Mgr. Jana Šišková Modul 1 Reálný fyzikální experiment I. - mechanika, molekulová fyzika a termika, kmitání a vlnění Učme fyziku jinak! - Modernizace výukových metod v zrcadle kurikulární reformy fyzikálního vzdělávání.
Obsah Úvod... 1 Mechanika... 3 Objem těles z pevné látky...3 Určení hustoty kapalin pomocí spojitých nádob...4 Tíhová síla...6 Skládání sil...7 Dvouramenná páka...9 Pevná kladka... 11 Volná kladka... 12 Kladkostroj... 13 Práce na nakloněné rovině... 16 Třecí síla... 19 Práce potřebná k překlopení tělesa... 22 Stabilita těles... 24 Spojité nádoby... 26 Vztlaková síla... 28 Archimédův zákon... 30 Model hustoměru... 34 Hydrostatický tlak... 35 Prodloužení pružiny... 40 Rovnoměrný pohyb... 43 Rovnoměrně zrychlený pohyb... 46 Volný pád... 48
Obsah Molekulová fyzika a termika... 50 Délková roztažnost pevných látek... 50 Bimetal... 52 Teplotní objemová roztažnost kovové kuličky... 54 Objemová roztažnost kapalin... 57 Objemová roztažnost různých kapalin... 60 Povrchová vrstva kapalin... 62 Povrchová síla... 64 Závislost povrchového napětí na druhu kapaliny I... 66 Závislost povrchového napětí na druhu kapalin II... 68 Kapilarita... 70 Objemová roztažnost vzduchu při konstantním tlaku... 71 Vedení tepla u různých kovů... 74 Proudění tepla... 78 Tepelné záření... 79 Tepelná izolace... 81 Měrná tepelná kapacita pevných látek... 85 Teplota tání... 89 Skupenské teplo tuhnutí... 93 Teplota varu... 96 Destilace... 98 Mechanické kmitání a vlnění... 102 Doba kmitu matematického kyvadla... 102 Doba kmitu pružinového oscilátoru... 104 Doba kmitu ploché pružiny... 106 Časový průběh kmitavého pohybu ploché pružiny... 108
Obsah Měření gravitačního zrychlení... 110 Dynamické měření tuhosti pružiny... 111 Spřažená kyvadla... 113 Chvění ladičky... 114 Chvění kovových desek... 115 Závěr... 116
Úvod Tento výukový materiál vznikl jako jeden z hlavních výstupů projektu zaměřeného na modernizaci výukových metod fyzikálního vzdělávání na 2. stupni základních škol a školách středních s názvem Učme fyziku jinak! Modernizace výukových metod v zrcadle kurikulární reformy fyzikálního vzdělávání. Klade si za cíl výrazným způsobem zefektivnit, zjednodušit a urychlit práci vyučujícího fyziky při zavádění nejmodernějších forem výuky. Hlavní podporu tento materiál zřejmě přinese ve fázi přípravy vyučujícího na vyučovací hodinu, ale může být též námětem např. pro samostatnou práci žáků ve fyzikální laboratoři. Celý projekt pokrývá výuku ve čtyřech základních modulech: 1. Reálný fyzikální experiment I. - mechanika, molekulová fyzika a termika, kmitání a vlnění 2. Reálný fyzikální experiment II. - elektřina, magnetismus, optika 3. IT podpora reálného fyzikálního experimentu 4. Interaktivní fyzika - virtuální fyzikální experiment Tento výukový materiál je určen pro výuku modulu č. 1, zabývajícího se reálným fyzikálním experimentem v oblasti mechanika, molekulová fyzika a termika, mechanické kmitání a vlnění. Jde o přímou práci s fyzikálními pomůckami, o klasické experimenty, které jsou součástí výuky fyziky na všech stupních škol. text je rozdělen do tří kapitol, jejich dělení je určeno názvy celků fyziky. První část textu obsahuje pokusy z oblasti mechaniky jde o měření fyzikálních veličin, pohyby těles, síla, skládání sil, práce, mechanika kapalin a plynů. Druhá část obsahuje pokusy z kapitoly molekulová fyzika a termika jde o délkovou a objemovou roztažnost látek, povrchovou vrstvu, povrchovou sílu, povrchové napětí, kapilaritu, vedení tepla, skupenské přeměny. Poslední část nabízí pokusy z oblasti mechanické kmitání a vlnění matematické kyvadlo, pružinový oscilátor, plochá pružina, chvění. 1
Úvod Pokusy byly prováděny především s nově pořízenými žákovskými a demonstračními soupravami DIDAKTIK šlo o soupravy MECHANIKA I, MECHANIKA II, NAUKA O TEPLE a STATIVOVÝ MATERIÁL, při některých bylo využito starších pomůcek ze sbírky fyziky na GJW. 2
Mechanika Název pokusu: Objem těles z pevné látky Cíl pokusu: ukázky různých způsobů zjišťování objemu těles pravidelných i nepravidelných Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium Pomůcky: hliníkový kvádr, závaží, držák závaží, odměrný válec, délkové měřidlo Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 15 minut Pomocí délkového měřidla změříme hrany hliníkového kvádru. Dle vzorce vypočteme objem kvádru. Měříme objem hliníkového kvádru pomocí objemu vytlačené vody. 3
Mechanika Název pokusu: Určení hustoty kapalin pomocí spojitých nádob Cíl pokusu: zjištění hustoty kapaliny porovnáním s kapalinou známé hustoty Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: 2 trubičky, hadička, stativ, stativové tyče, objímky univerzální a válcová, petrolej, délkové měřidlo Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Obě trubičky naplníme vodou, vyznačíme výšku hladiny v obou ramenech, pak jednu plníme petrolejem a měříme v obou ramenech výšku sloupce kapalin nad původní dělicí čarou. 4
