Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ - Fyzika

Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ - Fyzika Autor: Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. Vydání: 1. vydání, 2010 Počet stran: 59 Určeno pro projekt: Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/02.0047 Vydavatel: Ostravská univerzita v Ostravě Tisk: REPRONIS s.r.o. Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. Ostravská univerzita v Ostravě

Obsah Úvod... 6 1 Měřicí systém EdLaB... 7 1.1 Průběh měření v reálném čase... 7 1.2 Více měření současně... 7 1.3 Výhody použití měřicího systému ve výuce... 8 1.4 Charakteristika měřicího systému... 8 1.5 Popis softwaru eprolab verze 04/2010... 9 1.6 HiScope... 9 1.7 Editor senzorů... 10 1.8 Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eprolab... 11 1.9 Kalibrace nového čidla... 11 1.10 Postup spuštění experimentu... 12 1.10.1 Pro jedno čidlo... 12 1.10.2 Pro více čidel... 13 1.11 Seznam dodaných čidel... 14 1.12 Citovaná a doporučená literatura... 14 2 Technický popis čidel... 15 2.1 Barometr (BAR-BTA)... 16 2.1.1 Technický popis čidla... 16 2.1.2 Princip fungování čidla... 17 2.1.3 Možná použití čidla... 17 2.1.4 Návrhy experimentů... 17 2.1.5 Studium počasí... 18 2.1.6 Výškoměr... 18 2.1.7 Tlak v kapalinách... 20 2.1.8 Citovaná a doporučená literatura... 20 2.2 Siloměr se dvěma rozsahy DFS-BTA... 21 2.2.1 Technický popis čidla... 21 2.2.2 Princip fungování čidla... 22 2.2.3 Možná použití čidla... 22

2.2.4 Návrhy experimentů... 22 2.2.5 Citovaná a doporučená literatura... 26 2.3 Teploměr... 27 2.3.1 Technický popis čidla... 27 2.3.2 Princip fungování čidla... 28 2.3.3 Možná použití čidla... 28 2.3.4 Návrhy experimentů... 28 2.3.5 Citovaná a doporučená literatura... 30 2.4 Infrateploměr... 31 2.4.1 Technický popis čidla... 31 2.4.2 Princip fungování čidla... 31 2.4.3 Možná použití čidla... 32 2.4.4 Návrhy experimentů... 32 2.4.5 Citovaná a doporučená literatura... 34 2.5 Termočlánkový teploměr... 35 2.5.1 Technický popis čidla... 35 2.5.2 Princip fungování čidla... 35 2.5.3 Možná použití čidla... 36 2.5.4 Návrhy experimentů... 36 2.5.5 Citovaná a doporučená literatura... 37 2.6 Čidlo polohy a pohybu... 38 2.6.1 Technický popis čidla... 38 2.6.2 Princip fungování čidla... 38 2.6.3 Možná použití čidla... 38 2.6.4 Návrhy experimentů... 39 2.6.5 Citovaná a doporučená literatura... 40 2.7 Hygrometr RH-BTA čidlo relativní vlhkosti vzduchu... 41 2.7.1 Technický popis čidla... 41 2.7.2 Princip fungování čidla... 42 2.7.3 Možná použití čidla... 43 2.7.4 Návrhy experimentů... 43 2.7.5 Citovaná a doporučená literatura... 44 2.8 Luxmetr - čidlo intenzity světla LS-BTA... 45 2.8.1 Technický popis čidla... 45

2.8.2 Princip fungování čidla... 45 2.8.3 Možná použití čidla... 46 2.8.4 Návrhy experimentů... 46 2.8.5 Citovaná a doporučená literatura... 48 2.9 Voltmetr DVP-BTA... 49 2.9.1 Technický popis čidla... 49 2.9.2 Princip fungování čidla... 49 2.9.3 Možná použití čidla... 50 2.9.4 Návrhy experimentů... 50 2.9.5 Citovaná a doporučená literatura... 53 2.10 Ampérmetr... 54 2.10.1 Technický popis čidla... 54 2.10.2 Princip fungování čidla... 54 2.10.3 Možná použití čidla... 55 2.10.4 Návrhy experimentů... 55 2.10.5 Citovaná a doporučená literatura... 58 Závěr... 59

Úvod Od počátku historie se lidé snažili porozumět světu okolo sebe. Zákony klasické fyziky popisují svět, jenž bezprostředně vnímáme, který si uvědomujeme. Na základě nashromážděných poznatků byly učiněny veliké a leckdy překvapivé objevy fyziky. Pokud chceme, aby žáci tyto zákonitosti pochopili, je důležité jim názorně ověřit dané hypotézy a tvrzení. K tomu nám poslouží ICT pomůcky. Tato studijní opora se skládá ze tří částí, které by Vás měli zasvětit do tajů využití ICT pomůcek ve vzdělávacím procesu. První kapitola je věnována měřicímu systému EdLaB, včetně jeho technických parametrů. Druhá kapitola popisuje software, jeho princip fungování a ovládání. Ve třetí kapitole se seznámíte s technickým popisem čidel, kalibrací čidel využitelných ve fyzice a návrhy možných experimentů k daným čidlům. Obsah studijní opory se snaží o jediný cíl přiblížit přírodní děje a pochody prostřednictvím měřicích sad a umožnit uplatnění kreativity učitelů i žáků při poznávání přírodních zákonitostí technickými prostředky současného světa. Autoři Po prostudování textu budete znát: technický popis jednotlivých čidel, základní využití těchto čidle ve výuce fyziky. Budete schopni implementovat měřicí sady do výuky fyziky, navrhnout další využití měřicích sad ve výuce fyziky. Získáte: základní orientaci v měřicích sadách a možnostech jejich využití ve výuce fyziky

Měřicí systém EdLaB 7 1 Měřicí systém EdLaB Educational Laboratory Board je univerzální měřicí vzdělávací zařízení. Lze propojit s počítačem a sledovat průběh experimentů v přírodních vědách. Ve školách najde uplatnění při podpoře aktivní experimentální činnosti žáků v hodinách fyziky, biologie, chemie nebo environmentální výchovy, s využitím specializovaných sad měřicích sond, senzorů a příslušenství. Žáci mohou řešit úlohy ve formě laboratorních prací nebo problémových úloh formulovaných v souladu se školními vzdělávacími programy. Měřicí systém EdLaB se připojuje k počítači přes USB rozhraní. Na počítači se naměřená data zobrazují na přehledných grafech, na kterých je zobrazen průběh měření. 1.1 Průběh měření v reálném čase Oproti klasickým měřidlům (teploměr, voltmetr, vlhkoměr, atd.) dokáže rozhraní EdLaB zaznamenávat jak velmi rychlé děje trvající jen několik milisekund, tak naopak pomalé děje trvající i několik dní. Naměřené hodnoty se zaznamenávají do paměti, a ty mohou být uloženy a zpracovány ve formě tabulek, grafů a dalších přehledů. Výsledek průběhu měření je díky EdLaB přesnější a s vyšší citlivostí než u běžných měřidel. Žáci pak nemusejí hodnoty neustále odečítat a průběh měření vidí přehledně na počítači. 1.2 Více měření současně Zdlouhavé měření jedné veličiny ručně je časově velice náročné, obtížné a pro žáky nezábavné. Co potom může být měření více veličin současně (například tlaku a teploty nebo proudu a napětí). Systém EdLaB umí pohodlně měřit až 6 veličin současně. Po připojení čidel a senzorů zobrazuje naměřená data na přehledných grafech, kde je vidět vzájemný vztah mezi všemi měřenými veličinami.

