uplatnenie historickÝch aspektov vo vyu ČovanÍ fyziky · 2007-05-24 · joulov pokus alebo...

11
81 UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYUČOVANÍ FYZIKY Vladimír Plášek, Viera Lapitková Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Úvod Na problém zavádzania fyzikálnych pojmov sa zameralo v didaktike fyziky mnoho výskumov. Pomerne málo pozornosti sa však venuje historickému prístupu pri zavádzaní pojmov, teórii, prípadne objavov či vynálezov do obsahu vyučovania. Hoci tvorba vedomostí z oblasti prírodo- vedných predmetov a matematiky podľa T. Kuhna prebieha u žiakov podobne ako pôvodný historický vývin poznatkov v prírodných vedách, kognitívna ontogenéza opakuje vývoj vedy (Young 1996). „Keď sa pri tvorbe obsahu vyučovania budeme pridržať Kuhnovej predstavy rekapitulácie, ukáže sa, že ľudia boli technológmi o tisíce rokov skôr, než sa stali vedcami, ktorí opisujú a vysvetľujú. Technologické postupy boli jednoducho priame – vynájsť, zostrojiť a odskúšať, či vynález pracuje.“ (Pottenger 1997, str. 9) Ak sa teda pri tvorbe obsahu vzdelávania pristupuje v istej miere a vo vybraných prípadoch ako k interpretácii historickej evolúcie základných predstáv, tento rekapitulačný prístup umožňuje žiakom nanovo vytvárať základné princípy prírodných vied ako svoju individuálnu skúsenosť. Historický prístup vo vybraných učebniciach Príkladom rekapitulačného prístupu vo vyučovaní môže byť pojem tepla v učebnici FAST III (Pottenger 1995). S tým súvisí aj zavedenie a používanie kalórie, jednotky pre fyzikálnu veličinu teplo. Jednotka tepla kalória je z hľadiska názornosti oveľa jednoduchšia (1 g vody sa zohreje o 1 °C ) ako jednotka joule, ktorá bola do fyziky zavedená až približne o sto rokov neskôr Joulovým historickým pokusom. Vzťah medzi jednotkami kalória a joule si žiaci odvodia pokusom a meraním hodnôt fyzikál- nych veličín, potrebných na výpočet vykonanej práce a vzniknutého tepla. Presýpaním olove- ných guliek (brokov) s hmotnosťou 300g vo vertikálnom smere v trubici 1 m dlhej (obr. 1) a zmeraním začiatočnej a konečnej teploty guliek so známou mernou tepelnou kapacitou možno vypočítať vykonanú prácu a vzniknuté teplo. Opakovanými meraniami pri zmene počtu otočení trubice sa získa niekoľko hodnôt veľkosti dráhy a následne vypočítanej práce ako aj vzniknu- tého tepla. Z vypočítaných hodnôt možno zostrojiť graf (obr. 1).

Upload: others

Post on 25-Feb-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

81

UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYUČOVANÍ FYZIKY

Vladimír Plášek, Viera Lapitková

Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave

Úvod

Na problém zavádzania fyzikálnych pojmov sa zameralo v didaktike fyziky mnoho výskumov.

Pomerne málo pozornosti sa však venuje historickému prístupu pri zavádzaní pojmov, teórii,

prípadne objavov či vynálezov do obsahu vyučovania. Hoci tvorba vedomostí z oblasti prírodo-

vedných predmetov a matematiky podľa T. Kuhna prebieha u žiakov podobne ako pôvodný

historický vývin poznatkov v prírodných vedách, kognitívna ontogenéza opakuje vývoj vedy

(Young 1996).

„Keď sa pri tvorbe obsahu vyučovania budeme pridržať Kuhnovej predstavy rekapitulácie,

ukáže sa, že ľudia boli technológmi o tisíce rokov skôr, než sa stali vedcami, ktorí opisujú

a vysvetľujú. Technologické postupy boli jednoducho priame – vynájsť, zostrojiť a odskúšať, či

vynález pracuje.“ (Pottenger 1997, str. 9)

Ak sa teda pri tvorbe obsahu vzdelávania pristupuje v istej miere a vo vybraných prípadoch

ako k interpretácii historickej evolúcie základných predstáv, tento rekapitulačný prístup umožňuje

žiakom nanovo vytvárať základné princípy prírodných vied ako svoju individuálnu skúsenosť.