Mechanika : : 5
Mechanika Název pokusu: Tíhová síla Cíl pokusu: zjištění souvislosti mezi hmotností a tíhovou silou Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, závaží, siloměr Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Zavěsíme závaží různé hmotnosti a zjišťujeme velikost tíhové síly a její závislost na hmotnosti. 6
Mechanika Název pokusu: Skládání sil Cíl pokusu: najít výslednici dvou nerovnoběžných sil, určení rovnoběžníku sil Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativy, stativové tyče, závaží, 2 siloměry, pravoúhlý trojúhelník Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut V této poloze zjistíme stav siloměrů, který považujeme za nulovou výchozí pozici. 7
Mechanika Siloměry svírají pravý úhel, změříme velikost sil na siloměrech, odečteme výchozí sílu. Kolmo dolů působí síla 0,6N (držák + závaží). Výsledná síla má velikost výslednice v rovnoběžníku sil. 8
Mechanika Název pokusu: Dvouramenná páka Cíl pokusu: podmínka rovnováhy dvouramenné páky, na jejíž obou stranách působí síly Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, závaží různé hmotnosti Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Najdeme podmínku rovnováhy páky. 9
Mechanika Rovnováha je splněna, pokud 10
Mechanika Název pokusu: Pevná kladka Cíl pokusu: demonstrace použití pevné kladky, určení podmínek rovnováhy, porovnání velikostí působících sil Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, pevná kladka, siloměr, závaží, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Zavěsíme závaží a udržujeme rovnováhu siloměrem. Pevnou kladkou neušetříme sílu, pouze můžeme měnit směr síly za lépe vyhovující. 11
Mechanika Název pokusu: Volná kladka Cíl pokusu: demonstrace použití volné kladky, určení podmínek rovnováhy, porovnání velikostí působících sil Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, volná kladka, siloměr, závaží, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Síla nutná k udržení volné kladky v rovnováze je poloviční vzhledem k tíze závaží. 12
Mechanika Název pokusu: Kladkostroj (2 kladky) Cíl pokusu: demonstrace použití kladkostroje, určení podmínek rovnováhy, porovnání velikostí působících sil, porovnání dráhy volné kladky s dráhou působiště tahové síly, porovnání mechanické práce v jednotlivých případech Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: magnetická tabule, pevná kladka, volná kladka, provázek, závaží, siloměr, barevné šipky, délkové měřidlo Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Základní sestavení kladkostroje bez závaží (volnou kladku je nutné před začátkem pokusu vyvážit na volném konci lana vhodným závažím) 13
Mechanika Rovnovážná poloha kladkostroje (na volné kladce je závaží o dvojnásobné hmotnosti než na volném konci lana) Rozdílné dráhy volné kladky a konce lana (volný konec lana urazí dvojnásobnou dráhu než volná kladka) 14
Mechanika Rozdílné velikosti tíhové a tahové síly (na volný konec lana působí síla o poloviční velikosti) 15
Mechanika Název pokusu: Práce na nakloněné rovině Cíl pokusu: zjištění, zda pomocí nakloněné roviny lze ušetřit práci Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, závaží, vozík, provázek, siloměr Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Sestavíme nakloněnou rovinu délky 60 cm, jejíž výška je 36 cm. 16
Mechanika Pomocí siloměru vytáhneme vozík po dráze nahoru. Práce, kde je délka nakloněné roviny. Porovnáme s prací vykonanou při kolmém vytáhnutí vozíku se závažím do stejné výšky. Dokážeme, že pomocí nakloněné roviny práci neušetříme. 17
Mechanika 0,9 0,6 1,5 0,36 18
Mechanika 10Název pokusu: Třecí síla Cíl pokusu: demonstrace závislosti velikosti třecí síly na hmotnosti a na materiálu podložky, demonstrace valivého tření Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: hliníkový kvádr, železný kvádr menší, vozík, siloměr, závaží, podložky různých materiálů Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Tahem siloměru uvedeme železný kvádr do rovnoměrného pohybu. Měříme velikost síly smykového tření. 19
Mechanika Malý železný kvádr se dvěma závažími má stejnou hmotnost jako kvádr v předchozí části, mění se jen velikost styčných ploch. Smykové tření na velikosti styčných ploch nezávisí. Při odebrání jednoho závaží se mění hmotnost smýkaného tělesa, siloměr ukazuje menší sílu. Smykové tření závisí na hmotnosti smýkaného tělesa. 20
