Seznam experimentů

Následuje seznam standardizovaných úloh, které zařazujeme v rámci experimentálního odpoledne na soustředění. Vybraní účastníci nechť sami projeví svůj případný zájem o určité téma (příp. více) co nejdříve před soustředěním, abychom přivezli pomůcky (nemůžeme vozit vše a něco si musíme vypůjčit)! Jinak úlohy se pokoušíme střídat či vybíráme podle legendy. Pokud máte vlastní námět, příp. vybavení, dohodněte se nejlépe předem se správcem sekce. Jaké vybavení přitom můžou zajistit organizátoři, naleznete zde, ovšem vypůjčení některé pomůcky není obecně jisté! Pokud si přivezete vlastní počítač, neváhejte jej využít ke zpracování vaší úlohy a vybavte ho užitečným softwarem.

Zařazené úlohy na nejbližší akci jsou označeny (= přivezeme vybavení), můžete se alespoň částečně seznámit s náplní a rozmyslet si, na kterou se přihlásíte. Zpravidla každý si zkusí dvě úlohy a alespoň jednu úlohu typu G, F, K precizně vypracuje a spoluprezentuje. Měří se v týmech 1–6 osob asi dvě hodiny plus čas na zpracování a přípravu prezentace, každý tým si zvolí vedoucího, jenž je zodpovědný za zdárné splnění všech úkolů a rozděluje a koordinuje týmovou práci. Hodnocení obtížnosti je velmi subjektivní, vůbec ho neberte jako rozhodující stejně jako počet podúkolů (pracujete přece v týmu), naopak ho chápejte jako motivační! Celé experimentální odpoledne a konferenci vnímejte jako příležitost naučit se a objevit spoustu nového a užitečného! Přejeme vám mnoho zdaru v experimentování.

Za názvem každé úlohy je uvedeno v závorce:

obtížnost (trojciferné číslo – obtížnost teorie, provedení a zpracování): 1–3 … lehčí, středně těžká, náročnější
charakteristika úlohy
- M … součástí je vymyšlení vhodné metody měření.
- G … obsahuje grafické zpracování.
- F … obsahuje fitování teoretickou závislostí, příp. určení fyz. parametru.
- S … vhodné vyzkoušet si tvorbu skriptu pro gnuplot (automatizace měření).
- K … součástí je kalibrace měřidla (sestrojení kalibrační křivky).
- D … složitější diskuse a interpretace výsledků.
- V … úloha s přímým výpočtem výsledku.
- Q … úloha s kvalitativním pozorováním.
rok prvního měření

Mechanika a materiály

Youngův modul pružnosti v tahu metodou průvěsu závaží v polovině délky drátu (323 MGFS, jaro 2005). Podzim 2007 – náhradní úloha.

Připomeňte si Hookův zákon a rozborem geometrie pokusu (použijte dvě vhodné standardní aproximace) nalezněte závislost průvěsu drátu h na hmotnosti m zátěže v polovině jeho délky.
Postavte experiment a proměřte závislost h(m).
Navrhněte a proveďte vhodnou metodu ke změření průměru drátu.
Graficky zpracujte měření a proveďte vyhodnocení Youngova modulu pružnosti včetně experimentální chyby (napište skript pro gnuplot k vyhodnocení).
Diskutujte přesnost měření a určete materiál, z něhož je drát vyroben.

Setrvačník, torzní kyvadlo (322 [MK]GFS, v plánu).

Změřte moment setrvačnosti pro hlavní osu setrvačníku (např. metodou torzních kmitů).
Vyhodnoťte moment setrvačnosti včetně chyby měření.
Seznamte se s teorií těžkého setrvačníku, zejména s precesním pohybem a vztahem pro jeho periodu.
Navrhněte metodu ke změření úhlové rychlosti rotace, případně proveďte kalibraci měřidla a diskutujte její přesnost.
Studujte precesní pohyb, případně nutační pohyb a proveďte vhodné měření k ověření teorie (např. měření precesní periody).
Graficky zpracujte měření 1) a 5); pro potřebu úlohy 1) napište skript pro gnuplot.
Diskutujte přesnost měření.

BR-láhev a teplotní roztažnost (312 GFS[D], podzim 2006, zatím nefunguje).

Připomeňte si teorii difrakce a nalezněte polohy interferenčních minim/maxim při difrakci na štěrbině.
S využitím Bromovy-Ringelovy láhve proměřte teplotní dilataci drátu.
Měření zpracujte graficky a vyhodnoťte koeficient teplotní roztažnosti včetně exp. chyby (napište skript pro gnuplot k jejich vyhodnocení).
Diskutujte přesnost měření a výsledek porovnejte s tabelovanými hodnotami.

Vzduchovka a balistické kyvadlo (212 MGFS, stará opakovaná úloha). Podzim 2007 – hlavní úloha.

