Experimentální celky

1. Elektrostatika

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: elektrický náboj, elektrické pole, deskový kondenzátor, intenzita a potenciál elektrického pole, elektrické napětí, kapacita vodiče.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 4 stanoviště.

Stanoviště:

• Intenzita elektrického pole v okolí nabitého kulového vodiče. Studenti proměří závislost intenzity el. pole na náboji koule a na vzdálenosti od jejího středu.

• Experimenty s jednoduchým deskovým kondenzátorem. Studenti kvantitativně ověří vliv plošného obsahu desek a jejich vzdálenosti na kapacitu deskového kondenzátoru. Číselně pak stanoví relativní permitivitu papíru, resp. skla.

• Hrátky s kondenzátory. Cílem jednoduchých experimentů je ukázat vztahy mezi nábojem, napětím a kapacitou kondenzátoru. Kromě toho studenti proměří kapacitu různých vodičů včetně jejich vlastní kapacity.

• Elektrostatika s brčky. Jednoduché experimenty zahrnují porozumění konceptům elektrostatické indukce a polarizace dielektrika a  kvantitativní odhady náboje na brčkách využívající Coulombův zákon.

• Jak znázornit elektrické pole. Na stanovišti využívají studenti applet určený k modelování různě složitých elektrických polí; cílem je přiblížit veličiny popisující pole – intenzitu a potenciál el. pole.

• Stavba indikátoru elektrického náboje. Studenti si napájí a odnesou detektor kladného a záporného elektrického náboje.

2. Kmitání a mechanika tuhého tělesa

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: kmitání, perioda a frekvence, moment setrvačnosti, torze, torzní kyvadlo, direkční moment, vlastní frekvence, rezonanční křivka.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 2 až 3 stanoviště.

Stanoviště:

• Moment setrvačnosti. Studenti experimentálně určí moment setrvačnosti různých těles (z periody kmitání na zkrutné pružině známého direkčního momentu) a porovnají získané výsledky s teoretickými výpočty vycházejícími z rozměrů a hmotnosti těles.

• Kmitání na pružině. Cílem stanoviště je proměřit závislost periody kmitání tělesa zavěšeného na pružině na jeho hmotnosti a na základě získaného grafu pak předpovědět hmotnost, pro kterou nabývá perioda zvolené hodnoty.

• Vlastní a rezonanční frekvence (Pohlovo kyvadlo). Stanoviště se zaměřuje na proměření rezonanční křivky Pohlova kyvadla a porovnání vlastní a rezonanční frekvence.

• Torzní kmity. Studenti zkoumají, na čem závisí perioda kmitů při torzi tyčí různých parametrů.

3. Kvantování v mikrosvětě

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: kvantování energie záření, energetické hladiny v atomech, fotoelektrický jev, rentgenové záření, Planckova konstanta.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 2 až 3 stanoviště. Primárně toto téma doporučujeme zájemcům o fyziku – seminaristům.

Stanoviště:

• Franckův-Hertzův experiment. Studenti zopakují slavný historický pokus Jamese Francka a Gustava Hertze, který potvrdil kvantování energie elektronů v obalech atomů.

• Spektrum rentgenky. Cílem stanoviště je proměřit závislost intenzity rentgenového záření na jeho vlnové délce při difrakci RTG záření na krystalu kuchyňské soli a ukázat tak existenci brzdného a charakteristického RTG záření. Charakteristické záření potvrzuje existenci energetických hladin v atomech. Jde o analogii měření zastoupení jednotlivých frekvencí ve spektru viditelného světla.

• Fotoelektrický jev pomocí appletu. Stanoviště využívá interaktivní applet, pomocí kterého se studenti seznámí s principem a vlastnostmi fotoelektrického jevu a jeho Einsteinova vysvětlení, které vedlo k myšlence kvantování energie záření.

• Vnější fotoelektrický jev. Studenti proměří závislost brzdného napětí (jež zcela potlačí fotoproud vzniklý při fotoelektrickém jevu) na frekvenci dopadajícího záření a ze získaných údajů určí Planckovu konstantu.

• Určení Planckovy konstanty pomocí LED. Jednoduché měření vede k číselnému vyjádření Planckovy konstanty na základě analýzy voltampérových charakteristik barevných LED.

• Fotoelektrický jev s plechovkou. Cílem stanoviště je ukázat, že záření s dostatečnou vysokou energií způsobuje uvolňování elektronů z povrchu záporně nabité hliníkové plechovky, a tedy k jejímu vybíjení.

