Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Laboratorní úlohy ve fyzice Bakalářská práce Vedoucí práce: Doc. Ing. Josef Filípek, CSc Vypracoval: Petr Jahoda Brno 2007
Poděkování: Chtěl bych poděkovat panu doc. Ing. Josefu Filípkovi, CSc. za odborné vedení a pomoc při práci na bakalářské práci Laboratorní úlohy ve fyzice.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma.. vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně dne... podpis diplomanta
ABSTRAKT My bachelor work I formed themed laboratory exercise in physics. I have had engaged five exercise: - Metering strongholds skin succulent productes - Determination modulus flexibility in traction - Metering operation solar collector - Assesment density - Assesment specific heat Of these five exercise I fecited multimedia tutorial, which is of interactive and in extenso functional. I formed him on the agenda FLASH MX 2004. Physics on Mendel agricultural and silvicultural university instruct on more faculty, different sphere and as well in different range. In scrip are not pictures enough vivid, that is why I formed this programme, where there are laboratory exercise easily comprehensible.
OBSAH 1. ÚVOD...7 2. CÍL PRÁCE...7 3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY...7 4. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ...11 4.1. Určení modulu pružnosti v tahu...11 4.2. Měření pevnosti slupky dužnatých plodin...15 4.3. Stanovení hustoty...18 4.4. Stanovení měrného tepla pevných látek...20 4.5. Měření účinnosti slunečního kolektoru...23 5. ZÁVĚR...26 6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...27 7. SEZNAM OBRÁZKŮ...28
1. ÚVOD Téma bakalářské práce jsou Laboratorní úlohy ve fyzice. V předmětu Fyzika II. jsme prováděly praktické měření na dvanácti úkolech, a to: -Stanovení koeficientu statického a dynamického tření -Měření pevnosti slupky dužnatých plodin -Určení modulu pružnosti v tahu -Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem -Měření účinnosti slunečního kolektoru -Stanovení hustoty -Stanovení měrného tepla pevných látek -Úvod do měření elektrických veličin různými typy měřících přístrojů -Měření elektrických odporů -Kalibrace termočlánku -Stanovení indexu lomu a cukernatosti vodného roztoku sacharózy refraktometrem -Stanovení koncentrace vodného roztoku sacharózy kruhovým polarimetrem Pro svou práci mi bylo přiděleno pět úloh: -Měření pevnosti slupky dužnatých plodin -Určení modulu pružnosti v tahu -Měření účinnosti slunečního kolektoru -Stanovení hustoty -Stanovení měrného tepla pevných látek 2. CÍL PRÁCE Cílem mé bakalářské práce bylo zpracovat pět úloh z fyziky, vytvořit z něj plnohodnotný multimediální program, který bude samostudiu. Měl by být srozumitelný a pochopitelný pro posluchače. možno používat k výuce i při 3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY V současné době jsou na fyziku napsaná skripta FYZIKA laboratorní cvičení od autorů Doc. RNDr. Stanislava Bartoně, Csc., RNDr. Ivo Křivánka, Csc., Ing. Libora Severy, Ph.D. 7
Fyzika se na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě v Brně učí na různých fakultách a různých oborech a také v různém rozsahu nejen na Provozu techniky a proto je tento multimediální program určen pro všechny posluchače univerzity. Studenti přicházejí na univerzitu s různých škol, průmyslových, gymnázií, atd. a nemají proto stejné znalosti z fyziky. Z obrázků (Obr. 1 až Obr. 6), které jsou ve skriptech, je vidět, že nejsou dost názorné, proto jsem také zpracoval bakalářskou práci z které jsou úlohy dobře pochopitelné. Multimediální program neslouží jako náhrada skript, ale jako jejich rozšíření. Obr. 1 Penetrometrický přístroj Obr. 2 Schéma zapojení penetrometrického přístroje 8