Mechanika Při změně materiálu podložky dochází ke změně velikosti síly, kterou ukazuje siloměr. Smykové tření tedy závisí na materiálu styčných ploch. 21
Mechanika Název pokusu: Práce potřebná k překlopení tělesa Cíl pokusu: závislost práce potřebné k překlopení tělesa na poloze těžiště Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: siloměr, listová pružina, stativová tyč, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Síla potřebná k překlopení tělesa má velikost 0,14N. 22
Mechanika Měříme sílu, kterou je třeba vynaložit na překlopení tělesa. Velikost síly je větší než v předchozí části, protože těleso má větší stabilitu. 23
Mechanika Název pokusu: Stabilita těles Cíl pokusu: zjištění, na čem závisí stabilita tělesa Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: 2 železné kvádry různé velikosti, 1 hliníkový kvádr, siloměr, listová pružina Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Určíme velikost síly potřebné k překlopení hliníkového kvádru přes listovou pružinu. 24
Mechanika Opět změříme velikost síly potřebné k překlopení železného kvádru stejné hmotnosti jako měl kvádr hliníkový. Tentokrát měříme velikost síly potřebné k překlopení železného kvádru, jehož hmotnost je dvojnásobná. 25
Mechanika Název pokusu: Spojité nádoby Cíl pokusu: hladina vody je ve spojitých nádobách s rozdílným průměrem ve stejné výšce Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, hadička, 2 trubičky různého průměru, odměrný válec Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Do trubičky s větším průměrem nalijeme vodu a sledujeme hladinu vody ve spojité nádobě. 26
Mechanika I při naklánění celého zařízení je hladina vody v obou ramenech ve stejné výšce. 27
Mechanika Název pokusu: Vztlaková síla Cíl pokusu: demonstrace závislosti velikosti vztlakové síly na objemu ponořené části Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, hliníkový kvádr, železný kvádr, železný kvádr menší, odměrný válec, siloměr, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut 28
Mechanika Zjistíme pomocí siloměru tíhu každého závaží. Pomocí odměrného válce zjistíme objem každého z těles. 29
Mechanika Vztlaková síla nezávisí na hmotnosti ponořeného tělesa ani na materiálu. Závisí na objemu ponořené části tělesa. 30
Mechanika 15. Název pokusu: Archimédův zákon Cíl pokusu: Velikost vztlakové síly je rovna tíze vytlačené kapaliny Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, hliníkový kvádr, dutý kvádr, kádinka, odměrný válec, provázek, siloměr Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Dutý kvádr má stejný objem, jako je objem kapaliny, kterou vytlačí hliníkový kvádr. Na siloměru zjistíme tíhu zavěšené soustavy. 31
Mechanika Hliníkový kvádr je ponořený ve vodě, dutý kvádr je nad hladinou. Měříme tíhu nadlehčovaného tělesa. 32
Mechanika Dutý kvádr naplníme vodou a měříme tíhu soustavy. Vztlaková síla je rovna tíze vytlačené kapaliny. 33
Mechanika Název pokusu: Model hustoměru Cíl pokusu: vytvoření modelu hustoměru, určení hustot kapalin Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium Pomůcky: zkumavka, odměrný válec, vyvažovací broky, petrolej, cukr, papír Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Model hustoměru ponoříme do válce s vodou, sledujeme, kam se zkumavka ponořila. Toto místo odpovídá hustotě vody (v našem případě po značku 26 ml). Vodu nahradíme petrolejem, postup opakujeme. Zkumavka se ponořila po značku 20 ml, což odpovídá hustotě petroleje ( 0,8 ). Lze ukázat i s cukerným roztokem (100 g vody a 100 g cukru), jehož hustota je 1,2 x větší než hustota vody, takže zkumavka se ponoří méně než ve válci s vodou. 34
Mechanika Název pokusu: Hydrostatický tlak Cíl pokusu: hydrostatický tlak roste s hloubkou, v daném místě je stejný ze všech stran Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, 2 skleněné trubičky, hadice z PVC, barvivo, ponorné sondy Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Pomocí dvou trubiček a hadice z PVC vytvoříme manometr, naplníme ho zabarvenou vodou. Odměrný válec naplníme vodou a uděláme značku v hloubce 5 a 10 cm. 35
Mechanika Po značku 5 cm pod hladinou ponoříme nejprve přímou sondu pro měření tlaku zdola, pak ponornou sondu pro měření tlaku z boku a nakonec sondu pro měření tlaku shora. Ve všech případech je výškový rozdíl vodní hladiny v trubičkách manometru stejný. 36
Mechanika 37
Mechanika Provedeme totéž v hloubce 10cm. Výškový rozdíl je opět ve všech případech stejný a je větší než v hloubce 5 cm. 38
Mechanika 39
Mechanika Název pokusu: Prodloužení pružiny ( Hookův zákon ) Cíl pokusu: zjištění závislosti prodloužení pružiny na působící síle Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, závaží 2 různé pružiny, délkové měřidlo Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Na pružinu zavěsíme držák závaží a měříme vzdálenost mezi držákem a deskou stolu. 40
