Fyzika na scéně – exploratorium pro žáky základních a středních škol reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/03.0042
POKUSY S JEDNODUCHÝMI POMŮCKAMI
Renata Holubová
Olomouc 2012
Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Zvyšování kvality ve vzdělávání Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.04/03.0042 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. První vydání © Gymnázium Olomouc, Čajkovského 9, 2012 ISBN 978-80-7329-317-8 (Repronis)
Obsah
Úvod
5
I.
Pokusy s PET lahvemi
7
II.
Pokusy s plechovkami
27
III.
Pokusy s papírem
40
IV.
Hrátky se vzduchem
54
V.
Pokusy z optiky
57
VI.
Různé
86
3
Úvod
V publikaci jsou prezentovány soubory experimentů s jednoduchými pomůckami, které byly shromážděny na základě publikovaných materiálů ve sbornících z Veletrhů nápadů učitelů fyziky, stránek Debrujárů, osobních stránek učitelů fyziky i vlastních námětů. Daný výčet experimentů není ani zdaleka úplný, stále se objevují nové nápady a vylepšení, navíc zde nejsou zahrnuty experimenty, které využívají různá technická zařízení, komponenty vyřazených počítačů, motorů apod. Uvedené experimenty se osvědčily při práci s žáky na základních školách a nižších stupních víceletých gymnázií, vybrané pokusy jsou vhodné i pro starší žáky.
5
I. Pokusy s PET lahvemi
Zhasněte svíčku Pomůcky: svíčka, plastová láhev Před hořící svíčku postavíme 2litrovou plastovou láhev naplněnou vodou (aby se nepřevrhla). Posadíme se před láhev a foukáním na láhev se snažíme svíčku zhasnout. Ti šikovnější dokáží zhasnout i tři svíčky stojící v řadě za sebou.
Pozorujeme-li pokus z boku, je nápadné, že plamen svíčky se při foukání naklání směrem k láhvi. Příčinou zhasnutí plamene je pohyb vzduchu ve vírech za láhví. Vzduch obtéká láhev velkou rychlostí a vytváří za ní vír. V těchto vírech dochází k silnému proudění v opačném směru. Vzduchové víry Pomůcky: svíčka, plastová láhev Zapalte svíčku a úderem dlaně na prázdnou plastovou láhev, jejíž hrdlo míří na plamen svíčky, svíčku zhasneme. Kruhový vír vzniká tak, že vzduch proudící z láhve je zabrzděn vzduchem, který láhev obklopuje. Proto je rychlost víru relativně malá. V okolí prstence lze však registrovat rychlý rotační pohyb. Jestliže část tohoto rychle rotujícího prstence dosáhne plamene, svíčka zhasne. 7
Foukni kuličku do láhve Pomůcky: prázdná plastová láhev, malá kulička z papíru Zmačkáme kousek papíru do tvaru kuličky a položíme ji do hrdla láhve. Fouknutím se snažíme dostat kuličku do láhve. Kulička nevlétne do láhve, ale naopak vystřelí ven. Foukáním na kuličku dodáváme do láhve, která je plná vzduchu, další vzduch. Přetlak nedovolí dostat kuličku do láhve. Větrník Pomůcky: 2litrová plastová láhev, nůžky, hřebík, stojan Větrník dáme do proudu vzduchu. Proudový odpor láhve s otvorem dopředu je větší než s otvorem na zadní straně.
8
Nafukování balónku Pomůcky: plastová láhev, nafukovací balónek, lázeň s horkou vodou Na hrdlo plastové láhve navlékneme nafukovací balónek a láhev postavíme do lázně s horkou vodou. Vzduch v láhvi se ohřívá, rozpíná se a balónek se nafukuje. Destrukce PET lahví Pomůcky: plastová láhev, horká voda, lázeň se studenou vodou Do plastové láhve nalijeme 3 až 5 cm horké vody, láhev uzavřeme a postavíme do studené vody. Ochlazením páry vzniká v láhvi podtlak, vnější atmosférický tlak zmačká láhev. Plování Pomůcky: 2 podivné míčky, 2 pet láhve s limonádou, vodní lázeň Na vodní hladinu v nádobě položíme dva míčky zdánlivě stejné – jeden plave, druhý klesá ke dnu. Do vody ponoříme 2 malé PET láhve s limonádou – jedna se ve vodě vznáší, druhá klesá ke dnu. Podstatou je vztlaková síla. Jeden míček je celý z plastelíny, druhý je pingpongový míček obalený plastelínou. Jedna limonáda je běžné limo, druhá je linie – slazená náhradním sladidlem. Limonáda slazená cukrem má jinou hustotu než limonáda slazená náhradním sladidlem. Tepelná rozpínavost vzduchu II Pomůcky: platová láhev, mince Na navlhčené hrdlo prázdné skleněné (nebo pevné plastové) láhve položíme minci. Láhev uchopíme do dlaní – tak zahřejeme vzduch v láhvi (doporučujeme předem vzduch v láhvi ochladit proudem studené vody). Po chvíli začne mince téměř periodicky nadskakovat. Zahřátý vzduch v láhvi zvětšuje svůj objem. Tlaková síla zahřátého vzduchu v láhvi pak zdvihne minci.
9
Tornádo v láhvi Pomůcky: dvě plastové láhve, slepené zátky s otvorem uprostřed, voda Do plastové láhve naplníme vodu, láhev zašroubujeme dvojitým uzávěrem, našroubujeme druhou láhev. Láhve otočíme tak, aby voda byla v horní láhvi. Motivace: Jak dostaneme vodu z horní láhve do spodní, aniž bychom ji protlačovali otvorem? Dvojici lahví roztočíme – v láhvi se vytvoří tornádo, voda začne přetékat z horní láhve do spodní. Výtokové víry sestávají z tenké velmi rychle rotující povrchové vrstvy vody, která obklopuje směrem dolů se zužující sloupec vzduchu. Stejným směrem roste i rychlost proudění v povrchové vrstvě. Výtokový vír sahá až ke spoji obou lahví. Lze pozorovat změny tvaru víru při naklonění celého zařízení. Vír je udržován ve svislé poloze potenciální energií vody tekoucí směrem dolů. Relativně malé vnitřní tření vody způsobí, že blízko povrchové vrstvy víru jsou rychlosti mnohem větší než rychlost výtoku vody. Vír připomíná vzduchový vír u tornáda. Karteziánek Pomůcky: 2litrová plastová láhev, voda, karteziánek Láhev naplníme vodou, dáme do ní potápěče a zašroubujeme. Tlakem na stěny láhve uvádíme potápěče do pohybu. Jako potápěč se hodí polystyrénová zátka nebo kapátko. Voda může vniknout mezi póry zátky nebo do kapátka – tím se zvětší jejich hmotnost. Povolení tlaku vede k tomu, že stlačený vzduch vodu vytlačí, zmenší se hmotnost a hustota potápěče a ten stoupá vzhůru. Demonstrujeme tak všestranné šíření tlaku v kapalině. Vysvětlení: Stlačením láhve se zvětší tlaková síla působící na potápěče, vniká do něj voda a kapátko se pohybuje dolů. Při zmenšení tlakové síly naopak vodu 10
z kapátka vytlačuje stlačený vzduch a to se pohybuje směrem vzhůru a otáčí se na druhou stranu. Směr pohybu ovlivňuje výslednice vztlakové a tíhové síly, která působí na kapátko. Lopatky kola na kapátku jsou pak příčinou, proč se kapátko při pohybu dolů a vzhůru otáčí. Směr pohybu otáčení potápěče se mění, protože se mění směr výsledné síly (stlačení láhve – směr svisle dolů, povolení – směr svisle vzhůru). Heronova fontána Pomůcky: plastová láhev, zátka s trubičkou, voda, hadička Do plastové láhve nalijeme trochu vody a uzavřeme ji zátkou, kterou prochází skleněná trubička. Ta končí těsně nad hladinou vody v láhvi. Nejprve do láhve přes trubičku prudce foukáme. Po uvolnění trubičky z ní začne stříkat voda. Změnu tlaku lze vyvolat i stlačením stěn láhve.
Demonstrace všestranného šíření tlaku v kapalině a plynu, stlačitelnost vzduchu.
Pumpa Pomůcky: plastová láhev s rovnými stěnami s odřezaným dnem, gumová pohyblivá zátka, široká hluboká nádoba s vodou Plastové láhvi odřežeme dno, upravíme gumovou zátku horizontálním zářezem do poloviny zátky, kterou láhev uzavřeme. Láhev ponoříme asi 10 cm hluboko 11
do široké nádoby s vodou. V této poloze láhví plynule pohybujeme nahoru a dolů. Voda v láhvi stoupá vzhůru, až začne z láhve vytékat. Podstatou je setrvačnost vody. Při pohybu vzhůru je gumová zátka uzavřena, proto je voda urychlena spolu s lahví směrem nahoru. Jestliže pohyb láhve zbrzdíme a poté jí pohybujeme opět dolů, voda vlivem setrvačnosti pokračuje v pohybu nahoru. Nejprve vytlačuje vzduch, později vytéká voda. Místo gumové zátky lze použít minci, kterou přilepíme k hrdlu láhve jen z jedné poloviny lepicí páskou.
Polymer má paměť Pomůcky: plotýnkový vařič, skleněná tyčinka, kousky PET lahví, alobal Výroba vláken ze zbytků lahví PET, popř. obalů HDPE, LDPE. Z obalů nařežeme menší kousky (1x1 cm), které dáme do ploché misky vytvarované z alobalu. Tuto misku položíme na plotýnkový vařič a zahříváme. Do tajícího polymeru ponoříme skleněnou nebo dřevěnou tyčinku a pomalým pohybem vytahujeme plastové vlákno. Můžeme zkoumat pevnost v tahu. Kolotoč – Segnerovo kolo Pomůcky: plastová láhev, slámky, provázek, stojan, voda, podložka na vytékající vodu Asi 5 cm nad dnem plastové láhve si připravíme dva a dva otvory proti sobě, do kterých zasuneme slámky. Poslední třetinu slámky ohneme. Láhev zavěsíme, naplníme vodou a pustíme. Voda vytéká a roztáčí láhev. Demonstrace Newtonova zákona akce a reakce. Reakcí na vytékající proudy vody je otáčivý pohyb láhve. Segnerovo kolo bylo zkonstruováno v roce 1750, prakticky bylo poprvé využito v roce 1760 nedaleko Göttingenu v mlýnech na obilí. Podobně byla o 100 let později sestrojena vodní turbína, kde stejně jako u Segnerova kola je rychlost otáčejících se kol (u kola trubiček) mnohem větší než výtoková rychlost vody. 12
Ponorka Pomůcky: malá plastová láhev, zátka, jejímž středem prochází hadička, zátěž, lepicí páska, vodní lázeň Ve stěně plastové láhve uděláme otvor, v jeho blízkosti umístíme zátěž. Láhev zavřeme zátkou, kterou prochází hadička. Jeden konec hadičky směřuje v láhvi směrem vzhůru (na opačnou stranu než je otvor), druhý konec hadičky směřuje nad hladinu, do něj foukáme. Zátěž volíme takovou, aby láhev na vodě plavala. Pomocí hadičky vysáváme z láhve vzduch – ponorka klesá ke dnu. Když do láhve foukáme, ponorka se vynoří nad hladinu.
Otvorem v láhvi se do ní nasává voda – láhev je těžší, klesá ke dnu. Pokud do láhve foukáme, vodu otvorem vytlačujeme, láhev je lehčí a stoupá vzhůru. Kulička ve víčku Pomůcky: 2 malé PET lahve, nůžky, 2 víčka na lahve – modré a červené, 2 kuličky – modrá a červená, izolepa Nejdříve uřízneme dna od lahviček a oba konce po vložení kuliček slepíme izolepou k sobě, na hrdlech jsou víčka (na jednom konci modré a na druhém červené). Úkolem je dostat kuličky od sebe, tzn. na obě strany (červenou kuličku do červeného víčka a modrou do modrého víčka). Po marných pokusech úkol splnit, prozradíme jednoduchý trik – spojené lahvičky roztočíme na zemi či stole a vlivem odstředivé síly se kuličky „rozprchnou“ na kraj do víček. Chceme-li slnit i úkol po „barevné stránce“ musíme si před roztočením kuličky ve středu správně „narafičit“.
13
Žonglování s PET lahvemi Pomůcky: 2 menší PET lahve, barevné papírky na jejich ozdobu, voda, potravinářská barva (např. červená) Provedení: první láhev naplníme až po okraj vodou a uzavřeme, druhou láhev naplníme vodou do poloviny a vodu můžeme obarvit (barva má pouze matoucí úlohu). Láhve vyzdobíme. Vyhodíme-li první láhev do vzduchu, určitě se několikrát obrátí, bude dělat salta, vyhodíme-li ovšem druhou, tak se nám to dařit nebude (voda se uvnitř přelévá, změna těžiště,…) Co je ukryto uvnitř? Pomůcky: menší plastová láhev, „přesýpací“ materiál – proso, písek (vyzkoušet), větší kamínek, umělohmotný brouček apod. Provedení: lahvičku do poloviny naplníme vyzkoušeným „přesýpacím“ materiálem a vložíme i větší předmět, zavíčkujeme. Jemným potřepáním větší „překvapení“ ukryjeme. Pak před diváky dáme láhev do vodorovné polohy a protřepáváním se nám začne objevovat skrytý předmět.
14
Vodotrysk zde voda vystřikuje
Pomůcky: spojená velká a malá plastová láhev, kterými prochází úzká trubička. Naplníme-li malou lahvičku vodou a dáme ji nahoru, voda trubičkou odkapává a vzduch ze zdola vytlačuje vodu a vytváří "intervalový" vodotrysk.
spojená víčka
zde odkapává
Lom světla Pomůcky: tužka se stříbrným koncem, malá plastová láhev, větší plastová láhev Tužku se stříbrným koncem na gumu (gumu seřízneme nebo vyjmeme) vložíme do malé plastové láhve a vše vložíme do větší nádoby (třeba uříznuté PET láhve), stříbro se ztratí. Ověření Pascalova zákona Pomůcky: plastová láhev (1,5 l průhledná) s uzávěrem, opatřená otvory Příprava a provedení: V horní části láhve vytvoříme horkým hřebíkem o průměru cca 2 mm dvě řady otvorů. Láhev nejprve naplníme vodou pod otvory, potom ji uzavřeme a překlopíme. Po mírném zmáčknutí stěn láhve vystřikuje voda do všech směrů. Jev je demonstrací Pascalova zákona.
15
Stlačitelnost vzduchu Pomůcky: plastová průhledná láhev 1,5 l, gumová zátka, skleněná trubička Příprava a provedení: V gumové zátce vyvrtáme otvor korkovrtem o vhodném průměru, aby skleněná trubička, o něco delší než je výška láhve, nahoře v plameni zúžená a otavená, v otvoru dobře těsnila. Trubičkou ponořenou pod hladinu vody nafoukáme do láhve vzduch. Když přestaneme foukat, začne voda tryskat z láhve v podobě fontány. Vysvětlení: Stlačený vzduch působí zvýšeným tlakem na hladinu a vtlačí vodu do trubice.
Ověření stavu beztíže Pomůcky: viz předcházející pokus Příprava a provedení: Navazuje na předchozí pokus – v okamžiku, kdy v předchozím pokusu voda právě přestane stříkat, necháme láhev volně padat. Během pádu pozorujeme opět tryskající fontánu. (Pokus je třeba provádět velmi opatrně, aby se skleněná trubička nezlomila.) Vysvětlení: Rovnováha tlaku vzduchu uzavřeného v láhvi a hydrostatického tlaku vody je při volném pádu narušena. Hydrostatický tlak je roven nule, a proto vzduch vtlačí vodu do trubice. 16
Závislost hydrostatického tlaku na hloubce Pomůcky: plastová láhev (průhledná, 1,5 l), stojan (nejlépe s regulovatelnou výškou na způsob heveru), nálevka, fotomiska, větší nádoba (další plastová láhev) Příprava a provedení: Do láhve vypálíme otvory horkým kovovým předmětem tak, aby jejich vzájemné vzdálenosti byly stejné a aby otvory ležely v přímce nad sebou. Láhev vyvýšíme a vodu necháme stříkat do fotomisky. Pozorujeme, jak s rostoucí hloubkou roste délka dostřiku. Vysvětlení je možné na základě vztahu v 2hg .
Pascalova kouzelná fontána Pomůcky: 2 plastové láhve, 2 gumové zátky, 5 skleněných trubiček (3 asi 10 cm) – jednu z nich na konci zúžit do trysky, 2 asi 30 cm, skleněná nálevka, gumová hadička (celková délka asi 1,5 m) na spojování skleněných trubic, dva stojany s úchytnými držáky, jeden stojan s měnitelnou výškou (hever), kádinka. Příprava a provedení: vodou naplněná láhev s tryskou musí být umístěna aspoň o 20 cm výše než druhá láhev s nálevkou. Vyšší láhev je naplněna těsně pod ústí spojovací trubice. Po důkladném přezkoušení těsnosti všech spojů začneme do nálevky nalévat vodu tak dlouho, až je asi z poloviny naplněna. Z dýzy vytryskne pramen vody, kterou necháme vtékat do nálevky spodní nádoby. Při dokonalém těsnění všech spojů jsou množství vody vteklé a vyteklé z nálevky 17
stejná a hladina vody v nálevce se proto nemění. Tento děj probíhá tak dlouho, dokud se nevyprázdní horní láhev. Při vnitřním průměru trysky kolem 1 mm bude voda tryskat asi 12 minut. Vysvětlení: Stoupající hladina vody v pravé nádobě zvyšuje tlak vzduchu v pravé, a tím i v propojené levé láhvi. To má za následek vtlačování vody do trubice v levé láhvi a vznik fontány. Přeměna vody na víno Pomůcky: dvě pevnější plastové láhve (od octa), 1 uzávěr, 1 gumová zátka, 1 skleněná trubička rovná, 1 skleněná trubička třikrát ohnutá do pravého úhlu, 1 skleněná trubička krátká, 1 skleněná trubička dlouhá, skleněná nálevka (stejné tloušťky jako trubičky), 2 stejné menší kádinky, gumová hadička Příprava a provedení: Provrtanou gumovou zátku pevně nasadíme na skleněnou trubičku, která zasahuje téměř ke dnu láhve, a na horní část nasadíme pomocí vhodné hadičky nálevku. Do obou láhví vypálíme ve stejné výši stejně velké kruhové otvory (korkovrtem) a těsně vtlačíme gumové hadičky, které navzájem propojíme skleněnou trubičkou. Provedení pokusu je patrné z obrázku. Celý úspěch tkví v dokonalém těsnění všech spojů. Druhou láhev (s výpustí) naplníme až těsně pod horní přítokový otvor obarvenou vodou („vínem“) a uzavřeme uzávěrem. Vše šikovně ukryjeme kartonem, aby byla vidět pouze nálevka a výtoková trubice. Když nyní nalijeme do nálevky čistou vodu, vyteče na druhém konci stejné množství obarvené vody („vína“). Vysvětlení: Přiléváním vody do první láhve se zmenšuje objem vzduchu a roste tlak. Ten vytlačuje vodu ze sousední láhve. Heronova sluneční fontána Pomůcky: 2 plastové láhve s provrtanými gumovými zátkami, 2 skleněné trubičky ohnuté do pravého úhlu a na konci zúžené, bílý a černý papír, tepelný zdroj (horské sluníčko) 18
Příprava a provedení: Do láhve nalijeme asi 2 cm vody, nastrkáme 2 až 3 kopírovací papíry. Láhev uzavřeme zátkou, kterou prochází zahnutá trubička, která dosahuje téměř ke dnu láhve. Láhev umístíme do vzdálenosti 25 cm až 50 cm před zdroj infračerveného záření. Po krátké chvíli začne z trysky vystřikovat voda. Pro srovnání je dobré pokus zopakovat ještě jednou se dvěma láhvemi – jednou s kopírovacím papírem a druhou bez něho, příp. s bílým papírem.
