Experimenty z magnetismu a z fyziky mikrosvěta

Podobné dokumenty
Studium fotoelektrického jevu

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Charakteristiky optoelektronických součástek

Laboratorní práce č. 3: Měření elektrického proudu a napětí

pracovní list studenta Elektromagnetické jevy Magnetické pole cívky Eva Bochníčková

Fyzika. 8. ročník. LÁTKY A TĚLESA měřené veličiny. značky a jednotky fyzikálních veličin

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

Laboratorní práce ve výuce fyziky

Zeemanův jev. Pavel Motal 1 SOŠ a SOU Kuřim, s. r. o. Miroslav Michlíček 2 Gymnázium Vyškov

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

Maturitní témata fyzika

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

V-A charakteristika polovodičové diody

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Abstrakt. fotodioda a fototranzistor) a s jejich základními charakteristikami.

Praktikum III - Optika

Teorie: Voltampérovou charakteristiku měříme v propustném i závěrném směru.

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

Jednoduchý elektrický obvod

Ing. Stanislav Jakoubek

VY_52_INOVACE_2NOV64. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 8. a 9.

Elektrotechnika - test

Laboratorní práce č. 3: Určení voltampérové charakteristiky polovodičové diody

Název: Polovodiče zkoumání závislosti odporu termistoru a fotorezistoru na vnějších podmínkách

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Několik pokusů s LED. ZDENĚK POLÁK Jiráskovo gymnázium v Náchodě. Abstrakt. Použití LED. Veletrh nápadů učitelů fyziky 17

Elektrodynamika, elektrický proud v polovodičích, elektromagnetické záření, energie a její přeměny, astronomie, světelné jevy

Pracovní list žáka (ZŠ)

ZÁKLADNÍ POJMY KVANTOVÉ FYZIKY, FOTOELEKTRICKÝ JEV. E = h f, f je frekvence záření, h je Planckova

Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

ANOTACE vytvořených/inovovaných materiálů

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Charakteristiky optoelektronických součástek

F MATURITNÍ ZKOUŠKA Z FYZIKY PROFILOVÁ ČÁST 2017/18

Polohová a pohybová energie

Účinky elektrického proudu. vzorová úloha (SŠ)

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

E K O G Y M N Á Z I U M B R N O o.p.s. přidružená škola UNESCO

Elektrodynamika, elektrický proud v polovodičích, elektromagnetické záření, energie a její přeměny, astronomie

Pracovní list žáka (SŠ)

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Fotoelektrický jev a Planckova konstanta

Stručný úvod do spektroskopie

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Balmerova série vodíku

ODPOR TERMISTORU. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, 2011

Využití systému firmy Vernier při řešení úloh

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vyučovací předmět: Fyzika Ročník: 9.

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

15. Elektrický proud v kovech, obvody stejnosměrného elektrického proudu

pracovní list studenta Elektrický proud v kovech Voltampérová charakteristika spotřebiče Eva Bochníčková

Podmínky pro hodnocení žáka v předmětu fyzika

2 Teoretický úvod 3. 4 Schéma zapojení Měření třemi wattmetry (Aronovo zapojení) Tabulka hodnot pro měření dvěmi wattmetry...

Podmínky pro hodnocení žáka v předmětu fyzika

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Elektřina vlastníma rukama

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

Název: Měření paralelního rezonančního LC obvodu

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Určení Planckovy konstanty pomocí fotoelektrického jevu

HEJNO REZISTORŮ žákovská varianta

Podmínky pro hodnocení žáka v předmětu fyzika

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Ročník VI. Fyzika. Období Učivo téma Metody a formy práce- kurzívou. Kompetence Očekávané výstupy. Průřezová témata. Mezipřed.

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

1. Změřte Hallovo napětí v Ge v závislosti na proudu tekoucím vzorkem, magnetické indukci a teplotě. 2. Stanovte šířku zakázaného pásu W v Ge.

Hranolový spektrometr

Dualismus vln a částic

Zapojování rezistorů ZAPOJOVÁNÍ REZISTORŮ. sériově = za sebou. paralelně = vedle sebe. VY_32_INOVACE_53.notebook. May 25, 2012

SCLPX 07 2R Ověření vztahu pro periodu kyvadla

EUROPEAN TRADESMAN PROJECT NOTES ON ELECTRICAL TESTS OF ELECTRICAL INSTALLATIONS. Použití měřících přístrojů

F - Sériové a paralelní zapojení spotřebičů

ZÁPIS DO ŠKOLNÍHO SEŠITU část 06 ELEKTRICKÝ PROUD - část 01

4. STANOVENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Elektrický proud. Elektrický proud : Usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem. Kovy: Usměrněný pohyb volných elektronů

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, transformátory a jejich vlastnosti

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Název: Měření magnetického pole solenoidu

Sestrojení voltampérové charakteristiky diody (experiment)