8 Měřicí systém EdLaB 1.3 Výhody použití měřicího systému ve výuce Podporuje efektivnější využití času výuky. Podporuje aktivitu žáků ve vyučovací hodině. Lze srovnat měřené předpoklady s reálnými výsledky. Díky okamžitému zobrazení naměřených hodnot jsou veličiny pochopitelnější. Měřicí metody simulují postupy v reálném výzkumu či laboratoři. Je možné uchovat data a hodnoty pro pozdější využití. Díky EdLaB můžete měřit a současně vyhodnocovat data v terénu. 1.4 Charakteristika měřicího systému Název Rozhraní pro připojení Rozlišení převodníku Vzorkovací frekvence Analogové vstupy pro připojení senzorů Digitální vstupy pro připojení senzorů Analogový výstup Sběrnice s digitálními vstupy a výstupy Popis otevřeného komunikačního protokolu Příklady pro komunikaci Educational laboratory board USB, maximální napájecí proud je 0,5 A 10 bitů 50 khz 6 vstupů s ochranou proti přepětí 1 vstup + 1 servisní 1 analogový + 1 PWM 1 x 12 bitů + 1 x 4 bity ano Delphi, Visual Basic, C/C++

Měřicí systém EdLaB 9 1.5 Popis softwaru eprolab verze 04/2010 K měřicímu systému EdLaB lze připojovat čidla firmy Vernier. Pro obsluhu používáme program eprolab, který podporuje experimenty běžící v reálném čase. Obrázek 0-1 Úvodní obrazovka prostředí eprolab se vstupem do jednotlivých modulů Pokud je k USB portu počítače připojen měřicí systém EdLaB, je v řádku Vstup/výstup uveden eprodas-sc1. Pokud je tam uvedeno nedetekováno, či něco jiného pak měření nebude fungovat. S programem eprolab však lze pracovat. Jak je vidět z obrázku, program eprolab obsahuje několik modulů, z nichž jsou pro použití ve třídě podstatné především HiScope a Editor senzorů. 1.6 HiScope HiScope je obsáhlý modul v balíku modulů eprolab. Je navržen pro použití analogových čidel jako ultrazvukový dálkoměr, senzor EKG, spirometr, apod. HiScope nabízí několik možností, jak zobrazovat číselná data (graf závislý na čase, graf s Fourierovou transformací, graf závislý na jedné proměnné, ).

10 Měřicí systém EdLaB Obrázek 0-2 Nástrojová lišta modulu HiScope 1: Vybrat připojená čidla 2: Vymezit proměnné 3: Graf y(t) 1.7 Editor senzorů Modul Editor senzorů usnadňuje práci s analogovými senzory. Umožňuje jejich přidávání a odebírání z programu eprolab a kalibraci čidel. Data uložená tímto modulem pro jednotlivá čidla následně využívají moduly jako HiScope. 1 2 Obrázek 0-3 Modul Editor senzorů 1: Směrnice k 1 2: Počátek k 0

Měřicí systém EdLaB 11 1.8 Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eprolab - Nejprve připojíme čidlo k portu vin0 systému EdLaB. - Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme Editor senzorů. - Klikneme na Vložit nový. - V levé liště s výběrem čidel se zobrazí nové čidlo (Nový senzor). - Klikneme na Nový senzor a zadáme jeho parametry (viz obrázek 2.3). 1.9 Kalibrace nového čidla Kalibraci nového čidla můžeme provést dvěma způsoby: a) Zadání známých kalibračních hodnot. Například pro siloměr známe kalibrační hodnoty Směrnice k 1 : 175,416; Počátek k 0 : 19,295. Po přidání siloměru do Editor senzorů vepíšeme tyto kalibrační hodnoty do příslušných kolonek (viz obrázek 2.3). Poté zavřeme Editor senzorů. Při zavírání se na monitoru objeví výzva k uložení změněných dat. Po potvrzení této výzvy máme čidlo přidáno a nakalibrováno, takže již bude přístupné v ostatních modulech. b) Kalibrace čidla podle dvou známých hladin měřené veličiny. Například pro infrateploměr připravíme v jedné kádince ledovou tříšť s vodou a ve druhé vodu, kterou přivedeme do varu. Připojíme infrateploměr a zapneme Editor senzorů (viz výše). Spustíme kalibraci Kalibrovat a poté namíříme čidlo do kádinky se směsí ledové tříště a vody. Pro ujištění, že snímáme teplo z vody v kádince, zapneme laserový značkovač (viz Infrateploměr). Do kolonky se snímanou teplotou (pole bude označeno podle popisu jednotky, jaký jste zvolili při připojení čidla v poli Variable, obrázek 2.3) vepíšeme 0 a stiskneme enter. Vpravo se nám hodnota vyznačí v grafu. Poté postup zopakujeme pro kádinku s vařící vodou a vepíšeme 100. Po potvrzení Entrem se vpravo vyznačí druhý bod a spojnice obou bodů vyjadřující lineární závislost napětí na teplotě. Poté ukončíme Editor senzorů a při ukončování potvrdíme výzvu k uložení nových dat.

12 Měřicí systém EdLaB 1 Obrázek 0-4 Kalibrace b) 1: Pole pro vepsání známé hodnoty měřené veličiny. Poznámka: Uvedený postup s termočlánkovým teploměrem slouží jako příklad, pro zvýšení přesnosti kalibrace je vhodné použít více bodů z celého rozsahu teploměru. Takový postup kalibrace můžeme provést s kterýmkoliv čidlem s lineární závislostí proměnných stačí vzít dva body. Pro čidla s nelineární charakteristikou je vhodné proměřit více bodů v celém rozsahu čidla. 1.10 Postup spuštění experimentu 1.10.1 Pro jedno čidlo - Nejprve připojíme čidlo k portu systému EdLaB. - Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme modul HiScope. - Spustíme Vybrat připojená čidla. - Ve sloupci Dostupná čidla označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole Přidat, vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Vymezit proměnné.

Měřicí systém EdLaB 13 - Klikneme na pole Vybrat jednu a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Graf y(t). - Pod označením Vodorovná osa klikneme na pole Přidat a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky Zobrazit hodnoty, Spojit čára a Symboly. - Spustíme Vzorkovací čas a spouštění. - V oddíle Vzorkovací čas ve sloupci Vzorkovací perioda a ve sloupci Počet vzorků nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. - V oddíle Spouštění zaškrtneme Jednotlivý a vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku Start měření. 1.10.2 Pro více čidel - Nejprve připojíme čidla k portům systému EdLaB. - Pokud mají čidla spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme modul HiScope. - Spustíme Vybrat připojená čidla. - Ve sloupci Dostupná čidla označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole Přidat, takto postupně přidáme všechna čidla. - Po přidání čidla nesmíme zapomenout zvolit vedle pole Vin, které označuje kanál, správné číslo kanálu. A to podle toho, ke kterému portu systému EdLaB jsme čidla připojili (např. Vin0, Vin1, Vin2, ). - Vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Vymezit proměnné. - Klikneme na pole Vybrat vše a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Graf y(t). - Pod označením y(t):1 Vodorovná osa klikneme na pole Přidat, přepneme na y(t):2 a opakujeme postup pro další čidlo. Tímto způsobem přidáme všechna čidla a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky Zobrazit hodnoty, Spojit čára a Symboly. - Spustíme Vzorkovací čas a spouštění. - V oddíle Vzorkovací čas ve sloupci Vzorkovací perioda a ve sloupci Počet vzorků nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. - V oddíle Spouštění zaškrtneme Jednotlivý a vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku Start měření.