Výtoková rychlost Pomůcky: plastová láhev (1,5 l, průhledná), provrtaná zátka, skleněná trubička, fotomiska, laboratorní stolek jako stojan a) Rychlost klesá Příprava a provedení: Asi 3 cm nade dnem vypálíme do stěny nádoby otvor o průměru cca 5 mm. Z vyvýšené láhve necháme vytékat vodu do fotomisky a pozorujeme, jak se dostřik zkracuje s klesající hladinou. b) Rychlost je konstantní Příprava a provedení: Zhotovíme tzv. „Mariottovu láhev“: je to zazátkovaná láhev, do níž je vzduchotěsně nasazena na obou koncích otevřená trubička, kterou může vzduch bublat do vody. Je-li spodní otvor této trubice ve výšce h nad výtokovým otvorem, pak je v tomto místě stále vnější atmosférický tlak a vytékající kapalina má podle Torricelliho vzorce stálou rychlost v 2hg , pokud je trubice pod hladinou kapaliny. 19
Vysvětlení: Trubice přenáší stálý atmosférický tlak z horní hladiny kapaliny pod ni. Odtéká-li při bublání kapalina z láhve, svědčí to o tom, že tlak vnějšího vzduchu sahajícího až k hladině B se vyrovnává s vnitřním tlakem v téže hladině, který je roven součtu tlaku zředěného vzduchu v láhvi a hydrostatického tlaku kapaliny v hloubce B. Výtoková rychlost je tedy dána přetlakem určeným výškou h (vzdáleností hladin B a C). Protože se tato výška nemění, nemění se také výtoková rychlost, pokud všechna kapalina obsažená mezi hladinami A a B nevyteče a hladina B nezačne klesat. Poznámka: u všech pokusů závisí úspěch na dokonalém těsnění všech spojů. Tah komína nebo chladicí věže Pomůcky: půllitrová plastová láhev, svíčka, plochá miska, kousky překližky Provedení pokusu: Ostrým nožíkem nejprve opatrně odřízneme dno průhledné plastové lahve. 1. Na zapálenou svíčku postavíme upravenou láhev podloženou kousky překližky. Vzduch proudí zdola kolem svíčky a dodává plameni kyslík potřebný k hoření. Svíčka hoří klidným plamenem a zahřátý vzduch stoupá vzhůru – vzniká tah. Proudění vzduchu si můžeme na horním konci lahve ověřit rukou nebo papírovým hádkem. 2. Pokus obměníme takto: na misku dáme trochu vody, postavíme do ní hořící svíčku a přiklopíme lahví. Voda znemožní přívod vzduchu zdola a jeho proudění v lahvi ustane. Plamen nedostává potřebný kyslík, a proto svíčka za chvíli zhasne. Stačí však těsně před zhasnutím láhev trochu nadzvednout a umožnit zdola přístup vzduchu. Plamen se opět rozhoří. 20
Proudění (vzduchu, vody apod.) představuje jeden ze způsobů šíření tepla. Tento jev se využívá i v ústředním topení: voda v kotli přijímá teplo, zahřívá se a její hustota se zmenšuje. Proto stoupá potrubím vzhůru k topným tělesům, kterým předá část tepla. Tím se ovšem voda ochladí, její hustota se zvětší a proto klesá zpětným potrubím opět do kotle. Celý koloběh se pak opakuje. Vítr vzniká v přírodě tam, kde se vzduch nestejnoměrně zahřívá. Zvlášť zřetelně se to projevuje na mořském pobřeží. Ve dne se vzduch nad pevninou ohřívá rychleji než nad mořem. Proto nad pevninou stoupá teplý vzduch vzhůru a na jeho místo proudí chladnější vzduch od moře. V noci je tomu naopak: pevnina se ochlazuje rychleji než moře. Proto se proud vzduchu obrátí a vítr vane od pevniny na moře. Na principu proudění zahřátého vzduchu fungují také chladicí věže tepelných a jaderných elektráren. Přiváděná teplá voda ve věži zahřívá vzduch, ten stoupá vzhůru a na jeho místo je zdola nasáván venkovní chladný vzduch. Padající teplá voda se v proudu vzduchu ochlazuje a vrací se zpět do chladícího okruhu. Část vody se vypařuje a nad chladící věží se vytváří oblaka bílé mlhy. Činnost plic Pomůcky: velká plastová láhev, gumová plena, brčka, plastelína nebo lepidlo, provázek U velké plastové láhve odstřihneme dno a nahradíme ho pružným dnem z gumové pleny či gumové rukavice. Do zátky, kterou se dá láhev uzavřít, uděláme dva otvory pro prostrčení brček. Na konec každého brčka připevníme balonek. Láhev s takto upravenou zátkou uzavřeme. Průchod brček dobře utěsníme, 21
např. plastelínou nebo lepidlem Chemopren. Uprostřed pružného dna zvenčí nalepíme jeden konec asi 30 cm dlouhého provázku. Činnost bránice demonstrujeme tak, že střídavě zatáhneme za provázek a uvolníme ho, popř. prstem stlačíme blánu dovnitř láhve. Vzduch se střídavě nasává do brček (představují průdušnici) a balonků (představují plíce), které zvětšují nebo zmenšují svůj objem. Láhev bez dna modeluje hrudní koš. Snížením dna (zvýšením bránice) se sníží tlak v hrudní dutině a vzduch začne proudit do plic. Zvýšením dna (snížením bránice) se vzduch z plic vytlačuje. Velikost našich plic. Pomůcky: plastová láhev 2 l, umyvadlo Zjištění objemu plic – jednu velkou dvoulitrovou plastovou láhev naplňte vodou, obraťte ji dnem vzhůru tak, aby hrdlo bylo ponořeno pod hladinou vody v umyvadle, tak aby nám voda z láhve nevytekla. Nakonec do láhve vsuňte brčko a na jeden nádech vyfoukněte všechen vzduch z plic do láhve. Vydechnutý vzduch vytlačí z láhve vodu a to přibližně tolik vody, jako je objem našich plic. Variace na Archimedův zákon Pomůcky: vysoký válec ze dvou slepených plastových dvoulitrových lahví, dvě malé plastové lahve, jedna dvoulitrová a dvě jedenapůllitrové plastové lahve, siloměry 1 N a 10 N, plastová hadička délky asi 15 cm, stativový materiál, písek, lepidlo na plastové láhve, pevná nit (provázek), izolepa, fix, nůžky. a) Zcela ponořené těleso Příprava a provedení: Vysoký válec připravíme ze dvou velkých plastových lahví (2 litry) tak, že u jedné z nich odstřihneme vršek, u druhé vršek i dno a oba vzniklé díly slepíme (např. Chemoprenem univerzal). Do takto vzniklé válcové nádoby uděláme asi 10 cm pod horním okrajem otvor, do kterého zastrčíme plastovou hadičku a k otvoru ji přilepíme. Dvě malé plastové lahvičky mezi sebou propojíme po vnějších stranách pevnou nití tak, aby jedna lahvička byla zavěšena na druhé a lahvičky byly od sebe vzdáleny asi 25 cm. Na hrdlo horní lahvičky také navážeme nit, pomocí které bude spojená dvojice lahviček zavěšena na siloměr. Spodní lahvičku naplníme pískem a uzavřeme zátkou. Z horní lahvičky zátku odšroubujeme. Lahvičky zavěsíme na vhodný siloměr a stojan, jak ukazuje obr. Do válce nalijeme vodu na úroveň hadičky ústící do nádobky (např. z menší plastové lahve) vedle válce. 22
Na siloměru zjistíme velikost tíhy G, kterou dvojice lahviček na suchu napíná siloměr. Pak opatrně spodní lahvičku (naplněnou pískem) vnoříme zcela do válce s vodou. Z válce začne hadičkou odtékat voda do nádobky. Počkáme, až tato vytlačená voda přestane z válce vytékat. Siloměr nyní ukazuje působení síly F menší než G. Uchopíme nádobku, do které vytekla vytlačená voda, a pomalu z ní vylijeme všechnu vodu do horní lahvičky. V průběhu přelévání pozorujeme, že výchylka siloměru se opět zvětšuje, až dosáhne původní hodnoty G. Vysvětlení: Ponořená lahvička je nadlehčována vztlakovou silou o velikosti Fv = G – F. Velikost Fv je rovna tíze vody, kterou těleso vytlačilo. Lépe a přesněji řečeno – je rovna tíze vody stejného objemu, jako je objem ponořeného tělesa. Poznámky: 1. Pokus s plastovými lahvemi je variantou pokusu s plným a dutým válcem, který býval popsán ve starších učebnicích fyziky. V současné učebnici pro 7. roč. je popsán pokus s mikrotenovým sáčkem, pokus s dutým a plným válcem je ve cvičení. Učebnice pro gymnázia se na pokus ze základní školy odvolává. 2. Při přípravě pomůcek je vhodné prodloužit hrdlo horní lahvičky tak, že z náhradní lahvičky uřízneme hrdlo a k hrdlu horní lahvičky ho přilepíme. Tím se nám pak bez problému do lahvičky vejde všechna vytlačená voda. 3. Vzhledem k použitým prostředkům a snadné přípravě i provedení pokusu i žáky je vhodné zařadit do výuky fyziky tento pokus jako pokus frontální. b) Částečně ponořené těleso – plování Příprava a provedení: Z velké dvoulitrové lahve vytvoříme válec odstřižením vršku lahve a naplníme ho asi do 1/3 vodou. Z lahve o objemu 1,5 litru odstřihneme vršek a přiděláme k němu závěs z pevné nitě. Totéž provedeme ještě s další lahví 1,5 litru. Do jedné z takto upravených lahví nasypeme zkusmo písek asi do poloviny a láhev vsuneme do válce s vodou. Přidáme, resp. ubereme písek tak, aby vnitřní láhev plavala ve válci a voda ještě nevytekla z válce 23
nebo nenatekla do vnitřní lahve (popřípadě upravíme objem vody ve válci). Ponořenou láhev pak vyjmeme z válce a osušíme. Na válci si poznačíme fixem nebo lepícím papírkem počáteční výšku vody (hodí se pro předvedení pokusu v jiné třídě nebo další roky). Postup: Láhev s pískem zavěsíme na siloměr (rozsah 10 N) a zjistíme sílu (tíhu) G, kterou láhev působí na siloměr. Pak láhev opatrně vnoříme do válce s vodou. Láhev volně plove ve vodě, ale nyní není zcela ponořena jako v předchozím pokusu. Siloměr ukazuje při vnořování tělesa do vody stále menší sílu F, až ukáže nulu. Vztlaková síla a tíha jsou v rovnováze. Označíme fixem na vnitřní lahvi, kam až sahá voda. Tuto výšku pak vyznačíme na prázdné (ale jinak stejné) lahvi. Do ní pak pod tuto značku nalijeme vodu, zavěsíme na siloměr, který ukáže původní hodnotu G. Vysvětlení: Tíha vody o objemu, který je stejný jako objem ponořené části tělesa, je rovna vztlakové síle (Archimedův zákon pro případ, že těleso je ponořeno do kapaliny jen částečně.) Pohlcování tepelného záření Pomůcky: dvě plastové lahve 1,5 litru, dvě korkové nebo pryžové zátky, dvě skleněné (popř. plastové) trubičky asi 20 cm dlouhé, svíčka nebo žárovka na panelu, zápalky, pryžová hadička, prkénko (80 cm × 10 cm × 2 cm), dvě podpěry, potravinářská barva, kádinka s vodou, injekční stříkačka, sprejová černá barva. Postup: Pokus uspořádáme podle obrázku. Do prkýnka z měkkého dřeva vyvrtáme dva otvory o průměru rovném průměru hrdla použitých plastových lahví a ve vzdálenosti asi 25 cm od sebe. Do těchto otvorů láhve zasadíme („zavrtáme“) až po rozšířenou část hrdla. Jednu láhev nastříkáme rychleschnoucí černou sprejovou barvou. Prkénko s lahvemi postavíme na podpěry. Můžeme také využít podpěr dvou židlí. Do každé zátky uděláme otvor, kterým prostrčíme skleněnou (popř. plastovou) trubičku asi 20 cm dlouhou. Konce trubiček, které budou vně lahví, spojíme pryžovou hadičkou. Do trubiček a spojovací hadičky nalijeme obarvenou vodu. Takto naplněnou soustavu opatrně zasuneme do lahví (viz obrázek). Doprostřed mezi lahve postavíme svíčku. 24
Provedení: Svíčku zapálíme. Po chvilce pozorujeme pohyb vody v soustavě. Voda je z černé lahve vytlačována do lahve průhledné. Vysvětlení: Černě natřená láhev pohlcuje podstatně více tepelné záření (rychleji se ohřívá) než druhá láhev, která spíše toto záření odráží. V černé lahvi se zvětší teplota, a tím i tlak vzduchu. Tlaková síla vytlačuje vodu do průhledné lahve. Poznámky: 1. Chceme-li mít v trubičkách více vody než při prvním naplnění, vysuneme opatrně jednu zátku s trubičkou a pomocí injekční stříkačky doplníme soustavu vodou. Pak zátku zasuneme zpět. 2. Místo plamene svíčky lze použít i rozsvícenou 40 W žárovku. 3. Necháme-li pokus probíhat delší dobu, je pohyb vody v soustavě stále pomalejší, až se zastaví – vytvoří se rovnovážný stav. Nedochází k dalšímu zvyšování teploty, a tím i tlaku v černé lahvi. Vzájemné působení dvou vodičů s proudem Ukázat vzájemné silové působení dvou rovnoběžných vodičů, kterými prochází elektrický proud, je spojeno s řadou problémů: aby bylo pozorované přitahování resp. odpuzování vodičů prokazatelné, je třeba vybudit v okolí vodičů velké magnetické pole. To znamená ale i velký proud procházející vodičem, což ne každý vodič vydrží. Tyto obtíže je možné eliminovat použitím dvou proužků alobalu připojenými k akumulátoru. Pro učitele je poté určitě náročnější na dvourozměrnou tabuli udělat třírozměrný obrázek s vyznačením směru proudu, magnetické indukce a působící síly a „odvodit“ na základě pravidel levé a pravé ruky orientaci působící síly. Z toho důvodu byla vyrobena jednoduchá pomůcka, která nemá nic společného s příslušným elektrickým obvodem; slouží jen k názorné ukázce prostorového uspořádání uvažovaných tří vektorů. Pomůcky: 3 půllitrové PET láhve s uzávěry, 2 laboratorní stojany, kus tvrdšího silnějšího kartonu, 2 špejle, tužka a papír (čtvrtka), lepidlo, několik špendlíků Postup: Do uzávěrů obou láhví uděláme takový otvor, aby bylo možné láhev uzavřenou uzávěrem nasadit na laboratorní stojan. Z tvrdšího silnějšího kartonu vystřihneme dva kruhy o poloměru zhruba 5–7 cm, uprostřed každého z kruhů uděláme takový otvor, aby jej bylo možné těsně nasadit na uzávěr plastové láhve. Pro jistotu je možné zátku do kruhu vlepit lepidlem. Na čtvrtku papíru, jejíž velikost upravíme tak, aby bylo možné oblepit plastovou láhev, nakreslíme (resp. pomocí tiskárny a počítače vytiskneme) několik 25
výrazných šipek. Na každou láhev pak nalepíme pás se šipkami, přičemž dáváme pozor na to, aby na jedné láhvi byly šipky orientovány opačně než na ostatních. Na další 4 proužky čtvrtky nakreslíme po jedné šipce (z didaktických důvodů volíme 2 barvy šipek po dvou kusech). Na dva z uvažovaných proužků (šipky stejné barvy) přiděláme pomocí proužků papíru z rubové strany úchytky pro provlečení špejle. Na dvě špejle pevně přivážeme k jednomu jejich konci špendlík. Provedení: Na stativové stojany nasadíme příslušné PET láhve (i s uzávěry a připevněnými kartónovými kruhy) podle toho, jestli chceme demonstrovat vzájemné silové působení dvou rovnoběžných vodičů, jimiž prochází proud v souhlasném nebo v opačném směru. Šipky na lahvích představují směr proudu v uvažovaném vodiči. Pomocí pravidla pravé ruky vyvodíme směr magnetické indukce v okolí každého z vodičů a naznačíme jej pomocí proužků se šipkami, které připevníme pomocí špendlíků do kartónu na uzávěru. Potom pomocí Flemingova pravidla levé ruky vyvodíme směr působící síly na příslušný vodič. Směr této síly vyznačíme pomocí špejle, kterou špendlíkem zapíchneme do kartónu a na níž navlékneme proužek papíru se šipkou (viz obr. dole, na kterém je znázorněna situace pro dva vodiče se stejným směrem proudu). Nyní je prostorový model situace dokončený.
