Metodický list Učitel Akustika Praha 2012 Jak rozeznít činel bez dotyku? Potřebné pomůcky: činel, fotoaparát s bleskem Další možné pomůcky: tvrdý papír, žiletka, plexisklo, sklíčko, spojná a rozptylná čočka, infračervený teploměr, termocitlivé součástky (s krátkou dobou odezvy), černý lihový fix a ředidlo... Zadání Když blesknete fotoaparátem zblízka na činel, tak se rozezní. Zjistěte příčinu tohoto jevu. Prozkoumejte také některé fyzikální aspekty blesknutí fotoaparátu. Možné rozšíření Pokud vám zbude čas, můžete se věnovat i fyzikálním vlastnostem činelu souvisejících s tvorbou zvuku. Schéma práce původ: Turnaj mladých fyziků 2008, úloha č. 4 První hodina Úvodní seznámení s problémem - učitel ukáže experiment a seznámí studenty se zadáním úlohy a cílem následujících hodin. V průběhu budou pracovat na experimentu a svou práci zpracují do formy prezentace. V závěru budou studenti své prezentace předvádět a vzájemně hodnotit. Žáci se rozdělí do skupinek, ideálně po dvou až třech. Skupinky dostanou stejný Úvodní úkol a zhruba pět až sedm minut času na přemýšlení v rámci skupinky. Učitel jim zdůrazní, že jde o brainstorming a že účelem je vymyslet co nejvíce návrhů a až pak je vyřazovat. Následně proběhne diskuze v rámci celé třídy o tom, co jednotlivé skupinky vymyslely. Na tabuli učitel (či žák) postupně píše heslovitě jednotlivé diskutované fyzikální jevy. Skupinka, která s daným jevem přišla, stručně uvede, o jaký princip by se mohlo jednat. Nepřijdou-li studenti na některé důležité jevy, učitel je doplní. Ve zbytku hodiny budou moci žáci provádět pokusy, které si sami vymyslí a které by měly vyvrátit aspoň některé možnosti z nabízených fyzikálních jevů, co jsou na tabuli. Mohou také vymyslet a naplánovat pokusy, na které nejsou okamžitě dostupné pomůcky, ale mohou si je přinést na další hodinu. Učitel skupinky kontroluje, dodává nápady, sleduje pokusy, ptá se na průběžné výsledky,... Druhá hodina Učitel vysvětlí, jakou formu prezentace si žáci budou připravovat (záleží na technických podmínkách - ideálně prezentaci na počítači, kterou by následně promítali; alternativně si mohou připravit plakátek nebo jen osnovu řeči). Poté skupinky pokračují v experimentech a současně si připravují prezentaci. Měli by si připravit nějaký experiment tak, aby ho mohli v rámci prezentace předvést.
Třetí hodina Podle počtu skupinek učitel rozhodne o maximálním času na prezentaci a následnou oponenturu. Oponentní skupina by měla kriticky zhodnotit to, k čemu došli prezentující a hlavně se prezentujících zeptat na případné nejasnosti. Je více možností, jak rozhodnout o času i o způsobu prezentování: Pokud prezentuje každá skupinka, pak dáme např. pro 45 minutovou hodinu a 12 žáků v 6 skupinách - 3 minuty na prezentaci a 3 minuty na oponenturu, což jsou ale velice krátké časy a nejspíše se budou provedené experimenty často opakovat. Oponentury si mohou dělat buď dva týmy navzájem, nebo můžete zavést cyklický systém. Vybrat polovinu skupinek, které budou prezentovat, a druhá polovina skupinek bude dělat oponentury. Tím čas použitelný čas vzroste na dvojnásobek a v případě, že výběr prezentujících vybere učitel, pak se omezí i opakování stejných experimentů. Nevýhodou je, že takto si žáci nevyzkouší obojí - prezentaci i oponenturu. V rámci prezentace by se měli ideálně zapojit všichni členové týmu, ale v jednu chvíli by měl mluvit vždy jeden. Při oponentuře je naopak vhodnější, aby mluvil většinu doby jeden mluvčí, kterému zbytek týmu pomáhá vymýšlet otázky. Úvodní experiment Zadání Ze vzdálenosti cca 1 cm bleskněte na činel. Bleskejte spíše po kraji činelu a tak, aby paprsky dopadaly kolmo svrchu na činel. Činelem je v celé úloze míněn činel o průměru aspoň 30 cm, nicméně efekt může fungovat i s menšími. Pozorování Uslyšíte zvuk. Jeho intenzita bude záviset mimo jiné i na použitém blesku, je proto dobré vyzkoušet více fotoaparátů. Relativně hlasitým zvukem se ukazuje být zvuk vytvořený levným kompaktním kinofilmovým fotoaparátem, u digitálních fotoaparátů bývá zvuk slabší, nicméně záleží na konkrétním modelu, který budete mít k dispozici.
