Náměty aktivit do 20 min pro popularizaci fyziky

Téma

 Modelování magnetického pole cívky

Tematický celek

 Magnetismus

Motivační rámec aktivity

Ve škole jsme se všichni učili o tom, co jsou magnetické indukční čáry. Víme, jak vypadají v případě permanentních magnetů a magnetického pole vzniklého poblíž vodiče s proudem. Existují počítačové programy, které nám umožní tyto čáry zobrazit i pro složitější konfigurace (dva magnety, magnet a vodič,...).

FEMM je jedním z těchto programů

Počet žáků

 Skupiny po dvou

Věk žáků

14+

Pomůcky

 PC s programem FEMM

Stručný popis aktivity

Nejprve popišme modelování magnetického pole cívky navinuté na dutém válci.

 Základní obrazovka programu vypadá takto:

Panel nástrojů označený žlutým čtvercem jedna slouží k vytvoření scény, kterou chceme modelovat. Umožňuje vkládat body, ty propojovat čarami nebo oblouky (první tři ikony). Takto vytvořeným plochám je možné přiřazovat vlastnosti jako materiál, protékající proud apod. Program předpokládá, že 3D scéna je nakreslena v průžezu. Celou scénu si je potřeba představit v prostoru tak, jako kdyby průřez, tedy to, co modelujeme, rotovalo kolem svislé osy. Na obrázku nahoře vidíme modrý obdélník označený žlutou 4. Rotací tohoto obdélníku kolem svislé osy bychom dostali dutý válec:

Dutina vznikne ve výsledném modelu tam, kde je vynechaný prostor označený žlutou trojkou. Velký modrý polokruh označuje okrajové podmínky, s jakými probíhá řešení. Celé modelování spouští panel nástrojů se žlutou dvojkou. Druhá ikona z panelu provede samotné řešení a třetí zobrazí výsledek - magnetické indukční čáry magnetického pole. V našem případě je cívka navinuta 1000 závity standardního 18 AWG měděného vodiče. Cívka je navinuta odshora dolů s vodiči vystupujícími z papíru. Cívka se nachází ve vzduchu. Výsledek simulace je následovný:

Program po klepnutí do obrázku vypisuje hodnotu magnetické indukce v kliknutém bodě (na našem obrázku 0,0078 T) a počítá parametry cívky (indukčnost 0,01 H, odpor 3,34 ohm, a magnetický indukční tok). Pro ilustraci vložení dalšího objektu obklopme cívku válcem z feromagnetického materiálu. Scéna a výsledek bude následovné:

Vhodné místo

Běžná učebna, počítačová učebna,laboratoř

Cíle aktivity

Žáci budou schopni

Rozvíjené kompetence

 Kompetence k řešení problémů, pracovní, k učení

Časový plán

Fáze

Metody a formy, motivace

 0-20

práce s programem 

Hodnocení

Nehodnotit

Návaznosti

Modelování magnetického pole permanentního magnetu

Poznámky

Program je k dispozici ke stažení na http://www.femm.info/wiki/HomePage  

Téma

Tematický celek

Magnetismus

Motivační rámec aktivity

Ve škole jsme se všichni učili o tom, co jsou magnetické indukční čáry. Víme, jak vypadají v případě permanentních magnetů a magnetického pole vzniklého poblíž vodiče s proudem. Existují počítačové programy, které nám umožní tyto čáry zobrazit i pro složitější konfigurace (dva magnety, magnet a vodič,...).

FEMM je jedním z těchto programů

Počet žáků

Skupiny po dvou

Věk žáků

14+

Pomůcky

PC s programem FEMM

Stručný popis aktivity

Popišme modelování magnetického pole permanentního magnetu.

Základní obrazovka programu vypadá takto:

Panel nástrojů označený žlutým čtvercem jedna slouží k vytvoření scény, kterou chceme modelovat. Umožňuje vkládat body, ty propojovat čarami nebo oblouky (první tři ikony). Takto vytvořeným plochám je možné přiřazovat vlastnosti jako materiál, protékající proud apod. Program předpokládá, že 3D scéna je nakreslena v průřezu.

Velký modrý obdélník označuje okrajové podmínky, s jakými probíhá řešení. Tělo magnetu ze zmagnetovaného železa označuje žlutá 3. Celé modelování spouští panel nástrojů se žlutou dvojkou. Druhá ikona z panelu provede samotné řešení a třetí zobrazí výsledek - magnetické indukční čáry magnetického pole. Magnet se nachází ve vzduchu.

Nastavení materiálu magnetu umožňuje následující obrazovka:

Výsledek simulace je následovný:

Program po klepnutí do obrázku vypisuje hodnotu magnetické indukce v kliknutém bodě (na našem obrázku 0,0009 T). Program umožňuje také zobrazit graf závislosti magnetické indukce na poloze:

Vhodné místo

Běžná učebna, počítačová učebna,laboratoř

Cíle aktivity

Žáci budou schopni

Rozvíjené kompetence

Kompetence k řešení problémů, pracovní, k učení

Předchozí znalosti

Ovládání PC

Časový plán

Fáze činnosti s přístrojem

Metody a formy, motivace

0-20

práce s programem

Hodnocení

Nehodnotit

Návaznosti

Modelování magnetického pole cívky s proudem

Poznámky

program je k dispozici ke stažení na http://www.femm.info/wiki/HomePage

Téma

Tematický celek

Atomová a jaderná fyzika

Počet žáků

Skupina po dvou u PC

Věk žáků

14+

Pomůcky

Souprava Gama-Beta

Stručný popis aktivity s využitím přístroje

Po sestavení detektoru radioaktivity ze soupravy Gama-Beta (je možné použít i např. detektor radioaktivity ze soupravy Vernicer a další) a otevření zářiče budou žáci měřit stopkami určitý časový interval a počet částic zachycených detektorem za tuto dobu. Dobu je potřeba zvolit tak, aby byl počet zachycených částic cca 6. Měření se bude opakovat deset minut a bude se zaznamenávat, kolikrát byly zachyceny dvě částice, kolikrát tři, čtyři atd. Možné získané hodnoty:

 Tyto hodnoty žáci vynesou do grafu:

Je vidět, že rozdělení není symetrické kolem střední hodnoty. Nejpravděpodobnější hodnota není hodnotou střední. Toto rozdělení se nazýzá Poissonovo. Objevuje se všude tam, kde zkoumáme počet na sobě nezávislých jevů za určitý čas. S tímto rozdělením se setkáme, např. pokud bychom počítali studenty vcházející za určitý časový interval do budovy, u projíždějících aut apod.

Do dalšího grafu můžeme zobrazit teoretický průběh pravděpodobnosti počítaný vzorcem , kde lambda se spočte jako podíl součtu součinů počtu zachycených částic a četností a součtu četností, x je počet zachycených částic. Teoretický průběh může vypadat následovně:

Vhodné místo

Běžná učebna, počítačová učebna

Cíle aktivity

Žáci budou schopni popsat statistickou závislost počtu zachycených částic za časový interval

Rozvíjené kompetence

Kompetence k řešení problémů, k učení, pracovní

Předchozí znalosti

Základní znalosti stavby atomu

Časový plán

Fáze činnosti s přístrojem

Metody a formy, motivace

0-10

Vysvětlení obsluhy Geigerova počítače

10-20

Měření a evaluace

Hodnocení

Žáci budou hodnoceni podle stupně splnění pokynů

Návaznosti

Na tuto aktivitu navazuje...

Poznámky

http://www.cez.cz/cs/vyzkum-a-vzdelavani/pro-pedagogy/materialy-pro-vyuku/gamabeta/3.html