6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu

Transkript

1 6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu Souprava Makromodely látek ve fyzice ZDŠ [7] je sice podle autorů určena především pro ZDŠ, lze ji však s úspěchem využít i na středních školách, včetně gymnázií. Je určena na prezentaci mode lování základních jevů a procesů především v molekulové fyzice, zahrnuty jsou i modely struktury polovodičů typu P a N. Koncepce soupravy je volena tak, aby formou projekce přiblížila strukturu mikro světa pomocí modelu, který odpovídá kinetické teorii stavby látek. Hlavní součásti soupravy jsou vzduchový stůl který se ukládá na vrchní desku projektoru a vzduchový generátor. Dále souprava obsahuje řadu příslušenství. Poznámka: Při prezentaci fyzikálních jevů žákům je vhodné zdůraznit, že se jedná o modelové a tedy i v mnohém zjednodušené znázornění mikro světa. Předejdeme tak vytvoření formálních a zkres lených představ, že částice látek se chovají jako magnety, jimiž jsou v soupravě znázorněny. Pořadí experimentů není stanoveno podle fyzikálně téma tických celků, nýbrž odpovídá optimální organizaci práce se soupravou Vzduchový stůl na zpětný projektor Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 6.1. Brownův pohyb [14] MP-A Difúze [14] MP-A Rozpínavost a stlačitelnost plynů [14] MP-A Rozpínání plynu otvorem nádoby [14] MP-A Rovinný model plynu v gravitačním poli Země [14] MP-B Rovinný model krystalové mřížky [14] MP-A Fyzikální princip zvyšování teploty látky [14] MP-C Zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty [14] MP-C Vypařování kapaliny [14] MP-C Model kovového vodiče [14] MP-C Model polovodiče typu N [14] MP-C Model polovodiče typu P [14] MP-C.10. Základní literatura: [14] Ondrejka, S. - Klemon, V.: Molekulová fyzika a termika (příručka k soupravě) Poznámka: Uvedený soubor experimentů je specificky určen pro danou soupravu. Z tohoto důvodu je v litera tuře uveden pouze základní pramen a v dalším textu stručný popis demonstrace

2 6.1. Brownův pohyb Vzduchový stůl, projektor, vzduchový generátor (tyto základní součásti jsou používány při všech experimentech a proto nebudou dále v pomůckách uváděny), 20 ks červených feritových kroužků, modrý feritový kroužek, zelený feritový kroužek Vzduchový stůl 6.3. Vzduchový generátor s hadicí 6.4. Červený feritový kroužek (ø16 mm) 6.5. Modrý feritový kroužek (ø 48 mm) Model Brownova pohybu lze uskutečnit ve dvou variantách: a) Na vodorovný vzduchový stůl umístíme 20 červených feritových kroužků a jeden kroužek modrý, mající větší hmotnost (jsou na něm upevněny čtyři feritové kroužky). Kroužky pokládáme na stůl ploškami plexiskla dolů. Po zapnutí vzduchového generátoru po čnou narážet červené feritové kroužky do méně pohyblivého modrého kroužku a ten za čne vykonávat nepravidelný pohyb Model Brownova pohybu

3 b) Ve druhé variantě nahradíme modrý kroužek zeleným, mající stejnou hmotnost jako čer vené ferity. Vlivem nárazů červených feritů vykonává nepravidelný pohyb, který lze promítnout na školní tabuli a křídou zaznamenat množinu poloh, jimiž zelený kroužek při svém neuspořádaném pohybu prošel Difúze 12 ks červených feritových kroužků, 12 ks zelených feritových kroužků, tenkou tyčku z nemagne tického materiálu (možno použít manipulační tyčku). Tyčku z nemagnetického materiálu položíme přes obvodový rám vzduchového stolu umístěného ve vodorovné poloze tak, aby jeho plochu dělila na poloviny a zároveň nebránila pohybu feritů. Do jedné poloviny umístíme 6 zelených feritových kroužků, do druhé 6 červených feritů. Pokud není zapnut vzduchový generátor, feritové kroužky nevykonávají žádný pohyb a každá z barev si zachovává svůj prostor, který neopouští. Po zapnutí generátoru začnou částice vykonávat neuspořádaný pohyb, v je hož důsledku část feritů jedné z barev pronikne do prostoru barvy druhé. Po určité době se obě barvy feritů promísí. Při použití plného počtu feritů je jejich vzájemné pronikání pomalejší Model difúze Demonstrace znázorňuje proces nazvaný difúze. Při stavu, kdy by se částice nepohybovaly, by k difúzi nedocházelo. Současně experiment ukazuje rychlejší difúzi látek s nižším počtem částic v daném objemu (plyny) a pomalejší u látek s větším počtem částic ve stejném objemu (látky pevné). Lze rovněž demonstrovat závislost rychlosti difúze na teplotě, kterou simulujeme zvýšením výkonu vzduchového generátoru

