Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > gymnaziální vzdělávání > Lenzův zákon netradičně

Ikona prakticky

Lenzův zákon netradičně

Ikona inspirace
Autor: Jaroslav Reichl
Spoluautor: Jaroslav Skala
Anotace: Faradayův zákon a Lenzův zákon nejsou pro žáky středních škol příliš jednoduché na pochopení. Proto bychom se měli snažit tyto zákony žákům prezentovat srozumitelnou formu s pomůckami, které běžně znají, aby je nové pomůcky neodrazovaly od vnímání samotného průběhu experimentu.
Podpora výuky jazyka:
Klíčové kompetence:
  1. Gymnázium » Kompetence k řešení problémů » rozpozná problém, objasní jeho podstatu, rozčlení ho na části
Očekávaný výstup:
  1. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Elektromagnetické jevy, světlo » využívá zákon elektromagnetické indukce k řešení problémů a k objasnění funkce elektrických zařízení
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:

Nejsou přiřazena žádná průřezová témata.

Organizace řízení učební činnosti: Frontální, Skupinová, Individuální
Organizace prostorová: Školní třída
Nutné pomůcky: silnější magnet, hrnec z neferomagnetického materiálu, stojan, provázek
Klíčová slova: elektromagnetická indukce, fyzika, Lenzův zákon, Faradayův zákon elektromagnetické indukce

Text článku:

Jedny z nejdůležitějších fyzikálních zákonů v teorii elektromagnetického pole, které mají velmi rozsáhlé praktické použití, jsou úzce propojené zákony: Faradayův zákon elektromagnetické indukce a Lenzův zákon. Zejména Lenzův zákon dělává žákům problémy a řada z nich si za relativně komplikovaným zněním Lenzova zákona nepředstaví konkrétní fyzikální děj, ve kterém se tento fyzikální zákon uplatňuje. A přitom tento zákon lze demonstrovat velmi jednoduše a zároveň provedený experiment popsat fyzikálně správně. 

Pomůcky a příprava experimentu 

K experimentu, kterým ukážeme platnost Lenzova zákona, budeme potřebovat silnější magnet, hrnec z nerez oceli, laboratorní stojan a provázek, na který bude možné zavěsit použitý magnet (viz obr. 1). Vzhledem k vyšší hmotnosti použitého magnetu jsme museli použít ještě závaží o hmotnosti 1 kg, které sloužilo jako protizávaží na laboratorním stojanu (viz obr. 2). V případě, že laboratorní stojan není k dispozici, lze provázek s magnety zavěsit na jiný vhodný předmět (okenní klička, …); přitom je třeba dbát na to, aby kývání provázku nebylo tímto předmětem ovlivněno.

Pomůcky nutné k experimentu
1. Pomůcky nutné k experimentu
Autor: Jaroslav Reichl

Magnet zavěsíme na provázek tak, aby dolní podstava magnetu byla vodorovná (viz obr. 2). Toho docílíme tak, že magnet ovineme provázkem podobně, jako když zavazujeme balík. Závěs, na kterém se bude magnet později kývat, pak vyvedeme z úvazu, který je nad těžištěm magnetu. Takto připravený závěs s magnetem zavěsíme na stojan (nebo jiný vhodný předmět) a vyměříme správnou délku závěsu. Tu určíme tak, že pod magnet umístíme vybraný hrnec dnem vzhůru a délku provázku nastavíme tak, aby v rovnovážné poloze magnetu mezi magnetem a dnem hrnce byla mezera šířky přibližně 1 cm až 2 cm.

První krok experimentu: volné kývání magnetu
2. První krok experimentu: volné kývání magnetu
Autor: Jaroslav Reichl

Provedení experimentu

Experiment provedeme ve dvou krocích. V prvním kroku nebudeme používat hrnec. Nejdříve žáky připravíme na to, že budou počítat počet kmitů kyvadla tvořeného magnetem a provázkem do jeho zastavení. (V případě potřeby zopakujeme, co je doba jednoho kmitu a co je doba jednoho kyvu.) Poté magnet vychýlíme z rovnovážné polohy do určité výšky a uvolníme. Kyvadlo s magnetem začne kývat a žáci počítají jeho aktuální kmity. Je zřejmé, že takto vyrobené kyvadlo kýve s relativně malým tlumením. Proto je z časových důvodů vhodné poté, co kyvadlo vykoná např. 15 až 20 kmitů, experiment přerušit a kyvadlo ustálit v rovnovážné poloze.

Druhý krok experimentu začneme tím, že žákům ukážeme, že magnet a hrnec se navzájem nepřitahují: hrnec držíme v ruce a zespoda k němu přiblížíme magnet – ten se ovšem k hrnci nepřitáhne. Právě z tohoto důvodu je nutné volit hrnec z nerez oceli (obecně z neferomagnetického materiálu); pokud bychom použili hrnec z feromagnetického materiálu, nebude experiment průkazný.