4.2.5 Měření elektrického napětí a proudu (cvičení)

25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory

MAGNETICKÉ POLE PERMANENTNÍHO MAGNETU

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

MENSA GYMNÁZIUM, o.p.s. TEMATICKÉ PLÁNY TEMATICKÝ PLÁN (ŠR 2017/18)

Fotoelektrické snímače

Učební osnova předmětu ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ. studijního oboru M/01 ELEKTROTECHNIKA (silnoproud)

Transkript:

Experimenty z magnetismu a z fyziky mikrosvěta JAROSLAV REICHL Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská, Praha V příspěvku jsou popsány čtyři experimenty, pomocí kterých lze demonstrovat vlastnosti magnetického pole a základní jevy z kvantové mechaniky (zejména fotoelektrický jev a jeho matematický popis). Úvod V hodinách fyziky se snažím zařazovat různé typy experimentů, které mají žáky motivovat k dalšímu studiu, ale také prostě odlehčit probírané téma využitím opravdu jednoduchého experimentu. Všechny experimenty jsou v průběhu vyučovací hodiny vysvětleny buď v rámci výkladu, nebo samotnými žáky. A experimenty zařazené do hodin fyziky pak motivují žáky i k výběru tématu absolventského projektu, který je na naší škole součástí profilové části maturitní zkoušky. Jeden z absolventských projektů je níže popsán. Experimenty Dále popsané experimenty lze použít v hodinách fyziky v popsaném tvaru, případně si je může každý učitel uzpůsobit svému vlastnímu stylu výuky, práci se žáky a dalším specifikům své výuky. Magnetická levitace Magnetická levitace bylo téma absolventského projektu [1] Jiřího Budila naší školy. Téma si vybral proto, že ho daná problematika baví jak teoreticky, tak je schopen prakticky velmi kvalitně příslušnou pomůcku vyrobit. Před vlastní výrobou modelu visacího levitátoru popsal různé typy magnetických levitátorů, uvedl jejich výhody i nevýhody (jak principiální, tak konstrukční) a nakonec si vybral tzv. visací levitátor. Před vlastním návrhem elektronického řešení i mechanické konstrukce tohoto typu levitátoru proměřil řadu charakteristik magnetů i Halových sond, které dále používal. Až poté přistoupil k návrhu obvodů, výrobě cívek, zapojování elektrických obvodů a stavbě nosné mechanické konstrukce. Schéma zapojení elektrické části modelu visacího levitátoru je zobrazeno na obr. 1, vyrobený model včetně levitujícího tělesa je zobrazen na obr. 2. V zadání práce bylo specifikováno, co vše má autor provést (kromě návrhu leviátoru sestrojit i vizualizaci modelu). Autorovi se podařilo 281

vyrobit model, který je vhodný jako pomůcka pro další výuku fyziky. Při obhajobě své maturitní práce vystupoval velmi přesvědčivě, každý dotaz komise dokázal správně zodpovědět. Následně pak svůj absolventský projekt prezentoval na výstavě studentských projektů STRETECH pořádané ČVUT Praha, kde dokázal velmi dobře reagovat i na velmi zvídavé dotazy vysokoškolských pedagogů. Obr. 1 Schéma zapojení visacího magnetického levitátoru Obr. 2 Finální model visacího magnetického levitátoru 282

Magnetické materiály Při jednom z nákupů na e-shopu firmy Unimagnet mě zaujala magnetická barva [2]. Přemýšlel jsem, jak by se dala tato barva využít ve fyzice, a náměty na jednoduché experimenty se dostavily. Obr. 3 Ukázka obrázkových kartiček; některé jsou z jedné strany potřené magnetickou barvou Pro první z experimentů jsem připravil kartičky s různými obrázky těles ze dvou skupin: feromagnetické (šroubovák, klíč, kovový šrot, ) a diamagnetické (dřevo, guma, člověk, ). Kartičky s obrázky těles z feromagnetických materiálů jsem potřel z rubu magnetickou barvou a všechny kartičky zalaminoval. Ze špejle, niti a magnetu lze vyrobit jednoduchou udici, pomocí které lze obrázky těles z feromagnetických materiálů zvedat (obr. 3). Tento experiment je sice velmi jednoduchý, ale pro základní seznámení s magnetickým polem může být užitečný. Ke druhému experimentu budeme potřebovat plech z feromagnetického materiálu a kartonovou desku. Obě desky postupně umístíme do svislé polohy a za desku umístíme silnější magnet. Pokud budeme kartičky, na kterých je umístěna magnetická barva, opatrně házet na desku, udrží se kartičky pouze na kartonové desce, zatímco od feromagnetické desky budou kartičky odpadávat. U desky z feromagnetického materiálu, za níž je umístěn magnet, se totiž magnetické indukční čáry uzavírají a do prostoru před deskou již nezasahují. Kartonovou deskou magnetické pole projde, a proto se na ní budou kartičky držet. 283