4 6.3.Rozpínavost a stlačitelnost plynů 18 ks červených feritových kroužků, magnetický píst, vodící element magnetického pístu Magnetický píst 6.9. Červený feritový kroužek Demonstraci, znázorňující rozpínavost a stlačitelnost plynů, bude zřejmě předcházet ukázka neu spořádaného pohybu částic, jako jedné ze základních vlastností plynných látek. Poté pomocí po suvného pístu s vodícím elementem rozdělíme plochu vzduchového pístu na dvě stejné části. Po za pnutí vzduchového generátoru vykonává 6-8 feritů neuspořádaný pohyb a vyplňují prostor vymezený pístem. Zvětšováním prostoru se vzdálenosti feritů zvětšují a jejich rychlost se zmenšuje. Zmenšováním uzavřeného prostoru nebo přidáním dalších feritů je počet jejich srážek větší. Demonstrace představuje model plynu a jeho základní vlastnosti, jako je tekutost, rozpínavost, stla čitelnost a snadná změna tvaru Model rozpínavosti a stlačitelnosti plynů

5 6.4. Rozpínání plynu otvorem nádoby 10 feritových červených kroužků, magnetickou bariéru se štěrbinou Červený feritový kroužek Magnetická bariéra se štěrbinou Modelový experiment je doplněním a rozšířením předcházejícího, kdy částice plynu přecházejí ot vorem v nádobě do dalšího prostoru. Vzduchový stůl rozdělíme magnetickou bariérou na dvě stejné části. Do jedné z částí položíme feritové kroužky a zapneme vzduchový generátor. Ferity začnou vyko návat neuspořádaný pohyb, při němž jich část pronikne otvorem v bariéře do volného prostoru. Pokud jsou tyto prostory shodné velikosti, mohou žáci po určité době zaznamenat shodný počet částic v obou nádobách. Proces lze urychlit zvýšením rychlosti částic. Model představuje plyn uzavřený v nádobě a jednu z jeho vlastností - rozpínavost. Plyn se po stupně z daného prostoru rozpíná. Tento děj probíhá do té doby, dokud není počet částic v obou částech přibližně stejný Model rozpínání plynu otvorem nádoby

6 6.5.Rovinný model plynu v gravitačním poli Země 25 ks červených feritových kroužků, plochou magnetickou bariéru Červený feritový kroužek Plochá magnetická bariéra Mírným nakloněním vzduchového stolu je simulováno působení gravitačního pole Země na částice plynu, které představuje 25 feritů. Ty se vlivem naklonění vzduchového stolu hromadí v jeho spodní části. Demonstrace ukazuje skutečnost, že vzduch má částicové složení. Pokud na tyto částice působí gravitační síla, v důsledku snadné stlačitelnosti plynu je hustota částic blíže středu Země větší. Pokus je vhodné zařadit do učiva o atmosférickém tlaku. Směr gravitační síly Země Rovinný model plynu v gravitačním poli Země

7 6.6. Rovinný model krystalové mřížky 25 ks oranžových feritových kroužků (ø 28 mm), manipulační tyčku Oranžový feritový kroužek Manipulační tyčka Model představuje složení pevných krystalických látek z částic (atomů), kmitajících kolem rovnovážných poloh. Částice znázorňují feritové kroužky, které se po spuštění vzduchového generáto ru na malý výkon z důvodu menšího prostoru uspořádají do pravidelné struktury a vykonávají kmitavý pohyb kolem rovnovážné polohy. Vychýlíme-li některý z feritů z jeho polohy, rychle se vrátí do původní polohy. Model představuje vzájemné silové působení mezi částicemi v krystalové mřížce látky. Výsledkem je soudržnost pevné látky, zachování tvaru a v případě mírné deformace návrat látky do původního tvaru Rovinný model krystalové mřížky

8 6.7. Fyzikální princip zvyšování teploty látky 6 ks oranžových feritových kroužků, manipulační tyčku Oranžový feritový kroužek Manipulační tyčka Na vzduchový stůl ve vodorovné poloze vložíme feritové kroužky a spustíme vzduchový generátor, jehož výkon postupně snižujeme na minimum až kroužky zaujmou pozice v určité lokalitě vzduchové ho stolu. Pokud manipulační tyčkou udělíme jednomu z feritů impuls, ten jej předá prostřednictvím pružné srážky dalšímu nejbližšímu feritovému kroužku, ten se srazí s dalším kroužkem a po krátkém čase vykonávají ferity neuspořádaný pohyb. Model znázorňuje změnu vnitřní energie tělesa prostřednictvím konání práce vnějších sil. Vnější sílu na modelu představuje impuls, který udělíme jednomu z feritových kroužků. Částice získá vyšší ki netickou energii, kterou prostřednictvím srážky s jinou částicí dále předává na další částice a postupně na celý soubor. Navenek se to projeví zvýšením teploty tělesa a zvětšením jeho vnitřní energie Model zvyšování teploty látky

