KÍSÉRLETEK A FIZIKATÁBORBAN EXPERIMENTS IN PHYSICS CAMP Izsa Éva 1,Baranyai Klára 2, 1 Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest 2 Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS A Berzsenyi Dániel Gimnázium fizika tehetséggondozó tábort szervezett Ipolydamásdon a tanév végén. A táborra a gyerekek a tanév folyamán 2-3 fős csoportokban kísérletekkel készültek. Az önképzőköri csoportok munkáját a tanáraikkal való konzultáció segítette. A táborban a csoportok bemutatták egymásnak a kísérleteket, a hozzájuk kapcsolódó méréseket. A cikkben a táborban bemutatott nyolc téma közül négyet ismertetünk. BEVEZETÉS A Berzsenyi Dániel Gimnáziumban működő fizikatagozatra járó gyerekek szívesen foglalkoznak fizikával a tanórán kívül is. Ezért szerveztünk számukra önképzőkört, illetve önképzőköri tábort. A program egy pályázat kapcsán a tanév utolsó hónapjaiban indult. Az önképzőkörre jelentkező gyerekek két-három fős csoportokban dolgoztak különböző témákon. A tanév végén tábort szerveztünk a programban részt vevő gyerekeknek. Itt megmutatták egymásnak, hogy mivel foglalkoztak, ismertették, hogy mit tanultak az elmúlt időszakban, bemutatták a kísérleteiket, méréseiket, egymást tanították. A témák kiválasztása általában a tanárok ajánlásával történt. Törekedtünk arra, hogy olyan témákat találjunk, amelyek számunkra is újak, izgalmasak, tanulságosak. Lehetőleg a fizikaórán tanultakhoz kapcsolódó, de azon túlmutató problémákat, kísérleteket kerestünk. A tábori programot közös kirándulás, csillagászati megfigyelések is színesítették. A programban 28 tanuló vett részt, a munkát négy tanár segítette. A TÉMAVÁLASZTÁS A csoportok egy része cikkeket kapott a Quantum [1] című, az Amerikai Egyesült Államokban megjelent, angol nyelvű folyóiratból. A folyóirat részben az orosz Kvant fordítása. A Quantumban szereplő cikkek tartalma általában megérthető a középiskolás fizikatudás alapján, de a teljes megértés elmélyülést, erőfeszítést igényel. A folyóirat állandó rovata az In the Lab könnyen elvégezhető kísérleteket és méréseket mutat be. Innen választottuk ki az első két témát: a vízen lebegő rézlemez és a felülről fűtött folyadékok vizsgálatát. A másik két témán olyan gyerekek dolgoztak, akik nagyon lelkes eszközépítők. Az ő témáikat a 2011-ben Sárospatakon megrendezett Fizikatanári Ankét ihlette. Itt láthattuk az egyszerű eszközökből megépíthető ködkamrát, az olcsó alkatrészekből, egyszerűen megépíthető stroboszkópot. 404
VÍZEN LEBEGŐ RÉZLEMEZ [2] 1. ábra Víz felszínén lebegő rézlemez 1 mm vastag rézlemezből vágjunk ki körülbelül 10 cm átmérőjű korongot, a korong közepére kalapáljunk egy kis mélyedést! Helyezzük a rézkorongot a mosogató medencéjébe a víz felszínére, miközben a csapból függőlegesen vízsugár folyik rá, amely középen, a bemélyedésnél éri el a korongot (1. ábra). A rézlemez nem süllyed el, fennmarad a felszínen, pedig biztosan nagyobb a sűrűsége, mint a vízé, ráadásul a becsapódó vízsugár nem elhanyagolható nagyságú erővel lefelé nyomja a korongot. Erre nem lehet a felületi feszültség a magyarázat, az itt ellensúlyozandó erők ehhez túlzottan nagyok. A magyarázatot a Bernoulli-törvény szolgáltatja: a csapból érkező és a lemezre csapódó vízsugár szétterül, és sugárirányban nagy sebességgel, vékony réteget képezve folyik tovább. A nagy sebességű áramlás következtében lecsökken a nyomás, jóval alacsonyabb lesz, mint a rézlemez alatt. Így