Nobel SŠ 2. kolo zadání
POHÁR VĚDY – 2. ročník – „NOBEL 2013“
ZADÁNÍ ÚKOLŮ
2. kolo (únor) – SOUTĚŽNÍ KATEGORIE 4 – SŠ
1. Kreativita
Vytvořte znak a vlajku svého týmu
2. Teorie a výzkum
Tématem tohoto kola soutěže je měření teploty. Teplota je zajímavou fyzikální veličinou a určitě víte, že lidskými smysly je vnímána poněkud nedokonale. Uvědomte si např., jaký je rozdíl ve vnímání teploty vzduchu a vody. V sauně vyhřáté na 100 °C člověk nějakou dobu vydrží, aniž by došlo k nepříznivým vlivům na jeho organismus. Voda s teplotou 100 °C by naopak člověku velmi ublížila. Když potřebujete manipulovat s pekáčem v horké troubě, můžete tam strčit ruku, i když teplota je o hodně vyšší než prve zmíněných 100 °C (jenom se nesmíte dotknout samotného pekáče). Kdybyste ale měli strčit ruku do vody o teplotě, řekněme, 60 °C, asi byste si to rozmysleli.
Prvním vaším úkolem teoretické části tohoto kola je vysvětlit, proč člověk vnímá stejnou teplotu v různých prostředích velmi odlišně.
Pro měření teploty používáme různé teplotní stupnice. V našich končinách je v běžném životě používána teplotní stupnice, kterou zavedl švédský fyzik a astronom Anders Celsius. Zjistěte, jak byla tato stupnice původně zavedena samotným Celsiem.
Ve fyzice používáme nejraději teplotní stupnici pojmenovanou po lordu Kelvinovi. V běžném životě teplotu v kelvinech neměříme, proč je ale tedy tak zajímavá pro fyziky? Zjistěte, jaké jsou fyzikální výhody této stupnice.
Průměrná teplota na povrchu Země je asi 15 °C. Ve vesmíru se ale vyskytují mnohem nižší (i mnohem vyšší) teploty. Existuje teplota, o které se dá říct, že je to nejnižší teplota, kterou lze ve vesmíru zaregistrovat? Jaká teplota to je? (Ptáme se na přirozenou nejnižší teplotu, ne na tu, které dokážou dosáhnout fyzikové ve svých laboratořích.)
Shrňme si otázky a úkoly teoretické části:
1. Vysvětlete rozdílnost vnímání teploty lidskými smysly v různých prostředích.
2. Jak byla původně zavedena Celsiova teplotní stupnice?
3. Proč je pro fyziku nejvhodnější měřit teplotu v kelvinech?
4. Jaká je nejnižší teplota, kterou lze naměřit ve vesmíru? („Přirozená teplota“, nikoli ta, které dokáží dosáhnout fyzici v laboratořích.)
3. Praxe a projekt
V praktické části druhého kola si vyrobíte teploměr. Nebude to ale běžný typ teploměru. Tento jsme pro vás vymysleli s doc. Leošem Dvořákem z MFF UK.
Náš teploměr je určen pro měření teploty kapalin (vyrobíte si jej pro měření teploty vody). Jeho funkce je založena na platnosti Archimédova zákona a na tom, že s teplotou se mění hustota vody.
K výrobě teploměru budete potřebovat:
· pingpongový míček
· plastové brčko
· písek - nejlépe kvalitní akvaristický písek,
nebo písek, který používají chovatelé činčil
(seženete jej v potřebách pro chovatele)
nebo písek, který používají chovatelé činčil
(seženete jej v potřebách pro chovatele)
· dvojsložkové epoxidové lepidlo
· vrtačku
· jehlový pilník
K experimentování s teploměrem si ještě sežeňte dvě skleněné nádoby, nebo nějaké jiné průhledné nádoby, které snesou horkou vodu. Při výrobě teploměru se mohou hodit citlivé váhy, fyzikální tabulky, posuvné měřidlo (tzv. šuplera) a teploměr s rozsahem do 100 °C.
Výroba teploměru:
Do pingpongového míčku vyvrtejte dírku s průměrem stejným, jako je vnější průměr brčka. Otvor případně upravte jehlovým pilníkem tak, aby do něj bylo možné „ztuha“ zasunout brčko. Změřte míček a vypočítejte, jakou musí mít hmotnost, aby se vznášel pod hladinou studené vody. Do míčku nasypejte tolik písku, abyste dosáhli vypočítané hmotnosti. Nyní do míčku vsuňte brčko (pokud je to brčko s „kolínkem“, tak toto kolínko odstřihněte). Mezi spodním okrajem brčka a pískem v míčku musí zůstat mezera. Na místo spoje míčku a brčka naneste epoxidové lepidlo – spoj musí být vodotěsný. Po zaschnutí a zatvrdnutí lepidla vložte tento zárodek teploměru do nádoby se studenou vodou. Přidávejte do míčku (skrz brčko) písek tak dlouho, až se bude míček vznášet kousek pod hladinou. (Popřípadě trochu písku z míčku odsypte.) Vložte teploměr do teplejší vody - měl by se zanořit trochu hlouběji než prve. Na brčko nakreslete stupnici tak, aby hladina vody ukazovala na stupnici teplotu vody.
POZOR! Materiál brčka nebo míček možná nesnese příliš horkou vodu. Je dobré vyzkoušet odolnost proti teplotě ještě dříve, než se pustíte do výroby.
Teploměr zdokumentujte a schovejte si jej do finále soutěže.
Doplňující otázky:
Jak se projeví průměr brčka na funkci a citlivosti teploměru?
Mohl by tento „přístroj“ měřit i něco jiného než teplotu?