Experimenty
Sila a pohyb
Energia okolo nás
Elektrina a magnetizmus
Vlastnosti kvapalín a plynov
Periodické deje
Elektromagnetické žiarenia a častice mikrosveta
| Ako si premyslieť experiment |
|
Počas celého festivalu vedy Science on Stage prebieha výstava experimentov v národných stánkoch. Pred ich samotnou prípravou, ako aj pri príprave vyučovacej hodiny, musíme vyriešiť niektoré otázky súvisiace
s výberom experimentov, meracích zariadení a podmienok merania. Cieľom navrhovania experimentu je poskytnúť najúčinnejšie a najúspornejšie meranie pre dosiahnutie výsledku, na ktorý chceme poukázať.
Experimenty musia spĺňať nasledovné kritéria z hľadiska prepravy, využiteľnosti, názornosti a atraktívnosti. Nesmieme zabudnúť aj na náklady spojené s ich prenosom a realizáciou.
| Ktoré koleso bude najrýchlejšie? |
|
Pomocou troch skrutiek a dvoch CD-čok vytvoríme kolesá, ktoré sa líšia miestom, kde ich spojíme. Prvé koleso má skrutky v blízkosti osi otáčania (blízko svojho stredu),
druhé má skrutky pri obvode a tretie medzi obvodom a stredom CD-čka. Všetky kolesá majú rovnakú hmotnosť. Kolesá postavíme na vrch naklonenej roviny a naraz ich pustíme.
Ktoré koleso bude najrýchlejšie?
Do pingpongovej loptičky po myslenej kružnici uprostred nasunieme skrátené slamky a ohneme ich. Na vrch loptičky nasunieme hrubšiu slamku (viď obrázok) a do nej vložíme celú slamku.
Ak fúkneme do tejto dlhej slamky, vzduch bude vychádzať z bočných skrátených slamiek a pingpongová loptička sa roztočí.
Pavúka nalepíme na zápalkovú škatuľku. Do jej vnútra uprostred prichytíme zápalku. Cez zápalkovú škatuľku prevlečieme kolmo ku zápalke niť, po ktorej sa pavúk bude pohybovať. Ak pavúkovi prikážeme,
aby išiel, niť uvoľníme a pavúk sa so zápalkovou škatuľkou bude hladko kĺzať po niti. Ak pavúkovi prikážeme stoj, niť napneme a vďaka treniu medzi niťou a zápalkou vo vnútri škatuľky, pavúk zastane.
Pripravíme si drevený kváder tak, aby mal zošikmené strany. Položením kvádra na zošikmenú stranu sa neudrží a spadne. Prepichnutím kvádra klincom upravíme ťažisko celej sústavy a kváder stojí aj na zošikmenej strane.
Zotrvačník si môžeme vyrobiť aj z uzatvárateľného pohára, gumičky a plastelíny. Gumičku upevníme o dno aj vrchnák pohára tak, aby sa nepretáčala. Na jedno vlákno gumičky upevníme plastelínu. Vrchnák držíme pevne
v rukách a otáčame pohárom. Po položení na podložku sa náš zotrvačník bude pohybovať.
Daným experimentom dokážeme, že teleso padá rovnako dlhý čas voľným pádom i vodorovným vrhom. Smerom po žlto-zelenej páske pustíme autíčko, ktoré narazí do nitky (tá je uchytená iba k ihle pod páskou). Nárazom
sa uvoľní kruh, ktorý začne padať voľným pádom. Autíčko letiace vodorovným vrhom cez kruh preletí.
|
| Coriolisov kolotoč (Priamo alebo zakrivene) |
|
Sadnite si s niekoľkými kamarátmi do rotujúceho kolotoča a hádžte si loptu. Po akej trajektórii sa lopta pohybuje?
Vo vzťažnej sústave spojenej s rotujúcim kolotočom sa nám zdá, že lopta sa pohybuje zakrivene – nachádzame sa v neinerciálnej vzťažnej sústave.
Z balkóna môžeme vidieť, že lopta sa pohybuje po priamke – sme v inericálnej vzťažnej sústave. Overili sme prvý Newtonov pohybový zákon, ktorý platí v inerciálnych vzťažných sústavách.
Aj keď to vyzerá hrozivo, nemusíme sa báť. Ťažisko celej sústavy je nastavené tak, aby sa sústava nachádzala v rovnovážnej polohe stabilnej. Po vychýlení sa sústava vracia do pôvodnej (stabilnej) polohy, keďže
chce zaujať polohu s minimálnou (potenciálnou) energiou.