a nyomáskülönbségből származó erő elegendően nagy lesz ahhoz, hogy a korongot a víz tetején megtartsa. Ha elzárjuk a csapot, a korong azonnal lesüllyed. FELÜLRŐL FŰTÖTT FOLYADÉKOK [3] A tavakat, tengereket többnyire a Nap sugárzása melegíti felülről. A felső réteg felmelegszik, a sűrűsége lecsökken, és mivel a nagyobb sűrűségű réteg alul helyezkedik el, a sűrűségkülönbség nem indít konvekciót a folyadékban. Érdekes megfigyelni, hogy hogyan alakulnak a hőmérsékleti viszonyok a felülről fűtött folyadékokban. Ilyen felülről fűtött folyadék egy nagy uborkásüveg víz, amelyet közvetlenül a felszín alatt egy merülőforralóval melegítünk (2. ábra). 2. ábra Merülőforralóval felülről melegített víz a festék becseppentése előtt (bal oldalon) és után (jobb oldalon) 405
Amikor a víz a merülőforraló körül elkezd forrni, cseppentsünk egy kis ételfestéket a vízbe! Meglepve tapasztalhatjuk, hogy a festéket az áramlások eloszlatják, de csak a folyadék felső régiójában, melyet éles határvonal választ el az alsó, festetlen, az áramlásokban részt nem vevő víztömegtől. A hőmérsékletet megmérve a határfelület két oldalán 40-50 C különbséget is tapasztalhatunk. Ahogy a víztömeg melegszik, az áramlás egyre nagyobb víztömeget mozgat meg, a határvonal lefelé húzódik. A határvonal sebessége az idő múlásával csökken, végül nullává válik, amikor a veszteségek fedezéséhez szükséges teljesítmény a felvett hőteljesítménnyel megegyezik. 600 W teljesítményű merülőforralót használva a teljes uborkásüveget át tudtuk melegíteni, a határvonal egyenletesen süllyedt (3. ábra). A határvonal helyzetét az üveg mellé állított vonalzóról könnyen leolvashatjuk. A határvonal süllyedése nagy fűtőteljesítmény mellett A határvonal süllyedése alacsony fűtőteljesítmény mellett A meleg réteg vastagsága (cm) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 Idő (perc) A meleg réteg vastagsága (cm) 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 Idő (perc) 3. ábra. A meleg tartomány vastagságának növekedése az idő függvényében bal oldalon nagy, jobb oldalon kis teljesítményű merülőforralóval. Alacsonyabb teljesítményű forralóval jól látszik a sebesség csökkenése az idő előrehaladtával. STROBOSZKÓP A mintául szolgáló stroboszkópot a sárospataki Fizikatanári Ankéton mutatta be ifj. Zátonyi Sándor tanár úr. A gyerekek megkapták a kapcsolási rajzot és a leírást. Az ő feladatuk volt az alkatrészek összegyűjtése, megvásárlása és a lámpák megépítése. Két változatnak futottak neki. Az első lámpa állandó 50 Hz-es frekvenciával működik hálózati feszültségről. A másik egy számítógép párhuzamos portján keresztül kapja az 5 V-os feszültségjeleket, amelyek frekvenciája és kitöltési tényezője a gépen futó, Zátonyi kolléga által fejlesztett, honlapjáról letölthető programmal vezérelhető. Egyik lámpa sem a kapott minta szolgai másolása lett. A gyerekek kreativitását jelzi, hogy bátran hozzá mertek nyúlni a kapcsolási rajzokhoz, és a nekik nem tetsző vagy nehezen megoldható részeket saját megoldásokkal váltották ki. A belső részeket a tartódoboz falához csavarozott bakokra rögzítették. Ugyanígy oldották meg a LED-lámpa foglalatát is, miközben magát a lámpatestet is a dobozba süllyesztették. Ezekkel a lépésekkel nagyban növelték a lámpák stabilitását, strapabírását. Változtattak az áramellátáson is. Találtak az interneten egy olyan transzformátort, ami a lámpához tökéletes feszültségre alakította a hálózati feszültséget, és súlyával, méretével a doboz stabilitását is növelte. A másik lámpához pedig egyikőjük egy otthoni telefontöltőt hozott, ezt a lámpához építették, így feleslegessé vált a drága elemek használata. Tehát ez a lámpa is közvetlenül a hálózatról üzemeltethetővé vált. A projektben a legnagyobb problémát 406
