Úvod. Vážení kolegové,

Transkript

1

2 Obsah Obsah OBSAH 1 ÚVOD 2 1. DRÁHA, RYCHLOST, ZRYCHLENÍ POHYBU 3 2. II. NEWTONŮV ZÁKON 7 3. HYDROSTATICKÝ TLAK 9 4. TEPLOTA A JEJÍ MĚŘENÍ ZMĚNA TEPLOTY TĚLES TEPELNOU VÝMĚNOU MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA TÁNÍ VYPAŘOVÁNÍ VODNÍ PÁRA V ATMOSFÉŘE URČENÍ TEPELNÉ KAPACITY KALORIMETRU (LABORATORNÍ PRÁCE) RYCHLOST A ZRYCHLENÍ KMITAVÉHO POHYBU KYVADLO ZVUKOVÉ JEVY ELEKTRICKÝ PROUD A ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ ELEKTRICKÝ ODPOR, ZÁVISLOST ELEKTRICKÉHO ODPORU NA VLASTNOSTECH VODIČE, VÝSLEDNÝ ODPOR REZISTORŮ ZAPOJENÝCH ZA SEBOU A VEDLE SEBE ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH MAGNETICKÉ POLE, MAGNETICKÁ INDUKCE ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCE OSVĚTLENÍ ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ, ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ 50 LITERATURA 52 1

3 Úvod Úvod Vážení kolegové, tento text by vám měl pomoci v začátcích práce s měřicím systémem EdLaB. V následujících dvaceti kapitolách najdete podklady k vyučovacím hodinám fyziky, které se dotýkají různých částí této široké vědní oblasti. Hodiny jsou připraveny tak, aby vyučující mohl co nejefektivnějším způsobem využít systém EdLaB. Příprava pokusů, které by měly v rámci hodiny žákům přiblížit danou problematiku, by měla trvat pouze několik minut a některé můžete realizovat takřka okamžitě. Pro lepší vizualizaci prováděných experimentů je vhodné připojit měřicí systém k dataprojektoru. Pokusy jsou navrženy tak, aby bylo možné do nich aktivně zapojit žáky především v rámci klasické hodiny, případně v průběhu laboratorních cvičení (nejlépe po stanovištích jako skupinovou práci). Kontrolní otázky a úkoly jsou doplňkem, který lze v závislosti na průběhu vyučovací hodiny využít. Zde naleznete základní úlohy, které můžete se svými měřicími soupravami realizovat. Možnosti měřící soupravy jsou daleko širší a vítány jsou jakékoliv úpravy předkládaných pokusů či příprava nových neotřelých postupů k využití měřicího systému a příslušných čidel. Při tvorbě hodin jsem vycházel ze zdrojů, které jsou zde uvedeny a citovány. Tímto bych chtěl také poděkovat všem autorům, od kterých jsem čerpal materiály, ať už se jedná o materiály umístěné na serveru fyzweb.cz nebo zejména o materiály Mgr. Pazdery a Mgr. Jermáře. Všechny pokusy jsou vyzkoušeny se systémem EdLaB, a to včetně vytvořených grafů. Řadu námětů na úlohy pro obdobné systémy jiných výrobců lze nalézt na webových stránkách věnovaných moderní výuce fyziky (viz seznam zdrojů). Hodně úspěchů i potěšení z kreativní práce přeje autor. 2

4 Dráha, rychlost, zrychlení pohybu 1. Dráha, rychlost, zrychlení pohybu Teoretický úvod Dráha s délka trajektorie opsané za určitou dobu. Okamžitá rychlost v změna dráhy Δs za velmi krátkou dobu Δt. Zrychlení změna rychlosti Δv za velmi krátkou dobu Δt. Okamžitá rychlost a zrychlení jsou funkcí času. Grafické vyjádření těchto závislostí je pro různé druhy pohybů různé. Lehce z grafu poznáme, zda jde o pohyb rovnoměrný či nerovnoměrný apod. Praktické pokusy Určení dráhy, rychlosti a zrychlení různých těles pomocí čidla polohy a pohybu. Pomůcky: PC, EdLaB, čidlo polohy a pohybu MB-BTD stojan, těleso na závěsu, pružina, závaží, gymnastický či jiný vhodný míč, autíčko na dálkové ovládání Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo polohy a pohybu do vstupu DIGITAL JB. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 10 s, periodu vzorkování 100 m/s 3. Stiskem tlačítka Start měření realizujeme postupně následující možná měření: a) pohybujeme dlaní (knihou) nad senzorem tam a zpět měříme rychlost pohybu dlaně k senzoru (lze realizovat i ve vodorovném směru) b) můžeme ultrazvukový senzor postavit svisle na hranu stolu a pak se přibližovat a následně se vzdalovat od senzoru měříme rychlost chůze člověka (0,2 m až 6 m) c) zavěsíme těleso na závěs a měříme rychlost tělesa, které se kývá na závěsu kyvadla d) zavěsíme na pružinu závaží, pod závaží položíme čidlo a měříme rychlost kmitajícího závaží na pružině nad senzorem e) vezmeme senzor do ruky (míří svisle dolů), pod něj vložíme gymnastický míč (nebo jiný vhodný) a pustíme míč k zemi měříme rychlost padajícího míče od senzoru (zde je vhodné nastavit kratší dobu měření), místo míče lze použít mělký papírový talíř f) měříme rychlost jedoucího autíčka na dálkové ovládání 3

5 Dráha, rychlost, zrychlení pohybu Po každém měření uložíme graf do souboru s vhodným názvem (menu Data Uložit data grafu do CSV). Jednotlivé grafy pak lze otevřít (menu Data Načíst data grafu). Grafy jsou tak dostupné na pracovní ploše a pomocí záložek je mohu podle potřeby zobrazovat, s žáky rozebrat zkoumat největší a nejmenší hodnoty, který pohyb se blíží rovnoměrnému apod.) Poznámky k realizaci: Vyzkoušejte předem měření v konkrétní učebně s vybranými pomůckami důležité jsou rozměry tělesa, jehož vzdálenost měříme. Čidlo detekuje tělesa od velikosti přibližně dlaně ve vzdálenosti větší než 0,2 m. podle vybavení školy je možné použít např. vozíčkovou dráhu apod. Obrázky a grafy: 4

6 Dráha, rychlost, zrychlení pohybu 5

7 Dráha, rychlost, zrychlení pohybu Kontrolní otázky a úkoly: 1. V jakých jednotkách určujeme rychlost tělesa? m/s, km/h 2. Jak se mění rychlost při rovnoměrném pohybu tělesa? nemění se 3. Jaké je zrychlení při nerovnoměrném pohybu? nenulové 4. Jak se mění rychlost při zpomaleném pohybu? snižuje se 5. Jaký druh pohybu znázorňují jednotlivé grafy? podle jednotlivých průběhů, rovnoměrný nebo nerovnoměrný, zrychlený nebo zpomalený 6