26
II. Pokusy s plechovkami
Aerodynamické paradoxon Pomůcky: plechovky od coca coly, sprite apod., slámka Plechovky položíme paralelně vedle sebe, mezi nimi necháme mezeru asi 2 cm. Slámkou foukáme mezi obě plechovky. Plechovky se překvapivě pohybují směrem k sobě. Velká rychlost proudění zajistí, že statický tlak mezi ruličkami je menší než atmosférický tlak.
Destrukce plechovky Pomůcky: 0,33 litrová prázdná plechovka od coca coly, piva apod., plotýnkový vařič, kleště (hadr), lázeň se studenou vodou Do prázdné plechovky nalijeme trochu vody, plechovku postavíme na vařič a zahříváme. Když voda začne vřít, uchopíme plechovku do kleští (hadru), a ponoříme dnem vzhůru do lázně se studenou vodou. Dojde k destrukci plechovky. Pára vytlačí vzduch z plechovky, ta ve studené vodě imploduje.
Elektrostatika Pomůcky: polystyren, plechovka, staniol, tyč Provedení: Na kusu polystyrenu je postavena plechovka. Na krajích plechovky jsou na háčcích zavěšeny kousky staniolu tak, aby se mohly volně kývat. a) Vezmeme novodurovou tyč a dotkneme se plechovky. Nic se neděje. Poté tyč přetřeme látkou z umělého vlákna a opět přejedeme přes plechovku. Stanioly na háčcích se odchlípnou od plechovky. Dotkneme se plechovky rukou, stanioly se opět svěsí. b) Vezmeme skleněnou tyč a dotkneme se plechovky. Nic se neděje. Poté tyč přetřeme jelenicí a opět přejedeme přes plechovku. Stanioly na háčcích se odchlípnou od plechovky. 27
Dotkneme se plechovky rukou, stanioly se opět svěsí. Zamyslete se: Vymysli pokus, kterým bys zjistil, zda jsou náboje vyrobené na skleněné a umělohmotné tyči stejné nebo ne. Náboje vyrobené na tyčích můžeme přenášet na plechovku – přetřeme umělohmotnou tyč a přeneseme z ní náboj na plechovku, stanioly se odchlípnou. Poté nabijeme skleněnou tyč a přiblížíme ji ke staniolům. Stanioly se k tyči přitahují. Náboj na skleněné tyči má opačné znaménko, než náboj na plechovce (a tedy i náboj na umělohmotné tyči). Třením se tyč ze skla nabíjí kladně. Umělohmotná tyč se nabíjí záporně. Poznámka: Když víme, že skleněná tyč se nabíjí kladně a kladný náboj není možné třením vyrobit (protože ho nesou protony v jádrech atomů), měli bychom přeformulovat vysvětlení příkladu 1b). Poté tyč přetřeme jelenicí a opět přejedeme přes plechovku. Stanioly na háčcích se odchlípnou od plechovky. Třením jsme z tyče odebrali záporné elektrony a na tyči zůstala převaha kladných (ale nepohyblivých) nábojů. Po doteku s plechovkou přejde část záporných nábojů z plechovky na tyč (kladný náboj tyče je přitahuje) – převaha kladného náboje se objeví i na plechovce. Shodné náboje ve staniolu a v plechovce se odpuzují, stanioly se odchlípnou. Takové vysvětlení je sice fyzikálně správnější, ale je podstatně obtížnější a zdlouhavější. Z toho, že všechny na střední škole probírané (a i mnoho dalších na střední škole neprobíraných zákonů z elektromagnetismu včetně Maxwellových rovnic) byly zformulovány ještě před objevem elektronů, je vidět, že přesné pochopení částicové podstaty náboje pro popis elektromagnetických jevů není nutné a nebudeme si s nimi komplikovat život. Nadále budeme předpokládat, že se oba druhy nábojů chovají v podstatě stejně: oba je možné přenášet a vytvářet jejich převahu na nějakém tělese, oba se mohou pohybovat přes vodivé předměty atd. Dvě plechovky vybavené stanioly postavíme na polystyren vedle sebe tak, aby se nedotýkaly. Přes obě plechovky položíme drát (nebo jiný kovový předmět). Nabijeme umělohmotnou tyč a s její pomocí i jednu z plechovek. Stanioly se odchlípnou na obou plechovkách.
28
Nabíjení plechovky vodou Pomůcky: plechovka, polystyren, tyč, tekoucí voda Postavte plechovku na polystyrén. Na kraj plechovky pověste lístek alobalu – ten funguje jako lístek elektroskopu. (Vyzkoušejte, zda se plechovka dá nabít otřením nabité tyče, tedy zda se lístek alobalu zvedá). Plechovku vybijte. Připravte si druhou plechovku s trochou vody. Nabijte tyč a z druhé plechovky lijte do stojící plechovky pomalu tenký pramínek vody (tak, aby se voda během padání rozpadala na kapičky). Nabitou tyč přibližte k padající vodě. Pozorujete zvedání lístku alobalu. Pomocí tyče zjistíte, že plechovka se nabila nábojem opačným, než je na tyči.
Faradayova klec Elektrostatika patří na střední i základní škole k tradičně vyučovaným tématům. Přesto se s pojmem Faradayova klec v současných učebnicích fyziky pro základní školy resp. střední školy věnovaným právě elektřině a magnetismu žáci v podstatě nesetkají. Základní učivo obsahuje informace o tom, že náboj se při přivedení na kouli rozmístí na povrchu a uvnitř žádný nenajdeme. Chybí však konkrétní příklady z praxe, které by žákům problematiku přiblížily. Přitom se s Faradayovou klecí setkáváme zcela běžně v každodenním životě.
29
Historická poznámka Již na začátku 19. století si Angličan Michael Faraday povšiml, jakožto pravděpodobně i jiní před ním, že náboj přivedený na dutý vodič je rozmístěn pouze na jeho vnější straně a že ten nemá žádný vliv na předměty umístěné uvnitř. A jelikož byl i výborným demonstrátorem a popularizátorem vědy, postavil velký krychlový dřevěný rám (o straně 12 stop) a ten celý pokryl vodivým materiálem. Do této konstrukce si pak při jedné ze svých večerních veřejných přednášek sedl a nechal ji nabít až natolik, že bylo patrné, jak z ní létají jiskry, on sám však přitom uvnitř žádný efekt elektrického pole nepocítil a na vnitřní straně klece žádný náboj nedetekoval. Již z té doby tedy víme, že náboj se na dutých předmětech typu dutá koule rozmisťuje pouze na povrchu a že intenzita elektrického pole uvnitř takového předmětu je nulová. Následující text obsahuje jednoduché pokusy, související se základními jevy, se kterými si lidé Faradayovu klec nejčastěji spojují. Experimentální možnosti Faradayovou klecí rozumíme uzavřenou plochu tvořenou vodivým materiálem. Tímto materiálem může být například plech. Pěknou představou Faradayovy klece je tedy ještě neotevřená plechovka. Ukazuje se, že v jistém přiblížení lze za Faradayovu klec považovat i jiná tělesa – typickým příkladem je například klec vyrobená z drátové sítě, nebo například i automobil. Většina pokusů s Faradayovou klecí na střední škole se týká rozložení přivedeného elektrického náboje a zkoumání elektrického pole uvnitř a vně nabité klece. Hliníkové proužky – indikátor elektrického náboje Jedním z klasických školních pokusů je důkaz rozložení náboje pouze na vnější straně klece. Pokus je prováděn s válcovou drátěnou klecí (můžeme použít i plechovku), na niž jsou zvenku i zevnitř upevněny kousky hliníkové fólie, případně provázky s kousky polystyrénu na konci. Pokus lze provádět i s částí válcové plochy klece. Vždy docházíme ke stejnému výsledku – zavěšené papírky se vychylují pouze na vnější straně dutiny, kdežto na vnitřní zůstávají viset volně dolů. Z tohoto pozorování lze vyvodit, že náboje jsou pravděpodobně rozloženy pouze na vnější straně plochy, resp. je jich tu takové množství, že proužky fólie, které nesou náboj stejné polarity, se díky elektrostatické odpudivé síle oddálí. 30
Klec smrti Podobným pokusem ve větším provedení, který navíc kopíruje experiment provedený již samotným Faradayem, je pokus s tzv. klecí smrti. Jde o to, že do velké drátěné klece posadíme dobrovolníka a tuto klec připojíme na vysoký potenciál. Opět můžeme pozorovat stejný jev jako při pokusu s hliníkovými proužky, zavěsíme-li je na klec. Přiblížením uzemněného vodiče navíc dochází k efektnímu přeskakování jisker, které je doprovázeno neméně poutavým praskáním. (Samozřejmě bychom mohli pokus uspořádat i opačně – uzemnit klec a přiblížit nabitý vodič, resp. vodič připojený k vysokému potenciálu.) Takovéto pokusy můžeme najít ve formě videí i na webovém portálu YouTube: Faraday Cage Protects from 100,000 V :: Physikshow Uni Bonn Tesla cage of death Mobil v autě Zajímavým pokusem, který má blízkou souvislost s praxí je stínění elektromagnetického pole právě pomocí Faradayovy klece. Zde se již nejedná o „jednoduchou“ elektrostatiku, ale máme co do činění s elektromagnetickým polem. V životě se můžeme setkat s množstvím více či méně dokonalých Faradayových klecí. Autor se zde zabývá především stíněním signálu mobilního telefonu a uvádí příklady, kde může dojít k zeslabení jeho signálu. Správně uvádí, že délka elektromagnetických vln u telefonů GSM 900 je přibližně 33 cm a pro GSM 1800 poloviční, tj. přibližně 17 cm a rovněž tvrdí, že umístíme-li mobil do klece, v níž jsou otvory menší, než je vlnová délka, na nichž telefon komunikuje, pak dojde k zeslabení signálu telefonu. Umístili jsme telefon do plechovky a zkoušeli, jak je třeba klec zakrýt, aby se signál zeslabil natolik, aby telefon přestal být dostupný. Zjistili jsme, že mobil umístěný ve velké plechovce zakryté volně položenou hliníkovou fólií je dostupný (zavoláme-li na něj, ozve se z plechovky vyzvánění). Necháme-li mobil vyzvánět a budeme-li utěsňovat mezery mezi fólií a plechovkou (osvědčila se guma) dojde ke ztrátě signálu a telefon, kterým voláme, bude hlásit, že volaný účastník je nedostupný. Ukazuje se, že situace není tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled zdát, a že i hustá síť, dokonce i plechovka s malými dírkami signál propustí.
31
Exploze Pomůcky: mouka, plechovka s víkem (asi 1,5 litru), trychtýř, hadice, pumpička, čajová svíčka, zápalky, stativ, lžíce Plechovku upevníme pomocí svorky do stativu. Otvorem v plechovce protáhneme hadici a na konec, který je v plechovce, umístíme trychtýř. Do trychtýře dáme 1–2 lžičky mouky. Druhý konec hadice spojíme s pumpičkou. Do plechovky umístíme svíčku, kterou zapálíme. Plechovku uzavřeme. Pomocí pumpy vytvoříme směs mouka-vzduch, která se zapálí. Pohyb plechovky plné, prázdné po nakloněné rovině Plechovka plná a prázdná se kutálí po nakloněné rovině. Pozorujeme rychlost jejich pohybu a délku dráhy do jejich zastavení.
Maxwellovo kyvadlo Pomůcky: plochá plechovka (od krému), provázek, oska Disk se po uvolnění z počáteční polohy pohybuje v tíhovém poli směrem dolů. Jeho potenciální energie (měřená např. od desky stolu, na kterém stojí stojan) tedy klesá, zatímco jeho kinetická energie roste. Je nutné si uvědomit, že kinetická energie má v tomto případě dvě složky: kinetickou energii posuvného pohybu a kinetickou energii rotačního pohybu. Proto CD klesá pomaleji než např. malá kulička, kousek křídy, guma na gumování. U těchto srovnávacích 32
těles má kinetická energie pouze jednu složku (kinetickou energii posuvného pohybu), potenciální energie disku se tedy mění pouze na tuto složku. Kulička, křída a podobná tělesa se tudíž pohybují rychleji. Při návratu zpět do horní polohy disk nevystoupí do stejné výšky, z níž byl spuštěn. Příčinou jsou odporové síly působící na disk během jeho pohybu (odporová síla vzduchu, třecí síla nitě na špejli…), na jejichž překonání je nutná určitá práce, která se koná na úkor mechanické energie soustavy (tj. na úkor počáteční potenciální energie soustavy). V této souvislosti lze tedy o odporových silách alespoň kvalitativně mluvit, můžeme zavést (a dopočítat) účinnost přeměn energií a můžeme se společně s žáky zamyslet nad tím, jak by se dala účinnost přenosu energie této soustavy zvýšit či naopak snížit.
Káča Z plechovky od piškotů upravíme pomůcku podle obrázku. Káču roztáčíme rukou nebo pomocí provázku.
33
Segnerovo kolo a aeolipila Heróna z Alexandrie
Plechovky upravíme podle obrázku. Při přípravě plechovek dbáme opatrnosti při práci s ostrými nástroji. Vysvětlení: Do plechovky nalijeme trochu vody a zahřejeme. Pára vystupuje přes trysky a plechovka se roztočí. Aktivní plechovka Pomůcky: balónek, plechovka, stůl (nebo jiná rovná podložka), vlasy (na zelektrování balónku) Provedení: Na rovnou podložku položíme plechovku. Nafoukneme balónek a elektrujeme jej. Balónek přiblížíme k plechovce. Balónek přiložíme k plechovce a postupně ho oddalujeme. Plechovka balónek „pronásleduje“. Dáme-li balónek do „protisměru“ zběsilé jízdy naší plechovky, okamžitě změní směr a opět následuje balónek. Vysvětlení: Nabité těleso (balónek) a těleso bez náboje (plechovka) se přitahují, proto plechovka následuje zelektrovaný balónek. Balónek musí ale být v relativně malé vzdálenosti od plechovky a plechovka velmi lehká, protože působící elektrostatická síla je malá. 34
Energie zvuku Pomůcky: plechovka, gumová blána, krupice, malá plastová láhev
Na horní otvor nádoby (plechovky) např. od limonády dáme blánu a na ni nasypeme krupici. Ze strany do plechovky uděláme otvor, kterým prostrčíme láhev zbavenou dna. Voláme do láhve a pozorujeme pohyb krupice. Parníček Puf-Puf Konvenční lodě používají pro pohyb vpřed jeden nebo více lodních šroubů a pro manévrování kormidlo. Nevyhovuje-li tato kombinace, používají se vodní trysky, do nichž je voda hnána čerpadlem. Lodě se pak pohybují reaktivní silou vodního proudu tryskajícího ze zádi. Tento systém využívají např. vodní skútry, některé trajekty a menší vojenská plavidla. Parníček Puf-Puf tento druh pohonu napodobuje. Voda je prudce vypuzena z trysky umístěné na zádi a člunek se pohybuje vpřed reakcí na tryskající vodu. K jejímu vypuzení se používá horká pára. Loďka poháněná reaktivním pohonem přináší radost dětem již po mnoho generací. Roku 1891 na ni získal britský patent vynálezce jménem Thomas Piot. Hračka poté zažívala období slávy a úpadku, podobně jako např. jo-jo. Poslední návrat na scénu se udál v 70. letech. Dodnes se po světě vyrábí mnoho variant. Ke jménu loďka přišla podle charakteristického zvuku, který při provozu vydává (v jiných jazycích „put-put“, „toc-toc“, „phut-phut“, „pouet-pouet“).
35
Pomůcky: „měkká“ plechovka od paštiky (větší, 100 g), velkokapacitní náplň do propisky (prázdná), líh, vata Příprava pomůcek: Nejprve z náplně opatrně kombinačkami odstraníme jak psací hrot (chytit a táhnout v ose trubice. Hrot je jen nalisován a jeho odstranění by nemělo činit potíže), tak i plastovou čepičku kryjící širší konec. Zbytek náplně nejprve vyfoukneme ven (opatrně, pozor na potřísnění) a potom dočista vymyjeme v lihové lázni. (Vyplácí se pročistit trubici např. narovnanou kancelářskou sponkou.) Měkkou (hliníkovou) plechovku od paštiky vymyjeme. Do středu zádi, v místě, kde dno přechází ve stěnu, uděláme otvor velký tak, aby jím těsně prošla užší část náplně. Čistě vymytou trubičku (náplň) na širším konci uzavřeme. Nejprve plech scvakneme kombinačkami a pak jej přehneme/zarolujeme. Více napoví fotografie. Takto připravená trubička tvoří pohonný systém lodi – parní kotel s tryskou. Do otvoru na zádi vetkneme tenkým koncem trubičku tak, aby se dnem lodi svírala úhel cca 40°, a aby tryska vyčnívala cca 1–2 cm ven. (Po položení na vodu musí být ústí trysky pod vodou.) Trubičku můžeme ve správné poloze fixovat lepidlem. Tím je loďka hotova. Provedení: Připravíme si vhodnou vodní plochu s klidnou hladinou (postačí větší fotomiska). Do trubičky/kotle vstříkneme (nejlépe injekční stříkačkou s jehlou) malé množství vody a vložíme pod něj vatičku namočenou v lihu. Člun položíme na vodu a vatičku zapálíme. Po chvíli se loďka rozjede a pohybuje se „poskoky“ vpřed. Pohyb trvá, dokud pod kotlem hoří oheň. Princip: Voda, která je v širší části trubice (pracovní prostor), je ohřívána a posléze přivedena do varu. Vznikající pára expanduje. Přitom vypudí zbytek vody úzkou částí trubice ven. V ten okamžik dochází vlivem reakční síly k pohybu, loďka „poskočí“ vpřed. Pára, která pronikne až do úzké části trubice, je v přímém kontaktu s vodou. Dochází k jejímu prudkému ochlazení, kondenzaci a zmenšení objemu. Tím se do pracovního prostoru nasaje nová dávka vody a může být započat nový cyklus.