Historický prístup vo vybraných učebniciach

Príkladom rekapitulačného prístupu vo vyučovaní môže byť pojem tepla v učebnici FAST III

(Pottenger 1995). S tým súvisí aj zavedenie a používanie kalórie, jednotky pre fyzikálnu veličinu

teplo. Jednotka tepla kalória je z hľadiska názornosti oveľa jednoduchšia (1 g vody sa zohreje

o 1 °C ) ako jednotka joule, ktorá bola do fyziky zavedená až približne o sto rokov neskôr

Joulovým historickým pokusom.

Vzťah medzi jednotkami kalória a joule si žiaci odvodia pokusom a meraním hodnôt fyzikál-

nych veličín, potrebných na výpočet vykonanej práce a vzniknutého tepla. Presýpaním olove-

ných guliek (brokov) s hmotnosťou 300g vo vertikálnom smere v trubici 1 m dlhej (obr. 1) a

zmeraním začiatočnej a konečnej teploty guliek so známou mernou tepelnou kapacitou možno

vypočítať vykonanú prácu a vzniknuté teplo. Opakovanými meraniami pri zmene počtu otočení

trubice sa získa niekoľko hodnôt veľkosti dráhy a následne vypočítanej práce ako aj vzniknu-

tého tepla. Z vypočítaných hodnôt možno zostrojiť graf (obr. 1).

Page 2: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

82

10V

znik

nu

té t

eplo

(ca

l)5

2015

3025

Vykonaná práca (J)10 20 30 40 50

Olovené broky

známej hmotnosti

d

Graf závislosti medzi vykonanou prácou a vzniknutým

teplom Zariadenie na testovanie Joulovej hypotézy

Obr. 1

Z grafu závislosti medzi vykonanou prácou a vzniknutým teplom je možné zistiť vzťah

medzi jednotkou cal a joule, tzv. mechanický ekvivalent tepla.

Napokon podobná úloha je aj v B časti učebnice fyziky pre 8. ročník ZŠ (Kolářová 1992).

Nevyžaduje sa zostrojenie grafu a hľadanie vzťahu medzi jednotkou tepla a práce, ale určenie

hmotnostnej tepelnej kapacity olova. Úloha teda vyžaduje od žiakov aplikáciu a nie tvorbu

vedomostí.

S historickým prístupom sa možno stretnúť aj v obsahu FAST III v téme Modely vesmíru

včera a dnes. Žiaci sa oboznamujú s vývojom názorov na Slnečnú sústavu a ústrednou myšlien-

kou pri predstavovaní jednotlivých modelov Slnečnej sústavy je hľadanie vysvetlenia spätného

pohybu planét. V každom z predstavených názorov – Raný grécky model, Ptolemaiov model,

Kopernikov heliocentrický model je úlohou žiaka sledovať myšlienku vysvetlenia spätného

pohybu planét.

Možno povedať, že ešte výraznejšie sú historické aspekty zohľadnené v chemickej časti

obsahu FASTu. Ľ. Held (Lapitková 1997) uvádza, že „… historické poznatky sa vyskytujú

dokonca vo viacerých úrovniach:

− informácie o vedcoch a ich názoroch ( portréty, korešpondencia),

− mineralogické, triviálne a historické názvy (pribudlina, ocot, bluevitriol-skalica modrá),

− historicky významné pojmy ( mocenstvo),

− historicky významné metódy (Liebigova elementárna analýza, skúšky na suchej a mokrej

ceste).“

Page 3: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

83

Autor sa kriticky vyjadruje o predčasnom zavádzaní pojmov zodpovedajúcich aktuálnemu

stavu vedy, ako je v chémii napr. väzobnosť alebo oxidačný stupeň, ktoré sú ale chápaniu detí

menej prístupné ako bol z učebníc odstránený pojem mocenstvo.