14 Měřicí systém EdLaB 1.11 Seznam dodaných čidel Pro využití na základních školách jsou k dispozici následující čidla a jejich parametry: Čidlo oxidu uhličitého měření koncentrace plynného oxidu uhličitého Kyslíkové čidlo měření koncentrace plynného kyslíku 2 rozsahy: 0 až 10000 ppm a 0 až 100 000 ppm Minimální rozsah 0 až 27 % Čidlo kyselosti ph metr Rozsah 0 až 14 Konduktometr měření elektrické vodivosti kapalin Barometr měření atmosférického tlaku Hygrometr čidlo relativní vlhkosti vzduchu Luxmetr čidlo intenzity světla Spirometr měření průtoku vzduchu, určení vitílní kapacity plic Siloměr se 2 rozsahy Infrateploměr infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo Termočlánkový teploměr Minimální rozsahy měření: 0-200 µs/cm, 0-1000 µs/cm a 0-10000 µs/cm Minimální rozsah 80 kpa až 120 kpa Minimální rozsah 0 až 95 % Minimální rozsahy 0 až 600 luxů, 0 až 6000 luxů nebo 0 až 150 tisíc luxů Rozsah ±10 litrů/s Rozsahy ±10 N a ±50 N Minimální rozsah -20 C až 400 C Minimální rozsah: -200 C až 1400 C Teploměry 12 ks Minimální rozsah -20 C až 120 C Čidlo polohy a pohybu Ampérmetr Voltmetr Minimální rozsah 15 cm až 6 m Rozsah ±600 ma Rozsah ±10 V Pro využití ve výuce, resp. pro sběr dat slouží program eprolab. U některých čidel je nutné provést kalibraci, jelikož používáním se mění přesnost čidla. 1.12 Citovaná a doporučená literatura http://www.edlab.cz

Technický popis čidel 15 2 Technický popis čidel V této kapitole se dozvíte: jaké jsou technické parametry čidel, jak se orientovat v programu eprolab, jak provést kalibraci vybraných čidel. Po jejím prostudování byste měli být schopni: popsat čidla, vysvětlit, která čidla je nutno kalibrovat, provést kalibraci čidel, navrhnout experimenty k daným čidlům. Klíčová slova kapitoly: měřicí sada, eprolab, kalibrace. V následující kapitole se seznámíte s technickými parametry čidel, která se dají využít v hodinách fyziky. Obdržíte návody experimentů k daným čidlům. Dále se naučíte čidla používat, kalibrovat a vhodně nastavovat pro dané experimenty. Nedílnou součástí je také samotná obsluha programu eprolab, který slouží ke sběru dat. Kapitola je spíše zaměřena na materiální vybavení, dále na praktické využití ICT pomůcek ve výuce fyziky. Na zvládnutí této kapitoly budete potřebovat asi 5 hodin. Jelikož se jedná o experimentální počítačem podporované úlohy, doporučujeme Vám rozložit si ICT pomůcky a vše si řádně prohlédnout popř. vyzkoušet. Přejeme Vám hodně úspěchu při studiu této kapitoly. Autoři

16 Barometr 2.1 Barometr (BAR-BTA) Barometr je navržen pro studium malých změn tlaku. Využít ho lze jak při sledování počasí, tak při studiu změn tlaku s výškou výškoměr. Vzhledem k vysoké citlivosti čidla lze barometr využít i pro měření hydrostatického tlaku ověření lineární závislosti hydrostatického tlaku na hloubce, určení hustoty kapaliny. 2.1.1 Technický popis čidla Citlivý prvek Rozsah čidla Maximální tlak, který senzor snese bez poškození 12-bitové rozlišení 10-bitové rozlišení (CBL 2) Kombinovaná linearita a hystereze (z celého rozsahu) Šum SenSym SDX15A4 82,1 kpa 120,9 kpa 0,8 atm až 1,2 atm 200 kpa, 2 atm 10 pa 34 pa typicky ±0,1 % nejvýše ±0,5 % typicky ±50 Pa Doba odezvy 100 µs Kalibrační data tlak v kpa Kalibrační data tlak v milibarech Kalibrační data tlak v atm Kalibrační data tlak v mm Hg Kalibrační data tlak v inhg (hydrostatický tlak 1 palce rtuti) směrnice: k1 = 78,001 kpa/v počátek: k0 = 819,52 kpa směrnice: k1 = 78,001 mbar/v počátek: k0 = 819,52 mbar směrnice: k1 = 0,077 atm/v počátek: k0 = 0,809 atm směrnice: k1 = 58,52 mm Hg/V počátek: k0 = 614,84 mm Hg směrnice: k1 = 2,292 in Hg/V počátek: k0 = 24,215 in Hg

Barometr 17 2.1.2 Princip fungování čidla Základním prvkem senzoru je čidlo tlaku SenSym SCX15ANC, vybavené membránou, která se v závislosti na změnách tlaku prohýbá. Tento senzor je konstruován pro měření absolutního tlaku, na jedné straně membrány je vakuum. Senzor vytváří výstupní napětí, které se mění přímo úměrně absolutnímu tlaku, a je vybaven také obvody, které minimalizují chyby způsobené změnami teploty. Tlak můžete měřit v mnoha různých jednotkách, výchozí nastavení je připraveno pro měření v kilopascalech (kpa). Pro srovnání lze uvést ekvivalentní hodnoty pro tzv. normální tlak: 1 atmosféra = 760 mm Hg = 101,325 kpa = 1,013 bar Barometr je poměrně odolný, ale je navržen pouze pro práci s nekorozivními plyny (vzduch, helium, dusík,...). Nevystavujte velkým tlakům mějte na paměti, že senzor je navržen pro měření tlaků v okolí normálního atmosférického tlaku. Vyvarujte se kontaktu senzoru s vodou! Je nutná kalibrace? Senzor je prodáván zkalibrovaný a není potřeba provádět novou kalibraci. Použití barometru jako meteorologické stanice: Pokud chcete, aby váš barometr měřil tlak přepočtený na hladinu moře namísto tlaku místního, můžete ho nastavit dvěma způsoby: 1. Můžete změnit nastavení samotného senzoru: Senzor obsahuje kalibrační potenciometr, kterým lze zobrazované hodnoty tlaku zvyšovat či snižovat. Na jedné straně barometru najdete otvor s malým šroubem, kterým lze pomocí hodinářského šroubováku otáčet nastavování potenciometru lze tedy provádět pozvolna, plynule. Jednoduše sledujte údaje na barometru a nastavte šroub tak, aby vaše údaje odpovídaly hodnotám z lokálních meteorologických stanic. 2. Můžete provést kalibraci pomocí kalibračního programu. 2.1.3 Možná použití čidla studium závislosti mezi teplotou a tlakem (Gay - Lussacův zákon), studium závislosti mezi objemem a tlakem (Boyle - Mariottův zákon), určování hydrostatického tlaku v kapalině, změny atmosférického tlaku s výškou, změny atmosférického tlaku v závislosti na počasí, měření tlaku (nejen) vodních par při různých chemických reakcích. 2.1.4 Návrhy experimentů Místní tlak vs. tlak přepočtený na hladinu moře: Jsou-li údaje naměřené vaším barometrem odlišné od hodnot uváděných lokálními meteorologickými stanicemi (letiště, televizní předpověď), je to pravděpodobně proto, že jde o dva různé údaje:

18 Barometr 1. Místní tlak skutečný tlak v místě, kde proběhlo měření. Tento tlak naměříte např. rtuťovým barometrem ve vaší učebně a právě na určení tohoto tlaku je kalibrován barometr Vernier BAR-BTA. 2. Tlak přepočtený na hladinu moře je vypočten z místního tlaku. Zatímco místní tlak je ovlivněn nadmořskou výškou, tlak přepočtený na hladinu moře (tedy 0 m n. m.) již umožňuje přímé srovnání dat, získaných z různě položených měřicích stanic, a proto se obvykle používá např. při předpovědích počasí. Ke stanovení místního tlaku ze známého tlaku přepočteného na hladinu moře, slouží tzv. barometrická formule, kterou najdete například na webových stránkách: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/barfor.html 2.1.5 Studium počasí Tento barometr byl navržen jako přesná a spolehlivá součást meteorologické stanice. Díky kompenzaci teplotních změn nejsou měřená data ovlivňována teplotními výkyvy v místnosti apod. Regulátor napětí zase zajišťuje, že data nebudou ovlivněna změnami napájecího napětí počítače. Velmi zajímavé je pozorovat průběh tlaku např. před blížící se bouřkou; pokud disponujete nevyužitým počítačem, můžete sledovat změny tlaku v průběhu několika dní. A pokud k témuž počítači připojíte např. ještě senzory teploty, relativní vlhkosti a osvětlení, může se z Vašeho PC stát sofistikovaná meteostanice. 2.1.6 Výškoměr Každý metr výšky znamená změnu tlaku vzduchu asi o 34 Pa. Citlivost barometru je dostatečná k demonstraci této změny tlaku i v místnosti stačí nechat barometr na zemi a poté ho zdvihnout nad hlavu. Máte-li rozhraní EdLaB připojené k notebooku, můžete s tímto senzorem provést zajímavá měření, například při průjezdu hornatou oblastí jednoduše položíte barometr do vašeho auta a necháte ho sbírat data. Údaje o změnách tlaku vám dají představu o změnách nadmořské výšky. Pozor ovšem na to, že do změny tlaku se promítají také změny způsobené počasím! Varování: Barometr může sledovat pouze tlak větší než 81,1 kpa v nadmořské výšce vyšší než přibližně 1800 m už se tlak začíná pohybovat mimo rozsah barometru v takovém případě je nutno použít tlakové čidlo GPS-BTA. Stejný pokus můžete provést ve výtahu vysoké budovy, na školním výletě při výstupu na rozhlednu, při jízdě lanovkou nebo velice jednoduše na schodišti několikapatrové školní budovy. Obrázek 3.1 zachycuje průběh tlaku při opakované jízdě výtahem z přízemí do 20. patra a zpět (třikrát nahoru, dvakrát dolů). Závislost byla naměřena v objektu kolejí 17. listopadu výškový rozdíl cca 65 m. Seznam nejvyšších budov v Česku můžete najít na Wikipedii po zadání hesla Seznam nejvyšších budov v Česku.

Barometr 19 Obrázek 2-1 Změny tlaku při jízdě výtahem, doba měření 300 s, vzorkovací frekvence 5 Hz Barometr lze použít také při cestě na školním výletě, exkurzi, pří jízdě v autobuse apod. stačí jen zapnout a sbírat data. Pěkný námět na úlohu naleznete na: http://fyzweb.cz/materialy/vylet-s-barometrem/ Hrabyň - Opava Graf 2-1 Jízda z Ostravy do Opavy

20 Barometr 2.1.7 Tlak v kapalinách Tlak v kapalině lze zjišťovat následujícím postupem: Jeden konec ohebné hadičky (je součástí doplňkové sady k tlakovému senzoru PS-ACC) připojíte ke vstupnímu portu barometru a druhý ponoříte pod vodu. Nejprve připojujete hadičku k senzoru a dbejte na to, aby senzor byl vždy výše než vodní hladina - dovnitř se nesmí dostat voda! Získané hodnoty tlaku jsou pak funkcí hloubky, do níž je ústí hadičky ponořeno. S každým centimetrem hloubky ve vodě by měl tlak vzrůst přibližně o 100 Pa. Obrázek 2-2 Aparatura pro měření tlaku v kapalině 2.1.8 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/bar-bta http://www.vernier.cz/katalog/manualy/bar-bta-cz.pdf http://www.vernier.cz/katalog/manualy/bar-bta.pdf

Siloměr se dvěma rozsahy 21 2.2 Siloměr se dvěma rozsahy DFS-BTA Univerzální dvourozsahový siloměr pro měření síly v tlaku i v tahu. Dá se použít jako náhrada pružinových siloměrů držených v rukou nebo upevnit na stojan. Senzor měří malé síly od 0,01 N i velké síly až 50 N. 2.2.1 Technický popis čidla Rozsah čidla Maximální síla, kterou senzor snese bez poškození 12-bitové rozlišení 10-bitové rozlišení (CBL 2) Kalibrační data 10 N Rozsah -10 N až 10 N: citlivost 0,01 N Rozsah -50 N až 50 N: citlivost 0,05 N 80 N 0,01 N 0,05 N směrnice: k 1 = -4,9 N/V počátek: k 0 = 12,25 N směrnice: k 1 = -24,9 N/V počátek: k 0 = 61,25 N

22 Siloměr se dvěma rozsahy 2.2.2 Princip fungování čidla Základem senzoru je odporový tenzometr. Měřená síla ohýbá trámek umístěný uvnitř senzoru. Tato deformace způsobuje malou změnu elektrického odporu trámku, tedy i změnu napětí ve vnitřním obvodu senzoru. Připojené rozhraní změnu tohoto napětí vyhodnocuje a přepočítává na sílu v newtonech. Je nutná kalibrace? Při použití ve škole obvykle není nutné senzor síly kalibrovat. Jestliže chceme senzor kalibrovat, postupujeme běžným dvoubodovým způsobem. První bod je obvykle bod bez síly. Spustíme kalibraci v měřícím softwaru, ponecháme senzor bez jakékoliv síly a jako první kalibrační bod zadáme 0. Nyní aplikujeme na senzor známou sílu, například zavěsíme na jeho háček kalibrované závaží (1 kg vytvoří sílu 9,8 N). Pro rozsah ±10 N doporučujeme závaží 300 g (2,94 N). Pro rozsah ±50 N doporučujeme závaží 1 kg (9,8 N). Dbejte na to, abyste při kalibraci nepřekročili daný měřicí rozsah. Jestliže budete senzor používat v jiné poloze než v jaké byl kalibrovaný, v pracovní poloze ho před měřením vynulujte. Tímto dosáhnete toho, že senzor bez aplikace síly bude ukazovat nulovou hodnotu. 2.2.3 Možná použití čidla dynamické experimenty - skládání sil, srážkové experimenty, studium jednoduchých harmonických pohybů, využití spolu s dráhou pro mechaniku (objednávkový kód TRACK), studium tření, ověření Hookova zákona, monitorování sil tření. 2.2.4 Návrhy experimentů A) Měření třecí síly Pomůcky: PC, řídicí jednotka, siloměr, dřevěný kvádr 2 ks, hladká a drsná podložka, např. sklo, třídní kniha, stůl, drsný papír, apod. Realizace: Ke kvádru s háčkem připevníme siloměr a táhneme ho po vodorovné podložce rovnoměrně přímočaře. Z grafu určíme velikost síly. Totéž měření opakujeme se dvěma kvádry položenými na sobě a změříme sílu. V tomto případě naměříme dvojnásobnou třecí sílu. Kvádr můžeme nahradit jakýmkoliv jiným tělesem.