36
Vodní terč – hra Pomůcky: velká zavařovací sklenice (5 l), voda, malá plechovka, mince Postup: Do sklenice nalijeme vodu a na dno ponoříme plechovku. Vezmeme si vhodný počet mincí. Postupně je vhazujeme do sklenice. Snažíme se trefit do plechovky. Vyhrává ten, kdo umístí nejvíce mincí do plechovky. Elektrostatické kyvadélko Pomůcky: 2 plastové kelímky, 2 větší plechovky, tužkou pomalovaný pingpongový míček přilepený na nit a přivázaný na brčko, proužek alobalu, plastová tyč (třeba od vysavače), kožešina Postup: Nejprve si připravíme prostřední část kyvadla – obarvíme pingpongový míček tuhou z tužky, okolo míčku lepidlem přilepíme nit a celé to přiváže na brčko. Sestavíme kyvadlo – na plastové kelímky postavíme plechovky, aby byly asi 5 cm od sebe. Mezi jednu plechovku a plastový kelímek vložíme alobalový proužek, což je uzemnění. Na plechovky položíme brčko s míčkem tak, aby se nedotýkal plechovek. Třením o kožešinu nabijeme tyč a přiblížíme ji k neuzemněné plechovce (plechovky se tyčí nedotýkáme) – míček se rozkmitá a tluče do plechovek. Po chvilce se pohyb zastaví, ale krátkým oddálením a opětovným přiblížením tyče se zase míček pohybuje. Vysvětlení: Dochází k pravidelnému nabíjení a vybíjení balónku při dotyku s plechovkami a balónek se proto pohybuje. Válcové zrcadlo Princip činnosti válcového zrcadla je možné prozkoumat s využitím velmi jednoduchých pomůcek. Pomůcky: malá plechovka, celofán, lepidlo, papír Postup práce: Celofán, do kterého se balí řezané květiny, nalepíme na plechovku a to lesklou stranou ven, neboť ta bude sloužit jako zrcadlící plocha. Zda necháme původní obal plechovky či ne, záleží na použitém lepidlu: některé lépe drží na papíru, který je na plechovce nalepen od výrobce, jiné lépe přímo 37
na kovu plechovky. A tím máme pomůcku připravenou k použití (viz obr., na kterém je původní plechovka i plechovka polepená celofánem).
Experiment realizujeme ve dvou etapách: 1) V první etapě studujeme, jak zrcadlo funguje, jak zobrazuje, jak se liší zobrazení „plechovkovým zrcadlem“ od zobrazení rovinným zrcadlem a od zobrazení kulovým zrcadlem. 2) Ve druhé etapě kreslíme obrázky a zkoumáme, jak se zobrazí v zrcadle. Pokusíme se kreslit do rozděleného polokruhu takové obrázky, aby byly v „plechovkovém zrcadle“ zobrazeny správně. Druhou variantou je, nakreslit obrázek do pomocné čtvercové sítě a pak jej překreslit do rozděleného polokruhu. A opět je nutno je překreslit tak, aby byl obrázek v zrcadle zobrazen správně.
38
Plechovku (naše válcové zrcadlo), postavíme do nejmenšího polokruhu, který je na pracovním listě vyznačen. Polovinou své podstavy tak plechovka bude zasahovat mimo vyznačené polokruhy. Vysvětlení: Zrcadlo vyrobené z plechovky a celofánu je modelem válcového zrcadla. Zobrazení ve válcovém zrcadle se řídí stejnými pravidly jako zobrazení na dutém zrcadle. Odlišnost spočívá v tom, že u válcového zrcadla je nutné rozlišovat jeho křivost ve svislém a ve vodorovném směru. Aniž by bylo nutné zobrazení na válcovém zrcadle řešit kvantitativně, je možné jej s využitím právě popsaného experimentu pochopit kvalitativně. Výsledný obraz, který v „plechovkovém zrcadle“ pozorujeme, odpovídá zobrazení válcovým zrcadlem. Použité válcové zrcadlo je zakřivené pouze v horizontálním směru (osa válce, na kterém je zrcadlící plocha umístěná, je svislá). Proto se obraz deformuje zejména ve směru, ve kterém je zakřivení zrcadlící plochy největší. Abychom tedy mohli pozorovat nezkreslený obraz nakresleného obrázku v zrcadle, je nutné nakreslit deformovaný obrázek, který bude sloužit jako vzor pro zobrazení zrcadlem. K tomu slouží právě přiložený pracovní list, ve kterém je připravena síť, do níž se obrázek zakreslí. Do připravené sítě je nutné vzhledem k vlastnostem zobrazení válcovým zrcadlem, kreslit výškově převrácený obraz. Sít zakreslená ze soustředných kružnic (resp. jejich částí) a přímek procházejících středem podstavy válce se ve válcovém zrcadle zobrazí jako pravoúhlá síť. V případě použití větších plechovek k výrobě zrcadla je možné tedy tímto způsobem vytvořit své vlastní pracovní listy.
39
III. Pokusy s papírem
Vážení prstýnku listem papíru Pomůcky: List papíru do kopírky (80 g/m2), špendlík, prstýnek, pravítko Pokus připravíme podle obrázku.
Postup práce: Nejprve vysvětlíme, co vlastně znamená formát papíru A. Je to obdélník, který má strany a, b v takovém poměru, aby po přeložení jeho delší strany na polovinu jsme dostali obdélník s polovičním obsahem podobný původnímu. Tedy a : b = b : a/2. Úpravou získáme a = 2 b. Největší obdélník formátu A0 má obsah 1 m2, formát A1 má poloviční obsah, tedy 0,5 m2. Dalším dělením dospějeme k tomu, že formát A4 má obsah 1/16 m2. Papír používaný do kopírky má plošnou hmotnost (tzv. gramáž) 80 g/m2. Papír formátu A4 má hmotnost právě 5 g. Je dobré toto ověřit na přesných vahách a předvést žákům. Papír v polovině přeložíme, abychom označili střed. Pak několikrát přeložíme po délce až dostaneme tak úzký složený pásek papíru, na který lze navléknout prstýnek. Délka pásku odpovídá výšce A4, tj. asi 30 cm. Střed pásku S označený přeložením propíchneme špendlíkem. Otvor mírně rozšíříme, aby se pásek na něm volně otáčel. Každý se tak může přesvědčit, že střed je zároveň těžištěm. Podle očekávané hmotnosti váženého předmětu zvolíme vhodnou vzdálenost, ve které pásek znovu propíchneme. Pro začátek doporučuji a = 4 cm. Bod je označen T. Navlékneme prstýnek a na špendlíku v bodě T vyvážíme. Označíme polohu prstýnku. Určíme vzdálenost b prstýnku od osy otáčení v bodě T. Jeli hmotnost pásku mP, pak hmotnost prstýnku m určíme za vztahu m = a/b mP. Pokud je prstýnek velmi lehký, je vhodnější list papíru podélně rozdělit na dvě nebo i čtyři části. Hmotnost mP pak bude 2,5 g respektive 1,25 g. Při hledání rovnovážné polohy si práci ulehčíme, když propíchnuté otvory budou trochu výše, než je střed pásku. Špendlík můžeme držet v ruce, ale lepší 40
je zapíchnout ho do něčeho, co je po ruce. Tužka, guma položená na kraji lavice, nástěnka ve třídě apod. Další otázky: Máme celý nenačatý balík papírů do kopírky: a) jaká je tloušťka jednoho papíru, známe-li rozměry celého balíku, b) jaká je hustota papíru, c) jakou plochu je možné papírem pokrýt, d) kolikrát by šlo papír přeložit, atp.
Rychle nebo pomalu? Pomůcky: prkénko s háčkem, noviny, provázek Na stůl položíme prkénko, které má uprostřed háček a na ně rozprostřeme dvojlist novin. Háček protáhneme novinami a přivážeme k němu provázek. Co se stane s novinami, když provázkem jednou rychle trhneme vzhůru a podruhé jím prkénko zvedáme pomalu? Co se stane s provázkem, můžeme jej přetrhnout? Při rychlém trhnutí provázkem směrem vzhůru vznikne změnou hybnosti v krátké době velká nárazová síla, jejíž působení se nemůže rozšířit po celé ploše papíru. Okraje novin zůstanou ležet na stole a pod novinami vznikne podtlak. Na noviny pak působí velká tlaková síla shora (při rozměru novin 50x50 cm, je nad nimi zhruba 2,5 tuny vzduchu). Proto můžeme provázek přetrhnout. Při pomalém tahu za provázek se působení síly rozloží na celé noviny, může pod ně proudit vzduch, dochází k vyrovnání tlaku a my můžeme noviny lehce zvednout. Provázek tak nepřetrhneme. Tvar tahací harmoniky Pomůcky: podložky (krabičky), papír Na dvě stejné otevřené krabičky položíme dva stejné kusy papíru, např. kancelářského. Jeden papír necháme rovný, druhý však složíme do tvaru, kterému říkáme tahací harmonika. Lze se ptát: Jak budou oba papíry reagovat, když na ně položíme dva stejné předměty? Který papír unese větší zatížení? 41
Měření plošné hustoty papíru Pomůcky: toaletní papír, rovnoramenné váhy Srovnávací metodou můžeme přibližně odhadnout plošnou hustotu toaletního papíru. Toaletní papír natrháme na jednotlivé perforací rozdělené útržky. Na rovnoramenných váhách položíme na jednu misku stejně velký útržek vystřižený z papíru známé gramáže (např. kopírovací papír) a na druhou misku vyvážíme tento útržek několika útržky toaletního papíru. Srovnáním pak určíme přibližnou gramáž toaletního papíru. Žáci si tak opět komplexněji mohou osvojit veličinu hustota těles. Nasákavost papíru Pomůcky: toaletní papír, fotomiska, voda Z vnitřku role toaletního papíru opatrně vytáhneme papírovou trubičku. Roli postavíme na misku nebo přímo na stůl. Do středového otvoru naléváme odměrnou kádinkou vodu. Dolévání postupně opakujeme (podle druhu papíru až do 500 ml vody). Po chvíli roličku zvedneme – miska je bez vody. Převážením před pokusem a po pokusu můžeme ověřit hmotnost nasáklé vody. Pokus můžeme použít i pro soutěž v odhadu. Setrvačnost papírové kuličky Pomůcky: toaletní papír, papírová trubička Kus toaletního papíru (asi 1m) zmačkáme do kuličky a vložíme ji do papírové trubičky. Kulička zmačkaného papíru musí mít stejný průměr jako trubička – nesmí však samovolně vypadávat. V jedné ruce držíme svislou trubičku s papírovou kuličkou a dlaní druhé ruky s roztaženými prsty se ji snažíme shora vyklepnout z trubičky dolů ven. Papírová kulička však nevypadne, naopak popolézá uvnitř trubičky vzhůru. Příčinou tohoto jevu je setrvačnost papírové kuličky. Z trubičky kuličku odstraníme např. vyfouknutím.
42
Rovnovážné polohy Pomůcky: papírová trubička, deska, korýtko Papírovou trubičku položíme postupně na rovnou desku stolu, do korýtka (např. kus plechu či plastového okapu) a na vrchol korýtka. Tak demonstrujeme postupně rovnovážnou polohu volnou, stálou a vratkou u pevného tělesa. Kolumbova trubička Pomůcky: papírová trubička, zátěž, papír Do papírové trubičky zasuneme ke vnitřnímu obvodu zátěž (kovovou tyčku, kus plastelíny apod.) a zbývající prostor vyplníme papírem. Jednu podstavu pak zalepíme papírovým čelem, na které nakreslíme rysku procházející středem čela a místem vložené zátěže. Vyrobíme druhou stejnou trubičku, ale bez zátěže. Pak obě trubičky položíme vedle sebe na stůl čely se svislou ryskou. Prázdnou trubičku pootočíme do libovolné polohy. Trubička s tyčkou se vrací do původní polohy (jako Kolumbovo vejce). Stabilita trubičky Pomůcky: papírová trubička, nůžky, kousek kartonu, písek Jednu stranu papírové trubičky šikmo odstřihneme a zalepíme oválným čelem z kartonu. Trubičku pak prodloužíme připevněním další papírové trubičky. Úhel sestřižení musí být takový, aby se prodloužená trubička po postavení na tuto podstavu převrátila. Pak do prodloužené trubičky nasypeme trochu písku tak, aby zůstala stát. Dalším přisypáváním dosáhneme zvýšení těžiště a tak opětovného převrácení prodloužené trubičky. Pevnost papírové trubičky Pomůcky: papírové trubičky, závaží Papírovou trubičku rukou lehce z boku deformujeme. Stlačit papírovou trubičku na její podstavy se však podaří jen značnou tlakovou silou. Modifikací je zatížení svisle postavené trubičky na stole závažím (1 kg, 2 kg, 5 kg). Efektní variantou pokusu je použití několika trubiček jako nožek improvizované stoličky, na kterou je možno stoupnout či sednout. Žákům připomeneme využití pevnosti papírové trubky ve stavebnicovém papírovém nábytku. 43
Beztížný stav Pomůcky: papírové trubičky, pružné vlákno, 2 matice Papírovou trubičku propíchneme dvakrát v polovině délky. Otvory protáhneme pružné vlákno, na jehož konce přivážeme symetricky dvě středně hmotné matice, a to tak, aby při nenapnutém vlákně zůstávaly uvnitř trubičky. Tyto matice pak natažením vlákna necháme mírně viset přes hrany vodorovné trubičky. Trubičku necháme padat volným pádem, kdy je soustava v beztížném stavu a na matice působí jen pružné síly vlákna. Proto jsou matice vtaženy vláknem zpět do trubičky. Bernoulliho rovnice I Pomůcky: stojan, trubičky, vlákno, brčko Dvě papírové trubičky svisle zavěsíme pomocí nití na stojan tak, aby mezi nimi byla malá štěrbina (asi 1 cm). Foukneme-li brčkem (úzkou trubičkou) do této štěrbiny – trubičky se k sobě díky tlakovým poměrům přitáhnou. Bernoulliho rovnice II Pomůcky: toaletní papír, vysoušeč vlasů Z role odmotáme asi 20 cm toaletního papíru, který shora visí z role dolů. Fouknutím nad roli papíru se visící papír díky tlakovým poměrům zvedne do vodorovné polohy. Proudění vzduchu za překážkou Pomůcky: podložka, destička, brčko, svíčka Na podložku připevníme svisle destičku, na kterou svisle nasadíme papírovou trubičku. Za trubičku postavíme zapálenou svíčku. Brčkem (úzkou trubičkou) foukáme vodorovně na trubičku. Za ní schovaný plamen svíčky se díky laminárnímu proudění vzduchu skloní směrem foukání vzduchu. Pak odstraníme trubičku a pokus zopakujeme s destičkou. Plamen svíčky se díky turbulenci za destičkou skloní proti směru foukání vzduchu.
44
Zhášení svíčky Pomůcky: trubička, pružná blána, svíčka Na jednu podstavu papírové trubičky navlékneme blánu z odstřiženého gumového nafukovacího balónku. Zapálíme svíčku. Ze vzdálenosti 20–50 cm zamíříme volným otvorem trubičky na plamen svíčky, natáhneme blánu a vystřelíme vzduchový vír, který sfoukne plamen svíčky. Vedení zvuku ve vzduchu Pomůcky: trubička, celofán, písek Na obě podstavy papírové trubičky nasadíme a gumičkou upevníme čela z pružného papíru (celofán apod.). Ve svislé poloze nasypeme na horní čelo suchý písek. Šíření zvukového signálu ve vzduchu uvnitř trubičky demonstrujeme pomocí poklepu prstem na spodní čelo. Zrnka písku na horním čele poskočí. Provázkový telefon Pomůcky: dvě papírové trubičky, tuhý papír, jehla, provázek
Dvě papírové trubičky opatříme nalepeným čelem z tuhého papíru. Uprostřed těchto čel propíchneme jehlou otvor, kterým protáhneme provázek uvnitř trubičky zakončený uzlíkem. Provázek mezi dvěma trubičkami napneme a tak jsme vytvořili provázkový telefon. Do jedné trubičky polohlasně hovoříme a tuto řeč posloucháme ze druhé trubičky, kterou přiložíme k uchu.
45
Spalovací motor Pomůcky: podložka, papírová trubička, alobal, líh, špejle, zápalka Na nehořlavou podložku (sklo, plech) postavíme papírovou trubičku uzavřenou volným alobalovým víčkem. Do trubičky prorazíme v dolní části malý otvor. Na podložku kápneme několik kapek lihu, které přiklopíme trubičkou s víčkem. Po chvilce na odpaření hořlaviny přiložíme k otvoru zapálenou špejli či krbovou zápalku. Víčko po výbuchu hořlavé směsi vyskočí. Pokus musí velmi opatrně provádět učitel, předem jej vyzkouší a použije bezpečnostní pomůcky (štít, nehořlavá podložka). V jiné variantě lze použít krabičky od filmu. Elektrostatická síla Pomůcky: papírová trubička, nit, stojan, plastová fólie Papírovou trubičku zavěsíme ve vodorovné poloze na nit na stojan. Třením nabijeme těleso (např. plastovou fólii). Nabitým tělesem se přiblížíme k zavěšené papírové trubičce. Prostřednictvím elektrostatického silového působení pohybujeme trubičkou. Tepelné účinky elektrického proudu Pomůcky: papírová trubička, odporový drát, akumulátor Papírovou trubičku omotáme několika závity odporového drátu. Ten pak připojíme k akumulátoru. Po několika sekundách se drát průchodem elektrického proudu zahřeje a vypálí do trubičky stopu závitů. Dírková komora Pomůcky: papírová trubička, tenký papír, karton, svíčka Na jednu podstavu papírové trubičky připevníme (např. pomocí gumičky) kousek tenkého papíru (např. pauzovací papír) jako stínítko. Na druhou podstavu pak připevníme neprůsvitný papír (např. přilepíme pevný karton nebo alobal), do kterého prorazíme otvor (např. hrotem kružítka). Před tímto otvorem zapálíme svíčku či zápalku, jejíž plamen se převráceně zobrazí na stínítku z tenkého papíru.
46
Papír se ve vodě nenamočí
Pomůcky: sklenice, ubrousek, větší nádoba s vodou (průhledná) Do sklenice dáme papírový kapesník, stlačíme jej ke dnu. Sklenici otočíme dnem vzhůru a ponoříme do vody. Když sklenici vyndáme, papírový kapesník je suchý. Voda se nedostala dovnitř sklenice. Je to proto, že vzduch, který je uvnitř sklenice, nedovolí, aby voda pronikala dovnitř a namočila ubrousek. Praktická aplikace – Halleyův potápěčský zvon a kesony.