Mechanika Na držák přidáváme závaží a zjišťujeme vzdálenost mezi držákem a deskou stolu. 41
Mechanika Totéž zopakujeme s pevnější pružinou. Zjistíme, že prodloužení je přímo úměrné působící síle. Pevnější pružina se při působení stejně velké síly natáhne méně. 42
Mechanika Název pokusu: Rovnoměrný pohyb Cíl pokusu: při rovnoměrném pohybu jsou uražené dráhy za stejný čas stejné Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: 2 dráhy 50cm, spojka, stativová tyč, vozík, závaží, snímač časového průběhu, vozík s pohonem, běžec, vodiče, zdroj střídavého napětí, metalizovaný papír Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Snímač časového průběhu připojíme na zdroj 12 V. Při lehkém postrčení by se měl vozík pohybovat rovnoměrně, ne zpomaleně. Spínač snímače nastavíme na 100 ms a postrčíme vozík. Snímač vyznačil na pásce dráhy, kterými prošel vozík za časové intervaly 0,1 s. 43
Mechanika Vozík vyměníme za vozík s vlastním pohonem a pokus zopakujeme. 44
Mechanika Při rovnoměrném přímočarém pohybu jsou vzdálenosti mezi vyznačenými body na pásce stejné. 45
Mechanika Název pokusu: Rovnoměrně zrychlený pohyb Cíl pokusu: za stejné časové úseky se uražené dráhy rovnoměrně zvětšují Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: 2 dráhy 50cm, spojka, stativová tyč, vozík, závaží, snímač časového průběhu, vozík s pohonem, běžec, vodiče, zdroj střídavého napětí, metalizovaný papír Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Spojením dvou drah vytvoříme 100 cm dlouhou dráhu, ze které pomocí stativové tyče vytvoříme nakloněnou rovinu. Snímač časového průběhu připojíme na zdroj 12 V. Spínač snímače nastavíme na 100 ms a uvolníme vozík. Snímač vyznačil na pásce dráhy, kterými prošel vozík za časové intervaly 0,1 s. 46
Mechanika Vzdálenosti mezi značkami odpovídají drahám, které vozík prošel za 0,1 s. 47
Mechanika Název pokusu: Volný pád Cíl pokusu: výpočet zrychlení pomocí snímače časového průběhu Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: dráha 50cm. Stolová svorka, držák závaží, závaží, snímač časového průběhu, metalizovaný papír, vodiče, zdroj střídavého napětí 12V, pásmo Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut 48
Mechanika Snímač časového průběhu nastavíme na 10 ms a uvolníme pásek. Po dopadu závaží vypneme snímač časového průběhu a pásek vytáhneme. Pro zrychlení platí: ; kde je přírůstek dráhy a je 0,01s. Lze tedy vypočítat zrychlení pomocí údajů zaznamenaných snímačem. 49
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Délková roztažnost pevných látek Cíl pokusu: s rostoucí teplotou se hliníková tyč prodlužuje Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: délkový dilatometr, líh, zápalky Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Kovová tyč je upevněna v držácích dilatometru. Prodloužení tyče bude převedeno pákovým převodem na pohyb ručičky. 50
Molekulová fyzika a termika Tyč zahříváme. Pozorujeme prodloužení tyče přenášené pákovým převodem. Při ochlazování pozorujeme zkrácení tyče. 51
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Bimetal Cíl pokusu: dokázat, že různé kovy se s rostoucí teplotou roztahují různě Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držák, bimetalový pásek, kahan, zápalky Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Upevníme bimetalový pásek do stojanu nad kahan. 52
Molekulová fyzika a termika Ohříváme bimetalový pásek a sledujeme jeho chování. Po ochlazení ho upneme do stojanu obráceně a znovu zahříváme. Pásek se v obou případech zkroutí díky různé tepelné roztažnosti obou kovů, které bimetal tvoří. 53
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Teplotní objemová roztažnost kovové kuličky Cíl pokusu: s rostoucí teplotou se objem kovové kuličky zvětšuje Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, kroužek s držákem, kulička, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Kulička při pokojové teplotě projde těsně kroužkem. 54
Molekulová fyzika a termika Kuličku zahřejeme nad plamenem kahanu. Po zahřátí kulička zvětší svůj objem a neprojde kroužkem. Necháme ji ležet na kroužku. 55
Molekulová fyzika a termika Po určité době kulička teplota kuličky o něco klesne a kulička sama propadne kroužkem, protože zmenšila svůj objem. 56
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Objemová roztažnost kapalin Cíl pokusu: s rostoucí teplotou roste objem kapaliny Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, držák, síťka, kádinka, trubička z umělé hmoty, zátka, zkumavka, teploměr, kahan, voda, barvivo Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 15 minut Obarvenou vodu nalijeme do kádinky, uzavřeme zátkou s otvorem, kterým prostrčíme trubičku. Na trubičce poznačíme výšku hladiny vody. 57