8 II. Newtonův zákon 2. II. Newtonův zákon Teoretický úvod Velikost zrychlení a hmotného bodu je přímo úměrná velikosti výslednice sil F působících na hmotný bod a nepřímo úměrná hmotnosti hmotného bodu:. Praktické pokusy Ověření II. Newtonova zákona pomocí čidla polohy a pohybu. Pomůcky: PC, EdLaB, čidlo polohy a pohybu MB-BTD souprava pro mechaniku (vozíčková dráha) Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo polohy a pohybu do vstupu DIGITAL JB. Na vozíček připojíme vlákno a na něj zavěsíme závaží o hmotnosti 10 g. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 10 s, periodu vzorkování 100 ms. 3. Po stisku tlačítka Start měření pustíme vozíček, který zachytíme těsně před koncem dráhy. 4. Měříme zrychlení a vozíku. Uložíme graf. 5. Opakujeme měření pro závaží o hmotnosti 20g. 6. Porovnáme oba grafy. 7. Další měření (body 3. 6.) provedeme s vozíkem zatíženým závažím nebo hranolem známé hmotnosti. Poznámky k realizaci: Můžeme určit hmotnost vozíku, určit zrychlení pomocí II. Newtonova zákona a porovnat s naměřenými údaji. 7

9 II. Newtonův zákon Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jakým druhem pohybu se vozíček pohybuje? rovnoměrně zrychleným 2. Jaký vliv má velikost působící síly na zrychlení vozíčku? s rostoucí silou roste a 3. Jaký vliv má velikost hmotnosti vozíčku na jeho zrychlení? s rostoucí hmotností klesá a 4. Proč se naložený vůz pohybuje po kamenné dlažbě plynuleji než stejný vůz bez nákladu? zvětšení hmotnosti tělesa zmenšuje zrychlení, které mu udělují údery dlažebních kostek 5. Proč dohodíme baseballovým míčkem dál než atletickou koulí? stejná síla udělí atletické kouli s větší hmotností menší zrychlení a tím i menší počáteční rychlost 8

10 Hydrostatický tlak 3. Hydrostatický tlak Teoretický úvod V tíhovém poli Země působí na všechny částice kapalného tělesa tíhová síla. Výsledkem tohoto působení je hydrostatická tlaková síla Fh. Tlak v kapalině vyvolaný hydrostatickou tlakovou silou se nazývá hydrostatický tlak. Hydrostatický tlak ph v hloubce h pod volným povrchem kapaliny o hustotě ρ je: ph = h. ρ. g Hydrostatický tlak ph v hloubce h nezávisí na tvaru nádoby hydrostatické paradoxon. Praktické pokusy Určení hydrostatického tlaku v různých hloubkách. Pomůcky: PC, EdLaB, tlakové čidlo, odměrný válec s měřítkem (případně upravená PET lahev) Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo tlaku do analogového vstupu. (z J1 J6). K senzoru přišroubujeme hadičku, kterou pak ponořujeme do vody. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 20 s, periodu vzorkování 500 ms. 3. Po stisku tlačítka Start měření ponořujeme pomalu rovnoměrným pohybem konec hadičky do vody v odměrném válci a zpět. 4. Čidlo můžeme použít jako digitální tlakoměr - pouze zaznamenávat tlak pro jednotlivé hloubky a ověřovat závislost hydrostatického tlaku na hloubce. Hadičku můžeme izolepou přilepit na pravítko z umělé hmoty tak, že začátek hadičky bude na nule pravítka. Tím můžeme měřit délku ponoření hadičky hloubku v kapalině. 5. Na grafu s žáky rozebereme změnu hodnoty tlaku v průběhu měření. 6. Stejné měření můžeme provést pro jinou kapalinu. 7. Obdobným měřením lze ověřit nezávislost tlaku v kapalině na směru. 8. Dále můžeme změřit hydrostatický tlak ve stejných hloubkách různě tvarovaných nádob. V nádobách je stejná kapalina. 9

11 Hydrostatický tlak Poznámky k realizaci: POZOR na manipulaci s vodou nesmí se dostat do senzoru!!! Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se mění hydrostatický tlak ve stejné hloubce v různých kapalinách? zvětšuje se s hustotou 2. Jak je přibližně velký hydrostatický tlak v hloubce 2 m pod hladinou vody? 20 kpa 3. Proč je hráz přehrady u dna širší než u hladiny? u dna působí větší hydrostatický tlak 4. Při prudkém vzpřímení se může člověku zatočit hlava. Proč? při rychlém zvednutí hlavy prudce poklesne tlak krve o hydrostatický tlak krve odpovídající změně výšky hlavy. 10

12 Teplota a její měření 4. Teplota a její měření Teoretický úvod Teplota je fyzikální veličina, kterou používáme k popisu stavu tělesa (teplota souvisí s rychlostí pohybu atomů a molekul), označujeme ji t. Tělesům, která jsou při vzájemném dotyku v rovnovážném stavu, přiřazujeme stejnou teplotu. Jestliže tělesa po uvedení do vzájemného dotyku mění své původní rovnovážné stavy, pak říkáme, že na počátku děje měla různé teploty. K určení jejich teploty musíme zvolit vhodné těleso jako srovnávací teploměr. K tělesu je třeba stanovit, pomocí které fyzikální veličiny budeme teplotu měřit (př. objem teplotoměrné kapaliny), sestrojit teplotní stupnici a stanovit jednotku teploty. Běžné druhy teploměrů jsou založeny na změně objemu kapaliny v závislosti na změně teploty, např. rtuťový, lihový. Další teploměry mohou využívat různou délkovou roztažnost dvou kovů (bimetalový), nebo změnu elektrických vlastností (odporový). Teplotu měříme ve stupních Celsia. Další možné jednotky: stupeň Fahrenheita, Kelvin. (Celsius - švédský fyzik, Fahrenheit německý amatérský fyzik, lord Kelvin anglický fyzik). Celsiova stupnice se užívá především v Evropě, Fahrenheitova v USA. Celsiova stupnice má dva základní body : - teplotu tajícího ledu 0 C - teplotu varu vody 100 C 11

13 Teplota a její měření Praktické pokusy Odhad teploty a pak ověření odhadu teploměrem. Ověření teploty tajícího ledu. Ověření teploty varu vody. Určení změny teploty při ohřívání nebo ochlazování tělesa. Pomůcky: PC, EdLaB, teploměry, kádinky, případně PET lahve, varná konvice, lihový kahan, stojan voda, led, sůl Postup práce: 1. Do několika kádinek či nádob z PET lahví připravíme vodu o různé teplotě do první přidáme led a u ostatních postupně více a více horké vody z varné konvice. 2. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr (případně dva teploměry). 3. Okamžitě můžeme měřit teplotu v nastavených jednotkách. Nejdříve zkusíme odhadnout teplotu a potom ověříme pomocí teploměru teplotu různých těles: a) vzduch v místnosti (u podlahy, uprostřed, u stropu) b) vzduch za oknem c) teplá voda d) studená voda e) horká voda f) tající led g) tající led a sůl h) vařící voda i) teplota lidského těla atd. 4. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 1 min., periodu vzorkování 2 s. Po stisku tlačítka Start měření uchopíme senzor teploměru do ruky (zahřívat lze i dechem) a pozorujeme změnu teploty. (případně po 30 s teploměr pustíme a necháme ochlazovat). 5. Dále můžeme sledovat změny teploty při zahřívání či ochlazování vody. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 6 min., periodu vzorkování 2s. Senzor teploměru umístíme do kádinky se studenou vodou a začneme ohřívat lihovým kahanem. Stiskem tlačítka Start měření měříme teplotu vody v průběhu 3 minut (ohřívání). Pak zahasíme kahan a měříme další 3 minuty (ochlazování). 12