Navrhněte co nejpřesnější (!) metody měření rychlosti broku ze vzduchovky (implicitně alespoň pomocí zvukové karty PC) a vyzkoušejte je.
S využitím nejpřesnější metody proměřte závislost času potřebného k průletu určité dráhy brokem.
Graficky zpracujte měření a vyhodnoťte rychlost broku po opuštění hlavně, případně odpor vzduchu.
Najděte závislost amplitudy tlumených kmitů (max. výchylky) balistického kyvadla na čase (resp. periodě).
Realizujte měření rychlosti broku (po opuštění hlavně) pomocí balistického kyvadla.
Graficky zpracujte výsledky a vyhodnoťte tuto rychlost s chybou měření (napište skript pro gnuplot k jejich vyhodnocení).
Srovnejte výsledky metod a jejich přesnost.

Diamagnetická levitace (231 GQ, připravuje se).

Hydromechanika

Mariotteova láhev (připravuje se).

Akustika

Fresnelova čočka se zvukem (v plánu).

Nitkový mikrofon (K, ?, připravuje se).

Pythagorovův objev ladění – závislost frekvence na délce i napětí struny. (212 G[F]Q, podzim 2007). Podzim 2007 – hlavní úloha (kdo vezme kytaru?).

Řešte diferenciální rovnici pro kmity struny, najděte závislost frekvence kmitů na délce a napětí struny.
Naplánujte vhodná měření k ověření teorie a vyzkoušejte si měření frekvence s využitím mikrofonu, zvukové karty notebooku a freewaru Osciloskop včetně odhadu chyby měření. (Seznamte se se všemi funkcemi programu.)
Proveďte měření a data zpracujte graficky.
Diskutujte přesnost a kvalitativní poznatky z vašeho měření.
Programem osciloskop ve vhodném režimu zkoumejte lidský hlas (např. ženský vs. mužský, znělé a neznělé párové souhlásky), případně zvuk některých hudebních nástrojů, příp. jejich rezonanční dutiny, …
Pomocí programu osciloskop ve vhodném režimu studujte frekvence pěkných a nepěkných akordů – data zpracujte graficky.
Interpretujte poznatky z bodu 5) a 6) a vysvětlete pojmy tón, výška tónu, síla tónu, akord.

Elektro

Regulace napětí a VA charakteristika odhad Planckovy konstanty (112 GFS(K), podzim 2006). Podzim 2007 – náhradní úloha.

Připomeňte si pojem voltampérová charakteristika a načrtněte příklad pro rezistor, diodu a Zenerovu diodu, příp. další.
Proměřte volt-ampérové charakteristiky a) žárovky, b) LED diody (příp. s různými barvami), c) Zenerovy diody (v obou směrech).
Graficky zpracujte měření a vyhodnoťte (napište skript k vyhodnocení) Zenerova napětí.
Vysvětlete charakteristiku žárovky.
Vysvětlete princip usměrňování střídavého proudu (pro co nejhladší výstup) a načrtněte časovou závislost napětí na výstupu zdroje, jednocestného a dvoucestného usměrňovače a optimálního usměrňovače.
Body 2) a 5) demonstrujte na osciloskopu.
V případě měření 2-b) zkuste odhadnout velikost Planckovy konstanty a zhodnotit spolehlivost měření.

„Věčné světlo“ a měření C (211 GFS[D], podzim 2006). Podzim 2007 – náhradní úloha.

Vysvětlete princip „věčného světla“ a funkci jednotlivých součástek.
Řešte vybíjení kondenzátoru přes rezistor a najděte časovou závislost napětí na kondenzátoru.
Proměřte závislost napětí na kondenzátoru na čase při vybíjení přes odpor.
Graficky zpracujte měření a proveďte vyhodnocení (napište skript pro gnuplot k vyhodnocení) kapacity kondenzátoru.
Diskutujte výsledek a přesnost měření.

AKO jako zpožďovač (322 MGFK[D], podzim 2006). Podzim 2007 – náhradní úloha.

Vysvětlete princip funkce astabilního klopného obvodu a zkuste popsat jednotlivé fáze v rámci jedné periody.
Pokuste se najít teoretickou závislost periody překlápění na kapacitě a příp. i odporu.
Teorii z bodů 1) a 2) ověřte měřením (např. napětí mezi vhodnými uzly v závislosti na čase a fázi).
Proměřte závislost periody na kapacitě – zkonstruujte kalibrační křivku pro bod 5).
Diskutujte možnost a spolehlivost využití AKO jako zpožďovače.

Elmag. indukce s rotující cívkou (připravuje se).

Elektromotor a dynamo aneb Co je to jarlik? (222 MG[K]Q, jaro 2007).

Prozkoumejte jarlik a navrhněte vhodná měření ke zjištění jeho funkce.
Proveďte navržená měření (např. v závislosti na otáčkách – navrhněte metodu k jejich přesnému měření).
Pokud možno graficky zpracujte změřená data.
Zodpovězte otázku, co je to jarlik a k čemu slouží.