Molekulová fyzika a termika Při zahřívání kapalina zvětšuje svůj objem, proto vystoupí v trubičce nad původní značku. Vypneme kahan, poznačíme novou hladinu vody a sledujeme stav při ochlazování. 58
Molekulová fyzika a termika Při ochlazování kapalina svůj objem zmenšuje. 59
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Objemová roztažnost různých kapalin Cíl pokusu: různé kapaliny mění při stejné změně teploty svůj objem různě Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držáky, síťka, kádinka, trubičky z umělé hmoty, zátky, zkumavky, teploměr, kahan, voda, petrolej Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut V pravé zkumavce je voda, v levé petrolej. Původní výšku hladiny každé kapaliny označíme tužkou. 60
Molekulová fyzika a termika Při zahřívání vodní lázně, ve které jsou zkumavky ponořeny, se zvětšuje teplota kapalin ve zkumavkách, proto se zvětšuje jejich objem. Objem petroleje se zvětšuje rychleji než objem vody. 61
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Existence povrchové vrstvy kapaliny Cíl pokusu: ukázat, že volný povrch kapaliny se chová jako tenká pružná blána a závislost povrchového napětí na druhu kapaliny Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: miska s vodou, lehké mince, saponát Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Na volný povrch opatrně položíme mince. Povrch kapaliny se prohne, předměty se nepotopí, i když mají větší hustotu než voda. 62
Molekulová fyzika a termika Kápneme-li do vody trochu saponátu, mince se potopí. Došlo ke snížení povrchového napětí. 63
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Povrchová síla Cíl pokusu: existence povrchové síly Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: drátěný rámeček s očkem z niti, jehla, nádoba se saponátovým nebo mýdlovým roztokem Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Na drátěném rámečku, na jehož sousedních dvou stranách je volně uvázaná nit, vytvoříme blánu. Pokud blánu uvnitř očka protrhneme jehlou, zanikne povrchová síla a nit se napne do oblouku. 64
Molekulová fyzika a termika 65
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Závislost povrchového napětí na druhu kapaliny Cíl pokusu: změnou povrchového napětí se mění velikost povrchové síly Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: fotomiska, saponát, polystyrénová loďka Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Pokud se špejlí namočenou do saponátu dotkneme povrchu vody za lodičkou, loďka prudce vyletí. Došlo ke snížení povrchového napětí vody a zmenšení povrchové síly působící na lodičku. 66
Molekulová fyzika a termika 67
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Závislost povrchového napětí na druhu kapaliny Cíl pokusu: změnou povrchového napětí se mění velikost povrchové síly Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: fotomiska, zápalky saponát Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Jde o obměnu předchozí úlohy. Na povrch čisté vody položíme zápalky. Mezi konce zápalek kápneme trochu saponátu. 68
Molekulová fyzika a termika Zápalky rychle odplují k okraji misky. 69
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Kapilarita Cíl pokusu: demonstrace rozdílných výšek hladin kapaliny v kapilárách různého průměru Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: kádinka, sada kapilárních trubiček, barvivo, voda Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Kapilární trubičky mají různý vnitřní průměr, sledujeme závislost mezi výškou hladiny vody v kapiláře a jejím průměrem. 70
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Objemová roztažnost vzduchu při konstantním tlaku Cíl pokusu: s rostoucí teplotou se objem plynu zvětšuje Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držáky, síťka, kádinka, baňka, skleněná trubička, zátka, hadice z PVC, kahan, voda Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Sestavíme pokus baňka se uzavře zátkou s otvorem, kterým se protáhne skleněná trubička. Hadice se nasadí na trubičku, druhý konec ponoříme do kádinky s vodou. Baňku postavíme na síťku, opatrně ohříváme vzduch v baňce a pozorujeme hadici v kádince. 71
Molekulová fyzika a termika Při zahřívání vidíme v kádince vystupovat bublinky vzduchu. Nyní kahan zhasneme. 72
Molekulová fyzika a termika Při ochlazování vzduch svůj objem zmenšuje, čímž se dostane voda z kádinky do hadice. 73
