N�kolik pokus�

Josef Trna

1. P�em�na tepla v mechanickou pr�ci prost�ednictv�m teplotn� rozta�nosti pevn� l�tky

Pot�eby: Bimetalov� p�sek, tenk� dr�tek, z�va�� (n�kolik gram�), pevn� kladka, des�ti�ka (asi 1010 cm ze skla �i kovu, plastu, p�ekli�ky), 2 stativy s dr��ky, kahan.

P��prava a proveden�: Na jeden stativ upevn�te vodorovn� bimetalov� p�sek tak, aby se po zah��t� ohnul dol�. Na jeho voln� konec upevn�te (nap�. do vyvrtan�ho otvoru) tenk� dr�tek, kter� svisle ve�te p�es pevnou kladku, upevn�nou na stejn�m stativu ve druh�m dr��ku. Na voln� konec dr�tku zav�ste z�va�� (n�kolik gram�). Pro p�e�hlednost pokusu je vhodn�, aby z�va�� viselo ve stejn� v��i jako bimetalov� p�sek. Z�va�� podlo�te desti�kou, upevn�nou na druh�m stativu. Desti�ka slou�� jako in�dex po��te�n� polohy z�va��. Plamenem kahanu zah�ejte bimetalov� p�sek � z�va�� je vyzdvi�eno nad desti�ku.

Vysv�tlen�: D�ky rozd�ln�mu koeficientu teplotn� d�lkov� rozta�nosti kovov�ch ��st� bimetalov�ho p�sku dojde k jeho prohnut�. Toto prohnut� pomoc� z�v�su a pevn� kladky zp�sob� vyzdvi�en� z�va��. Tak je demonstrov�n jeden z mo�n�ch princip� tepeln�ch motor�, kter� p�em��uj� teplo v mechanickou pr�ci.

Pozn�mka: Po ochlazen� bimetalov�ho p�sku je mo�no proces zopakovat.

2. P�em�na tepla v mechanickou pr�ci prost�ednictv�m teplotn� rozta�nosti kapaliny

Pot�eby: Ba�ka (asi 1 litr), obarven� voda, gumov� z�tka se sklen�nou trubi�kou, spo�jovac� plastov� hadi�ka, plastov� injek�n� st��ka�ka (5 ml), z�va�� (n�kolik gram�), barevn� plastov� ty�inka (�pejle), 2 stativy s dr��ky, s�ka s azbestem, kahan.

P��prava a proveden�: Na jeden stativ upevn�te svisle plastovou injek�n� st��ka�ku trnem dol�. Na tento trn navl�kn�te pevn� plastovou (pr�hlednou) spojovac� trubi�ku, jej� druh� konec stejn�m zp�sobem napojte na sklen�nou trubi�ku, kter� vodot�sn� proch�z� gumovou z�tkou. Z�tka pevn� uzav�r� ba�ku, upevn�nou v dr��ku na druh�m stativu. Cel� syst�m napl�te obarvenou studenou vodou a dob�e jej od�vzdu�n�te. P�st v injek�n� st��ka�ce p�ed napln�n�m �pln� stla�te na nulov� objem. Na horn� plo�ku p�stu polo�te n�kolikagramov� z�va�� (vhodn� je �p�ilepit� toto z�va�� nap�. kouskem plastel�ny). Na stativ se st��ka�kou p�ipevn�te vodorovn� (barev�nou plastovou ty�inku nebo �pejli), kter� nastavte do po��te�n� �rovn� z�va��. Pla�menem kahanu zah��vejte ba�ku s vodou � p�st se zved� a z�va�� je tak vyzdvi�eno.

Vysv�tlen�: Zah��t�m kapaliny dojde d�ky jej� teplotn� objemov� rozta�nosti ke zv�t�en� objemu kapaliny, kter� zdvihne p�st ve st��ka�ce a t�m i z�va��. Tak je demonstrov�n dal�� z mo�n�ch princip� tepeln�ch motor�, kter� p�em��uj� teplo v mechanickou pr�ci.

Pozn�mka: K napln�n� syst�mu kapalinou pou�ijte dal�� plastovou injek�n� st��ka�ku, na jej� trn je nasazena tenk� plastov� hadi�ka � nap�. sta�en� izolace z kovov�ho vodi�e. Z�tka v ba�ce i plastov� hadi�ka mus� b�t pevn� vtla�ena �i nasazena, aby voda neunikala mimo syst�m.

3. P�em�na tepla v mechanickou pr�ci prost�ednictv�m teplotn� rozta�nosti plynu

Pot�eby: Ba�ka (asi 1 litr), gumov� z�tka se sklen�nou trubi�kou, spojovac� plastov� ha�di�ka, plastov� nebo sklen�n� injek�n� st��ka�ka (10 ml a v�ce), z�va�� (n�kolik gra�m�), barevn� plastov� ty�inka (�pejle), 2 stativy s dr��ky, s�ka s azbestem, kahan.

P��prava a proveden�: Na jeden stativ upevn�te svisle injek�n� st��ka�ku trnem dol�. Na tento trn navl�kn�te pevn� plastovou (pr�hlednou) spojovac� trubi�ku, jej� druh� konec stejn� napojte na sklen�nou trubi�ku, kter� vodot�sn� proch�z� gumovou z�t�kou. Z�tka pevn� uzav�r� ba�ku, upevn�nou v dr��ku na druh�m stativu. P�st v in�jek�n� st��ka�ce �pln� stla�te na nulov� objem. Na horn� plo�ku p�stu polo�te n�koli�kagramov� z�va�� (vhodn� je �p�ilepit� toto z�va�� nap�. kouskem plastel�ny). Na stativ se st��ka�kou p�ipevn�te index (barevnou plastovou ty�inku nebo �pejli), kter� nastavte do po��te�n� �rovn� z�va��. Plamenem kahanu opatrn� zah��vejte vzduch v ba�ce � p�st se zved� a z�va�� je tak vyzdvi�eno.