Obr. 3 Určení modulu pružnosti v tahu Obr. 4 Základní části slunečního kolektoru 9
Obr. 5 Mohrovy váhy Obr. 6 Směšovací kalorimetr 10
4. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ Bakalářskou práci jsem zpracoval v programu Flash MX. V dnešní době se program hojně využívá, protože v něm jdou poměrně dobře vytvářet animace, různé presentace a nebo jednoduché aplikace (hry). Na Obr. 7 je pracovní prostředí Flash MX 2004. Obr. 7 Flash MX 2004 4.1. Určení modulu pružnosti v tahu Modul pružnosti kovových materiálů můžeme zjišťovat přímou metodou, tak, že zatěžujeme drát známé délky a průřezu, kde měříme jeho prodloužení. Nejčastěji se však modul stanovuje z průhybu zkušební tyče podepřené v krajních bodech a zátěž se dává uprostřed. Na vlastní úkol je potřeba zajistit ocelový zkušební vzorek ve tvaru hranolu, měřící lavici s dvěma stojany, hrazdičku, sadu pěti závaží, držák a indikátorové hodinky. Na obr. 8 je zřejmý průběh zkoušky. Zkušební vzorek uložíme na stojany, indikátorové hodinky uchytíme do držáku a odečteme počáteční hodnotu p p1 (Obr. 8 b). 11
Na hrazdičku zavěsíme jedno závaží a na indikátorových hodinkách odečteme průhyb p 1 (Obr. 8 c). Sejmeme zátěž a zjistíme průhyb po odlehčení p k1. Stejným způsobem pokračujeme se dvěma, třemi, čtyřmi a pěti závažími. Obr. 8 d zobrazuje stav po sundání pěti závaží. Hodnoty průhybů p pi, p i, p ki jsou zaznamenány v tabulce a budou sloužit jako podklad pro výpočet modulu pružnosti v tahu. Vlastní výpočet je na obr. 9. V tabulkách jsou přednastaveny naměřené hodnoty p pi, p i, p ki a rozměry zkušební tyče a, b, L. Do příslušných políček student doplní vypočítané hodnoty zatěžující síly F i, průhybu y i, poměru F i /y i, střední hodnotu (F/y) a modulu pružnosti v tahu E. Následně kliknutím na tlačítka se šipkou si ověří správnost výpočtu. Pokud student nezná vzorce a nebo je neumí odvodit, pomůže si kliknutím na nápovědu (na obr. 9 jsou vzorce zobrazeny). Přednastavené hodnoty p pi, p i, p ki, a, b, L může učitel, popř.student, přepsáním změnit (místo desetinné čárky použije desetinnou tečku). V případě zadání nových číselných hodnot se výsledky v nápovědě automaticky nepřepočítají (musí se opět stisknout příslušné tlačítko). 12
a b c d Obr. 8 Průběh laboratorní zkoušky měření pružnosti 13
Obr. 9 Výpočet modulu pružnosti v tahu 14
4.2. Měření pevnosti slupky dužnatých plodin Pevnost slupky se měří na penetrometrickém přístroji (Obr. 10), postupným zvyšováním síly, která působí na zkušební hrot, při konstantní poloze plodiny a naklápěním desky držáku zkušebního hrotu. Při vlastní zkoušce se plodina, v našem případě jablko, umístí mezi pohyblivé desky, které je možné rozevřít podle velikosti plodiny a nabodne se na vyčnívající hrot (Obr. 11). Tím že je dužnina jablka na rozdíl od slupky dobře elektricky vodivá, dojde k vodivému spojení s kovovým rámem přístroje, na kterém je plodina nabodnuta. Poté uvolníme šroub držáku závaží, který je na pevném rameni, posuneme ho tak, aby se hrot závaží jen lehce dotýkal plodiny a potom šroub utáhneme. Po utáhnutí šroubu začneme natáčet kličkou až do průrazu slupky, to