4. Magnetické pole solenoidu

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: magnetické pole vodiče s proudem, magnetické pole solenoidu, magnetická indukce, teslametr, magnetické vlastnosti látek.

Koncept tohoto tématu se poněkud odlišuje od témat ostatních – studenti experimentují celkem ve třech blocích, přičemž první dva bloky jsou pro všechny experimentující skupiny shodné:

Blok 1 je čistě kvalitativním zkoumáním faktorů, které ovlivňují velikost magnetického pole cívky; studenty přitom vede webová stránka Magnetické pole v IFL kvalitativně.

Blok 2 představuje kvantitativní proměření, jak závisí magnetická indukce na proudu cívkou, délce cívky a počtu jejích závitů.

Blok 3 se skládá ze čtyř stanovišť, každá experimentující skupina se nyní věnuje již jen jednomu z nich. Jsou to:

• Měrný elektrický náboj elektronu. Experiment využívá zakřivení svazku elektronů v homogenním magnetickém poli k výpočtu měrného elektrického náboje elektronu.

• Průběh magnetického pole na ose cívky. Solenoid je pouze fyzikální idealizací, pole uvnitř reálné cívky homogenní není. Na stanovišti studenti proměří, jak se mění magnetická indukce na ose cívky v závislosti na vzdálenosti od jejího středu.

• Jádro cívky. Na stanovišti je proměřován vliv různých jader na velikost magnetické pole kolem cívky (elektromagnetu).

• Stejnosměrný elektromotor. Studenti sestaví elektromotor s komutátorem a zkoumají princip jeho fungování.

5. Optika – kvantitativní pojetí

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: index lomu, polarizace světla, interference, difrakce na optické mřížce, Malusův zákon, Youngův experiment.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 2 až 3 stanoviště.

Stanoviště:

• Měření indexu lomu. Studenti určí pomocí digitálního dálkoměru index lomu různých prostředí a porovnají získané hodnoty s tabulkovými údaji.

• Malusův zákon. Studenti proměří závislost intenzity (ne)polarizovaného světla na úhlu otočení roviny polarizace lineárním polarizačním filtrem a naměřená data podrobí analýze.

• Difrakce světla na optické mřížce. Studenti zkoumají vliv různých veličin na podobu difrakčního obrazce a změří mřížkovou konstantu CD.

• Youngův experiment. Studenti provedou dvojštěrbinový experiment, ověří vlnovou povahu světla a odvodí vztah pro vzdálenost interferenčních maxim.

• Polarizace. Studenti se pomocí interaktivního appletu seznámí s polarizovaným světlem, jehož vlastnosti poté zkoumají i pomocí reálných polarizačních filtrů.

Pro zájemce, kteří by se chtěli o příslušné fyzikální teorii dozvědět trochu více, je připraven rozšiřující text o vlnové optice.

6. Optika – kvalitativní pojetí

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: lidské oko, čočka, sítnice, dalekozrakost, krátkozrakost, skládání barev, barva předmětu, barvoslepost.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 3 až 4 stanoviště.

Stanoviště:

• Složení oka. Studenti prozkoumají roli duhovky, ciliárních svalů a spojné čočky pro lidské vidění a naleznou na sítnici slepou skvrnu.

• Vady ostrého vidění. Pomocí schémat, čoček a laseru studenti zkoumají, jak se spojují paprsky pocházející z blízkých a dalekých předmětů u zdravého, dalekozrakého a krátkozrakého oka a následně vady korigují čočkami.

• Vady barevného vidění. Na tomto stanovišti studenti pracují se speciálními brýlemi a applety, které jim přibližují způsob vidění našeho světa očima barvoslepého člověka a které pomáhají pochopit, co tyto vady způsobuje.

• Skládání barev. Na tomto stanovišti studenti pomocí barevných světel a USB mikroskopu zkoumají různé způsoby skládání barev a jejich využití. Dále prozkoumají funkci nočního režimu displejů.

• Barvy předmětů. Studenti pozorují, jaký vliv má barva světla na barvu předmětu a vyvozují, proč tomu tak je.

7. Rotující soustavy

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: pohyb po kružnici, perioda, frekvence, úhlová rychlost, dostředivá síla.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 3 stanoviště.

Stanoviště:

• Dostředivá síla. Úkolem studentů je proměřit závislost velikosti dostředivé síly na periodě otáčení.

• Rotující kuličky. Stanoviště se experimentálně i teoreticky věnuje vztahům pro výšku, do které vystoupí kuličky různé hmotnosti umístěné do rotující kyvety.