9 6.8. Zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty 17 červených feritových kroužků, tenkou tyčku z nemagnetického materiálu. Demonstrační experiment lze zařadit do učiva, týkající se změny objemu těles při tání a tuhnutí. V první fázi demonstrace, při vypnutém vzduchovém generátoru, seřadíme feritové kroužky do pravidelné struktury u spodního kraje mírně nakloněného vzduchového stolu. Přes rám vzduchového stolu položíme tyčku z nemagnetického materiálu. Tímto způsobem znázorňujeme pravidelnou struk turu pevné látky zachovávající svůj tvar a objem. Ve druhé fázi, zapnutím vzduchového generátoru, feritové kroužky začnou vykonávat neuspořá daný pohyb, ferity se vzájemně od sebe více vzdálí a vyplňují větší část prostoru. Částice pevného tělesa se dodáním tepla vzájemně od sebe vzdálí, těleso zvětší svůj objem a ně které z částic dokonce mohou opustit těleso. Tato fáze představuje ohřátí látky na teplotu tání Model zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty

10 6.9. Vypařování kapaliny Držák dynamické mřížky, transparentní desku, magnetickou bariéru plochou, 14 zelených feri tových kroužků Držák dynamické mřížky Transparentní deska Magnetická bariéra plochá Vzduchový stůl ustavíme do základní polohy, přišroubujeme držák, přibližně do poloviny vložíme transparentní desku a na ní položíme plochou magnetickou vložku směrem dolů. Na stůl umístíme 14 feritových kroužků. Po zapnutí vzduchového generátoru pozorujeme, že většina feritů se pohybuje v ohraničené části pracovní plochy. Při nárazech na silové pole magnetické bariéry se ferity vlivem od pudivých sil vracejí zpět do určeného prostoru. Některé z feritů však překonají tuto bariéru a dostávají se za ní. V modelové situaci magnetická bariéra představuje volnou hladinu kapaliny. Zvýšením výkonu generátoru vzduchu simulujeme dodání tepla kapalnému tělesu. Některé částice tím získají větší kine tickou energii, umožňující tuto bariéru překonat - kapalina se začne vypařovat. Některé částice se při tom mohou opět vracet zpět do kapaliny. Při určitém výkonu vzduchového generátoru lze pozorovat vyrovnaný počet částic v kapalině a nad její volnou hladinou nastává stav dynamické rovnováhy mezi kapalinou a párou. V uzavřené nádobě se tento stav páry nazývá sytá pára Model vypařování kapaliny

11 6.10. Model kovového vodiče Držák dynamické mřížky, dynamickou mřížku, 25 ks červených feritových kroužků Držák dynamickémřížky Dynamická mřížka Montáž dynamické mřížky na vzduchový stůl Vzduchový stůl je ustaven ve vodorovné poloze. Na pracovní plochu položíme 25 feritových krouž ků. Na okraj vzduchového stolu připevníme držák dynamické mřížky a nasadíme dynamickou mřížku. Její výšku nastavíme na maximální hodnotu. Po spuštění vzduchového generátoru vykonávají volné feritové kroužky neuspořádaný pohyb a při svých nárazech na fixované ferity dynamické mřížky zvyšu jí rychlost jejich kmitavého pohybu a opačně, pokud jemně rozkmitáme dynamickou mřížku, rychlost pohybu volných feritů se zvýší. Uspořádání představuje model kovového vodiče v podobě krystalické mřížky s vázanými ionty (fi xované ferity) a volnými elektrony(volné ferity), které se neuspořádaně pohybují a tvoří elektronový plyn. Rostoucí teplota, simulovaná zvýšením výkonu vzduchového generátoru, způsobuje růst rych losti a tím i kinetické energie volných elektronů. Nakloněním vzduchového stolu lze modelovat vliv vnějšího elektrického pole na pohyb elektronů

12 6.31. Model kovového vodiče Model polovodiče typu N Dynamickou mřížku, držák dynamické mřížky, 28 ks červených feritových kroužků. Vzduchový stůl ustavíme do základní polohy. Oproti předcházející demonstraci na pracovní plochu stolu umístíme 28 feritů tak, aby jejich poloha odpovídala polohám 25 fixovaných feritů na dynamické mřížce. Nad pracovní mřížku připevníme dynamickou mřížku, jejíž svislou polohu nastavíme na střední stupeň (3 dílek stupnice). Po spuštění vzduchového generátoru pozorujeme, že 25 z 28 volných feritů zaujme polohu pod fixovanými ferity mřížky a zbývající tři ferity se volně pohybují mezi nimi. Demonstrace je součástí učiva o vedení elektrického proudu v polovodičích. Volné ferity představu jí elektrony, jejichž větší část je vázána do atomové struktury polovodiče. Tři volně pohybující se ferity představují volné elektrony a celek tak modelově znázorňuje polovodič s převahou volných elektronů, tedy polovodič typu N. Při sklonu vzduchového stolu můžeme usměrnit pohyb těchto elektronů a na podobit tak vliv vloženého elektrického pole Model polovodiče typu P Dynamickou mřížku, držák dynamické mřížky, 22 ks červených feritových kroužků. Demonstrační experiment je obdobou předcházejícího s tím rozdílem, že na pracovní plochu vzduchového stolu rozmístíme o tři feritové kroužky méně než je na modelu krystalické mřížky. V tomto případě zůstávají tři místa v krystalové mřížce neobsazeny elektrony a model znázorňuje polovodič typu P