Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Přírodovědecká fakulta
Praktikum školních pokusů D Studijní opora pro kombinované studium
R. Seifert
2010
2
Úvod Kurz „Praktikum školních pokusů D“ navazuje na předchozí stejnojmenné kurzy PŠP A, B a C, se kterými má i obdobný obsah a náplň. Cílem kurzu je nadále prohloubit schopnost studentů samostatně demonstrovat základní fyzikální jevy a děje v podobných podmínkách, s jakými se mohou setkat ve své pozdější praxi. Vzhledem k návaznosti na výše jmenované kurzy zde již nebudou opakována všeobecná pravidla práce v laboratoři a ochrany zdraví, ani základní metodiky předvádění demonstračních experimentů. Předpokládá se, že je student má již dostatečně zažité z předchozích kurzů. Tento studijní text obsahuje rámcové návody k jednotlivým úlohám. Studenti si v rámci své domácí přípravy na základě těchto připraví podrobné návody a dohledají teoretické pozadí demonstrovaných jevů tak, aby byli schopni jevy předvést a vysvětlit.
3
4
Obsah Úvod.....................................................................................................................................................2 Obsah....................................................................................................................................................3 1 Výroba drobných pomůcek ze skla a plastových lahví....................................................................4 1.1 Řezání skleněných trubic..........................................................................................................4 1.2 Zatavení okrajů v plameni........................................................................................................4 1.3 Ohýbání skleněné trubice..........................................................................................................4 1.4 Výroba pipety...........................................................................................................................5 1.5 Řezání plastových lahví............................................................................................................5 1.6 Práce s korkovrtem...................................................................................................................5 1.7 Vytvoření otvoru v plastové lahvi.............................................................................................5 2 Pokusy s vývěvou.............................................................................................................................6 2.1 Uhasnutí svíčky pod recipientem..............................................................................................6 2.2 Určení tlaku pod recipientem, ověření funkce rtuťového manometru......................................6 2.3 Balónek, který se sám nafoukne, omládnutí jablka..................................................................6 2.4 Žíznivá zkumavka.....................................................................................................................6 2.5 Magdeburské polokoule............................................................................................................7 2.6 Heronova fontána......................................................................................................................7 2.7 Protržení napjaté blány.............................................................................................................7 2.8 Znázornění podtlaku pomocí Heronovy baňky........................................................................7 2.9 Var vody za sníženého tlaku.....................................................................................................7 2.10 Vliv tlaku vzduchu na šíření zvuku........................................................................................7 3 Pokusy z molekulové fyziky a termiky............................................................................................8 3.1 Existence mezimolekulárních mezer........................................................................................8 3.2 difuze v kapalině.......................................................................................................................8 3.3 přilnavost..................................................................................................................................8 3.4 přilnavost skla a soudržnost vody.............................................................................................8 3.5 existence povrchové blány........................................................................................................9 3.6 směr působení povrchového napětí...........................................................................................9 3.7 zakřivené povrchové blány – tělesa s nejmenším povrchem....................................................9 3.8 kapilární elevace v závislosti na poloměru.............................................................................10 3.9 kapilární vzlínání na klínu......................................................................................................10 3.10 závislost kapilárního tlaku na poloměru kulové bubliny......................................................11 4 Třífázový proud..............................................................................................................................12 4.1 vznik střídavého proudu..........................................................................................................12
5
6
1 Výroba drobných pomůcek ze skla a plastových lahví Ve školské praxi je užitečné dokázat si vyrobit drobné pomůcky potřebné pro přípravu experimentů atp. Mnoho pomůcek lze vyrobit z běžně dostupného materiálu – skleněných trubic a plastových lahví. Pomůcky:
plynový kahan, skleněné trubice (6/8 mm), řezák na sklo nebo jehlový pilník, hřebík nebo kus drátu, kombinačky nebo laboratorní kleště, korkovrt, ostrý nůž (odlamovací řezák na koberce), nůžky, korkové a gumové zátky, plastové lahve o objemu 0,5 a 1,5 l, gumové nebo PET hadičky
Úkoly: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Ilustrace 1: Pomůcky vyrobené ze skla
Odřízněte 20 cm skleněné trubice Otavte ostré hrany v plameni Naučte se ohnout skleněnou trubici do pravého úhlu Vyrobte jednoduchou pipetu Z plastové lahve odřízněte horní část a vytvořte tak jednoduchou kádinku do korkové zátky vyvrtejte otvor korkovrtem do plastové lahve vypalte otvor hřebíkem využijte nabytých zkušeností k výrobě jednoduché učební pomůcky dle vlastního návrhu.