Vychýlime jednu guľôčku. Po náraze na rad guľôčok sa zastaví. Na opačnej strane radu sa odrazí opäť jedna guľôčka (zákon zachovania hybnosti). Podobne môžeme vychyľovať dve, tri, štyri guľôčky na jednej strane
alebo aj súčasne niekoľko guľôčok z oboch strán.
Na princípe kladiek si môžeme vyskúšať, aké ťažké je zdvihnúť samých seba.
Postavíme sa na rotujúci tanier a odrážaním sa postupne roztočíme. Vystretím a opätovným stiahnutím ruky, nohy môžeme meniť rýchlosť otáčania (moment zotrvačnosti).
Roztočte koleso vo zvislom smere a rukoväťou sa snažte rotujúce koleso nakloniť napr. do smeru horizontálneho.
Rotujúce koleso sa snaží udržať otáčky a smer osi otáčania (zákon zachovania momentu zotrvačnosti), preto ho nadol nenakloníme.
V domácnosti využívame rôzne tepelné zdroje: ústredné kúrenie, rýchlovarná kanvica, plynový sporák a pod. Každý z týchto zdrojov tepla dokáže vyprodukovať určité množstvo tepla (miera zmeny vnútornej energie) za jednotku času, hovoríme o tepelnom výkone zdroja. Hodnoty výkonov zdrojov sú rôzne, nájdeme ich na spotrebičoch alebo na internete. Tieto hodnoty vieme porovnať a zistiť, ktorý zdroj má najväčší výkon.
Teplotu kvapaliny v pohári zmeriame digitálnym teplomerom. Položíme k nemu ponorný mixér a kvapalinu mixujeme. Mení sa teplota kvapaliny?
Priložte ruku na plazmovú guľu. Čo pozorujete? Prečo po priložení ruky na guľu sa sústredí celý náboj do našej ruky?
Plazmová guľa je sklenená guľa naplnená inertným plynom. Po zapnutí vzniká v guli výboj (blesk). Uprostred gule je elektróda. Medzi ňou a povrchom gule vzniká silné elektrické pole.
Elektróny sa zrážajú s atómami plynu, spôsobujú ich excitáciu a ionizáciu – vidíme svetelný záblesk.
|
| Koľko váži elektrostatická sila? |
|
Dve pingpongové guľôčky natrieme vodivým náterom a pripevníme na ne slamky. Obe guľôčky nabijeme. Jednu pingpongovú guľôčku na stojane zo slamky položíme na digitálne váhy. Druhú guľôčku k prvej približujeme
a sledujeme hodnotu na váhach. Koľko váži elektrostatická sila?
Dve vodivé alobalové platne vložíme do dvoch rôznych častí knihy. Na multimetry si všimneme ich kapacitu. Pritlačením na knihu zmenšíme vzdialenosť medzi alobalovými platňami. Čo sa stane?
Akú hodnotu bude ukazovať multimeter?
Jednoduchý pokus na elektrostatiku si pripravíme nasledovne: Špajľu upevníme vertikálne na stojan. Na jej horný koniec dáme priečne pomocou špendlíka slamku. Ďalšiu slamku nabijeme šúchaním hygienickou vreckovkou
a približujeme sa ňou k slamke na stojane. Čo sa deje? Skúste nabiť obe slamky. Nastal nejaký rozdiel?
Meranie hmotnosti vodivej rúrky, cez ktorú padá neodýmový magnet, prepája vedomosti o treťom Newtonovom zákone z nižšieho ročníka strednej školy s elektromagnetizmom vo vyššom ročníku. Jednoduchý experiment
a ľahko dostupné pomôcky ozrejmujú zložitý pojem elektromagnetická indukcia a Lenzov zákon, pričom tieto vedomosti využívame aj k zopakovaniu a upevneniu zákona akcie a reakcie. Počas fixácie vedomostí
v podobe analýzy videomerania sa žiaci môžu presvedčiť o konštantnej rýchlosti magnetu v rúrke a porovnať rýchlosť pádu v závislosti od materiálu rúrky a hmotnosti magnetu.
Vlastnosti kvapalín a plynov |
|
Chvíľu počkajte, kým sa vzduch v balóne ohreje a balón vyletí nahor. Teplý vzduch má menšiu hustotu ako vzduch studený. Keď relatívna hustota balóna a vzduchu v ňom bude nižšia ako hustota okolitého vzduchu, balón vystúpi nahor.
Pomaly ťahajte šnúru a postupne vytvárajte horizontálny mydlový film. Všimnite si na ňom neustále sa meniace farby. Rytmicky potiahnite šnúrou alebo potraste hornou lištou, ktorá tvorí horný okraj mydlového filmu, aby ste vytvorili vzor vĺn. Prečo vidíme rôzne farby?
