1
Polystyrénová fyzika
Josef Trna, Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity v Brně
MECHANIKA:
1. Hustota polystyrénu
Řezáním (příp. i lepením) vyrobíme krychli z polystyrénu o hraně 10 cm, tedy o objemu 1 dm3
. Tuto krychli pak
zvážíme, určíme hustotu polystyrénu a srovnáme ji s hustotou jiných látek. Diskutujeme možnost zanedbání
hmotnosti polystyrénu při pokusech z hydromechaniky.
2. Rovnoměrný pohyb
Do zkumavky (skleněné či průhledné plastové trubičky) naplněné vzduchem vložíme polystyrénovou kuličku
průměru jen málo menšího než je světlost zkumavky (trubičky). Při vhodném naklonění zkumavky (trubičky) se
kulička díky odporovým silám bude pohybovat rovnoměrně. Na zkumavku (trubičku) můžeme vyznačit stejné
vzdálenosti a pomocí stopek pak ověřovat stejně velké časové úseky. Alternací je použití zkumavky naplněné
vodou, ve které kulička obdobně rovnoměrně stoupá.
3. Black and white balls I
Několik na pohled stejných polystyrénových kuliček postupně necháme pohybovat po nakloněné rovině (vhodná je
vyrobená ze dvou rovnoběžných drátů). První kulička je neporušená, v druhé je zapuštěna zátěž (ocelová kulička)
do středu, ve třetí je zapuštěna zátěž mírně mimo střed, ve čtvrté je napuštěna vazká kapalina (glycerín) a v páté je
ve vyvrtaném tunýlku vložena pohyblivá ocelová kulička. Kuličky se pohybují odlišně. Diskutujeme příčiny jejich
odlišného chování.
4. Moment setrvačnosti
Vyrobíme dva polystyrénové stejně hmotné válce stejného poloměru, ale jiných momentů setrvačnosti. Do
jednoho válce zapustíme železné tyčky (minimálně 3) u osy a do druhého u vnitřního obvodu. Oba válce necháme
naráz společně ze stejné výšky kutálet po nakloněné desce. Z rozdílného pohybu válců usuzujeme na význam
jejich momentů setrvačnosti pro pohyb.
5. Odstředivá síla
Do skleněné trubice ve tvaru „V“ vložíme kovovou (olověný brok) a polystyrénovou kuličku, doplníme vodou a
konce trubice uzavřeme zátkami. Trubici upevníme ve svislé poloze v dolním spoji ramen na otáčivý stroj (nebo
roztáčíme prsty). Po roztočení trubice vystoupí kovová kulička do horní části jednoho ramene, zatímco
polystyrénová kulička se pohybuje k dolní části trubice. Poloha obou kuliček a vody v trubici je dána odlišnými
hustotami všech tří látek.
6. Reaktivní pohon lodičky
Z polystyrénu vyřežeme lodičku, na kterou připevníme nafukovací balónek otvorem k zádi lodičky. Balónek
nafoukneme a uzavřeme. Lodičku s nafouknutým balónkem položíme na vodní hladinu a uvolníme vzduch
v balónku. Lodička se pohybuje podle zákona akce a reakce vpřed.
7. Beztížný stav
Do polystyrénového tácku upevníme na gumová vlákna různé předměty tak, aby při mírném napnutí vláken
předměty visely přes okraj misky. Gumová vlákna upevníme nejlépe propíchnutím dna misky a protažením
druhého konce vlákna pod misku, kde uděláme na vláknech suky. Misku pak necháme padat volným pádem, kdy
je soustava v beztížném stavu a na předměty působí jen pružné síly vlákna. Předměty jsou proto vtaženy vlákny
zpět do misky.
8. Pevnost polystyrénové desky
Podlouhlou polystyrénovou desku položíme na plocho na podložky, které jsou umístěné blízko obou konců desky.
Uprostřed desku zatěžujeme postupným pokládáním zátěže, dokud se deska nezlomí. Druhou desku stejného tvaru
umístíme na stojato (na hranu). Desku opět postupně zatěžujeme – deska unese značnou zátěž. Pro snadnost
demonstrace je vhodné použít dvojici desek v obou polohách. Poté žákům ukážeme výztuhy vyrobené
z polystyrénu pro uskladnění a přepravu různých výrobků.
