Heuréka - 6. seminář (termodynamika - kapilární jevy, teplotní roztažnost kapalin, změny skupenství, elektrostatické pole)

V sobotu 28. 11. 2020 se konal v prostorách SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské šestý seminář dalšího běhu projektu Heuréka pro střední školy, který podporuje KDF MFF UK Praha a Elixír do škol.

I tento seminář se konal distanční formou, ale tentokráte jsem nebyl v učebně fyziky sám. Na první dva bloky dorazila i Stáňa Tomšová, která si chtěla fyziku užít přímo na místě. Ostatní účastníci byli připojeni pomocí stejné aplikace, jako při minulém semináři. Celkem se jich v on-line prostoru sešlo 23.

1. blok: Kapilární jevy, teplotní roztažnost kapalin

Prvním blokem semináře navazujeme na dění minulého semináře. Začneme tedy jevy na rozhraní kapaliny a pevného tělesa. Motivačně ukážu dva experimenty:

  • vzlínání vody v kapilárách, což pomocí kamery nebylo asi příliš dobře vidět;
  • chování hladiny vody v nádobě, jejíž půdorys tvoří rovnoramenný trojúhelník s velmi malým úhlem u jednoho z vrcholů.

    • Pak celou problematiku rozebereme teoreticky a odvodíme i vztah pro kapilární tlak a výšku, do níž vystoupí hladina kapaliny při kapilární elevaci. Ke všem jevům se snažím uvádět i konkrétní příklady z praxe.

    Pak přecházíme k teplotní roztažnosti kapalin, kterou demonstruji pomocí Galileova teploměru složeného z několika kuliček umístěných v kapalině v zatavené nádobě.

    „Pokud si tento přístroj budete někde shánět, musíte být připraveni na jeho netradiční tvar, který mezi našimi pubertálními žáky může evokovat něco zcela jiného než teploměr,“ upozorňuji účastníky semináře. Pak před teploměr umístím lampu s rozsvícenou žárovkou a po krátkém čase začínají jednotlivé kuličky padat ke dnu. Teplotu, která je napsaná na štítku každé kuličky, určuje nejníže položená kulička plovající u hladiny.

    V souvislosti s teplotní změnou objemu a hustoty u kapalin zmíním i anomálii vody.

    První blok končíme základním přehledem jednotlivých skupenství a jejich názvy.

    2. blok: Změny skupenství - tání, tuhnutí, var

    Druhý blok začínám experimentem s vodní svíčkou a na okamžik se tak vracíme ke kapilárním jevům.

    „Do skleničky naliju vodu, pak na ní položím plastový kruh, ve kterém mám zasunutý knot, a knot zapálím,“ popisuji experiment a provádím jej. Pouze Stáňa Tomšová přítomná v učebně cítí i přes roušku, že to nebude jen obyčejná voda.

    „Není to obyčejná voda,“ odtajňuji po skončení experimentu. „Ve skleničce jsem měl předtím nalitý olej do lamp, který je čirý a po naliti vody vyplave na její hladinu. Do knotu je pak nasáván právě olej a ne voda.“

    Pak pokračujeme teoretickým rozborem skupenských změn, zavádíme skupenské teplo a diskutujeme průběh tání u chemicky čistých látek a u slitin nebo směsí.

    Pak následují experimenty dokumentující tání ledu netradičním způsobem:

  • tání kostek ledu na plechovkách vyrobených z hliníku a ze slitiny hliníku a železa;
  • tání kostek ledu na dvou podložkách z různých materiálů;
  • tání kostky ledu na kuchyňské podložce určené na rozmrazování potravin;
  • tání kostek ledu v plecháčku spojené se zamrzáním vody mezi plecháčkem a skleněnou destičkou, na které plecháček stál; díky použité termokaře jsme viděli, že jsme dolní část plecháčku ochladili až na skoro mínus 18 stupňů Celsia.

    • Experimenty jako vždy komentuji z hlediska použitých materiálů i technických nebo didaktických zádrhelů. Účastníci některé experimenty znali a dávali si navzájem tipy, jak experimenty vylepšit, jak udělat jiné varianty, …

    V rámci diskuse o podchlazené kapalině připomenu experiment s thiosíranem sodným, který jsme realizovali v minulém běhu seminářů Heuréky.

    „Vzhledem k tomu, že nechodíme do školy, nemohl jsem si ho půjčit v chemické laboratoři,“ omlouvám se. Místo toho experiment popisuji a využívám k tomu fotografie ze zmiňovaného semináře.

    Dále probereme rozdíl mezi varem a vypařováním a zavedeme pojem sytá pára. Ten demonstruji triviálním experimentem se skleničkou vody, aby bylo jasné, že sytá pára nad hladinou vody vzniká za každé teploty.

