Využití mobilního telefonu při školní výuce fyziky

Vlastimil Šmíd,
Gymnázium Ostrava - Hrabůvka,
ul. Fr. Hajdy 34,
700 30 Ostrava Hrabůvka,
kontakt: vlastimilsmid.sk

Mobilní telefon je unikátní technické zařízení, které v sobě slučuje celou řadu technických vynálezů z oblasti fyziky. Při výuce jej můžeme použít jako názornou ukázku praktického využití v celé řadě kapitol středoškolské fyziky. Uvedu jejich výčet, který určitě není vyčerpávající.

Mobilní telefon je elektrický přístroj, který svou energii čerpá z elektrochemického zdroje (obvykle NiCd - články), učivo "Elektrický proud v elektrolytech - galvanické články - akumulátory". K nabíjení těchto akumulátorů slouží adaptér, který je tvořen transformátorem s usměrňovačem a stabilizátorem napětí, učivo "Střídavý proud - usměrňovač", také učivo "Elektrický proud v polovodičích - dioda". Na začátku komunikačního kanálu je mluvené slovo, zachycené elektroakustickým měničem - mikrofonem, obvykle kapacitním, učivo "Přenos signálů vlněním - elektroakustické měniče". Získaný elektrický signál je zesilován, učivo "Střídavý proud - zesilovač", také učivo "Elektrický proud v polovodičích - tranzistor".

Kmenově spadá mobilní telefon do kapitoly "Přenos signálů vlněním - sdělovací soustava - vysílač, přijímač". Informace mezi mobilním telefonem a operátorem jsou přenášeny pomocí elektromagnetického vlnění, učivo "Elektromagnetické vlnění". Na konci je opět elektroakustický měnič - zdroj zvuku, který pracuje obvykle na principu piezoelektrického jevu, učivo "Struktura pevných látek - anizotropní látky", případně magnetodynamický měnič (sluchátko pro hands free "chodec") učivo "Přenos signálů vlněním - elektroakustické měniče".

Každý mobilní telefon je vybaven elektronickými hodinami. Jejich chod je řízen oscilátorem - výbrusem křemíkového krystalu ve tvaru kmitající tyče. Její kmitání je řízeno s využitím piezoelektrického jevu a zpětnovazebného zesilovače, učivo "Nucené kmitání oscilátoru - zpětná vazba".

Zajímavá je i zobrazovací jednotka, tvořená displejem z tekutých krystalů. V závislosti na přiloženém napětí mění optické vlastnosti. Funguje jako polarizátor, navíc závislý na elektrickém napětí. Krycí fólie funguje jako analyzátor, který nepropouští světlo z určitých plošek. Ty se jeví jako černé. O tom, že obraz je polarizovaný, se můžeme přesvědčit použitím dalšího analyzátoru, učivo "Vlnové vlastnosti světla - využití polarizace světla". Displej je navíc podsvícený pomocí LED diod, učivo "Elektrický proud v polovodičích - polovodičová dioda", "Základní pojmy kvantové fyziky - kvantování energie a čárový charakter emitovaného světla"

Některé pokusy ve fyzice s využitím mobilního telefonu

Odraz elektromagnetického vlnění

Parabolický reflektor
- připravíme jej ze čtvercového kusu alobalu tak, že jej vytvarujeme částečně podle koule (míč, svítidlo ...) a částečně rukou do tvaru parabolického odražeče
Mobilní telefon jako sonda pro indikaci síly signálu
- v případě silného signálu můžeme odšroubovat nástavec antény a tím snížit citlivost tak, abychom lépe pozorovali změnu intenzity signálu

Vlastním pokusem budeme zaměřovat směr nejbližšího vysílače našeho mobilního operátora.

Mobilní telefon (horní část s anténou) umístíme do ohniska parabolického reflektoru (přibližně polovina poloměru použité koule). Ze strany paraboly bude přijímaný signál stíněn, z otevřené strany naopak zesilován. Tím získáme směrovou anténu. Při otáčení systému budeme pozorovat indikátor úrovně signálu na mobilním telefonu. Měli bychom zjistit, že v jednom směru dojde k zeslabení signálu a při natočení do opačného směru k jeho zesílení. To je směr, ve kterém leží nejbližší vysílač. (Může to být i směr nejsilnějšího odrazu signálu.)

Pokus ukazuje, jak se chová vlnění o krátkých vlnových délkách při odrazu a ve stínu. Modeluje také směrovou anténu, podobnou satelitním přijímačům.

Faradayova klec

Mobilní telefon - opět využijeme indikátor síly signálu
Faradayova klec - kousek alobalu, případně F. klec ze soupravy pro elektrostatiku

Faradayova klec je uzavřená klec, tvořená drátěným pletivem nebo jinými vodivými stěnami. Uvnitř takové klece je intenzita (vnějšího) elektrického pole nulová. Oka (otvory) v kleci musí být mnohem menší než vlnová délka uvažovaného elektromagnetického vlnění.

Faradayovu klec kolem mobilního telefonu vytvoříme tak, že mobilní telefon celý pečlivě zabalíme do alobalu. Jen v místě indikátoru úrovně signálu protrhneme malé okénko. (Při odkrytí celého displeje by se signál mohl v dostatečné síle odrazit až k anténě. Doporučuji menší okénko, než je na fotografii, případně můžeme okénko částečně zakrývat.) Na indikátoru můžeme pozorovat prakticky úplné vymizení signálu.

Závěr: uvnitř kovových prostor - kabina výtahu, dopravního prostředku, v místnostech s vodiči ve stěnách ...) je zhoršený příjem elektromagnetického vysílání - televize, rozhlas, mobilní telefony.
Naopak - vodivým pláštěm můžeme odstínit rušivé vlivy elektromagnetického pole - stínění vodičů ve sdělovací technice, koaxiální kabel.

Polarizace světla

Displej mobilního telefonu je zdrojem polarizovaného světla (viz. poznámka výše: "Zajímavá je i zobrazovací jednotka ..."). Jako analyzátor můžeme použít polarizační filtr ze soupravy pro polarizaci světla.

Zajímavý je rovněž pohled na displej mobilního telefonu přes dielektrické zrcadlo (nejlépe černé sklo nebo lesklou černou plastovou plochu - může to být černá část plastového obalu na CD "slim"). Přitom musíme najít vhodný úhel, pod kterým se na displej díváme.

Mobilní telefon přiložíme těsně vedle zrcadla (není podmínkou) tak, že přímo vidíme jeho boční stranu. Zrcadlo sklopíme směrem k displeji (a směru našeho pohledu) pod úhlem asi 45^o. V zrcadle tak vidíme normální obraz mobilu s čitelným displejem.
Mobil otočíme (kolem osy kolmé k displeji) o 90^o tak, že se díváme na jeho spodní část. V zrcadle pak vidíme jeho obraz, ale displej je celý černý. Rovinu polarizace světla, vycházejícího z displeje jsme otočili o 90^o.

Kvantování energie - spektrum LED diody

Podsvícený displej pozorujeme pomocí spektroskpu. (Můžeme použít např. školní mřížkokvý spektroskop.) Zjistíme, že světlo je tvořeno jedinou spektrální čárou, která odpovídá teorii diodového jevu. Při pádu z potenciálového valu elektron vyzáří odpovídající kvantum energie.