Fotoefekt s LED K experimentu, kterým netradičním způsobem ukážeme kvalitativně fotoefekt, budeme potřebovat několik LED emitujících elektromagnetické záření různých vlnových délek (tj. jak v oblasti lidským okem viditelného světla, tak třeba v oblasti ultrafialové či infračervené), ochranný rezistor (o odporu např. 100 ohmů), zdroj napětí (plochá baterie), spojovací vodiče a voltmetr. Jednu LED připojíme sériově přes ochranný rezistor k baterii a druhou, kterou umístíme naproti první LED, připojíme k voltmetru. Schematicky situaci zobrazuje obr. 4. Na obr. 5 je pak zobrazeno konkrétní provedení daného experimentu. Obr. 4 Schéma zapojení elektrických obvodů Obr. 5. Zapojený skutečný obvod Osvědčilo se mi připájet LED pomocí hřebíčků na dřevěný panel tak, aby vždy dvojice LED byla proti sobě tj. aby záření vycházející z LED připojené k baterii dopadalo do druhé LED přímo. Po zapojení první LED ke zdroji napětí ukáže voltmetr připojený ke druhé LED elektrické napětí. To tedy znamená, že záření dopadající na aktivní oblast druhé LED způsobilo fotoelektrický jev. Elektrony při tomto jevu uvolněné pak vytvořily příslušný rozdíl potenciálů detektovatelný jako elektrické napětí voltmetrem. Právě popsaným způsobem proběhne experiment pouze v případě, pokud bude splněna podmínka pro energii fotonů daných frekvencí (resp. vlnových délek). Pokud je f 1 frekvence záření emitovaného první LED a f 2 je frekvence záření, kterou by emitovala druhá LED (momentálně připojená k voltmetru), ukáže voltmetr nenulovou hodnotu napětí za předpokladu, že platí: f 1 > f 2. Tato podmínka vyplývá ze zákona zachování energie: foton dopadající na druhou 284

LED musí mít vyšší energii, než je energie fotonu, který by byl druhou LED emitován. Frekvence (resp. energie) fotonu emitovaného danou LED je přitom dána materiálem použitým pro její výrobu. Pokud uvedená podmínka pro frekvence fotonů nebude platit, fotoefekt nenastane a voltmetr ukáže nulovou hodnotu napětí. Právě popsaný experiment by bylo možné vylepšit pečlivým proměřením napětí mezi různými dvojicemi LED. Planckova konstanta Pokud je to ve školních podmínkách možné, rád ukazuji proměřování fyzikálních konstant s využitím jednoduchých pomůcek. Daleko podstatnější v danou chvíli je, aby žáci experimentu rozuměli, případně ho sami navrhli a experiment jim přinesl ujasnění (resp. využití) probíraného fyzikálního zákona, než zda vyjde přesná tabulková hodnota proměřované konstanty. Pro měření Planckovy konstanty jsem vycházel z elektrického obvodu, jehož schéma je na obr. 6. Napětí na LED jsem postupně zvyšoval do doby, než začala LED svítit. Hodnotu tohoto prahového napětí jsem si poznamenal. (Prahové napětí lze získat i z průběhu voltampérové charakteristiky příslušné LED; proto je v obvodu zapojen také ampérmetr.) Při plném jasu jsem pak s využitím spektrometru firmy Vernier naměřil vlnovou délku, na níž LED vyzařuje s nejvyšší intenzitou. Stejný postup jsem pak zopakoval pro další typy LED. Obr. 6 Schéma obvodu Obr. 7. Graf závislosti energie fotonu na jeho frekvenci 285

Foton viditelného světla dané frekvence vzniká v LED při rekombinaci páru elektron díra. Elektrická energie (daná prahovým napětím U a elektrickým nábojem Q elektronu) se mění ne energii fotonu elektromagnetického záření s frekvencí f. Tedy podle zákona zachování energie můžeme psát: E = UQ = hf, kde h je Planckova konstanta. Frekvenci fotonu příslušného záření přitom získáme z proměřené vlnové délky a velikosti rychlosti světla ve vakuu. Pokud vyneseme závislost energie fotonu (spočítané z hodnoty prahového napětí a náboje elektronu) na frekvenci daného fotonu, získáme graf zobrazený na obr. 7. Aproximací získáme lineární průběh, z něhož lze Planckovu konstantu určit jako směrnici tohoto lineárního průběhu. Na základě naměřených hodnot vychází z provedeného a zaznamenaného experimentu hodnota Planckovy konstanty 6,28 10 34 J.s. Detailněji je měření spolu s naměřenými daty a dalšími grafy popsáno v [3]. Literatura [1] Budil J.: Absolventský projekt Magnetická levitace, SPŠST Panská Praha, 2017. [2] https://www.unimagnet.cz/63-magneticka-barva, [citováno 27. 8. 2017] [3] http://jreichl.com/fyzika/vernier/planckova_konstanta.pdf, [citováno 27. 8. 2017] 286