Fyzikální měření s dataloggery Vernier. Stanoviště 1: motion detector ( netopýr )

Transkript

1 Stanoviště 1: motion detector ( netopýr ) Rozhraní LabQuest, ultrazvukový senzor pohybu motion detektor, míč, hrnek, pružina, kyvadlo (improvizované) Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. Měření rychlosti pohybu Detektor měří do vzdálenosti asi 6 m. Změřte rychlost členů vaší pracovní skupiny při pohybu směrem k detektoru a od něho. Pokuste se dosáhnout rovnoměrného resp. rovnoměrně zrychleného pohybu. Pád míčku Umístěte detektor na židli postavené na lavici a tam ho přidržujte rukou (dejte pozor, aby při pokusu židle nespadla). Pod detektorem podržte balón a nechte ho padat na podlahu. Sledujte průběh pohybu a určete koeficient vzpruživosti pro dopad míčku na podlahu. Kmity na pružině Upevněte hrníček na pružinu, detektor umístěte pod něj a sledujte (téměř) harmonické kmity. Začněte malými kmity při velké výchylce by se hrnek mohl uvolnit a rozbít! Ověřte, v jakém rozsahu detektor měří a jaké faktory ho ovlivňují. Koeficient vzpruživosti je definován podílem velikosti rychlosti míčku po odrazu a před odrazem. Využijte údaje z vícenásobného odrazu a to jak hodnoty rychlosti, tak údaje o výšce, kterou míček dosáhl. Vztah pro určení koeficientu vzpruživosti pomocí dosažené výšky odvoďte, odpor vzduchu zanedbejte, výsledky porovnejte. 1

2 Stanoviště 2: senzor síly Rozhraní LabQuest, senzor síly, deska (soustava na měření smykového tření s úhloměrem), dřevěné hranoly, pružiny, různá závaží, stojan, kyvadlo (improvizované), optická závora, hřeben Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. Měření smykového tření na nakloněné rovině Určete koeficient smykového tření pro předmět klasickou metodou pro předmět umístěný na nakloněné rovině. Potřebný vztah pro výpočet odvoďte. Měření smykového tření posunem po vodorovné rovině Táhněte předměty po vodorovné rovině a pomocí senzoru síly změřte sílu potřebnou na překonání tření. Výsledky porovnejte s předchozí částí. Lze zaznamenat přechod mezi třením v klidu a za pohybu? Kmity na pružině Upevněte senzor na stojan, zavěste na něj pružinu a studujte harmonické kmity. Vyzkoušejte různé pružiny a různá závaží, určete tuhosti pružin a doby kmitu, ověřte vztah pro frekvenci (dobu kmitu) tělesa o hmotnosti m zavěšeného na pružině o tuhosti k. Začněte malými kmity, postupně je můžete trochu zvětšovat, dejte však pozor na rozsah senzoru! Kyvadlo Určete dobu kmitu matematického kyvadla a odhadněte hodnotu tíhového zrychlení. Potřebné vztahy odvoďte, popřípadě najděte v tabulkách. Zkuste, jak optická závora reaguje na průchod ruky nebo hřebene při různých rychlostech. Zvolte rozsah měření senzoru podle hmotnosti závaží nebo použitých předmětů. Uvědomte si, že hmotnosti 1 kg odpovídá tíha 10 N. Při měření s optickou závorou nezapomeňte nastavit správný režim snímání. 2

3 Stanoviště 3: teploměry Rozhraní LabQuest, nerezový teploměr, čidlo povrchové teploty, hrnek, varná konvice, čelenka (šátek), hadr, odměrný válec, uzavřené nádoby Z návodu k detektoru zjistěte, na jakém principu funguje. Soutěž teploměrů Ponořte teploměr do nádoby s horkou vodou (varné konvice po vypnutí). Po chvíli jej vyjměte a sledujte pokles teploty s časem. Jak se průběh změní, když teploměr po vyjmutí osušíme nebo když s ním budeme mávat? Kdy bude teplota klesat nejrychleji a kdy nejpomaleji? Pokles teploty v uzavřené a otevření nádobě Nalijte horkou vodu do otevřené a uzavřené nádoby a sledujte pokles teploty s časem po dobu několika minut. Využijte LabQuest k nalezení empirické závislosti poklesu teploty na čase. Účinnost varné konvice Nalijte 0,5 l studené vody, ponořte do ní nerezový teploměr a konvici zapněte. Sledujte nárůst teploty a změřte čas, za který voda začala vřít. Z času a příkonu konvice určete spotřebovanou energii, energii potřebnou na zahřátí 0,5 l vody zjistěte výpočtem, měrné skupenské teplo najděte v případě potřeby v tabulkách. Jaká je účinnost varné konvice? Dejte pozor, aby se teploměr nedotýkal varné spirály! Frekvence dýchání Umístěte čidlo teploty do otevřených úst (z hygienických důvodů necucat!) a změřte změny teploty při nadechování a vydechování. Určete frekvenci dýchání různých členů vaší skupiny. Zvýšení teploty při námaze Upevněte povrchové čidlo teploty pod čelenku (šátek), zaznamenejte teplotu a potom měřte teplotu po zdolání schodů z přízemí do nejvyššího patra (případně lze výstup opakovat). Lze zaznamenat zvýšení teploty při zvýšené námaze? Při manipulaci s horkou vodou buďte opatrní, ať nedojde k opaření!. 3