9. Kouzelný válec
Do polystyrénového válce s velkým průměrem podstavy zapustíme blízko obvodu do jednoho místa zátěž (šroub
apod.). Při vhodné poloze válce na nakloněné rovině se bude válec chvíli kutálet do kopce, dokud se jeho těžiště
bude snižovat. Srovnáme pohyb válce s druhým stejným válcem bez zapuštěného šroubu.
10. Kolumbovo vejce
Polystyrénové vajíčko upravíme tak, že do jeho méně zakřivené podstavy zapustíme kovový předmět (matici,
šroub apod.), čímž snížíme polohu jeho těžiště. Toto vajíčko pak vychýlíme z polohy na této podstavě – vejce se
vrátí do původní polohy zpět. Srovnáme s neupraveným vejcem.
11. Rovnováha na hladině
Na vodní hladinu v nádobě položíme vysoký kvádr z polystyrénu na jeho boční velkou stěnu, tedy do stabilní
polohy – kvádr leží na hladině. Druhý stejný kvádr se zapuštěnou zátěží (šroub, matice apod.) ve středu malé
podstavy po položení na velkou boční stěnu se díky snížení těžiště postaví na malou podstavu. Místo kvádru
můžeme použít i polystyrénové vejce apod.
2
12. Plování a potápění
Kousek polystyrénu propíchneme hřebíkem a položíme na hladinu vody v nádobce tak, aby tato soustava těles
plovala. Pak hřebík vytáhneme a polystyrén i hřebík položíme znovu na hladinu vody v nádobce. Polystyrén opět
plove, hřebík se však potopí na dno. Tak demonstrujeme význam průměrné hustoty těles při posuzování jejich
chování v kapalině.
13. Black and white balls II
Tři na pohled stejné polystyrénové kuličky vložíme na vodní hladinu. Jedna (vhodně zatížená kovovými např.
olověnými broky) se potápí, druhá se vznáší (opět vhodně zatížená) a třetí (bez zátěže) plove.
14. Neplovoucí polystyrén
Do kádinky nalijeme asi do poloviny vodu. Na vodní hladinu položíme malou polystyrénovou kostku, která plove.
Menší dnem vzhůru obrácenou kádinkou přikryjeme kostku na hladině a svisle ji přiblížíme až na dno. Kostka
dosedne téměř na dno.
15. Hydrostatická vztlaková síla
Do kádinky nalijeme vodu a na hladinu položíme polystyrénovou desku (vhodný je kruhový tvar). Na desku
pokládáme zátěže (závaží). Hydrostatická vztlaková síla udržuje desku i se závažím na hladině, dokud ji tíhová síla
závaží nepřekoná. Můžeme demonstrovat závislost hydrostatické vztlakové síly na hloubce ponoření desky a
hustotě kapaliny (místo vody použijeme olej, slanou vodu, líh aj.).
16. Hydrostatická vztlaková síla na rovnoramenných váhách
Místo misek rovnoramenných vah postavíme na jejich desku dvě kádinky s vloženými kladkami se zátěží.
Kádinky naplníme vodou a z háčků vah vedeme silonovou nit přes kladky v kádinkách a na jejich konce zavěsíme
pod vodou polystyrénové plováky. Plováky mají nejdříve stejný objem – váhy jsou v rovnováze díky rovnováze
vztlakových sil, působících na plováky. Pak zaměníme jeden z plováků větším – rovnováha se poruší. Další
variantou je ponoření stejných plováků do různých kapalin. Tento pokus je základem zajímavé problémové úlohy.
17. Vodní váhy
Do širokého válce (odříznuté plastové láhve) nalijeme vodu a ponoříme do ní polystyrénový válec. Na horní
podstavu válce klademe postupně jednotlivá závaží a na bok válce vždy označíme příslušnou hodnotu hmotnosti
závaží do místa úrovně hladiny vody na válci – tak vodní váhy ocejchujeme. Vážení předmětu pomocí těchto vah
provádíme pokládáním předmětu na horní podstavu polystyrénového válce a odečítáním příslušné hodnoty na
boku válce.