    Schopnost vody se vařit i za pokojové teploty demonstruji pomocí injekční stříkačky naplněné částečně vodou. Po ucpání trysky stříkačky prudce zvětším objem pod pístem a voda začne vřít.

    3. blok: Fázový diagram, vlhkost vzduchu, úvod elektrostatického pole

    Blok po hodinové pauze na oběd zahajuji už sám. Ukazuji experiment se skleněnými ptákem Pijákem, který popisuji a vysvětluji. Dokončujeme var praktickými důsledky závislosti teploty varu na vnějším tlaku a pak pokračujeme fázovým diagramem.

    Fázový diagram nakreslím, postupně popíšu křivky, ze kterých je složen, a jeho jednotlivé části. Uvedeme souvislost trojného bodu diagramu s dříve používanými definicemi základních fyzikálních jednotek a zmíním skutečnost, že tyto definice byly nahrazeny novými. Pak krátce popíšu využití fázového diagramu v praxi.

    Zavedením vlhkosti vzduchu a teploty rosného bodu končíme část semináře věnovaného změnám skupenství.

    Na závěr využijeme připravený pracovní list a projdeme několik úloh, které považuji za zajímavé a důležité pro pochopení.

    Zbytek třetího bloku i celého semináře věnujeme úvodu do elektřiny a magnetismu, konkrétně elektrostatickému poli. Postupně píšu na tabuli vlastnosti elektrického náboje a ukazuji experimenty:

  • detekci elektrického náboje pomocí elektroskopu z plastové láhve;
  • detekci elektrického náboje pomocí elektronického elektroskopu;
  • nabíjení slámek na pití a jejich „lepení“ na stěnu.

    • Na závěr tohoto bloku zavedeme pojem kvantování elektrického náboje, který vysvětlím přímo na elektrickém náboji i na analogii s českou měnou.

    4. blok: Nabíjení těles, elektrostatická síla

    Poslední blok semináře začínám experimenty, které demonstrují různé způsoby nabíjení těles:

  • kousky starého magnetofonové pásky uvázané na síťku od ovoce se nabíjejí od kovové koule van de Graaffova generátoru a simulují tak vzájemné odpuzování těles nabitých stejným nábojem;
  • kousky polystyrenu odletují z misky položené na kovové kouli generátoru, protože mají shodný náboj;
  • analogicky se chovají i mýdlové bubliny vyfouknuté na kovové kouli generátoru;
  • pomocí elektrostatické indukce lze nabít jedním typem náboje dvě na počátku experimentu spojená tělesa dvěma typy náboje, aniž se těles dotkneme.

    • Následně popisujeme a vysvětlujeme princip elektrostatické indukce na kovovém vodiči. Jako netradiční experiment ukazuji kovovou lopatku vyváženou v těžišti na stativu z PET láhve. Lopatku pomocí nabité tyče uvedu do rotačního pohybu a pomocí téže tyče jí i zastavím.

    Podobný experiment pak ukazuji s papírovou mapu České republiky po vysvětlení principu elektrostatické indukce u nevodičů.

    Na základě uvedených experimentů pak směřujeme k pojmu elektrostatická síla. Výklad ještě doplním experimentem elektrostatického kyvadla (resp. Franklinových zvonků).

    Zavedenou elektrostatickou sílu formálně porovnávám s gravitační silou vystupující v Newtonově gravitačním zákonu a upozorňuji na formální shody obou sil i na zásadní rozdíly.

    Na závěr semináře nabízím účastníkům pracovní list zaměřený právě na elektrostatickou sílu. Dvě úlohy na přání účastníků vyřešíme.

    Pak se už loučíme a domlouváme předběžnou strategii konání seminářů na další kalendářní rok. Jak to ale bude ve skutečnosti probíhat, se musíme nechat překvapit podle míry koronaviru v populaci.

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

  • pracovní list zaměřený na změny skupenství;
  • pracovní list zaměřený na elektrostatickou sílu;
  • záznam tabule - záznam z interaktivní tabule pořízený během semináře;
  • záznam 1. bloku semináře - video zaznamenané pomocí aplikace Teams;
  • záznam 2. bloku semináře - video zaznamenané pomocí aplikace Teams;
  • záznam 3. bloku semináře - video zaznamenané pomocí aplikace Teams;
  • záznam 4. bloku semináře - video zaznamenané pomocí aplikace Teams.

    • Atmosféru v učebně přibližuje několik fotografií.

    Autoři fotografií:

    Jaroslav Reichl

    Stanislava Tomšová

    © Jaroslav Reichl, 29. 11. 2020