Bezpečnostní upozornění • • •
Budete pracovat s otevřeným ohněm. Nepřibližujte se do jeho blízkosti se snadno vznětlivými materiály Pozor na popáleniny, horké sklo vypadá stejně, jako studené! při práci se sklem hrozí riziko pořezání, pracujte obezřetně.
1.1 Řezání skleněných trubic. • • •
Pro řezání se používá buď speciální řezák na sklo, v nouzi si však lze vystačit i s ostrým pilníkem. ve zvoleném místě trubice vyryjeme rýhu. Ta musí být dostatečně hluboká. naříznuté místo podložíme např. zápalkou a trubici mírným tlakem zlomíme.
1.2 Zatavení okrajů v plameni • •
Ostré okraje trubice se otaví vožením do plamene plynového kahanu. Pro dosažení rovnoměrného otavení je vhodné trubicí rovnoměrně otáčet. Po otavení nechte trubici vychladnout na nehořlavé podložce.
1.3 Ohýbání skleněné trubice • •
V místě budoucího ohybu trubici vložíme do plamene a za neustálého otáčení rovnoměrně prohříváme. Při dosažení správné teploty sklo změkne „ztěstovatí“, což lze cítit v prstech. 7
•
Poté je možno trubici ohnout do požadovaného tvaru. Při příliš rychlém ohnutí dojde k „uskřípnutí“ trubice, pracujte proto s rozvahou.
1.4 Výroba pipety • • •
V požadovaném místě se opět trubice rovnoměrně prohřeje v plameni plynového kahanu Po změknutí skla táhneme oba konce pomalu od sebe. Po dosažení požadovaného zúžení necháme trubici vychladnout. Vychladlou trubici v místě zúžení rozdělíme, konce zatavíme.
1.5 Řezání plastových lahví Na řezání plastových lahví je vhodný např. odlamovací nůž na koberce. Pro finální začištění poslouží bytelnější nůžky.
1.6 Práce s korkovrtem Korkovrt je sada dutých trubicových vykružovacích vrtáků (viz obr. 8). Součástí sady by měl být i ostřič. Ostření korkovrtu
Vybraný vrták nasuneme na ostřič, a za stálého přitlačování čepele jím otáčíme. Tím dojde k vytvoření potřebného ostří. Vytvoření otvoru
Do otvoru v korkovrtu nasuneme páčidlo, vrták nasadíme na zátku v místě budoucího otvoru a za soustavného otáčení působíme tlakem proti zátce. Po vytvoření otvoru vytlačíme zbytek zátky z vrtáku pomocí páčidla.
1.7 Vytvoření otvoru v plastové lahvi Hřebík nahřejeme nad plamenem, při vytváření dbáme na kulatost otvorů. To usnadní pozdější utěsňování trubic.
Ilustrace 2: Nářadí pro práci se sklem: (shora) sada korkovrtů, řezák na sklo, ostřič korkovrtů a pilník 8
2 Pokusy s vývěvou Literatura: M. Rojko a kol.: Fyzika kolem nás, učitelská verze, Scientia, Praha 1997, J. Mazáč, A. Hlavička: Praktikum školních pokusů z fyziky, SPN, Praha 1968 Před započetím práce
Prostudujte návod k ovládání vývěvy, prohlédněte si příslušenství a zjistěte, zda není nic poškozeno. Pro zajištění dobré těsnosti aparatury použijte příslušné těsnění. Před sejmutím recipientu je vždy potřeba prostor pod ním opatrně zavzdušnit. V žádném případě jej neodtrhávejte násilím!