Siloměr se dvěma rozsahy 23 Obrázek 2-3 Závislost třecí síly na tlakové síle Závěr: dva kvádry o stejné hmotnosti položené na sobě působí dvojnásobnou tlakovou silou kolmo na podložku třecí síla je přímo úměrná tlakové síle, kterou působí těleso na podložku. Rozšiřující měření: Nyní kvádr táhneme po vodorovné skleněné podložce a změříme třecí sílu. Poté tentýž kvádr taháme po drsné podložce a změříme třecí sílu. Obrázek 2-4 Závislost třecí síly na materiálu a drsnosti stykových ploch Obrázek 2-5 Foto - Realizace pokusu

24 Siloměr se dvěma rozsahy sklo papír stůl Graf 2-2 Síla na hladké a drsné podložce Závěr: třecí síla závisí na materiálu a drsnosti stykových ploch. Rozšiřující měření: Nyní pod kvádr položíme několik válečků (např. tužky). Tahovou silou uvedeme kvádr do pohybu. Obrázek 2-6 Zmenšování třecí síly B) Měření smykového tření Návod experimentu naleznete na: http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=149 C) Zvedání tělesa pomocí kladek Pomůcky: PC, řídicí jednotka,stojan pro upevnění kladek, siloměr, závaží, kladka volná, pevná a kladkostroj. Zvedáme těleso zavěšené na siloměru bez použití kladky. Měření opakujeme s pevnou kladkou, volnou kladkou a kladkostrojem. Závěr: Pomocí kladek si práci neušetříme, pouze usnadníme. Síla zůstává stejná, pouze při použití kladkostroje je síla poloviční, ale působí po dvojnásobné dráze.

Siloměr se dvěma rozsahy 25 Obr. Pevná kladka Obr. Volná kladka Obr. Kladkostroj nahoru dolů Obrázek 2-7 Práce při zvedání tělesa pevnou kladkou D) Vztlaková síla Pomůcky: závaží, odměrný válec, voda, siloměr, řídicí jednotka, PC Závaží zavěsíme na siloměr a pomalu ponořujeme do vody. Z naměřených hodnot žáci vysloví hypotézu o sledovaném ději. Závěr: Na těleso ponořené do vody působí vztlaková síla svisle vzhůru. Podrobný postup naleznete ve studijní opoře k výuce. E) Archimédův zákon Pomůcky: válec plný a dutý, nádoba s vodou, kádinka s vodou, siloměr, řídící jednotka, PC

26 Siloměr se dvěma rozsahy Válce zavěsíme na siloměr a určíme sílu. Pak nádobu s vodou nadzvedneme tak, aby byl plný válec zcela ponořen do vody. Pozorujeme, jak se změnila síla. Požádám e asistenta o nalití vody do prázdného válce a opět pozorujeme změnu síly. Závěr: Archimédův zákon: Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou stejně velkou, jako je tíha kapaliny o objemu ponořené části tělesa. Videonávod naleznete na: http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/pokusy/archimedes/index.htm F) Co může viset na vlásku Video experimentu naleznete na: http://fyzweb.cz/materialy/co-muze-viset-na-vlasku/ G) Měření povrchového napětí Návod experimentu naleznete na: http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=144 2.2.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/dfs-bta http://fyzweb.cz/materialy/co-muze-viset-na-vlasku/ http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=149 http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=144

Teploměr 27 2.3 Teploměr 2.3.1 Technický popis čidla Toto teplotní čidlo s relativně malou dobou odezvy je určeno ke měření teploty vzduchu a kapalin. Rozmezí měření 40 C až 125 C Maximální rozsah teplot bez poškození senzoru 60 C až 150 C Teplotní čidlo Polovodičový prvek Přesnost ±1,5 C at 0 C, ±2 C at 100 C Doba odezvy (doba pro dosažení 90% změny měřené hodnoty): - 2 sekundy ve vířivé tekutině - 120 sekund v nepohybujícím se vzduchu - 30 sekund v pohybujícím se vzduchu Hodnoty pro kalibraci v programu eprolab Pro hodnoty zobrazené ve C k0 = -273,16 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve K k0 = 0 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve F k0 = -459,67

28 Teploměr k1 = 180 2.3.2 Princip fungování čidla Čidlo je vybaveno polovodičovým prvkem, který převádí teplotu na napětí v poměru 1 K = 10mV. Sběr dat Pro sběr dat z tohoto čidla teploty je určen interface EdLaB v1.1 a výš 2.3.3 Možná použití čidla měření změny teploty kapalin, měření změny teploty plynu, porovnávání teplot různých látek. 2.3.4 Návrhy experimentů A) Závod teploměrů Pomůcky: rychlovarná konvice, teploměr, PC, řídicí jednotka V rychlovarné konvici připravte vodu o teplotě blízké 100 C. Ta bude sloužit pro ohřívání teploměru před jeho ochlazováním. Ochlazování vždy po dobu 20 s provedete čtyřmi různými způsoby: - suchý teploměr v klidu (vytáhnout z konvice, otřít a jen se dívat) - mokrý teploměr v klidu (vytáhnout z konvice a jen se dívat) - suchý teploměr s máváním (vytáhnout z konvice, otřít a mávat s teploměrem) - mokrý teploměr s máváním (vytáhnout z konvice a mávat s teploměrem) Do jednoho grafu zaznamenáte všechny čtyři poklesy teplot. Vytvořte hypotézu o tom, jak budou jednotlivé teploměry seřazené (který se ochladí více, který méně). http://www.vernier.cz/video/soutez-teplomeru B) Závody kostek ledu Pomůcky: led, 2 sklenice s vodou, kuchyňská sůl, teploměr, PC, řídicí jednotka V tomto experimentu budete rozpouštět kostky ledu jednu v obyčejné vodě, druhou ve sladké. Vytvořte hypotézu o tom, jestli některá kostka roztaje dřív (a pokud ano, která to bude). Zkuste hypotézu odůvodnit. Následující postup povede k přípravě dvou sklenic s vodou o přibližně pokojové teplotě jedna sklenice s obyčejnou vodou, druhá s nasyceným nebo téměř nasyceným roztokem kuchyňské soli.

