Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku

Ikona prakticky

Maxwellovo kyvadlo

Ikona inspiraceIkona hodina
Autor: Jaroslav Reichl
Anotace: Zákon zachování energie, moment setrvačnosti tuhého tělesa, kmitavý pohyb - to jsou namátkou vybrané fyzikální zákony, veličiny a pojmy, které jsou důležité a které prolínají celou fyzikou. Pochopit tyto pojmy mohou žáci i s velmi jednoduchou pomůckou.
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 » Pohyb těles a jejich vzájemné působení » využívá zákony zachování některých důležitých fyzikálních veličin při řešení problémů a úloh
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:
  1. Gymnaziální vzdělávání » Environmentální výchova » Člověk a životní prostředí
Organizace řízení učební činnosti: Frontální, Skupinová, Individuální
Organizace prostorová: Školní třída, Učebna v přírodě
Nutné pomůcky: CD, špejle, korková zátka, nit, lepidlo
Klíčová slova: Fyzika, zákon zachování energie, zákon zachování mechanické energie, Člověk a příroda, moment setrvačnosti tuhého tělesa, kinetická energie tuhého tělesa, kmitavý pohyb
Vazby článku:
Tento článek navazuje na téma článku: Energie tuhého tělesa

Text článku:

Zákon zachování energie, moment setrvačnosti tuhých těles, kmitavý pohyb… to jsou fyzikální zákony, pojmy nebo jevy, které by měl žák střední školy chápat a měl by je umět (alespoň na kvalitativní úrovni) aplikovat při vysvětlování jevů v praxi či při řešení úloh. Tyto pojmy, které prolínají celým studiem fyziky, lze přitom žákům přiblížit jednoduchou pomůckou připomínající dětskou hračku jo-jo.

Příprava pomůcky

Jednoduchý model Maxwellova kyvadla můžeme vyrobit z CD, dvou víček od PET lahví (nebo korkové zátky), niti délky přibližně 1,5 m, špejle a lepidla (viz obr. 1). Mezi dvě víčka od PET lahví vlepíme CD tak, aby víčka byla přilepena symetricky kolem středového otvoru disku. Po zaschnutí lepidla uděláme do slepených víček v jejich středu otvor (pomocí vrtáku nebo nažhaveným hřebíkem) takové velikosti, aby jím bylo možné protáhnout špejli. CD na špejli vystředíme a proti vzájemnému posunu špejle a CD zajistíme lepidlem. Na konec špejle přivážeme jednotlivé konce nitě a pomůcka je připravena k použití (viz obr. 2). Pro snadnější upevnění nitě na špejli a zabránění jejímu prokluzování je vhodné udělat zářezy na obou koncích špejle. Zářezy musí být vzdálené několik milimetrů od konce špejle a musí být na špejli umístěné symetricky.

Potřebné pomůcky
1. Potřebné pomůcky
Jaroslav Reichl, © 2010

Místo víček od PET lahví lze do středového otvoru CD nasadit korkovou zátku a tou potom protáhnout špejli. Pokud tuto pomůcku nechceme vyrábět, můžeme použít dětskou hračku jo-jo, která má podobné vlastnosti.

Pro hlubší studium (přeměn mechanické energie, momentu setrvačnosti těles apod.) je možné místo jednoho CD použít více disků, resp. na jeden disk umísťovat různá závaží (např. dva magnety proti sobě).

Hotová fyzikální pomůcka
2. Hotová fyzikální pomůcka
Jaroslav Reichl, © 2010

Provedení experimentu

Hotovou pomůcku zavěsíme na stojan tak, aby špejle byla ve vodorovné poloze. Otáčením CD kolem osy procházející špejlí navineme nit na špejli (viz obr. 3) a uvolníme (viz obr. 4). Disk se bude pohybovat dolů a postupně bude růst velikost jeho rychlosti. Jakmile dosáhne nejnižší polohy, začne se vlivem setrvačnosti pohybovat zpět nahoru - nit se bude namotávat na špejli v opačném směru. Jakmile dosáhne polohy, v níž bude jeho velikost rychlosti nulová, začne CD opět klesat a celý děj se bude opakovat.

Příprava experimentu
3. Příprava experimentu
Jaroslav Reichl, © 2010

 

Průběh experimentu
4. Průběh experimentu
Jaroslav Reichl, © 2010

Pro srovnání můžeme při uvolnění CD na počátku experimentu ze stejné výšky pustit gumu na gumování, malou kuličku, kousek křídy… Poté vyzveme žáky, ať se pokusí pozorovaný zdánlivý rozpor vysvětlit.

Popsaný experiment můžeme vyžít při výkladu zákona zachování energie, při studiu momentu setrvačnosti tuhého tělesa, kinetické energie tuhého tělesa, jako ukázku kmitavého pohybu atp.

Vysvětlení experimentu

Disk se po uvolnění z počáteční polohy pohybuje v tíhovém poli směrem dolů. Jeho potenciální energie (měřená např. od desky stolu, na kterém stojí stojan) tedy klesá, zatímco jeho kinetická energie roste. Je nutné si uvědomit, že kinetická energie má v tomto případě dvě složky: kinetickou energii posuvného pohybu a kinetickou energii rotačního pohybu. Proto CD klesá pomaleji než např. malá kulička, kousek křídy, guma na gumování. U těchto srovnávacích těles má kinetická energie pouze jednu složku (kinetickou energii posuvného pohybu), potenciální energie disku se tedy mění pouze na tuto složku. Kulička, křída a podobná tělesa se tudíž pohybují rychleji.

Při návratu zpět do horní polohy disk nevystoupí do stejné výšky, z níž byl spuštěn. Příčinou jsou odporové síly působící na disk během jeho pohybu (odporová síla vzduchu, třecí síla nitě na špejli…), na jejichž překonání je nutná určitá práce, která se koná na úkor mechanické energie soustavy (tj. na úkor počáteční potenciální energie soustavy). V této souvislosti lze tedy o odporových silách alespoň kvalitativně mluvit, můžeme zavést (a dopočítat) účinnost přeměn energií a můžeme se společně s žáky zamyslet nad tím, jak by se dala účinnost přenosu energie této soustavy zvýšit či naopak snížit.

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 05. 08. 2010
Zobrazeno: 8796krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 3

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku : 4
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

zatím nikdo Hodnocení článku : 5
1 uživatel Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
REICHL, Jaroslav. Maxwellovo kyvadlo. Metodický portál: Články [online]. 05. 08. 2010, [cit. 2017-11-18]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/9263/MAXWELLOVO-KYVADLO.html>. ISSN 1802-4785.
Doporučte materiál
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 05. 08. 2010 11:49
Článek je zpracován na dobré úrovni, učitelé popsaný experiment bezesporu využijí v hodinách fyziky. Pouze znovu upozorňuji na to, že pojem momentu setrvačnosti (ani kinetické energie rotačního pohybu tělesa) není součástí RVP G a vysvětlení uvedeného pokusu nebude proto možné předložit všem žákům.
2.Autor: Recenzent2Vloženo: 05. 08. 2010 11:49
Jednoduché a pěkné!