18. Polystyrénová závaží
Chybějící závaží můžeme u rovnoramenných vah přibližně nahradit polystyrénovými kvádříky a destilovanou
vodou. Pod jedno rameno rovnoramenných vah postavíme kádinku se zatíženou kladkou na dně. Do kádinky
nalijeme destilovanou vodu. Z ramene přes kladku vedeme tenkou silonovou nit s očkem, na kterou zavěšujeme
pod vodou polystyrénové kvádříky objemu 1 cm3
, 2 cm3
, 5 cm3
, 10 cm3
atd. Využijeme skutečnosti, že 1 cm3
destilované vody má hmotnost jeden gram. Díky hydrostatické vztlakové síle tak polystyrénové kvádříky mohou
přibližně nahradit závaží. Diskutujeme zanedbání hmotnosti polystyrénových kvádříků a vztlakovou sílu působící
na závěsy.
19. Hustoměr
Do odměrného válce s kapalinou ponoříme polystyrénový válec s přilepenou kovovou zátěží (podložka apod.) na
horní (nebo dolní) podstavě. Polystyrénový válec se ponoří do určité hloubky, kterou můžeme označit značkou
(ryska, gumička apod.) na polystyrénovém válci. Ponořením tohoto polystyrénového válce-hustoměru do různých
kapalin (slaná voda, líh aj.) jej ocejchujeme a můžeme pak použít pro přibližné určení hustoty kapaliny.
Ocejchování lze provést i pomocí skutečného hustoměru.
20. Paradoxní váleček
Na podstavu polystyrénového válečku přilepíme nízkou kruhovou kovovou destičku stejného průměru jako má
polystyrénový válec. Výšku polystyrénového válce upravíme tak, aby po ponoření polystyrénového válce
s kovovou destičkou nahoře do vody v odměrném válci jen kovová destička zůstala nad hladinou. Na
polystyrénový válec na opačné straně válce pak nakreslíme několik obvodových kroužků ve stejné vzdálenosti,
jako je tloušťka kovové destičky. Válec pak otočíme a znovu ponoříme do vody v odměrném válci. Problémové
otázky před tímto potopením jsou: „Jak hluboko se válec s destičkou ponoří? Stáhne jej kovová destička ke dnu?
Kolik značek na polystyrénu bude nad hladinou? Odpověď založená na Archimédově zákoně je, že výška
neponořené části válce bude v obou případech stejná.
21. Karteziánek
Do vhodně velkého kousku polystyrénu zapíchneme na jedné straně zatavenou skleněnou trubičku tak, aby
soustava ještě plovala otevřenou trubičkou dolů. Takto vytvořený karteziánek vložíme do plastové láhve naplněné
vodou, uzavřeme ji a stlačováním stěn láhve se karteziánek potápí.
22. Signalizační plovák
Do neprůhledné nádoby (konvice, váza apod.) vložíme polystyrénový válcový plovák, který svisle propíchneme
špejlí (plastovým brčkem apod.) se zátěží (např. maticí) na spodní straně. Do nádoby přiléváme vodu, špejle se
vynořuje nad okraj nádoby. Na špejli přilepíme (obarvíme) značky indikující míru naplnění nádoby (např.
maximum naplnění). Plovák může automaticky ohlašovat maximální naplnění nádoby pomocí světelné či zvukové
3
signalizace. Pak je třeba použít tyčku plováku jako ve funkci mechanického spínače jednoduchého elektrického
obvodu se žárovkou, ledkou, elektrickým zvonkem či sirénkou.
23. Hydraulický lis
Do válce nalijeme vodu a na její povrch položíme polystyrénový válcový píst téměř strjného průměru jako je
vnitřní průměr válce. Pístem svisle vedeme skleněnou trubičku, kterou budeme pomocí plastové stříkačky
vtlačovat další vodu do válce pod píst, a tak zvedat píst se závažím. Na píst je možno nasadit gumičky jako těsnící
kroužky.
24. Polystyrénový dasymetr
Platnost Archimédova zákona pro plyny demonstrujeme pomocí dasymetru (rovnoramenných vážek) umístěných
pod vývěvou. Skleněnou baňku dasymetru nahradíme polystyrénovou kuličkou.
25. Bernoulliho rovnice
Dvě polystyrénové kuličky (vajíčka) zavěsíme na dva stejně dlouhé svislé závěsy asi 1 cm od sebe. Vodorovně
foukáme trubičkou mezi ně, až se začnou přibližovat. V prostoru mezi kuličkami vzroste rychlost vzduchu, podle
Bernoulliho rovnice vznikne podtlak a díky tlakové síle okolního vzduchu se kuličky přiblíží. Je třeba použít větší
kuličky (vajíčka), případně je zatížit zapuštěním např. šroubu.