Zahrajte si tenis s bublinami. Zo starých rakiet odstráňte vnútorný výplet a ponorte ich do mydlového roztoku. Menším bublifukom vytvorte bubliny. Tenis s bublinami sa môže začať.
Najbežnejšou spomedzi nenewtonovských kvapalín je hustý roztok škrobu vo vode, ktorý je jednoduchý na prípravu. Stačí dať do pohára pár lyžíc škrobu, najlepšie kukuričného, a postupne po čajových lyžičkách
pridávať vodu a vždy dôkladne premiešať. Táto kvapalina pomerne rýchlo tečie, ale ak na ňu rýchlo narazíte, zostáva tuhá. Môžete ju pomaly miešať, ale ak by ste z nej chceli rýchlo vybrať lyžičku,
kvapalina na moment stuhne a zdvihne sa spolu s lyžičkou celá nádoba. Po tejto kvapaline môžete rýchlo utekať bez toho, aby ste sa do nej ponorili. Ponoríte sa, až keď zastanete.
Pripravíme si šumivý nápoj: do polovice fľaše nalejeme olej a prilejeme trocha zafarbenej vody. Prihodíme 1-2 šumivé tablety. Tie po rozpustení začnú uvoľňovať oxid uhličitý, ktorý zníži hustotu zafarbenej vody tak,
že sa búrlivo premieša s olejom. Na povrchu oxid uhličitý uniká a zafarbené kvapky vody opäť putujú olejom späť na dno.
Aspoň tri rôzne kvapaliny, navzájom nemiešateľné, zafarbíme každú inou farbou a nalejeme do jednej nádoby. Postupne do nej vhadzujeme rôzne predmety. V ktorej kvapaline sa kľúč, guma a pod. vznáša, ponára lebo pláva?
Namiešame si niekoľko tekutín s rôznou hustotou tak, že do vody pridáme cukor / soľ a každú tekutinu dofarbíme iným farbivom. Postupným naberaním tekutín do priehľadnej slamky / ampulky, od najmenšej hustoty
po najväčšiu, získame farebnú dúhu. Keďže tekutiny sú navzájom miešateľné, prevrátením farebnej dúhy sa tekutiny navzájom zmiešajú.
Experiment s loptou, ktorý sa vznáša v prúde vzduchu, na overenie princípu Bernoulliho rovnice, je známy. Zaujímavou inováciou je pospájanie viacerých balónov do tvaru obruče. V prúde vzduchu z fénu
sa nielen vznášajú, ale aj točia. Pohrať sa môžeme aj s tvarom jednej lopty, resp. telesa, ktoré sa bude vznášať v prúde vzduchu, napr. polystyrénová polguľa, lietajúci balón (ku polystyrénovej polguli
pripevníme balón), lopta z dvoch polystyrénových polgulí, superman, či porovnanie hladkej lopty a lopty s preliačinami.
Do kovovej rúrky vstrekneme vodu, ktorá sa vplyvom plameňa zo sviečky zohreje. Vzniknutá vodná para sa rozpína a prúdi z rúrky von. Keďže platí zákon zachovania hybnosti, loďka sa na vodnej hladine začne pohybovať
opačným smerom, ako vychádzajúca vodná para. Vznikajúci podtlak v rúrke spôsobí, že voda sa z bazéna nasáva späť do rúrky. Plameň sviečky vodu opäť zohreje a proces sa opakuje.
Archimedova skrutka je zaujímavé zariadenie, ktoré pracuje na základe viacerých fyzikálnych princípov, vrátane zotrvačnosti vody, súdržnosti molekúl vody (kohézie) a skladania síl. Je tvorená
hadičkou namotanou okolo valca. Otáčaním tejto aparatúry sa do hadičky naberá voda. Takýmto spôsobom je možné prečerpať vodu z nižšie položenej nádoby do vyššej. Spôsob fungovania je všeobecne
známy a využíva sa v mnohých prístrojoch. Aj napriek tomu nie je zaradený do vyučovacieho procesu základných, stredných ani vysokých škôl.
Na loptu fúkame prúd vzduchu a snažíme sa ju dostať „do cieľa“. Korigovaním obtekajúceho vzduchu môžeme usmerňovať pohyb lopty alebo ju udržať v určitej polohe.
Na pokojnej vodnej hladine pláva voskový model loďky. Vypúšťaním bubliniek do vody sa pôvodne plávajúce teleso začne ponárať vplyvom cirkulácie vody.