Ilustrace 3: školní vývěva s talířem a recipientem
2.1 Uhasnutí svíčky pod recipientem Pomůcky: Vývěva s recipientem, svíčka Pod recipient dáme hořící svíčku. Po krátké době čerpání svíčka zhasne. Uveďte příčinu zhasnutí svíčky.
2.2 Určení tlaku pod recipientem, ověření funkce rtuťového manometru. Pomůcky: Vývěva s recipientem, rtuťový manometr (uzavřený), MFCH tabulky Pod recipient vložte rtuťový manometr a z prostoru pod recipientem vyčerpávejte vzduch do maximálního možného zředění. Sledujte co se děje s manometrem. Na základě hodnot odečtených z manometru určete tlak, který je pod recipientem. Vysvětlete princip funkce kapalinového manometru.
2.3 Balónek, který se sám nafoukne, omládnutí jablka Pomůcky: Vývěva s recipientem, částečně nafouknutý balónek, jablko se svraštělým povrchem. Pod recipient vývěvy vložte částečně nafouknutý balónek. Začněte z prostoru pod recipientem odsávat vzduch. Komentujte celý děj, vysvětlete proč. Pokus opakujte se starším jablkem, které má vrásčitý povrch.
2.4 Žíznivá zkumavka Pomůcky: Vývěva s recipientem, kádinka s vodou, zkumavka. Pod recipient vložte kádinku naplněnou vodou, do které jste dnem vzhůru umístili zkumavku. 9
Pozorujte, jak z ní při odsávání vzduchu unikají bubliny a jak se při zavzdušnění zaplní vodou. Komentujte celý děj a vysvětlete, proč k němu dochází.
2.5 Magdeburské polokoule Pomůcky: Vývěva s recipientem, magdeburské polokoule, případně dva stejné gumové zvony na čištění odpadů. Ze spojených magdeburských polokoulí vyčerpejte vzduch. Snažte se je se spolužákem odtrhnout od sebe. Vysvětlete, proč to nejde. Odhadněte velikost síly, která polokoule tlačí k sobě. Pokus lze improvizovat pomocí dvou gumových zvonů, které k sobě přiložíme a přitlačením z nich odstraníme vzduch. Nalezněte historické pozadí celého experimentu, který dal polokoulím jméno.
2.6 Heronova fontána Pomůcky: Vývěva s recipientem, miska, baňka nebo lahev s tryskou (pipeta) v utěsněné zátce. Pod recipient umístěte misku, a do ní baňku s tryskou. Začněte zpod recipientu odsávat vzduch. Komentujte celý děj, vysvětlete jej.
2.7 Protržení napjaté blány Pomůcky: Vývěva s recipientem, silnostěnná trubice (sklo, kov, plast) se zabroušenými okraji, celofán, staniol nebo pergamenový papír, gumové kroužky (gumičky) nebo slabý provázek, těsnění. Na silnostěnnou trubici připevněte blánu ze staniolu nebo celofánu. Celofán je vhodné předem namočit, aby dobře přilnul. Trubici přiložte k odsávacímu otvoru talíře vývěvy (případně použijte těsnění) a začněte odsávat vzduch. Pozorujete prohýbání blány a její prasknutí. Celý děj komentujte a vysvětlete.
2.8 Znázornění podtlaku pomocí Heronovy baňky Pomůcky: Vývěva s recipientem, Heronova baňka nebo baňka s dobře utěsněnou trubičkou naplněná vodou, kádinka. Pod recipient vložte Heronovu baňku s trubičkou, která je vyvedena do prázdné kádinky postavené vedle baňky. Pozorujte a komentujte co se děje při vyčerpávání vzduchu pod recipientem i při opětovném zavzdušňování. Celý děj vysvětlete.
