Heuréka - 5. seminář (termodynamika - deformace pevných látek, křivka deformace, teplotní roztažnost, základní vlastnosti kapalin)

V sobotu 24. 10. 2020 se konal v prostorách SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské pátý seminář dalšího běhu projektu Heuréka pro střední školy, který podporuje KDF MFF UK Praha a Elixír do škol.

Koho by na posledním semináři v listopadu 2019 napadlo, že jarní semináře v roce 2020 budou z důvodu vládních opatření zamezujících šíření koronaviru zrušeny! A koho by napadlo, že tatáž situace se bude opakovat na podzim téhož roku! Proto jsme se rozhodli setkání zorganizovat výjimečně distanční formou.

V sobotu v 9:00 jsem se tedy připojil ke stále populárnější aplikaci této doby s modrou ikonou a bílým písmenem T a na obrazovce počítače jsem viděl přes 20 učitelů fyziky těšící se na netradiční způsob semináře věnovaného termodynamice.

1. blok: Poruchy krystalické mříže, vazby v krystalech, úvod do deformací pevných látek

V probírání látky jsem navázal tam, kde jsme skončili na posledním semináři. Proto jsme začali ukázkou modelů krystalografických struktur, které lze vyrobit z papíru a u nichž pak lze následně diskutovat jejich vlastnosti. Zároveň ukazuji modely v současné době již hojně používaných fullerenů a nanouhlíkových trubiček.

Poté pokračuji poruchami krystalické mříže a odvoláním se na praktické dopady.

„Nemůžu pochopitelně ukazovat reálnou situaci, ale dislokace můžeme názorně modelovat pomocí několika knih nebo karet položených na sebe,“ uvádím první experiment a přepínám aplikace, aby účastníci viděli záběr z kamery. Postupně vysvětlím a s knihami předvedu:

Vazby, pomocí kterých drží jednotlivé atomy v krystalické mřížce, vysvětlím pomocí obrázků, které jsem připravil v pracovním listě. Nemožnost listovat v něm v papírové podobě nahrazujeme všichni listováním v jeho digitální verzi umístěné na webových stránkách. Po doplnění některých detailů od Renáty Ottové z pohledu chemie, pokračujeme k deformacím pevných látek.

Rozdíl mez pružnou a tvárnou deformací ukazuji s tělesem kmitajícím na pružině a trháním papíru. Při zmuchlání papíru a jeho následovném položení na dlaň ruky upozorňuji, že svět se nechová černobíle. Ve skutečnosti nastávají oba typy deformací současně, což lze v praxi poměrně dobře ilustrovat na sáčku od brambůrků. Poté tuto situaci rozkresluji na příkladu police zatížené knihami.

Možné způsoby deformací pak ukazuji pomocí:

Do konce prvního bloku stihnu ještě vysvětlit tah a tlak pevných látek. Prvně vysvětlovaný tah doplním ještě jednoduchým experimentem se siloměry, aby bylo jasné, že obě deformující síly mají stejnou velikost.

2. blok: Deformace pevných látek, křivka deformace

Druhý blok začínám experimentem s láhví od tradičního karlovarského nápoje, která má oválný půdorys. Tuto láhev lze deformovat dvěma způsoby:

Indikátorem typu deformace je kolínko obarvené vody umístěné ve slámce vedoucí ze zátky láhve.

Poté dovysvětlíme další typy deformace. Princip deformace smykem přitom ukazuju opět s několika knihami položenými na sebe, deformaci kroucením ukazuji pomocí ždímání hadru.

Dalším tématem byly síly pružnosti a s nimi související definice normálového napětí a Hookeův zákon. Závislost velikosti deformující síly na délce tělesa ukážu pomocí deformace gumy tahem; přitom obě uvažované veličiny měřím senzory systému Vernier a zobrazuji jejich průběh na obrazovce.

„Není to přesně Hookeův zákon, protože měřím velikost síly, a ne podíl této velikosti síly a průřezu tělesa, a současně měřím pouze délku tělesa, a ne jeho prodloužení. Nicméně jako ukázka to je použitelné,“ vysvětluji chybu, které se dopouštím při ukázce části deformační křivky.

U Hookeova zákona pak zdůrazňuji, že tento zákon platí pouze za předpokladu, že modul pružnosti materiálu je konstantní. Jakmile tato podmínka splněna nebude, závislost normálového napětí na relativním prodloužení nebude lineární.