Teploměr 29 V PET láhvi je připravená voda o přibližně pokojové teplotě. Vypláchněte obě skleničky a jednu z nich naplňte asi do tří čtvrtin vodou z PET láhve. Přidejte dvě lžíce kuchyňské soli a půl minuty míchejte. Pak doplňte obě sklenice zhruba dva centimetry pod okraj vodou z PET láhve. Nyní byste měli mít stejná množství stejně teplé vody obyčejné a slané. Vezměte dvě co nejstejnější kostky ledu a současně je vložte do sklenic. Nemíchejte, pouze se dívejte, která se rozpustí dříve a která později. Jak by to mělo dopadnout?: téměř vždy se rozpustí dříve kostka ve slané vodě. To proto, že hustota vody závisí na teplotě. Ve sladké vodě odtávající studená voda klesá ke dnu a kostka ledu na hladině je stále obklopena teplou vodou. Naproti tomu hustota teplé slané vody je větší než hustota teplé i studené neslané vody (pokud jste dobře solili). Studená odtávající voda se proto drží u hladiny a brzy vytvoří kolem kostky ledu bazének studené vody. Není tedy divu, že kostka taje pomaleji. Na co si dát při experimentu pozor: 1. dobře solit (nebojte se vytvořit nasycený roztok) 2. mít vodu dostatečně teplou (pokojová teplota se osvědčila) 3. dát do obou sklenic prokazatelně stejně teplou vodu 4. mít kostky ledu stejné (tvar i velikost) 5. při experimentu nemíchat nechte kostky v klidu Další náměty: 1. místo kostek ledu můžete použít formičky na ledová zvířátka nebo jiné zábavné tvary 2. při rozboru se žáky se osvědčilo použít bodový teploměr k ukázání, že skutečně dole a nahoře je jiná teplota; lze to zjistit i prstem pak ale dochází k většímu promíchávání o ohřívání vody bodový teploměr je méně násilný a přesnější 3. pokud se při experimentu dobře ze strany podíváte (chce to průhlednou skleničku bez obrázků, vzorů a podobně), můžete vidět, jak skutečně v neslané vodě klesá odtátá voda ke dnu ke zvýraznění tohoto jevu se osvědčilo připravit si kostky ledu z vody smíchané s potravinářským barvivem C) Sledování teploty v průběhu dne, týdne, měsíce Pomůcky: PC, řídicí jednotka, teploměr Zapojte teploměr a sledujte vývoj teploty během dne. Výsledky měření můžete různě porovnávat, učit se správně hodnoty odečítat z grafu apod. S naměřenými daty můžete pracovat nejen v hodinách fyziky, ale i v hodinách matematiky, informatiky (převod do tabulkového kalkulátoru Excel pomocí ikony).

30 Teploměr D)Voda je špatný vodič tepla Pomůcky: zkumavka, držák zkumavky, voda, 2 ks teploměrů, kahan, PC, řídicí jednotka Do zkumavky nalijeme vodu a do ní vložíme dva teploměry tak, že jeden bude u hladiny a druhý u dna. Zkumavku začneme v horní části zahřívat. Z grafů pak určíme změnu teploty u hladiny a u dna zkumavky. Závěr: Voda je špatný vodič tepla. Má velkou měrnou tepelnou kapacitu (4,2 kj/kg C) k zahřátí 1 kg vody o 1 C musíme dodat 4,2 kj tepla. Proč se tedy voda používá v radiátorech? E) Tepelná výměna prouděním Pomůcky: sklenice, voda, led, 2 ks teploměrů, PC, řídicí jednotka Do sklenice nalijte vodu a přidejte do ní kousky ledu (pro větší efektivitu celého pokusu přidejte do ledu barvivo). Použijte dva teploměry tak, že jeden vložte až ke dnu a druhý ponechte u hladiny. Pozorujte změny teploty na obou teploměrech. Závěr: V kapalinách a plynech nastává tepelná výměna především prouděním. Při tomto způsobu přenosu tepla stoupají teplejší části kapaliny nebo plynu vzhůru a chladnější klesají dolů. Přenos tepla prouděním je tedy spojen se samovolným promícháváním kapaliny nebo plynu. F) Měření teploty v okolí zdroje světla Pomůcky: PC, řídicí jednotka, teploměr, zdroje světla (žárovka klasická a úsporná, svíčka, led žárovka, např. světlo na kolo, apod.) Použijte různé zdroje tepla a zkoumejte teplotu vyzařování popř. můžete měřit, jak se mění teplota se vzdáleností od zdroje tepla. Pokud zapojíte také luxmetr, můžete také měřit intenzitu osvětlení. Závěr: Různé zdroje tepla vyzařují do svého okolí více či méně tepla. Poznámka: pokud chceme jako zdroj světla použít svíčku, pak musíme použít termočlánkový teploměr 2.3.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/download/namety/go-temp.pdf http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/go-temp

Infrateploměr 31 2.4 Infrateploměr Tento teploměr umožňuje bezkontaktní měření teploty pasivním snímáním infračerveného záření vyzařovaného předměty. Předností teploměru je kromě bezkontaktního měření (na dálku) také rychlá odezva. Není třeba čekat na vyrovnání teplot měřeného objektu a teploměru. 2.4.1 Technický popis čidla Rozsah čidla Rozsah -20 C až 400 C Citlivost 1 C Přesnost Rychlost odezvy ±2 % nebo ±3 C podle toho, co je větší (při provozní teplotě 18 C až 28 C) 1 sekunda Provozní teplota 0 C až 50 C Provozní relativní vlhkost Do 70 % Poznámka: Senzor obsahuje vypínatelný laser. Senzor vysílá laserové záření, proto se nesmí mířit přímo do očí. Speciálně dávejte pozor na vysílací otvor, který je blízko senzorového prvku. Přímý kontakt očí s laserovým paprskem může způsobit vážný úraz. 2.4.2 Princip fungování čidla Každý objekt vyzařuje elektromagnetické záření, jehož spektrum a intenzita závisí na teplotě povrchu tohoto objektu a na vlastnosti zvané emisivita. Emisivita dokonale černého tělesa je 1, pro většinu běžných objektů můžeme počítat s emisivitou okolo 0,95 což je i přednastavená hodnota pro tento teploměr. U lesklých objektů, které mají výrazně nižší emisivitu, dochází proto ke špatnému čtení teploty. Můžeme si pomoci natřením malého kousku povrchu na černo, nebo nalepením černé pásky. K určování teploty slouží senzor citlivý na záření o vlnových délkách 600 nm až 1400 nm. Teplota je určována z tvaru spektra. Záření vstupuje do senzoru z určitého prostorového úhlu, který si můžete představit jako kužel s vrcholem v teploměru a průměrem 6,5 cm ve vzdálenosti 1 m od senzoru. Na to je potřeba dát pozor při měření teploty malých předmětů (je třeba být dostatečně blízko, aby nebylo detekováno i jiné záření než to, které nás zajímá).

32 Infrateploměr 2.4.3 Možná použití čidla měření a porovnávání povrchové teploty těla, např. teplotu paže s teplotou nohy, porovnání povrchové teploty jídla, povrchová teplota radiátoru, kolem oken, rychlovarná konvice, apod., pro rychlé změření teploty různých částí lidského těla (hlava, krk, dlaně, břicho, záda, nohy, atd.) nebo měření částí lidského těla po námaze, porovnávat povrchovou teplotu aut stojících na parkovišti, vliv barvy na teplotu, je povrch aut dostatečně horký na uvaření vajíčka, měření povrchové teploty stolu v místnosti, který se zdá být chladný a porovnat ji s teplotou stěn, podlahy nebo s teplotou knihy, apod. 2.4.4 Návrhy experimentů A) Polovodiče Pomůcky: fén, zdroj napětí, spínač, ampérmetr, voltmetr, ocelový drát, termistor, infrateploměr, PC, řídicí jednotka Sestavíme si elektrický obvod složený ze: zdroje napětí, spínače, ampérmetru, voltmetru, a stočeného ocelového drátu do pružinky. Postupně budeme ocelový drát zahřívat a měříme velikost proudu. Závěr: při zahřívání se odpor drátu zvětšuje. Tentýž pokus opakujeme s termistorem. K ohřívání použijeme např. fén. Z naměřených hodnot pak vypočítáme el. odpor podle vzorce R = U/I Závěr: při zahřívání se odpor termistoru zmenšuje říká polovodiče. takovým látkám se B) Zjišťování teploty na různých místech těla Pomůcky: infrateploměr, PC, řídicí jednotka Změř si teplotu na různých místech těla. Výsledky porovnej se svými spolužáky. C) Povrchová teplota rychlovarné konvice Pomůcky: rychlovarná konvice plastová a kovová, infrateploměr, zelený teploměr, řídicí jednotka, PC

