Archimédova úloha
Úkol: Navrhněte a otestujte metodu, pomocí které dokážete na základě experimentu stanovit, z jakého kovu jsou vyrobeny české mince (10, 20 a 50 Kč).
Vybavení: cokoliv, co najdete v laboratoři.
Tento úkol se tradiční laboratorní úloze podobá méně, ale o to více se přibližuje reálné vědecké práci. Při výzkumu vám nikdo neřekne, jak máte postupovat. Správnou cestu musíte metodou pokus–omyl najít sami. Ovšem nikoliv náhodným zkoušením, ale s využitím vašich teoretických znalostí.
Mějte na paměti, že vaše metoda musí být dostatečně jednoduchá a zároveň dostatečně přesná. Vaší výhodou je, že můžete v případě nouze požádat o radu svého učitele.
Součástí vědeckého postupu bývá také studium zdrojů. To znamená, že než začnete vlastní výzkum, podíváte se, čeho už dosáhli vaši předchůdci. V tomto případě vám může být nápovědou samotný název tohoto cvičení. Legenda praví, že Archimédés dostal kdysi od krále Hierona II. podobný úkol: zjistit, zda je královská koruna z ryzího zlata. Archimédés vyvážil korunu zlatem na rovnoramenné váze a poté vše ponořil pod vodu. Rovnováha se porušila a reklamace byla na světě.
Postup měření:
- Navrhněte jednu nebo více metod měření a zkuste předem odhadnout jejich výhody a nevýhody.
- S pomocí učitele si zvolte jednu metodu k praktickému otestování.
- Proveďte zvolenou metodou pokusné měření včetně vyhodnocení výsledků.
- Dojdete-li k závěru, že metoda nefunguje, vraťte se k bodu číslo 1. Dojdete-li k závěru, že metoda funguje, pak (a) zapište stručný návod postupu měření a (b) zpracujte vámi naměřené hodnoty a odpovězte na otázku, z čeho jsou mince vyrobeny.
Otázky:
Jaké má vaše metoda výhody a nevýhody? Co je největším zdrojem pochybnosti o správnosti vaší metody?
Je vhodné připravit si sérii drobných nápověd pro studenty, a to jak teoretického, tak praktického rázu. Bez nich se většina studentů do cíle nedostane. Na druhou stranu není cílem je do optimálního postupu nutit násilím. Podle dosavadních zkušeností vedou k cíli v zásadě dvě metody:
- Výpočet objemu mincí na základě měření jejich rozměrů a následný výpočet hustoty.
- Výpočet objemu mincí pomocí měření vztlakové síly, tedy vážení mincí ve vodě a na vzduchu.
Měření objemu mincí odměrným válcem je příliš nepřesné, prakticky těžko použitelné, pokud máme k dispozici jen jednu nebo několik mincí. Návod studenty pochopitelně směřuje k měření vztlakové síly, ale nemusí ji všichni využít.
Vzorové řešení (pomocí měření vztlakové síly):
Ponořením mince do vody na laboratorní váze (viz obrázek) získáme velikost vztlakové síly působící na minci. Pomocí vzorce pro vztlakovou sílu pak získáme objem mince. V našem případě ukázala váha \(m^*=1{,}0\ \mathrm{g}\), proto objem mince je \(V=m^*/\varrho=0{,}001/1000\ \mathrm{m^3} = 10^{-6}\ \mathrm{m^3}\). Hmotnost mince 20 Kč je \(m=8{,}4\ \mathrm{g}\). Dostáváme tedy hustotu \(\varrho=m/V=0{,}0084/10^{-6}\ \mathrm{kg/m^3} = 8400\ \mathrm{kg/m^3}\). Podle ČNB je složení mince „ocel plátovaná slitinou mědi a zinku v poměru 75:25“. Přesnější informace o teoretické hodnotě hustoty tedy neznáme. Podstatným zpřesněním našeho měření by bylo použití většího počtu mincí.
Zdroj
Objevení vztahu pro vztlakovou sílu
Úkol: Na základě experimentů určete, na čem závisí vztlaková síla.
Vybavení: siloměr (elektronický nebo pružinový) s rozsahem 2 N nebo 5 N, tři odměrné válce 100 ml, líh, voda, solanka, tělesa o stejném objemu z různých materiálů (plast, hliník, železo, měď), provázek, laboratorní stativ.
Postup měření:
Připravme si do tří odměrných válců stejné velikosti tři různé kapaliny, do prvního líh, do druhého vodu, do třetího solanku. Vezměme kovový váleček (železo nebo hliník), zavěsme jej na siloměr a postupně ponořme do jednotlivých kapalin. Co bude siloměr ukazovat? A co vlastně ukazuje siloměr, když je váleček zavěšen ve vzduchu? Rozeberme si to podrobněji.
Zdroj
Zdroj
Po ponoření válečku do kapaliny je váleček nadlehčován vztlakovou silou Fvz, a proto údaj na siloměru ukazuje menší hodnotu. (Vidíme, že velikost tahové síly provázku spojeného se siloměrem je menší.) Z rozdílu velikosti tíhové síly na vzduchu a výsledné síly v kapalině můžeme určit velikost vztlakové síly, kterou je váleček nadlehčován.
Vyslovte několik hypotéz, na čem by mohla záviset velikost vztlakové síly působící na pevné těleso v kapalině. Své hypotézy prověřte experimenty.
Inspirovat se můžete následující tabulkou:
| železo | hliník | |||
|---|---|---|---|---|
| voda | líh | voda | líh | |
| tíhová síla na vzduchu (N) | ||||
| výsledná síla v kapalině (N) | ||||
| vztlaková síla (N) | ||||
Otázky:
- Závisí velikost vztlakové síly na hustotě tělesa?
