1 Vzduch
28. základní škola Plzeň TORRICELLIHO POKUS Ročník: 8. Předměty: fyzika, matematika Tématické okruhy: atmosférický tlak, hustota kapaliny, objem válce Doba trvání: 2 hodiny Velikost skupiny: 4 žáci pro přípravu, celá třída pro samotné měření Prostředí: škola, nutná vícepatrová školní budova Klíčová slova: atmosférický tlak, hydrostatický tlak, tlaková síla, roztoky Cíl 1) Změřit aktuální tlak vzduchu v místě školy metodou Torricelliho pokusu 2) Najít vhodnou látku pro toto měření a výsledek porovnat se skutečným tlakem vzduchu. Metoda Žáci si zkusí vlastní metodou a vlastními pomůckami změřit tlak vzduchu. Procvičí si práci s tabulkami a kritickou úvahu nad vhodnou měřící látkou. Porovnají výsledky vlastního měření s údaji meteorologické stanice. Uvědomí si nutnost přepočtu tlaku vzduchu v závislosti na nadmořské výšce Problematika Torricelliho pokus využívá k měření tlaku vzduchu rovnováhy sil mezi tlakem vzduchu a hydrostatickým tlakem u dna válce s kapalinou. Tlak vzduchu se spočítá pomocí výšky sloupce kapaliny, nad kterou v uzavřeném válci vznikne vakuum. Pro měření je však nutné najít kapalinu s co největší hustotou; v opačném případě je třeba mít měřící válec příliš vysoký. V tlakoměrech založených na tomto principu se používá rtuť, ta však pro školní pokusy není vhodná kvůli své toxicitě. Druhý problém s měřením tlaku vzduchu pro rozsáhlejší území spočívá v tom, že tlak je závislý na nadmořské výšce. Meteorologové proto udávají tlak vzduchu přepočtený na nulovou nadmořskou výšku a námi naměřená hodnota by proto měla být nižší než hodnota uváděná meteorology. Vzduch 2
Materiál a pomůcky Skleněná trubice se zataveným koncem o délce několika metrů (min. 5 m), zátka, cukr nebo sůl pro namíchání směsi o větší hustotě, větší nádoba na roztok, váhy nebo hustoměr pro každou skupinu, kbelík, trychtýř, měřící pásmo, provaz, počítač s připojením k internetu, tabulky. Postup 1) Při společné diskuzi necháme žáky navrhnout vhodnou tekutinu k provedení pokusu. Na vzorci pro hydrostatický tlak ukážeme, že je nutno hledat tekutinu s co největší hustotou, avšak dostupnou a bezpečnou. Necháme žáky pracovat s tabulkami. Poté je dovedeme k myšlence použití roztoku cukru nebo soli ve vodě. Zmíníme rozpustnost těchto látek, její závislost na teplotě vody a omezenou rozpustnost soli. 2) Žáci spočítají potřebné množství roztoku podle objemu měřící trubice. Počítejte také s kapalinou v kbelíku. 3) Žáci namíchají ve skupinách roztoky o co největší hustotě. Je vhodné použití teplé vody pro lepší rozpustnost. Poté se všechny roztoky slijí dohromady a každá skupina si vezme vzorek pro měření hustoty. 4) Poté se i s roztokem odebereme ven pod okna, kde je připravená trubice a kbelík a trychtýř. Společně nalijeme plnou trubici roztoku a poté ji zazátkujeme. Část schopnějších žáků zatím můžeme zaměstnat odvozením přepočtu výšky sloupce kapaliny na tlak. 5) K zatavenému konci trubice připevníme konec provazu spuštěného z okna učebny. Doporučujeme provaz zajistit lepící páskou. 6) Vrátíme se do učebny a provazem vytáhneme zatavený konec trubice vzhůru a dobře připevníme. Pozor! Při vytahování trubice se nikdo z žáků nesmí nacházet pod ní kvůli riziku jejího prasknutí. 7) Spodní konec trubice umístíme do kbelíku se zbytkem roztoku a odzátkujeme. Lihovým fixem nebo lepící páskou označíme místo na trubici, kde se ustálí hladina. 