Cze­ko­la­da i pręd­kość światła

 

Współ­cze­sne pomia­ry pręd­ko­ści świa­tła, pro­wa­dzo­ne za pomo­cą zaawan­so­wa­nej i pre­cy­zyj­nej apa­ra­tu­ry, wska­zu­ją, że wyno­si ona w próż­ni aż 299 792 458 m/s. Jed­nak prze­pro­wa­dze­nie eks­pe­ry­men­tu pozwa­la­ją­ce­go zmie­rzyć war­tość pręd­ko­ści świa­tła przez stu­le­cia sta­no­wi­ło wiel­kie wyzwa­nie dla świa­ta nauki. Zada­nia tego pod­jął się, mię­dzy inny­mi, wybit­ny fizyk i astro­nom, Gali­le­usz. Nie­ste­ty, jego pró­by zakoń­czy­ły się niepowodzeniem.

Oka­zu­je się, że dzi­siaj nie­mal każ­dy jest w sta­nie, w domo­wych warun­kach, osza­co­wać pręd­kość świa­tła. Jeśli tak się skła­da, że w Two­jej kuch­ni znaj­du­je się mikro­fa­lów­ka, a w szaf­ce na sło­dy­cze- tablicz­ka cze­ko­la­dy, to zapra­szam Cię do samo­dziel­ne­go prze­pro­wa­dze­nia pomia­ru pręd­ko­ści światła.

 

FALA

Świa­tło jest falą elektromagnetyczną.

 

 

Każ­dą falę moż­na opi­sać za pomo­cą wiel­ko­ści fizycz­nej nazy­wa­nej dłu­go­ścią fali.

 

 

Inną wiel­ko­ścią cha­rak­te­ry­zu­ją­cą falę jest jej czę­sto­tli­wość. Im gęściej upa­ko­wa­ne są grzbie­ty fali, tym więk­szą ta fala ma czę­sto­tli­wość.

 

 

Dłu­gość fali i jej czę­sto­tli­wość są wiel­ko­ścia­mi ści­śle ze sobą zwią­za­ny­mi. Oka­zu­je się, że są one rów­nież zwią­za­ne z szyb­ko­ścią roz­cho­dze­nia się fali:

 

 

Wła­śnie z tego związ­ku dzi­siaj skorzystamy.

 

FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

Fale elek­tro­ma­gne­tycz­ne, jak każ­de inne fale, mogą mieć róż­ną dłu­gość. Są takie, któ­rych dłu­gość jest znacz­nie mniej­sza niż gru­bość wło­sa. Ist­nie­ją rów­nież takie, któ­rych dłu­gość prze­kra­cza wyso­kość naj­wyż­szych budyn­ków na Zie­mi. Nasze oczy nie są czu­łe na wszyst­kie dłu­go­ści fal elek­tro­ma­gne­tycz­nych. Świa­tło widzial­ne obej­mu­je fale o dłu­go­ści mniej wię­cej od 0,0004 mm do 0,0007 mm. Dłu­gość ta jest porów­ny­wal­na do wiel­ko­ści bak­te­rii. Zarów­no dłuż­szych, jak i krót­szych fal nie jeste­śmy w sta­nie zobaczyć.

Ist­nie­ją fale elek­tro­ma­gne­tycz­ne, któ­rych dłu­gość wyno­si kil­ka, kil­ka­na­ście cen­ty­me­trów. Takie fale nazy­wa się mikro­fa­la­mi. I to wła­śnie ten rodzaj fal gene­ro­wa­ny jest w kuchen­ce mikrofalowej.

 

KUCHENKA MIKROFALOWA

Mikro­fa­lów­ka słu­ży do pod­grze­wa­nia potraw, jed­nak nie potrze­bu­je ona do tego grzał­ki, jak ma to miej­sce np. w pie­kar­ni­ku. W kuchen­ce mikro­fa­lo­wej gene­ro­wa­ne są fale elek­tro­ma­gne­tycz­ne z zakre­su mikro­fal. Fale te mają taką wła­sność, że oddzia­łu­ją z czą­stecz­ka­mi wody, któ­re znaj­du­ją się w jedze­niu. Pod wpły­wem mikro­fal czą­stecz­ki wody zaczy­na­ją drgać. Poru­sza­ją­ce się czą­stecz­ki wody ocie­ra­ją się o inne czą­stecz­ki, z któ­rych zbu­do­wa­ne jest jedze­nie. W wyni­ku tego tar­cia, potra­wa się nagrzewa.

 

 

Jeśli nie wie­rzysz, że tar­cie może gene­ro­wać cie­pło, to potrzyj ener­gicz­nie dłoń­mi o sie­bie. Po chwi­li poczu­jesz cie­pło. Możesz rów­nież przez kil­ka­na­ście sekund pocie­rać gum­ką do maza­nia o kart­kę. Gdy dotkniesz tej czę­ści gum­ki, któ­ra sty­ka­ła się z kart­ką, poczu­jesz, że jej tem­pe­ra­tu­ra wzro­sła. Zapro­po­nuj w komen­ta­rzu wła­sny pomysł na doświad­cze­nie poka­zu­ją­ce, że wsku­tek tar­cia wydzie­la­ne jest ciepło.

 

FALA STOJĄCA

W kuchen­ce mikro­fa­lo­wej mamy do czy­nie­nia z nastę­pu­ją­cą sytu­acją: gene­ro­wa­na jest fala elek­tro­ma­gne­tycz­na, bie­gnie ona we wnę­trzu kuchen­ki, aż docie­ra do ścian­ki. Następ­nie odbi­ja się od ścian­ki i bie­gnie w prze­ciw­nym kie­run­ku. Fala gene­ro­wa­na przez kuchen­kę i odbi­ta nakła­da­ją się na sie­bie. W wyni­ku tego połą­cze­nia powsta­je fala, któ­rą nazy­wa­my falą sto­ją­cą.