Úvodní úkol (brainstorming) Zadání Vymyslete co nejvíce možných fyzikálních jevů, které provázejí blesknutí fotoaparátem a které by mohly rozeznít činel. Vymyslete i mechanismus, jakým by to mohlo fungovat. Příklady možných odpovědí Dále uvedené příčiny jsou ty, které by měly určitě padnout, aby bylo pole pro pokusy dostatečně široké. Zvuk stisku fotoaparátu a Činel je v rezonanci se zvukem vydávaným fotoaparátem a tak se rozezní stejně, jako se může rozeznít jedna ladička od druhé. Elektromagnetická indukce Při světelném výboji teče velký proud ve výbojce, tím se generuje elektromagnetické pole, které se šíří do okolí a mohlo by interagovat s činelem a rozeznít ho. Tepelná vlna Pokud teče elektrický proud obvodem, pak se obvod také zahřívá, a to společně se svým okolím. V našem případě probíhá zahřátí téměř okamžitě, vzduch v okolí blesku se rozepne, protože zvýšení teploty vyvolá zvýšení tlaku. Toto zahřátí a zhuštění se pak může šířit dál v prostoru jako tepelně-tlaková vlna. b Světlo c Fotony, které se uvolní při výboji, se šíří až k činelu, kde se od něj odrazí (a část se jich pohltí). Tím část činelu získá nějakou hybnost, a to v krátkém čase, díky které se rozkmitá, a proto uslyšíme zvuk. Je také možné, že žáci uvedou samostatně tlakovou vlnu. Tu jsme ale uvedli v podstatě již dvakrát - a to jednak zvukovou a pak tepelnou. Při řešení ji ale mohou považovat za samostatný jev. Samozřejmostí je, že se mohou objevit i kombinované teorie, které mohou a nemusí být špatně. Příkladem takové fyzikálně obstojné kombinace je, že pokud se světlo šíří vzduchem, tak ho zahřívá, proto se v něm zvýší lokálně tlak a to, co jsme uváděli jako tepelnou vlnu je vydatně podporováno samotným světlem. a Tento důvod je ale zřejmě logický jenom v případě, že fotoaparát slyšitelně cvaká. V případě, že je zvuk spouště téměř neslyšný nebo alespoň méně slyšitelný než zvuk činelu vyvolaný bleskem, pak by to být hlavním příčinou nemělo. Na druhou stranu lze přijít s teorií, že činel zachytí i neslyšné frekvence a převede je do slyšitelných a ty slyšitelné převádí do oblasti, kde lidské ucho lépe slyší (podle křivek konstantní hlasitosti zvuku, které si můžete najít na internetu). To je sice relativně nepravděpodobný scénář, ale na druhou stranu při uvážení možnosti tohoto vzniku se pak můžete věnovat více ryze akustickým pokusům. b Zde vycházíme spíše ze středoškolského a intuitivnějšího pohledu na teplo. Jako tepelná vlna by se mohla označit i světelná vlna, protože dle vysokoškolské definice je teplo vlastně celé kontinuum elekromagnetického záření, ale zde k pojmu tepelná vlna budeme nadále přistupovat výše popsaným způsobem. c Případně i další elektromagnetické záření z jiných vlnových délek. Dále budeme používat pouze pojem světlo, příp. světelná vlna, světelné záření. Příklady experimentů Tlesknutí Návrh na provedení Zkuste tlesknout v blízkosti činelu. Poslouchejte zvuk, co poté činel vydá a srovnejte se zvukem, který vydá po blesknutí. Pravděpodobné pozorování Zvuk, který činel i po velice hlasitém tlesknutí vydá, je obvykle výrazně slabší než zvuk, který vydá po blesknutí. To indikuje, že zvuk závěrky, přetáčení filmu a jiné zvuky, které fotoaparát vydává, pravděpodobně nebudou hlavní příčinou zvuku vyvolaného na činelu. Teoreticky by ještě mohl být přesně naladěný na činel, což ale není, jak se o tom můžeme přesvědčit, pokud chceme jít opravdu hodně do hloubky, např. srovnáním frekvenční analýzy záznamu zvuku činelu a fotoaparátu.
