1 VEŠKERÁ HMOTA VE VESMÍRU JE TVOŘENA VELMI MALÝMI ČÁSTICEMI

Úkol 3: Energie světelného a tepelného záření

Pracovní list Workshop

Úkol 3a:

Prvním cílem úkolu je, aby si žáci uvědomili, že světelné záření je často doprovázeno tepelným zářením a  obě přenáší energii. Tělesa, která svítí díky tomu, že jsou rozžhavené, vyzařují velké množství energie právě v podobě tepelného záření. Už vzpomínaná žárovka vyzáří jako světlo jen 5 – 10 % energie, zbytek připadne na vyzářené teplo. Oproti tomu světelné zdroje založené na jiném principu, např. LED nebo zářivky, vyzařují v poměru ku světlu daleko méně tepla. Žáci měřením porovnají energii vyzařovanou obyčejnou žárovkou a LED „žárovkou“.

Žáci nejdříve odhadnou, jak bude experiment se zahříváním černého papíru vyzařováním obyčejné žárovky a LED „žárovky“ probíhat, od kterého zdroje světla se papír bude zahřívat rychleji. Je vhodné, aby toto odhadli jen na základě vlastní zkušenosti, případně na základě výkladu o  tom, proč jsou klasické žárovky nahrazovány jinými umělými zdroji světla. Neměli by to odhadovat na základě přiblížení ruky nebo jiné části těla k rozsvíceným zdrojům, protože v tom okamžiku by jim bylo všechno úplně jasné.

Postup:

Na experimentální provedení první části úkolu je potřebné připravit dva zdroje světla, ideálně obyčejnou žárovku a LED „žárovku“ s podobným světelným tokem. Může to být např. 100 W žárovka, která má světelný tok cca 1 300 lm a LED „žárovka“ s příkonem cca 13 W, která má porovnatelný světelný tok. Dále jsou potřeba libovolné teploměry s rozsahem minimálně od pokojové teploty alespoň do 50 °C, raději až do 100 °C a listy černého papíru. Jeden papír umístíme do stanovené vzdálenosti od žárovky a položíme pod něj teploměr. Druhý papír umístíme do stejné vzdálenosti od LED „žárovky“ a opět pod něj dáme teploměr. Je potřebné, aby oba teploměry a papíry ležely na stejném podkladu (např. dřevěném stole, koberci, linoleu). Obyčejnou žárovku i  LED „žárovku“ rozsvítíme a  v  pravidelných časových intervalech odečítáme teplotu na teploměrech. Měření ukončíme po dosažení dohodnutého času, počtu měření nebo při překročení rozsahu teploměru. Žáci po ukončení měření porovnají výslednou teplotu na obou teploměrech a  vysloví závěr, který z  použitých světelných zdrojů vyzařuje více energie. Experimentálně získaný výsledek porovnají se svým původním odhadem. Je vhodné žákům na závěr připomenout, že oba zdroje byly zvoleny tak, aby vyzařovaly porovnatelné množství světla.

Úkol 3b:

Druhým cílem je ověření, jak rozdílně přijímají tepelné a světelné záření tělesa s různou barvou povrchu. Ideální absolutně černé těleso pohlcuje veškeré dopadající záření a proměňuje ho na svou vnitřní energii. Černý papír se sice vlastnostem absolutně černého povrchu zdaleka neblíží, ale rozdíl oproti bílému papíru bude i tak markantní. Ze zkušenosti by měli žáci vědět, že tělesa s tmavým povrchem se na slunci zahřívají více a rychleji než tělesa se světlým povrchem. Světlá tělesa totiž většinu dopadající energie odrážejí zpět do okolí, avšak tmavá tělesa ji většinu pohlcují. Tento běžně známý fakt žáci ověří experimentem.

Postup:

Na experimentální provedení první části úkolu je potřebné připravit zdroj světla, ideálně obyčejnou žárovku s příkonem okolo 100 W. Dále jsou opět potřebné libovolné teploměry s rozsahem minimálně od pokojové teploty alespoň do 50 °C, nejlépe do 100 °C a list černého a bílého papíru. Černý papír umístíme do stanovené vzdálenosti od žárovky a položíme pod něj teploměr. Bílý papír umístíme do stejné vzdálenosti od žárovky a opět pod něj dáme teploměr. Je potřebné, aby oba teploměry a papíry ležely na stejném podkladu (např. dřevěném stole, koberci, linoleu). Žárovku rozsvítíme a  v  pravidelných časových intervalech odečítáme teplotu na teploměrech. Měření ukončíme po dosažení dohodnutého času, počtu měření nebo při překročení rozsahu teploměru. Žáci po ukončení měření porovnají výslednou teplotu na obou teploměrech a vysloví závěr, který z použitých papírů pohltil více energie. Experimentálně získaný výsledek porovnají se svým původním odhadem. Je vhodné na závěr zdůraznit, že oba papíry byly od světelného zdroje stejně daleko a dopadalo na ně tedy porovnatelné množství energie (světla a tepla).

Poznámky pro žáky se ŠVVP:

  • žáci s  poruchami učení – Nemusí měřit teplotu v  pravidelných intervalech, postačí, když teploty odečtou jednou po uplynutí stanovené doby a porovnají je.
  • nadaní žiaci – Všechny naměřené teploty mohou žáci znázornit do grafů závislosti teploty na čase, vždy obě porovnávané teploty do jednoho grafu. Je možné sledovat trend změn teploty. (Měl by být zhruba lineární.)