Méně obvyklá měření

Břetislav Patč

1. Měření hustoty kapalin

Potřeby: Komparační hustoměr (konstrukce na obr. 1), různé druhy kapalin, z nichž hustota jedné je známa.

Provedení: Injekční stříkačkou vytvoříme v obou trubicích hustoměru podtlak.Ten je kompenzován vůči tlaku atmosférickému hydrostatickými tlaky sloupců kapalin a pomocí šroubů seřídíme hladiny v nádobkách na nulovou hodnotu mm stupnice a odečteme výšky sloupců. Pro výšky sloupců a tlak kapalin platí vztah ρ_1.·h₁ = ρ₂·h₂. Dosadíme známou hustotu jedné kapaliny, výšky obou sloupců a hustotu druhé kapaliny vypočítáme.

2. Tlak a teplota varu vody v Papinově hrnci

Potřeby: kuchyňský Papinův hrnec, opatřený manometrem (rozsah 100 kPa) a teploměrem (rozsah 150°C), el. vařič, olej do trubice teplotní sondy.

Provedení: Z výrobních parametrů hrnce (hmotnost záklopky a průměr uzavíraného otvoru) vypočítáme nejprve tlak, při kterém by měl var probíhat a pomocí tabulky nebo grafu určíme příslušnou teplotu varu. Uvedeme vodu do varu a naměřené hodnoty tlaku a teploty porovnáme s hodnotami předem určenými.

Mírným zatížením záklopky porušíme rovnovážný stav mezi kapalinou a nasycenou párou nad kapalinou, var ustane a obnoví se až po příslušném zvýšení teploty.

3. Objektivní chyba při vážení těles v atmosféře

Potřeby: Polyetylenová láhev 2 l s uzávěrem s automobilovým ventilkem, přepouštěcí zařízení, balónek, hustilka, laboratorní váhy (obr. 2).

Provedení: Láhev napustíme na přetlak asi 150 kPa. Na ventilek našroubujeme provrtanou čepičku, připojíme přepouštěcí zařízení s nasazeným balónkem a takto sestavené těleso zvážíme. Pak přepustíme část vzduchu z láhve do balónku. Objem tělesa se zvětší, jeho hmotnost zůstane stejná. Těleso opět zvážíme, přičemž váhy „ukáží menší hmotnost“ a to asi o 2,5 g. Podle Archimédova zákona působí v atmosféře na těleso s větším objemem větší vztlaková síla. Konstatujeme, že každé takové vážení je zatíženo chybou, jejíž velikost je závislá na poměru průměrných hustot tělesa a závaží a na hustotě vzduchu.

4. Měření magnetických sil feritových magnetů

Potřeby: Ploché feritové magnety (Ø asi 30 mm), dva siloměry s rozsahy 1 N a 5 N, stativ pro upevnění jednoho z magnetů a zavěšení siloměru s druhým magnetem, měrka pro zjištění vzdálenosti magnetů se stavěcími šrouby, posuvné měřítko. Uspořádání pokusu je patrné z obr. 3a) síly přitažlivé, 3b) síly odpudivé.

Provedení: V uspořádání a) je „odtržení“ magnetu zabráněno nepatrnou distanční mezerkou a zarážkou nad magnetem na siloměru, v uspořádání b) je zabráněno přetočení magnetu jeho zavěšením na siloměru pomocí pevného třmene a jeho vybočení mimo osu pevného magnetu tyčinkou, pohyblivou svisle v těsné trubičce.

Rovnováhu mezi tahem siloměru a magnetickou silou při různých vzdálenostech vyladíme šroubem, na němž siloměr visí. Do těsné blízkosti magnetů postavíme měrku, seřídíme vzdálenost šroubů podle bližších stěn magnetů a změříme posuvným měřítkem.

Z naměřených hodnot nakreslíme grafy. Upozorníme na nelineární změny síly v závislosti na vzdálenosti magnetů a porovnáme průběh změn sil přitažlivých a odpudivých.

Poznámky:

1.  Celá konstrukce je z neferomagnetických materiálů.

2.  Nejedná se o měření magnetických sil přesně ve smyslu Coulombova zákona.

5. Měření tlaku v saponátových bublinách

Potřeby: kapalinový manometr s přesností 0,2 Pa, stativ pro bubliny, opatřený posuvným měřítkem na měření jejich poloměru a vypouštěcím ventilem, vibrační akvarijní kompresorek ovládaný elektrickým tlačítkem, spojovací hadičky, saponátový roztok, spodní doteky k deformaci bublin (obr. 4).

Provedení: Na stativu vytváříme bubliny různých velikostí, měříme jejich poloměry a příslušné tlaky. Z každého měření vypočítáme povrchové napětí roztoku σ podle vztahu

σ = pr/4,

kde p je přetlak v bublině a r poloměr bubliny. Připomeneme skutečnost, že stěna bubliny má dva povrchy. Tím ověříme, že σ je pro různou velikost bublin konstantní a vyjadřuje vlastnost namíchaného roztoku.

Pod stativ postavíme kruhový dotek a když bublina k němu přilne, můžeme ji vypouštěním nebo posuvem doteku deformovat. Sledujeme tlak v bublinách různých tvarů v jeho závislosti na křivosti povrchu při pohledu zpředu i shora. V bublinách tvaru podle obr. 4 a) a b) je vždy přetlak, v bublinách tvaru c) může být přetlak, atmosférický tlak i podtlak, což se řídí vztahem křivostí zpředu a shora.

6. Termické kyvadlo

Potřeby: Termické kyvadlo (jeho konstrukce je na obr. 5), el. vařič, měřič frekvence akustických kmitů, olověná podložka, cínová pájka.

Provedení: Nejprve demonstrujeme kmity nezahřátého kyvadla, jejichž frekvence značně závisí na amplitudě a rozteči dotekových bodů. Vlivem silného tlumení trvá děj velmi krátce. Pak zahřejeme kyvadlo na vařiči asi na 200 °C, což poznáme dotykem pájky s mosazí. Kyvadlo položíme na pilníkem očištěnou olověnou podložku a rozkmitáme. Vlivem tepelných dilatací a kontrakcí mosazi a olova při jejich sřídavém dotyku koná kyvadlo téměř netlumené kmity po dobu asi 30 minut. Podmínkou je stabilní uložení olova na těžké kovové desce. Kmity dosahují akustických frekvencí (kyvadlo zní), které můžeme měřit.

Poznámka: Podobný pokus popisuje prof. Zahradníček v knize Základní fysikální pokusy vydané v roce 1935 a termické kyvadlo označuje jako travelyán.