Týmto chceme povedať, že pochopenie pojmov a javov žiakmi je najdôležitejší výsledok

vyučovania, a ak je v mene tohto cieľa výhodné opakovať historickú cestu vývoja poznania,

alebo použiť staršiu, zrozumiteľnejšiu terminológiu, didaktika fyziky by mala byť pripravená

túto cestu obhájiť.

V súčasných učebniciach fyziky (6. až 8. ročníka) sa s historickými prvkami stretávajú žiaci

v podobe portrétov vedcov a informácii o ich živote, ktoré nemajú priamy dosah na poznávací

proces a plnia len doplnkovú informačnú funkciu.

V učebnici fyziky pre 9. ročník (Janovič 2000) sa uvádzajú jednak portréty fyzikov, ale

v tematickom celku Astronómia je spracovaný aj vývoj názorov na Slnečnú sústavu. Na vybu-

dovanie akejsi časovej predstavy o vývoji fyziky sa zaradila do učebnice úloha, v ktorej sa

požaduje vypracovanie historickej časovej osi, na ktorú si majú žiaci postupne počas školského

roka zaznamenávať mená významných fyzikov v čase, kedy žili.

S podobnou myšlienkou sa stretávame v zbierke úloh k učebniciam fyziky používaným

v Maďarsku pod názvom Fyzikálne pokusy a úlohy pre základnú školu (Halász 1985). Tu

používaný časový diagram má všeobecnejší charakter, pretože na časovej osi sú vyznačené aj

dôležité národné a svetové historické udalosti. Mená vedcov-fyzikov sú už v diagrame zazna-

čené a úlohy sú zamerané na čítanie a používanie diagramu. Ďalej sa v zbierke uvádzajú texty

o fyzikoch, ktoré poskytujú príbehy z ich života. Podobná myšlienka tzv. fyzikálnej čítanky sa

objavila aj pri zavádzaní novej koncepcie vyučovania fyziky v r. 1981, ale pre nedostatok

financií sa od vytvorenia čítanky odstúpilo.

S historickými prvkami ako súčasťou výkladu sa možno stretnúť v učebniciach M. Macháčka

(1993, s. 8, 43, 85). Historické prvky autor využíva jednak vo forme motivačných obrázkov,

napr. obrázok perpetuum mobile v tematickom celku Energia alebo obrázok telegrafu v tematic-

kom celku Elektrina. V učebnici sú uvedené citácie zo starých časopisov, čím chce autor

priblížiť žiakom dobu, kedy sa začala využívať elektrická energia. Podrobne je vysvetlený aj

Joulov pokus alebo parný stroj.

Možno povedať, že v učebniciach M. Macháčka majú historické prvky aj funkciu motivačnú,

aj poznávaciu.

Z vlastnej učiteľskej praxe konštatujeme, že historické prvky v obsahu vzdelávania majú

veľmi malú hodnotu, ak plnia len funkciu informácie o vedcovi či vynálezcovi. Využívanie

uvedených informácii na budovanie časového diagramu či čítanie zaujímavých zážitkov

z procesu vynálezu alebo objavu (napr. Edisonov vynález žiarovky) prináša podstatne lepší

efekt. Za zásadný prínos historických prvkov však možno považovať také metodické

spracovanie pojmov, tém či tematických celkov, v ktorom sa kopíruje historická cesta

poznávania.

Page 4: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

84

Didaktické využitie historického vývoja poznania v určitej oblasti fyziky môže uľahčiť vy-

učovanie obťažných, obyčajne abstraktných oblasti fyziky (atómová fyzika, termodynamika).

Vývoj teórie tepla

V 18. storočí sa vo fyzike výrazne presadila teória kalorika ako tepelnej látky ktorá

spôsobuje zohrievanie telies. Teórii kalorika predchádzala existencia flogistonu – látky uvoľ-

ňujúcej sa pri horení. Existenciu flogistonu podporil aj Lavoisier, zakladateľ modernej chémie.

Lavoisier pokračoval v rozmýšľaní nad teplom ako nad fluidom, ktoré sa môže prelievať

z jednej substancie do inej.