poznáme, že se rozsvítí LED dioda (Obr. 12). Mezi ryskami je úhel, který zapíšeme, přístroj vrátíme do nulové polohy. Rozevřeme pohyblivé desky, vytáhneme plodinu, pootočíme a celé měření opakujeme 10 krát. Pak podle vzorce vypočítáme sílu, která způsobí průraz slupky pro každý úhel a zapíšeme do tabulky. Vypočítáme tlak, také pro každý úhel, když průměr čelní plošky zkušebního hrotu je 0,6 mm. Nakonec vypočítáme pravděpodobnou a relativní chybu měření. Výpočet síly Výpočet tlaku F = m g sinα (m je hmotnost závaží = 0,4 kg) (1) F p = (2) S Šroub držáku zkušebního hrotu Sklápěcí deska Plodina Pohyblivé desky Zkušební hrot Klička Dioda Obr. 10 Penetrometrický přístroj 15
Obr. 11 Nabodnutí jablka 16
Obr. 12 Průběh zkoušky pevnosti slupky 17
4.3. Stanovení hustoty Při měření Mohrovými vahami vycházíme z Archimedova zákona. Mohrovy váhy jsou vlastně nerovnoramenné váhy, na jejichž delším rameni je deset stejných dílků, na kterých jsou háčky pro zavěšení vyvažovacích závaží a na konci je zavěšeno ponorné závaží. Váhy se nejprve se zavěšeným ponorným závažím na vzduchu vyváží pootáčením stavěcího šroubu a vyrovnají pomocí stavěcí matice. Poté napustíme vodu do nádoby (Obr. 14 a) a nádobu umístíme pod ponorné závaží, které do nádoby ponoříme, poté zavěšujeme závaží na háčky. Po vyvážení vypočteme hustotu (Obr. 14 b). Potom nádobu s vodou vyprázdníme a nalijeme do nádoby líh a opět váhy vyvážíme závažím. A hustotu vypočítáme podle stejného vzorce (Obr. 14 c,d). Výpočet hustoty = ( n + n + ) ρ (3) 1 2 n3 kde n 1 je 100 krát poloha nejtěžšího závaží n 2 je 10 krát poloha středního závaží n 3 je 1 krát poloha nejlehčího závaží Závaží Rameno s háčky Nádoba s lihem Napouštědlo studené vody Stojánek Ponorné závaží Stavěcí matice Stavěcí šroub Měrná nádoba Obr. 13 Mohrovy váhy 18
a b c d Obr. 14 Měření hustoty 19
4.4. Stanovení měrného tepla pevných látek Měření jsme prováděli ve směšovacím kalorimetru. Ten se skládá z tepelně izolované nádoby, míchačky a teploměru. Nejprve zvážíme prázdnou nádobu, potom do ní napustíme studenou vodu a nádobu s vodou opět zvážíme (Obr. 16). Nádobu umístíme zpět do kalorimetru, uzavřeme ji víčkem a změříme teplotu. Mezi tím dáme na vařič nádobu s vodou, kterou jsme taky zvážili a zapneme vařič. Až má voda 90 C, tak odklopíme víčko z nádoby a vlijeme do ní vodu zahřátou na 90 C (Obr. 17). Zaklopíme víčko, zamícháme míchadlem, až usoudíme, že je voda řádně promíchaná, tak změříme teplotu. Z naměřených hodnot vypočítáme tepelnou kapacitu kalorimetru K. Potom vypočítáme měrné teplo neznámých těles = kovů. Tepelná kapacita Měrné teplo c K 2 c2 ( m2 ( t2 t) m1 ( t t1)) = (4) t t 1 ( m1 c1 + K) ( t t1) = (5) m ( t t) 2 2 Váhy Závaží Napoštědlo studené vody Teploměr Víčko Míchadlo Vařič Nádoba na vodu Obr. 15 Směšovací kalorimetr 20
Obr. 16 Měření směšovacím kalorimetrem část a 21
Obr. 17 Měření směšovacím kalorimetrem část b 22
4.5. Měření účinnosti slunečního kolektoru Sluneční kolektor slouží k přeměně elektromagnetického slunečního záření na jiný druh energie. V našem pokusu měříme přeměnu elektromagnetického slunečního záření na energii tepelnou. V laboratorních podmínkách místo slunce použijeme čtyři žárovky, pracující v infračervené oblasti, které mají celkový výkon W = 1000 W. Nejprve zapneme čerpadlo, potom musíme stanovit průtok Qm. To stanovíme tak, že do odměrného válce napustíme vodu z výstupu kolektoru a stopujeme, za jaký čas τ nateče V = 500 ml = 5.10-4 m 3 ρ = 1000 kgm -3. Zapneme osvětlení, zapneme teploměr. Počkáme, až se ustálí rozdíl teplot vystupující a vstupující vody. Pak budeme sledovat a zapisovat hodnoty na teploměrech v intervalech určených vyučujícím (Obr. 19). Měříme do dosažení stanovené teploty nebo uplynutí doby měření. Po skončení měření nejprve vypneme světla a asi po pěti minutách vypneme čerpadlo. Z doby měření a teploty sestrojíme graf. Vypočítáme účinnost η a parametr A, z nich poté sestrojíme graf. Výpočet průtoku Qm = V ρ τ (6) Qm c ( T ) Výpočet účinnosti 0 Ti η = 100 (7) W T i = teplota vstupujícího média T 0 = teplota vystupujícího média c = měrné teplo náplně (voda = 4186 Jkg -1 K -1 ) Qm = hmotnostní tok W = zářivý výkon žárovek S ( Tk Te ) Výpočet parametru A = (8) W T e = teplota okolí T k = teplota kolektoru (T 0 T i ) S = plocha kolektoru 23
Teploměr na výstupu Rozvodné potrubí Transparentní kryt Tepelná izolace Absorbér Teploměr na vstupu Deska se žárovkami Čerpadlo Nádrž na vodu Obr. 18 Sluneční kolektor 24
Obr.19 Měření účinnosti slunečního kolektoru 25
5. ZÁVĚR Tuto bakalářskou práci jsem tvořil na téma Laboratorní úlohy ve fyzice. Měl jsem zadaných pět úloh: - Měření pevnosti slupky - Určení modulu pružnosti v tahu - Měření účinnosti slunečního kolektoru - Stanovení hustoty - Stanovení měrného tepla pevných látek Z těchto pěti úloh jsem vytvořil výukový multimediální program, který je interaktivní a plně funkční. Vytvořil jsem jej v programu FLASH MX 2004. Fyzika se na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě učí na více fakultách a na různých oborech a také v různém rozsahu. Tento program je možné použít pro všechny posluchače že všech fakult. Program je možné využít v učebně s dataprojektorem nebo si jej posluchač může pouštět doma na počítači při samostudiu. Bylo by dobré vytvořit program i se zbývajícími úlohami, aby byl program kompletní. 26
6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. BARTOŇ, S. KŘIVÁNEK, I. Fyzika. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2005. 98 s. ISBN: 80-7157-843-6. 2. BUCHAR, J. SEVERA, L. Fyzika. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 1999. 159 s. ISBN: 80-7157-382-5. 3. BUCHAR, J. Fyzika II. 1. vyd. Brno: Vysoká škola zemědělská, 1990. 225 s. 4. FOTR, J. Macromedia Flash MX. 1. vyd. Praha: Computer press, 2002. 355 s. ISBN: 80-7226-677-2. 5. ROUSEK, M. FILÍPEK, J. KLEPÁRNÍK, J. Termodynamika a energetické stroje. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. 62 s. ISBN: 80-7157-500-3 6. FILÍPEK, J. Technické materiály (přednášky). 1. vyd. Brno: Vysoká škola Zemědělská, 1988 27
7. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.1: Penetrometrický přístroj... 8 Obr.2: Schéma zapojení penetrometrického přístroje. 8 Obr.3: Určení modulu pružnosti v tahu... 9 Obr.4: Základní části slunečního kolektoru. 9 Obr.5: Mohrovy váhy... 9 Obr.6: Směšovací kalorimetr... 10 Obr.7: Flash MX 2004. 11 Obr.8: Průběh laboratorní zkoušky měření pružnosti. 13 Obr.9: Výpočet modulu pružnosti v tahu. 14 Obr.10: Penetrometrický přístroj 15 Obr.11: Nabodnutí jablka 16 Obr.12: Průběh zkoušky pevnosti slupky. 17 Obr.13: Mohrovy váhy. 18 Obr.14: Měření hustoty 19 Obr.15: Směšovací kalorimetr 20 Obr.16: Měření směšovacím kalorimetrem část a.. 21 Obr.17: Měření směšovacím kalorimetrem část b.. 22 Obr.18: Sluneční kolektor 24 Obr.19: Měření účinnosti slunečního kolektoru...25 28