Podczas warsztatów prowadzonych przez nas na XXIV Zjeździe PSNPP nt. „Wyzwania współczesnej energetyki”, który odbył się 25-27 sierpnia 2017 roku w Opolu zaprezentowałyśmy wybrane doświadczenia pochodzące z realizowanego przez nas w latach 2013 – 2015 (w Centrum Nauk Przyrodniczych w PG 6 w Opolu) w ramach polsko-czeskiego projektu „Doświadczenia ponad granicami” („Pokusy přes hranici”). Projekt ten opracowały: Aleksandra Opaska , Vera Pejčochová i Krystyna Raczkowska-Tomczak. Każda z nas zaproponowała i opisała najciekawsze doświadczenia, które wykonywały zespoły uczniów uczestniczących w projekcie zarówno w Czechach jak i w Polsce. Wybrałyśmy mniej znane, a zdaniem uczniów najciekawsze doświadczenia. Eksperymenty pochodziły z różnych działów fizyki. Uczestnicy projektu pracowali samodzielnie lub w grupach, wykorzystując materiały i przedmioty codziennego użytku.
Najciekawsze doświadczenia prezentowałyśmy wspólnie w naszych krajach i szkołach: Hradec Kralove 30.08 -1.09.2013, Vlachovice 16 – 19.10. 2013, Opole 18 – 20.02. 2014, Opole 24 – 28.10.2014, Brno 21-23. 06.2015 i Praga 28 – 30.08.2015.
„Energia w w eksperymentach i zabawkach” jest jednym z takich tematów.
Wirniczek
Materiały: papier (80 g) , spinacz biurowy, linijka i nożyczki
- Na papierze narysuj prostokąt o wymiarach 12,5 cm x 3 cm.
- Podziel go na trzy części tak jak pokazane jest to na rysunku.
3. Wytnij prostokąt nożyczkami i rozetnij wzdłuż linii, przy których narysowane są nożyczki.
4. Rozcięte części z lewej i prawej strony złącz ze sobą biurowym spinaczem.
5. Puść wirniczek (spinaczem do dołu) z jak największej, ale bezpiecznej dla Ciebie wysokości i obserwuj jak zaczyna wirować.
Wirniczek spada na Ziemię, ponieważ działa na niego siła grawitacji. Siła oporu powietrza skierowana przeciwnie do siły grawitacji naciska na wygięte części wirniczka przypominające śmigła i wirniczek wiruje wokół własnej osi.
Uwaga: Wszystkie szablony możemy przygotować na matematyce.
Wirujące koło
Materiały: papier (160 g) , pinezka, linijka, cyrkiel lub załączony szablon, nożyczki, kawałeczek plastikowej rurki
- Na papierze (160 g) narysuj wirujące koło zgodnie z rys.1, lub skorzystaj z przygotowanego przez nas szablonu rys.2.
2. Rozetnij skrzydełka i odegnij je do góry, a następnie od dołu przebij pineską w miejscu czarnej kropki.
3. Na wystające ostrze pinezki nałóż kawałeczek plastikowej cienkiej rurki.
4. Połóż wirujące koło na blacie stołu i dmuchaj na nie z góry.
Zobacz jak się zachowuje?
Wyjaśnienie: Wydmuchiwana struga powietrza uderza w łopatki koła, wprawiając je w ruch. Koło wiruje długo, ponieważ jego kształt, gładka powierzchnia pinezki stykająca się w jednym punkcie z blatem stołu oraz warstwa powietrza pod kołem zmniejszają tarcie.
Wiatraczek
Materiały: papier (160 g) , korek (przecięty na dwie części) , szaszłykowy patyczek, pineska, kawałek rurki do napojów i nożyczki
1. Poskładaj wszystkie elementy zgodnie ze zdjęciem i spróbuj wprawić wiatrak w ruch, trzymając go poziomo:
a. za patyk
b. za rurkę nałożoną na patyk
Gwizdek
Materiały: Metalowe wieczko ze słoika typu twist albo puszka po napojach, nożyczki.
- Z kawałka blaszki wycinamy element w kształcie litery L, o szerokości 10 mm. Długość krótszego boku wynosi: 30 mm, a dłuższego 50 mm (40 mm).
- Krótsze ramię zginamy dwukrotnie, żeby powstała szczelina, a dłuższy wyginamy tak jak pokazano na rysunku.
3. Aby gwizdek działał przykładamy palce z boku wygiętej blaszki i mocno dmuchamy w ustnik.
Wyjaśnienie: Wdmuchiwane do gwizdka powietrze drga i staje się źródłem dźwięku. Od długości dłuższej części litery L, czyli rozmiarów komory rezonansowej zależy wysokość dźwięku.
