konvice je vybavena několika bimetalovými plíšky, které neobsahují kontakt, ale přes nevodivé tělísko kontakt ovládají. Jeden z těchto mechanismů je prodlouţen tak, aby jej bylo moţno ručně vrátit do výchozí polohy. V ukázce je pouţita odmontovaná část konvice s táhlem, které spolu s bimetalem ovládá kontakt. Ohřevem bimetal vymrští vhodně nastavené táhlo. Tepelné relé se uţívalo dříve např. v ústřednách pro potřebu pomalejší reakce na přetíţení. Při demonstraci jeho činnosti zapojíme na přepínací kontakt dva indikační obvody. Pro zahřívání bimetalu slouţí odporové vinutí 300 ohmů, které je nutno napájet aspoň 30 V. K tomu vhodně poslouţí síťový adaptér pro tiskárny (např. řady HP). Zapojení je na obr. 28.

Obr. 28 Tepelné relé s bimetalem Pojistka s bimetalem je pouţita v ukázce, ve které dosáhneme dostatečného proudu pouţitím halogenové ţárovky 12 V/ 50 W. Napětí 12 V vyuţijeme ze zdroje PC, který má dostatečnou proudovou rezervu (aţ 10 A). Správně seřízená pojistka pomocí stavěcího šroubku by měla asi po 20 sekundách obvod přerušit. Ten obnovíme stisknutím tlačítka na pojistce aţ po chvíli, kdy necháme bimetal vychladnout. Je zde zajímavá především skutečnost, ţe proud prochází přímo bimetalovou smyčkou. Dbáme opatrnosti vzhledem k vysoké teplotě ţárovky.

80

V takto sestaveném obvodu vyuţijeme velké hodnoty proudu ještě k důkazu Ampérova zákona. Některý spojovací vodič zavěsíme těsně nad silný permanentní magnet a pozorujeme silové účinky na vodič při zapnutí a vypnutí proudu (Flemingovo pravidlo levé ruky). Bimetalový plíšek se předvede jako skákající ţabka. Poloţíme-li jej správnou stranou na drátěnou síťku (např. z kráječe vajec) a plynovým zapalovačem zahříváme, mţikové překmitnutí plíšku způsobí skok připomínající chráněného ţivočicha. Pinzetou poloţíme zahřátý plíšek opačnou stranou uţ na libovolný povrch a skok se pochvíli zopakuje. Bimetal se vrátil do původní polohy. Přerušovač ukazatelů směru v automobilu rovněţ vyuţívá vlastnosti bimetalu. U starších typů přerušovače lze snadno odstranit kryt a sledovat činnost při zapojení ţárovky 12 V/ 21 W. Periodu přerušování lze doladit stavěcím šroubkem. Teplotní pojistka proti přehřátí svými malými rozměry umoţňuje upevnit ji přímo na korpus elektronické součástky. V obchodech ji najdete např. pod označením SM4045 – termostat vratný. Bimetalem je ovládán rozpínací kontakt, který rozpojí elektrický obvod. Demonstrovat činnost pojistky můţeme např. jejím umístěním na halogenovou ţárovkou 12 V/ 50 W, na jejímţ povrchu teplota vzroste nad 100 C. V obvodu kontaktu pojistky zapojíme samostatný obvod s indikační LED, ochranným odporem 220  a vlastním zdrojem 5 V. Otázka: Které kovy se nejčastěji pouţívají pro výrobu bimetalových pásků či plíšků? Uveďte přístroje a oblasti uţití, které zde nebyly uvedeny. Úkol: Najděte v dostupné literatuře nebo na internetu informace o zapojení proudových jističů pouţívaných v domovních elektrických rozvaděčích. Obsahují bimetaly? 14. Pokusy s transformátorovou páječkou Při všech pokusech dejte pozor na zahřátí pájecí smyčky, cívky či vodiče! Běţné vybavení fyzikální laboratoře obsahuje transformátorovou páječku, která můţe být elegantní demonstrační pomůckou. Na obr. 29 je pokus s kovovým krouţkem na klíče, který setrvává v prostoru pájecí smyčky, pokud je stisknuto tlačítko trafopájky. Dokazuje se tím existence magnetického pole smyčky, kterou prochází střídavý proud velké hodnoty (přes 100 A). Smyčka drţí i jiné

81

menší kovové předměty. Nepříjemně se tato skutečnost projevuje např. silovým působením na vývody některých elektronických součástek, které pájíme. Elektromagnetické pole se nachází kolem celého tělesa páječky. Uvnitř je transformátor s jádrem a jeho výkon kolem 75 - 130 W způsobuje dostatečně silné pole, které lze indikovat. Lze také provést ukázku, kdy pájecí smyčku nahradíme spojovacím vodičem připevněným krokosvorkami a tvořícím kruhový závit o průměru asi 20 cm. Magnetické pole tohoto závitu stačí vybudit např. indikátor zmíněný v odstavci o tranzistoru. Uvedených vlastností páječky můţeme vyuţít k odmagnetování menších kovových předmětů (jehly, šroubováčky, pinzety ap.), jestliţe pájecí smyčku nahradíme válcovou cívkou asi o 10 závitech drátu o průměru 1,5 mm. Její střídavé magnetické pole po několikerém zapnutí a vypnutí odmagnetuje předměty vloţené do ní.