26. Základy létání
Na svislé plastové brčko nasadíme postupně volně pohyblivou polystyrénovou desku, válec, půlválec a křídlo.
Bočním vodorovným foukáním (trubička, nafukovací balónek, vysoušeč vlasů) demonstrujeme principy létání
pomocí odporové vztlakové síly (deska), Bernoulliho rovnice (válec, půlválec) a kombinace obou principů
(křídlo).
27. Vznášející se kulička
Plastovým brčkem (nejlépe s ohebnou kloubovou částí) foukáme vzduch svisle vzhůru. Do proudu vzduchu
vložíme polystyrénovou kuličku, která se bude vznášet díky rovnováze tíhové a odporové síly v proudu vzduchu.
Pokus je možno alternovat použitím gumového nafukovací balónku, který uzavřeme zátku s tenkou trubičkou.
Balónek nafoukneme a držíme trubičkou svisle vzhůru.
28. Povrchové napětí I
Na vodní hladinu v nádobě nasypeme několik kuliček polystyrénu. Kápneme mezi ně mýdlový roztok (saponát),
kuličky se budou díky změně povrchového napětí pohybovat od kapky k okraji nádoby.
29. Lodičky a povrchové napětí
Na vodní hladinu v nádobě položíme polystyrénovou lodičku s otvorem a zářezem do zádi. Do otvoru kápneme
mýdlový roztok (saponát), lodička se bude díky změně povrchového napětí pohybovat. Modifikací je lodička se
dvěma či třemi stejnými zářezy, která se může pohybovat do stran nebo můžeme obdobně vyrobit i otáčející se
kruh.
KMITY, VLNY A AKUSTIKA:
30. Vlnění vodní hladiny
Na vodní hladinu v misce nasypeme drobné polystyrénové kuličky. Špejlí budeme ťukat do středu hladiny a
vyvoláme tak její vlnění. Polystyrénové kuličky indikují pohyb vodní hladiny – kmitají na místě.
31. Zvuková membrána
Střed dna polystyrénové misky propíchneme a provlékneme jím provázek zakončený uvnitř misky uzlem.
Provázek potřeme kalafunou a táhneme jej mezi prsty. Miska se rozechvěje a vydává zvuk.
32. Indikátor chvění
Polystyrénovou kuličku na provázku přiblížíme k rozechvělé ladičce, bláně bubínku, stěně papírového
reproduktoru aj. Kulička svým pohybem indikuje chvění zdrojů zvuku. Obdobně využijeme polystyrénovou drť na
chvějící se desku nebo na hladinu vody ve chvějící se sklenici.
33. Zvukové stínění
Zdroj zvuku (elektromagnetickou sirénku) umístíme do zvukově izolující krabice bez víka. Místo víka postupně
pokládáme desky z různě silného polystyrénu a sluchem sledujeme rozdíl v intenzitě zvuku. Polystyrén je
vhodným zvukovým izolantem.
TERMIKA:
34. Tepelná izolace
Do krabičky vyrobené z polystyrénu (polystyrénového kelímku) vložíme kousky ledu nebo nalijeme horkou vodu.
Po určité době zjistíme minimální tepelnou výměnu s okolím.
35. Polystyrénový teploměr
Do skleněného válce s vodou ponoříme sadu polystyrénových kuliček (kvádříků apod.) vhodně zatížených zátěží,
a to tak, aby se vznášely právě při určité teplotě vody. Na každou kuličku upevníme značku s hodnotou příslušné
teploty. Při určité teplotě se pak bude vznášet příslušná kulička s indexem teploty. Jedná se o obdobu teploměru
komerčně vyráběného s použitím skleněných baněk, které jsou různě zatíženy obarvenou kapalinou.
4
ELEKTŘINA A MAGNETISMUS:
36. Zelektrování polystyrénu třením
Polystyrénový kvádřík (tyčku, kruh) třeme textílií a tak ji zelektrujeme. Zelektrovaný kvádřík přitahuje drobné
kousky papíru.
37. Zelektrování kovu třením
Zelektrování kovu třením můžeme demonstrovat třením polystyrénu a železné desky, kdy se oba předměty
zelektrují. Pěknou ukázkou tohoto jevu je řezání polystyrénu pilkou, při kterém se na kovovém plátu pilky
přichytí drobné kousky (drť) řezaného polystyrénu.