Teória kalorika hovorí, že je to fluidum pozostávajúce z častíc, ktoré sa navzájom odpudzujú,

ale viažu sa na molekuly „obyčajných“ látok. Kalorikum vniká do všetkých telies a zapĺňa

v nich priestory medzi molekulami. Molekuly obklopuje atmosféra z čiastočiek kalorika,

ktorého hustota rastie s teplotou. Tieto oblaky tepelného fluida spôsobujú, že sa dve blízke

molekuly odpudzujú. S rastom vzdialenosti medzi molekulami odpudivá sila klesá, v rovno-

vážnom stave je nulová a s ďalším zväčšovaním vzdialenosti začínajú pôsobiť príťažlivé sily.

S rastom teploty, a teda aj množstva kalorika v látke, sa zväčší stredná rovnovážna vzdialenosť

medzi molekulami, teleso zväčší svoj objem. Pri kompresii sa kalorikum vytlačí z telesa na

povrch, čo sa prejaví zvýšením teploty.

Na prelome 18. a 19. storočia boli uskutočnené viaceré experimenty, ktoré narušili vieru

v pravdivosť teórie kalorika.

1. Porovnanie hmotnosti chladného a horúceho telesa. Ak by bolo horúce teleso ťažšie,

dokázalo by sa tým, že je ťažšie práve o toľko, koľko váži tepelná substancia, ktorej je viac

v teplejšom telese. Hmotnosti chladného a horúceho telesá boli však rovnaké.

2. Rumfordov experiment 1798. V tomto roku bol Rumford ako

minister vojny v službách bavorského veľkovojvodu a jeho úlohou

bolo reorganizovať bavorskú armádu. V tejto hodnosti mal prístup

do vojenských zbrojoviek, kde sa vŕtali hlavne diel. Pritom sledoval,

akú vysokú teplotu má pri vŕtaní kov hlavne a odlietavajúce piliny.

Obe tieto teploty boli vyššie ako teplota varu vody. Rumford si klá-

dol otázku, odkiaľ sa berie také množstvo tepla. Odkiaľ mohlo mať

toto teplo svoj pôvod? Buď z tepla obsiahnutého vo vŕtanom kove,

alebo z tepla obsiahnutého v pilinách. Aby však teplota nejakej látky

stúpla, keď jej z vonku žiadne teplo nedodáme, musí sa zmenšiť jej hmotnostná tepelná kapa-

cita. Preto meral Rumford starostlivo hmotnostnú tepelnú kapacitu kovu hlavne aj pilín a zistil, že

sa vŕtaním nezmenilo ani jedno z nich. Aby sa presvedčil, či toto teplo nepochádza z okolitého

vzduchu, vložil kov, z ktorého sa vŕtala hlaveň, do drevenej skrine, naplnenej ľadovou vodou,

Page 5: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

85

ktorej sa tam vošlo vyše 13 kg. Hlaveň i piliny sa opäť zahrievali, a nielen to, i voda sa zahrie-

vala, a to tak silno, že po dva a pol hodine začala vrieť, čo spôsobilo veľké prekvapenie a údiv

všetkých prítomných. Zvlášť bolo nápadné to, že bolo možné vyvinúť ľubovoľné množstvo

tepla z jedinej látky, totiž z vŕtaného kovu. V skutočnosti, keď bola brúsiaci nástroj tupý, teda

neodpadávali žiadne piliny, kalorikum „neprestávalo tiecť“ z kovu. Naopak, kov sa ešte viac

zahrieval. Rumfordov záver bol, že mechanický pohyb brúsky sa premenil na teplo a teplo je

preto forma pohybu.

3. Porovnanie hmotnosti vody a ľadu, na ktorý sa premenila odvážená voda. Rumford

odvážil vodu v oboch skupenstvách – v kvapalnom a pevnom. Nezaregistroval žiadnu zmenu

hmotnosti ani s najpresnejšími váhami tej doby. Keďže voda stratila teplo pri zamŕzaní a naopak,

získala ho pri zahrievaní, ako to demonštroval Black, muselo mať kalorikum nulovú hmotnosť.

Fluidum s nulovou hmotnosťou bolo podozrivé a podkopalo teóriu kalorika.

4. Davyho experiment. Davy trel dva kusy ľadu pri udržaní systému na teplote 1 stupeň pod

teplotou mrazu. Podľa platnej teórie nebolo v celom systéme dostatok kalorika na roztopenie

ľadu, ale ľad sa predsa topil. Davy z toho vyvodil, že mechanický pohyb sa premenil na prácu.