Tlačí vzduch? Kolem naší Země je vzduchový obal, který se nazývá atmosféra. Její tloušťka je okolo 1 000 km. Atmosféra způsobuje tlak na všechny předměty na Zemi. Ale nikdo to nevnímá. Na dospělého člověka tlačí asi 15 t vzduchu. I když nevnímáme tento tlak, můžeme ho změřit. 47
Neviditelná síla
Pomůcky: špejle, list novinového papíru, stůl Špejli položíme na stůl, asi jednu třetinu necháme trčet přes okraj stolu. Špejli zakryjeme listem novin. List novin brání špejli v tom, aby se zvedla. Udeříme-li dostatečně prudce na přečnívající okraj špejle, přelomí se. Vysvětlení: Nad novinami je vzduch. Protože je plocha listu novin velká, je hmotnost vzduchu nad ním dostatečně velká, aby zabránila tomu, aby se list nadzvedl, i když je úder ruky silný. Silnější než voda Pomůcky: sklenice, voda, papír (pohlednice) Sklenici naplníme po okraj vodou a překryjeme ji papírem. Potom sklenici otočíme. Pracujeme nad umyvadlem. Papír drží pevně na sklenici a voda z ní nevytéká. Vysvětlení: Tlak vzduchu směrem nahoru na papír je větší, než je tlak vody na papír ve sklenici. Proto papír drží pevně u sklenice a voda nevytéká.
48
Spirála Pomůcky: čtverec papíru asi 13 cm × 13 cm, tužka, nůžky, provázek délky asi 20 cm, zdroj tepla (radiátor topení, el. vařič), svíčka Z papíru vystřihneme podle předlohy spirálu. Spirálu zavěsíme za nit nad zdroj tepla – hořící svíčku, elektrický vařič. Spirála se začne otáčet kolem své osy. Vysvětlení: Zdroj tepla zahřívá vzduch a teplý vzduch stoupá směrem vzhůru. Stoupající vzduch tlačí na závity spirály a roztáčí ji. Protože teplý vzduch stoupá nahoru, znamená to, že je lehčí než studený vzduch.
49
Síla větru
Pomůcky: pevný papír (výkres), tužka, nůžky, připínáček, tyčka Podle předlohy nastříháme pevný papír, přehneme, připevníme k tyčce. Vyrobíme si tak známý větrníček. Obrátíme ho proti větru, případně na něj foukáme. Vysvětlení: Vzduch tlačí na ohnuté lopatky a způsobuje otáčivý pohyb větrníčku. Poznámka: Na stejném principu pracují větrné mlýny a větrné elektrárny. Květ kvetoucí i v zimě Pomůcky: papír, tužka, nůžky, miska s vodou Z papíru vystřihneme květ. Lístky složíme dovnitř, vznikne poupě, které položíme na hladinu vody. Květ postupně rozkvete. Vysvětlení: Voda stoupá díky vzlínavosti do malých prostorů mezi vlákny a zaplní je. Ohyby se narovnají a květ rozkvete. 50
Loď Pomůcky: předloha lodi, nůžky, akvárium s vodou Na papír nakreslete obdélník a rozdělte ho na polovinu. Na jednu polovinu nakreslete loď a obstřihněte ji podle vzoru. Podél čárkované čáry - - - - papír přeložte, vyšrafovanou část vystřihněte. Položte loď na hladinu, aby plovala ve svislé poloze. Vysvětlení: Obdélník přeložíme v polovině a položíme na hladinu vody tak, aby loď byla nahoře. Za chvíli díky vzlínavosti se loď postaví do svislé polohy. Vírníček – Vločka Šablonu si nakopírujte nebo překreslete na kancelářský papír a vystřihněte. Podle označení slepte do kornoutku. Pak pusťte z výšky. Vločka padá a otáčí se. Vysvětlení: Působením gravitační síly padá vločka dolů. Přitom vzduch naráží na lopatky vločky a roztáčí ji.
51
Magnusův jev Tento fyzikální jev je známý zejména ve svých praktických důsledcích ve fotbale, golfu, baseballu či tenise. Všechny ty zajímavé údery nohou či raketou („šajtle“, tenisové topspiny, čopy) jsou založeny na jevu, jehož si všimli poprvé dělostřelci někdy v 17. století. Zarazilo je, že se letící dělová koule někdy prapodivně odchyluje od přímého směru. Významný německý fyzik, profesor berlínské univerzity Heinrich Gustav Magnus (1802–1870), zkoumal souvislost mezi rotací dělové koule, později dělostřeleckého náboje roztočeného drážkovaným vývrtem hlavně a okolním vzduchem. Popsal jev, který dnes nese jeho jméno. Magnusův jev je způsoben třením mezi rotujícím tělesem a okolním vzduchem, který toto těleso obtéká. Jestliže je rotující válec (či koule) ofukován proudem vzduchu (nebo se vůči okolnímu vzduchu pohybuje), působí na válec síla téměř kolmá ke směru proudění. Vlivem tření se na jedné straně válce proud vzduchu urychlí a tedy podle zákona zachování energie klesne jeho tlak, na straně druhé se zpomalí a zde vznikne přetlak. Rozdílem těchto tlaků tedy vzniká zmíněná síla. Provedeme jednoduchý pokus. Papírovou ruličku od toaletního papíru namotáme na provázek a následně ji pustíme volným pádem a ona se začne odmotávat. Její pohyb však není svisle k zemi, ale nějaká síla ji vychyluje. Předpokládejme, že válec padá dolů a rotuje přitom doprava – ve směru hodinových ručiček. Na předmět pohybující se ve vzduchu má vliv rozdílná rychlost obtékání vzduchu z různých stran. V našem případě si můžeme představit, že rotující válec je na místě a vzduch ho obtéká směrem nahoru. Na první pohled by se pak mohlo zdát, že rychlost obtékání na pravé straně vzhledem k povrchu válce je díky rotaci válce větší než na levé, je zde proto menší tlak (podobně je to u obtékání křídla vzduchem u letadla) a na válec má působit síla směrem doprava. To je však v rozporu s naším pozorováním, kdy se válec odchyluje naopak doleva od svislého směru. Ve skutečnosti má na pohyb válce vliv takzvaná mezní vrstva vzduchu, kterou si můžeme jednoduše představit jako tenkou vrstvičku vzduchu „přilepenou“ vlivem tření mezi válcem a vzduchem k povrchu válce. Pokud budeme uvažovat proudění vzduchu vzhledem k těžišti válce, na levé straně se sčítá rychlost obtékání a rychlost vzduchu v mezní vrstvě, na pravé straně naopak mezní vrstva brzdí obtékající vzduch v blízkosti válce. Tlak vzduchu je proto menší na levé straně a válec se odchyluje vlivem tlakové síly směrem doleva od svislého směru. 52
U roztočeného míče je situace úplně stejná jako u válce, můžete si ověřit směr působící síly vzhledem k rotaci, jestliže si ze zkušenosti vzpomenete, kterým směrem se míč při dané rotaci odchyluje. Magnusův jev je v dnešní době aplikován ve sportu, využívají jej fotbalisté při zahrávání trestných kopů přes zeď, konstruktéři fotbalových míčů se snaží brankářům ztížit chytání míče. Při obtékání míče vzduchem se uplatňují vlastnosti mezní vrstvy vzduchu přiléhající k povrchu míče. Tato vrstva se při letu od povrchu odtrhává a odtrhne-li se příliš brzy, naruší se hladký průběh proudění a začnou vznikat víry. Tento jev se zmírňuje zdrsnění hladkého povrchu míče. Drsnější povrch totiž lépe přidržuje mezní vrstvu a brání vzniku vírů. Proto jsou také golfové míčky pokryty důlky jako po neštovicích. I to bylo kdysi překvapením – míček s drsným povrchem doletí dále než s hladkým povrchem! A protože golfovému míčku nelze dát aerodynamický tvar, pokrývají ho výrobci důlky. Magnusův jev se kromě využití ve sportu dnes užívá při zkoumání pohybu lodí a různých vznášedel. Šablona na vírníček
53
IV. Hrátky se vzduchem
Vznášedlo Pomůcky: nepotřebné CD, umělohmotná krabička od filmu, nafukovací balónek, lepidlo Do dna krabičky od filmu uděláme malý otvor, krabičku přilepíme dnem do středu CD tak, aby otvor ve dně byl nad středem disku. Na opačnou stranu navlékneme nafukovací balónek. Balónek nafoukneme a CD disk položíme na hladkou podložku. Disk se pohybuje na vzduchovém polštáři tak dlouho, dokud se balónek nevyfoukne. Balónek v proudu vzduchu Pomůcky: vysoušeč vlasů s režimem studeného vzduchu (vysavač), pingpongový míček (nebo malá prázdná plastová láhev) Pustíme vysoušeč a do proudu vzduchu dáme míček nebo malou plastovou láhev. Míček setrvává v proudu vzduchu, i pokud se jej snažíme vychýlit. Na míček působí dynamický vztlak, který je dán proudovým odporem láhve (míčku). Zakřivení pláště, dna a hrdla láhve způsobuje v jejich bezprostřední blízkosti zvětšení proudové rychlosti. Rychlost narůstá zejména tehdy, když je láhev posunuta ze své centrální polohy. Statický tlak v té části láhve, která je otočena k proudu se zmenší a způsobí opětovné vtažení láhve do středu proudu. Aerodynamické paradoxon Pomůcky: dvě ruličky od toaletního papíru nebo plechovky od coca coly, sprite apod., slámka Ruličky položíme paralelně vedle sebe, mezi nimi necháme mezeru asi 2 cm. Slámkou foukáme mezi obě ruličky. Ruličky se překvapivě pohybují směrem k sobě.
54
Velká rychlost proudění zajistí, že statický tlak mezi ruličkami je menší než atmosférický tlak, Co zmohou plíce Pomůcky: nafukovací hračka (polštář do vody, kruh apod.), náustek, slámky, deska, závaží (kameny, dítě) Na nafukovací hračku položíme desku a na ni umístíme sadu závaží (kameny, popř. na ni posadíme dítě). Nafukujeme přes slámku hračku – zvedá se i deska se závažím. Demonstrujeme princip hydraulického lisu. Vodní sopka Pomůcky: kádinka 1 500–2 000 ml, Erlenmeyerova baňka, inkoust, voda, varná konvice, provázek Velikosti nádob volíme takové, aby se baňka vešla do kádinky. Kolem hrdla baňky připevníme provázek tak, aby tvořil závěs. Do kádinky nalijeme studenou vodu, ne však až úplně po okraj, neboť do ní musíme ještě ponořit baňku. Do malé baňky nalijeme horkou vodu obarvenou potravinářským barvivem nebo inkoustem. Baňku uchopíme za provázek a pomalu ji ponoříme do kádinky se studenou vodou. Pozorujeme: Při ponoření malé baňky začne teplá voda proudit jako vulkán směrem vzhůru do studené vody. Za malou chvíli všechna teplá voda vyplave na povrch studené vody v kádince. Princip hydraulického lisu Pomůcky: 2 injekční stříkačky (velká 150 ml a malá 50 ml), hadička, voda Dvě nestejně veliké injekční stříkačky spojíme hadičkou poté, co jsme do jedné z nich nasáli vodu. Přetlačujeme pístem vodu z jedné stříkačky do druhé. 55
Pití pomocí slámky Pomůcky: slámky, nádoby s vodou, dobrovolník, židle Motivace: Přemýšleli jste někdy o tom, jak je možné nasát nápoj ze sklenice? Víte, že nápoj je spíše vzduchem tlačen vzhůru a že jej nenatahujeme ústy? V podstatě narušíte rovnováhu tlaků – v ústech zmenšujete tlak. Než začnete sát, tlak vzduchu tlačí na povrch nápoje v nádobě a stejný tlak je ve slámce. Když zmenšíme tlak v ústech, je tlak na povrch nápoje v okolí slámky větší než uvnitř slámky a tento tlak kapalinu vytlačí vzhůru. Někdy to lze zařídit tak, že se přes slámku nelze napít. Tlak vzduchu, který vytlačuje nápoj do tvých úst, musí vyrovnávat jen tíhovou sílu sloupce vody ve slámce. Je-li slámka delší, vejde se do ní více vody a její hmotnost je tudíž větší. Vyzkoušíme jev tak, že slepíme více slámek dohromady. Vyzkoušejte, kolik slámek lze slepit, abychom mohli pít. Pití dvěma slámkami Pomůcky: sklenice s nápojem, 2 slámky Vezmeme 2 slámky, ale jen jednu dáme do sklenice s nápojem. Druhá trčí volně do vzduchu. Zkusíme se napít. Nelze zmenšit tlak v ústech, vždy znovu se do úst druhou slámkou dostává nový vzduch, který tlak vyrovná. Navíc je vzduch mnohem lehčí než voda.
56
V. Pokusy z optiky
Demonstrace chodu paprsků vodní kapkou Pomůcky: kádinka nebo baňka, laser, alobal, polohrubá mouka, voda Kádinku nebo baňku celou obalíme alobalem, na jednom místě uděláme malou dírku, asi 2 mm, kudy bude do baňky vcházet paprsek. Baňka naplněná vodou bude představovat vodní kapku, do vody můžeme pro lepší pozorování laserového paprsku přimíchat trochu mouky. Štěrbinou svítíme laserem do baňky, pozorujeme, jak se paprsek na stěnách baňky odráží. Pohybováním laseru (změnou úhlu dopadu) se bude měnit počet odrazů. Rozptyl laserového paprsku Pomůcky: skleněné akvárium nebo kádinka větších rozměrů, mléko, tyčinka na promíchání, laser Do nádoby naplněné vodou do výšky 10–15 cm nalijeme a rozmícháme trošku mléka Využíváme toho, že mléko tvoří koloidní roztok a tak se v něm rozptylují paprsky podobně jako v atmosféře. Laserový paprsek necháme procházet tímto roztokem, pozorujeme, že se paprsek rozptyluje do všech směrů, když je roztok dostatečně koncentrovaný, laser se rozptýlí do té míry, že neprojde na druhou stranu. Svítíme-li laserem do čisté vody, paprsek bez problémů projde. Rozptyl bílého světla Pomůcky: skleněné akvárium nebo kádinka větších rozměrů, mléko, tyčinka na promíchání, zdroj bílého světla Do nádoby naplněné vodou do výšky 10–15 cm nalijeme a rozmícháme trošku mléka.
57
Když do roztoku svítíme bílým světlem, budou se nejdříve rozptylovat světla krátkých vlnových délek, světlo bude přecházet ve žlutou až žlutočervenou barvu až ztratí intenzitu. Ohyb světla v atmosféře Pomůcky: rychlovarná konvice, rozprašovač, zdroj bílého světla Přivedeme vodu v konvici k varu, počkáme na unikající páru. V zatemnělé místnosti umístíme mezi zdroj světla a pozorovatele konvici tak, abychom viděli zdroj světla za párou unikající z konvice. Světlo se částečně na kapičkách vodní páry ohýbá. Při dobrém provedení lze kolem zdroje světla vidět slabé duhově zabarvené kroužky. To stejné lze provést jen s rozprašovačem, kdy mezi zdroj a pozorovatele rozprašujeme vodu. V praxi lze tento jev pozorovat v atmosféře, kde se kroužky tvoří kolem měsíčního nebo slunečního kotouče v případě ohybu na kapkách v atmosféře Průchod paprsku vodní kapkou v praxi Pomůcky: Laser, rozprašovač, podložka, voda Na podložku rozprašujeme vodu. Až se na podložce vytvoří kapky, svítíme na ně laserem a pozorujeme, jak se paprsek odráží uvnitř kapky. Měření indexu lomu metodou stínu Pomůcky: dřez, plechovka, žárovka, Slunce, měřítko Index lomu vody lze změřit v dřezu. Postavte do něj (nebo širší větší nádoby) válcovou plechovku džusu tak, aby ležela na své kruhové základně (viz obr.) Plechovku osvětlíme světelným zdrojem, který vytváří ostrý stín (žárovka bez stínítka, Slunce). Zaznamenáme délku stínu plechovky na vodorovném dnu prázdné nádoby. Plechovku přidržíme rukou a do nádoby napustíme vodu tak, aby nepatrně sahala nad plechovku. Zjistíme délku stínu v tomto případě. Nastalo zkrácení stínu. Zjistěte další údaje potřebné k výpočtu indexu lomu, použijte zákon lomu. 58
Záhadný kruh na dně Pomůcky: nádoba s vodou, malá žárovka Totální odraz světla na rozhraní voda – vzduch lze pozorovat při pokusu s malou svítící žárovkou (4,5 V) ponořenou do vody (viz obr.). Žárovce to prakticky nevadí a nevyžaduje to ani elektrickou izolaci konců vodičů.
