Pobierz FENIKS i więcej Notatki w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Człowiek – najlepsza inwestycja FENIKS - długofalowy program odbudowy, popularyzacji i wspomagania fizyki w szkołach w celu rozwijania podstawowych kompetencji naukowo- technicznych, matematycznych i informatycznych uczniów Pakiet nr 6: Fizyka w służbie człowieka dr Aldona Kubala-Kukuś, dr Urszula Majewska Instytut Fizyki, Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach, ul. Świętokrzyska 15, 25-406 Kielce Wersja UJK/1.0 Niniejszy tekst w odniesieniu do ćwiczeń realizowanych na uczelni dotyczy realizacji pakietu na UJK. Materiał będzie aktualizowany w miarę poszerzania bazy aparaturowej pracowni uczelnianych. - długofalowy program odbudowy, popularyzacji i wspomagania fizyki w szkołach w celu rozwijania podstawowych kompetencji naukowo - technicznych, matematycznych i informatycznych uczniów Projekt współfinansowany jest ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 2 Opis doświadczeń na zajęcia dla uczniów na Uczelni U.6.01 Tytuł: Ochrona radiologiczna przed promieniowaniem jonizującym. Cel ćwiczenia, opis: Zapoznanie ucznia z pojęciem promieniowania jonizującego, jego źródłami naturalnymi i sztucznymi, rodzajami promieniowania jonizującego, jego podstawowymi własnościami i sposobami ochrony przed nim. W ćwiczeniu wykorzystywane jest źródło kobalt – 60 ( 60 Co) o aktywności wyjściowej 1mCi, które znajduje się w pojemniku osłonnym. W pojemniku znajduje się otwór, przez który wyprowadzana jest wiązka promieniowania. Otwór ten zamykany jest osłoną z ołowiu. W trakcie ćwiczenia uczniowie będą badać zależność natężenia promieniowania γ od odległości źródła kobaltowego od detektora oraz zależność natężenia promieniowania γ w funkcji grubości absorbenta celem wyznaczenia liniowego współczynnika pochłaniania µ materiału, z którego wykonany jest absorbent (osłona). Określają też zależność współczynnika pochłaniania µ od liczby atomowej absorbenta. Poznają 3 podstawowe zasady ochrony radiologicznej i rolę osłon w ochronie radiologicznej. Wymagana wiedza ucznia: budowa atomu i składniki jądra atomowego, definicje liczby atomowej Z, liczby masowej A; umiejętność sporządzenia wykresu w układzie kartezjańskim xy. Niezbędne przedmioty i materiały: Źródło Co-60, detektor promieniowania (sonda scyntylacyjna), uniwersalny radiometr laboratoryjny, zasilacz sondy, wzmacniacz liniowy, przelicznik, płytki z materiałów o różnej gęstości (pleksi, aluminium, żelazo, ołów), suwmiarka. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z izotopami promieniotwórczymi. Źródła promieniotwórcze są „obsługiwane” tylko i wyłącznie przez przeszkolonych pracowników Uniwersytetu. 5 3. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, „Podstawy fizyki”, tom 5, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2005. 4. P.G.Hewitt „Fizyka wokół nas”, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2003. 5. P.Jaracz, „Promieniowanie jonizujące w środowisku człowieka”, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego. 6 U.6.02 Tytuł: Pomiar skażeń promieniotwórczych wody lub powietrza. Cel ćwiczenia, opis: Zapoznanie ucznia z faktem istnienia promieniotwórczości naturalnej i wskazanie jej źródeł. Omówienie rodzajów promieniowania jądrowego α, β i γ (zapis przemiany jądra, w wyniku której emitowane jest dane promieniowanie). Zwrócenie uwagi ucznia na różnicę pomiędzy napromieniowaniem a skażeniem, szczególnie na to, która z sytuacji jest bardziej niebezpieczna dla człowieka. Wyznaczenie aktywności pierwiastków β-promieniotwórczych w środowisku naturalnym na przykładzie wody lub powietrza. Wymagana wiedza ucznia: budowa atomu i składniki jądra atomowego, definicje liczby atomowej Z, liczby masowej A. Niezbędne przedmioty i materiały: Chlorek potasu KCl, naczyńko na sól, zestaw do filtracji powietrza (m.in. odkurzacz), zestaw do filtracji wody (m.in. 5-cio litrowe naczynie na wodę), filtry bibułowe, zasilacz wysokiego napięcia, sonda scyntylacyjna, wzmacniacz, jednokanałowy analizator amplitudy impulsów, przelicznik. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Szczególnych zagrożeń brak, KCl jest naturalnym źródłem promieniowania jonizującego i nie stanowi zagrożenia. Uczeń, który będzie odważał chlorek potasu powinien umyć ręce (KCl jest stosowany w zaburzeniach żołądkowych, również do sprowokowania torsji). Praca z prądem elektrycznym: Obwody elektryczne w zestawach ćwiczeniowych należy łączyć zgodnie ze schematami podanymi w instrukcjach ćwiczeniowych. Uczniowi nie wolno włączać do źródła zasilania zmontowanego przez siebie obwodu bez zgody prowadzącego zajęcia! Należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z izotopami promieniotwórczymi. Preparaty promieniotwórcze należy prawidłowo umieszczać pod 7 licznikiem. Źródła promieniotwórcze są „obsługiwane” tylko i wyłącznie przez przeszkolonych pracowników Uniwersytetu. Wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi). Przebieg ćwiczenia, szacunkowy czas trwania: Wprowadzenie teoretyczne: budowa atomu, jądra atomowego. Wprowadzenie pojęć: „rozpad jądra atomowego”, „substancja promieniotwórcza”, „aktywność substancji promieniotwórczej”, „promieniowanie jonizujące”, omówienie rodzajów promieniowania jonizującego - α, β i γ (zapis przemiany jądra, w wyniku której emitowane jest dane promieniowanie). Omówienie zagadnień: źródła promieniowania naturalnego, szeregi promieniotwórcze, pojęcia „napromieniowane” i „skażenie” oraz wyjaśnienie różnicy między nimi. Czas: 30 minut. U.6.02.1 Przeprowadzenie kalibracji układu pomiarowego przy pomocy naturalnego źródła promieniowania β, czyli KCl (aktywność właściwa 400pCi/g): a) Zważyć masę soli KCl (około 1g). b) Wykonać pomiar liczby zliczeń pochodzących od źródła KCl w czasie odpowiadającym niepewności ~3% (tj. 03.0= N N ). Czas trwania: 20 minut. U.6.02.2 Pomiar aktywności powietrza: a) Wykorzystując zestaw do filtracji powietrza przepompować przez filtr bibułowy ~5m 3 powietrza. Zanotować dokładną objętość powietrza przepompowanego. b) Wykonać pomiar liczby zliczeń pochodzących od filtra w określonym czasie. c) Korzystając z kalibracji wykonanej wcześniej wyznaczyć aktywność właściwą pierwiastków β-promieniotwórczych powietrza. d) Porównać wartości otrzymanych aktywności z normami obowiązującymi dla powietrza. 10 pryzmat, źródło światła białego, tablice chromatyczne Ishihary, test widzenia, tablice z kolorowymi figurami. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Praca z prądem elektrycznym i laserem: Obwody elektryczne w zestawach ćwiczeniowych należy łączyć zgodnie ze schematami podanymi w instrukcjach ćwiczeniowych. Uczniowi nie wolno włączać do źródła zasilania zmontowanego przez siebie obwodu bez zgody prowadzącego zajęcia! Nie wolno wprowadzać wiązki światła lasera do oka! Wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi). Przebieg ćwiczenia, szacunkowy czas trwania: U.6.03.1 Mierzenie ciśnienia krwi uczniów po krótkim wyjaśnieniu budowy i pracy serca, roli tętnic i przebiegu tętnicy ramiennej. Pomiar przeprowadza najpierw Prowadzący zajęcia u współpracownika, następnie uczniowie mierzą sobie nawzajem pod kontrolą Prowadzącego. Pomiar ciśnienia krwi powinien być wykonywany w spokoju i w pozycji siedzącej, po co najmniej 3 minutowym odpoczynku. Ramię, na którym dokonywany będzie pomiar powinno być wolne od uciskających ubrań (koszul, swetrów itp.), swobodnie oparte o podłoże. Ręka powinna być swobodnie oparta, nie należy jej napinać. Mankiet do pomiaru ciśnienia tętniczego krwi powinien znajdować się na wysokości serca. Opaskę ciśnieniomierza zakłada się tak, aby równo przylegała do ramienia i znajdowała się na wysokości serca. Gumowy mankiet badający napełnia powietrzem przy pomocy pompki aż do momentu, kiedy wartość ciśnienia na manometrze przewyższa o 30 mmHg wartość ciśnienia, przy którym zanika tętno. Badający przykłada słuchawkę do tętnicy łokciowej w zgięciu łokciowym i powoli z mankietu wypuszcza powietrze. Z chwilą pojawienia się pierwszej fali tętna badający wysłuchuje nad tętnicą łokciową ton, a odczytany w tym momencie stan słupka rtęci lub wartość na zegarze czy też na skali cyfrowej manometru wskazuje wysokość ciśnienia skurczowego (jest to tzw. I faza Korotkowa). W miarę dalszego wypuszczania powietrza z mankietu słychać wyraźnie dźwięczne tony zwykle zgodne z akcją serca, słyszalne aż do momentu, gdy głośność zmniejsza się, cichnie i znika. Wartość ciśnienia odczytana z manometru w chwili, gdy ton całkowicie zanika, wskazuje wysokość 11 ciśnienia rozkurczowego (jest to tzw. V faza Korotkowa). Gdy tony są słyszalne aż do 0 mm Hg za ciśnienie rozkurczowe, przyjmuje się wartość odpowiadającą ich ściszeniu (tzw. IV faza Korotkowa). Czas trwania: 15 minut. U.6.03.2 Uczeń przy pomocy stetoskopu przyłożonego do klatki piersiowej słucha pracy swojego serca. Patrząc na zegarek z sekundnikiem lub stoper liczy liczbę uderzeń serca w ciągu 1 minuty, tj. mierzy tętno. Za wartość prawidłową uważa się wartość z przedziału od 72 do 80 uderzeń na minutę. Można pokazać tez uczniom, jak mierzy się tętno na tętnicy na nadgarstku. Czas trwania: 10 minut. U.6.03.3 Wprowadzenie teoretyczne: omówienie budowy oka i wad wzroku (pod kątem oka jako układu optycznego). Uczeń dostaje zestaw do optyki i umieszczając soczewkę na planszy oka o prawidłowej budowie - obserwacja biegu promieni światła lasera – gdzie się skupiają?, następnie na planszach oka krótkowidza i dalekowidza - obserwacja biegu promieni światła lasera – gdzie się skupiają? Uczeń powinien sam zaproponować dołożenie na planszach krótkowidza i dalekowidza, odpowiednio, soczewki rozpraszającej i skupiającej. Następnie uczeń wyznacza ogniskowe 2-3 soczewek skupiających. Służy do tego ława optyczna, na której zamocowane są na stałe w odległości 100 cm źródło światła i ekran. Uczeń wstawia pomiędzy nie soczewkę i znajduje taka dla niej pozycję, by na ekranie widoczny był wyraźny, ostry obraz powiększony. Spisuje odległość soczewki od źródła światła x i od ekranu y. Następnie znajduje inne położenie tej samej soczewki takie, by na ekranie widoczny był wyraźny, ostry obraz pomniejszony. Spisuje odległość soczewki od źródła światła i od ekranu. W oparciu o równanie soczewki yxf 111 += oblicza wartość ogniskowej dla obu przypadków, a następnie wartość średnią fśr i porównuje otrzymaną wartość z wartością teoretyczną fteor podaną na soczewce. Pomiary i obliczenia wykonuje dla wszystkich soczewek, jakie są dostępne na stanowisku pomiarowym. 12 Na zakończenie tej części ćwiczenia uczeń dostaję kartkę, na której narysowane są w odległości ok. 15 cm od siebie kropka i krzyżyk. Uczeń zamyka/zasłania prawe oko i patrzy lewym na figurę na kartce „na skos”, równocześnie zbliżając kartkę do oczu. Mówi, co widzi. Po zbliżeniu do oczu odsuwa kartkę – mówi, co widzi. Czynność powtarza zamykając lewe oko i patrzy prawym okiem na figurę „na skos”. Czas trwania: 60 minut. U.6.03.4 Wprowadzenie teoretyczne: omówienie budowy oka jako układu mającego aparat receptorowy, wad wzroku pod kątem widzenia barwnego. Przypomnienie pojęć „barwy proste światła”, „barwy podstawowe światła” i „barwy pochodne światła”. Wyjaśnienie pojęć „daltonizm”, „protanop”, „deutranop”, „tritanop”. Krótka historia odkrycia zjawiska daltonizmu - kilka słów o Johnie Daltonie i jego prezencie dla mamy. Uczeń za pomocą pryzmatu rozszczepia wiązkę światła białego uzyskując na ekranie/ ścianie tęczę. Następnie przechodzi test na widzenie barwne bawiąc się tablicami na test widzenia i tablicami chromatycznymi Ishihary. Kolejny krok w ćwiczeniu to pokazanie uczniowi, jak męczą się czopki oka, stając się niewrażliwe na kolor. Uczeń dostaję kartki z figurą w jednym z podstawowych kolorów. Wpatruje się w figurę przez kilkadziesiąt sekund, następnie przenosi wzrok na biała kartkę papieru. Mówi, co widzi po kilku sekundach. Powtarza czynność z figurami w innych kolorach podstawowych. Nauczyciel pokazuje uczniowi zdjęcia fiołków widzianych przez osobę o dobrym wzroku, przez daltonistów, którzy nie widzą: koloru czerwonego (protanop), koloru zielonego (deutranop), koloru niebieskiego (tritanop). Czas trwania: 30 minut. 15cm Źródło światła Soczewka Ekran 15 wzrokowym przekazywana jest do mózgu. Jeśli oko ma wadę krótkowzroczności lub dalekowzroczności – obraz powstaje, odpowiednio, przed lub za siatkówką - czyli obraz na siatkówce jest nieostry. Wady te koryguje się stosując odpowiednie soczewki korekcyjne. W krótkowzroczności są to soczewki rozpraszające, a w dalekowzroczności soczewki skupiające. Zestaw z optyki wyposażony jest w planszę z rysunkiem oka, na którym zaznaczone jest miejsce, gdzie należy wstawić soczewkę o prawidłowej budowie – po przepuszczeniu przez nią równoległej wiązki promieni laserowych uzyskuje się obraz (punkt) na siatkówce narysowanego oka. Na planszach „krótkowidza” i „dalekowidza” uczeń wstawia najpierw jedynie soczewki o prawidłowej budowie, efektem jest skupienie światła przed lub poza siatkówką. Następnie uczeń dokłada soczewkę, odpowiednio, rozpraszającą i skupiającą, by uzyskać obraz na siatkówce. W następnej części ćwiczenia uczeń wyznacza wartości ogniskowych kilku soczewek skupiających poprzez określenie położenia soczewki w takim miejscu, by na ekranie powstał wyraźny obraz. Na podstawie równania soczewki: yxf 111 += , gdzie x to odległość źródła światła od soczewki, a y to odległość obrazu od soczewki, wyznacza wartość f ogniskowej soczewki. Na zakończenie tej części ćwiczenia uczeń sprawdza, czy ma ślepą plamkę. Istnieje taka odległość przedmiotu od oka, że obraz przedmiotu pada na plamkę ślepą oka – miejsce bez receptorów wzroku. Nie powstaje odzwierciedlenie tego obrazu w naszym mózgu – nie widzimy przedmiotu. Kiedy uczeń zbliża kartkę z kółkiem i krzyżykiem do oczu w polu widzenia ma oba te kształty. W momencie, kiedy obraz jednej z figur pada na ślepą plamkę, figura ta znika. Kiedy kartka zostaje zbliżona jeszcze bardziej do oczu, figura znów się pojawia, gdyż jej obraz powstaje na siatkówce, gdzie są receptory wzroku (poza ślepą plamką). Gdy uczeń oddala kartkę od oczu, sytuacja powtarza się – w pewnej odległości od oczu któraś z figur na kartce znika – jej obraz trafia na ślepą plamkę. U.6.03.4 Budowa siatkówki nie jest jednakowa w całym jej obszarze, co ma swoje odbicie w widzeniu. Receptory siatkówki to dwa rodzaje komórek światłoczułych: pręciki i czopki (mają kształt stożka). Czopki są mało czułe na światło i pracują przy dobrym oświetleniu (widzenie jasne - fotopowe), ale dzięki nim widzimy kolory. Pręciki