„Já mám tu výhodu, že tuto problematiku vysvětlím žákům dříve u Ohmova zákona a teď se na to odvolám. Termodynamiku totiž probírám vždy až na konci klasické fyziky,“ dodávám na vysvětlenou.

Stejně tak vysvětluji, že kreslím křivku deformace celou, se všemi částmi. V odborných předmětech se pak žáci setkávají jen s materiály, jejichž křivka deformace vypadá na první pohled jinak. Ale to proto, že některé její části daný materiál buď nemá nebo jsou výrazně potlačeny.

Druhý blok končíme zmínkou o koeficientu bezpečnosti a tím, jak z dané deformační křivky poznáme jednotlivé typy materiálů (pevný materiál, pružný materiál, …).

O své zkušenosti s proměřováním různých materiálů se pak podělí i ostatní kolegové. Hanka Kunzová dá všem krásný tip na samostatnou práci zaměřenou na zavedení všech typů deformace těles, o nichž jsme mluvili.

3. blok: Teplotní roztažnost pevných látek, struktura a vlastnosti kapalin

Blok po delší pauze na oběd začínáme prací s pracovním listem, ve kterém jsou zakresleny různé deformační křivky. Na jednom obrázku je několik běžných materiálů, jejichž křivky komentujeme z hlediska toho, jaká část křivky je dominantní, jaká případně přítomna není vůbec a o jakých vlastnostech materiálu to vypovídá. Pak projdeme křivky, které jsem vytvořil v programu Mathematica na základě dat od bývalého žáka naší školy, který u nás ve škole učil a který se s proměřováním deformace setkal při studiu na vysoké škole.

Pak přecházíme k teplotní roztažnosti pevných látek, kterou začneme experimenty.

„Jestli tyto experimenty použijete jako motivační nebo jako demonstrační, je na vás,“ uvádím experimenty. „Já je ukážu teď najednou z technických důvodů a pak teplotní roztažnost popíšeme teoreticky.“

Postupně jsem ukázal tyto experimenty:

Poté jsem byl upozorněn, že ohýbání těla rybičky vyrobené z jakéhosi plastu je způsobeno vlhkostí okolního prostředí, a ne změnou teploty. To okamžitě názorně ukážu položením rybičky na vlhký hadr.

Teoreticky pak ukážeme resp. odvodíme:

Ukazované resp. odvozované vztahy komentuji jak z matematického hlediska, tak z didaktického hlediska (co daný vztah může dát žákům navíc, proč je používán právě v tomto tvaru, …).

Poté projdeme několik příkladů využití teplotní roztažnosti v praxi, které dokumentuji fotografiemi na svém webu. Některé fotografie si mezitím sdílejí i účastníci semináře v paralelně probíhajícím chatu.

Na závěr tohoto bloku začneme další téma - struktura a vlastnosti kapalin. Pořadí experimentů a jejich vysvětlovaní je v tomto případě ovlivněno tím, že jsem limitován ukazováním experimentů na kameru.

„Proto nejdříve udělám experimenty a ty poté vysvětlíme a zapíšeme,“ vysvětluji účastníkům setkání. „Paralelně můžete sledovat experimenty a jejich zadání v pracovním listu, který žákům dávám a oni samostatně experimentují a zaznamenávají své odpovědi.“

Do konce bloku ukáži:

4. blok: Struktura a vlastnosti kapalin

Na začátku posledního bloku se vracím ještě k jednomu experimentu na téma teplotní změny pevných látek: ukazuji experiment s drátem s tvarovou pamětí (materiál nitiol).

Poté pokračujeme v dalších experimentech vážících se k pojmu povrchové napětí kapalin:

Experimentální závěry pak popíšu a vysvětlím. Po zavedení pojmů povrchová vrstva kapalin, povrchové napětí a povrchová síla ještě popíšu metody měření povrchového napětí, které účastníci komentují a doplňují svými zkušenostmi z měření.

Tím končíme poslední blok tohoto on-line semináře a domlouváme případně další takovéto setkání.

Účastníci semináře se odpojili a mohli se věnovat svým vlastním zájmům. Mě čekal úklid učebny. Vzhledem k prázdninám, které od pondělí začínají, bylo nutné učebnu uklidit důkladně a nenechat nikde žádné odpadky, …

Materiály ze semináře, které jsou účastníkům k dispozici, a odkazy:

Atmosféru v učebně přibližuje několik fotografií.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 26. 10. 2020