Uwagi: Jeśli gwizdek nie działa należy sprawdzić czy:
- opuszki palców dokładnie przylegają do boków gwizdka,
- ustnik, do którego dmuchasz nie jest zbyt mały (można bardziej ścisnąć lub jeśli blaszki zbyt do siebie przylegają, rozszerzyć igłą)
- koniec zagiętej części „L“ nie znajduje się niżej niż ustnik, do którego dmuchasz.
Trąba słonia – wita…
Materiały: 2 dwie rurki do picia napojów, gumka, koraliki i nożyczki.
1. Koniec jednej z rurek nacinamy nożyczkami i łączymy ze sobą, tak jak pokazuje rysunek. To jest nasza trąba słonia.
2. Zgięty koniec rurki z nawiniętą gumką wkładamy do ust. Drugi koniec obracamy w stronę naszego ciała. Wdmuchiwane w rurki powietrze sprawia, że podnoszą się one jak trąba słonia.
3. Następnie dolny koniec rurki obracamy o 90o względem naszego ciała, tak jak pokazuje rysunek. Na zgięty koniec rurki dodatkowo nakładamy koralik, ponownie nawijamy gumkę i wkładamy do ust. Trzymając za koralik, dmuchamy w rurki, które tym razem będą się obracać.
Wyjaśnienie: Do wyjaśnienia tego doświadczenia wykorzystujemy III zasadę dynamiki Newtona – prawo akcji i reakcji. Powietrze z rurki ucieka w jedną stronę, a układ wykonany ze słomek porusza się w drugą stronę.
Proste rakiety napędzane powietrzem
Materiały: plastikowa 2l butelka, przewód paliwowy lub wąż ogrodowy 35 – 40 cm, rurka PCV o średnicy 2cm i długości ok. 30 cm, taśma klejąca, kartka A 4, karton o 160 lub 250g/m2 na stateczniki rakiety.
Przygotowanie rakiety: Papier A 4 nawijamy na plastikową rurkę i sklejamy taśmą klejącą. Tak wykonana rolka z papieru tworzy rakietę. Jeden koniec rolki ściskamy i owijamy taśmą klejącą, w taki sposób, żeby powstał czubek rakiety. Do drugiego końca doklejamy stateczniki wykonane z grubszego papieru.
Przygotowanie urządzenia rozruchowego rakiety: Plastikowy przewód paliwowy z jednej strony wkładamy do butelki, a z drugiej do rurki PCV. Wszystkie łączenia uszczelniamy taśmą klejącą.
Start rakiety: Rakietę nakładamy na rurkę z PCV przymocowaną do przewodu paliwowego. Plastikową butelkę kładziemy na ziemi. Rakietę ustawiamy pod kątem 45o. Następnie gwałtownie wskakujemy na plastikową butelkę. Sprężone powietrze wprawia rakietę w ruch. Zasięg takiej rakiety może wynosić ok. 40-50m. Żeby wystrzelić następną rakietę musimy wdmuchać powietrze do odkształconej butelki. Jeśli butelka pęknie to można ją szybko wymienić na nową.
Uwaga: Przewód paliwowy lub wąż ogrodowy sklejamy trwale z rurą PCV. Drugi koniec węża możemy włożyć w otwór wywiercony w zakrętce butelki. Takie rozwiązanie pozwoli na szybką wymianę butelki, w razie jej zużycia.
Otwór w zakrętce musi mieć średnicę nieco mniejszą od węża. Wąż łatwo umieścić w zakrętce jeśli go wcześniej włożymy do wrzącej wody.
Skaczący sześcian
Materiały: szablon sześcianu (wykonany z kartonu 160), klej, gumka, nożyczki, igła z dużym uchem.
1. Wycinamy szablon sześcianu i zaginamy wzdłuż przerywanych linii. W zaznaczonych miejscach robimy, igłą na wylot 4 dziurki.
2. Sklejamy sześcian wykorzystując zakładki. Nawlekamy igłę gumką i od zewnętrznej strony przewlekamy gumkę przez wczęśniej przygotowane dziurki. Następnie końce gumki zawiązujemy.
Sześcian możesz wykorzystać jako zaskakującą zabawkę dla przyjaciela:
1. Składamy płasko kostkę i umieszczamy ją w książce. Gdy książkę otwieramy, kostka przyjmuje pierwotny kształt.
2. Złożone na płasko kostki możemy włożyć do pudełka z wieczkiem. Po otwarciu pokrywy tego pudełka umieszczone w niej spłaszczone kostki wyskakują.
Wyjaśnienie: Korzystając z tej zabawki możemy wyjaśnić zagadnienia związane z pracą mechaniczną, energią sprężystości przemianą energii.
Koło zamachowe ze sklejonych kulek
Materiały: 4 szklane kulki jednakowej wielkości, pistolet do kleju, lub („sekundowy“ klej)
1. Sklejamy ze sobą najpierw trzy kulki, potem doklejamy na górę czwartą. Całość musi się dobrze skleić.
2. Tak przygotowaną pomoc rozkręcamy.
Uwagi:
Możemy
1. zrobić konkurs na najdłuższe wirowanie naszego koła zamachowego.