2.9 Var vody za sníženého tlaku Pomůcky: Vývěva s recipientem, sklenice s horkou vodou, větší injekční stříkačka (20 ml) s dobře těsnícím pístem. Pod recipient umístěte sklenici s vodou cca 80 °C teplou a začněte vyčerpávat vzduch. Pozorujte var. Celý děj vysvětlete. Vyzkoušejte si var vody v injekční stříkačce: nasajte trochu horké vody do stříkačky, odstraňte zbylou vzduchovou bublinu, ucpěte prstem otvor pro nasazení jehly a poté prudce zvětšete objem popotažením pístu. Uvnitř stříkačky pozorujte var.
2.10
Vliv tlaku vzduchu na šíření zvuku
Pomůcky: Vývěva s recipientem, podložka z molitanu, plsti nebo jiného materiálu dobře tlumícího zvuk, elektrický zvonek s příslušným zdrojem, kuchyňská minutka nebo jiný zdroj zvuku. Pod recipient umístěte na molitanovou podložku zvonek, sirénu, budík nebo jiný podobný zdroj 10
dostatečně hlasitého zvuku. Vyzkoušejte hlasitost odkrytého zvonku, zvonku zakrytého recipientem a hlasitost pod recipientem, ze kterého byl odčerpán vzduch. Vysvětlete, proč dochází ke ztlumení zvuku. Pozorujte zesílení zvuku při postupném zavzdušňování recipientu.
11
12
3 Pokusy z molekulové fyziky a termiky Literatura: E. Kašpar, J. Vachek: Pokusy z fyziky na středních školách, SPN, Praha 1967, M. Svoboda a kol.: Praktikum školních pokusů I, skriptum MFF UK, Karolinum, Praha 1993.
3.1 Existence mezimolekulárních mezer Pomůcky: Skleněná trubice (cca 1 m dlouhá) se zátkami, destilovaná voda, líh, gumové kroužky, větší odměrný válec, hrách, krupice Trubici na jedné straně uzavřete zátkou a do jedné poloviny naplňte destilovanou vodou. Zbytek objemu vyplňte lihem (ponechte v trubici cca 3 cm volného prostoru). Označte výšku hladiny gumičkou a trubici zcela uzavřete. Obsah trubice promíchejte (několikrát ji převraťte vzhůru nohama a nechte putující vzduchovou bublinku promíchat obsah). Pozorujeme snížení hladiny. Vysvětlete uvedený jev. Děj uvnitř trubice lze ilustrovat analogickým pokusem, kde jsou molekuly vody a lihu nahrazeny hrachem, resp. krupicí. Do odměrného válce nejprve nasypeme krupici, na vrstvu krupice pak nasypeme hrách. Označíme „hladinu“ a obsah Ilustrace 4: promísíme (např. protřepáním). Pokus proveďte. Difuze v kapalině
3.2 difuze v kapalině
Pomůcky: odměrný válec, voda, hypermangan Odměrný válec naplňte vodou a nechte chvíli odstát, aby se proudění ve válci uklidnilo. Poté do vody vhoďte několik krystalů hypermanganu. Krystaly klesnou ke dnu. Pozorujte barevnou stopu po pádu krystalů i to, jak se s časem rozšiřuje (nahoře je viditelně širší, než u dna). Pozorovaný jev vysvětlete. K pokusu je vhodné se vrátit po delší době, kdy je již obarvena veškerá voda v odměrném válci.
3.3 přilnavost Pomůcky: destičky ze skla s háčkem, listovní váhy Před pokusem se přesvědčete, že je povrch destiček čistý a suchý. Skleněnou destičku položte na misku listovních vah a zjistěte její váhu. Nato k ní přitiskněte druhou destičku a táhněte za háček směrem vzhůru. Pozorujte ukazatel hmotnosti. Při pečlivé práci se vám podaří vyrovnat hmotnost na hmotnost jedné destičky. Stupňujte tah. Těsně před odtržením budou váhy ukazovat nižší hmotnost, než je hmotnost jedné destičky. Na povrch destičky kápněte několik kapek vody a pokus zopakujte. Oba pozorované jevy vysvětlete.