Světlo vysílané žárovkou se po odrazu na rozhraní voda – vzduch částečně vrací zpět na dno. Na dně lze pozorovat zvláštní kruhovou světelnou oblast. Je zajímavá tím, že její osvětlení z vnější strany kruhu je intenzivnější, než ze strany vnitřní. Zdánlivě jde o paradox. 59
Vysvětlení jevu úzce souvisí s totálním odrazem. Paprsky, které dopadají na rozhraní pod úhlem menším, než je mezní, se odrážejí neúplně. Část jejich energie se dostává i nad hladinu. Intenzita odraženého paprsku a tedy i osvětlení odpovídající části dna je menší. Naproti tomu tam, kde jde o úplný odraz, tj. při větších úhlech dopadu světla na hladinu, bude intenzita odražených paprsků větší. V tomto případě jde o vnějšek kruhu. Záhadný kruh je důsledkem „ušetřené energie” při úhlech dopadu větších než mezní úhel. Změříme-li poloměr uvažovaného kruhu, hloubku žárovky pod hladinou, hloubku vody v nádobě, lze z těchto údajů určit úhel lomu vody vzhledem ke vzduchu. Experiment můžeme doplnit pozorováním světelného kruhu při postupném zvedání resp. ponořování žárovky. Při větší hloubce vody se kruh může zdánlivě ztratit. Jde však jen o to, že poloměr roste a kruh se na dno nádoby nevejde. Stín a záhada Měsíce Lidem trvalo velmi dlouho, než pochopili zákonitosti pohybu planet. Zajímavé je, že velmi dlouho nepřišli na to, že Měsíc je kulatý a že svítí jen proto, že odráží sluneční světlo. Stín vzniká v důsledku přímočarého šíření světla. Pomůcky: ping-pongový míček, obloha se Sluncem i Měsícem Vezměte ping-pongový míček a během dne, kdy je na obloze vidět Slunce i Měsíc si ji dejte před oči s nataženou rukou ve směru spojnice oko-Měsíc. Co uvidíme? Bílou kouli osvětlenou stejným způsobem jako Měsíc. Ta bílá kulička bude ukazovat stejné fáze jako Měsíc. Rozdíl je jen v tom, že totéž nelze pozorovat i v noci. To však jen proto, že naše ruka je krátká a navíc jsme ve stínu vlastní Země. Proto se sluneční světlo na míček nedostane. Pokusy na stěně chladničky Pomůcky: kapesní svítilna, stínítko, magnety, cukřenka Zákonitosti odrazu světla můžeme pozorovat i na stěně chladničky. Budeme potřebovat sluneční paprsek. Jako zdroj světla lze použít válcovou kapesní elektrickou svítilnu. Při pokusu z ní odmontujeme reflektor. Postavíme ji na horní stranu ledničky tak, aby svítící žárovka přesahovala přes okraj. Pod ni umístíme papírové stínítko se štěrbinou, které na ledničce přidržíme pomocí 60
magnetů. Na ledničce se objeví paprsek vhodný pro experimenty. Jako zdroj světla lze použít i stolní lampu postavenou na horní stěně. Pro vymezení užšího světelného paprsku lze použít i dvě knihy položené na horní stěně a přečnívající přes přední stěnu ledničky tak, že mezi nimi necháme úzkou štěrbinu. Lom světla – použijeme skleněnou nebo plastovou cukřenku, naplníme ji vodou a pozorujeme průchod světla soustavou. Pokud světelný paprsek dopadá na rozhraní pod nenulovým úhlem dopadu, nastává lom ke kolmici. Úhel lomu, tj. úhel mezi lomeným paprskem a kolmicí k hladině je menší, než úhel dopadu.
Při tomto pokusu využíváme vodní hranol vytvořený v cukřence při vhodném sklonu. Během experimentu pozorujeme změnu směru tj. deviaci světelného paprsku (viz obr.). Tato odchylka závisí na lámavém úhlu hranolu. V našem případě je to úhel mezi vodní hladinou a dnem cukřenky.
61
Pozorování můžeme na stěně ledničky znázornit smývatelným fixem a analyzovat je vzhledem ke dvěma lomům, ke kterým došlo. Na stěně vyznačíme kolmice dopadu a změříme zajímavé úhly. Při průchodu světelného paprsku přes planparalelní vodní vrstvu v cukřence (když je ve vodorovné poloze) se – jak lze pozorovat – směr nemění. Paprsek se však posune. Je to důsledek dvojnásobného lomu světla při průchodu vodní vrstvou. Při výstupu paprsku z vody nastává lom od kolmice. Posunutí paprsku lze pozorovat i pomocí krabičky od tik-taku, když ji naplníme vodou (viz obr.). Pokus lze provést i na papíru na stole. Nejprve na papír nakreslíme přímku, která bude představovat dopadající světelný paprsek. Tuto přímku budeme pozorovat přes naplněnou krabičku, kterou přitom natáčíme do různých poloh, čímž měníme úhel dopadu paprsku na vrstvu. Pozorujeme, že pozorovaná přímka se posouvá. Prodloužení této přímky představuje vystupující paprsek, který můžeme nakreslit na papír tak, že hranu pravítka postavíme ve směru pozorovaného obrazu přímky (při pohledu přes vodní hladinu). Posunutí vystupujícího paprsku závisí na úhlu dopadu.
Index lomu vody (metoda jedné přímky) Pomůcky: skleněný pohár, mince, měřítko, papír Zdánlivá hloubka mince nacházející se na dně jezírka je menší, než ve skutečnosti. Poměr reálné a zdánlivé hloubky (při pohledu shora) je roven relativnímu indexu lomu vody (vzhledem ke vzduchu). Podobně lze měření provést ve sklenici. Skleněný pohár s průhledným rovným tenkým dnem naplníme vodou a postavíme na kus papíru, na který jsme předem nakreslili přímku c. Pozorujeme ji 62
přes vodu okem umístěným nad pohárem. Obraz c′ čáry se vytváří v menší hloubce, než je hloubka a předmětu pod pohárem.
K určení obrazové vzdálenosti b použijeme jiný papír s čarou d. Ten umístíme těsně vedle poháru tak, aby obě čáry (zdánlivá v poháru a reálná vedle něj) ležely v jedné přímce. Abychom toho dosáhli, musíme vnější papír umístit ve vhodné výšce nad úrovní stolu. Po dosažení rovnoběžnosti změříme předmětovou a obrazovou vzdálenost. Předmětová vzdálenost a je určena vzdáleností papíru pod pohárem od hladiny vody. Obrazovou vzdálenost b udává vzdálenost vnějšího papíru od hladiny vody. Pro index lomu vody platí n = a/b. Vychází hodnota blízká hodnotě 1,33. Krabička tik-taku jako dokonalé zrcadlo Pomůcky: krabička tik-taku, plastové pravítko, nádoba s vodou K pokusu potřebujeme průhlednou krabičku tik-taku bez nálepek. Pomocí gumičky krabičku připevníme na konec průhledného plastového pravítka (viz obr.). Otvor krabičky je přitom ve spodní poloze. Nejlepších výsledků dosáhneme, když na dno průhledné nádoby s vodou umístíme různobarevné plechové víčko V. Pomocí pravítka, jehož horní konec držíme v ruce, krabičku ponoříme do vody. V krabičce přitom zůstává vzduch. 63
Právě přítomnost vzduchu umožňuje pozorovat úplný odraz na příslušném rozhraní. Při pohledu shora (viz obr.) se nám svislá stěna krabičky jeví jako dokonalé zrcadlo, ve kterém vidíme barevný obraz víčka. Zrcadlení je podobné jako u kapesního zrcátka, které lze pro porovnání použít podobně.
Totální odraz, který je zodpovědný za perfektní zobrazení, vzniká díky tomu, že paprsky dopadající na rozhraní, dopadají pod větším úhlem, než je mezní úhel. Při pohledu přes boční stěnu nádoby s vodou (držíme pravítko ve svislé poloze) se nám krabička jeví jako neprůhledná. V tomto případě nejsou splněny podmínky pro úplný odraz. Na obr. b je odlišná verze experimentu. Při ní je pravítko s krabičkou nakloněné a žáci pozorují obraz barevného víčka v tik-takovém zrcadle přes boční svislou rovinnou stěnu průhledné nádoby s vodou. Povrch krabičky dostatečně odráží jen při dostatečném naklonění pravítka. Je-li pravítko ve více svislé poloze, zrcadlení nenastane a krabička se jeví jako průhledná. Při změně sklonu pozorujeme změny odrazivosti. Místo krabičky tik-taku lze použít jakoukoli jinou průhlednou krabičku. Podmínkou je to, aby při jejím ponoření v ní zůstal vzduch.
64
Pokus s nádobou ve tvaru válce Efekty související s úplným odrazem lze pozorovat při ponoření skleněného poháru ve tvaru válce do vody tak, že v nádobě je vzduch. Otvor je přitom buď dole, nebo nahoře nad hladinou. Zakřivená boční válcová stěna poháru se nám při pohledu shora jeví jako válcové zrcadlo, ve kterém vidíme zobrazené barevné víčko umístěné na dně. Pokus je méně efektní než rovinné zobrazení. Přeměna dřevěné destičky na zrcadlo Chceme-li z dřevěné destičky D vytvořit dokonalé zrcadlo, musíme ji nejprve vložit do lesklého průhledného obalu tak, aby při ponoření destičky v obalu k ní nepronikala voda. Je-li destička ve svislé poloze, můžeme na ní totální odraz pozorovat shora. Povrch destičky se jeví jako dokonale zrcadlící. V takovém zrcadle jasně vidíme barevný obraz ponořeného víčka, stejně jako v případě pokusu s krabičkou tik-taku.
Pokud soustavu dostatečně nakloníme, obraz víčka lze pozorovat i přes rovinnou boční stěnu nádoby s vodou. Když ale destičku postupně zvedáme do svislé polohy, totální zobrazení víčka se ztrácí a destička v obale se nám bude jevit jako dřevěná. Je třeba zdůraznit, že odpovědnost za pozorovaný jev nese vrstvička vzduchu mezi destičkou a průhledným plastovým obalem. Totální odraz nastává na rozhraní obalu a vzduchu tenké vzduchové vrstvy. Destička má jen geometrickou funkci, protože zabezpečuje rovinnost soustavy. Do plastového obalu lze vložit libovolnou rovinnou destičku za podmínky, že ve vnitřní mezeře se vytvoří tenká vzduchová vrstva. 65
Exotická čočka – rozptylka ve vědérku Vodní rozptylku vytvoříme z vody, která se nachází v menším otáčejícím se průhledném vědérku. Roztočení vědérka realizujeme pomocí tenkého provázku, na který vědérko zavěsíme. Horní konec provázku dobře natočíme mezi prsty ještě před zvednutím vědérka. Během začátku rotace provázek mezi prsty natáčíme i nadále. Tak dosáhneme dostatečných obrátek soustavy a tím pádem také duté (parabolické) vodní čočky (duto-ploské až kulově ploské). Vznikající vodní rozptylka má zobrazovací schopnosti, které lze sledovat i tak, že pod rotující vodní čočku dáme barevné víčko, které pozorujeme shora přes čočku. Obraz víčka se nám bude jevit výrazně zmenšený, což se v průběhu zpomalování rotace mění.
Duha Pomůcky: plochá nádoba naplněná vodou (výška vodního sloupce cca 5–10 cm), rovinné zrcadlo (kapesní zrcátko), úzký svazek slunečního světla
Nádobu s vodou postavíme tak, aby na vodní hladinu dopadal úzký svazek slunečního světla. Pro demonstraci odrazu světla zrcadlem nejprve nastavíme zrcátko tak, aby se na promítací stěně (stropě, rohu místnosti) objevila bílá světelná stopa – prasátko. 66
Pro rozklad světla je třeba ponořit zrcadlo pod vodní hladinu a pootočením promítnout na promítací stěnu (strop, roh místnosti) duhový pás. Vysvětlení: Rovinné zrcadlo (rovná lesklá plocha) odráží svazek rovnoběžných paprsků opět rovnoběžně. Při průchodu paprsku vodním hranolem dochází k rozkladu světla, protože úhel lomu je závislý i na barvě světla. Nahoře se objeví barva červená (nejmenší index lomu), žlutá, zelená, modrozelená a na spodní části duhového pásu barva fialová (největší úhel lomu). Infračervená LED dioda Použití kombinace CCD čipu a IR absorpčního filtru není věrnou kopií vlastností oka. O tom se můžeme přesvědčit jednoduchým experimentem. Namíříme libovolný IR dálkový ovladač na kameru a stiskneme některé tlačítko. V obrazu z kamery (bez režimu nočního vidění) zřetelně vidíme záblesky z infračervené LED diody dálkového ovladače, i když pouhým okem nevidíme nic. LED diody dálkových ovladačů pracují ve velmi blízké IR oblasti (cca 0,85–0,95 µm), kde lidské oko již není citlivé, ale IR filtr před CCD čipem nedokáže toto záření zcela absorbovat. Čočka z vody Dvě dostatečně velká hodinová sklíčka (ta naše měla průměr téměř 20 cm), mezi něž nalijeme vodu a slepíme je po obvodu, fungují jako docela slušná spojná čočka. Samozřejmě, přesněji řečeno, jako spojka funguje voda uvnitř. Po řadě pokusů se jako nejjednodušší ukázalo spojit okraje hodinových sklíček prostě plastelínou. Vyrobená čočka sice poněkud tekla, takže dlouho nevydržela, ale za slunečného počasí jí bylo možno bez potíží zapálit papír. (Pokus byl bezpečný, vodou odkapávající z čočky šlo papír opět uhasit.)
Spektrometr z CD Spíše než o spektrometr šlo o spektroskop. Opět jde o námět na řadu konstrukcí. Stačí uštípnout kousek z nějakého, např. již neužívaného reklamního CD. Drážky na „cédéčku“ působí jako dostatečně hustá mřížka, takže při dopadu např. slunečního světla lze pozorovat i promítnout na papír první i druhé ohybové maximum. Vytvořený spektroskop lze velmi zhruba kalibrovat pomocí 67
barev ve slunečním spektru; pro přesnější kalibraci by šlo využít zdroje se známou vlnovou délkou, pomoci si vztahy pro ohyb na mřížce atd.
Zrcadlo, zrcadlo Jednoduchý model ilustrující chod paprsků v kulovém či parabolickém zrcadle lze postavit na polystyrénové desce a pruhu lesklé fólie na pásku umělé hmoty. Do tvaru kružnice či paraboly se pásek vytvaruje pomocí špendlíků zapíchaných do polystyrénu. Na polystyrén připíchneme balicí papír s nakreslenou kružnicí či parabolou, ve vzdálenostech několika cm zapícháme do desky špendlíky, přiložíme pásek (v tuto chvíli se hodí mít více rukou) a zapícháme špendlíky z druhé strany pásku. Vytvořeným válcovým zrcadlem lze demonstrovat např. chod paprsků s využitím tužkového laseru. Orientační měření ukázala, že tato laserová ukazovátka mají výkon přesahující 1 mW (dosahuje 3 až 5 mW) a tedy již nepatří do třídy II, v níž při náhodném zásahu oka nehrozí nebezpečí trvalého poškození sítnice. Jde tedy o zařízení potenciálně nebezpečná, pro jejichž provoz platí zvláštní předpisy a jejich porušení může mít prý za následek až trestní odpovědnost! Řešením může být omezení výkonu takového laseru dostatečně absorbujícím šedým filtrem. Pro většinu lidí bude asi jednodušší svítit na zrcadlo lampou, baterkou nebo využít slunečního světla. To sice může také poškodit sítnici, ale není zakázáno ho využívat. Namíříme-li osu vytvořeného válcového zrcadla na Slunce, uvidíme velmi dobře kulovou vadu (a to, jak se zmenšuje, omezíme-li se na paprsky blízké ose), kaustiku, skutečnost, že parabolické zrcadlo kulovou vadu nemá (ale jen pro paprsky rovnoběžné s osou) a řadu dalších věcí. Další námět: eliptické zrcadlo a paprsky vycházející z jednoho ohniska. 68
Polarizace selektivní absorpcí (dichroizmus) Některé látky procházející světlo štěpí na dvě složky, které kmitají v navzájem kolmých rovinách, přičemž jedna složka se v nich postupně tlumí a druhá prochází téměř beze změny. Vystupující světlo je pak lineárně polarizované. Tyto polarizátory se nazývají polarizační filtry (polaroidy, dichroické polarizátory) a nejčastěji se používají při analýze polarizace světla a demonstracích průchodu světla dvojicí polarizátorů. Žáci je dobře znají především z polarizačních brýlí. Zde je vhodné připomenout využití těchto filtrů ve spojení s kapalnými krystaly. Změnu propustnosti kapalných krystalů účinkem elektrického pole můžeme pozorovat v propuštěném světle (dataprojektor) nebo světle odraženém (mobilní telefon, kalkulačka…). Polarizace odrazem a průchodem V odraženém světle zpravidla kmitá vektor intenzity elektrického pole rovnoběžně s odrazivou plochou (tj. kolmo k rovině dopadu). Asi nepřekvapí, že ve světle procházejícím (lomený paprsek) tato složka naopak částečně chybí. Odražené světlo je úplně polarizované jen při tzv. Brewsterově (neboli polarizačním) úhlu dopadu αB. Dopadá-li světlo ze vzduchu na rozhraní s prostředím o indexu lomu n, platí: tg B n
Při úhlu dopadu αB svírá odražený a lomený paprsek úhel 90°, lomený paprsek však úplně polarizovaný není, jeho polarizace se zvětší vícenásobným lomem. 69
Díváme-li se na odrazivou plochu (případně obraz na této ploše vznikající odrazem) přes polarizační filtr, zjišťujeme, že se intenzita odraženého světla mění v závislosti na orientaci (pootočení) filtru i na směru pozorování. Víme-li, jaký kmitový směr filtr propouští, můžeme určit směr polarizace paprsku odraženého.