Mechanické účinky blesku žiletka, kousek neprůhledného plastu, kousek čtvrtky Návrh na provedení Umístěte žiletku na okraj stolu do polohy velice blízko převrácení. Zkuste blesknout fotoaparátem na stranu žiletky, která přesahuje stůl. Pravděpodobné pozorování Pokud budete pracovat šikovně, podaří se vám bleskem žiletku shodit. To naznačuje, že původ zvuku bude mechanickým rozhýbáním činelu. Pokus můžete zkusit s jiným, nemagnetickým objektem, který je ale dostatečně pevný, např. kousek černého plastu vystřižený z obalu na CD. Při vhodné volbě objektu se vám ho podaří taktéž shodit (naproti tomu třeba papír je pružný a skoro nikdy ho neshodíte). To ukazuje, že blesk se chová obdobně jak k feromagnetickým látkám, tak k neferomagnetickým, a že je silně nepravděpodobné, že by elektromagnetická indukce byla hlavní příčinou jevu. Na papír či zmíněný kousek plastu můžete zkusit blesknout, když ho za jeden konec držíte v ruce. Nejspíše sami ucítíte, že se objekt mírně, ale rychle pohne. U některých tvrdých papírů pak můžete slyšet i lupnutí, které blesk vyvolá. Toto lupnutí má zcela stejnou příčinu jako zvuk činelu. Uvolnění tepla při výboji teploměr (např. infračervený) či nějaká termocitlivá součástka, která dokáže reagovat na rychlé změny teploty; lze provést i bez dalších pomůcek Návrh na provedení Namíříme fotoaparát na teploměr (součástku) a bleskneme. Pravděpodobné pozorování V případě, že teploměr má dostatečně rychlou odezvu, budeme pozorovat zvýšení teploty ihned po blesknutí. Tím ověřujeme, že při výboji dojde k uvolnění tepla. Neočekávejte velké zvýšení teploty, pouze asi o několik stupňů Celsia, protože i u relativně rychlých, ale běžně dostupných, infračervených teploměrů se teplota vystředuje přes nějaký delší časový okamžik (desetiny sekundy) a navíc obvykle neměříme maximální hodnotu, ale aktuální, a proto zmeškáme okamžik nejvyššího teploty. Ve skutečnosti naměříme zahřátí výbojky (v případě infračerveného teploměru) nebo zahřátí nějaké jiné součástky. Pokus lze provést i bez nějakých dalších pomůcek jenom tím, že si bleskneme na citlivé místo jako třeba ušní lalůček, kde zvýšenou teplotu ucítíme. Elektromagnetismus? čtvrtka Návrh na provedení Mezi činel a fotoaparát umístíme papír a bleskneme. Pravděpodobné pozorování Činel se nerozezní, nebo jen velice slabě (při použití tenkého papíru). Pokud by měl být zvuk činelu vyvolán elektromagnetickou indukcí, pak by se ale rozeznít měl (a zřetelně), protože papír elektromagnetické pole neodstíní. Tím jsme téměř jistě eliminovali elektromagnetickou indukci jako příčinu.
Co to zkusit pod jiným úhlem? Návrh na provedení směrů... Bleskneme v blízkosti činelu, ale směrem od něj, kolmo na něj, z různých Pravděpodobné pozorování Pokud nemíříme na činel při blesknutí tak, aby ho zasáhlo světlo a to z dostatečné blízkosti a pod nepříliš velkým sklonem fotoaparátu vůči činelu, pak se činel nerozezní. To ukazuje, že není až tak pravděpodobné, že by příčinou byl zvuk či elektromagnetická indukce. Naopak nám to naznačuje, že by příčina mohla být opravdu spjatá se světlem. Světlovod např. alobal Návrh na provedení Vytvoříme trubičku z lesklého, vysoce odrazivého materiálu, jako např. alobalu. Trubička by měla mít rozměr o málo větší než je rozměr používaného blesku a může být zhruba 15 cm až 20 cm dlouhá (záleží na síle blesku, pokus případně zkuste s kratší). Trubičku držíme tak, aby do jednoho konce směřoval blesk a druhým koncem trubička mířila na činel, a bleskneme. Poté bleskneme ze stejné vzdálenosti bez trubičky a porovnáme hlasitost zvuku. Pravděpodobné pozorování Pokud se nám podaří udělat dobrý světlovod, pak s ním nejspíše uslyšíte, byť slabý, zvuk, co vydá činel, kdežto pokud světlovod odstraníte, pak neuslyšíte prakticky nic (opět záleží na síle blesku). Experiment tedy naznačuje, že by se světlo mohlo významně podílet na vyvolání zvuku činelu, ale uvědomme si, že jsme takto i zaostřili případnou tepelnou či tlakovou vlnu, která se neměla kde jinde šířit. Pokus můžete opakovat i s jinou trubičkou. Zkoumání zvuku činelu (např. Audacity) tichá místnost, tichý počítač s mikrofonem a programem na zpracování zvuku Návrh na provedení Ve všech podbodech se jedná o měření zvuku a jeho následnou frekvenční analýzu. Jde spíš o studium činelu, a proto k rozeznění nemusíte nutně používat fotoaparát. Je potřeba zajistit, aby bylo pokaždé do tvorby zvuku investováno zhruba stejné množství energie. K tomu nám právě může pomoci blesk, pokud ho budeme používat v konstantní vzdálenosti od činelu. Nebo můžeme rozeznění zajistit tím, že budeme na činel pouštět vždy ze stejné výšky drobné závaží (třeba sponku). 1. Změřte zvuk vyvolaný úderem v různých vzdálenostech od středu (ideálně na jedné přímce procházející středem). 2. Změřte zvuk vyvolaný úderem blízko kraje činelu, ale pro různá místa kolem dokola činelu. Pravděpodobné pozorování V obou podúkolech budete pozorovat, že zvuk emitovaný činelem není pokaždé stejný. Liší se už kvůli tomu, že při různých místech úderu jsou vyvolány různé harmonické frekvence odpovídající různým módům kmitů činelu. To by nastalo i u ideálního kruhového plechu/bubínku. Činel navíc není vyrobený jako dokonalý rovný útvar a má na sobě různé prohlubně. I proto nebudou v pozorovaném zvuku závislosti, které by šly jednoduše popsat.