Idea, že teplo je pohyb častíc, pochádza už od gréckych atomistov. Bola obnovená za čias

renesancie. Bacon povedal: „Teplo samo o sebe, jeho podstata, je pohyb a nič iné.“ Podobný

názor mali aj Hooke, Boyle a Newton. Ale nanešťastie sa táto dobrá teória dočasne zmenila

na koncept, v ktorom sa teplo predstavilo ako tepelné fluidum alebo kalorikum, ako ho nazvali

Lavoisier a ďalší francúzski vedci v roku 1787. Rumford zistil, že procesy produkujúce teplo

musia postulovať existenciu tepelného fluida v neobmedzených množstvách pri každom pohybe

s trením, samozrejme, ak platí teória kalorika. Sám povedal: „Zdá sa mi ťažké až nemožné,

vytvoriť nejaké rozumné vysvetlenie, že by sa niečo vhodné uvoľnilo a prenášalo inak ako

pohybom“ (Bührke 1999). Teória kalorika odumierala dlho. Počet vedcov, ktorí nechceli

vidieť teplo ako pohyb častíc, postupne klesal až do polovice 19. storočia. Táto situácia sa

však neodrazila v diele Encyclopedia Britannica (1860), kde bola mechanická teória tepla

odmietnutá ako hmlistá a neuspokojujúca.

Mechanický ekvivalent tepla je teória vytvorená v roku 1843, ktorá hovorí, že teplo a práca

sú ekvivalentné, až na konštantu A:

Q = A ·W

V roku 1854, študujúc práce Sadiho Carnota a Jamesa Joula, vyslovil nemecký fyzik Rudolf

Claussius definíciu mechanického ekvivalentu tepla: „Mechanická práca môže byť transformo-

vaná na teplo a spätne teplo na prácu, pričom veľkosť jednej veličiny je priamo úmerná druhej“.

Táto definícia je uvedená aj v internetovej kronike wikipedia.

Tiež na základe tepla vyprodukovaného trením, ale inou, presnejšou cestou našiel vzájomnú

súvislosť práce a tepla James Joule. Svoje merania vykonal na zariadení znázornenom na

Page 6: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

86

obr. 2, 3. Do kalorimetrickej valcovej nádoby vložil zvislý valcový hriadeľ H, na ktorom boli

pripevnené ploché lopatky v dvoch radoch nad sebou. Lopatky sa otáčali medzi priečkami

spojenými so stenami kalorimetra. V kalorimetri bolo určité množstvo vody M, do ktorej bol

vložený teplomer. Hriadeľ bol hore spojený so silnejším valcom V, na ktorom bola kľuka.

Spojenie medzi dvoma valcami bolo vypínateľné. Pokiaľ bol valec oddelený od lopatkového

kolesa, navinulo sa naň lano otáčaním kľuky. Lano viedlo cez kladku K a bolo zaťažené záva-

žím Z, ktoré bolo pred pokusom podopreté, a valec sa spojil s hriadeľom. Keď Joule uvoľnil

závažie, jeho pádom sa roztočil hriadeľ s lopatkami, ktoré sa treli o vodu, a tým ju zohrievali.

Závažie padalo až na ďalší zachytávač po dráhe s metrov. Joule zmeral túto dráhu a zistil,

o koľko stupňov sa zvýšila teplota vody v kalorimetri. Množstvo vyprodukovaného tepla trením

počítal Joule v kalóriách. Práca bola určená z hmotnosti závažia a dráhy jeho pádu. Meraním

a výpočtami zistil hodnotu vykonanej práce, ktorá pripadá na vyprodukované teplo 1 kalórie.

Z početných meraní vyšla hodnota blízka číslu 4,18 J vykonanej práce na 1 cal vyprodukova-

ného tepla. Táto hodnota sa blížila hodnote, ktorú teoreticky vypočítal Mayer. Táto hodnota bola

nazvaná mechanický ekvivalent tepla a stala sa jednou z najdôležitejších prírodných konštánt.