4 Stanoviště 4: čidla tlaku Rozhraní LabQuest, čidlo barometr, čidlo tlaku plynu a jeho sada, hadička, lahev s vodou, délkové měřidlo (pravítko), hadr Z návodu k detektorům zjistěte, na jakém principu fungují. Ověření Boylova-Marriottova zákona Připojte k čidlu GAS PRESSURE SENZOR stříkačku a zaznamenávejte hodnoty objemu a tlaku při stlačování. Nestlačujte na menší než poloviční objem, jinak by vysoký tlak poškodil senzor! Hydrostatický tlak v PET lahvi Sledujte změnu tlaku při ponořování hadice to PET lahve s vodou. Výpočtem odhadněte, jaká změna by měla odpovídat ponoření o 1 cm. Tlakové čidlo udržujte vždy nad úrovní hladiny vody. Pokud by se do něj dostala voda, dojde k jeho poškození! Změna tlaku vzduchu s nadmořskou výškou Připojte BAROMETR a položte ho na podlahu. Zjistěte, o kolik se změní tlak při zvednutí do výšky 1 m resp. 2 m, proveďte i odhad výpočtem. Potom zaznamenejte změnu tlaku při chůzi z přízemí do nejvyššího patra, snažte se stoupat co nejrovnoměrněji, nastavte si odpovídající délku měření a vzorkovací frekvenci. Vyhodnoťte, zda lze barometr použít k monitorování nadmořské výšky a zamyslete se nad faktory, které takové měření ovlivňují při pohybu v přírodě. Odhadněte výšku budovy PřF UP. Teoretickým základem měření je barometrický vzorec p = p 0 exp ( gm m R m T h ) p 0 ( 1 gm m R m T h Dejte pozor, abyste použili k daným měřením správná tlaková čidla. Pro ověření Boylova-Marriotova zákona a měření v PET lahvi je vhodné změnit režim záznamu hodnot z časové základny na záznam vybraných hodnot. 4 ).

5 Stanoviště 5: spektrometr a čidlo osvětlení Rozhraní LabQuest, spektrometr, čidlo osvětlení, žárovka, úsporná žárovka, světla na kolo, délkové měřidlo, hadr (papírový kapesník) Z návodu k detektorům zjistěte, na jakém principu fungují. Ověření poklesu osvětlení se čtvercem vzdálenosti Připojte LIGHT SENSOR, zvolte vhodný rozsah a zjistěte, jak se změní osvětlení při posunu do dvojnásobné vzdálenosti. Porovnejte intenzitu osvětlení žárovky a úsporné žárovky ve stejné vzdálenosti. Je úsporná žárovka o výkonu 11 W ekvivalentní klasické žárovce 60 W, jak udává výrobce? Kolísání osvětlení úsporné žárovky Připojte LIGHT SENSOR a nastavte dostatečnou frekvenci záznamu (např. 1000/s). Ukažte, že osvětlení úsporné žárovky kolísá s určitou frekvencí. Odhadněte tuto frekvenci a vysvětlete, s čím je spojena. Určete frekvenci blikání cyklistického osvětlení. Spektrum Připojte spektrometr a proměřte spektrum různých světelných zdrojů: žárovky, úsporné žárovky, diody, červené diody. Čím se spektra liší? Úlohu je vhodné provádět v temnější části místnosti, ideálně v temné komoře. Výměnu žárovek provádějte za dozoru vyučujícího a při vypnutém vypínači!. Žárovku přitom držte přes hadřík nebo papírový kapesník. 5

6 Stanoviště 6 (rezervní): Audacity Notebook, mikrofon, program Audacity, lahev od sirupu, míč (ping-pongový míček), délkové měřidlo, fén, power-ball Určení frekvence zvuku v lahvi od sirupu; změní se, když zahřejeme vzduch fénem? Frekvence power-ballu Generování signálů, skládání kmitů, rázy Trvání lusknutí prstů, frekvence dopadu balónku na zem Spektrální analýza: určete spektrum kmitů ladičky, sklenice na víno, uzavřené i otevřené píšťaly Možná sami přijdete na další nápady, co pomocí této metody změřit. Při manipulaci s mikrofonem dejte pozor, ať nestrhnete notebook! 6