14 Teplota a její měření Jiné varianty: Sledujeme ochlazování vody různých teplot, vody se solí, v různých nádobách, po přidání ledu apod. Délku měření a periodu vzorkování upravíme podle potřeby. Po každém měření uložíme graf do souboru s vhodným názvem (menu Data Uložit data grafu do CSV). Jednotlivé grafy pak lze otevřít (menu Data Načíst data grafu). Grafy jsou pak dostupné na pracovní ploše a pomocí záložek je mohu podle potřeby zobrazovat a s žáky rozebírat). 6. Zapojte do EdLaBu dva teploměry. Vezměte dvě nádoby s vodou o různých teplotách studená a teplá. Změřte jejich teploty a zapište např. na tabuli. Nastavte v panelu měření Délku měření na 2 min, periodu vzorkování 2s. Přelijte vodu z první nádoby do druhé a současně vložte teploměr z první nádoby do druhé. Stiskněte tlačítko Start měření 7. Po ukončení měření nechte žáky popsat, co viděli. Nechte žáky z grafu určit teplotu po smíchání. Poznámky k realizaci: Vyzkoušejte předem měření s připravenými nádobami zejména manipulaci s vodou různých teplot. Máte-li možnost, nechejte měřit s vhodnou periodou teplotu vzduchu v místnosti či za oknem v průběhu další vyučovací hodiny, dne. Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se mění teplota místnosti? u stropu vyšší než u podlahy 2. Jak se mění teplota vody při zahřívání a ochlazování? nejprve roste, potom klesá 3. Jak se mění teplota při smíchání dvou vzorků různé teploty? studenější voda se zahřívá, teplejší voda se ochlazuje 4. Proč se rtuťový teploměr nehodí k měření nízkých teplot? rtuť tuhne již při 39 C 5. V jaké situaci nemohu použít lihový teploměr? př. k měření teplot látek nad 100 C 13

15 Změna teploty těles tepelnou výměnou 5. Změna teploty těles tepelnou výměnou Teoretický úvod Částice tělesa s vyšší teplotou předávají při nárazech část své pohybové energie částicím tělesa s nižší teplotou. Vnitřní energie tělesa s vyšší teplotou se snižuje, vnitřní energie tělesa s nižší teplotou se zvyšuje. Říkáme, že změna vnitřní energie obou těles proběhla tepelnou výměnou. Děj probíhá tak dlouho, dokud se teploty obou těles nevyrovnají. Příklad: hrnek a horký čaj v něm, lžička v horkém čaji tepelná výměna probíhá i mezi dvěma částmi jednoho tělesa s různou teplotou. Tepelná výměna mezi dvěma dotýkajícími se tělesy nebo dvěma částmi jednoho tělesa se nazývá tepelná výměna vedením. Látky, u kterých probíhá tepelná výměna vedením rychle, nazýváme tepelné vodiče (např. kovy). Látky, jejichž částicová stavba umožňuje jen pomalou tepelnou výměnu vedením, nazýváme tepelné izolanty. Tepelná výměna v běžných podmínkách probíhá v otevřené soustavě, takže dochází k úniku tepla (ztráty). Velikost tepelných ztrát závisí na způsobu izolace soustavy. Praktické pokusy Určení změny teploty vody při tepelné výměně s okolím za různých podmínek Pomůcky: PC, EdLaB, teploměry kalorimetr, kádinky, hrníčky, varná konvice, voda, lžička Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů.(z J1 J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 3 min, periodu vzorkování 1 s. 3. Připravíme jednotlivé pomůcky, do otevřené nádoby a kalorimetru nalijeme odměřené stejné množství horké vody, kterou si připravíme ve varné konvici. Kalorimetr uzavřeme víkem. Teploměr 1 umístíme do kalorimetru (otvorem ve víku). Teploměr 2 umístíme do otevřené nádoby. 4. Po stisku tlačítka Start měření sledujeme průběh změny teploty v jednotlivých nádobách. 5. Po dokončení měření analyzujeme se žáky zaznamenaný průběh změny teploty. 14

16 Změna teploty těles tepelnou výměnou Poznámky k realizaci: Další možnosti měření: Doplňujícím pokusem může být provedení tohoto měření při různých okolních podmínkách (různá teplota okolí), případně s různými počátečními teplotami vody. Měření provádíme s nádobami různých tvarů a z různých materiálů (vždy s podobnou počáteční teplotou a množstvím vody), můžeme vložit do nádoby lžičku apod. V případě dostatečného množství pomůcek můžeme zadat žákům tyto úkoly pro skupinovou práci každá skupina zkoumá jinou situaci porovnávají průběh. Případně lze měřit v některých skupinách klasickými měřidly vycházet ze stejných teplot a množství vody, pak porovnávat po stejné době koncové hodnoty teploty. Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Popiš, co se děje při tepelné výměně.? teplejší těleso předá část své vnitřní energie tělesu chladnějšímu. 2. Proč jsou některé lžičky opatřeny dřevěným nebo plastovým zakončením? aby je bylo možné použít na manipulaci s horkou kapalinou. 3. Jak lze ochladit horký čaj v hrnku bez přelévání do jiné nádoby? např. mícháním kovovou lžičkou 4. Proč jsou v bytech dvojitá okna? vrstva vzduch mezi skly má tepelně izolační účinek 5. Do jaké nádoby naliješ čaj, aby zůstal co nejdéle teplý? např. tzv. termohrnek - uzavřený, dobře izolovaný 15

17 Měrná tepelná kapacita 6. Měrná tepelná kapacita Teoretický úvod Přijmou-li dvě tělesa z různých látek o stejné hmotnosti stejné teplo, změní se jejich teplota různě. Změna teploty daného množství látky je přímo úměrná množství dodaného tepla. Konstanta vyjadřující, kolik tepla je třeba dodat jednomu kilogramu dané látky, aby změnila teplotu o jeden kelvin (stupeň Celsia), se nazývá měrná tepelná kapacita a označuje se c. Tato veličina je charakteristická pro každou látku. Měrná tepelná kapacita se poněkud mění v závislosti na teplotě látky. Proto se tabulkové hodnoty uvádějí nejčastěji pro teplotu 20 C. V našich podmínkách lze pro běžné intervaly teplot považovat měrnou tepelnou kapacitu za konstantní. Tabulková hodnota měrné tepelné kapacity vody je Jkg -1 K -1, lihu Jkg -1 K -1, glycerolu 2390 Jkg -1 K -1. Voda má oproti ostatním běžným látkám vysokou měrnou tepelnou kapacitu. Používá se tedy jako chladicí kapalina, nebo jako kapalina určená k přenosu energie. Praktické pokusy Srovnání měrné tepelné kapacity vody a lihu (glycerolu) Pomůcky: PC, EdLaB, dva teploměry dvě stejné kádinky, voda, technický líh nebo glycerol, digitální váhy Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů. (z J1 J6). 2. Na plotýnku vařiče postavíme jednu kádinku s vodou a druhou s lihem. V obou kádinkách je třeba mít stejnou hmotnost dané látky (nikoliv objem). To zajistíme použitím digitálních vah nebo přepočtem na objem (hustota vody 1000 kg.m -3, hustota lihu790 kg.m -3 ). Obě látky musí mít stejnou počáteční teplotu (používáme proto odstátou vodu). 3. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 3 min., periodu vzorkování 1s (event. 2 s, 5 s) pro oba teploměry. Displeje měřicích zařízení umístíme pod sebe v plovoucích oknech. Oba teploměry by měly na vzduchu ukazovat stejnou teplotu (pokud ne, je vhodné je kalibrovat viz manuál EdLaB). Do kádinek pak ponoříme oba teploměry. 4. Zapneme vařič, stiskneme tlačítko Start měření, sledujeme změnu teploty obou látek. 5. Vzhledem k nižší měrné tepelné kapacitě lihu je výsledná teplota (po dodání stejného množství tepla) u lihu vyšší než u vody. 16