Obr. 2 Schéma Joulovho experimentu Obr. 3 Joulova aparatúra z roku 1845

V prílohách 1 a 2 uvádzame dva postupy, ktorými by sa žiaci formou aktivity mohli pre-

svedčiť o vzťahu medzi vykonanou prácou a teplom.

Našimi meraniami realizovanými postupom, ktorý je uvedený v pracovnom liste (príloha 1)

boli získané nasledovné hodnoty: (pozn. termočlánok je názov použitého senzora merania

teploty)

Page 7: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

87

Joulov pokus termočlánok

-50

0

50

100

150

200

0 10 20 30

teplo Q

pra

ca

W

LITERATÚRA:

PIŠÚT, J. a kol.: Fyzika pre 2. ročník gymnázií. Bratislava : SPN, 2005. s. 239. ISBN 80-10-00759-5.

MALÍŠEK, V.: Co víte o dějinách fyziky. Praha : Horizont. 1986

BÜHRKE T.: Prevratné objavy fyziky – Od Galileiho k Lise Meitnerovej. Praha : Academia, 1999.

http://en.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule

http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat

HELD., Ľ.: O zmysle historického učiva v projekte FAST. In: Zborník z konferencie FAST – DISCO. Bratislava :

MFF UK, R &D print, 1997.

JANOVIČ, V. – CHALUPKOVÁ, A. – LAPITKOVÁ, V.: Fyzika pre 9. ročník základných škôl. Bratislava : SPN,

2000. I. vyd., ISBN 80-08-03044-5.

KOLÁŘOVÁ, R.: Fyzika pre 8. ročník základnej školy. Bratislava: SPN, 1992. Študijná a pracovná časť. Prvé

vydanie. ISBN 80-04-25111-0.

MACHÁČEK, M.: Fyzika pre 8. ročník ZŠ. Bratislava : SPN, 1993. ISBN 80-04-25984-7. 1. vyd. s. 8, 43, 85.

POTTENGER III. F. M. a kol.: Prírodoveda FAST III. : Zmeny a čas. Bratislava : ŠPÚ, 1994.

ISBN 80-85756-21-8.

n t W Q

0 21,9 0 0 30 22,9 56,505 6 9,6 60 23,7 113,011 2 17,28 90 24,5 169,516 8 24,96

W = m ·g ·h Q = c ·m ·dt

W = 0,64·30·9,81·0,3 Q = 0,032·300·1

W = 56,5 J Q = 9,6 cal

Page 8: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

88

Príloha 1

PRACOVNÝ LIST – JOULOV POKUS

Problém

Môžeme premieňať prácu na teplo?

Pomôcky

• Plastová trubica izolovaná penou

• Dve gumené zátky

• Gumená zátka s otvorom pre teplomer

• senzor na meranie teploty

• Konzola IP Coach

• Asi 300 g olovených brokov

Obr. 1 Príprava experimentu

Postup

1. Vezmi 300 g olovených brokov a nasyp ich do trubice.

Otvorený koniec zatvor zátkou s teplomerom.

2. Trubicu, držiac ju iba za zátky, opatrne prevráť, počkaj asi

1 minútu a zmeraj počiatočnú teplotu olovených brokov.

3. Broky presyp na opačnú stranu trubice a zátku s teplome-

rom nahraď zátkou bez teplomera.

4. Chyť trubicu za zátky a otáčaj ju rýchlo hore a dole tak,

aby broky padali vždy priamo zvrchu na dno. Otoč tru-

bicu s brokmi 30 krát.

5. Po poslednom otočení rýchlo vymeň obyčajnú zátku za

zátku s teplomerom, ktorý predtým mierne zohreješ.

Obr. 2 usporiadanie experimentu

Page 9: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

89

6. Zaznamenaj teplotu, keď jej hodnota prestane klesať a meniť sa.

7. Zariadenie nechaj vychladnúť a opakuj meranie pre 60, 90, 120 otočení.

Úloha

Vypočítaj vykonanú prácu a prírastok tepla pre každé meranie. Získané hodnoty vynes do

grafu (x – teplo Q, y – práca W).

