Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

English translation

Onderová Ľ.

V príspevku je prezentovaných niekoľko jednoduchých experimentov z rôznych oblastí fyziky, ktoré môžu pomôcť učiteľom spestriť vyučovanie fyziky ako na základnej, tak na strednej škole.

Úvod

Experimenty a experimentovanie majú vo vyučovaní fyziky nezastupiteľnú úlohu. Môžu slúžiť ako na demonštráciu fyzikálnych javov, ako vhodná motivácia. Zároveň však môžu vyvolať diskusiu k zaujímavým problémom. Rovnako experimenty uvedené v príspevku môžu byť prezentované formou problémových úloh s otázkou Prečo?, resp. Vysvetlite!. Jednoduchosť použitých pomôcok umožňuje aj študentom zrealizovať si uvedené pokusy samostatne a aktívne rozmýšľať nad fyzikálnym zdôvodnením predvádzaných experimentov.

1. Tajomné kinder vajíčko

Cez kinder vajíčko je prevlečená tenká niť alebo silon, na jednom konci ktorej je umiestnená oceľová gulička a na druhom konci gulička drevená. Umiestnime záves do zvislej polohy tak, že v ruke držíme oceľovú guličku. Pozorujeme, že kinder vajíčko skĺzne po niti dole k drevenej guličke. Experiment zopakujeme tak, že vymeníme polohu guličiek, teda oceľová gulička sa nachádza dole a záves držíme za drevenú guličku. Pozorujeme, že tentokrát sa kinder vajíčko nepohybuje, ostane stáť na závese. Čo je ukryté vnútri kinder vajíčka? Vo vnútri kinder vajíčka je ohnutá plastová hadička, cez ktorú prechádza niť. Ak je na spodnej strane nite ľahká drevená gulička, niť sa nenapína a v bodoch dotyku s plastovou trubičkou nevzniká veľké trenie, vajíčko sa môže pohybovať. Ak ale celú zostavu obrátime a dole sa bude nachádzať oceľová gulička, niť sa napína a pritláča k trubičke, čím sa výrazne zvyšujú sily trenia, až natoľko, že udržia kinder vajíčko v danej polohe. Treba poznamenať, že podobný efekt možno dosiahnuť aj inými spôsobmi a môžeme dať študentom za úlohu ich objaviť, teda zhotoviť rovnakú zostavu, v ktorej popísaný pohyb kinder vajíčka bude zabezpečený iným spôsobom.

2. Proti prúdu

Do dlhej priehľadnej trubice, na jednom konci uzavretej, s priemerom o málo väčším ako priemer kinder vajíčka pustíme prázdne kinder vajíčko. Kinder vajíčko spadne na dno trubice. Keď začneme do trubice nalievať vodu kinder vajíčko začne stúpať. Celú trubicu naplníme vodou, uzavrieme a otočíme. Po otočení pozorujeme, že z trubice začne vytekať voda, no kinder vajíčko nevypadne, ale začne stúpať proti prúdu (Obr. 1). Ako môžeme vysvetliť správanie kinder vajíčka? Aby sme vysvetlili správanie kinder vajíčka musíme si uvedomiť, že vo vzduchu rovnako ako vo vode pôsobí na telesá vztlaková sila, ktorej význam sa prejaví po prevrátení trubice. Spodný okraj kinder vajíčka sa nachádza vo vzduchu a tlak v tomto bode je preto rovný atmosferickému tlaku. Tlak na opačnom hornom konci vajíčka bude menší ako atmosferický tlak o hodnotu ρhg, kde h je výška stĺpca kvapaliny popri stenách kinder vajíčka a ρ hustota kvapaliny. Ak kinder vajíčko budeme považovať za valec, ktorého priemer základne je S a výška H potom podmienka stúpania kinder vajíčka bude: \( \rho_k \cdot g \cdot H \cdot S \leq \rho \cdot g \cdot h \cdot S \), kde ρ_k predstavuje priemernú hmotnosť kinder vajíčka. Ak predpokladáme, že \(H=h\), teda, že bočné steny kinder vajíčka sú plne ponorené vo vode, stačí aby ρ_k <ρ, čo je v našom prípade splnené a preto vajíčko v kvapaline bude stúpať hore.