Vysv�tlen�: Zah��t�m vzduchu dojde d�ky jeho teplotn� objemov� rozta�nosti ke zv�t��en� objemu vzduchu, kter� zdvihne p�st ve st��ka�ce a t�m i z�va��. Tak je demon�strov�n dal�� z mo�n�ch princip� tepeln�ch motor�, kter� p�em��uj� teplo v mecha�nickou pr�ci.

Pozn�mka: Z�tka v ba�ce i plastov� hadi�ka mus� b�t pevn� vtla�ena �i nasazena, aby vzduch neunikal mimo syst�m.

4. Vztlakov� s�la v kapalin�

Pot�eby: Polystyr�nov� plov�ky, silonov� nit, kladka na z�t�i, silom�ry (1�5 N), sta�tiv s dr��kem, k�dinka �i elementka (asi 2 litry), destilovan� voda, l�h, roztok ku�chy�sk� soli.

P��prava a proveden�: Kladku se z�t�� spus�te na dno vysok� elementky (vysok� v�lco�v� k�dinky) o obsahu asi 2 litry. N�dobu um�st�te na podstavnou desku stativu. Na stativ nad n�dobu upevn�te vodorovnou ty� (dr��k) a na ni zav�ste silom�r (cejcho�van� po desetin�ch newtonu s rozsahem 2�5 newton�). Na silom�r p�ipevn�te silo�novou nit, kterou provle�te kladkou v n�dob� a na druh� konec p�iva�te polystyr�nov� plov�k. Do n�doby nalejte vodu a d�lku niti upravte tak, aby cel� plov�k byl vyno�en nad vodou (zkr�cen� niti nebo posunut� ty�e na stativu). Plov�k postupn� pono�ujte posouv�n�m dr��ku se silom�rem po stativu. V�chylka silom�ru se po�stupn� zv�t�uje.

Vysv�tlen�: Vztlakov� s�la p�sob�c� na t�leso pono�en� v kapalin� je obvykle demon�strov�na jako sou��st Archim�dova z�kona. Zde je ukazov�na samostatn� jako s�la, p�sob�c� na t�leso proti s�le t�hov�, se kterou se skl�d�. Experiment m� za c�l de�monstrovat n�sleduj�c� kvalitativn� i kvantitativn� vlastnosti vztlakov� s�ly:

(a) Existence a velikost vztlakov� s�ly

P�i zanedb�n� vlastn� t�hy polystyr�nov�ho plov�ku v�chylka silom�ru indikuje existenci a ukazuje velikost vztlakov� s�ly, kterou p�sob� kapalina na plov�k. Veli�kost vztlakov� s�ly z�vis� na pono�en� ��sti t�lesa, p�sob� i na ��ste�n� pono�en� t�leso. Sm�r vztlakov� s�ly zakreslete s vyu�it�m znalosti ��k� o zm�n� sm�ru s�ly po�moc� kladky.

(b) Nez�vislost vztlakov� s�ly na tvaru t�lesa

Na st�n� n�doby vyzna�te polohu hladiny kapaliny p�i �pln� pono�en�m plov�ku (ryska na cejchovan� k�dince, samolepka, fix �i jin� index). Plov�k pak nahra�te plov�kem jin�ho tvaru (v�lec, krychle, kv�dr, koule �i nepravideln� t�leso) stejn�ho objemu - hladina je st�le ve v��i ozna�en� indexem. Vztlakov� s�la nez�vis� na tvaru pono�en�ho t�lesa.

(c) Nez�vislost vztlakov� s�ly na hloubce

M��te v��ku silom�ru nad hladinou vody a tak m��te hloubku, ve kter� je cel� plo�v�k pono�en. Vztlakov� s�la nez�vis� na hloubce, ve kter� je cel� t�leso pono�eno (zm�nu hustoty kapaliny zanedb�v�me).

(d) Z�vislost vztlakov� s�ly na objemu pono�en�ho t�lesa

Plov�k nahra�te plov�kem polovi�n�ho a dvojn�sobn�ho objemu (odm��te pomoc� stupnice � index� na st�n� n�doby). Ode�t�te p��slu�n� velikosti (polovi�n�, dvojn�sobnou) vztlakov� s�ly. Velikost vztlakov� s�ly je p��mo �m�rn� objemu pono�en�ho t�lesa.

(e) Z�vislost vztlakov� s�ly na hustot� kapaliny

P�vodn� plov�k pono�te st��dav� do ethanolu, destilovan� vody a do roztoku soli ve vod�. P�i ka�d� zm�n� kapaliny ode�t�te velikost vztlakov� s�ly. Velikost vztlakov� s�ly je p��mo �m�rn� hustot� kapaliny, ve kter� je t�leso pono�eno.

(f) Hustom�r

Do r�zn�ch kapalin pono�te plov�k o objemu . Hodnota vztlakov� s�ly je rovna: , co� pro destilovanou vodu je:

������������������������������������ .

Silom�r (rozsah 1�2 N) je tedy mo�no ocejchovat v jednotk�ch hustoty a u��vat jej ja�ko hustom�r pro m��en� hustoty kapalin.

Pozn�mka: Pokus (d) je mo�no nahradit postupn�m pono�ov�n�m (vyno�ov�n�m) plo�v�ku, na kter�m jsou vyzna�eny ��sti (polovina, �tvrtiny atd.) jeho objemu.