Infrateploměr 33 Do konvice nalijeme určité množství vody, ponoříme do ní zelený teploměr a zapneme. Infrateploměrem měříme povrchovou teplotu konvice. Totéž uděláme s druhou konvicí. Oba grafy porovnáme a vyslovíme závěr. Závěr: Kovy jsou dobrými vodiči tepla, proto se kovová konvice zahřeje více než plastová. Teplota konvice Teplota vody Graf 2-3 Plastová konvice Teplota konvice Teplota vody Graf 2-4 Kovová konvice

34 Infrateploměr D) Povrchová teplota okna Pomůcky: Zapojíme infrateploměr a pozorujeme změnu povrchové teploty okna, na které postupně svítí slunce. Graf 2-5 Změna teploty okna Závěr: Kdyby mezi okny bylo vakuum jako dokonalý tepelný izolant, byla by teplota okna všude stejná. Mezi skly je plyn argon. 2.4.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.com http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/irt-bta http://www.vernier.cz/katalog/manualy/irt-bta.pdf

Termočlánkový teploměr 35 2.5 Termočlánkový teploměr Termočlánek je jednoduchý a robustní snímač teploty v rozmezí -200 C až 1400 C. Tento snímač lze využít jako jednoduché teplotní čidlo. 2.5.1 Technický popis čidla Rozsah čidla -200 C až 1400 C Odchylka měření 0 C 900 C ± 2,2 C -200 C 0 C ± 5 C 900 C 1400 C ± 15 C Napětí 11 ma 12-bitové rozlišení 0,4 C 10-bitové rozlišení (CBL 2) 1,6 C Kalibrační data tlak v kpa směrnice: počátek: Poznámka: Izolace vodičů termočlánku je vyrobena z odolné skleněné tkaniny. Vydrží teplotu 704 C. Není to v rozporu s rozsahem použití termočlánku (- 200 C až 1400 C). Při použití se umisťuje konec termočlánku ke zdroji tepla, přičemž má být mimo přímého kontaktu se zdrojem tepla. 2.5.2 Princip fungování čidla Základem termočlánku jsou dva rozdílné kovy, které jsou na koncích spojené. Jestliže se jeden z připojených konců ohřívá, vytváří se termoelektrický obvod. Malé změny napětí tohoto obvodu jsou funkcí změny teploty a složení dvou kovů. Jelikož jsou tyto dva kovy na konci připojeny, lze vypočítat rozdíl v teplotě obou kovů. Pro připojení k voltmetru jsou vedeny termočlánkové dráty. Toto nové připojení vytváří další termočlánek. Je nutná kalibrace? Nyní si uvedeme některé podmínky, které mohou hrát roli při rozhodování, zda provést kalibraci: 1) většinou kalibrovat senzor nemusíte, protože již byl kalibrován pro tovární nastavení (tovární nastavení lze provést např. auto-id). 2) Pokud budete potřebovat přesnější kalibraci, proveďte dvoubodovou kalibraci, a to následujícím způsobem: a. pro první kalibrační bod vyberte kapalinu o známé teplotě, po stabilizaci zadejte známou teplotu (např. 0 C),

36 Termočlánkový teploměr. b. pro druhý kalibrační bod zvolte opět roztok o známé teplotě a kalibrační hodnotu zvolte po stabilizaci teploty (např. 100 C). 2.5.3 Možná použití čidla teplota plamene svíčky, porovnání teplot různých plamenů (svíčka, Bunsenův hořák), měření teploty suchého ledu nebo kapalného vzduchu. 2.5.4 Návrhy experimentů A) Teplota plamene svíčky vzhledem ke vzdálenosti Pomůcky: svíčka, zápalky, termočlánkový teploměr, PC, řídicí jednotka Zapálíme svíčku a spustíme měření. Teploměr postupně přibližujeme a oddalujeme od plamene svíčky a pozorujeme, jak se mění teplota v závislosti na vzdálenosti od svíčky. Závěr: Teplota s rostoucí vzdáleností od zdroje tepla klesá. B) Teplota plamene svíčky Pomůcky: svíčka, zápalky, termočlánkový teploměr, PC, řídicí jednotka Zapálíme svíčku a spustíme měření. Teploměrem postupně pomalu posunujeme nahoru a dolů a pozorujeme změnu teploty uvnitř plamene svíčky. Obrázek 2-8 Teplota svíčky v různých částech

Termočlánkový teploměr 37 C) Porovnání teplotní setrvačnosti teploměrů Obrázek 2-9 Porovnání teplotní setrvačnosti teploměrů: zelený teploměr - tmavě modrá, termočlánkový - světle modrá, infrateploměr - tyrkysová 2.5.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/tca-bta http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/tca-bta

38 Čidlo polohy a pohybu 2.6 Čidlo polohy a pohybu Toto čidlo polohy a pohybu využívá ultrazvuku k měření vzdálenosti od sledovaného předmětu - vyšle ultrazvukový pulz a měří čas, než se k němu vrátí ozvěna. Z analýzy těchto ozvěn pak vypočítá vzdálenost (a případně rychlost a zrychlení) sledovaného tělesa. Vhodné pro měření pohybujících se lidí, volného pádu míče, vozíku na vzduchové dráze, apod. Měří v rozsahu od 15 cm do zhruba 6 m. 2.6.1 Technický popis čidla Rozsah čidla Rozsah od 0,15 m až 6 m Rozlišení 1 mm 2.6.2 Princip fungování čidla Tento detektor pohybu vydává krátké dávky ultrazvukových vln ze zlaté fólie na snímači. Tyto vlny vyplní kuželovou oblast v okolí, asi 15 C až 20 C, okolo středové osy. Detektor pohybu poté snímá ozvěnu těchto ultrazvukových vln. Zařízení měří, jak dlouho trvá cesta odražených ultrazvukových vln od zdroje k objektu a zpět k detektoru. Pomocí této doby a známé rychlosti šíření zvuku ve vzduchu je určena vzdálenost k nejbližšímu objektu. Všimněte si, že detektor pohybu měří vzdálenost k nejbližšímu objektu, který produkuje dostatečně silnou ozvěnu (echo). Detektory pohybu mohou zachytit objekty, jako jsou židle a stoly v kuželu ultrazvuku. Citlivost detekce echa se automaticky zvyšuje v krocích, každých několik milisekund. To umožňuje měření vzdálenosti menších či vzdálenějších objektů. Obrázek 2-10 Kuželová oblast ultrazvukových vln detektoru Je nutná kalibrace? Senzor je prodáván zkalibrovaný a není potřeba provádět novou kalibraci. 2.6.3 Možná použití čidla dynamické experimenty - skládání sil, srážkové experimenty, studium jednoduchých harmonických pohybů,

Čidlo polohy a pohybu 39 využití spolu s dráhou pro mechaniku (objednávkový kód TRACK), studium tření, pohyb lidí před senzorem, jednoduchý harmonický pohyb tělesa,např. závaží na pružině, pohyb padajících těles nebo těles vyhozených směrem nahoru, pohyb odražených těles. 2.6.4 Návrhy experimentů A) Klid a pohyb těles Viz studijní opora k výuce Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ fyzika. B) Pohyb rovnoměrný a nerovnoměrný Viz. studijní opora k výuce Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ fyzika. C) Zkoumání pohybu skákajícího míče Pomůcky: míč, čidlo polohy a pohybu, PC, řídicí jednotka Čidlo polohy a pohybu umístíme buď kolmo nad padající míč, nebo pod padající míč do ochranné klece, aby nedošlo k jeho poškození. Graf 2-6 Skákající míč