Obr. 29 Krouţek ve smyčce trafopájky Otázka: V elektrotechnické praxi se uţívají i jiné typy páječek. Jaký je jejich princip a uţití? Problém: Transformátorová páječka má velkou nevýhodu v měnící se teplotě pájecí smyčky v závislosti na době sepnutí. Vyšší teplota pak znehodnotí pájku (cín), nebo dokonce přehřátím zničí pájenou součástku. Navrhněte způsoby a moţnosti odstranění těchto neduhů.

82

15. Kabel pro optický přenos Pro demonstraci přenosu informace pomocí optického kabelu (vlnovodu) pouţijeme libovolný typ s délkou od 1 do 50 m. V rámci moţností upravíme konce kabelu tak, aby byl zajištěn stín a optický přenos mezi součástkou a koncem kabelu. Vhodné jsou např. různé kousky tmavé izolace z drátů a buţírky. Jako vysílač světla pouţijeme laserové ukazovátko nebo vysokosvítivou LED. Na přijímací straně je obvod s fototranzistorem (např. KP101). Zesílení signálu pro indikaci LED a piezosirénkou zajistí tranzistor BC517 (Darlington). Pokud není k dispozici, zapojíme běţné tranzistory NPN, dva v Darlingtonově zapojení. Schéma zapojení je na obr. 30. Můţeme rovněţ ukázat, ţe úhel naklonění vysílacího laserového paprsku má svou mez. Musí být menší, neţ je mezní úhel pro úplný odraz v trubici z optického média. Názorně je tato situace řešena v příkladu č. 25 sbírky [7]. Otázky: Které informace lze šířit po optickém kabelu? Je optický kabel obousměrný? Existují infračervené či ultrafialové kabely? Problém: Délka kabelu ovlivňuje kvalitu přenášené informace. Jak se v praxi řeší tento problém s tzv. útlumem? Navrhněte zapojení, které „zesílí optickou informaci“.

Obr. 30 Plovák palivové nádrže auta Sestava dle obr. 31 demonstruje princip měření mnoţství paliva v nádrţi auta pomocí plovákového palivoměru. Pohyb plováku způsobený změnou výšky hladiny posouvá jezdce v proměnném rezistoru. Kousek od konce dráhy je navíc kontakt, který se vyuţívá pro sepnutí obvodu indikační diody LED nebo

83

ţárovky. Ta informuje řidiče o rezervním mnoţství paliva. V ukázce lze pouţít analogový přístroj jako měřič odporu nebo napětí. Elektrické zapojení je na obr. 32. V praxi je elektrický obvod sloţitější, protoţe respektuje zvláštní systém ukazatele na palubní desce (viz [8]).

Obr. 31 Plovákový palivoměr

Obr. 32 Zapojení palivoměru Problém: Uvedený systém má své výhody i nevýhody. Diskutujte o nich. Jaký jiný způsob či vylepšení uvedeného systému pouţívají nejmodernější auta? Zjistěte např. na internetu.

84

Elektrické zamykání dveří auta Zajímavý pokus lze provést s prvkem tzv. centrálního zamykání dveří auta, jehoţ ukázka je na obr. 33. Jde o elektromotorek na 12 V, jehoţ otáčky jsou převedeny na niţší a otáčivý pohyb změněn na posuvný. Tato konstrukce umoţňuje vyvinout na táhle s otvorem dostatečnou sílu k ovládání mechanismu pro zamykání dveří. Pohyb táhla tam a zpět je zajištěn změnou polarity napětí přivedeného na motor z autobaterie. Na obr. 34 je vnitřní uspořádání sloţitějšího prvku, který navíc obsahuje 4 mikrospínače (malé černé obdélníčky se 3 vývody), které podle polohy ovládacích prvků indikují stav ovládané části auta. Podobně funguje i elektrické ovládání oken.

Obr. 33

Obr. 34

85

Představu o silových účincích prvku centrálního zamykání si studenti upřesní v pokusu sestaveném na obr. 35. Táhlo s elektromotorkem je upevněno v menším svěráku a pevně spojeno s těţším stojanem. Po připojení napětí 12 V ze zdroje schopného dodat proud aspoň 1 A se posune ovladač i se svěráčkem. Podle polarity je to pohyb ke stojanu nebo od něj. Napětí připojujte jen krátkou dobu (max. 1 s), potom totiţ motorek v zablokované poloze tvoří zkrat pro zdroj napětí (pouţijte chráněný zdroj). Velikost potřebné síly prvku lze demonstrovat zatěţováním svěráčku. Zvětšuje se tak třecí síla. Pokud místo těţšího stojanu pouţijeme stejný svěráček se stejným zatíţením, můţeme pokusem ukázat stejně dlouhé posunutí obou sestav (stejné třecí síly – zákon akce a reakce). Pro zjednodušení předvádění je vhodné přepólování zdroje konat přepínačem bez aretování poloh dle obr. 36.