Obarvený činel černý lihový fix a ředidlo Návrh na provedení Začerněte část činelu lihovým fixem. Srovnejte zvuk vydávaný po blesknutí na černou a na neobarvenou část. V případě, že to podmínky dovolí, zvuk i změřte. Pravděpodobné pozorování Zvuk opravdu zní jinak. Teoreticky, při srovnání dokonale odrazivé a dokonale pohltivé plochy, by předaná energie světlem činelu s dokonale odrazivou plochou měla být dvojnásobná. Problém je v tom, že jsme na činel nanesli cizí vrstvu, která jeho chování může ovlivnit. Průhledné překážky plexisklo, sklíčko, spojná a rozptylná čočka Návrh na provedení Zkoušejte na činel zblízka blesknout přes plexisklo, sklíčko, spojnou a rozptylnou čočku. Pravděpodobné pozorování Ve všech případech byste měli dojít k závěru, že činel se rozezní. V případě spojné a rozptylné čočky pak může znít jinak. Opakovatelnost zvuku (např. Audacity) tichá místnost, tichý počítač s mikrofonem a programem na zpracování zvuku Návrh na provedení Zkuste zjistit, jak moc jsou vaše pokusy opakovatelné. Tedy bleskejte stále za stejných podmínek na stejné místo činelu několikrát (alespoň pětkrát) postupně po sobě a pak analyzujte jednotlivé experimenty zvlášť. Poté svoje data exportujte a vytvořte graf, kde je dáte přes sebe. Pravděpodobné pozorování Pravděpodobně zjistíte, že zvuk opravdu není dobře opakovatelný a že vykazuje relativně značné odchylky. Tím pádem se komplikují ostatní pokusy, u kterých by se měl experiment vždy pro správnější zpracování vícekrát opakovat. Vzdálenost blesku (např. Audacity) tichá místnost, tichý počítač s mikrofonem a programem na zpracování zvuku Návrh na provedení Změřte závislost intenzity zvuku vydávaného činelem na vzdálenosti fotoaparátu od činelu. Pravděpodobné pozorování Pokud je relativně dost náročný na správné určení celkové hlasitosti zvuku. Pozorovat byste měli přibližně kvadratický úbytek. Experiment si můžete zjednodušit jenom na určení přibližné vzdálenosti, ze které vámi použitý blesk způsobí vámi slyšitelný zvuk. Pak není potřeba zpracovávat měření na počítači.
Závěrečné slovo Řešení? Možná jste chtěli znát řešení úlohy... Ale tato úloha je badatelská a i kdyby již existovalo, tak by to nebylo ono, kdybychom si konečné řešení prostě přečetli. Můžeme pouze říct, že našemu týmu se jeví jako nejpravděpodobnější příčina světelné záření, i když tepelná a tlaková vlna, o které mluví některé články, může mít také vliv. Příčina ovšem může být také propojená (světlo ohřívá vzduch změna tlaku) nebo vhodnou kombinací jevů (nejdřív dopadne světelná vlna a také se ohřeje vzduch před činelem, což mu umožní rozeznít se víc než např. zmiňovaný lupající papír). Přání a žádost Doufáme, že si s úlohou užijete mnoho originálních experimentů a pokud vymyslíte nějaký inovativní další, který by mohl rozšířit tuto sbírku, tak se nám ozvěte a podělte se o něj a my ho budeme moci zařadit k ostatním.