Vzťahy

W = m ·g ·h

Q = c ·m ·∆t

Tabuľka „vykonaná práca“

Číslo merania značka Pokus 1 Pokus 2 Pokus 3 Pokus 4

Hmotnosť brokov m [kg]

Dĺžka trubice l [m]

Počet otočení x [ ]

Vykonaná práca W [J]

g = 9,81 m·s−1

Tabuľka „prírastok tepla“

Číslo merania značka Pokus 1 Pokus 2 Pokus 3 Pokus 4

Hmotnosť brokov m [g]

Začiatočná teplota t [°C]

Konečná teplota t [°C]

Rozdiel teplôt ∆t [°C]

Prírastok tepla ∆Q [cal]

c = 0,032 cal/g.°C

odporúčame vypracovať graf závislosti vykonanej práce W a prijatého tepla Q. (pozn.)

Page 10: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

90

Príloha 2

PRACOVNÝ LIST – PRÁCA A TEPLO

V knihe F. W. Westaway: Objevy bez konce sa na strane 472 píše:

Jeden z Daltonových žáků, James Prescott Joule (1818 – 89), stanovil zásadu rovnomocnosti

tepla a práce. Táto zásada, známa jako první zákon tepelné dynamiky (pozn. dnes označovaný

ako I. termodynamický zákon), tvrdí, že když se věnuje práce na vytvoření tepla, množství

vykonané práce je v přímém poměru k množství vzbuzeného tepla a opačně, když se užije tepla

k nějaké práci, je množství tepla, jež zmizí, úměrné vykonané práci. Na teplo se takto hledí jako

na určitou formu energie.

Aktivita

Zrealizujte podľa návodu pokus s trubicou v ktorej sú olovené broky.

Presýpaním brokov v trubici by ste mali dokázať, že „množství vykonané práce je v přímém

poměru k množství vzbuzeného tepla“.

Odmerajte hodnoty potrebné na výpočet vykonanej práce a vyprodukovaného tepla. Pri-

pravte si prezentáciu o priebehu a výsledku meraní a výpočtov.

Problém

Dokážte, že medzi vykonanou prácou a vzniknutým teplom je vzťah.

Pomôcky

1 m dlhá trubica z plastu, 300 g olovených brokov, 3 ks gumených zátok, teplomer (tep-

lotný senzor).

Postup

a) Uzatvorte jeden koniec trubice zátkou, nasypte do nej broky a uzavrite druhou zátkou.

b) Do tretej zátky urobte otvor do ktorého dáte teplomer (teplotný senzor).

c) Pripravte si tabuľky na záznam údajov o vykonanej práci a vyprodukovanom teple.

Tabuľka 1 Údaje potrebné na výpočet vykonanej práce

Údaje Pokus 1 Pokus 2 Pokus 3

Hmotnosť brokov (kg)

Počet otoční trubice

Vykonaná práca (J)

Page 11: UPLATNENIE HISTORICKÝCH ASPEKTOV VO VYU ČOVANÍ FYZIKY · 2007-05-24 · Joulov pokus alebo parný stroj. Možno poveda ť, že v u čebniciach M. Machá čka majú historické

91

Tabuľka 2 Údaje potrebné na výpočet tepla

Údaje Pokus 1 Pokus 2 Pokus 3

Začiatočná teplota brokov (°C)

Konečná teplota brokov (°C)

Prírastok tepla (J)

a) Rozhodnite koľkokrát budete presýpať broky v trubici vertikálnym smerom a zaznačte si

počty do tabuľky.

b) Vykonajte presýpanie a vymeňte jednu zátku za zátku s teplomerom (senzorom). Odmerajte

teplotu a zaznačte do tabuľky.

Olovené broky

známej hmotnosti

d

c) Po každom meraní nechajte broky vychladnúť na izbovú teplotu.

d) Zistite si potrebné údaje a doplňte tabuľky výpočtami.

Zhrnutie

1. Potvrdil sa výrok o vykonanej práci a vzniknutým teplom uvedený na začiatku tejto state?

2. Chceli by ste zdvojnásobiť ∆t brokov, aké zmeny by ste urobili vo vašom pokuse?

3. Aké nepresnosti, chyby merania je potrebné brať do úvahy vo vašom pokuse.