Vysoké napětí a blesky (v plánu)

Vysvětlete princip generace vysokého napětí, odhadněte jeho velikost.
Proměřte závislost min. zápalného napětí (pro výboj) na vzdálenosti elektrod.
Graficky zpracujte měření.
Můžete prozkoumat a proměřit samovybíjení nabité soustavy.
Diskutujte výsledky měření a další podstatné okolnosti pro výboj ve vzduchu.

Teplotní závislost odporu – měření spotřeby tepla (připravuje se)

Elektrochemie

Přírodní zdroje elektrického napětí – charakteristika zdroje (112 G, jaro 2007).

Elektrolýza a výroba H₂ (připravuje se).

Termo-magneto-elektrické jevy

Termočlánek a měření vysokých teplot (212 MGFKV, podzim 2007). Podzim 2007 – hlavní úloha.

Seznamte se s potřebnou teorií termoelektrických jevů a vysvětlete měření teploty pomocí termočlánku.
Navrhněte teplotní standardy vhodné ke kalibraci termočlánku (aspoň tři) a tuto kalibraci proveďte.
Sestrojte kalibrační křivku (a příslušnou funkční závislost), pokuste se diskutovat přesnost této metody měření teploty.
Pomocí připraveného termočlánku změřte vybrané vysoké teploty (teplota rozpálené žárovky, teplota plamene svíčky, ohně, zapalovače, kahanu, …).
Odhadněte chybu měření a srovnejte výsledky vašeho měření s literaturou.
Navrhněte jiné metody (fyzikální principy) k měření vysokých teplot.

Peltierův článek (připravuje se).

Hallova sonda a měření magnetického pole (v plánu).

Optika a optoelektronika

Difrakční spektrometr (311 [K]VQ, stará opakovaná úloha). Podzim 2007 – doplňková úloha.

Připomeňte si teorii difrakce a aplikujte ji na FYKOSí CD-spektrometr, tj. vysvětlete stupnici na spektrometru a převodní vztah na vlnovou délku z odečteného údaje.
Pomocí laserového paprsku o známé vlnové délce určete mřížkovou konstantu včetně chyby měření; porovnejte ji se standardní hodnotou.
Pozorujte vybraná spektra (žárovka, doutnavka, výbojky, úsporná žárovka, UV zářivka, horské sluníčko, …), případně určete vlnové délky čar nebo konců viditelných pásů.
Spektrum doutnavky zpracujte graficky, čáry znázorněte pomocí Lorenzovy křivky (velikosti maxim odhadněte).
Podle možností spektru přiřaďte prvek (resp. vysvětlete je – zejména spektrum žárovky, určité výbojky apod.).

Ohnisková vzdálenost čoček (222 [M]GFSK, podzim 2007). Podzim 2007 – hlavní úloha.

Připomeňte co nejvíce metod k určení ohniskové délky (spojné) čočky.
Správně kalibrujte mikrometrický posun pro laser / optický prvek.
Řešením geometrie (refrakce/odraz laserového paprsku na daném optickém prvku – čočka či zrcadlo) najděte polohu stopy na stínítku po refrakci/odrazu jako funkci ohniskové dálky a místa dopadu paprsku na prvek.
Změřte několik bodů funkce z 3) ke stanovení ohniskové dálky.
Měření zpracujte graficky s cílem určit ohniskovou vzdálenost optického prvku samozřejmě i s chybou měření (můžete napsat užitečný skript pro gnuplot).
Můžete vyzkoušet jiné navržené a proveditelné metody a výsledky srovnat včetně přesnosti metod.
Diskutujte přesnost metody – proveďte odhad reálné velikosti chyby.
Případné odchylky v grafickém zpracování správně zdůvodněte.

Skleněný hranol – měření indexu lomu (223 MGF[S]V, podzim 2007). Podzim 2007 – hlavní úloha.

Navrhněte vhodné a co nejpřesnější metody ke stanovení lámavých úhlů předloženého hranolu a indexu lomu skla, snažte se v nich využít grafické zpracování.
Zpracujte geometrii konkrétního problému a najděte potřebné vztahy.
Proveďte měření a jeho zpracování, pokuste se automatizovat metodu přípravou skriptu pro gnuplot.
Vyhodnoťte chybu měření a diskutujte přesnost metody.
Seznamte se s metodou minimální deviace paprsku po průchodu hranolem (se známými lámavými úhly) a určete index lomu jeho skla včetně experimentální chyby.

Polarizace světla a měření optické aktivity (121 GFQ, ?).

Měření a ovlivnění polarizačního stavu (v plánu).

Difrakce na štěrbině, měření malých rozměrů, měření Planckovy konstanty a ověření relací neurčitosti, piezoelektricky ovládaná štěrbina (v plánu).

Studium laserů a koherence (v plánu).

Není-li uvedeno jinak, autorem původního (modifikovaného) standardu úlohy je P. Brom. Seznam úloh se průběžně doplňuje, jak se vymýšlejí nové náměty či získají užitečné pomůcky.