3.4 přilnavost skla a soudržnost vody Pomůcky: miska s vodou, skleněná destička s háčkem, citlivý siloměr
13
Ilustrace 5: Pomůcky na demonstraci přilnavosti
Destičku s háčkem zavěste za siloměr a poznačte si velikost působící síly. Položte destičku na vodní hladinu a poté pomalu stupňujte tah za siloměr (snažíme se „odtrhnout“ destičku od hladiny). Pozorujte, že síla potřebná k odtržení destičky je vyšší, než tíha destičky. Po odtržení zůstane na spodní straně destičky voda. Vysvětlete pozorované jevy.
3.5 existence povrchové blány Pomůcky: Miska s vodou, holicí čepelka, jehla, drobné hliníkové mince, sklenice, pipeta nebo kapátko. Na hladinu vody opatrně položte čepelku, mince nebo jehlu tak, aby se nepotopily. Pozorujte prohnutí hladiny na okrajích předmětů. Požadovaného efektu lze dosáhnout dodatečným zatížením předmětů (např. další drobnou mincí). Vyzkoušejte tento pokus i v projekci. Naplňte sklenici vodou a poté opatrně přidávejte další vodu pomocí kapátka nebo pipety, dokud nad okraj sklenice nevystoupí výrazný „kopec“ z vody. Oba pozorované jevy (prohnutí hladiny směrem dolů i nahoru) vysvětlete.
3.6 směr působení povrchového napětí Pomůcky: Kádinka nebo jiná nádobka, s mýdlovým roztokem nebo roztokem z bublifuku, drátěný rámeček s nití, drátěný rámeček s pohyblivou drátěnou přepážkou. Rámeček s pohyblivou přepážkou ponořte do mýdlového roztoku a opatrně vyjměte tak, aby v něm zůstala mýdlová blána a přepážka byla přibližně v polovině. Mýdlovou blánu opatrně protrhněte (růžkem savého papíru nebo podobným předmětem). Přepážka se posune k jedné straně. Opakujte předchozí pokus s tím, že použijete drátěné očko s nití. Protrhněte mýdlovou blánu v jedné části. Nit se vypne a vytvoří kruhový oblouk (viz obr. 14). Opakujte pokus s tím, že z niti vytvoříte smyčku. Protrhněte blánu vevnitř smyčky. Nit se vypne a vytvoří kružnici. Všechny pozorované jevy vysvětlete
Ilustrace 6: Povrchové napětí mýdlové blány
3.7 zakřivené povrchové blány – tělesa s nejmenším povrchem Pomůcky: malá kádinka nebo jiná nádobka s hladkými stěnami, líh, destilovaná voda, olej v olejničce, drátěné modely geometrických těles (tzv. Plateauovy síťky), nádobka s mýdlovým roztokem rámeček pro vyfukování bublin. Vyfoukněte bublinu z bublifuku, pozorujte její kulový tvar. Do malé kádinky připravte roztok lihu s vodou. Na hladinu kápněte olej. Dolévejte do roztoku vodu 14
nebo líh do té doby, než budou hustoty roztoku a oleje shodné. Kapičky oleje se poté začnou vznášet v roztoku. Pozorujte jejich kulový tvar. Předchozí experiment lze snáze realizovat tímto postupem. Kádinku vyplňte přibližně do poloviny objemu vodou, zbytek opatrně doplňte 1 až 2 cm silnou vrstvou lihu tak, aby nedošlo ke vzájemnému promísení. Toho lze docílit opatrným spouštěním po okraji kádinky např. po špejli nebo pomocí pipety. Do takto vytvořeného prostředí kápněte olejničkou olej. Kapky by se měly ponořit do lihu a zůstat vznášet na rozhraní líh-voda. Nejedná se o pravé vznášení, spíše plování na vodní hladině, proto bude kulový tvar kapek mírně deformovaný. Do mýdlového roztoku ponořujte postupně Plateauovy síťky. Při opatrném vynořování se hrany modelů spojí mýdlovou bublinou tak, že výsledný útvar má vždy minimální povrch.
