1 VŠETKA HMOTA VO VESMÍRE JE TVORENÁ VEĽMI MALÝMI ČASTICAMI

Úloha 3: Energia svetelného a tepelného žiarenia

Pracovný list Workshop

Úloha 3a:

Prvým cieľom úlohy je, aby si žiaci uvedomili, že svetelné žiarenie je často sprevádzané žiarením tepelným a oboje prenáša energiu. Telesá, ktoré svietia vďaka tomu, že sú rozžeravené, vyžarujú veľké množstvo energie práve v podobe tepelného žiarenia. Už spomínaná žiarovka vyžiari ako svetlo len 5 – 10 % energie, zvyšok pripadne na vyžiarené teplo. Oproti tomu svetelné zdroje založené na inom princípe, napr. LED alebo žiarivky, vyžarujú v pomere ku svetlu ďaleko menej tepla. Žiaci meraním porovnajú energiu vyžarovanú obyčajnou žiarovkou a LED „žiarovkou“.

Žiaci najskôr odhadnú, ako bude experiment so zahrievaním čierneho papiera vyžarovaním obyčajnej žiarovky a LED „žiarovky“ prebiehať, od ktorého zdroja svetla sa papier bude zahrievať rýchlejšie. Je vhodné, aby toto odhadli len na základe vlastnej skúsenosti, prípadne na základe výkladu o tom, prečo sú klasické žiarovky nahrádzané inými umelými zdrojmi svetla. Nemali by to odhadovať na základe priblížení ruky alebo inej časti tela k rozsvieteným zdrojom, pretože v tom okamihu by im bolo všetko úplne jasné.

Postup:

Na experimentálne prevedenie prvej časti úlohy je potrebné pripraviť dva zdroje svetla, ideálne obyčajnú žiarovku a LED „žiarovku“ s podobným svetelným tokom. Môže to byť napr. žiarovka 100 W, ktorá má svetelný tok cca 1 300 lm a LED „žiarovka“ s príkonom cca 13 W, ktoré má porovnateľný svetelný tok. Ďalej sú potrebné ľubovoľné teplomery s rozsahom minimálne od izbovej teploty aspoň do 50 °C, radšej až do 100 °C a listy čierneho papiera. Jeden papier umiestnime do stanovenej vzdialenosti od žiarovky a položíme pod neho teplomer. Druhý papier umiestime do rovnakej vzdialenosti od LED „žiarovky“ a opäť pod neho dáme teplomer. Je potrebné, aby oba teplomery a papiere ležali na rovnakom podklade (napr. drevenom stole, koberci, linoleu). Obyčajnú žiarovku aj LED „žiarovku“ rozsvietime a v pravidelných časových intervaloch odčítame teplotu na teplomeroch. Meranie ukončíme po dosiahnutí dohodnutého času, počtu meraní alebo pri prekročení rozsahu teplomera. Žiaci po ukončení merania porovnajú výslednú teplotu na oboch teplomeroch a vyslovia záver, ktorý z použitých svetelných zdrojov vyžaruje viacej energie. Experimentálne získaný výsledok porovnajú so svojím pôvodným odhadom. Je vhodné žiakom na záver pripomenúť, že oba zdroje boli zvolené tak, aby vyžarovali porovnateľné množstvo svetla.

Úloha 3b:

Druhým cieľom je overenie, ako rozdielne prijímajú tepelné a svetelné žiarenie telesá s rôznou farbou povrchu. Ideálne absolútne čierne teleso pohlcuje všetko dopadajúce žiarenie a premieňa ho na svoju vnútornú energiu. Čierny papier sa síce vlastnostiam absolútne čierneho povrchu zďaleka neblíži, ale rozdiel oproti bielemu papieru bude aj tak markantný. Zo skúsenosti by mali žiaci vedieť, že telesá s tmavým povrchom sa na slnku zahrievajú viacej a rýchlejšie, ako telesá s povrchom svetlým. Svetlé telesá totiž väčšinu dopadajúcej energie odrážajú späť do okolia, avšak tmavé telesá jej väčšinu pohlcujú. Tento bežne známy fakt žiaci overia experimentom.

Postup:

Na experimentálne prevedenie prvej časti úlohy je potrebné pripraviť zdroj svetla, ideálne obyčajnú žiarovku s príkonom okolo 100 W. Ďalej sú opäť potrebné ľubovoľné teplomery s rozsahom minimálne od izbovej teploty aspoň do 50 °C, najlepšie do 100 °C a strana čierneho a bieleho papiera. Čierny papier umiestnime do stanovenej vzdialenosti od žiarovky a položíme pod neho teplomer. Biely papier umiestnime do rovnakej vzdialenosti od žiarovky a opäť pod neho dáme teplomer. Je potrebné, aby oba teplomery a papiere ležali na rovnakom podklade (napr. drevenom stole, koberci, linoleu). Žiarovku rozsvietime a v pravidelných časových intervaloch odčítame teplotu na teplomeroch. Meranie ukončíme po dosiahnutí dohodnutého času, počtu meraní alebo pri prekročení rozsahu teplomera. Žiaci po ukončení merania porovnajú výslednú teplotu na oboch teplomeroch a vyslovia záver, ktorý z použitých papierov pohltil viac energie. Experimentálne získaný výsledok porovnajú so svojím pôvodným odhadom. Je vhodné na záver zdôrazniť, že oba papiere boli od svetleného zdroja rovnako ďaleko a dopadalo na ne teda porovnateľné množstvo energie (svetla a tepla).

Poznámky pre žiakov so ŠVVP:

  • žiaci s poruchami učenia– Nemusia merať teplotu v pravidelných intervaloch, postačí, keď odčítajú jedenkrát teploty po uplynutí stanovenej doby a porovnajú ich.
  • nadaní žiaci – Všetky namerané teploty môžu žiaci znázorniť do grafov závislosti teploty na čase, vždy obidve porovnávané teploty do jedného grafu. Je možné sledovať trend zmien teploty. (Mal by byť zhruba lineárny.)