3. Prevracajúce sa kinder vajíčko

Dvojfarebné kinder vajíčko je na obidvoch koncoch prevŕtané a v strede upevnené do závesu z drôtu. Držíme vajíčko za záves a pozorujeme, ktorá časť vajíčka sa nachádza hore na vzduchu. Aj po vychýlení z rovnováhy sa vajíčko na vzduchu ustáli v rovnakej polohe (Obr. 2). Následne ponoríme kinder vajíčko do vody. Voda vnikne do vajíčka a kinder vajíčko sa po chvíli prevráti, to znamená, že hore bude opačná inofarebná časť vajíčka (Obr. 3). Po vytiahnutí vajíčka z vody, voda z neho začne vytekať a po chvíli sa opäť prevráti do polohy v akej bolo na vzduchu. Čo spôsobuje takéto správanie kinder vajíčka?

Na vzduchu sa nachádza kinder vajíčko v rovnovážnej polohe stálej, teda jeho ťažisko sa nachádza pod osou otáčania, prechádzajúcou cez body závesu. Preto pri vychýlení z rovnovážnej polohy moment tiažovej sily vzhľadom na os otáčania spôsobí jeho prevrátenie do pôvodnej polohy. Ak chceme dosiahnuť posun ťažiska pod os otáčania, znamená to, že musíme do spodnej časti upevniť nejaké teleso. Keď ponoríme kinder vajíčko do vody, začne sa napĺňať vodou (o čom svedčia unikajúce bubliny vzduchu) a to spôsobí, že pôvodne rovnovážna poloha stála sa stane vratkou a vajíčko sa prevráti. Pri ponorení do vody naň totiž začne pôsobiť aj vztlaková sila s pôsobiskom v ťažisku ponorenej časti telesa. Preto, aby sa kinder vajíčko prevrátilo pôsobisko vztlakovej sily musí byť pod osou otáčania a naviac moment otáčania spôsobený touto silou musí byť väčší, ako moment otáčania vyvolaný silou tiažovou. Preto musíme do spodnej časti kinder vajíčka umiestniť teleso, ktorého priemerná hustota je menšia ako hustota vody, napr. kúsok polystyrénu. Tým, že sa bude vznášať vo vode zabezpečí obrátenie vajíčka okolo osi.

4. Ako určiť hmotnosť cukríka, alebo hydrostatické váhy po domácky

Žiakom dáme za úlohu určiť doma hmotnosť cukríka pomocou nasledujúcich pomôcok: nádoby s odmernou stupnicou na meranie objemu, nádoby, ktorú môžeme ponoriť do tejto nádoby, aby v nej mohla plávať a balíčka cukríkov. Môžeme im aj napovedať, predvedením jednej možnosti realizácie. Do dojčenskej fľaše s odmernou stupnicou ponoríme vhodnú nádobu napr. tubu od liekov, do ktorej postupne vkladáme cukríky (Obr. 4). Ako pomocou takéhoto zariadenia určíme hmotnosť jedného cukríka? Tuba ponorená vo fľaši pláva, teda tiažová sila je kompenzovaná vztlakovou silou: \( M \cdot g = \rho \cdot V_0 \cdot g \), kde M je hmotnosť tuby, V₀ objem jej ponorenej časti a ρ hustota kvapaliny. Ak vložíme do vnútra tuby n cukríkov, hmotnosť každého z nich je m, potom musí platiť: \( (M + n \cdot m) \dot g = \rho \cdot ( V_0 + \Delta V) g \), kde ΔV predstavuje zmenu objemu ponorenej časti skúmavky, resp. rozdiel medzi hodnotami objemu vody odmeranými odmernou nádobou pri prázdnej tube a pri tube naplnenej cukríkmi. Pre hmotnosť jedného cukríka dostaneme: \( m=\frac{\rho \cdot \Delta V}{n} \). So žiakmi môžeme ďalej diskutovať o chybe merania objemu, ktorá ovplyvňuje presnosť výsledku a tiež o tom, ako možno zvýšiť presnosť merania hmotnosti touto metódou.