Zapnutím červeného tlačidla spustíme ventilátor a snažíme sa priblížiť tanier k ústiu trubice, odkiaľ prúdi vzduch. Na začiatku musíme prekonať odpor vzduchu. Keď sa dostaneme dostatočne blízko k ústiu trubice, prúdiaci
vzduch vytvorí podtlak a tanier sa k nej prisaje (Bernoulliho rovnica). Ak tanier pustíme, ostane na potrubí „nalepený“.
Každý z nás už počul zvuk gitary. Ale môžeme ho aj vidieť? Ako na to: Roztočte valec a rozvibrujte struny. Pozorujte vzor na vlnách. Vidíte vlastne vibrácie gitarových strún, ktoré vytvárajú zvuk.
Z pohybujúceho sa kohútika fúka vzduch, ktorý na vodnej hladine vytvára Dopplerov jav. Vo vnútri nádoby s vodou je priečne položené zrkadlo, ktoré efekt premieta na bočnú stenu.
Všimnite si, že vlny sú bližšie pri sebe v smere pohybu zdroja a ďalej od seba sú za zdrojom.
Na ručný šľahač mlieka zavesíme pevnú gumičku so závažím. Ak zapneme šľahač, môžeme pozorovať stojatú vlnu.
Dokázať zmenu periódy zmenou tiažového zrýchlenia je v našich podmienkach bez použitia experimentálnej zostavy nereálne. Zaujímavý experiment s ľahko dostupnými pomôckami pozostáva zo silona, na ktorý zavesíme
silomer a závažie.
V prvom prípade silomer umiestnime v dolnej časti aparatúry. Závažie rozkmitáme. Natiahnutím silona silomerom sa zväčší výsledná pôsobiaca sila na závažie, ktoré začne kmitať výrazne pomalšie. V druhom prípade
umiestnime silomer v hornej časti aparatúry. Opäť rozkmitáme závažie a potom natiahneme silomerom silon, ale tentoraz zmenšíme výslednú pôsobiacu silu na závažie, keďže ťaháme smerom nahor. Perióda kmitania
závažia sa zväčší.
Roztočte bubon, na ktorom sú široké čierne a biele pruhy. Stroboskopickým javom sme zviditeľnili vibrácie strún.
Sadnite si so svojím kamarátom na rezonančnú hojdačku. Jeden z vás sa rozhojdá, druhý ostane v pokoji. Postupne sa kmity prvej hojdačky prenesú na druhú, ktorá je s ňou spriahnutá.
Pozorujeme postupný útlm kmitov prvej hojdačky a súčasne nárast výchylky kmitania druhej hojdačky (bez vonkajšieho zásahu).
Útlm a nárast kmitov jednotlivých hojdačiek sa pravidelne opakuje, až kým sa vplyvom tlmenia obe nezastavia.
Elektromagnetické žiarenia a častice mikrosveta |
|
Môžeme zachytiť náš tieň? Postavte sa blízko ku stene a stlačte tlačidlo. Po chvíli sa zablyskne. Záblesk ožiari celú stenu, s výnimkou miest, ktoré zakrývate, s výnimkou vášho tieňa. Táto stena je vyrobená z kryštálov sulfidu zinočnatého. Po krátkom záblesku tieto kryštály na niekoľko sekúnd žiaria. Ak odstúpite od steny, váš tieň ostane „zmrazený“ na stene.
Dve polarizačné filtre položíme kolmo k sebe. Medzi ne vložíme priehľadné pravítko, kadičku, okuliare. Na kadičku môžeme nalepiť priehľadnú lepiacu pásku. Farby, ktoré pozorujeme sú výsledkom
rozdielov v rýchlosti polarizovaného svetla prechádzajúceho jednotlivými telesami.
Z papiera si vystrihneme kruh v podobe CD a nalepíme naňho pravidelne rôzne farebné prúžky. Nasadíme ho na spodnú časť z obalu na CD a položíme na ceruzku vo zvislom smere. Roztočením môžeme pozorovať skladanie farieb.
Papier zrolujeme a pozeráme cezeň ako cez ďalekohľad. Druhú ruku s otvorenou dlaňou priložíme k zrolovanému papieru. Oboma očami pozeráme priamo, jedným cez rolku papiera a druhým do dlane. Čo vidíte? Máte
dieru v dlani?
Postavte sa pred zrkadlo a pohybujte svojou rukou a prstami. Keď zdvihnete palec zistíte, že obraz vašej ruky je prevrátený. Zrkadlá môžu poskytovať rôzny obraz, aj v závislosti od polohy predmetu vzhľadom k ohnisku zrkadla.
Prejdite jednoduchú chodbu vydláždenú zrkadlami. Kadiaľ môžete ísť a kde je len váš obraz v zrkadle?