18 Měrná tepelná kapacita Poznámky k realizaci: Pozor u lihu na teplotu varu cca 70 C. Při experimentu se této teplotě nesmíme přiblížit, mohlo by dojít k vyvření lihu na plotýnku vařiče, případně k jeho vznícení! Je vhodné použít vodu i líh z lednice, abychom začínali na nižší startovací teplotě a nemuseli se varu lihu obávat. Místo lihu lze použít glycerol, u kterého nehrozí vzplanutí. Obě kádinky na plotýnku umístíme symetricky, aby bylo teplo dodáváno stejným způsobem lihu i vodě. V úvodní části grafu může být oblast, kde se plotýnka sama zahřívala. Pokud chceme tuto oblast odstranit, je vhodné spustit měření až v okamžiku, kdy na jednom teploměru zpozorujeme nárůst teploty. Během měření dbáme, aby se ani jeden teploměr nedotýkal dna ani bočního skla kádinky. Kapalinu můžeme pomocí teploměrů průběžně míchat. Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Která látka z použitých bude mít po předvedeném ději vyšší teplotu? líh (glycerol) 2. Které látky mají relativně malou měrnou tepelnou kapacitu? kovy 3. Která z použitých látek má větší měrnou tepelnou kapacitu? voda 4. Proč bývá v létě v zatopených lomech poměrně studená voda? velká hmota vody, velká c 5. Jak se projevuje při tepelné výměně větší měrná tepelná kapacita vody? k ohřátí potřebuje velké množství tepla, při ochlazování velké teplo vydá, využití např. v ústředním topení 17

19 Tání 7. Tání Teoretický úvod Pevné skupenství látky se mění na kapalné. Pro tuto přeměnu za stálé teploty je třeba tělesu dodat skupenské teplo tání. Toto teplo je potřebné k uvolnění částic z rovnovážných poloh v krystalu. Různé krystalické látky mají různé teploty tání a různá měrná skupenská tepla tání. Krystalické látky tají při určité teplotě tání, beztvaré (amorfní) při zahřívání postupně měknou, až se změní v kapalinu (nemají určitou teplotu tání). Teplota tání krystalických látek závisí na vnějším tlaku, při kterém tání probíhá. V tabulkách se udávají teploty tání při normálním tlaku (101,3 kpa). Některé látky se nemohou zahřát až k teplotě tání, protože se rozkládají už při nižší teplotě. Příkladem je dřevo. Praktické pokusy Rozpouštění kostek ledu v obyčejné a slané vodě Pomůcky: PC, EdLaB, teploměry dvě stejné skleničky (kádinky), větší nádoba na vodu (PET láhev, džbánek), kuchyňská lžíce kuchyňská sůl, voda formička s ledovými kostkami Postup práce: Provedení: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměry do analogových vstupů. (z J1 J6). Připravíme do dvou stejných vyšších nádob čistou vodu a solný roztok vody (nasycený roztok, asi 2 lžíce na 100 ml vody tj. přibližně 35 g soli). Kapaliny v obou nádobách sahají do stejné vzdálenosti od okraje. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 min., periodu vzorkování 1 s. 3. Vložíme teploměry do nádob. Vezmeme dvě kostky ledu a vložíme je obě současně do skleniček. Stiskneme tlačítko Start měření. Nemícháme, nejdříve jen sledujeme, která kostka se rozpustí dříve a která později. Led se rozpustí dříve v neosolené vodě, obvykle do pěti minut. Teprve za dalších pět až deset minut se rozpustí led i ve vodě osolené. 18

20 Tání Hustota vody závisí na teplotě. V neosolené vodě odtávající studená voda klesá ke dnu a kostka ledu na hladině je stále obklopena teplou vodou. Pokud experiment provádíme s obarvenými kostkami ledu, vidíme, jak studená barevná odtávající voda proudí ke dnu v úzkých proudech. Naproti tomu hustota teplé slané vody je větší než hustota teplé i studené neslané vody (pokud je dobře solená ). Studená odtávající voda se proto drží u hladiny a brzy vytvoří kolem kostky ledu bazének studené vody. Kostka tedy taje pomaleji. Během objevování příčin toho, proč experiment dopadl tak, jak dopadl, rozebereme změřenou teplotu u dna a u povrchu v obou skleničkách. Pokud použitá čidla nejsou dostatečně bodová, je nutné použít dostatečně vysoké nádoby. Poznámky k realizaci: Pokud nemáme více bodových čidel, úplně stačí použít jeden teploměr na každou nádobu a proměřit všechna čtyři místa (u dna i u povrchu v obou skleničkách). Máme-li více čidel, můžeme je zapojit do počítače současně a promítat žákům více teplot najednou. Pokus můžeme opakovat - v prvním pokusu bez měření teplot, nebo měříme jen vodu bez soli (dvěma teploměry), v druhém pokusu měříme vodu osolenou. Obrázky a grafy: Použijeme pokud možno vysoké úzké sklenice a dostatečně velké kostky ledu. Připravíme si stejné kostky ledu (tvar i velikost). Místo soli můžeme vyzkoušet cukr. Kontrolní otázky a úkoly: 1. V které kapalině roztaje kostka ledu rychleji? v nesolené vodě 2. Jaký rozdíl je mezi teplotou solené vody u dna a u povrchu? u povrchu je nižší. 3. Jaký rozdíl je mezi teplotou neosolené vody u dna a u povrchu? u povrchu je vyšší. 4. Co způsobuje tyto rozdíly? vyšší hustota teplé slané vody 5. Jak ovlivňuje sůl teplotu tání ledu? snižuje ji 19

21 Vypařování 8. Vypařování Teoretický úvod Vypařování je přeměna látky v kapalném skupenství na látku ve skupenství plynném. Z kapaliny vzniká pára. Kapalina se vypařuje za každé teploty. Rychlost vypařování ovlivňuje teplota okolního prostředí, velikost povrchu kapaliny, odstraňování par nad povrchem kapaliny. Různé kapaliny se za stejných podmínek vypařují různou rychlostí. Při vypařování odebírá kapalina teplo ze svého okolí, kapalina musí přijmout skupenské teplo vypařování. Mírou rychlosti odpařování je i změna teploty na povrchu tělesa. Praktické pokusy Porovnání rychlosti ochlazování na povrchu tělesa Pomůcky: PC, EdLaB, teploměr varná konvice, kalorimetr (termoska), voda, utěrka Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr do analogového vstupu. (z J1 J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 30 s, periodu vzorkování 1s. 3. Do kalorimetru si připravíme horkou vodu (t >90 C). Teploměr vložíme do vody a necháme ohřát (možno teploměr vložit rovnou do varné konvice). 4. Vytáhneme teploměr, stiskneme tlačítko Start měření. Teploměrem nehýbeme. Po ukončení měření uložíme graf. 5. Teploměr opět necháme zahřát v konvici nebo kalorimetru. Zahájíme měření a s teploměrem budeme 30 s mávat. Po ukončení měření opět uložíme graf. 6. Bod 3. až 5. opakujeme, ale tentokrát před zahájením měření teploměr utřeme. Po každém měření uložíme graf. 7. Na pracovní plochu umístíme všechny čtyři uložené grafy, porovnáme průběh změny teploty v jednotlivých případech. Poznámky k realizaci: Pozor při manipulaci s horkou vodou! Měření lze vyzkoušet i pro jinou počáteční teplotu, můžeme využít i vlažnou vodu. Měření lze vyzkoušet i pro jinou kapalinu. 20