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Vedení tepla u různých kovů Cíl pokusu: dva různé kovy vedou teplo různě Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držáky, hliníková e železná trubka, vosk, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Hliníkovou a železnou tyč stejného průměru upevníme do stojanů tak, aby se jejich konce vzájemně dotýkaly. Pod styčné místo umístíme stojan. Na obě tyče přilepíme 3 voskové kuličky do stejných vzdáleností. 74
Molekulová fyzika a termika Po třech minutách odpadla první vosková kulička z hliníkové tyče. 75
Molekulová fyzika a termika Po pěti minutách od začátku zahřívání odpadla první kulička ze železné tyče, v tuto dobu začíná již sjíždět druhá kulička z hliníkové tyče. 76
Molekulová fyzika a termika Po osmi minutách kahan zhasneme. Na hliníkové tyči zůstala jedna kulička, která již začíná sjíždět, na železné tyči zůstávají dvě voskové kuličky. Hliník je tedy lepší vodič tepla než železo. 77
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Proudění tepla Cíl pokusu: určení směru proudění ohřátého vzduchu Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držák, zalomená jehlice do pravého úhlu, spirála, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Papírovou spirálu nasadíme na špici jehlice, uchycené ve stativu. Zapálíme kahan. Spirála se začne otáčet, což dokazuje, že ohřátý vzduch stoupá vzhůru. 78
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Tepelné záření Cíl pokusu: světlé a lesklé plochy pohlcují méně tepelného záření než tmavé a matné Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držáky, 2 tělesa pro tepelné záření, 2 teploměry, žárovka Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Tělesa pro tepelné záření upneme do držáků a zasuneme do nich teploměr. Počáteční teplota je stejná. 79
Molekulová fyzika a termika Obě tělesa zahříváme žárovkou, teploměr v tmavém tělese již po krátké době ukazuje vyšší teplotu než teploměr ve světlém tělese. 80
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Tepelná izolace Cíl pokusu: při dobré tepelné izolaci uniká teplo pomalu Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, 2 držáky, síťka, kádinka, 2 teploměry, kalorimetr, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut 200 ml vody zahřejeme kahanem na 66 C, 100 ml nalijeme do hliníkové nádoby, zbylých 100 ml nalijeme do kalorimetru. Měříme teplotu vody po 1; 3; 5 minutách. 81
Molekulová fyzika a termika Teploměry ukazují teplotu vody po jedné minutě. 82
Molekulová fyzika a termika Teploty po třech minutách. 83
Molekulová fyzika a termika Kalorimetr je vhodný pro tepelnou izolaci. 84
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Měrná tepelná kapacita pevných látek Cíl pokusu: různé látky mají různou měrnou tepelnou kapacitu Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, držáky, síťka, kádinka, odměrný válec, teploměr, kvádr hliníkový a železný stejné hmotnosti, kalorimetr, kahan, provázek Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 15 minut 85
Molekulová fyzika a termika Hliníkový i železný kvádr stejné hmotnosti ponoříme do kádinky s vodou. Vodu kahanem zahřejeme. Do kalorimetru nalijeme 100 ml vody a změříme teplotu. 86
Molekulová fyzika a termika Hliníkové těleso přeneseme do kalorimetru a zjistíme, o kolik se zvýšila teplota vody v kalorimetru. 87
Molekulová fyzika a termika Hliníkové těleso vytáhneme a do kalorimetru vložíme těleso železné. Zjistíme zvýšení teploty vody v kalorimetru. Měrná kapacita železa je větší než měrná tepelná kapacita hliníku. 88
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Teplota tání Cíl pokusu: pevná látka se při dosažení teploty tání a dodání skupenského tepla tání stává látkou kapalnou Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, držáky, kruhový držák, síťka, kádinka, zkumavka, teploměr, thiosíran, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Zkumavku naplníme thiosíranem sodným a ponoříme do kádinky s vodou. Ohříváme vodu kahanem a sledujeme teplotu ve zkumavce. 89
Molekulová fyzika a termika Při dosažení teploty 40 C začíná thiosíran tát. 90
Molekulová fyzika a termika Teplota vystoupí na 48, což je teplota tání thiosíranu. Teplota nestoupá do té doby, než všechen thiosíran roztaje. Teprve poté začne teplota opět stoupat. 91
Molekulová fyzika a termika Thiosíran je v kapalném stavu, teploměr ukazuje teplotu 57 C. 92
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Skupenské teplo tuhnutí Cíl pokusu: při tuhnutí látky se uvolňuje teplo Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, držáky, kádinka, síťka, zkumavka, teploměr, kruhový držák, thiosíran sodný Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Thiosíran necháme roztavit ve zkumavce ponořené do kádinky s vodou. Nyní ho necháme ochlazovat a pozorujeme teploměr. 93