40 Čidlo polohy a pohybu D) Pohyb nerovnoměrný Pomůcky: různé předměty (např. plechovka, autíčka, kyvadlo apod.), čidlo polohy a pohybu, PC, řídicí jednotka U pohybujících se těles zkoumáme, zda-li se pohybuje pohybem rovnoměrným nebo nerovnoměrným pohybem zrychleným, zpomaleným. Závěr: Dětské autíčko na setrvačník se pohybuje pohybem nerovnoměrným (zrychleným, zpomaleným) tzn. že za stejné časové intervaly urazí různé dráhy nebo stejnou dráhu urazí v různém čase. 2.6.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/md-btd http://www.vernier.cz/katalog/manualy/md-btd.pdf

Hygrometr 41 2.7 Hygrometr RH-BTA čidlo relativní vlhkosti vzduchu Senzor relativní vlhkosti vzduchu vhodný pro meteorologická měření. 2.7.1 Technický popis čidla Citlivý prvek Hy-Cal Engineering IH-3602-L Rozsah čidla 0 % až 95 % Napájení 12-bitové rozlišení 10-bitové rozlišení Kalibrační data Doba odezvy (čas do 90% změny měřené hodnoty) 200 µa při 5V stejnosměrném napětí 0,04 % relativní vlhkosti 0,16 % relativní vlhkosti směrnice: k 1 = 30,43 %/V počátek: k 0 = -25,81 % Stojící vzduch 60 minut Při silném proudění 40 s Pracovní rozsah teplot 0 až 85 C Specifikace integrovaného obvodu IH-3602 citlivého na relativní vlhkost (při 25 C a napájení 5V stejnosměrně) Celková přesnost (při kalibraci nasycenou solí) Celková přesnost (při standardní kalibraci) Teplotní vliv na výstupní napětí při 0 % relativní vlhkosti Teplotní vliv na výstupní napětí při 50 % relativní vlhkosti Teplotní vliv na výstupní napětí při 95 % relativní vlhkosti ± 2 % relativní vlhkosti ± 10 % relativní vlhkosti ± 0,007 %/V (zanedbatelný) ± 0,11 %/V ± 0,22 %/V

42 Hygrometr 2.7.2 Princip fungování čidla Čidlo je postaveno na integrovaném obvodu Hy-Cal Engineering IH-3602-L, který používá jako element citlivý na vlhkost kapacitní polymer. Výstupem integrovaného obvodu je napětí, které se mění se změnou relativní vlhkosti. Čas odezvy v proudícím vzduchu je mnohem kratší než v klidném vzduchu. V některých případech je proto vhodné ke zrychlení reakce čidla vyvolat pohyb vzduchu, pohybování čidlem nebo ventilátorem. Čidlo je mírně citlivé na světlo. Pouzdro čidla je vytvořené tak, aby se minimalizoval vliv světla. Kalibrace čidla je částečně ovlivněná teplotou. Při malých relativních vlhkostech je efekt zanedbatelný, při vyšší vlhkosti je však větší. Pokud potřebujete korigovat tuto chybu, můžete si vytvořit více kalibračních souborů při různých teplotách. Ve většině případů to však není potřebné. Je nutná kalibrace? Pro školní experimenty nepotřebujete čidlo relativní vlhkosti kalibrovat. Před odesláním byl nakalibrován tak, aby vyhovoval uložené kalibraci. Standardní kalibrace čidla relativní vlhkosti Při požadavku na vyšší přesnost si můžete čidlo nakalibrovat. Kalibraci lze provést pomocí přesného přístroje pro měření relativní vlhkosti hygrometru nebo psychrometru nebo pomocí roztoků solí. Stejně jako u jiných čidel se provádí dvoubodová kalibrace. Na udržování prostředí s různou relativní hustotou použijte soli. Po vložení vlhké soli do uzavřené nádoby se relativní vlhkost ustálí na známé hodnotě. Relativní vlhkosti při známé teplotě jsou uvedeny v tabulce. Relativní vlhkost mírně závisí na teplotě, proto jsou uvedeny i různé teploty. Popis pracovního postupu při kalibraci: 1) Do sklenice o objemu asi 1l dejte hrst soli. 2) Pomalu přidejte trochu vody, aby se sůl jen navlhčila, nesmí se rozpustit. 3) Umístěte čidlo relativní vlhkosti vzduchu tak, aby se nedotýkalo soli. 4) Hermeticky uzavřete sklenici, např. plastovou folií a gumičkou. 5) Spusťte měření na 2 až 6 hodin, až se vytvoří rovnováha. 6) Proveďte kalibraci pro uvedenou sůl. Použijte hodnotu jako jeden kalibrační bod. 7) Zopakujte kalibraci pro jinou sůl. Přestože žádná sůl není nebezpečná, dodržujte bezpečnostní pravidla pro práci s chemikáliemi. Tabulka 2-1 Tabulka relativních vlhkostí pro výše uvedený postup kalibrace Data jsou uvedena v % 15 C 20 C 25 C 30 C 35 C

Hygrometr 43 Bromid lithný 6,86 6,61 6,37 6,16 5,97 Chlorid lithný 11,3 11,31 11,3 11,28 11,25 Octan draselný 23,4 23,11 22,51 21,61 - Chlorid hořečnatý 33,3 33,07 32,78 32,44 32,05 Uhličitan draselný 43,15 43,16 43,16 43,17 - Dusičnan hořečnatý 55,87 54,38 52,89 51,4 49,91 Jodid draselný 70,98 69,9 68,86 67,89 66,96 Chlorid sodný 75,61 75,47 75,29 75,09 74,87 Síran amonný 81,7 81,34 80,99 80,63 80,27 Chlorid draselný 85,92 85,11 84,34 83,62 82,95 Dusičnan draselný 95,41 94,62 93,58 92,31 90,79 2.7.3 Možná použití čidla monitorování vlhkosti vzduchu z hlediska hygieny, optimalizace podmínek ve skleníku nebo teráriu, v jeskyních, v saunách, určení, kdy dochází k problémům s výboji statické elektřiny, zkoumání dýchání rostlin pomocí měření relativní vlhkosti vzduchu v uzavřených nádobách s rostlinami, zkoumání změny relativní vlhkosti vzduchu u procesů jako dýchání a hoření, zkoumání vlivu relativní vlhkosti vzduchu na rychlosti vypařování. 2.7.4 Návrhy experimentů A) Sledování změn vlhkosti vzduchu během dne Pomůcky: čidlo relativní vlhkosti vzduchu, PC, řídicí jednotka Vlhkoměrem budeme měřit změnu vlhkosti během dne. Závěr: Výsledky měření vyhodnotíme, porovnáme, apod. B) Porovnání vlhkosti vzduchu v místnosti a venku Pomůcky: čidlo relativní vlhkosti vzduchu, PC, řídicí jednotka Porovnejte vlhkost vzduchu v místnosti a venku. Z naměřených hodnot vyslovte své závěry. C)Vliv slupky na ztrátu tekutin v ovoci či zelenině Článek naleznete na: http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=152

44 Hygrometr 2.7.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/rh-bta http://www.vernier.cz/katalog/manualy/rh-bta.pdf