2. mierzyć czas wirowania (dotychczasowy rekord wynosi – 39 s)
3. wykonać kilka pomiarów i obliczyć średni czas obrotu.
Elektryczne obwody z przewodzącym ciastem
a. Przygotowanie ciasta przewodzącego elektryczność
Składniki: 230 ml wody, 160 g mąki, 160 g soli, 2 pełne łyżki octu, 1 łyżka roślinnego oleju, barwnik spożywczy, mały garnek, drewniana łyżka, łyżka do zupy, deska do krojenia i kuchenka gazowa lub elektryczna.
Wykonanie: Wodę z solą doprowadzamy w ganku do wrzenia i gotujemy tak długo, dopóki sól się nie rozpuści. Zmniejszamy ogień, dodajemy pozostałe składniki, nieprzerwanie mieszając, aż powstaną „bąble“. Garnek zdejmujemy z palnika, ciasto przekładamy na deskę do krojenia posypaną mąką ciągle mieszając, aż zgęstnieje. Możemy dodać do ciasta barwnik spożywczy.
Ciasto wkładamy od hermetycznego naczynia lub plastikowego worka. W plastikowym worku pojawi się woda. Po wyjęciu z worka ciasto należy rozmieszać i będzie jak „nowe“. Ciasto przechowywane w lodówce utrzymuje świeżość nawet do dwóch miesięcy.
b. Przygotowanie ciasta nieprzewodzącego elektryczności
Składniki: 1 ½ szklanki mąki, ½ szklanki cukru, 3 łyżki roślinnego oleju, ½ szklanki destylowanej wody, miska, drewniana łyżka, deska do krojenia.
Wykonanie: W misce zmieszać cukier z mąką. (pozostawiamy ok. ½ szklanki mąki, którą dodajemy na końcu). Następnie wlewamy olej i po łyżce destylowanej wody. Wyrabiamy wszystko do uzyskania gładkiego ciasta. W razie potrzeby możemy dodać trochę wody lub mąki.
Nieprzewodzącego ciasto nie musimy wykonywać chyba, że chcemy pokazać specjalne doświadczenia np. z „nieprzewodzącymi figurkami“, zrobionymi przez uczniów.
c) Montaż obwodów elektrycznych
Potrzebne: Przewody elektryczne, baterie 4,5V lub 9V, różne diody LED, brzęczek, silniczek, nóż, drewniana lub kartonowa podkładka.
1. Prosty obwód elektryczny z jedną diodą LED
2. Szeregowe połączenie 2 diod LED
3. Elektryczny obwód z diodą LED i otwartym wyłącznikiem
4. Elektryczny obwód z dzwonkiem
5. Równoległe połączenie trzech diod LED
6. Równoległe połączenie 2 diod LED z otwartym wyłącznikiem
7. Inne wersje równoległego połączenia 3 diod
8. Obwód z silniczkiem elektrycznym
Możemy z uczniami wymyślać inne połączenia, z wykorzystaniem nieprzewodzącego ciasta.
Prosty silnik elektryczny
Materiały: bateria 1,5 (duży paluszek) AA, 2 duże agrafki, magnes neodymowy w kształcie walca, cienki, izolowany miedziany drut o średnicy ok. 0,5 mm i długości ok. 25cm, taśma izolacyjna, nożyczki
Przygotowanie cewki:
Miedziany drut nawijamy na baterię ok. 3 razy, pozostawiając końce o długości ok. 4 cm. Tak wykonaną cewkę zdejmujemy ostrożnie z baterii, a druty prostujemy tworząc oś obrotu, tak jak pokazuje rysunek. Nożyczkami ściągamy ostrożnie izolację z drutu (z jednej strony z całego drutu, z drugiej z połowy obwodu drutu).
Montaż silnika elektrycznego:
Oba końce agrafek zwrócone „oczkami“ do góry przymocowujemy taśmą do baterii. Końce cewki umieszczamy w oczkach agrafek. Pod cewką na baterii kładziemy neodymowy magnes. Cewka zaczyna się obracać.
Jeśli się nie obraca, musimy delikatnie nią wstrząsnąć.
Wyjaśnienie:
Przepływający przez cewkę prąd ektryczny indukuje wokół niej pole magnetyczne. Cewka obraca się ze względu na wzajemne działanie pola magnetycznego cewki i pola magnetycznego magnesu neodymowego. Funkcję „komutatora” pełni oś cewki, z której została zdarta izolacja.