Molekulová fyzika a termika Teplota klesla na 32 C, kapalina ještě neztuhla, i když teplota tuhnutí je 48 C. 94
Molekulová fyzika a termika Vhodíme do zkumavky několik krystalků thiosíranu, nyní látka tuhne rychleji. Teplota stoupá, protože látka při tuhnutí odevzdává teplo. Uchopíme li zkumavku do ruky, cítíme oteplení. 95
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Teplota varu Cíl pokusu: porovnání teploty varu vody a teploty varu solného roztoku Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, držáky, síťka, kádinka, teploměr, kruhový držák, zkumavka Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Ohříváme kahanem vodu ve zkumavce na bod varu. Při dosažení teploty varu už teplota na teploměru nestoupá. Teplo se spotřebovává k vypařování vody. 96
Molekulová fyzika a termika Pokud do vařící vody vhodíme kuchyňskou sůl, teplota začne stoupat solný roztok má teplotu varu větší než voda. 97
Molekulová fyzika a termika Název pokusu: Destilace Cíl pokusu: ze zabarvené vody znovu uděláme vodu bezbarvou Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, kruhový držák, síťka, kádinka, zkumavka, baňka, odměrný válec, skleněná trubička, zátka s otvorem, trubička z umělé hmoty, barvivo, kahan Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Do baňky nalijeme obarvenou vodu, baňku uzavřeme zátkou s otvorem, kterým protáhneme skleněnou trubičku. Na ni nasadíme hadičku z PVC, na její druhý konec připevníme druhou skleněnou trubičku, kterou ponoříme do zkumavky postavené do kádinky se studenou vodou. Obarvenou vodu zahříváme kahanem. 98
Molekulová fyzika a termika 99
Molekulová fyzika a termika Vodní pára je vedena hadičkou do zkumavky, v níž kondenzuje díky studené vodě v kádince. 100
Molekulová fyzika a termika Ve zkumavce je bezbarvá voda, barevná látka po odpaření zůstala v baňce. 101
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Doba kmitu matematického kyvadla Cíl pokusu: doba kmitu matematického kyvadla závisí na délce kyvadla Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, stolová svorka, držák závaží, závaží, provázek, stopky Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 15 minut Závaží s držákem má hmotnost 110 g, délka kyvadla je 40 cm. Kyvadlo vychýlíme z rovnovážné polohy asi 5 cm a měříme dobu 10 kmitů a vypočteme dobu jednoho kmitu ( 1,2 ). Nyní kyvadlo vychýlíme z rovnovážné polohy asi 10 cm a měříme dobu 10 kmitů a určíme dobu jednoho kmitu ( 1,2 ). Nakonec přidáme ještě jedno závaží a ze změřené doby 10 kmitů určíme dobu jednoho kmitu ( 1,2 ). 102
Mechanické kmitání a vlnění Zvětšíme délku kyvadla na 80 cm a změříme délku 10 kmitů. Doba jednoho kmitu je 1,8. Zkrátíme-li délku kyvadla na 20 cm, zjistíme dobu jednoho kmitu 0,9. Zjistíme, že doba kmitu matematického kyvadla nezávisí na hmotnosti kyvadla a při malých úhlech ani na amplitudě výchylky, závisí na délce kyvadla. Porovnáme naměřené hodnoty se vztahem 2. ( 1,256 ; 0,89 ; 1,78 ). 103
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Doba kmitu pružinového oscilátoru Cíl pokusu: doba kmitu pružinového oscilátoru závisí na hmotnosti tělesa a tuhosti pružiny Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, stolová svorka, 2 pružiny, držák závaží, závaží, stopky Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 15 minut Na jemnější pružinu zavěsíme držák závaží a změříme vzdálenost spodní části držáku a spodní části objímky. Totéž provedeme s tužší pružinou. 104
Mechanické kmitání a vlnění Na každou pružinu zavěsíme závaží 50 g a změříme vzdálenost spodní částí držáku a objímky. Ze vztahu vypočteme tuhost každé pružiny 3,46., 19,62.. Na jemnější pružině necháme závaží o hmotnosti 50 g, hmotnost celková je tedy 60 g, změříme dobu 10 kmitů a vypočteme dobu jednoho kmitu ( 0,9 ). Pokus opakujeme se dvěma závažími, takže hmotnost je nyní 110 g. Doba jednoho kmitu je 1,2. Totéž zopakujeme s tužší pružinou ( 4 ; 5 ). Porovnáme s hodnotami vypočtenými dle vzorce 2. ( 0,83 ; 1,12 ; 0,35 ; 0,47 ). Doba kmitu pružinového oscilátoru závisí na hmotnosti tělesa a tuhosti pružiny. 105
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Doba kmitu ploché pružiny Cíl pokusu: doba kmitu závisí na délce pružiny a hmotnosti, nezávisí na amplitudě kmitů Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stolová svorka, běžec pro upevnění pružiny, závitová tyč, závaží, stopky, plochá pružina Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut K ploché pružině jsou pomocí závitové tyče připevněna 2 závaží o hmotnosti 50 g. Měříme dobu 10 kmitů při amplitudě kmitů 4 cm. Vypočteme dobu jednoho kmitu ( 0,5 ). Změníme amplitudu na 8 cm, změříme dobu 10 kmitů a vypočteme dobu jednoho kmitu. Zjistíme, že 0,5. Doba kmitu ploché pružiny tedy nezávisí na amplitudě kmitů. Nyní přidáme na každou stranu pružiny po jednom závaží o hmotnosti 50 g a vypočteme dobu jednoho kmitu ( 0,8 ). S rostoucí hmotností se doba kmitu zvětšuje. 106
