Vladimír Vochozka
Katedra aplikované fyziky a techniky, Pedagogická fakulta,
Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích
Abstrakt
Vochozkovo šestiboký hranol představuje variaci na klasickou pomůcku – Leslieho kostku, sloužící k demonstraci rozdílné emisivity povrchů těles. Tento experiment využívá metodu černé schránky, kdy studenti za pomoci termokamery určují neznámou teplotu vyhřívaného šestibokého hranolu. Studenti mohou volit různé povrchy (černý, bílý, lesklý atd.) pro své měření. Při práci s termokamerou jsou vedeni k úpravě výchozích parametrů na základě aktuální teploty prostředí.
Úvod
Leslieho kostka slouží ke zjištění vyzařování tepla v závislosti na teplotě a složení materiálu [1]. Je to měděná dutá krychle se snímatelným víkem k vložení teploměru nebo teplotního čidla [2]. Vždy jedna plocha je lesklá, matná, bílá a nalakovaná načerno [3].
První kostka byla navržena v roce 1804 skotským fyzikem Johnem Lesliem, který žil v letech 1766–1832 [2]. Irský fyzik John Tyndal, žijící v letech 1820–1893, navrhl experiment, v jehož provedení byla jedna z vertikálních stran krychle pokryta vrstvou zlata, další vrstvou stříbra, třetí vrstvou mědi a čtvrtá strana byla pokryta lakem ze slídy [1]. Krychle byla vyrobena z kovového bloku s centrální dutinou [1].
Pod názvem „Leslieho kostka“ se tato pomůcka stále prodává a je vybavením mnoha fyzikálních kabinetů. Cena za tuto pomůcku není zanedbatelná, jak uvádí Tabulka 1 s aktuálními cenami k datu 13. 06. 2024.
Tabulka 1: Přehled cen Leslieho kostky v obchodech s fyzikálními pomůckami.
| Obchod | Cena s DPH (Kč) |
| Vybavení škol | 10 018 |
| Helago | 9 026 |
| Baar Group | 11 319 |
| Conatex | 7 286 |
Vochozkovo šestiboký hranol
Pomocí snadno dostupných a levných technologií je možné doplnit práci s termokamerami novější verzí Leslieho kostky (Obrázek 1).
Obrázek 1: Vochozkovo šestiboký hranol.
Základ pomůcky tvoří šestiboký hranol vytvořený pomocí FDM 3D tisku navrhnutý v CAD programu SolidWorks. Do duté části (Obrázek 2a) je vlita voda, která je ohřívána gumovou vyhřívací podložkou.
 |  |
Obrázek 2: a) dutá část s vyhřívací podložkou, b) víko nádoby se zadní stranou digitálního termostatu, zdířkou 5,5×2,1 mm, teplotním čidlem a vyhřívací podložkou.
Ohřev je řízen digitálním termostatem W1209 (Obrázek 2b), který udržuje teplotu s přesností do 1 °C. Vše je napájeno přes síťový 12V adaptér. Cena vytvořeného šestibokého hranolu je 355,32 Kč (Tabulka 2).
Tabulka 2: Přehled dílů šestibokého hranolu.
| Položka | Cena (Kč) |
| Digitální termostat | 49,00 |
| Gumová vyhřívací podložka | 68,00 |
| 2 vruty univerzální 4×15 | 0,32 |
| Síťový napájecí adaptér | 188,00 |
| Zdířka | 14,00 |
| Filament (93 g) | 36,00 |
Jednotlivé stěny jsou ošetřeny různými barvami (černá – LabIR paint, šedá – ColorWorks, bílá – směs síranu barnatého a disperzního lepidla) či doplněny plátky kovu (matný a lesklý) společně s teplovodivou pastou. Takto vytvořený šestiboký hranol slouží jako černá schránka s neznámou teplotou. K pokusu je k dispozici ještě vytisknutá deska se stejně ošetřenými povrchy (Obrázek 3).
Obrázek 3: Destička s různými povrchy.
POKUS
Určete teplotu šestibokého hranolu
Pomůcky
- termokamera
- destička s různými povrchy
- bodové teplotní čidlo, které ukazuje teplotu destičky
- pravítko
- maskovací páska
- šestiboký hranol
Postup
- Vlijte vodu do prostoru šestibokého hranolu, tak aby byla mezi volnou vodní hladinou a víkem malá vzduchová mezera.
- Zapojte napájecí adaptér do síťové zásuvky.
- Na termostatu zvolte libovolnou hodnotu do 60 °C a zakryjte displej termostatu pomocí záslepky.
 |  |
| Obrázek 3: a) aktuální teplota, b) vytažená záslepka displeje. | |
- Spusťte datalogger s bodovými čidlem a určete teplotu vzduchu v místnosti.
- Bodové teplotní čidlo spojte maskovací páskou s výstupkem destičky s různými povrchy (Obrázek 4).
Obrázek 4: Datalogger s bodovým čidlem spojený přes výstupek destičky s různými povrchy.
- Vyzvěte žáky, aby určili neznámou teplotu šestibokého hranolu s použitím termokamery a možností upravovat její nastavení (emisivita, vzdálenost, okolní teplota, bodová/plošná analýza, …).
Vysvětlení
Znalost teploty okolního prostředí je klíčová pro správné nastavení termokamery a výpočet emisivity. Připevnění teplotního čidla na destičku umožní přesné měření teploty povrchů destičky, které bude použito jako referenční hodnota. Určení teploty šestibokého hranolu pomocí termokamery pomůže pochopit vliv různých faktorů na přesnost měření teploty a význam správné kalibrace přístrojů.
Fyzikální principy: Tento pokus demonstruje principy emisivity a záření tepla z různých povrchů. Povrchy s různou emisivitou vyzařují teplo odlišně, což je detekovatelné termokamerou.
Metodika černé schránky: Studenti nemají přímý přístup k přesné teplotě vody, což simuluje reálné situace, kdy je teplota měřena nepřímo. Tím se naučí důležitosti a metodám kalibrace měřících přístrojů.
Analýza a interpretace dat: Umožnění nastavení různých parametrů termokamery podporuje kritické myšlení a schopnost analyzovat a interpretovat naměřená data.
Tento postup je navržen tak, aby studenti získali praktické zkušenosti s měřením teploty a pochopili vliv povrchových vlastností na vyzařování tepla.
Závěr
V popsaném pokusu je nastíněna možnost, jak s žáky pracovat na kvantitativním vyhodnocení termogramů. Určením neznámé hodnoty se tak seznamují s komplikovanou problematikou přesného určení teploty pomocí termokamery.
Použitá literatura a informační zdroje
[1] OLSON, Richard G. A note on Leslie’s cube in the study of radiant heat. Annals of Science [online]. 2006, 2006-08-22, 25(3), 203-208 [cit. 2024-06-13]. ISSN 0003-3790. Dostupné z: doi:10.1080/00033796900200111
[2] LESLIE, John. An Experimental Inquiry into the Nature and Propagation of Heat [online]. 2015, 2015-06-05 [cit. 2024-06-13]. Dostupné z: doi:10.1017/CBO9781316105887
[3] MELANDER, Emil, Jesper HAGLUND, Matthias WEISZFLOG a Staffan ANDERSSON. More than Meets the Eye – Infrared Cameras in Open-Ended University Thermodynamics Labs. The Physics Teacher [online]. 2016, 2016-12-01, 54(9), 528-531 [cit. 2024-06-13]. ISSN 0031-921X. Dostupné z: doi:10.1119/1.496788