 

 

Fala sto­ją­ca jest spe­cjal­nym przy­pad­kiem fali. Wystę­pu­ją w niej takie miej­sca, gdzie drga­nia są mak­sy­mal­ne. Nazy­wa­my je strzał­ka­mi. Miej­sca, gdzie nie wystę­pu­je wła­ści­wie żad­ne drga­nia nazy­wa­my węzła­mi fali sto­ją­cej.

 

 

Zauważ­my, że odle­głość mię­dzy dwo­ma strzał­ka­mi rów­na jest poło­wie dłu­go­ści fali.

 

 

Jeśli wło­ży­my jedze­nie do kuchen­ki mikro­fa­lo­wej, to w miej­scach, gdzie wystę­pu­ją strzał­ki fali, będzie się ono nagrze­wa­ło naj­moc­niej. Tam, gdzie są węzły, jedze­nie nie będzie ogrze­wa­ne. Aby pod­grzać posi­łek rów­no­mier­nie, sto­su­je się tale­rze obrotowe.

 

 

 

POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

Wie­dząc co nie­co o falach elek­tro­ma­gne­tycz­nych, może­my przejść do pomia­ru ich prędkości.

Przy­go­tuj:

• Kuchen­kę mikrofalową
• Tablicz­kę cze­ko­la­dy (mogą być dwie tabliczki)
• Wyka­łacz­ki
• Linij­kę
• Kal­ku­la­tor

Uwa­ga!
Potra­wy pod­grza­ne w mikro­fa­lów­ce mogą być gorą­ce! Poproś kogoś doro­słe­go o pomoc!

 

 

Będzie­my korzy­stać ze wspo­mnia­nej już zależności:

 

 

Potrze­bu­je­my zatem poznać dłu­gość i czę­sto­tli­wość fali gene­ro­wa­nej w kuchen­ce mikro­fa­lo­wej. Pra­wie wszyst­kie mikro­fa­lów­ki wytwa­rza­ją fale o czę­sto­tli­wo­ści 2 450 000 000 Hz.
Hz (czy­taj „herc”) to jed­nost­ka czę­sto­tli­wo­ści. Dla pew­no­ści możesz poszu­kać na swo­im urzą­dze­niu tablicz­ki zna­mio­no­wej, na któ­rej będzie napi­sa­ne, jakiej czę­sto­tli­wo­ści fale generuje.

UWAGA: Jeśli będzie napi­sa­ne 2450 MHz lub 2,45 GHz, to jest to to samo, co 2 450 000 000 Hz.

 

 

Dłu­gość fali pozna­my nad­ta­pia­jąc cze­ko­la­dę. W tym celu włóż cze­ko­la­dę do mikro­fa­lów­ki. Waż­ne jest, aby usta­wio­na była ona nie­ru­cho­mo, dla­te­go naj­pierw wyj­mij obro­to­wą tac­kę z wnę­trza kuchenki.
Włącz urzą­dze­nie na oko­ło 45 sekund. Ten czas jest poda­ny orien­ta­cyj­nie. Być może, u Cie­bie będzie potrzeb­ne tro­chę krót­sze lub dłuż­sze nagrzewanie.
Cho­dzi o to, by cze­ko­la­da dopie­ro co zaczę­ła się topić w pew­nych punk­tach. Ustal, za pomo­cą wyka­łacz­ki, gdzie cze­ko­la­da zaczę­ła się robić płyn­na i wbij tam paty­czek. W tych miej­scach były strzał­ki trój­wy­mia­ro­wej fali sto­ją­cej wytwo­rzo­nej w mikrofalówce.

 

 

Zmierz odle­gło­ści mię­dzy naj­bliż­szy­mi patyczkami.

 

 

Zapisz na kart­ce swo­je pomiary.

 

 

Ja zmie­rzy­łam 4 róż­ne odle­gło­ści. W ide­al­nej sytu­acji, wszyst­kie czte­ry pomia­ry były­by rów­ne. Nie­ste­ty nie zawsze da się tra­fić patycz­kiem dokład­nie w miej­sce, gdzie była strzał­ka fali. Dla­te­go nale­ży obli­czyć śred­nią ze wszyst­kich pomiarów.

 

 

U mnie śred­nia zmie­rzo­na odle­głość to 6,2 cm, czy­li 0,062m. Odle­głość ta to dopie­ro poło­wa dłu­go­ści fali. Zatem dłu­gość fali wynosi:

 

 

Zna­jąc dłu­gość i czę­sto­tli­wość, moż­na wyzna­czyć szyb­kość fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej. Jak wiesz, świa­tło jest przy­kła­dem fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej, zatem moż­na napisać:

 

 

Pomiar odle­gło­ści wyko­na­ny zwy­kłą linij­ką nie jest wystar­cza­ją­co pre­cy­zyj­ny, aby wynik wyno­sił dokład­nie tyle, co rze­czy­wi­sta war­tość pręd­ko­ści świa­tła. Teraz Ty wyko­naj swo­je wła­sne pomia­ry, może będziesz bli­żej rze­czy­wi­stej wartości. 🙂

 

A CO Z CZEKOLADĄ?

Moż­na pocze­kać aż z powro­tem stward­nie­je i zjeść. Moż­na rów­nież roz­to­pić do koń­ca i zjeść, macza­jąc w niej kawał­ki owo­ców. Wybór nale­ży do Ciebie.

 

Słod­kie­go eksperymentowania!

 

Alek­san­dra Kowalska