22 Vypařování Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak ovlivní ochlazování teploměru jeho mokrý povrch? rychleji klesá teplota, teplo se spotřebovává na vypařování vody na povrchu teploměru 2. Jak ovlivní ochlazování teploměru mávání mokrým teploměrem? vypařování probíhá rychleji 3. Proč pomáhá pocení regulovat tělesnou teplotu člověka? odpařováním potu klesá teplota těla 4. Při jakém počasí schne lépe prádlo? horkém a větrném, vypařování probíhá rychleji 5. Proč je v parném počasí nutné dodržovat pitný režim? aby měl člověk dostatek potu k odpařování 21

23 Vodní pára v atmosféře 9. Vodní pára v atmosféře Teoretický úvod Dolní vrstvy ovzduší obsahují vždy vodní páru. Ta vzniká vypařováním vody z půdy, rostlin a živočichů, z povrchu vodních toků a ploch. Hmotnost vodní páry se mění v průběhu dne i roku a je závislá na místě na Zemi. Hmotnost vodní páry v ovzduší je zpravidla větší odpoledne než ráno, v létě než v zimě, na pobřeží než ve vnitrozemí. Na hmotnosti páry v ovzduší závisí četnost dešťových srážek i fyziologický pocit člověka. Lépe snášíme vyšší teplotu při malé hmotnosti páry. Absolutní vlhkost vzduchu je určena hmotností vodní páry obsažené v 1 m 3 vzduchu., jednotkou je kg.m -3 Vodní pára ve vzduchu je většinou přehřátá. Pokud se stane za určité teploty sytou (např. dalším vypařením vody), pak dosáhne maximální hodnoty za dané teploty. Φ m. Hodnoty této hustoty lze najít pro teploty od 50 C do 30 C v tabulkách. Pro praktické posouzení vlhkosti vzduch zavádíme relativní vlhkost vzduchu, kterou udáváme v procentech. Suchý vzduch má relativní vlhkost 0%. Je-li vzduch vodní párou zcela nasycen, má relativní vlhkost 100%. Nejpříznivější vlhkost vzduchu pro zdravotní stav a pracovní výkon je 50% až 70% při teplotě 20 C. Relativní vlhkost měříme vlhkoměrem. Např. vlhkoměr vlasový obsahuje napnutý svazek vlasů zbavených tuku. Při napínání se více prodlužuje vlhčí vlas, prodloužení se přenáší na ručku přístroje. Vlhkost vzduchu můžeme popsat také rosným bodem. To je stav popsaný teplotou rosného bodu t r, na kterou by bylo potřeba ochladit vzduch (při nezměněné absolutní vlhkosti vzduchu), aby se pára stala sytou vodní párou. Při dalším poklesu teploty vodní pára kapalní. Na chladných předmětech vzniká z vodní páry rosa, nad zemským povrchem se tvoří mlha, ve větších výškách mraky. Praktické pokusy Jak se mění vlhkost vzduchu v závislosti na čase, okolním prostředí. Pomůcky: PC, EdLaB, čidlo relativní vlhkosti vzduchu zavařovací sklenice, mandarinka nebo jablko, gumička 22

24 Vodní pára v atmosféře Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo vlhkosti vzduchu do analogového vstupu. (J1 J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 1 min., periodu vzorkování 1s. 3. Stiskneme tlačítko Start měření, čidlem měříme vlhkost u podlahy, u okna, pokud je možno za oknem, na slunci, ve stínu, uvnitř navlhčené zavařovací sklenice apod. 4. Po ukončení měření vyhodnotíme graf. Další možný pokus: 1. Připravíme si zavařovací sklenici, umístíme do ní čidlo, překryjeme potravinovou fólií, kterou připevníme gumičkou. 2. Nastavíme Délku měření na 5 minut a vzorkovací periodu na 5 s. 3. Začneme měřit, po minutě rychle vložíme do sklenice neoloupanou mandarinku a opět připevníme krycí fólii. (vlhkost vzduchu roste) 4. Připravíme si oloupanou mandarinku a po 3 minutách rychle vyměníme neoloupanou mandarinku za oloupanou. (vlhkost vzduchu roste výrazněji). 5. Po ukončení měření vyhodnotíme se žáky graf jaký měla vliv mandarinka se slupkou a mandarinka bez slupky na vlhkost vzduchu ve sklenici. Poznámky k realizaci: Máme-li možnost, můžeme nechat měřit čidlo na jednom místě delší čas (hodiny, den) a grafy uložit, v další hodině vyhodnotit. Místo mandarinky lze použít jablko, to je nutné oloupat škrabkou těsně před měřením a lehce odsát přebytečnou šťávu papírovým kapesníkem. Obrázky a grafy: 23

25 Vodní pára v atmosféře Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak ovlivní neoloupané ovoce vlhkost vzduchu ve sklenici? zvýší ji, ze slupky se odpařuje voda 2. Proč po oloupání ovoce relativní vlhkost ve sklenici prudce vzroste? z ovoce se odpařuje více vody, než když je chráněno slupkou 3. Jaká je funkce slupky u ovoce? chrání ovocný plod před rychlým vysycháním 4. Proč se rosa netvoří za větrné noci? vítr podporuje odpařování zkondenzované vodní páry 5. Jak se liší hmotnost čerstvého chleba a stejného bochníku staršího? starší chléb vysychá a jeho hmotnost je nižší Poznámka. Původní pokus s jablkem a čidlem fy Vernier popisuje Mgr. Jakub Jermář na 24

26 Určení tepelné kapacity kalorimetru (laboratorní práce) 10. Určení tepelné kapacity kalorimetru (laboratorní práce) Teoretický úvod Směšovací kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou, případně teploměrem. Používá se např. k experimentálnímu určení měrné tepelné kapacity látek. Tepelná kapacita kalorimetru C k udává, kolik tepla je třeba dodat kalorimetru, aby se jeho teplota zvýšila o 1 C. Probíhá-li tepelná výměna mezi teplejším tělesem a studenou vodou v kalorimetru, platí kalorimetrická rovnice v tomto tvaru: c 2. m 2. (t 2 - t) = c 1. m 1.(t - t 1 ) + C k. (t - t 1 ) c 2,m 2,t 2 měrná tepelná kapacita, hmotnost, počáteční teplota teplé vody c 1,m 1,t 1 měrná tepelná kapacita, hmotnost, počáteční teplota studené vody a kalorimetru C k (t-t 1 ) teplo přijaté kalorimetrem při přírůstku teploty Δt = t t 1 Cíl práce: Určení tepelné kapacity kalorimetru Pomůcky: PC, EdLaB, teploměr PTS CNX kalorimetr, kádinky, odměrný válec, varná konvice, voda, míchací tyčinka, laboratorní teploměr Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teploměr do analogového vstupu. (z J1 J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 3 min., periodu vzorkování 2 s. 3. Pomocí varné konvice přichystáme 100 ml teplé vody o teplotě alespoň 50 C. Tuto teplotu určíme laboratorním teploměrem. 4. Do kalorimetru nalijeme 100 ml studené vody (pokojové teploty). Do této vody vložíme teploměr a začneme míchat. 5. Po stisku tlačítka Start měření, mícháme přibližně 50 s, pak přilijeme teplou vodu (její teplotu změříme těsně před přilitím). Na grafu sledujeme změnu teploty vody v kalorimetru až do konce doby měření. 6. Z grafu odečteme teploty před tepelnou výměnou (t 1 ) a po tepelné výměně (t). Teplotu t 2 máme zaznamenánu z laboratorního teploměru. 7. Tepelnou kapacitu určíme ze vztahu, c 1 = c 2 = c 8. Hmotnosti studené vody m 1 a teplé vody m 2 určíme z jejich objemu (m=ρ.v). Hodnota c = 4180 J.kg -1.K