5. Zázračný pohár

V ruke držíme pohár a začneme doň nalievať vodu z druhého pohára naplneného takmer rovnakým objemom vody, ako objem pohára. Sledujeme, že voda z pohára dlho nevyteká. Začne vytekať, až keď doň prelejeme väčšinu objemu vody z plného pohára (Obr. 5). Po skončení vytekania vody, zistíme, že pohár ostane prakticky prázdny, o čom sa presvedčíme po vyliatí malého zvyšku vody, ktorý v nej ostal. Čo sa nachádza vnútri pohára?

Vnútri pohára sa nachádza jednoduché zariadenie – sifón – zohnutá trubička s dvomi ramenami nerovnakej dĺžky. Jedno rameno trubičky je upevnené v otvore na dne pohára, druhé rameno sa nachádza v malej výške nad dnom. Keď začneme nalievať vodu do pohára, táto postupne cez tento otvor vypĺňa aj zohnutú trubičku. Akonáhle sa úroveň vody dostane nad úroveň ohybu trubičky, voda začne súvisle vytekať z pohára, až pokiaľ jej hladina neklesne pod úroveň konca ohnutej trubičky. Rozdielnosť tlakov na dvoch stranách otvoru (na jednej strane atmosferický tlak, na strane druhej atmosferický + hydrostatický tlak) zapríčiňuje vytekanie vody z pohára.

6. Čo je v obálke?

V zalepenej papierovej obálke je skrytý tajný odkaz. Ako ho prečítame, bez rozlepenia obálky? Pokvapkáme postupne obálku kvapkami parafínu z horiacej sviečky a následne parafín opatrne zotrieme. Po zotrení parafínu je odkaz čitateľný. Ako je to možné? Skutočnosť, že bežne nevidíme cez papier, môžeme v rámci geometrickej optiky vysvetliť nasledovne. Pri prechode svetla papierom narážajú svetelné lúče na početné rozhrania medzi časticami celulózy a vzduchom. Na týchto rozhraniach dochádza ako k odrazu, tak k lomu svetla. Oba tieto efekty sú tým výraznejšie, čím väčší je rozdiel v indexoch lomu prostredí a čím viac sa líši uhol dopadu svetelného lúča od nuly. Okrem toho môže dôjsť na hranici celulóza vzduch aj k úplnému odrazu. Vlákna celulózy sú tenké, preto veľký počet svetelných lúčov dopadá na rozhranie vzduch celulóza pod uhlom značne rozdielnym od nuly. Následkom mnohonásobných odrazov a lomov na spomenutých rozhraniach, časť lúčov ani neprejde cez papier a tie, ktoré prejdú nevytvoria čitateľný obraz. Tekutý parafín vypĺňa póry medzi vláknami celulózy. Index lomu parafínu (~1,48) je takmer rovnaký ako index lomu celulózy (od 1,46 do 1,5). Preto v dôsledku vyplnenia medzier medzi časticami celulózy parafínom získavame prakticky rovnorodú tenkú doštičku. Takáto doštička prakticky neláme lúče svetla a predmety, ktoré sa za ňou nachádzajú dobre vidíme.

7. Je sklo priezračné?

Do sklenenej kyvety nasypeme rozdrvené sklo, kyveta sa stane nepriehľadnou. Pripevníme na jej zadnú stranu obrázok. Obrázok cez kyvetu naplnenú sklom nevidíme. Začneme do kyvety nalievať glycerín. Pozorujeme, že obrázok sa postupne odkrýva, až ho uvidíme celý. Vysvetlenie je rovnaké ako v predchádzajúcom pokuse. Musíme si uvedomiť, že indexy lomu skla a glycerínu sú približne rovnaké.