Obr. 35

Obr. 36

86

Otázka: Uveďte veličiny a jejich hodnoty, které charakterizují danou autobaterii. Jak velký proud je schopna baterie dodat např. při startu auta? Jednoduchý voltmetr Ze starších přístrojů lze vymontovat a vyuţít magnetoelektrický analogový ukazatel výchylky. Je na něm stupnice a veličina, jejíţ měřenou hodnotu ukazuje. Vţdy tento měřič reaguje na malé napětí, jehoţ hodnotu UV pro maximální výchylku zjistíme v obvodu podle obr. 37. Sestavu ukazuje obr. 38. Je pouţit ukazatel ze starého magnetofonu, informující o velikosti úrovně signálu v dB. Pro zjištění UV stačí napětí baterie 3V. Rezistory R1 = 5,6 kΩ a R2 = 2,2 kΩ tvoří proměnný napěťový dělič. Před zapojením obvodu je nutné zkontrolovat polohu jezdce potenciometru, který musí být v poloze u svorky 0 V. Náhodné vyšší napětí na voltmetru by mohlo trvale poškodit vnitřní systém ukazatele. Po zapojení obvodu pomalu otáčíme potenciometrem a sledujeme rostoucí výchylku. Dosáhne-li maxima, změříme digitálním voltmetrem hodnotu U V, která v naší sestavě činila 375 mV. Takto jsme ocejchovali náš pokusný voltmetr na rozsahu 3 V. Hodnota součtu R1 a horní části R2 se označuje jako „předřadník“. Změnou jeho hodnoty změníme rozsah našeho voltmetru. Pomocí hodnot zjištěných z dalších přístrojů je moţné ověřit 2. Kirchhoffův zákon. Přelepíme-li původní stupnici novou, nakreslenou na samolepce, můţe tento přístroj slouţit jako tester napětí článků o napětí nejvýše rovném zvolenému rozsahu (v naší ukázce 3 V).

Obr. 37

87

Obr. 38 Otázka: Stupnice na obrázku má nelineární průběh. Bude mít stupnice našeho voltmetru lineární průběh? Ověřte pomocí proměnného zdroje. Pozor na max. napětí rozsahu. Problém: Navrhněte obvod, který by vyuţil daný ukazatel pro měření elektrického proudu. Závěr Ve většině těchto ukázek s velkými výhodami pouţívám kontaktní pole pro snadné a rychlé spojování elektronických součástek. Pole lze zakoupit s různými rozměry a přídavnými doplňky. Studenti je vyuţívají v laboratoři fyziky. Nemalou výhodu mají ve snadném odzkoušení nových a sloţitějších zapojení. Naprostá většina součástek respektuje standardní rozteče vývodů, takţe není problém je na desku kontaktů umístit. Pokud vyuţijete napájení z PC, máte k dispozici zkušební pracoviště s informacemi přímo z obrazovky počítače. Pokud Vám některá ukázka nebude fungovat na první zapojení, neztrácejte chuť a experimentujte. Tento postup často vede k zajímavým objevům a vlastnostem zkoumaného jevu či objektu. Jsem ochoten kdykoliv poradit a předat zkušenosti. Email: [email protected]

88

Literatura [1] Hubeňák, J. – Hubeňák, Ji.: Aplikovaná fyzika a moderní elektronika, Repronis, Ostrava 2007. [2] Lepil, O.: Fyzika okolo dynama na kolo, MFI, roč. 7 (1997), č. 3, s. 158. [3] Šedý, V.: Rozeberte si PC, BEN, Praha 2001. [4] Lepil, O.: Pokusy s piezoměničem, MFI, roč. 6 (1996), č. 2, s. 91. [5] Brockmeyerová, J. - Drozd, Z.: Pokusy z volné ruky, MFI roč. 11 (2002), č. 7, s. 424. [6] Goldová, K.: Pokusy s infračerveným zářením, MFI roč. 11 (2002), č. 8, s. 484. [7] Bartuška, K.: Sbírka řešených úloh z fyziky IV, Prometheus, Praha 1997. [8] Indikace neelektrických veličin, Praktická elektronika A-Radio (str. 6), 09/2010.

89

Sborník seminárních materiálů I Vydal: Repronis v Ostravě roku 2011 Technická úprava textu: doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc. Návrh obálky: Vít Stanovský Jazyková úprava: Mgr. Luděk Bartoš Tisk: Repronis, s. r. o., Ostrava Počet stran: 90 Náklad: 100 ks Vydání: první ISBN 978-80-7329-259-1 Publikace je neprodejná