pobudza już kilka kwantów światła 16 (widzenie ciemne - skotopowe), ale w ciemności nie widzimy kolorów. Czopki dzielą się na 3 rodzaje reagujące na podstawowe barwy światła – czerwone, zielone i niebieskie. Światło białe jest falą elektromagnetyczną o zakresie długości z przedziału ~380-800nm, na które składają się przedziały długości odpowiadające 7 barwom prostym światła: czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona, jasnoniebieska, granatowa (indygo) i fioletowa. Przepuszczenie wiązki światła białego przez pryzmat powoduje jego rozszczepienie (jak na kropli wody) i powstanie na ekranie widma ciągłego światła białego (tęczy). Uczeń przechodzi test na widzenie kolorowe oraz test tablicami Ishihary. Jeśli widzi wszystkie 3 barwy podstawowe, odpowiada prawidłowo. Trzecia część tego etapu ćwiczenia to zabawa w „zmęczone” czopki. Gdy patrzymy długo na jeden kolor, np. czerwony, czopki reagujące na ten kolor męczą się i przestają pracować. Kiedy przenosimy wzrok na białą kartkę, pracują tylko czopki „zielone” i „niebieskie”, dlatego pojawia się przed oczami obraz powstający z mieszaniny tych dwóch kolorów, czyli obraz o kolorze turkusowym (zielononiebieski). Gdy patrzymy na kształt o kolorze zielonym, przestają pracować czopki „zielone”, a obraz uzyskany przez czopki „czerwone” i niebieskie” ma kolor purpurowy. Kiedy robimy to z kształtem niebieskim, powstały obraz ma kolor żółty (mieszanina światła zielonego i czerwonego). Literatura: 1. „Biofizyka. Podręcznik dla studentów” pod redakcją Feliksa Jaroszyka, Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa 2007. 2. „Podstawy biofizyki. Podręcznik dla studentów medycyny” pod redakcją Andrzeja Pilawskiego, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich Warszawa 1985. 3. Andrzej K. Wróblewski „Uczeni w anegdocie”, Prószyński i S-ka Warszawa 1999. 17 Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach S.6.01 Tytuł: Dlaczego statki pływają i toną? Czemu w Morzu Martwym nie można utonąć. Cel ćwiczenia, opis: Zapoznanie ucznia z prawem Archimedesa, jego zilustrowanie na przykładzie codziennych zjawisk i ukazanie zastosowań technicznych (statki, łodzie podwodne, kapok, deska czy koło ratunkowe). Uczniowie bawiąc się będą badać zależność siły wyporu od gęstości cieczy (jajko w słonej wodzie, mieszanina oleju, wody i alkoholu) i objętości ciała zanurzonego (plastelinowa kulka, plastelinowa łódka itp.). Sprawdzą, kiedy kamień nie tonie. Dowiedzą się, jak sprawdzić, czy jajko jest świeże, nie rozbijając go. Zbadają „konkurencję” pomiędzy siłą wyporu a ciężarem ciała zanurzonego, czyli warunki pływania ciał. Prawo Archimedesa odkrył Archimedes – grecki matematyk, który żył w Syrakuzach w III w. p.n.e. Warto, by nauczyciel przytoczył uczniom anegdotę o tym odkryciu, jak również o śledztwie Archimedesa w sprawie składu kruszców korony króla Syrakuz, Hierona. Sugeruje się wyprowadzenie wzoru na siłę wyporu cialacieczy VgF rr ρ−= . Wymagana wiedza ucznia: ciężar ciała, siła ciężkości, prawo Pascala, ciśnienie hydrostatyczne i siła parcia (do ew. teoretycznego wyprowadzenia wzoru na siłę wyporu). Niezbędne przedmioty i materiały: S.6.01.1 2 jajka gotowane, dwa słoiki o dużych otworach, ew. dzbanek lub garnek z tzw. dziubkiem, czy butelka, woda, sól kuchenna; S.6.01.2 trzy szklanki, oliwa, alkohol (cz.d.a. lub spirytus salicylowy); S.6.01.3 20 S.6.01.2 Demonstracja ukazuje zależność opisaną powiedzeniem „Oliwa sprawiedliwa - na wierzch wypływa”, czyli fakt, że ciecze nie mieszające się o różnej gęstości pływają jedna nad drugą. W jednej szklance mamy wodę i oliwę: oliwa pływa po wierzchu, ponieważ ma mniejszą gęstość niż woda. W drugiej szklance mamy oliwę i alkohol: tym razem oliwa jako ciecz o większej gęstości zajmuje dno naczynia, po wierzchu pływa alkohol. Po dolaniu do drugiej szklanki wody woda opada na dno jako najcięższa z cieczy w szklance, a oliwa pływa pomiędzy wodą a alkoholem, przyjmując kształt kuli. Kapok, deska ratunkowa czy koło ratunkowe są zbudowane z takiego materiału lżejszego od wody (pianka lub wypełnienie powietrzem) i mają taki rozmiar, by średnia gęstość człowieka i kapoka była mniejsza niż wody i siła wyporu większa niż łączny ciężar człowieka i koła ratunkowego, co zapewnia utrzymanie się na człowieka powierzchni wody. S.6.01.3 a) Jajko świeże po włożeniu do wody opada na dno i układa się poziomo. Jajko starsze (szczególnie starsze niż dwutygodniowe) albo w ogóle nie opada na dno (Uwaga, może być zepsute!) albo opada, ale ustawia się pionowo ostrzejszym końcem na dole. Za efekt odpowiedzialna jest różnica w średniej gęstości jajka świeżego i starego i co za tym idzie, inny średni ciężar tych jajek i brak przewagi – świeże jajko, lub przewaga siły wyporu (stare jajko) nad ciężarem jajka. W jajku z czasem rośnie komora powietrzna (od szerszej strony jajka) i średnia gęstość jajka maleje, zatem jego średni ciężar również. b) Na samym początku rodzynki opadają na dno, ponieważ mają większą gęstość od gęstości napoju i ich ciężar jest większy od siły wyporu. Rodzynki leżące na dnie szklanki otaczane są powoli bąbelkami gazu (dwutlenku węgla) z napoju i po chwili średnia gęstość obiektu – rodzynek+gaz staje się mniejsza niż gęstość napoju i rodzynki w otoczce z dwutlenku węgla wypływają na powierzchnię napoju (siła wyporu przewyższa siłę ciężkości działającą na rodzynki). Po dotarciu do powierzchni dwutlenek węgla uwalnia się z powierzchni rodzynków i ulatuje do powietrza, ciężar rodzynków znów staje się większy niż siła wyporu napoju i rodzynki opadają na dno. Proces wypływania i tonięcia powtarza się tak długo, aż rodzynki nie nasiąkną napojem lub napój nie „wygazuje się”. 21 Na podobnej zasadzie poruszają się łodzie podwodne tak zbudowane (kształt i ciężar, objętość luków balastowych), że unoszą się na powierzchni wody, bo siła wyporu jest większa niż ciężar łodzi. Kiedy łódź chce się zanurzyć, nabiera do luku wody, by zwiększyć ciężar ponad wartość siły wyporu. Kiedy łódź podwodna chce wznieść się wyżej lub wypłynąć na powierzchnię wody, pompy wypompowują z luków wodny balast, by zmniejszyć średnią gęstość łodzi, czyli zmniejszyć ciężar łodzi - siła wyporu uzyskuje „przewagę” i łódź „idzie” do góry. S.6.01.4 a) Kulki z plasteliny toną w wodzie, ponieważ ich ciężar jest większy niż siła wyporu. Jednak ta sama ilość plasteliny uformowana w taki kształt, by większa była objętość zanurzona wodzie, nie tonie, ale pływa po powierzchni. Większa objętość zanurzona daje większą wartość siły wyporu, i przy nie zmienionym ciężarze plasteliny siła wyporu jest większa od tego ciężaru, wypychając plastelinową łódkę na powierzchnię wody. Jest to zasada pozwalająca na pływanie po wodzie ciężkich łodzi i statków. Nośność statku to wartość siły wyporu działającej na zanurzoną część kadłuba przy maksymalnym dopuszczalnym obciążeniu, tj. obciążeniu, przy którym siła wyporu przewyższa ciężar statku z załadunkiem. b) Pudełko plastikowe puste, zamknięte, jest wypełnione powietrzem i jego średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość wody, zatem pływa po powierzchni wody. Gdy włożymy do niego kamienie, ciężar układu pudełko+kamienie jest większy niż siła wyporu (wzrosła średnia gęstość pudełka przez obecność kamieni, nie zmieniła się objętość pudełka) i pudełko tonie. Kiedy jednak kamienie podczepimy pod pudełko, objętość zanurzona układu pudełko+kamienie tak znacznie wzrasta, że mimo wzrostu średniej gęstości układu siła wyporu staje się większa niż ciężar pudełka z podczepionymi kamieniami i układ nie tonie, ale pływa po powierzchni. Istnieje hipoteza, że Egipcjanie w taki sposób transportowali Nilem budulec na piramidy. Literatura: 1. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, „Podstawy fizyki”, tom 2, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2005. 2. P.G.Hewitt „Fizyka wokół nas”, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2003. 3. R.M. Roberts, „Odkrywcy mimo woli”, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 1997. 4. R.J.Brown, „200 doświadczeń dla dzieci”, Prószyński i S-ka Warszawa 1999.. 22 5. Neutrino nr 2/2008 – Pismo dla uczniów o fizyce i astronomii, wydawane przez Instytut Fizyki UJ. 25 mgh1 i zmiana energii kinetycznej dEk=mv2 2 /2-mv1 2 /2. Po prostych przekształceniach otrzymujemy zależność: 111 2 1 222 2 2 22 Vpmgh mv Vpmgh mv ++=++ Ponieważ wybrane przekroje były dowolne, można uogólnić: constVpmgh mv =++ 2 2 Podstawiając Vm ρ= , więc: constpgh v =++ ρ ρ 2 2 Równanie Bernoullliego jest konsekwencją zasady zachowania masy i energii. Człony równania oznaczają: 2 2vρ - człon opisujący ciśnienie dynamiczne, ghρ - człon opisujący ciśnienie hydrostatyczne, p - człon opisujący ciśnienie statyczne. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Praca z urządzeniem na prąd elektryczny (suszarka, odkurzacz). Przebieg ćwiczenia, szacunkowy czas trwania: S.6.02.1 a) Dwie kartki A4 (jedną z nich przytnij 2 cm z długości) sklej na krótszych końcach tak, by górny był lekko wybrzuszony, podobnie jak skrzydło samolotu (można też przykleić do stołu jedną kartkę papieru lekko wygięta jak skrzydło samolotu). Skieruj na niego strumień powietrza z odkurzacza czy suszarki lub po prostu mocno dmuchnij. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. b) Kartkę wygnij tak, by zrobić z niej mostek (patrz rysunek). Skieruj pod mostek strumień powietrza z odkurzacza czy suszarki lub po prostu mocno dmuchnij. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. Czas trwania: 10 minut. 26 S.6.02.2 a) Puść wodę z kranu i trzymając piłeczkę na nitce dotknij nią strumienia. Następnie próbuj ją odciągnąć od wody. Czy to łatwe? Co się dzieje z piłeczką? Piłeczkę możesz zastąpić łyżką do zupy – zbliż ją wypukłą stroną do strumienia – co się stanie? b) Włącz suszarkę skierowaną wylotem do góry i wrzuć piłeczkę pingpongową w strumień powietrza. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. Czas trwania: 10 minut. S.6.02.3 a) Zawieś dwie piłeczki pingpongowe dość blisko siebie i wdmuchnij między nie przez słomkę do napoju powietrze. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. b) Napełnij miedniczkę lub kuwetę wodą. Połóż na niej w pewnej odległości od siebie 2 łódki z łupiny orzecha lub świeczki do podgrzewacza i wdmuchnij między nie przez słomkę do napoju powietrze. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. c) Szeroki strumień powietrza skieruj w stronę łódek. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. Czas trwania: 15 minut. S.6.02.4 Zraszacz do kwiatów w butelce. Butelkę napełnij woda po brzegi i zamknij korkiem lub zakręć zakrętką. W korku/zakrętce zrób wcześniej dziurkę o średnicy słomki. Można też butelkę zatkać plasteliną, łatwo będzie przez nią przebić słomkę. Słomkę natnij na jednym końcu 5 cm od brzegu i złam ją w tym miejscu, a następnie krótszy koniec włóż do butelki z wodą i dmuchaj do dłuższego końca. Można użyć dwóch słomek – jedna w butelce, przez drugą ustawioną poziomo dmuchać powietrze nad wylotem tej pierwszej. Obserwuj, co się dzieje, spróbuj sformułować wnioski. Czas trwania: 10 minut. woda 27 Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: S.6.02.1 a) Kartka unosi się do góry po przeciwnej stronie, niż kierunek napływającego powietrza. Powietrze przepływające nad skrzydłem porusza się szybciej niż powietrze pod nim, które jest prawie nieruchome. Zgodnie z prawem Bernoulliego ze wzrostem prędkości powietrza maleje jego ciśnienie, czyli ciśnienie nad skrzydłem jest dużo mniejsze niż pod nim, a pomiędzy punktami o różnym ciśnieniu powstaje siła skierowana od ciśnienia większego do mniejszego, która unosi skrzydło – jest to siła nośna. Musi byś większa niż ciężar samolotu, by mógł się on unieść w powietrze. b) Mostek nie unosi się do góry, ale rozpłaszcza – w rzeczywistości prawdopodobnie się rozleciałby się w kawałki. Ciśnienie powietrza przepływającego pod nim było niższe niż nad nim i pojawiła się siła skierowana od jego powierzchni w dół, która go przygniotła. Na skutek działania silnych, przygruntowych wiatrów zdarza się, że walą się mosty. Nauczyciel podkreśla też, że to taka właśnie siła zrywa dachy, gdy wieję nad nimi wiatr ( a w domu jest zła wentylacja i nie następuje wyrównanie ciśnienia w domu do wartości ciśnienia na zewnątrz) i wykrzywia na zewnątrz nasze parasole podczas wichury. S.6.02.2 a) Piłeczka nie chce „odejść” od strumienia wody, jest jak przyklejona do niego. Kiedy łyżkę zbliżymy do strumienia wody, zostanie weń wciągnięta – w sam jego środek. Zgodnie z prawem Bernoulliego ciśnienie płynącej wody jest niższe niż ciśnienie nieruchomego powietrza z drugiej strony piłeczki, i pojawia się siła skierowana od powietrza do strumienia wody, która dociska piłeczkę z powrotem do wody. Piłeczka da się „oderwać” od wody, gdy odchylimy ją o duży kąt. b) Piłeczka unosi się swobodnie w powietrzu, nie spada na bok. Zgodnie z prawem Bernoulliego ciśnienie w strumieniu powietrza, które porusza się z dużo większą prędkością niż otaczające powietrze (przeważnie nieruchome), jest mniejsze niż otoczenia. Stąd pojawia się siła, która „trzyma” piłeczkę w strumieniu powietrza, nie pozwalając jej na skok w bok. S.6.02.3 a), b) Piłeczki się zderzą, tak samo łupiny orzecha czy świeczki do podgrzewacza. To efekt działania siły pojawiającej się w wyniku różnicy ciśnień: na zewnątrz obiektów, gdzie powietrze i woda są praktycznie nieruchome (ciśnienie większe) i pomiędzy obiektami (ciśnienie mniejsze, bo większa prędkość powietrza/wody). 30 od niego odrywać bąbelki, przy dalszym odciąganiu tłoka woda zaczyna bulgotać - obserwujemy proces wrzenia cieczy o temperaturze niższej niż 100 0 C. Nauczyciel może zwrócić uwagę uczniom, że woda, którą zagotujemy na wycieczce w górach będzie mieć niższą temperaturę, więc herbata czy kawa nie zaparzą się dobrze i będą mieć kiepski smak. Lepiej wziąć rozpuszczalną herbatę czy kawę. Literatura: Foton nr 71/2000 – Pismo dla nauczycieli fizyki i przyrody oraz ich uczniów, wydawane przez FOTON, Instytut Fizyki UJ. 31 Jak wykorzystać opór powietrza i czy kropla deszczu może przekroczyć prędkość dźwięku? Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach Płynem nazywamy ośrodek zdolny do przepływu, czyli gaz lub ciecz. Jeśli zachodzi ruch względny płynu i ciała (tzn. albo ciało porusza się w płynie, albo płyn opływa ciało), to na ciało działa siła oporu, utrudniająca ten ruch względny, skierowana w kierunku przepływu płynu względem ciała. Gdy płynem jest powietrze, ciało ma kształt „obły”, a ruch względny jest dostatecznie szybki, to siła oporu jest proporcjonalna do kwadratu względnej prędkości ruchu oraz od pola przekroju poprzecznego ciała. Narciarze uprawiający zjazdy dobrze wiedzą o tej zależności. Aby osiągnąć dużą prędkość, narciarz musi zmniejszyć siłę oporu, na przykład zmniejszając pole przekroju przez przyjęcie pozycji o kształcie podobnym do jajka. Również podczas jazdy samochodem, płynięcia łodzią, lotu samolotem wszelkie manewry i zmiany prędkości wywołują zawirowania powietrza, a to stwarza dodatkowy opór i zwiększa zużycie paliwa. Poznanie i zrozumienie zjawiska oporu powietrza pozwala na kontrolowanie przepływu powietrza wokół pojazdów, co pozwoli na zmniejszenie oporu i zmniejszenie zużycia paliwa. Gdy ciało o obłym kształcie spada w powietrzu z prędkością początkową równą zeru siła oporu jest skierowana do góry. Jej wartość wzrasta stopniowo od zera, w miarę jak ciało nabiera prędkości. Ta skierowana do góry siła jest przeciwna do skierowanej w dół siły ciężkości. Jeśli ciało spada dostatecznie długo, to w pewnej chwili siły te się równoważą i od tej chwili prędkość nie wzrasta. Ciało spada dalej ze stała prędkością, noszącą nazwę prędkości granicznej. Przykładowa prędkość graniczy kropli deszczu o promieniu 1 mm, spadającej z chmury znajdującej się na wysokości 1200 m, wynosi około 30 km/h. Gdyby nie było siły oporu powietrza prędkość tej kropli deszczu tuż przed upadkiem na ziemię wynosiłaby 550km/h (!). Obecność siły oporu powietrza wykorzystywana jest w skokach spadochronowych. Na przykład skoczek wykonujący skok z opóźnionym otwarciem spadochronu przyjmuje pozycję orła w locie, aby siła oporu powietrza była jak największa. 32 S.6.04 Tytuł: Swobodne spadanie I. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja wpływu siły oporu powietrza na czas spadania ciał w spadku swobodnym. Wymagana wiedza ucznia: siła ciężkości, siła oporu powietrza, spadek swobodny, jakościowa zależność siły oporu powietrza od kształtu ciała Niezbędne przedmioty i materiały: 2 kartki papieru, stół Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: - jedną kartkę papieru położyć na stole, a drugą mocna zgnieść tak, aby powstała papierowa kula, - puścić swobodnie kartki papieru ze stołu, z tej samej wysokości. Szacunkowy czas trwania: 5 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Zgnieciona kartka papieru spadnie szybciej, natomiast kartka gładka będzie spadała wolniej. Jest to efektem działania siły oporu powietrza. Im większa jest powierzchnia, którą ciało (np. gładka kartka papieru) stawia opór powietrzu, tym wolniej i bardziej nierównomiernie ciało spada. Zgnieciona kartka papieru stawia mniejszy opór, dlatego spada szybko i prosto. Gdyby nie było powietrza, wtedy pod wpływem siły ciężkości wszystkie przedmioty spadałyby prostoliniowo i z taką samą prędkością. 35 - do klocka B doczepiona jest nić przerzucona przez bloczek; doczepiona do niej szalka pozwala na zmianę sił F przez nakładanie odpowiednich ciężarków, - przez nakładanie ciężarków wyznaczyć siłę T, która jest równa sile utrzymującej ruch jednostajny płytki, - na płytkę A nalać warstewkę gliceryny (lub innej cieczy o dużej lepkości) i umieścić na niej klocek B, - przez nakładanie ciężarków wyznaczyć siłę Tl, która jest równa sile utrzymującej ruch jednostajny płytki. Szacunkowy czas trwania: 30 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia stwierdza się, że po nałożeniu na płytkę A warstewki gliceryny siła wprawiająca klocek B w ruch jednostajny jest znacznie mniejsza niż w pierwszym przypadku (bez warstewki gliceryny). W przypadku ruchu klocka po warstwie gliceryny sile F przeciwstawia się siła lepkości Tl. Wynika ona z tego, ze poruszający się klocek pociąga za sobą najbliższą warstewkę przylegającą, ta z kolei pociąga sąsiadującą z nią warstewkę cieczy itd. W ten sposób w warstwie cieczy między poruszającym się klockiem a nieruchomą płytką realizuje się ruch warstewek cieczy tego rodzaju, że warstewki górne poruszają się najszybciej, warstewki dolne - najwolniej. Ruch warstewek ma miejsce dlatego, że istnieją siły międzycząsteczkowe. Takiemu ruchowi musi towarzyszyć opór, gdyż warstewki wolniejsze hamują ruch warstewek szybszych. Siła lepkości Tl zależy od: prędkości ruchu, wielkości płytki ślizgającej się, grubości warstewki cieczy, rodzaju cieczy. Literatura: T. Dryński: „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, PWN W-wa 1964. T. Dryński: „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, PWN W-wa 1977. 36 S.6.07 Tytuł: Ruch warstewek cieczy w zjawisku lepkości. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja pociągania warstewek cieczy przy ruchu płytki w cieczy. Mechanizm ten, będący skutkiem oddziaływań międzycząsteczkowych, tłumaczy zjawisko lepkości. Wymagana wiedza ucznia: siły międzycząsteczkowe, zjawisko lepkości. Niezbędne przedmioty i materiały: naczynie szklane równoległościenne, płytka szklana, gliceryna, roztwór gliceryny i wody. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: - w naczyniu szklanym równoległościennym umieścić płytkę szklaną AB, o tej samej szerokości, jaką ma naczynie, i o ściankach równoległych, - do dolnej części naczynia nalać warstwę gliceryny II, - na wierzch warstewki II wprowadzić ostrożnie warstewkę I roztworu gliceryny i wody (około 1/3 wody), - w stanie spoczynku powierzchnia rozgraniczająca obie warstewki jest ostra i pozioma, - pociągnąć płytkę AB gwałtownym szarpnięciem ku górze, - doświadczenie można pokazać w projekcji na ekran. Szacunkowy czas trwania: 30 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: 37 Warstewki cieczy przylegające bezpośrednio do płytki podążają razem z nią dzięki siłom przylegania. Te warstewki pociągają za sobą warstewki dalsze dzięki siłom lepkości. W ten sposób powierzchnia rozdzielająca płytki I i II przyjmuje w sąsiedztwie płytki AB wygląd przedstawiony na rysunku. Literatura: T. Dryński: „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, PWN W-wa 1964. S.6.08 Tytuł: Ruch kulek stalowych w cieczach o różnej lepkości. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest ilustracja wzoru Stokesa, a w szczególności zależność wartości siły lepkości od rodzaju cieczy oraz od promienia kulki poruszającej się w cieczy lepkiej. Wymagana wiedza ucznia: siły międzycząsteczkowe, zjawisko lepkości, wzór Stokesa. Niezbędne przedmioty i materiały: wysoki cylinder, woda, gliceryna, kulki stalowe o różnych średnicach, stoper, linijka. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: - wypełnić cylinder wodą, - na wysokości około 1/3 cylindra zaznaczyć na cylindrze odcinek o długości około 50 cm, - wrzucić kulkę stalową, - zmierzyć czas spadania kulki na wyznaczonym odcinku, - wyznaczyć prędkość poruszania się kulki, - czynności powtórzyć dla kulki o innej średnicy, - wypełnić cylinder gliceryną i powtórzy doświadczenie dla kulek o różnych średnicach. 40 0vlkFs rr ⋅⋅⋅= η , gdzie k – współczynnik proporcjonalności zależny od danego ciała, a l charakteryzuje wymiary ciała. W przypadku ciała o kształcie kuli mamy: 06 vrFs rr ⋅⋅⋅= ηπ . Zależności wyrażone powyższymi równaniami noszą nazwę prawa Stokesa. Zasadnicza cecha tego prawa to proporcjonalność oporu lepkości do prędkości ruchu 0v r . Wymagana wiedza ucznia: pojęcie lepkości, zależność oporu lepkości od temperatury, siła grawitacji, siła wyporu, siła lepkości, równanie ruchu kulki spadającej w ośrodku lepkim i wyznaczenie współczynnika lepkości. Niezbędne przedmioty i materiały: cylinder wypełniony gliceryną, 20 jednakowych stalowych kulek, śruba mikrometryczna, suwmiarka, waga laboratoryjna, linijka, lejek, stoper, termometr. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Zaleca się przestrzeganie następujących przepisów: - wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi), Przebieg ćwiczenia: 1. Wyznaczyć średnicę kulki stalowej za pomocą śruby mikrometrycznej. 2. Wyznaczyć promień cylindra za pomocą suwmiarki. 3. Wyznaczyć masę kulki, najlepiej wyznaczając łączną masę około 20 kulek, po czym policzyć średnią masę pojedynczej kulki. 4. Zaznaczyć na rurze odcinek, na którym będziemy mierzyć czas spadania kulki. 5. Wrzucać kolejno kulki do rury za pomocą lejka i zmierzyć czas spadania kulki na zaznaczonym odcinku. 6. Powtórzyć pomiar dla 20 kulek. 41 Tabela pomiarów: Temperatura cieczy Gęstość cieczy ρ Masa n kulek Średnia masa kulki m Promień kulki r Objętość kulki V = 4πr 3 /3 Promień cylindra R Droga s Czas (s) Średni czas Prędkość średnia v Współczynnik lepkości η Szacunkowy czas trwania: 3 x 45min = 2 h15 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Na spadającą kulkę poruszającą się w ośrodku lepkim (w glicerynie) działają trzy siły: siła grawitacji gmP rv ⋅= skierowana pionowo w dół, gdzie m jest masą kulki, g r – przyspieszeniem ziemskim, siła wyporu gVFw rr ⋅⋅= ρ , gdzie V jest objętością kulki, ρ gęstością cieczy, siła lepkości 06 vrFs rr ⋅⋅⋅= ηπ (dla kulki o promieniu r), gdzie 0v r jest prędkością ruchu kulki, a η współczynnikiem lepkości cieczy. Dwie ostatnie siły są skierowane pionowo w górę (rysunek). 42 Początkowo siła ciężkości jest większa od sumy sił pozostałych i w związku z tym kulka spada początkowo ruchem przyspieszonym ze wzrastająca prędkością. Ale w miarę wzrastania prędkości, zgodnie z prawem Stokesa, opór lepkości coraz bardziej rośnie i w pewnej chwili siła ciężkości staje się równa sumie sił lepkości i wyporu. Od tego momentu dalszy spadek kulki odbywa się ruchem jednostajnym. Warunek równowagi sił, stanowiący zarazem warunek ruchu jednostajnego kulki: ws FFP += . Podstawiając wyrażenia na wartości poszczególnych sił otrzymuje się równanie: Vgvrmg ⋅⋅+⋅⋅⋅= ρηπ 06 , z którego wyznaczenie współczynnika lepkości daje: 06 )( vr gVm π ρ η − = . Gdy kulka spada w cylindrze o promieniu R, wprowadzamy poprawkę dla prędkości wynikającą z wpływu ścian naczynia na ruch kulki: ⋅+= R r kvv 10 rr gdzie v0 jest prędkością mierzoną w naczyniu o nieskończonych wymiarach, k jest stałą k = 2,4 zatem: ⋅+ − = R r vr gVm 4,216 )( π ρ η , gdzie: r – średni promień kulki, R – promień cylindra. Pomiar lepkości cieczy ma istotne znaczenie dla wielu dziedzin gospodarki. Literatura: H. Szydłowski: „Pracownia fizyczna”, PWN W-wa 1996. T. Dryński: „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, PWN W-wa 1977. I. W. Sawieliew – „Kurs fizyki”, t. 1. A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski – „Wstęp do fizyki”, t. 1, PWN W-wa 1991. 45 Jak można chodzić po wodzie? Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem, które powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błonka. Dzięki napięciu powierzchniowemu małe owady mogą biegać po powierzchni wody nie zanurzając się, małe przedmioty o gęstości większej od gęstości wody (szpilka, żyletka) mogą pływać po jej powierzchni, a pająk topik może zbierać pod wodą powietrze w dzwonie zrobionym z pajęczyny. Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciecze przyjmują kształt kropli, a także, że poziom cieczy w wąskiej rurce szklanej albo w wąskiej szczelinie między szybkami podnosi się powyżej poziomu wody w naczyniu, do którego zanurzamy rurkę lub szybki. Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał nie podatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Napięcie powierzchniowe wody obniża dodanie mydła lub detergentu, co wykorzystuje się w praniu, w myciu. Po dodaniu mydła (detergentu) brud „rozpuszcza się” w wodzie. Napięcie powierzchniowe odgrywa istotną rolę w wielu dziedzinach życia, nauki, przemysłu, np. przy produkcji szkła. Podczas topienia masy szklanej zmniejszenie napięcia powierzchniowego ułatwia topienie i polepsza jednorodność masy. Napięcie powierzchniowe stopionej masy szklanej odgrywa także poważną rolę w wytwarzaniu wyrobów. Decyduje ono o tworzeniu się odpowiednich kropli masy w zasilaczach automatów, umożliwia nawijanie masy na piszczel lub nabierak, a także rozciąganie masy w rurkę, pręt, drut, nitkę lub włókno. Jednakże duże stosunkowo napięcie powierzchniowe masy szklanej utrudnia formowanie kształtów o ostrych krawędziach, a także wyciskanie w niej wszelkiego rodzaju napisów, znaków lub deseni o wyraźnych zarysach. We wszystkich tych wypadkach duże napięcie powierzchniowe masy szklanej powoduje zaokrąglenie krawędzi kształtowanych wyrobów lub wytłoczeń. Podobnie jak w przypadku małych owadów, które dzięki napięciu powierzchniowemu mogą biegać po powierzchni wody nie zanurzając się, skonstruowano roboty mogące poruszać się po wodzie. Powstały mechaniczne insekty, które mają od czterech do szesnastu nóg, ich długość wynosi od 5 do 15 centymetrów, a waga to kilka gramów. Urządzenia utrzymują się na powierzchni wody właśnie dzięki efektowi napięcia powierzchniowego, które zwiększono pokrywając odnóża sztucznych insektów warstwą teflonu o grubości 46 kilkuset mikronów. Roboty poruszają się po jej powierzchni tak samo, jak owady z gatunku nartnikowatych. Robią to jednak, przynajmniej na razie, znacznie wolniej. Miniaturowe roboty-insekty mogą być idealnymi urządzeniami służącymi do monitorowania stanu środowisk wodnych. Mogą poruszać się po spokojnych akwenach o minimalnej głębokości i, po wyposażeniu w odpowiednie czujniki, informować naukowców o ich stanie. Przydadzą się też w wielu innych miejscach, do których jest utrudniony dostęp. Zjawisko napięcia powierzchniowego wykorzystywane jest w opracowaniu materiałów wodoodpornych, na których woda nie rozlewa się, ale tworzy krople i spływa po materiale, czy materiałów nie zwilżanych przez tłuszcze, w przypadku których sprawa jest znacznie trudniejsza ze względu na dużo mniejsze niż dla wody napięcie powierzchniowe. S.6.09 Tytuł: ,,Moczenie” wody. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja zjawiska napięcia powierzchniowego oraz porównanie napięcia powierzchniowego wody oraz wody z detergentem. Wymagana wiedza ucznia: oddziaływanie międzycząsteczkowe, napięcie powierzchniowe Niezbędne przedmioty i materiały: dwie szklanki z wodą, sznurek z konopi lub bawełny, nożyczki, odrobina detergentu (np. płynu do mycia naczyń). Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: - do jednej szklanki dodać detergentu, 47 - sznurek pociąć na niewielkie kawałki i kłaść je delikatnie na powierzchnię wody w obu szklankach. Szacunkowy czas trwania: 15 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Sznurek będzie pływał na powierzchni czystej wody, a w wodzie z detergentem tonął. Detergent bowiem obniża napięcie powierzchniowe wody tak, że jego siły nie są już w stanie zrównoważyć ciężaru kawałeczków sznurka. Prócz tego detergent rozpuszcza tłuszcz mogący znajdować się na sznurku, przez co sznurek łatwiej przemaka. Detergent powoduje więc, że woda wydaje się ,,bardziej mokra”. Literatura: R. J. Brown: ,,200 doświadczeń dla dzieci”, Prószyński i S-ka W-wa 1999. S.6.10 Tytuł: ,,Pościg” za olejem. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja zjawiska napięcia powierzchniowego oraz porównanie napięcia powierzchniowego wody oraz oleju. Wymagana wiedza ucznia: oddziaływanie międzycząsteczkowe, napięcie powierzchniowe Niezbędne przedmioty i materiały: olej, woda, mydło, wykałaczka. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: 50 - brak. Przebieg ćwiczenia: - na powierzchnię wody położyć zapałkę, - drugą zapałką, najlepiej na osi pierwszej zapałki, tuż za nią, wprowadzić do wody odrobinę szamponu (płynu do mycia naczyń, płynu do prania). Szacunkowy czas trwania: 5 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Dodanie szamponu lub innego środka myjącego czy piorącego zmniejsza napięcie powierzchniowe wody. Kurcząca się powierzchnia czystej wody o większym napięciu powierzchniowym gwałtownie pociąga zapałkę za sobą. Literatura: J. Domański: ,,Domowe zadania doświadczalne z fizyki”, Prószyński i S-ka W-wa 1999. S.6.13 Tytuł: Zapałki również lubią cukier. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja zjawiska napięcia powierzchniowego. Wymagana wiedza ucznia: oddziaływanie międzycząsteczkowe, napięcie powierzchniowe Niezbędne przedmioty i materiały: naczynie z wodą, zapałki, kawałek mydła, kostka cukru Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. 51 Przebieg ćwiczenia: - połamać kilka zapałek, - otrzymane kawałki ułożyć w kształcie koła na powierzchni wody w ten sposób, aby każdy kawałek był zwrócony w kierunku średnicy koła, - środek tak utworzonego koła dotknąć kawałkiem mydła (cześć A), - powtórzyć procedurę, lecz tym razem do środka koła włożyć kostkę cukru dotykając wodę tylko jedną jego krawędzią (cześć B). Szacunkowy czas trwania: 15 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Po dotknięciu środka koła kawałkiem mydła zapałki zaczną uciekać ku brzegom naczynia. Spowodowane jest to faktem, że cześć mydła rozpuści się w wodzie, obniżając jej napięcie powierzchniowe i powodując ruch wody od środka ku brzegom naczynia. Natomiast gdy cukier zetknie się z wodą, zacznie ją wchłaniać powodując przypływ wody w kierunku środka naczynia, to jest w kierunku cukru. Prąd ten unosi z sobą zapałki w kierunku cukru. Literatura: Z. K. Kostic: ,,Między zabawą a fizyką”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne W-wa 1967. S.6.14 Tytuł: Karta na wodzie. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja zjawiska napięcia powierzchniowego oraz obniżanie napięcia powierzchniowego wody przy wykorzystaniu detergentu. Wymagana wiedza ucznia: oddziaływanie międzycząsteczkowe, napięcie powierzchniowe Niezbędne przedmioty i materiały: 52 duże, płaskie naczynie z wodą, mydło w kostce, dowolną zużytą kartę plastikową (karta telefoniczna, karta bankomatowa, plastikowe karty reklamowe). Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - brak. Przebieg ćwiczenia: - w pierwszej części ćwiczenia kładziemy kartę ostrożnie na powierzchni wody tak, aby nie zatonęła, - w drugiej części ćwiczenia namydlamy jedną krawędź karty mydłem w kostce. Ważne jest , żeby na krawędzi karty znalazło się dużo mydła w stanie stałym. Szacunkowy czas trwania: 10 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: W pierwszej części karta pozostaje w spoczynku. Karta położona na powierzchni cieczy nieco ją ugina, powodując zwiększenie pola powierzchni cieczy. Siły napięcia powierzchniowego, działając równolegle do zakrzywionej powierzchni powodują powstanie dodatkowej siły skierowanej pionowo w górę, której wartość jest wystarczająca dla zrównoważenia siły grawitacji działającej na płaską kartę. W drugiej części ćwiczenia karta zaczyna płynąć. Kierunek i zwrot przepływu są ściśle określone – od krawędzi namydlonej do przeciwległej nienamydlonej krawędzi karty. Karta, której krawędź została namydlona doznaje wpływu działaniu różnych sił napięcia powierzchniowego: od strony namydlonej powstaje roztwór wody i mydła, a zatem siła napięcia powierzchniowego jest tam mniejsza (gdyż mydło obniża napięcie powierzchniowe wody), niż od strony nienamydlonej. Wypadkowa siła nada karcie przyspieszenie o zwrocie od namydlonej ,,rufy” do nienamydlonego ,,dziobu”. Literatura: Foton 96, Wiosna 2007, str.58. 55 Literatura: T. Dryński: „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, PWN W-wa 1964. 56 Jak Archimedes sprawił, że statki nie toną? Opis doświadczeń na zajęcia dla uczniów na Uczelni U.6.06 Tytuł: Wyznaczanie gęstości ciał stałych metodą hydrostatyczną. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest wyznaczenie gęstości ciał stałych w postaci brył nieforemnych przy wykorzystaniu prawa Archimedesa, które pozwala na pomiar objętości ciała zanurzonego w cieczy bez odwoływania się do jego rozmiarów geometrycznych. Wymagana wiedza ucznia: gęstość ciała, siła ciężkości, siła wyporu, prawo Archimedesa, warunki pływania ciał. Niezbędne przedmioty i materiały: waga laboratoryjna, ciała o nieforemnych kształtach wykonane z różnych materiałów, ławeczka do ustawienia nad szalką wagi, zlewka, cienki drucik. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: Zaleca się przestrzeganie następujących przepisów: - wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi), Przebieg ćwiczenia: - wypoziomować wagę laboratoryjną, - zważyć badane ciało, - nad jedną szalką wagi ustawić ławeczkę tak, aby nie dotykała szalki, - zlewkę napełnić cieczą (np. wodą) i postawić na ławeczce, - badane ciało zawiesić na cienkim druciku (masę drucika uwzględnić tylko wtedy, gdy jest większa od czułości wagi) i zanurzyć w zlewce napełnionej cieczą, - zważyć ciało zanurzone w cieczy, 57 - ważenia ciała w powietrzu i w cieczy dokonać co najmniej 3-krotnie, - powyższe czynności powtórzyć dla wszystkich badanych ciał. Szacunkowy czas trwania: 3x45 min = 2h15min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Wyznaczenie gęstości ciała ρ opiera się na wyznaczeniu masy sm ciała (ważenie w powietrzu) oraz jego objętości V (ważenie ciała zanurzonego w cieczy): V ms=ρ . Korzysta się z następujących zależności: - ważenie w powietrzu gmgms 1= , - ważenie ciała zanurzonego w cieczy gmgVgm cs 2=− ρ , gdzie wykorzystano prawo Archimedesa, przy czym: sm - masa badanego ciała, 1m - masa odważnika równoważącego to ciało w powietrzu, 2m - masa odważnika równoważącego to ciało w cieczy, V - objętość badanego ciała, cρ - gęstość cieczy, w której zanurzone jest ciało, g - przyspieszenie ziemskie. Literatura: T. Dryński: „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, PWN W-wa 1977. U.6.07 Tytuł: Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi Mohra. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest wyznaczenie gęstości cieczy przy zastosowaniu wagi Mohra, która jest odmianą wagi belkowej. W ćwiczeniu wykorzystuje się prawo Archimedesa. Pomiar gęstości 60 Jak światło zamienić na prąd elektryczny? Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach S.6.17 Tytuł: Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Cel ćwiczenia, opis: Celem ćwiczenia jest demonstracja zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego. Pokaz jakościowy zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego przeprowadza się za pomocą układu przedstawionego na rysunku. Padające na połączoną z elektroskopem płytkę cynkową (praca wyjścia W= 4,3 eV) światło wybija elektrony, czego widocznym rezultatem jest zachowanie się listków elektroskopu. Płytka cynkowa zostaje naelektryzowana ujemnie (część A) lub dodatnio (część B), a następnie oświetlona lampą kwarcową emitującą promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu nadfioletu i z zakresu światła widzialnego. Padające na połączoną z elektroskopem płytkę cynkową światło wybija elektrony. Widocznym rezultatem zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego jest zachowanie się listków elektroskopu. 61 Opis zjawiska: Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wybijaniu elektronów z powierzchni różnych metali pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Natężenie prądu fotoelektrycznego, a tym samym liczba fotoelektronów wybijanych w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia oświetlenia, przy czym emisja elektronów zachodzi bez jakiegokolwiek opóźnienia. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia oświetlenia, a jedynie od rodzaju materiału i częstotliwości padającego nań promieniowania. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne to wynik oddziaływania pojedynczych fotonów z elektronami swobodnymi w metalu. Wybicie elektronu z powierzchni metalu jest następstwem pochłonięcia jednego fotonu, którego energia hν0 jest co najmniej równa pracy wyjścia W, czyli minimalnej energii, jaką musi uzyskać elektron, by opuścić powierzchnię metalu: Wh =0ν . (1) Istnienie pracy wyjścia tłumaczy występowanie dla każdego metalu granicznej częstotliwości ν0 promieniowania, poniżej której nie obserwuje się zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego, gdy energia fotonu jest mniejsza od pracy wyjścia danego metalu. Gdy energia fotonu jest większa od pracy wyjścia (hν > W), część energii zostanie zużyta na wybicie elektronu z metalu, a jej nadmiar zmagazynowany w postaci energii kinetycznej elektronu. Zachodzi związek: WEh k += maxν , (2) gdzie maxkE jest energią kinetyczną najszybszych elektronów opuszczających powierzchnię metalu. Energię kinetyczną 2 2 max mv Ek = fotoelektronów można obliczyć w oparciu o znajomość napięcia opóźniającego ich ruch. Natężenie prądu fotoelektronów maleje bowiem ze wzrostem napięcia opóźniającego, a przy pewnej wartości, zwanej napięciem hamowania Uh, natężenie prądu spada do zera. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów, równa pracy wykonanej przez siły pola elektrycznego hamujące całkowicie ich ruch, dana jest wzorem: heU mv = 2 2 . (3) 62 Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w fotokomórkach, bateriach słonecznych, fotopowielaczach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć. Zjawisko fotoelektryczne jest także wykorzystywane przy odtwarzaniu ścieżki dźwiękowej filmu. Wymagana wiedza ucznia: zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, sposoby elektryzowania ciał. Niezbędne przedmioty i materiały: elektroskop, lampa kwarcowa, płytka cynkowa, statyw izolacyjny, elektroda żelazna, płytka szklana, pałeczka ebonitowa, pałeczka szklana, sukno, papier. Potencjalne zagrożenia, zasady BHP: - Ze względu na wysoką temperaturę należy zachować ostrożność podczas pracy z lampą kwarcową. - Wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi). Przebieg ćwiczenia: - Połączyć elementy układu przedstawionego na rysunku. - Płytkę cynkową P o powierzchni dobrze oczyszczonej papierem ściernym ustawić na statywie izolacyjnym i połączyć z elektroskopem E. - Przed płytką ustawić lampę kwarcową L. Część A. - Naelektryzować płytkę oraz połączony z nią elektroskop ujemnie za pomocą pałeczki ebonitowej pocierając pałeczkę suknem. - Zwrócić uwagę, że elektroskop pozostaje naładowany, listki elektroskopu nie opadają. - Włączyć lampę i obserwować jak maleje ładunek elektroskopu (listki elektroskopu opadają). - Między płytkę cynkową a lampę wstawić płytkę szklaną i obserwować listki elektroskopu. - Usunąć płytkę szklaną i obserwować ponowne opadanie listków. Część B. 65 Przebieg ćwiczenia: - połączyć obwód według schematu. Badanie zależności prądu fotodiody od odległości fotodiody od źródła światła (Uż = const). - ustawić napięcie źródła światła Uż = 200 V i zmierzyć zależność natężenia płynącego prądu If od odległości d fotodiody od źródła światła (dmin ≈ 25 cm). Badanie zależności prądu fotodiody od barwy światła. - między fotodiodą i źródłem światła wstawić filtr, - ustawić napięcie źródła światła Uż = 200 V i zmierzyć zależność natężenia płynącego prądu If od odległości d fotodiody od źródła światła (dmin ≈ 25 cm). Pomiar wykonać dla wszystkich filtrów: fioletowego, czerwonego i pomarańczowego. Badanie zależności prądu fotodiody If od napięcia zasilania żarówki Uż (Uż max = 220 V). - ustawić diodę w odległości d, - dla wybranej odległości zmierzyć zależność natężenia płynącego prądu If od napięcia zasilania żarówki. Pomiary wykonać dla trzech różnych odległości d (dmin ≈ 25 cm). Opracowanie wyników. - wykreślić zależność If (d −2 ), - wykreślić zależność If (d −2 ) dla każdego filtru, - wykreślić zależność: If (Uż). µA F ~ V Miernik U-722A 66 Szacunkowy czas trwania: 3 x 45min = 2 h15 min Dyskusja zasad fizycznych demonstrowanych w ćwiczeniu: Działanie fotodiody opiera się na efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym, w którym energia padającego fotonu jest całkowicie pochłaniana przez elektron, który nie jest jednak uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym, lecz po uzyskaniu dodatkowej energii przenosi się do pasma przewodnictwa zmieniając tym samym własności elektryczne materiału. Zjawisko to zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa). Zależność prądu fotodiody od jej odległości od źródła światła If (d −2 ), jest zależnością liniową. Ewentualne odstępstwa od liniowości mogą spowodowane być niepunktowym charakterem źródła światła. Opisywana zależność sprawdzana jest również po ustawieniu między fotodiodą a źródłem światła filtru barwnego. Literatura: H. Szydłowski: „Pracownia fizyczna”, PWN W-wa 1996. T. Dryński: „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, PWN W-wa 1977. J. W. Sawieliew: „Kurs fizyki” t.2, PWN W-wa 1989. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: ,,Podstawy fizyki”, t.5, Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2003. 67 Symbol i tytuł ćwiczenia strona Opis doświadczeń na zajęcia dla uczniów na Uczelni U.6.01 Ochrona radiologiczna przed promieniowaniem jonizującym. 2 U.6.02 Pomiar skażeń promieniotwórczych wody lub powietrza. 6 U.6.03 Fizyka u lekarza. 9 Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach S.6.01 Dlaczego statki pływają i toną? Czemu w Morzu Martwym nie można utonąć. 17 S.6.02 Dlaczego samolot lata, mosty zapadają się a dachy domów fruwają? 23 S.6.03 Jak zagotować zimną wodę? 29 Symbol i tytuł ćwiczenia strona Jak wykorzystać opór powietrza i czy kropla deszczu może przekroczyć prędkość dźwięku? Opis doświadczeń na zajęcia pozalekcyjne w szkołach 31 S.6.04 Swobodne spadanie I 32 S.6.05 Swobodne spadanie II. 33 S.6.06 Pomiar oporu lepkości. 34