8. Zhasnutie žiarovky

Malá žiarovka z vreckovej baterky a veľká žiarovka zo stolnej lampy bez sklenej banky sú zapojené do série a pripojené k zdroju malého napätia. Malá žiarovka svieti. Priblížime sa k vláknu veľkej žiarovky so zapálenou zápalkou a malá žiarovka pohasne. Pokus zopakujeme, ale tentokrát na vlákno veľkej žiarovky fúkneme. Pozorujeme, že jas malej žiarovky sa zvýši. Ako môžeme vysvetliť pohasnutie a rozžiarenie žiarovky? Špirála veľkej žiarovky a žiarovka z vreckovej baterky sú zapojené do série, takže pre celkový elektrický odpor platí: R = R_š + R_ž , kde R_š predstavuje odpor špirály veľkej žiarovky a R_ž odpor žiarovky z vreckovej baterky. Pre prúd prechádzajúci malou žiarovkou, teda platí: \( I= \frac{U}{R_š + R_ž} \). Špirála žiarovky do stolnej lampy je zhotovená z wolfrámu a po jej zohriatí plameňom zápalky jej odpor prudko narastá, čo má za následok zníženie veľkosti prúdu prechádzajúceho malou žiarovkou. Pre výkon prúdu prechádzajúceho malou žiarovkou platí \( P = I^2 \cdot R_ž \). Preto sa pri zmenšení prúdu prechádzajúceho žiarovkou zmenší aj množstvo tepla uvoľňovaného žiarovkou a žiarovka zhasne. Keď na špirálu fúkneme, táto sa ochladzuje, čo má za následok zníženie odporu wolfrámového vlákna a nárast prúdu v obvode a preto sa malá žiarovka rozžiari.

9. Vriaca voda v pipete

Naplňme pipetu studenou vodou. Po vytiahnutí pipety z nádoby s vodou, voda z pipety nevyteká. Naplňme teraz pipetu vriacou vodou. Pozorujeme, že pipetou periodicky smerom nahor stúpajú bubliny vzduchu a voda v oddelených porciách vyteká z pipety. Ako vysvetlíme rozdielne chovanie studenej a horúcej vody? Ak vyberieme pipetu zo studenej vody, tlak na rozhraní voda vzduch zvrchu je \( p_1 = p_0 + \rho \cdot h \cdot g\), kde p₀ je tlak plynu v hornej časti pipety, ρ hustota vody, h výška stĺpca vody v pipete. Tlak pôsobiaci na rozhranie zospodu označme p₂ – je rovný atmosférickému tlaku vzduchu (príspevok kapilárneho tlaku môžme zanedbať). Keďže voda nevyteká, musí platiť p₁ = p₂ , resp. \(p_a = p_0 + \rho \cdot h \cdot g\) (1). Voda z pipety môže vytekať len za predpokladu, že zvýšime tlak p₀ . Ak naplníme pipetu vriacou vodou situácia sa zmení, lebo vo vrchnej časti pipety, kde sa predtým nachádzal vzduch sa budú nachádzať prevažne nasýtené vodné pary. Ak sa v istom momente vytvorí rovnováha, teda bude platiť rovnica (1) voda z pipety nebude vytekať. V priebehu času však teplota vody aj vodnej pary začne klesať. Nakoľko tlak nasýtenej pary výrazne závisí od teploty zníži sa aj tlak p₀ v dôsledku čoho sa rovnováha vyjadrená rovnicou (1) naruší. Tlak vzduchu zospodu bude väčší a hranica voda vzduch sa začne vťahovať do vnútra, t.j. do pipety sa nasaje bublina vzduchu. Do pipety sa nasáva studený vzduch, ktorý sa však postupom cez horúcu vodu zohrieva. Bublina sa posúva smerom hore, zvyšuje tlak plynu v hornej časti p₀ čo má za následok vytečenie malého množstva vody. Plyn v hornej časti však naďalej chladne, čo spôsobuje ďalšie zmenšovanie jeho tlaku p₀ a následné nasatie bubliny vzduchu.

Záver

Uvedené námety dokumentujú, že mnohé zaujímavé pokusy je jednoduché zrealizovať a verím, že poslúžia učiteľom nielen ako námety pre spestrenie vyučovania, ale aj ako inšpirácia pre vlastné experimentovanie, teda čo by sa dalo skúsiť, vylepšiť, upraviť...

Literatúra

[1] Halliday D. a kol.: Fyzika. VUTIM Brno, Prometheus Praha, 2000

[2] Fishman, A., Skvortzov, A., Jacobs, I.: A multimedia videobook of physical problems. In: Proceedings of 4th International Conference on Physics Teaching in Engineering Education PTEE 2005, Ed.: Dobis P., Koktavý P. Brno 2005, W 4

[3] Halada, V.: Fyzika v pokusoch, SPN, Bratislava, 1953