- Závisí velikost vztlakové síly na hustotě kapaliny?
- Na čem by ještě mohla záviset velikost vztlakové síly? Navrhněte experiment, který by vaši domněnku potvrdil, nebo vyvrátil. Diskutujte o svém návrhu se spolužáky. Proveďte experiment, je-li to možné.
- Působí vztlaková síla i ve vzduchu? Uveďte příklad pozorování, které to potvrzuje, nebo vyvrací.
- Jak mohou velké zaoceánské lodě, které mají obrovskou hmotnost (např. Queen Mary – 82 000 tun), plout? Proč ihned neklesnou k mořskému dnu?
| plast | hliník | železo | měď | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| solanka | voda | líh | solanka | voda | líh | solanka | voda | líh | solanka | voda | líh | |
| tíhová síla na vzduchu (N) | 0,378 | 0,378 | 0,378 | 0,881 | 0,881 | 0,881 | 2,41 | 2,41 | 2,41 | 2,736 | 2,736 | 2,736 |
| výsledná síla v kapalině (N) | 0,008 | 0,04 | 0,112 | 0,515 | 0,558 | 0,637 | 2,034 | 2,076 | 2,155 | 2,383 | 2,422 | 2,494 |
| vztlaková síla (N) | 0,37 | 0,338 | 0,266 | 0,366 | 0,323 | 0,244 | 0,376 | 0,334 | 0,255 | 0,353 | 0,314 | 0,242 |
Odpor vzduchu
Úkol: Zjistěte, jak závisí odporová síla na rychlosti. Na základě experimentu rozhodněte, zda je velikost odporové síly vzduchu přímo úměrná rychlosti, nebo její druhé mocnině.
Vybavení: sada kávových filtrů, sonar, počítač, stojan.
Zdroj
Když ve fyzice řešíme situace týkající se volného pádu, často zanedbáváme odporovou sílu a předpokládáme tak, že je zrychlení padajícího tělesa konstantní. Ve skutečnosti však všechna tělesa s konstantním zrychlením nepadají. Naopak, jejich pohyb se vlivem odporové síly stane rovnoměrným a zrychlení bude mít nulovou hodnotu.
Při pádu tělesa o hmotnosti m na něj totiž působí dvě síly: tíhová \(\Vec{F}_\mathrm{G}\) o velikosti \(mg\) a opačně orientovaná odporová síla \(\Vec{F}_\mathrm{O}\) , jejíž velikost můžeme vyjádřit buď jako \(kv\) nebo jako \(cv^2\). Když se vlivem zrychlování tělesa tyto síly vyrovnají, těleso dosáhne maximální rychlosti vmax a dále již nezrychluje. Pohyb je rovnoměrný.
Píšeme \(mg=kv_\mathrm{max}\) nebo \(mg=cv^2_\mathrm{max}\). Vidíme tedy, že hmotnost tělesa je buď úměrná maximální rychlosti vmax, nebo její druhé mocnině.
\(v_\mathrm{max}\sim m\) nebo \(v^2_\mathrm{max}\sim m\)
O tom, který z těchto vztahů odpovídá skutečnosti, můžete rozhodnout v následujícím experimentu.
Postup měření:
- Sestavte aparaturu dle obrázku. Sonar upevněte do dostatečné výšky, stačí 2,5 m nad podlahu.
- V režimu měření si nastavte dobu měření na 3 s, frekvenci měření 40 Hz a trigger start měření od 0,25 m; nechte si zobrazit cca 40 bodů před startem měření.
- Umístěte ruku s kávovým filtrem 10 cm pod sonar, zapněte měření a nechte kávový filtr padat. Počítač zaznamená závislost polohy a rychlosti na čase.
4.61 – Ukázka proložení naměřených dat.
Zdroj - Z grafu polohy odstraňte všechny případné chybové body (sonar nemusí vždy dobře zaznamenat polohu malého tělesa), popřípadě pokus opakujte.
- Proložte posledních cca 15 naměřených bodů přímkou a z její rovnice určete maximální rychlost filtru vmax.
- Pokus postupně opakujte pro 2–5 kávových filtrů vložených do sebe. Výsledky zapisujte do tabulky, doplňte všechny výpočty.
počet filtrů vmax (m/s) v2max (m2/s2) 1 2 3 4 5 - Sestrojte grafy závislostí \(v_\mathrm{max} = f(m)\) a \(v^2_\mathrm{max} = f(m)\). Proložte jimi grafy přímých úměrností a rozhodněte, který z modelů odporové síly vyhovuje studované situaci.
Otázky:
- Jak by vypadal nárůst vzdálenosti bez odporu vzduchu? Načrtněte tento graf. Porovnejte s reálnou situací.
- Jak by vypadal nárůst rychlosti bez odporu vzduchu? Načrtněte tento graf. Porovnejte s reálnou situací.
Při realizaci úlohy narazíte na několik technických problémů, které však nejsou nepřekonatelné:
• Kávový filtr příliš „zatáčí“, nepadá rovně – prolomte jeho špičku dovnitř (viz foto).
Zdroj
• Laboratorní stojan nestačí délkou – improvizujte na chodbě, postavte stojan se sonarem na skříň…
• Naměřená data jsou příliš „chybová“ – proveďte měření znovu, nebo odstraňte chybové hodnoty.
Zdroj
Ukázka výsledků:
| počet filtrů | vmax (m/s) | v2max (m2/s2) |
|---|---|---|
| 1 | 2,08 | 4,33 |
| 2 | 2,52 | 6,35 |
| 3 | 2,88 | 8,29 |
| 4 | 3,33 | 11,09 |
| 5 | 3,53 | 12,46 |
| 6 | 4,05 | 16,40 |
Zdroj
Zdroj