Polarizace dvojlomem U některých (anizotropních) látek se dopadající světlo rozštěpí na dva paprsky, které jsou lineárně polarizované v navzájem kolmých rovinách – na paprsek řádný (řídí se Snellovým zákonem lomu) a paprsek mimořádný. Oba paprsky se šíří obecně různou rychlostí a různým směrem (samozřejmě nedopadá-li světlo ve směru tzv. optické osy). Oddělíme-li oba paprsky od sebe (zpravidla necháme pohltit paprsek řádný), dostáváme polarizované světlo (poměrně drahé krystalové polarizátory, např. Nikolův hranol). Podíváme-li se přes takovou látku, uvidíme dva obrazy. Pokud si dáme před oko polarizační filtr a otáčímeli jím, budou střídavě obrazy mizet. 70
Umělý dvojlom Optická anizotropie látek se dá „vyprovokovat“ vnějšími vlivy – např. magnetickým a elektrickým polem, mechanickým napětím. Některé (amorfní) látky se stanou dvojlomnými, vzniknou-li v nich vnitřní napětí např. při tuhnutí a chladnutí, vnějším namáháním. Vložíme-li takovou látku (např. model z plexiskla) mezi dva polarizační filtry, pozorovaný obrazec poskytne informace o rozložení mechanického napětí. Nemusíme mít žádný složitý model, stačí obyčejné průhledné pravítko. Vložíme-li pravítko mezi dva polarizační filtry umístěné na zpětném projektoru, můžeme s celou třídou pozorovat nádherné barevné obrazce. V místě, kde jsou barevné čáry nejhustší, bylo pravítko vystaveno velkému mechanickému namáhání (v místě vlisů apod.) Vznik barevných efektů Dopadá-li na destičku z dvojlomného materiálu polarizované světlo, obecně se štěpí na dva paprsky, které se šíří různou rychlostí (tj. látka má různý index lomu: ne pro paprsek mimořádný a no pro paprsek řádný). Mezi paprsky vzniká určitý dráhový rozdíl, který je přímo úměrný tloušťce d destičky a rozdílu obou indexů lomu. Oba paprsky se po průchodu skládají, přitom výsledek závisí na fázovém rozdílu 2πd ne n0 / , kde λ je vlnová délka dopadajícího světla. Bude-li fázový rozdíl mezi paprsky např. 2π, složené světlo bude polarizováno ve stejné rovině jako světlo dopadající, v případě fázového rozdílu π v rovině kolmé k rovině původního světla. Díváme-li se tedy na destičku přes další polarizační filtr, světlo prochází, či neprochází v závislosti na úhlu jeho pootočení. V případě, že je fázový rozdíl jiný, než jsou obě výše uvedené extrémní situace, vznikne světlo kruhově polarizované, které filtrem projde částečně. Pokud experiment provádíme v bílém světle, je pozorovaný jev výslednicí různých propustností destičky pro jednotlivé vlnové délky (barvy). Destička se pak chová jako filtr, který některé barevné pásy pohltí, jiné propustí. Závislost propustnosti na indexu lomu (který je ovlivněn mechanickým napětím v látce) je zřejmá z pokusu s pravítkem (které je umístěno mezi polarizačními filtry). Závislost na tloušťce destičky je pěkně vidět na průhledné lepicí pásce, která je dvojlomná. Nalepováním pásek přes sebe vznikne několik vrstev, které jsou pak různě barevné. Vzájemným otáčením obou filtrů, můžeme ukázat i závislost na úhlu natočení. 71
Pěkné barevné (i když ne tak výrazné) efekty můžeme pozorovat na průhledných umělohmotných materiálech za slunečného dne (nejspíše si studenti jevu všimnou na krabičce od CD). Ve třídě pak můžeme diskutovat, proč pozorujeme tyto efekty bez přítomnosti nějakého speciálního zdroje polarizovaného světla. Při tom je vhodné zopakovat, jak si polarizované světlo můžeme „připravit“. Jev je výraznější, když např. výše zmíněné CD pozorujeme polarizačním sklem, tím odfiltrujeme odražené polarizované paprsky. Výraznost barevných pásů závisí na orientaci filtru i na úhlu pod kterým tyto obrazce pozorujeme. Rozptyl světla, aneb proč je obloha modrá Často kladenou otázkou studentů je: „Proč je obloha modrá?“ Příčinou je naše atmosféra. Kdyby tady nebyla, připadali bychom si ve dne jako na jevišti osvětleném slunečním reflektorem. Za to, že světlo Slunce proniká do našich domů a všech zákoutí (i tzv. za roh), může rozptyl světla v atmosféře. Při dopadu světla na nějaké malé tělísko se vyvolávají kmity elektronů, které jako malé anténky vyzařují do okolí „druhotné“ světlo téměř všemi směry. Existuje mnoho druhů rozptylu, které se liší podle velikostí rozptylujících částic. Zde se jedná o tzv. Rayleighův rozptyl. Je nazván podle významného anglického fyzika, jenž formuloval zákon, podle kterého závisí intenzita rozptýleného světla nepřímo úměrně na čtvrté mocnině jeho vlnové délky. Jde o rozptyl na chaotických fluktuacích hustoty v atmosféře (to zase matematicky vysvětlil Einstein). Ze zákona je patrné, že světlo o velké vlnové délce (červené) se rozptyluje méně než světlo o malé vlnové délce (modré). Ze slunečního kotouče je tak odfiltrováno modré a fialové světlo, které zabarví okolní oblohu. (Nebe není fialové ale modré proto, že fialového světla je ve slunečním záření méně než modrého a navíc je naše oko na modrou barvu citlivější.) Naplníme-li akvárium vodou a přidáme-li několik kapek mléka, pozorujeme při osvětlení úzkým svazkem z intenzivního zdroje světla (např. diaprojektoru), že je akvárium zabarveno domodra; při čelním pohledu je zdroj červený. Rozptýlené světlo je navíc také polarizované. To je možné ověřit polarizačními brýlemi přímo při pohledu na oblohu – při otáčení brýlí se mění intenzita svitu některých částí oblohy. Hmyz tyto různé stavy polarizace dokáže rozlišovat, proto zřejmě tohoto jevu využívá k navigaci.
72
Duha 2 Asi nejznámějším a zároveň nejobdivuhodnějším a poměrně komplikovaným optickým úkazem, kterým nás příroda obdařila, je duha. Každý ji viděl, ale ne každý si uvědomuje obrovskou šíři jevů, které zahrnuje. Vysvětlit do všech podrobností její fyzikální podstatu je opravdu tvrdý oříšek. Uplatňuje se zde disperze světla, jeho interference i polarizace. Není bez zajímavosti se zabývat i historií jejího zkoumání. V souvislosti s tím bychom neměli pozapomenout na osobu významného českého učence, Jana Marka Marci. Ačkoli bývá prvenství při objasnění základních vlastností duhy tradičně připisováno I. Newtonovi, již několik let před ním vydal o duze spis právě Jan Marci.
Simulovat vznik duhy na jedné kapce je možné s využitím kulové baňky s vodou, nebo se skleněnou „věšteckou“ koulí. Vhodným zdrojem světla je např. diaprojektor s jednou čočkou a vloženou úzkou vodorovnou štěrbinou. Duhu pak můžeme pozorovat na stínítku nad spojnicí koule-projektor. Dopadáli svazek paprsků na spodní část koule, pozorujeme tzv. primární (hlavní) duhu, při dopadu paprsků na vrchní část vzniká méně výrazná sekundární (vedlejší) duha, která leží vzhledem ke kouli níž. Zatímco oblouk hlavní duhy je výrazný a dobře pozorovatelný prakticky ze všech míst učebny, vedlejší duha je slabá (vzniká při dvou odrazech uvnitř naší improvizované kapky), a proto se studenti musí přesunout blíž. Na naší jednokapkové duze můžeme pozorovat a vysvětlit tvar, pořadí barev a různou intenzitu primárního i sekundárního oblouku. Na internetu je řada obrázků a apletů, kterými je vhodné zkoumání duhy doplnit a názorně ukázat, 73
proč je duha vidět pod určitým úhlem (hlavní duha pod úhlem 42° a vedlejší pod úhlem 53°), nebo jak se její vzhled mění s velikostí kapek. Ve vyšších ročnících gymnázií (například na semináři z fyziky nebo matematiky) je možné zjistit průběh tzv. duhové funkce (maximum a minimum má právě pro tyto úhly!) a lépe tak objasnit, proč je obloha mezi oběma oblouky tmavší než je tomu v jejich okolí. Protože paprsek prochází v kapce několika odrazy a lomy, dochází i k jeho značné polarizaci. Spočítáme-li si, jaké paprsky tvoří duhu, zjistíme, že dopadají na zadní stěnu kapky pod úhlem, který je shodou okolností blízký úhlu Brewsterovu. Máme-li při vzniku duhy na obloze po ruce polarizační filtr, polarizaci duhy si sami snadno ověříme. Svíčka hořící pod vodou Pomůcky: skleněná deska, sklenice, svíčka Před dobře vyleštěnou skleněnou desku, kterou umístíme ve svislé poloze na stole, postavíme sklenici, do které dáme svíčku. Stejnou sklenici postavíme na opačnou stranu do stejné vzdálenosti, ve které je sklenice se svíčkou. Pokus umístíme tak, aby deska a sklenice stály přímo před studenty. Potom zakryjeme skleněnou desku tmavou látkou. Zapálíme svíčku před deskou a předstíráme zapálení svíčky také ve sklenici za deskou. Odstraníme tmavou látku, vyslovíme „magické zaklínadlo“ a naplníme sklenici vodou. Vidíme, že v zadní sklenici hoří svíčka pod vodou. Vysvětlete, jak kouzlo funguje. (Je možné, aby svíčka hořela pod vodou? Jaký je obraz vytvořený rovinným zrcadlem? Skutečný nebo zdánlivý? Přímý nebo převrácený? Jaká je velikost obrazu v porovnání s velikostí svíčky? Je obraz před zrcadlem nebo za ním? Je obraz v zrcadle stranově obrácený? Může skleněná deska plnit funkci zrcadla, jaké vlastnosti skla to umožňují?) Skleněná deska plní funkci rovinného zrcadla tím, že vytváří neskutečný obraz hořící svíčky ve sklenici za deskou. Přestože skleněná deska odráží jen 4–8 % světla svíčky, stačí to na vytvoření jasného a přesvědčivého obrazu. Kouzelná lžička Studenti drží v ruce dobře vyleštěné kovové lžíce otočené vnitřní stranou k sobě. Pozorují, že obraz, který vidí před sebou, je v lžičce převrácený. Potom 74
obrátí lžíci o 180°. Obraz, který vidí nyní, je přímý. Ve středu křivosti daného zrcadla je vytvořený obraz skutečný, převrácený a zmenšený. Po otočení se dívají do vypuklého zrcadla, které vytváří vždy neskutečný a převrácený obraz. Přeměna sazí na stříbro Předmět, např. kovovou lžičku pokryjeme důkladně sazemi nad plamenem svíčky. Potom lžičku ponoříme do nádoby s vodou. Je vidět lesklá, jakoby stříbrná lžička. Povrch lžičky voda nesmáčí. Na povrchu se vytvoří tenká vzduchová vrstva, od které se odrážejí paprsky dopadajícího světla. Dochází k úplnému odrazu na rozhraní voda-vzduch. Zakřivený světelný paprsek Pomůcky: průhledná nádoba s malým otvorem, zátka, voda, mléko, laser
Vezmeme větší průhlednou nádobu s malým otvorem blízko dna nádoby. Otvor uzavřeme zátkou a nádobu naplníme vodou. Do vody přidáme trochu mléka. V zatemněné místnosti laserový paprsek nasměrujeme tak, aby procházel nádobou a dopadal na zátku. Potom zakřivíme paprsek světla. Vytáhneme zátku, laserový paprsek sleduje proud vody vytékající z nádoby. Co je příčinou zakřivení paprsku? Jaký je index lomu vody v porovnání s indexem lomu světla ve vzduchu? Totální odraz světla odráží paprsek zpět do vody (Tyndallův jev).
75
Jednoduchá lupa Propíchneme kus kartonu (pohlednici) špendlíkem a uděláme dírku asi 1 mm. Karton s dírkou přiblížíme k oku a přes dírku pozorujeme písmena v textu. Při určité vzdálenosti budeme vidět písmena ostře a zvětšená. Zvětšila se hloubka ostrosti našeho oka. Je to jako u fotoaparátu – větší clona zvyšuje hloubku ostrosti. Převrácený špendlík Použijeme propíchnutý karton a špendlík z předchozího pokusu. Propíchnutý karton přiložíme těsně k oku a potom před otvor umístíme špendlík (hlavičkou nahoru). V otvoru vidíme nepřevrácený obraz špendlíku, kterého velikost se při přibližování špendlíku k otvoru zvětšuje, ale obrysy jsou rozmazané. Otvor funguje jako dírková komora. Nyní dáme karton s otvorem asi 5–8 cm od oka a špendlík s hlavičkou nahoru umístíme mezi oko a karton. Díváme se na dírku, nikoli na špendlík, uvidíme v dírce obraz špendlíku zvětšený a obrácený. Vidíme jen stín špendlíku, který se na sítnici zobrazuje ve stejné poloze, jako má samotný špendlík, tj. hlavičkou nahoru. Protože naše oko dostává všechny obrazy na sítnici obrácené a díky mozku je vnímáme takové, jako ve skutečnosti, stín špendlíku vidíme obráceně. Dívejte se proti jasné obloze. Máte dva nosy? Zkřižte prostředníček a ukazováček své ruky, položte si je na špičku nosu a pohybujte jimi ze strany na stranu. K svému překvapení budete cítit dva nosy. Prsty se teď dotýkají nosu svými vnějšími stranami a hlásí to mozku, který jejich zkřížení nezaregistroval. Díra v ruce Sbalte kus papíru do rourky a dívejte se do ní pravým okem. Levým okem se dívejte na dlaň své ruky, kterou držíte vedle rourky. Za chvíli uvidíte svoji ruku s dírou uprostřed. V mozku jsou vjemy obou očí zpracovány na společný plastický obraz, který v tomto případě má zvláště dobrou perspektivu. 76
Zmizelé kolečko Připravte si list papíru, v jehož levé části nakreslíte křížek a v pravé kolečko vzdálené od sebe něco více než 10 cm. Zakryjte si levé oko rukou a soustřeďte svůj pohled na křížek, kolečko uvidíte jen ze strany. Obrázek pak pomalu přibližujte a vzdalujte od oka. Kolečko najednou zmizí. Na sítnici je v místě, kde do ní přichází oční nerv, tzv. slepá skvrna, jejíž buňky nejsou citlivé na světlo. Všechny obrazy dopadající zvenčí na oko v tomto místě jsou neviditelné. Můžete tak vidět např. člověka bez hlavy. Odhad vzdálenosti Na papír nakreslete bod a pak se do něj snažte trefit hrotem tužky. To se vám snadno podaří. Zkuste totéž, když si jedno oko přikryjete. Při pohledu pouze jedním okem se většinou netrefíte. Teprve oběma očima můžeme odhadnout hloubku prostoru a vzdálenost tělesa. Oči vidí bod a hrot tužky pod různými úhly, z nichž mozek vzdálenost poměrně dobře odhadne. Optické klamy V následujícím obrázku porovnejte délky úseček a a b. I když se tak nejeví, jsou úsečky a a b vždy stejně dlouhé. Naše vnímání je ovlivněno jejich okolím.
Jsou horizontální čáry a a b v následujícím obrázku rovnoběžné? Ano, jsou, přestože se jeví jako vypouklé. 77
V následujícím obrázku se zadívejte na obě úsečky v písmenu T a řekněte, která je delší. Pak se zadívejte na obrázek cylindru. Co je větší, jeho výška, nebo šířka jeho okraje? V písmenu jsou obě úsečky stejně dlouhé. Také cylindr má stejnou výšku i šířku. Přeměřte to, abyste viděli, jak vás zrak klame. Lidské oko přeceňuje vždy délku svislých úseček.
Podívejte se na obě zobrazené sestavy a porovnejte plochy jejich prostředních kruhů. Která je větší? Obě jsou stejně veliké.
78
Podvědomě srovnáváme střední kruhy s těmi, které je obklopují, a tím získáme dojem, že pravý střední kruh je větší. Pozorujte následující obraz. Jistě uvidíte spirálu, což však je klam. Na obrázku jsou soustředné kružnice. Přesvědčte se o tom tužkou nebo kružítkem.
Vaše oko je vlivem černé mřížky v pozadí a záznamem jednotlivých kruhů směrováno stále do středu obrazu a nemůže dobře sledovat jednotlivé kružnice. Obrázky, které neexistují Co vidíte na dalších obrázcích? Na prvním z nich vidíte rovnostranný trojúhelník a na druhém obdélník. Tyto obrazce jsou dokonce světlejší než jejich okolí. Obrazce však neexistují, vždyť vůbec nejsou nakresleny. Tyto fantómy jsou pouze naznačeny okolními obrazy a vznikají ve vašem podvědomí.
Co je vpředu? Pozorujte každý obrázek zvlášť. Podle toho, jakou zvolíte perspektivu, vidíte na krychli vpředu buď pravý dolní roh, nebo levý horní. Podobně máte pocit, že v dalším obrázku je menší čtverec před větším čtvercem, nebo že je za ním. 79
Oba tyto obrázky vám skáčou před očima. Mezi oběma perspektivami se nemůžete rozhodnout. Dívejte se pozorně na zobrazené schodiště a pak otáčejte pomalu obrázkem o 180°. Nejdříve mělo schodiště přední stěnu bílou a 6 schodů, podruhé stěnu černou a sedm schodů.
Pozorujte obrázek a pak jej otočte o 180°. Jednou je to žena, podruhé stařec. Oba obrazy nemůžete vidět najednou ze stejného směru, ani změnou perspektivy.
Skrytý pohárek I vědomé očekávání může vést ke klamu. Pozorujte obrázek, je na něm několik úseček na bílém podkladu. Když však v obrázku vědomě vidíte pohárek na koňak, ztmavne celá plocha mezi úsečkami, a kolem poháru se vytvoří jemná, světlá hraniční čára. Mechanismy ve vašem mozku vám chtějí ulehčit nové pozorování.
80
Následné působení Dívejte se 30 sekund upřeně na vlákno tmavé žárovky. Pak se podívejte na bílou plochu vedle lampy. Uvidíte bílý tvar žárovky, jasnější než podložený papír.
Vznášející se prsty Podržte asi 30 cm před očima své ukazováčky, které se dotýkají, a dívejte se přes ně na protější stěnu. Mezi vašimi prsty se objeví ještě jednou jejich špičky spojené do jakéhosi balónku. Ten se dokonce může zcela samostatně vznášet ve vzduchu. Když se díváte přes prsty, zaostří se vaše oči na stěnu. Přitom jsou obrazy vašich prstů promítány na sítnici tak, že se oba obrazy v mozku nespojí. Každé vaše oko vidí špičky prstů dvojitě. Tím vzniká vznášející se fantóm. Trojrozměrná grafika
Postavte svoji rovně a ve vzdálenosti asi 10 cm před očima si svisle podržte obrázek zvířat. Na obrázek se zadívejte rozostřenýma očima a velice pomalu jej od svých očí vzdalujte. V určité poloze uvidíte, že zvířata nestojí v jedné řadě, že jedno z nich je mnohem blíže k vám. Budete-li očima pohybovat, obrázky v popředí zmizí. Pozorování takovýchto obrázků, kterým se také říká stereoobrazy, vyžaduje trochu cviku. 81
Otáčející se kruhy Pomůcky: tvrdý papír, černá fixa, nůžky tužka s gumou, špendlík Z tvrdého bílého papíru vystřihneme kruh o poloměru přibližně 8 cm. Jednu šestinu kruhu vybarvíme černou fixou. Do gumy zapíchneme špendlík, na něj umístíme připravený kruh, který roztočíme. Pozorujeme.