8) Na základě výšky sloupce kapaliny žáci spočítají tlak vzduchu. Výsledek poté porovnají s tlakem vzduchu nalezeným na internetu. Poznámky 1) V době provádění pokusu musí být v matematice již probrán objem válce. 2) Pro provedení pokusu je nutno vybrat učebnu, jejíž okna jsou v dostatečné výšce nad zemí. 3) Při výpočtu potřebného množství roztoku je třeba počítat s rozlitím části roztoku při nalévání do trubice. Doplňující otázky 3 Vzduch
28. základní škola Plzeň SLEDOVÁNÍ SMĚRU PROUDĚNÍ VZDUCHU Ročník: 7. Předměty: fyzika, zeměpis Tématické okruhy: meteorologie, kinematika Doba trvání: 2 hodiny Velikost skupiny: 2 žáci Prostředí: škola + místo v okolí školy bez stromů a výškové zástavby Klíčová slova: rychlost, plyny, proudění vzduchu Cíl Děti by měly dokázat na základě měření azimutu, rychlosti větru a mapy odhadnout trajektorii balónku napuštěného plynem. Metoda Žáci vypustí balónky naplněné plynem, na nichž je přivázán korespondenční lístek. Změří azimut, pod jakým balónky odletěly, a na základě rychlosti větru zjištěné z předpovědi počasí určí, kam mohou balónky doletět. V případě vrácení korespondenčního lístku vyhodnotí následující hodinu svůj odhad. Problematika Materiál a pomůcky Pro každého žáka balónek, korespondenční lístek, uzavíratelné průhledné sáčky, dále hélium nebo jiný vhodný plyn, buzoly, dalekohled, PC s přístupem k internetu, mapy okolí školy (měřítko 1:100 000 nebo 1:50 000), mapa ČR. Vzduch 4
Postup 1) Žáci napíšou na korespondenční lístek vzkaz se žádostí o zaznamenání místa a času nálezu a jeho zaslání na adresu školy. Lístek pak vloží do průhledného sáčku a ten vodotěsně uzavřou. 2) Balónky naplníme plynem a přivážeme k nim sáčky. Pak je společně na vhodném místě před školou vypustíme. 3) Žáci sledují odlet balónků a buzolou změří azimut. Po návratu do školy zakreslí do obou map polopřímku představující předpokládanou trajektorii letu balónku. 4) Najdou na internetu rychlost proudění vzduchu a sestaví tabulku, kdy a kam by měly balónky doletět (např. při vypuštění balónku z Plzně by měl být po 1 hodině v Ejpovicích, po 2 hodinách v Rokycanech, po 7 hodinách v Příbrami, atd.). 5) Na závěr porovnáme výsledky a jednu z tabulek vyvěsíme na nástěnku. 6) V případě návratu některého z korespondenčních lístků zveřejníme následující hodinu výsledek odhadu. Poznámky 1) Při výběru místa vypuštění balónků bereme v úvahu směr větru a viditelnost a překážky v tomto směru. 2) Pokud je u rychlosti větru na internetu uvedeno rozmezí (např. 3 až 7 m/s), počítáme s průměrnou hodnotou. Upozorníme žáky na různou rychlost proudění vzduchu v různých výškách. Z těchto důvodů nemá smysl použít anemometr mezi zástavbou. Doplňující otázky 5 Vzduch
28. základní škola Plzeň SLEDOVÁNÍ TEPLOTY VZDUCHU A JEJÍ ZÁVISLOSTI NA MÍSTĚ A ČASE Ročník: 7. Předměty: matematika, fyzika, zeměpis Tématické okruhy: měření teploty vzduchu, grafy, odčítání celých čísel Doba trvání: 2 hodiny + domácí příprava (2 týdny) Velikost skupiny: 2 žáci Prostředí: škola a její okolí, cca 10 stanovišť Klíčová slova: teplota vzduchu, záporná čísla Cíl Žáci by se měli naučit správně měřit teplotu, zaznamenávat ji do tabulek a grafů, uvědomit si, čím je naměřená teplota ovlivňována, jaké