38. Elektrostatická síla
Malé nadrcené polystyrénové kuličky necháme ležet na stole. Přiblížíme se k nim zelektrovaným tělesem.
Polystyrénová drť obalí zelektrované těleso.
39. Rotující tyčinka
Polystyrénovou tyčinku zavěsíme ve středu ve vodorovné poloze. Zelektrované těleso tyčinkou otáčí.
40. Elektrostatický motor
Polystyrénový kroužek opatřený barevným proužkem zavěsíme ve vodorovné poloze na jednu nit. Přibližováním
nabitého tělesa jej uvedeme v otáčivý pohyb.
41. Elektrostatická polarizace
Pod zvon vytvořený odříznutou horní částí plastové láhve uvážeme elektrostatické kyvadélko (polystyrénovou
kuličku na nevodivém závěsu). Přiblížením nabitého tělesa ke stěně láhve pohneme s kuličkou kyvadélka.
42. Magnetická síla
Na dvě polystyrénové destičky připevníme magnety a položíme je na vodní hladinu. Magnety na sebe působí
magnetickými silami vzájemného působení a přitahují se.
43. Magnetická levitace
Do dvou polystyrénových věnečků zapustíme magnety tak, aby po přiblížení věnečků docházelo k odpuzování
magnetů a tedy i celých věnečků. Věnečky se zapuštěnými magnety je třeba stabilizovat propíchnutím vodícími
dráty.
44. Arabský kompas
Do drážky na polystyrénovém kříži plovoucím na vodní hladině nádobky položíme zmagnetovanou jehlu. Tak
vznikne kompas, obdobný arabskému, kde místo jehly ležel kus magnetovce.
45. Black and white box
Do polystyrénové desky (kvádříku) zapustíme keramický magnet (magnety). Pak desku (kvádřík) posypeme
železnými pilinami a identifikujeme místo a tvar zapuštěného magnetu. Pro odstranění železných pilin je vhodné
ze zadní strany polystyrénové desky magnet vyjmout a ukázat jejich vlastnosti žákům.
46. Kouzelné magnetické kyvadélko
Do polystyrénového válečku na závěsu zapustíme keramický magnet. Toto kyvadélko necháme kývat nad
polystyrénovou deskou se zabudovanou skupinou magnetů. Kyvadélko chaoticky kmitá ve složitém magnetickém
poli.
47. Kouzelná trubka
Do neprůhledné plastové trubky vložíme polystyrénový váleček se zabudovaným keramickým magnetem. Trubku
naplníme vodou, ve které válec s magnetem pomalu plove a trubku oboustranně pevně uzavřeme zátkami. Na
vnější stěnu trubky připevníme železný kroužek (plíšek) proti magnetu. Ve svislé poloze trubky kroužek (plíšek)
stoupá nahoru proti zemské tíži tažen magnetem v plovoucím polystyrénovém válci.
48. Tepelné účinky elektrického proudu
Mezi dvě Holtzovy svorky napneme odporový drát, který zahřejeme průchodem elektrického proudu s bezpečným
napětím 6-12 V (vhodnou hodnotu nutno vyzkoušet). Kousek polystyrénu pak tímto drátem přeřízneme. Na tomto
principu je založena řezačka polystyrénu. Dbáme na odvětrávání plynných zplodin a bezpečnost práce s horkým
drátem a elektrickým zařízením.
49. Studené a teplé světlo
Do jedné polystyrénové krabičky umístíme malou žárovičku a do druhé svítivou diodu. Do obou krabiček
zasuneme teploměry a rozsvítíme je. Po chvíli teplota vzduchu u žárovky vzroste. Demonstrujeme tak odlišný
princip vzniku světla u žhaveného vlákna žárovky a v přechodu PN u svítivé diody.
OPTIKA:
50. Mezný úhel
Středem malého polystyrénového kotoučku (průměr několik 1-2 cm) provlečeme krátkou nit, na jejíž konec
zavěsíme barevný korálek. Kotouček položíme na vodní hladinu v kádince tak aby korálek visel ve vodě na niti
pod kotoučkem. Délku závěsu upravíme tak, aby shora díky totálnímu odrazu nebyl korálek viditelný. Délku
provázku a poloměr kotoučku můžeme změřit a použít pro výpočet mezného úhlu. Alternací je použití špendlíku
se skleněnou hlavou, kterou je špendlík ponořen pod kotoučkem.