27 Určení tepelné kapacity kalorimetru (laboratorní práce) 9. Měření opakujeme 5krát pro různé teploty t 2. Měření zapíšeme do tabulky. Výslednou tepelnou kapacitu určíme jako aritmetický průměr určených tepelných kapacit. Číslo m 2 t 2 m 1 t 1 t C k měření kg C kg C C J.K Poznámky k realizaci: Po vložení teploměru PTX do vody je vhodné vyčkat, až se vyrovná teplota vody a čidla měření bude přesnější. Aby měření mělo vypovídací hodnotu, musí být t 2 alespoň o 15 C vyšší než t 1. Měření můžeme provést i pro jiné kalorimetry např. kojeneckou láhev, případně kalorimetr složený ze dvou kádinek. Máme-li k dispozici dostatečné množství pomůcek, můžeme toto měření realizovat jako laboratorní práci pro skupiny žáků, případně kombinovat měření klasickými a digitálními pomůckami a poté porovnat výsledky měření. Obrázky a grafy: 26

28 Určení tepelné kapacity kalorimetru (laboratorní práce) 27

29 Rychlost a zrychlení kmitavého pohybu 11. Rychlost a zrychlení kmitavého pohybu Teoretický úvod Rychlost a zrychlení spolu s okamžitou výchylkou jsou základní veličiny, kterými v kinematice popisujeme kmitavý pohyb. Z pozorování jednoduše usoudíme, že rychlost tělesa je největší při průchodu rovnovážnou polohou. Při maximální výchylce je rychlost nulová. Zrychlení harmonického kmitavého pohybu je přímo úměrné výchylce a v každém okamžiku má opačný směr. Kinematické veličiny harmonického kmitání, které mají nulovou počáteční fázi, popisují následující rovnice: Praktické pokusy Zobrazení časových diagramů kinematických veličin kmitavého pohybu Pomůcky: PC, EdLaB, čidlo polohy a pohybu MB-BTD, pružina, závaží, stojan Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo polohy a pohybu do vstupu DIGITAL JB. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s., periodu vzorkování 100 ms. 3. Uvedeme závaží do kmitavého pohybu a stiskneme tlačítko Start měření. 4. Uložíme grafy vzdálenosti, rychlosti a zrychlení pod vhodným názvem a pak se žáky grafy rozebereme. Poznámky k realizaci: Je třeba vybrat vhodnou pružinu, aby bylo možné zajistit, aby závaží kmitalo ve vhodné rovině vzhledem k sonaru. Měření můžeme opakovat pro různé pružiny, můžeme měnit hmotnost tělesa na pružině. Nastavíme-li větší hodnotu Délky měření a necháme těleso kmitat delší dobu, můžeme ukázat, že kmitání skutečného oscilátoru je tlumené. 28

30 Rychlost a zrychlení kmitavého pohybu Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jakou rychlost má kmitající závaží při maximální výchylce? nulovou 2. Jakou rychlost má kmitající závaží při nulové výchylce? maximální 3. Jaký je směr zrychlení kmitajícího závaží při maximální výchylce? opačný vzhledem k výchylce 4. Jaké zrychlení má kmitající závaží při maximální rychlosti kmitání? nulové 29

31 Kyvadlo 12. Kyvadlo Teoretický úvod Kyvadlo obvykle takto označujeme libovolné těleso zavěšené nad těžištěm, které se může volně otáčet kolem vodorovné osy procházející bodem závěsu kolmo k rovině kmitání. Pro jednodušší popis použijeme kyvadlo v podobě malého tělesa (hmotného bodu) zavěšeného na pevném vlákně zanedbatelné hmotnosti a stálé délky l. Takovýto model mechanického oscilátoru nazýváme matematické kyvadlo. Aby pohyb kyvadla byl co nejjednodušší, musí se těleso pohybovat po oblouku, který je jen málo odlišný od úsečky. To je dostatečně splněno, když největší úhel, který svírá při pohybu vlákno se svislým směrem, nepřekročí 5. Pro periodu vlastního kmitání kyvadla T 0 platí: Perioda kmitání tedy nezávisí na hmotnosti tělesa ani na výchylce z rovnovážné polohy, je určena pouze délkou závěsu (na daném místě). Kyvadlo sehrálo důležitou úlohu v historii měření času jako zařízení, jehož periodu lze snadno a přesně měnit, a to změnou jediného parametru délky kyvadla. Kyv pohyb, který kyvadlo vykoná mezi dvěma po sobě jdoucími průchody rovnovážnou polohou. Doba kyvu τ je tedy polovinou periody. Praktické pokusy Zobrazení časových diagramů kinematických veličin pohybu kyvadla, určení periody Pomůcky: PC, EdLaB, čidlo polohy a pohybu MB-BTD, kyvadlo Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme čidlo polohy a pohybu do vstupu DIGITAL JB. Připravíme kyvadlo. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s, periodu vzorkování 100 ms. 3. Rozhýbeme kyvadlo a stiskneme tlačítko Start měření. 4. Uložíme grafy vzdálenosti, rychlosti a zrychlení pod vhodným názvem a pak se žáky grafy rozebereme. 5. Určíme délku kyvadla (až do těžiště tělesa), vypočítáme periodu kyvadla, ověříme měřením. Poznámky k realizaci: Je třeba dbát na dostatečnou délku závěsu, dále zajistit, aby se kyvadlo pohybovalo ve vhodné rovině vzhledem k sonaru. Měření můžeme opakovat pro různé vhodné délky závěsů, můžeme měnit hmotnost tělesa na závěsu při stejné délce. 30

32 Kyvadlo Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se změní perioda houpačky, když se původně sedící dítě postaví? zmenší se 2. Jak musím změnit délku kyvadla, aby se perioda zdvojnásobila? 4krát zvětšit délku 3. Jaká musí být délka kyvadla, aby jeho doba kyvu byla 1s? přibližně 1 m 4. Jak se změní chod kyvadlových hodin v místnosti, kde se v zimě přestane topit? vlivem poklesu teploty se zkrátí kyvadlo, tím i perioda jeho kmitů, hodiny se budou předcházet. 31