Uwaga: Jeśli występują problemy z rotacją, spróbuj:
1. lepiej zedrzeć izolację z końcówek cewki;
2. sprawdzić styki między agrafką, a baterią, aby mieć pewność, że przez cewkę płynie prąd elektryczny;
3. wzmocnić pole magnetyczne poprzez dodanie dodatkowej „pastylki“ neodymowej lub ferrytowej;
4. zmniejszyć odstęp między magnesem a cewką;
5. zmniejszyć masę cewki poprzez zmniejszenie liczby zwojów.
Przykład silnika z magnesem ferrytowym. (Do produkcji cewki użyto cieńszego, miedzianego drutu).
Świecąca bransoletka
Materiały: pasek taśmy o szerokości 3 cm i długości równej obwodowi ręki ok.25 cm), bateria „pastylka“- CR2032 3V litowa, uchwyt na baterie CH25-2032, srebrny (nieopalony), dioda LED 5 mm, obudowa LED 5 mm LDC500, cienki drut ze stali nierdzewnej (0,16 mm lub 0,2 mm), zatrzaska, nici, igła, mała świeczka, nożyczki, ozdoby (kwiatki, serduszka itp, kolorowy brokat), pistolet do kleju.
1. Odetnij kawałek taśmy równy obwodowi ręki, doliczając 1,5 cm na zakładkę i umieść odcięte końcówki w płomieniu świecy, żeby się nie strzępiły.
2. Na końcach taśmy przyszyj zartrzaski, które będą zapięciem bransoletki.
3. Umieść w kwiatku diodę LED, a potem przełóż jej końcówki przez pasek i przyklej wykorzystując specjalny pistolet do kleju. Następnie umieść pozostałe elementy na tylnej stronie tkaniny tak, jak pokazano na zdjęciu. Wszystkie elementy połącz cienkim drutem, przewlekając go przez nitki taśmy.
4. Podczas łączenia pamiętaj, że długie nóżki diody muszą być przymocowane do dodatniego bieguna baterii.
Wariant 1.
Wariant 2.
Wyjaśnienie:
Jeśli zapniemy zatrzaskę, to zamkniemy obwód elektryczny i dioda LED zaświeci się. Zatrzaska pełni rolę wyłącznika.
Migacz z diody LED (Blik LED)
Materiały: migająca dioda LED 5 mm, klips na baterię 9V BS-IC, przełącznik SS-12F51-G6, bateria 9V, lutownica, kostki elektryczne, służące do łączenia przewodów.
a) Przygotowanie elementów
1. Odetnij trzy kostki z bloku zacisków.
2. Skróć nóżki diody LED (zostawiając (+) dłuższy).
3. Skróć przewody klipsa i ściągnij z ich końcówek izolację.
4. Odcięte przewody z klipsa przylutuj do przełącznika.
b) Montowanie migacza. Tak przygotowane elementy włóż do otworów w kostce zaciskowej i dokręć śruby, zgodnie ze przedstawionym schematem i zdjęciami.
c) Połączenie migacza z baterią.
Użyj klipsa, aby zamocować migającą diodę do 9 V baterii. Włącz przełącznik, a dioda LED zacznie migać.
Bibliografia
[1]. http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/20-22-Pejcochova.html (Pejčochová V., Raczkowska-Tomczak K., Opaska A.)
[2]. https://katedry.ped.muni.cz/vnuf21/wp-content/uploads/sites/35/2017/02/sbornikvnuf21.pdf
(Pejcochova,V., Nováková,D. a kol. Střípky z novolíšeňského Vědohraní, s. 168-181)
[3]. http://www.zsnovolisenska.cz/projekty/pokusy-pres-hranici/realizace-projektu
[4]. http://fyzikanasbavi.zsnovolisenska.cz/
[5]. http://www.fyzikahrou.cz/
[6]. Pędzisz B.; Od żaby do radia; Wydawnictwo TiT, Opole 1994
[6]. Tokar D, Pędzisz B, Tokar B; Doświadczenia z fizyki dla szkoły podstawowej, z wykorzystaniem przedmiotów codziennego użytku, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1990
[7]. Encyklopedia doświadczeń, Larousse Polska, Wrocław 2002Parker S.; Elektryczność i magnetyzm; Przedsiębiorstwo Wydawniczo-Handlowe „ARTI”, Warszawa 2006
[8]. Parker S.; Elektryczność i magnetyzm; Przedsiębiorstwo Wydawniczo-Handlowe „ARTI”, Warszawa 2006
[9]. Wielka księga eksperymentów, Wydawnictwo Elżbieta Jarmołkiewicz, Zielona Góra 2010
Inspiracje: http://www.instructables.com
Publikowane:
Pejčochová V, Raczkowska-Tomczak K.; Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Nauczycieli Przedmiotów Przyrodniczych , „Energia w eksperymentach i zabawkach”, Nauczanie Przedmiotów Przyrodniczych, nr 64 (4/2017), Toruń 2017, s.28-37