Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Piskač V.

Příspěvek se zabývá dvěma okruhy experimentů – nejprve seznamuje s novými výkonovými svítivými diodami a možnosti jejich využití při výuce „obyčejné“ i „barevné“ optiky. Poté rozebírá možnosti měření krátkých časových intervalů pomocí zvukového záznamu.

Barevné čelovky

Elektrotechnický průmysl přináší neustále nová a nová překvapení. Jedním z nejpříjemnějších poslední doby jsou výkonové svítivé diody o výkonu převyšujícím 1W vyráběných v různých barvách (bílá, modrá, zelená, červená, žlutá). Diody jsou doplněny plastovou čočkou, proto vyzařují světlo v úhlu pouhých 10^o. Podrobný popis a zapojení naleznete v [1].

V následujícím je uvedeno několik námětů pro využití výkonových LED ve výuce fyziky. Ilustrační fotografie k popisovaným experimentům naleznete v [6].

1. Zdroj světla pro optické experimenty

Výkonové LED jsou dostatečně jasné na to, aby bylo možné demonstrovat většinu optických experimentů v učebně zatemněné běžnými žaluziemi nebo roletami – demonstrace stínu, polostínu, nezávislosti chodu paprsků, pokusy na optické tabuli.

2. Skládání barevných světel RGB

Diody vytvářejí na stěně dobře viditelné barevné kolo. Když překryjeme světla všech tří barev, objeví se na zdi oblíbená ilustrace z učebnice – aditivní skládání barev.

3. Doplňkové barvy

Když posvítíme na zeď všemi barvami LED a do cesty světlu vložíme objekt, vznikne na zdi několik stínů a ploch různých barev. Kromě černého stínu (kam nedopadá žádné světlo) vzniknou plochy základních barev červená-zelená-modrá (tam, kde dopadá světlo jen jedné z diod) a také plochy tvořené doplňkovými barvami azurová-purpurová-žlutá (tam kam dopadá světlo ze dvou diod) a bílé okolí (kam dopadá světlo ze všech tří diod).

4. „Jednobarevné“ osvětlení

Barevné diody vyzařují světlo ve velmi úzkém rozsahu vlnových délek (je možné demonstrovat pomocí optického hranolu). Pokud máme dobré zatemnění (stačí tmavé rolety) je vhodné předvést vliv barvy světla na výsledný vjem – použijeme několik barevných obrázků (barevných triček žáků) a svítíme na ně postupně bílou a pak jednotlivými barvami – vznikají naprosto odlišné vjemy.

5. Co dále – třeba stroboskop

Na Veletrhu 2000 v Praze předváděl Dr. Hrdý stroboskop z matice vysocesvítivých LED (tehdejší superčerstvá novinka) – [3]. Jeho nápad jsem si dovolil obměnit použitím jedné výkonové LED napájené pulzním proudem z integrovaného obvodu 555.

Podrobný popis se spolu s návody k experimentům časem objeví na stránkách autora – [4].

Spousta mikrofonů

Při výuce se občas setkáváme s nutností měřit velmi krátké časové úseky. Pokud nám finanční možnosti neumožní nákup profesionálních měřících přístrojů (Vernier, …), lze využít základní ICT vybavení (počítač + mikrofon), aniž bychom do něj jakkoliv zasahovali. K některým experimentům dokonce dostačuje mikrofon vestavěný v notebooku. Měření zaznamenáváme programem Audacity (volně stažitelné na [2]). Tento program umožňuje zaznamenávat zvuk s přesností kolem 0,1μs.

Pokud dokážeme časový interval vymezit dvěma ostrými zvuky, máme k dispozici velmi přesné stopky. Jelikož se jedná o vybavení, které mají žáci běžně doma, lze níže uvedené náměty využít jako domácí úkol nebo domácí laboratorní práci.

1. Dvojí lusknutí prstem

Úvodní demonstrací pro žáky je dvojí rychlé lusknutí prsty – pomocí manuálních stopek nejsou schopni nic změřit.

Audacity lusknutí zaznamená – jsme schopni určit časovou vzdálenost obou lusknutí (v tomto případě 0,219s).

2. Tikání budíku

Dalším z jednoduchých měření je záznam tikání budíku. Na něm si žáci mohou ověřit, jak přesně s Audacity pracují.

3. Otáčky motorku

Chceme-li změřit otáčky motorku, uchytíme k němu kus drátku, který při roztočení motorku klepe o papír. Ze záznamu zvuku určíme dobu jedné otáčky, – v tomto případě 0,037 s.