vznikají chyby měření, pokusit se analyzovat naměřené výsledky a interpretovat je. Měli by si uvědomit pravděpodobnostní charakter předpovědi počasí a závislost úspěšnosti předpovědi na době mezi vytvořením předpovědi a předpovídaným okamžikem. Metoda Žáci měří teplotu vzduchu na různých stanovištích a porovnávají výsledky v závislosti na čase a místě měření. Teplotu zapisují do tabulek, na jejich základě vytvářejí grafy. Své výsledky porovnávají s předem zjištěnou předpovědí počasí a analyzují úspěšnost předpovědi. Problematika Vzduch 6
Při měření teploty vzduchu v praxi často dochází k systematickým chybám (např. měření teploty na přímém slunci, v blízkosti budov, těsně nad zemí, za oknem, ) Mnoho lidí si také neuvědomuje pravděpodobnostní charakter předpovědi počasí, nedokáží správně analyzovat získané údaje. Materiál a pomůcky 10 teploměrů, internet nebo televizní zpravodajství, rýsovací potřeby nebo vhodný program na sestavování grafů (např. MS Excel). Postup 9) Jako přípravu před hodinou dostanou žáci za úkol v průběhu 14 dnů sledovat předpověď počasí, konkrétně předpovězenou teplotu pro místo bydliště. Zapisují aktuální teplotu naměřenou meteorology a předpověď na následující den a v prvním týdnu také předpověď na stejný den následujícího týdne (např. ve středu zapisují předpověď na následující středu). 10) Denně doma zaznamenávají teplotu, a to při odchodu do školy, kolem 14. hodiny odpoledne a večer při západu Slunce. Všechny teploty zapisují do přiložené tabulky. 11) Ve škole červeně zakroužkují nejvyšší a modře nejnižší naměřenou teplotu pro každý den a spočítají odchylku od obou předpovědí počasí. Výsledek zapisují do tabulky se správným znaménkem. Každý ze žáků vyplňuje svou tabulku, ve dvojicích probíhá kontrola. 12) Ve dvojicích žáci vyhodnotí úspěšnost obou předpovědí a porovnají je. 13) Dvojice žáků společně vytvoří dva grafy (pro minimální a maximální teplotu) v jednotlivých dnech. Grafy budou obsahovat obě předpovědi a naměřenou teplotu. Na konci hodiny pak na demonstrujeme přehlednost grafu ve srovnání s tabulkou i možnost odečtení dalších údajů (např. rychlosti nárůstu či poklesu teploty). 14) Třikrát v průběhu dvouhodinovky žáci změří na určených stanovištích aktuální teplotu. Stanoviště určíme tak, abychom pokryli možnosti systematických chyb při měření teploty (měření na přímém slunci, v blízkosti budovy, v těsné blízkosti stromů či keřů, těsně nad zemí, v létě nad rozpáleným asfaltem, apod.). Na konci hodiny společně se žáky vytvoříme tabulky naměřených hodnot na jednotlivých stanovištích a necháme je odvodit zásady pro správné měření teploty. Poznámky 1) Čas na domácí přípravu lze modifikovat v rozpětí 1 až 3 týdny. Střednědobou předpověď pak zadáváme na 3 dny (pro 1 týden), resp. na 10 dní (pro 3 týdny). 2) Při rýsování grafu dbáme na správný popis os a další náležitosti grafu. 3) Při výběru stanovišť nezapomeňte na posun hranice slunce a stínu v průběhu dvouhodinovky. 4) Upozorněte žáky, aby sledovali regionální předpověď počasí. 7 Vzduch
28. základní škola Plzeň č. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. den týdne předpověď naměřená teplota odchylka střednědobá krátkodobá ráno po poledni večer střednědobá krátkodobá t min. t max. t min. t max. t t t t min. t max. t min. t max. Vzduch 8
9 Vzduch