Mechanické kmitání a vlnění Nyní zkrátíme délku pružiny a změříme dobu deseti kmitů Doba jednoho kmitu je 0,3. Kratší pružina má kratší dobu kmitu. 107
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Časový průběh kmitavého pohybu ploché pružiny Cíl pokusu: časový průběh kmitavého pohybu ploché pružiny je znázorněn sinusoidou Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stolová svorka, běžec pro uchycení ploché pružiny, držák pera, závitová tyč, závaží, plochá pružina, pero Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Na konec ploché pružiny umístíme držák, do kterého nasadíme tužku. Rozkmitáme plochou pružinu a v průběhu kmitání táhneme papír pokud možno rovnoměrně. Poté zkrátíme délku pružiny na polovinu a opět provedeme záznam pohybu. Časový průběh je vyjádřen sinusoidou. 108
Mechanické kmitání a vlnění Čím kratší je pružina, tím větší je frekvence. 109
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Měření gravitačního zrychlení Cíl pokusu: pomocí matematického kyvadla lze vypočítat velikost gravitačního zrychlení Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: stativ, stativové tyče, stolová svorka, držák závaží, závaží, provázek, stopky Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Těžiště soustavy je přibližně mezi oběma závažími. Délka kyvadla je 86 cm. Změříme dobu 10 kmitů a určíme dobu jednoho kmitu 1,86. Z rovnice 2 vyjádříme gravitační zrychlení. Po dosazení naměřených hodnot vypočítáme 9,80. 110
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Dynamické měření tuhosti pružiny Cíl pokusu: tuhost pružiny určíme z doby kmitu pružinového oscilátoru Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium Pomůcky: stativ, stativová tyč, stolová svorka, držák závaží, závaží, 2 pružiny, stopky Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Použijeme pevnější pružinu. Na držáku o hmotnosti 10 g jsou zavěšena tři závaží, každé o hmotnosti 50 g. Hmotnost soustavy je tedy 160 g. Měříme dobu 10 kmitů a určíme dobu 1 kmitu 0,57. Tuhost pružiny vyjádříme ze vztahu 2. 19,42. 111
Mechanické kmitání a vlnění Pokus opakujeme s jemnější pružinou, na kterou zavěsíme držák o hmotnosti 10 g s jedním závažím o hmotnosti 50 g. Doba jednoho kmitu je 0,85. Tuhost této pružiny po dosazení do vzorce vyjde 3,28. 112
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Spřažená kyvadla Cíl pokusu: demonstrace vzájemné periodické výměny energie mezi spřaženými kyvadly Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: spřažená kyvadla, malé závaží Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Vychýlíme první kyvadlo kolmo na rovinu kyvadel, necháme ho volně kývat. Zjistíme, že amplituda výchylky tohoto kyvadla se zmenšuje, druhé kyvadlo se začíná kývat s rostoucí amplitudou výchylky. Když se první kyvadlo zastaví, druhé kývá s amplitudou výchylky. Děj se periodicky opakuje. 113
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Chvění ladičky Cíl pokusu: dokázat chvění ladičky vydávající zvuk Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: ladička, stojánek se zavěšeným korálkem Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 5 minut Úderem kladívka rozezvučíme ladičku a přiblížíme k ní stojánek se zavěšeným korálkem. Korálek od ladičky odskakuje, což dokazuje chvění ladičky. 114
Mechanické kmitání a vlnění Název pokusu: Chvění kovových desek Cíl pokusu: prokázat chvění desek vydávajících zvuk Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší gymnázium, vyšší gymnázium Pomůcky: kovové desky pro demonstraci Chladniho obrazců, smyčec, jemný písek Časová náročnost na přípravu pokusu: 5 minut Délka trvání pokusu: 10 minut Kovovou desku posypeme jemným pískem, rozezvučíme ji tahem smyčce po okraji desky kolmo na její rovinu. V důsledku chvění desky odskakují zrnka písku, protože se přemísťují do uzlových čar a tím vytváří tzv. Chladniho obrazce. 115
Závěr V materiálu, který máte před sebou, jsou uvedeny základní pokusy z daných kapitol. Je jistě spoustu dalších pokusů, které lze provádět při výuce fyziky na základní či střední škole. Snahou bylo uvést typové demonstrační pokusy, většinu z nich lze provádět jako pokusy žákovské. Některé úlohy jsou natolik základní, že jsou vhodné pro základní školu či nižší třídy víceletých gymnázií, jiné jsou vhodné i pro učivo střední školy. 116