Pak umístíme pod zavěšený magnet hrnec (viz obr. 3) a opět vyzveme žáky, aby počítali kmity, které kyvadlo tvořené provázkem a magnetem vykoná od začátku pohybu do svého zastavení. Magnet proto vychýlíme z rovnovážné polohy a snažíme se, aby počáteční výchylka magnetu byla stejná jako v prvním kroku experimentu. Magnet uvolníme a žáci s překvapením zjistí, že se kyvadlo zastavilo po vykonání pouhých několika kmitů. Počet kmitů, které kyvadlo v tomto případě vykoná, je závislý na počáteční výchylce kyvadla, kvalitě magnetu a vzdálenosti magnetu od dna hrnce, nad kterým se magnet pohybuje.

Druhý krok experimentu: kývání magnetu nad hrncem
3. Druhý krok experimentu: kývání magnetu nad hrncem
Autor: Jaroslav Reichl

Vysvětlení experimentu 

Před vysvětlením právě provedeného experimentu by bylo vhodné společně se žáky rozebrat vzájemnou interakci dvou magnetů. Uvažujme pro snadnější grafické zobrazení dva tyčové magnety, které se mohou vzájemně odpuzovat nebo přitahovat. Situaci pro dva navzájem se odpuzující magnety zobrazuje schematicky obr. 4, na kterém je zobrazeno několik magnetických indukčních čar obou magnetů a také vektory magnetických indukcí obou magnetů. Z obr. 4 je zřejmé, že pokud se dva magnety navzájem přitahují, jsou vektory jejich magnetických indukcí orientovány navzájem opačným směrem.

Vzájemná interakce dvou magnetů
4. Vzájemná interakce dvou magnetů
Autor: Jaroslav Reichl

Analogicky je na obr. 5 zobrazena schematicky situace pro dva navzájem se přitahující magnety. Je zřejmé, že v tomto případě jsou vektory magnetických indukcí obou magnetů orientovány stejným směrem. Tento poznatek využijeme k vysvětlení provedeného experimentu.

Vzájemná interakce dvou magnetů
5. Vzájemná interakce dvou magnetů
Autor: Jaroslav Reichl

Magnet pohybující se nad hrncem ve druhém kroku experimentu zastavil po relativně krátké době. To ovšem znamená, že na něj musela působit relativně velká síla, která jeho pohyb zbrzdila. Odporová síla vzduchu to být nemohla, protože ta působila na kývající se magnet i v prvním kroku experimentu, a přesto se magnet kýval relativně dlouhou dobu s velmi malým tlumením. Proto pohyb magnetu ve druhém kroku experimentu musela tlumit jiná síla. Pokud probereme všechny možné síly, které připadají v úvahu, zjistíme, že jediná z nich, která mohla zastavit magnet, je síla magnetická. A tato síla přitom musela mít původ ve vzájemném silovém působení magnetu a hrnce a navíc musela být přitažlivá.

Proto lze soudit, že při pohybu magnetu v okolí hrnce vzniklo kolem něj magnetické pole. Na základě analogie s navzájem interagujícími magnety (viz obr. 4 a obr. 5) muselo být magnetické pole hrnce orientováno stejně jako magnetické pole magnetu; jinak by totiž magnetická síla působící mezi magnetem a hrncem nebyla přitažlivá.

Shodně orientované magnetické pole hrnce ve srovnání s magnetickým polem magnetu ovšem potvrzuje platnost Lenzova zákona: systém se snaží zachovat původní stav, ve kterém se nacházel. Při pohybu magnetu nad hrncem se hrnec nacházel v nestacionárním magnetickém poli. To začalo vlivem tlumení pohybu magnetu slábnout, v důsledku čehož se ve dně hrnce indukovaly tzv. vířivé (Foucaltovy) proudy takového směru, že jimi vytvořené magnetické pole mělo takový směr, aby se zachoval původní stav systému. 

Tento princip vzniku vířivých proudů a interakce jimi vytvořeného magnetického pole s okolím má své využití i praxi (indukční brzdy v tramvajích, brzdění pohybu kotoučku elektroměru, …). 

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 12. 10. 2011
Zobrazeno: 7937krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 3.3333

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku :
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

zatím nikdo Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
REICHL, Jaroslav. Lenzův zákon netradičně. Metodický portál: Články [online]. 12. 10. 2011, [cit. 2017-11-18]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/13881/LENZUV-ZAKON-NETRADICNE.html>. ISSN 1802-4785.
Doporučte materiál
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 12. 10. 2011 08:04
Považuji článek za dobře využitelný ve výuce fyziky. Jeho předností je především to, že navrhuje jednoduché a dostupné pomůcky pro demonstraci důležitého fyzikálního zákona.