a számítógép jelentette. Nehezen és sokára találtunk olyan régi és még működő számítógépet, aminek volt párhuzamos portja. Így maga a számítógépről való vezérlés készült el utoljára, és az a feladat, hogy a már tökéletesen működő lámpákhoz kísérletsorozatokat tervezzenek és mutassanak be a diákok, az új tanév feladatává vált. 4. ábra. Az 50 Hz-es stroboszkóp belseje. 5. ábra. Az 50 Hz-es stroboszkóp kívülről KÖDKAMRA Az ötletgazda Sebestyén Zoltán tanár úr volt, az eredeti ködkamrát szintén a Fizikatanári Ankéton mutatta be. Mivel a modern fizika, a sugárzások mindig is érdekelték, érdeklik a középiskolásokat, ezért választottuk ezt a feladatot a következő csapatnak. Kiindulásul ők is megkapták a ködkamra interneten megtalálható leírását. Nehezebb feladatuk volt több okból is. Nekik az elméleti háttérből is fel kellett készülniük, utána kellett járni a sugárzásoknak, a ködkamra működési elvének. Bonyolította a dolgot, hogy az eredeti változatban a kamrát adó salátás tányér már évek óta fellelhetetlen volt. A gyerekeknek meg kellett találni azokat az eszközöket, amiknek a belső geometriája megfelelő lett az adott elven működő kamrához. A próbálkozás több délutánba és számtalan ötletbe, edény- és dobozhegyekbe került. Hol a kamra hűtése nem volt megfelelő, hol a falak voltak vastagok vagy átlátszatlanok. A kudarcok miatt a tanulók utána néztek más, pl. a Peltier-hűtéssel működő ködkamrának is, míg végül megtalálták azt az összeállítást, ami teljes sikerre vezetett. Fagylalttortás kerek hungarocell dobozba tették a szárazjeget, erre egy olyan IKEA-ban kapható félgömb alakú üvegtálat borítottak, amit előtte lefedtek egy spray-el feketére festett alufóliával. Az eredeti leírás alapján a szükséges egyéb alkatrészeket tál lezárása előtt elhelyezték a fólián. Azt a délutánt, amikor a sokadik megépített kamra végül működni kezdett, és ontotta a láthatóvá tett sugárzásnyomokat, nem fogjuk elfelejteni! A kamra kimutatja a természetes háttérsugárzást is, de hogy igazán látványossá tegyük, a táborozáskor kaptunk egy igazi sugárforrást. A projektnek a ködkamrán kívül lett még egy szerencsés hozadéka. Mivel a kamra nélkülözhetetlen eszköze a szárazjég, gyerekeink felkutatták az iskolánkhoz legközelebb eső hivatalos szárazjég-forgalmazót, ahol azóta már törzsvásárlók lettünk. Így valamilyen formában az iskola minden tanulója részesült az eredményekből. Kevés olyan osztályunk akad az iskolában, ahol fizika órán ne használtunk volna el tanulói vagy tanári kísérletekre néhány kilogrammnyi szárazjeget. 407
6. ábra. A ködkamra 7. ábra. A látható sugárzás A projektek a tanév végével nem zárultak le, reményeink szerint a csoportokban a munka tovább folyik a következő tanévben is. IRODALOMJEGYZÉK 1. http://www.nsta.org/quantum/backgrnd.asp 2. Luzin A.: An unsinkable disk, Quantum, 42. o. 1999. Július/Augusztus 3. Pentegov V.: Heating water from the top, Quantum, 41. o., 1999. November/December 4. http://www.fizkapu.hu/fiztan/toltes/t_0029.html 5. http://indico.cern.ch/getfile.py/access?contribid=25&resid=3&materialid=slides& confid=126731 408