• Kapalina v rotující nádobě. Studenti pořídí fotografii vodní hladiny v rotující nádobě a následně pomocí názorného softwaru provedou analýzu tvaru hladiny a matematizaci problému.

• Víry. Studenti se zabývají vznikem vodního a ohnivého víru.

8. Termodynamika I – kvantitativní pojetí

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: ideální plyn, izotermický a izochorický děj, Boyleův-Mariottův a Charlesův zákon, tepelná a měrná tepelná kapacita.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 3 až 4 stanoviště.

Stanoviště:

• Určení měrné tepelné kapacity vody. Studenti stanoví měrnou tepelnou kapacitu vody na základě měření ohřevu vody topnou spirálou a porovnají získanou hodnotu s tabulkovým údajem.

• Porovnání měrné tepelné kapacity oleje a vody. Experiment spočívá v proměření růstu teploty v čase pro dvě současně zahřívané kapaliny s různou měrnou tepelnou kapacitou – vodu a olej.

• Kalorimetrie. Tradiční měření využívající kalorimetrickou rovnici ke stanovení měrné tepelné kapacity neznámého kovu.

• Ověření Boyleova-Mariottova zákona. Studenti proměří pV-závislost při izotermickém ději s ideálním plynem a následné využijí naměřené hodnoty k dopočítání látkového množství studovaného plynu.

• Ověření Charlesova zákona. Studenti proměří pT-závislost při izochorickém ději s ideálním plynem a následně využijí naměřené hodnoty ke stanovení standardního molárního objemu plynu.

9. Termodynamika II – kvalitativní pojetí

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: vedení tepla, tepelná vodivost, termografické zobrazování, termovizní kamera, teplota tání, chladicí efekt při vypařování, rychlost vypařování.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 3-4 stanoviště.

Stanoviště:

• Vedení tepla. Studenti pomocí termovizní kamery vizualizují vedení tepla v plastu a kovu, porovnají tepelnou vodivost různých kovů a využijí vedení tepla ve dvou jednoduchých „kouzelnických“ experimentech.

• Termografie. Na stanovišti studenti využijí termovizní kameru při studiu vlastností tepelného infračerveného záření – mj. zkoumají odraz a průchod záření různými materiály, tepelné účinky laserového svazku, zvýšení teploty mechanickou prací (úder, tření o podložku apod.).

• Tání krystalických látek. Stanoviště zahrnuje experimentální určení teploty tání pentahydrátu thiosíranu sodného a přípravu chladicí směsi vody, ledu a soli.

• Vypařování, kondenzace a var. Studenti využijí teplotních čidel a termovizní kamery pro vizualizaci teplotních změn při vypařování kapalin a kondenzaci plynů, určí teplotu varu vody a její závislost na tlaku vzduchu.

• Jak ovlivnit rychlost vypařování. Studenti proměří vliv, který má na rychlost vypařování kapaliny velikost její hladiny a případné odstraňování par nad jejím povrchem.

10. Vrhy

STÁHNOUT MATERIÁLY K TOMUTO CELKU

Klíčové pojmy: tíhové pole Země, tíhové zrychlení, volný pád, vrh vodorovný, vrh šikmý vzhůru, videoanalýza, grafické znázornění naměřené závislosti.

V rámci tohoto celku studenti během jedné návštěvy IFL obvykle stihnou projít 3 stanoviště.

Stanoviště:

• Volný pád. Studenti ověří, že volný pád je rovnoměrně zrychleným pohybem a za využití lineární regrese určí velikost tíhového zrychlení.

• Vrh vodorovný (sjezd po skluzavce). Studenti využívají skluzavku, ze které nechávají sjíždět kuličku. Přitom proměří závislost doletu kuličky na výšce, ze které sjíždí, a vytvoří příslušný graf. Ten na závěr využijí k tomu, aby dokázali trefit cíl v dané vzdálenosti.

• Šikmý vrh – videoanalýza. Studenti mají k dispozici tenisový míček, stativ a kameru, pomocí které zachytí šikmý vrh míčkem. Pořízené video následně podrobí videoanalýze a z ní udělají závěry týkající se jednodušších pohybů, z nichž je šikmý vrh složen.

• Šikmý vrh – střílíme z kanónu. Na stanovišti je k dispozici vrhač projektilů – kovových kuliček. Studenti proměřují závislost doletu kuliček na úhlu sklonu hlavně kanónu a získaný graf následně využijí k tomu, aby dokázali trefit cíl v dané vzdálenosti.