33 Zvukové jevy 13. Zvukové jevy Teoretický úvod Zvuk je mechanické vlnění, které vnímáme sluchem. Lidské ucho vnímá zvuky v rozmezí frekvencí od 16 Hz do 20 khz. Abychom zvuk slyšeli, musí existovat zdroj zvuku, prostředí, kterým se zvuk šíří,a přijímač zvuku lidské ucho. Zdrojem zvuku je chvění pružných těles, které se přenáší do okolního látkového prostředí a vyvolává v něm mechanické vlnění. Zvuk, který vznikne periodickým kmitáním, nazýváme tón (hudební zvuk). Má-li zvuk harmonický průběh, je to jednoduchý tón. Periodické zvuky složitějšího průběhu označujeme jako složené tóny. Mezi tóny patří zvuky hudebních nástrojů, ale i samohlásky lidské řeči. Jestliže zvuk vzniká neperiodickým kmitáním, vnímáme jej jako hluk (např. vrzání, šramot, šustění, hukot, praskot). Mezi hluky patří souhlásky lidské řeči. Praktické pokusy Určení časového diagramu zdrojů zvuku Pomůcky: PC, EdLaB, mikrofon zdroje zvuku (hudební nástroje), ladičky Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme mikrofon do analogového vstupu. (J1nebo J2). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 s., periodu vzorkování 10 ms. 3. Stiskneme tlačítko Start měření, rozezvučíme zdroj zvuku, necháme 5 s znít. 4. Jako zdroj zvuku používáme ladičku, různé hudební nástroje (flétna, klávesy, kytara), lidský hlas (zaznamenáme různé samohlásky, souhlásky), 5. Po každém měření graf uložíme pod vhodným názvem a pak se žáky grafy rozebereme. Mikrofon zaznamenává akustický tlak (pracuje se zvukem do frekvence 10 khz). Poznámky k realizaci: Měření lze vyzkoušet i pro méně obvyklé zdroje zvuku rolničky, 2 suché kusy větví klapající o sebe apod. Práci se zdroji zvuku je třeba předem zkusit, nastavit umístění mikrofonu apod. Zdroje zvuku mohou ovládat žáci, mohou si třeba přinést vlastní hudební nástroj apod. 32

34 Zvukové jevy Obrázky a grafy: 33

35 Zvukové jevy Kontrolní otázky a úkoly: 1. Co je zdrojem zvuku? chvějící se těleso 2. Proč se ve vzduchoprázdnu nemůže zvuk šířit? zvuk potřebuje k šíření látkové prostředí 3. Jak se liší tón a hluk? zdrojem hluku je nepravidelné chvění, tónu pravidelné kmitání zdroje 4. Většina hmyzu vydává při letu zvuk. Co je jeho zdrojem? kmitající křídla 5. Urči podle grafu, jak se liší zvuk lidského hlasu při vyslovení samohlásky a souhlásky. 34

36 Elektrický proud a elektrické napětí 14. Elektrický proud a elektrické napětí Teoretický úvod Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic - v kovech jsou to elektrony. Elektrický proud přímo nevnímáme, pouze můžeme pozorovat jeho účinky pohybové, světelné, tepelné. Veličinu elektrický proud označujeme písmenem I. Jeho jednotkou je 1 ampér (A). Prochází-li průřezem vodiče rovnoměrně náboj Q po čas t, je elektrický proud určen Při proudu 1 A prochází vodičem rovnoměrně za 1 s náboj 1 Coulomb. Elektrické napětí se označuje písmenem U. Jednotkou elektrického napětí je 1 volt (V). Elektrický proud měříme ampérmetrem a napětí voltmetrem. Ampérmetr zapojujeme za žárovku sériově. Voltmetr zapojujeme k žárovce paralelně. Praktické pokusy Určení proudu procházejícího žárovkou. Změření napětí na žárovce. Změna jasu žárovky při různých hodnotách proudu (účinky proudu). Pomůcky: PC, EdLaB, ampérmetr, voltmetr plochá baterie, reostat 100 Ω, žárovka 3,5 V / 0,3 A, případně více kusů i druhů Schema: Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ampérmetr a voltmetr do analogových vstupů. (z J1 J6). Sestavíme schéma podle nákresu. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 20 s, periodu vzorkování 100 ms. Před začátkem měření můžeme oba měřicí přístroje vynulovat. Displeje měřicích zařízení umístíme pod sebe v plovoucích oknech. 3. Reostat 100 Ω nastavíme na minimální hodnoty odporu (napětí). 35

37 Elektrický proud a elektrické napětí 4. Po stisku tlačítka Start měření reostatem pomalu (20 s) zvětšujeme proud (směrem k max.), až ho nastavíme do krajní polohy. (Hodnota proudu by neměla překročit 0,6 A.) V grafech se ukáže průběh napětí a proudu v časovém intervalu. Pokud nastavíme spuštění ampérmetru v závislosti na chodu voltmetru, bude v grafu zobrazena závislost proudu na napětí. 5. Opakujeme měření pro různé žárovky. Vyslovíme závěr (při jaké hodnotě proudu žárovka začíná svítit). Poznámky k realizaci: Podle místních podmínek lze využít k sestavení obvodu stavebnice i demonstrační panely, různé zdroje bezpečného stejnosměrného napětí, reostaty a žárovky. Obrázky a grafy: 36

38 Elektrický proud a elektrické napětí Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak poznáš, že elektrickým obvodem prochází elektrický proud? svítí žárovka 2. Žárovku připojíme k baterii, ale nesvítí. Jaké mohou být příčiny? rozpojený obvod, nižší napětí baterie 3. Jak se mění jas žárovky, když zvyšujeme napětí? jas se zvyšuje 4. Co můžeme říci o velikosti proudu v této situaci? proud roste 5. Je-li ampérmetr zapojen do jednoduchého obvodu, kde ukáže větší proud - před zdrojem, nebo za ním? Nemá smysl mluvit o místě před nebo za zdrojem, velikost proudu je ve všech místech jednoduchého obvodu stejná. 6. Co se stane, použijeme-li pro měření napětí ampérmetr? ampérmetr překlene rezistor, a pokud je tento jediný v obvodu, prochází obvodem velký proud a může dojít k poškození ampérmetru. 37

39 Elektrický odpor, závislost elektrického odporu na vlastnostech vodiče, výsledný odpor rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe 15. Elektrický odpor, závislost elektrického odporu na vlastnostech vodiče, výsledný odpor rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe Teoretický úvod Odpor R je vlastnost vodiče klást odpor průchodu částic s elektrickým nábojem. Jednotkou elektrického odporu je ohm (Ω). Odpor vodiče závisí na jeho délce l, na ploše příčného průřezu S vodiče, na látce, ze kterého je vodič zhotoven rezistivita ρ a na teplotě t vodiče. Výsledný odpor spotřebičů zapojených za sebou je roven součtu jejich odporů. Pro výsledný odpor dvou spotřebičů zapojených vedle sebe platí: Praktické pokusy Určení odporu vodiče, ověření závislosti odporu na délce, ověření velikosti výsledného odporu dvou rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe. Pomůcky: PC, EdLaB, ohmmetr různé rezistory, reostat, odporová dekáda, propojovací vodiče Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ohmmetr do analogového vstupu. (J1 J6). Pro jednotlivá měření tlačítkem na horní stěně přístroje vždy aktivujeme příslušný rozsah měření (500 Ω, 10kΩ, 250kΩ). 2. Nejprve ověříme odpory jednotlivých přichystaných rezistorů (lze zapsat na tabuli). Každý odpor připojíme dvěma vodiči k ohmmetru. 3. Určíme největší možný odpor reostatu (zapojení viz foto). 4. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s, periodu vzorkování 100 ms. 5. Stiskneme tlačítko Start měření, během 10 s přesuneme jezdce reostatu do druhé krajní polohy. Na grafu pak sledujeme změny jeho odporu. Zdůrazníme, že s časem zvětšujeme délku využitého vodiče v reostatu. Vyslovíme závěr. 6. K dalším měřením využijeme ohmmetr jako měřicí přístroj. Přichystané rezistory nejprve zapojíme za sebou, žáci odhadují výsledný odpor, poté jej odměříme. Obdobně provedeme s rezistory zapojenými vedle sebe. Poznámky k realizaci: Po reostatu můžeme předvést odporovou dekádu, zapojujeme postupně stále delší drát roste odpor. Lze použít a určit odpor nejrůznějších spirál apod. 38