To odpovídá frekvenci 1/0,037 = 27 Hz.

4. Dopad kuličky na stůl

Necháme dopadnout kuličku na stůl. Uchem registrujeme cca 3 odrazy. Zvukový záznam jich ukáže více než 10. Z doby „výskoku“ kuličky pomocí vztahu pro vrh svisle vzhůru spočítáme výšku výskoku. Mě osobně překvapilo, že toto snadné měření je schopno detekovat výskoky kuličky v řádech tisícin milimetru!

Toto měření vřele doporučuji jako domácí laboratorní práci pro první ročník SŠ. Žáci mohou dopočítávat výše zmíněnou výšku výskoku a také koeficient restituce (tj. kolik energie kulička ztratila během odrazu).

5. Měření rychlosti zvuku v trubce

Pro úplnost uvádím měření rychlosti zvuku – viz [5].

6. „Flusačka“ (vzduchovka)

Pomocí dvou mikrofonů a redukce 2 stereojacků na jeden stereojack lze měřit i velmi vzdálené děje (jsme omezeni pouze délkou šňůr mikrofonů). Pro měření na větší vzdálenosti je nutné přidat prodlužovací šňůru pro jeden z mikrofonů.

Jednoduchou „flusačku“ střílející hliněné cvrnkací kuličky vyrobíme z plastové trubičky vhodného průměru. Jedním koncem trubičky prostrčíme hřebík, aby kuličky zbytečně nevypadávaly ven. Jeden mikrofon držíme u ústí „flusačky“, druhý umístíme u desky na druhém konci místnosti (v mém případě dvířka ledničky). Prudce foukneme – záznam Audacity umožní určit dobu letu kuličky.

První „zvuk“ je vystřelení kuličky, druhý (dvojitý) je dopad kuličky na dvířka ledničky (+ následný dopad na zem). Ze záznamu můžeme určit, že kulička letěla po dobu 0,69 s. To na vzdálenosti 7 metrů odpovídá průměrné rychlosti cca 10 m/s = 36 km/h (tzn. flusačkou lze účinně střílet po projíždějících cyklistech).

Podobně jsem se pokusil změřit rychlost diabolky vystřelené ze vzduchovky. Po několika pokusech jsem zjistil, že je nutno umístit mikrofon cca 1 metr od ústí zbraně i od terče (krabice vyplněná starými hadry). Pokud byl mikrofon blíž, byl zvuk příliš hlasitý.

Dalším důležitým zjištěním bylo, že musím střílet na vzdálenost alespoň 10 metrů, jinak se zvuk dopadu na terč přerývá se zvukem výstřelu. Nakonec jsem střílel na vzdálenost 13 metrů. Pro změřenou dobu letu diabolky 0,18 s vychází průměrná rychlost 72 m/s = 260 km/h !

7. Volný pád

Pomocí dvou mikrofonů a prodlužovací šňůry lze měřit dobu volného pádu tělesa z výšky několika pater. Těsně pod těleso umístíme destičku (papír, pravítko), o který těleso zavadí po vypuštění. Tento náraz detekuje první mikrofon. Poblíž místa dopadu umístíme druhý mikrofon.

Na záznamu je pád kuličky z 9,5 metru za dobu 1,57 s – ve vzduchoprázdnu by pád z této výšky měl trvat 1,39 s.

 8. Co dále – třeba optoakustický převodník

Ve stádiu pokusů je zatím převodník – jednoduchý elektronický obvod, který při přerušení laserového paprsku lupne. Samotný převodník nebo jejich dvojice umožňuje výrazně rozšířit paletu experimentů a měření. Podrobnosti se objeví na stránkách autora – [4].

Literatura

[1] Piskač V.: Barevné čelovky. Dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/jaknato/barevne_celovky.pdf  [Cit. 1. 11. 2010]

[2] Audacity. Volně dostupný, multiplatformní zvukový editor. Dostupné online http://audacity.sourceforge.net  [Cit. 1. 11. 2010]

[3] Hrdý J.: Školní stroboskop se svítivými diodami. Dostupné online http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/Veletrh_05/05_12_Hrdy.html – [Cit 1. 11. 2010]

[4] http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz

[5] Dvořák L.: Rychlost zvuku stokrát jinak. In: Sborník z konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 12. Prometheus, Praha 2007. Dostupné online http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/Veletrh_12/12_21_Dvorak.html [Cit. 1. 11. 2010]

[6] Piskač V.: Pokusy s barevnými světly. Dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/fyzika/barevna_svetla.pdf – [Cit. 1. 11. 2010]