3.8 kapilární elevace v závislosti na poloměru Pomůcky: destilované voda, Petriho miska, skleněné trubičky o různých vnitřních průměrech. Trubičky i miska musí být suché, čisté a bez mastnoty. Trubičky ponořte svisle do Petriho misky naplněné obarvenou vodou. Pozorujte výšku hladin v jednotlivých trubičkách. Hladina v trubicích vystoupá tím výše, čím je menší vnitřní průměr trubice. Pozorovaný jev vysvětlete. Ilustrace 7: Plateauovy síťky a další tvary z drátu
3.9 kapilární vzlínání na klínu
Pomůcky: dvě skleněné desky (diapozitivová skla atp.), miska s obarvenou destilovanou vodou, proužek kartonu, kuchyňské gumičky. Sklo musí být suché, čisté a bez mastnot. Skla položte na sebe a dovnitř mezi ně k jedné svislé hraně vložte proužek kartonu. Protilehlé strany (s kartonem, bez kartonu) stáhněte gumovými kroužky. Takto vzniklá dutina tvoří při pohledu shora klín. Klín postavte do misky s obarvenou vodou. Vzlínající voda vytvoří charakteristický obrazec. Pozorovaný jev vysvětlete.
Ilustrace 8: Kapilární vzlínání na klínu 15
3.10
závislost kapilárního tlaku na poloměru kulové bubliny
Pomůcky: třícestný kohout s balónky na dvou vývodech Pomocí třícestného kohoutu nafoukněte balónky na obou koncích, jeden z nich méně, než druhý. Po vzájemném propojení balónků lze pozorovat, že méně nafouknutý balónek se „vyfoukne“ do více nafouknutého. Pozorovaný jev zdůvodněte.
Ilustrace 9: Balónky propojené s třícestným ventilem
16
4 Třífázový proud Literatura: R. Kolářová a kol.: Fyzika pro 9. ročník základní školy, Prometheus, Praha 2005, M. Rojko a kol.: Fyzika 4 pro základní a občanskou školu, Scientia, Praha 1998
4.1 vznik střídavého proudu Pomůcky: odstředivý stroj, permanentní magnet na ose, cívka 600 z s jádrem, demonstrační galvanometr, propojovací vodiče, stativový materiál Zopakujte si základní pokus na elektromagnetickou indukci – Připojte cívku k demonstračnímu galvanometru a vytvořte v obvodu střídavý proud tak, že k cívce budete přibližovat a oddalovat magnet. Správné nastavení rozsahu přístroje odhadněte předem na základě svého úsudku a zkušenosti. Vysvětlete, co se při pokusu děje. Vložte do cívky jádro a zkuste nyní permanentním magnetem otáčet v blízkosti cívky. Jak musíte magnetem otáčet, aby se v obvodu indukoval proud? Pro usnadnění lze magnet upevnit do unašeče odstředivého stroje. Sledujte pohyb ručky galvanometru ve vztahu k poloze a smyslu otáčení magnetu. Své pozorování zakreslete. Vyzkoušejte různé rychlosti otáčení. Proč při vyšších rychlostech nepozorujeme větší výchylku ručky galvanometru, když podle teorie je velikost indukovaného proudu úměrná časové změně magnetického indukčního toku a měla by tedy se zvětšováním rychlosti otáčení narůstat? Prohlédněte si a sestavte model třífázového generátoru. Pozor! Uvedený generátor je s cizím buzením! Rotor je místo permanentního magnetu tvořen elektromagnetem, který je napájen školním zdrojem stejnosměrného napětí 6-8 V. Na výstup jednotlivých cívek připojte ručičkové galvanometry. Pozorujte výchylky jednotlivých galvanometrů. Pozorovaný jev zakreslete a vysvětlete. Najděte příklady použití třífázových generátorů.
Ilustrace 10: průběh třífázového proudu z generátoru
17