40 Elektrický odpor, závislost elektrického odporu na vlastnostech vodiče, výsledný odpor rezistorů zapojených za sebou a vedle sebe Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak se mění elektrický odpor s rostoucí délkou vodiče? roste 2. Jak se změní celkový odpor soustavy, připojíme-li další rezistor sériově? zvýší se 3. Proč je akumulátor v automobilu pokud možno blízko startéru a je s ním spojen silným drátem? krátký drát s velkou plochou průřezu má menší odpor 4. Jak se změní celkový odpor soustavy, připojíme-li další rezistor paralelně? sníží se 5. Jak se změní celkový odpor soustavy, zapojíme-li tři stejné rezistory vedle sebe? sníží se 3x. 39

41 Elektrický proud v kapalinách 16. Elektrický proud v kapalinách Teoretický úvod Kapalné látky, které vedou elektrický proud, se nazývají elektrolyty. Mezi ně patří roztoky kyselin, zásad a solí. Vodivost elektrolytu způsobují kladné a záporné ionty. Ionty vznikají v kapalinách elektrolytickou disociací. disociace kyseliny disociace zásady disociace soli Kuchyňská sůl je sloučeninou sodíku a chloru. V atomu sodíku je několik elektronů. Jeden z nich je vázán k jádru jen velmi slabě, snadno je od atomu odtržen a vzniká kladný iont sodíku. Atom chloru k sobě tento elektron přitáhne a vzniká záporný iont chloru. Když sůl rozpustíme ve vodě, pohybují se ionty sodíku i chloru volně mezi molekulami vody. Po připojení napětí k elektrodám vloženým do slané vody se začnou ionty pohybovat slanou vodou prochází elektrický proud. Praktické pokusy Ověření vzniku iontů rozpouštěním soli ve vodě měřením elektrického proudu. Pomůcky: PC, EdLaB, ampérmetr zdroj proudu a napětí, žárovka, vanička a elektrody, voda, sůl Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme ampérmetr do analogového vstupu. (z J1 J6). Sestavíme schéma podle obrázku, spínač je rozpojen. 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 5 min, periodu vzorkování 500 ms. Před začátkem měření můžeme měřicí přístroj vynulovat. 3. Stiskneme tlačítko Start měření, po 10 sekundách nasypeme sůl do vody. Pozorujeme, jak se mění proud při rozpouštění soli v roztoku vody a soli, jak vznikají ionty. Vyslovíme závěr. Poznámky k realizaci: Stejné měření můžeme provést s různým množstvím soli 1 lžička, 2 lžičky, Lze zkusit různé druhy materiálů elektrod Fe, Cu, Zn, C, Pb, Lze vyzkoušet různé soli, případně cukr. 40

42 Elektrický proud v kapalinách Obrázky a grafy: Kontrolní otázky a úkoly: 1. Proč čistá voda špatně vede elektrický proud? je v ní málo volných iontů 2. Co se děje v roztoku soli, když jím prochází elektrický proud? kladné ionty sodíku se pohybují k záporné elektrodě, záporné ionty chloru k elektrodě kladné 3. Jakou jinou látku mohu ve vodě rozpustit, aby lépe vedla proud? např. cukr 4. Proč je nutné vypnout proud v bytě, promáčí-li voda strop nebo stěny? prosakující voda může proniknout k až k drátům elektrického vedení a způsobit zkrat 5. Proč se v praxi někdy používá oleje jako izolantu? molekuly oleje nejsou disociovány 41

43 Magnetické pole, magnetická indukce 17. Magnetické pole, magnetická indukce Teoretický úvod Magnet vytváří ve svém okolí magnetické pole, které můžeme znázornit soustavou magnetických indukčních čar. Pomocí magnetky (malý magnet) můžeme zmapovat magnetické pole určit směr indukčních čar. Mnohem rychleji lze obrazec indukčních čar určit pomocí železných pilin. Země je také velkým magnetem. Proto se otáčivá magnetka nebo volně otáčivý magnet nastaví tak, že jedním pólem směřují vždy přibližně k severu. Magnetické pole popisuje veličina magnetická indukce, kterou označujeme B. Měříme ji v jednotkách tesla (T). Magnetickou indukci měříme teslametrem. Velikost magnetické indukce pole např. v blízkosti permanentního magnetu je řádově 0,01 T až 0,1 T. Zemské magnetické pole v ČR má magnetickou indukci přibližně 0,05 mt. Praktické pokusy Určení magnetické indukce magnetického pole magnetu Pomůcky: PC, EdLaB, teslametr permanentní magnety, stojan Postup práce: 1. K aktivovanému systému EdLaB připojíme teslametr do analogového vstupu (z J1 J6). 2. Nastavíme v panelu měření Délku měření na 10 s, periodu vzorkování 100 ms. 3. Po stisku tlačítka Start měření pomalu rovnoměrně přibližujeme (asi 5 sekund) teslametr k severnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund). Po dokončení měření uložíme graf. 4. Po stisku tlačítka Start měření pomalu rovnoměrně přibližujeme (asi 5 sekund) teslametr k jižnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund). Po dokončení měření uložíme graf. 5. Po stisku tlačítka Start měření pomalu rovnoměrně pohybujeme (asi 5 sekund) teslametrem kolmo k podélné ose magnetu k jižnímu pólu magnetu a potom pomalu vzdalujeme teslametr od severního pólu magnetu (asi 5 sekund). Po dokončení měření uložíme graf. 6. Zopakujeme měření pro magnet tvaru podkovy. 7. Postupně vyhodnotíme změnu hodnoty indukce zaznamenanou v jednotlivých grafech. 42

44 Magnetické pole, magnetická indukce Poznámky k realizaci: Měření je vhodné připravit a vyzkoušet v učebně, kde budeme hodinu realizovat. Měření lze doplnit i ukázkou měření magnetické indukce pole Země: nejprve otáčet teslametrem bez přítomnosti magnetu ve vodorovné rovině, můžeme z měřidla či grafu určit, kde je maximum a minimum (směr k magnetickým pólům Země) v dalším měření otáčet teslametrem ve svislé rovině (N-S směr), pozorujeme, kde je maximum a kde je minimum. Maximální hodnota je hodnotou magnetické indukce B Země. Obrázky a grafy: 43

45 Magnetické pole, magnetická indukce Kontrolní otázky a úkoly: 1. Jak zobrazujeme silové působení magnetického pole? pomocí magnetických indukčních čar 2. V jakých jednotkách měříme magnetickou indukci? Tesla. 3. Jakých hodnot dosahovala magnetická indukce v okolí pólů tyčového magnetu? 4. Jakých hodnot dosahovala magnetická indukce v okolí pólů podkovového magnetu? 5. Jakou maximální hodnotu jsme naměřili pro magnetickou indukci pole Země? 44