Točící se kruh bude mít jednolitou šedou barvu. (Všechny kružnice mají stejný poměr barev.) Podobně si připravíme kruh podle obrázku 2. Nyní bude po roztočení vnější část kruhu tmavší než část vnitřní. Vysvětlení není známo, zřejmě souvisí se zpracováním obrazu v našem mozku. Ve třetí části pokusu si připravíme kruh podle obrázku 3. Při roztočení vzniká barevný vjem. Barvy závisejí na rychlosti rotace. Výroba kaleidoskopu
Pomůcky: 3 malá zrcadla stejných rozměrů, izolepa, PET láhev, průhledné barevné skleněné střepy, černý papír 82
Provedení: zrcátka položíme vedle sebe (viz obrázek) a slepíme je izolepou. Složíme je do pravidelného trojbokého hranolu. Na konec tubusu přilepíme plastovou fólii, mezi kterou jsme dali barevná sklíčka. Vysvětlení: tvar trojúhelníka zobrazuje obrázky také ve tvaru trojúhelníka (ať už sklíčka nebo okolní prostor) a jeho obraz v každém ze zrcadel. Vidíme tedy obraz ze všech tří zrcadel. Když jedno ze zrcadel zakryjeme černým papírem, uvidíme jen pravidelný šestiúhelník. Jednoduchá lupa Pomůcky: slámka nebo tubus z pera, med, olej, voda Provedení: konec tubusu namočíme do medu a pozorujeme text s malými písmeny. Postupně se přibližujeme k textu. Obraz je nejdříve převrácený a zmenšený, potom převrácený a zvětšený a v malé vzdálenosti je přímý a zvětšený. Pokud je vrstva medu slabá, dostaneme rozptylku. Vysvětlení: povrchové napětí udržuje kapalinu ve tvaru čočky. Doplňkové barvy Pomůcky: pastelky, pravítko, tvrdý bílý papír Nakreslíme si obrázek podle vzoru. Kroužky E, E´ jsou černé. Na obdélníčky položíme kousky papíru v doplňkových barvách. Na hranu AB postavíme tvrdý papír vysoký 25 cm. Hlavu skloníme nad papír tak, aby hrana papíru procházela podél našeho nosu. Jedním okem pozorujeme obdélník vlevo, druhým okem obdélník vpravo. Oba kroužky 83
černé barvy se začnou pohybovat směrem k sobě. Když se ztratí z našeho zorného pole, přestaneme rozlišovat barvy obdélníků a vidíme jen bílou barvu, která vznikne splynutím barev obdélníků a bílé barvy papíru.
Červená Zelená Modrá
Azurová Purpurová Žlutá
Základní barvy jsou červená, zelená a modrá, k nim doplňkové barvy jsou tyto: Polostín Pomůcky: výkres, svíčka, nůžky, žiletka, tužka Provedení: Připravíme si obrázky různých zvířat, předmětů. Vystřihneme je nůžkami a světlá místa na obrázku vyřízneme žiletkou. Mezi svíčku a stínítko dáme obrázek. Nevyřezané části obrázku vrhají na stínítko stín, přes ostatní části proniká světlo. Vysvětlení: Na základě přímočarého šíření světla. Světlo se nešíří za neprůhlednou překážku. Protože používáme plošný světelný zdroj, počet paprsků dopadajících na obrys obrázku je velký, paprsky dopadají pod různými úhly, vzniká polostín.
http://posec.astro.cz/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=2006020802
84
Periskop Pomůcky: dvě zrcadla, vlnitá lepenka, balicí papír, špendlík, izolepa, nůž, nůžky
Na papír překreslíme schéma obrázku, šířka jednotlivých polí je dána velikostí zrcadel. Zrcátka umístíme na vyšrafované plochy nákresu. Délku periskopu volíme nejvýše 30 cm, úhly musí být přesně 45°. Šablonu položíme na vlnitou lepenku přesně podél vlnek (snadněji se ohne). Pomocí špendlíku propíchneme každý roh. Potom šablonu odložíme, dírky vyznačené špendlíkem pospojujeme čarami. Podél čárkovaných čar projedeme tupou stranou nože – zde lepenku ohýbáme. Přilepíme zrcadla na svá místa, lepenku poskládáme. Periskop zpevníme pomocí izolepy.
85
VI. Různé
Dostředivá síla Pomůcky: dřevěná cívka od niti nebo jakákoliv trubička o průměru cca 1 cm, nit dlouhá 1 m, stopky, měřítko, dvě závaží 10 g a 50 g, korková zátka, svazek klíčů Lze ověřit vztah pro výpočet odstředivé síly. Motivace: Jak dostaneme visící svazek klíčů nahoru k cívce, aniž bychom jej zvedli druhou rukou? Cívku uchopíme do ruky a korkovou zátku uvedeme do krouživého pohybu nad cívkou. Při zvětšení rychlosti pohybu zátky se zvětšuje poloměr jeho kruhové trajektorie, svazek klíčů je vytažen nahoru. Kvantitativně: Při ustáleném pohybu měříme pomocí stopek dobu několika oběhů malého závaží, určíme jeho úhlovou rychlost, délkovým měřítkem změříme poloměr trajektorie. Vypočítáme dostředivou sílu. Nit působí na malé závaží dostředivou silou, jejíž velikost je rovna velikosti gravitační síly působící na větší závaží. Z naměřených hodnot a znalosti hmotnosti závaží lze ověřit platnost vztahu pro výpočet dostředivé síly. Varianta s tyčí – nit se namotá na rovně drženou tyč. Granule Pomůcky: nafukovací balónek, písek Nafukovací balónek naplníme pískem, uzavřeme a prudce jím mrštíme o zem. Balónek bude mít tvar bochníku, na omak bude tvrdý. Do stejné kategorie chování patří mokré stopy v písku na pláži, vakuově balená káva apod. Tyto vlastnosti granulí se vysvětlují na základě nelineárních interakcí, fraktální geometrie. Zejména moderní výpočetní technika přispěla k vysvětlení a znázornění systémů mnoha částic, které lze nyní počítačově modelovat. V praxi je nutné s těmito efekty počítat – v průmyslu, při skladová86
ní obilnin v silech, poznatků této oblasti fyziky využívá geofyzika, stavebnictví, kosmetika. Fraktály Pomůcky: dvě sklíčka, kapka medu Příklad vzniku fraktálů – kápneme trochu medu mezi dvě skla. Pokud chceme jedno z nich nadzdvihnout, musí vzduch pomoci vyplnit volný prostor (podtlak) mezi skly. Vzniká obraz jednoduchého fraktálu (stromeček). Kapilarita Pomůcky: dvě sklíčka (větší a menší), trochu inkoustu
Dvě sklíčka položíme na sebe, horní nesahá až k okraji. Na spodní sklíčko kápneme trochu inkoustu v blízkosti hrany horního sklíčka. Kapka inkoustu se rozteče až k hraně horního sklíčka a poté je celá kapka vtažena mezi obě skla. Podstatou je kapilární elevace, navíc není potřeba překonat gravitační sílu, neboť sklíčka „leží“. Přenos vnitřní energie tepelnou výměnou Pomůcky: pružina z měděného drátu, svíčka, plynový hořák, zápalky, kleště Příprava: Z měděného drátu průměru 1 mm (může být i větší) navineme na kulatou tužku pružinu asi s 10 závity. Jeden konec pružiny necháme přibližně 10 cm prodloužený, bude sloužit k uchopení pružiny. Pružinu sejmeme z tužky. Postup: Pokus provedeme ve dvou krocích. a) Zapálíme svíčku a na její plamen nasuneme pružinu. Pružinu držíme v kleštích.
87
Pozorujeme, že jas plamene výrazně poklesne, téměř zmizí, nad pružinou se objeví i dým. Sejmeme-li pružinu, plamen se znovu objeví. Nasuneme-li znovu pružinu na plamen, děj se opakuje. Při delším držení pružiny v plameni se může stát, že plamen svíčky zhasne. b) Plamen svíčky obklopíme pružinou, kterou jsme opatrně vyhřáli do červena v plameni plynového hořáku. Tentokráte plamen svíčky nezhasne. Vysvětlení: Při prvním kroku pokusu má navlečená pružina z počátku menší teplotu, než plamen svíčky. Proto vnitřní energie přechází z plamene na pružinu. Vnitřní energie plamene se zmenšuje a jeho teplota se sníží. Záření, které nyní hořící knot vysílá, má menší vlnovou délku, než je dolní hranice viditelného světla, proto plamen zmizí. Nepatrně se viditelný plamen udržuje u „kořene“ viditelné části knotu, popř. i tam se utlumí, až zhasne. V druhém kroku pokusu není vzhledem k teplotám vyhřáté pružiny a plamene důvod k tomu, aby se vnitřní energie přenášela od plamene k pružině. Je tomu spíše naopak, proto je plamen vidět. Poznámka: Na uvedený pokus mohou navazovat pokusy na „chladivý účinek“ drátěných sítěk nad plamenem, např. plynovým. Na popsaném principu přenosu vnitřní energie byla založena i bezpečná hornická lampa, tzv. Davyův hornický kahan. Kahan ze školní křídy Pomůcky: školní křída, líh, zápalky, nehořlavá miska Připravíme si nehořlavou misku (např. od svíčky) a kousek křídy s rovným dnem. Do misky nalijeme trochu lihu, postavíme křídu a chvíli počkáme. Poté křídu zapálíme. V podstatě nehoří křída jako taková, ale líh, který do ní nasákl. 88
Magnetické vlastnosti látek Pomůcky: magnet, mince různé hodnoty Permanentní (pecičkový) magnet přibližujeme k různým mincím. Některé se přitáhnou, jiné ne. Mince jsou vyrobeny z různých kovů a jejich slitin, které se liší magnetickými vlastnostmi. Suspenze Označení směsí z malých nerozpustných pevných částic v kapalinách. Příkladem takové suspenze je škrob. V nádobě se nachází směs škrobu a vody. Skočíme-li na směs z určité výšky a ihned opět ven, zdá se, jako bychom skočili na pevnou podložku. Nyní se pokusíme se pomalu postavit na směs v nádobě. To se nám nepodaří a my se ponoříme do směsi. Škrob v nádobě zvětší svůj objem asi o 28 procent. Voda proniká do molekul škrobu a vytváří vodíkové mosty s volnými hydroxylovými skupinami. Tato suspenze má vysokou viskozitu, přesto se v ní ponoří předměty o velké hustotě. Proč ale můžeme na povrch skočit a neponoříme se? Zjednodušeně lze říci, že se zrníčka škrobu v právě zamíchané směsi voda – škrob volně vznášejí obklopeny vodou. Pokud začne působit mechanická síla, je voda vytlačena z prostoru mezi zrníčky, škrobová zrnka se spojí a vytvoří dojem pevné plochy. Pokud působí jen slabé mechanické síly, mohou se zrníčka volně pohybovat kolem sebe a voda působí jako mazivo. 89
Přesněji jev vysvětlujeme na základě mikroskopické struktury suspenze: škrob se skládá ze strukturálně odlišných částí – amylázy (28–30 %) a amylopektinu (70–80 %). Zatímco amyláza je složena z 3 800 k sobě řazených molekul, tvoří amylopektin síťovou strukturu z 6 000 až 20 milionů jednotlivých molekul. Vztah mezi těmito složkami ovlivňuje vlastnosti daného škrobu. Molekula vody, která se nachází mezi dlouhými molekulami amylázy, je při skoku vytlačena. Tím se řetězce zaklíní, vytvoří se vodíkové vazby, dochází k deformaci struktur amylopektinu, vodíkové vazby vznikají i zde. Tím se zvyšuje viskozita – tzv. dilatace – jev trvá pouze tak dlouho, dokud na suspenzi působí tlak. Jev je výraznější, čím větší síly působí. Při dilataci viskozita závisí na velikosti tlaku – čím silněji působíme na kapalinu (čím více ji namáháme), tím je pevnější. Podobným efektem je rheopexie – suspenze vlivem pohybu (rytmické údery, houpání) během času ztuhne v pevnou látku, ale v klidu je opět tekutá. Známější je thixotropie – opačný jev k rheopexii. Všichni známe kečup – v klidu je pevný, nechce z láhve, po protřepání se stane tekutým. Necháme-li láhev chvíli stát, opět ztuhne. Škrob – používán již 3500 př. n. l., byl pomocnou látkou při výrobě papyru a lepidel. V r. 1525 se škrobu užívalo ke zpevnění límců u košil. V přírodě existují různé zdroje škrobu (zásobárna sacharidů) – hlízy a kořeny (brambory, maniok, batáty), semena (zrní), plody (kaštany, luštěniny). Obsah škrobu je rozdílný, např. rýže 70–75 %, brambory 12–20 %. Pokud smícháte to správné množství vody se správným množstvím kukuřičné mouky, obdržíte tekutinu, která se při úderu zpevní. Takové speciální kapaliny jsou známé jako „dilatant liquids“ – roztažné tekutiny. Stejně se chová bešamelová omáčka. Na začátku je úplně řídká. Ale když ji přivedeme do varu, náhle a jakoby kouzlem začíná houstnout. Ale kdo je ten kouzelník? Je to samozřejmě kukuřičný škrob. Vysvětlení je stejné: Kukuřičný škrob tvoří maličké částečky asi 0,01 mm dlouhé. Každou z těch částic tvoří dlouhé molekuly škrobu, smotané jako kulička vaty. Jestliže během zahřívání mícháme, pak nabobtnalé, rozbalené molekuly škrobu z jednotlivých částeček se začnou vzájemně proplétat a tvořit velkou propojenou síť. Přítomnost škrobu v látce se dokazuje pomocí jódu – škrob zmodrá. V praxi (potravinách) se lze setkat s modifikovanými škroby, které vznikají chemickými změnami jedlých škrobů. 90
Blivajz Pomůcky: 1 balení bramborového škrobu (solamyl), 2 dcl studené vody, nádobka, potravinářské barvivo Postup: V nádobce promícháme škrob se studenou vodou, až vznikne hladká hmota (vodu přidávejte postupně, pokud přelijeme a hmota bude příliš řídká, přisypeme škrob). Směs míchejte až do té doby, dokud to lžičkou půjde. A zajímavé je, že když mícháte pomalu, tak to jde, ale rychle to prostě nejde. Když jemně a pomalu nakloníme naši mísu, vidíme, že naše směs je kapalina. Hmotu můžeme obarvit potravinářskou barvou. Když blivajz zmáčkneme nebo do něj prudce udeříme je tvrdý a drolivý, když se ho dotkneme lehce, je měkký a poddajný a chová se podobně jako kapalina (blivajz je dobrý pokus také jako tzv. „tekuté písky“...). Voda funguje jako mazivo mezi jednotlivými částečkami škrobu. Takže když tímto materiálem pohybujeme pomalu, chová se jako kapalina. Když ale použijete rychlou sílu, částečky se semknou, vypudí z prostor mezi sebou vodu a získají uspořádanější strukturu. Takže místo toho, abyste měli volné, klouzající částečky, máte spoustu pevných, navzájem se dotýkajících hrudek, které jako celek prostě netečou. Možná jste to viděli v posledním díle Indiana Jones: čím více člověk zápasí, tím pevněji ho písek svírá. Pouze jemné, klidné pohyby bez kopajících nohou vedou na cestu záchrany. Domácí plastelína Pomůcky: 1 l vody, 30 g kyseliny citrónové, 5 polévkových lžic oleje, 500 g soli, 750 g hladké mouky, potravinářská barva V míse smícháme mouku a sůl. Vodu uvedeme do varu a přidáme do ní kyselinu, olej a barvu. Nalijeme ji na mouku se solí a pořádně propracujeme vařečkou. Pak ještě hněteme jako těsto na vále. Hmotu uchováváme v mikroténovém sáčku nebo v uzavřené nádobě. Sliz Pomůcky: 100 ml lepidla Herkulesu, 100 ml studené vody, 10 ml boraxu (koupíte v drogerii), 40 ml horké vody, potravinářské barvivo, 2 misky, nádobka s víčkem 91
Postup: V misce důkladně promícháme 100 ml lepidla Herkulesu a 100 ml studené vody. V další malé nádobce smícháme 10 ml boraxu (koupíme v drogerii) a 40 ml horké vody. Přimícháme potravinářské barvivo. Nakonec oba roztoky nejméně 3 minuty intenzivně mícháme v misce, dokud se směsi nespojí a poté zpracujeme důkladně rukama. Sliz vznikne smícháním roztoků v poměru 1:3. Porce pro 1 skupinu: Do kelímku dáme 2 polévkové lžíce I. roztoku a 6 lžíc II. roztoku. Dobře promícháme míchadlem. Pak ještě propracujeme v rukách, chvíli necháme uležet a opět propracujeme. Sliz uchováváme v uzavřeném kelímku a v mikroténovém sáčku.
Šampaňské Pomůcky: čirá sklenice, olej (v hezké lahvi), ocet (obarvený potravinářskými barvami např. v krabičkách od kinofilmů, počet kusů se řídí počtem barev), soda (v misce se lžičkou), potravinářské barvy Postup: Předvádíme takto s povídáním: do skleničky nasypeme cukr (lžíce sody) na výrobu šampaňského, aby nebylo kyselé, zalijeme starým vínem (olej), a protože šampaňské musí mít bublinky, tak přidáme (nakapeme) „pravé bublinky přímo ze Šampaně“ (v krabičce od filmu smíchaný ocet s potravinářskou barvou). 92
Ve sklenici se stále pohybují barevné bublinky ... teď musíme, ale diváky upozornit na to, že naše povídání je spíše z říše pohádek, protože aby se mohly naše barevné bublinky – kapky takto pohybovat, je potřeba zcela jiného vysvětlení: „cukr“ je jedlá soda, „staré vazké víno“ je jedlý olej a „bublinky“ nejsou nic jiného než potravinářskými barvami obarvený ocet a výsledný výrobek není tudíž vůbec k pití. Vysvětlení: Ocet u dna začne reagovat se sodou, vznikne oxid uhličitý, který drobnými bublinkami obalí barevné kapky a ty se začnou v oleji pohybovat směrem vzhůru, u hladiny popraskají a kapky zase klesnou ke dnu a vše se opakuje... pohyb barevných bublinek je velmi efektní (modifikace: při velkém množství sody a octa vzniká tornádo, proud bublinek je velmi intenzivní, tak se nám jeví jako velký barevný vír tornáda). Faraonovi hadi Pomůcky: moučkový cukr, soda bikarbona, líh, zápalky, špejle, kovové víčko od plechovky, popel, plech na pečení, lžička Provedení: Kovovou misku dejte na pečící plech a naplňte popelem. Smíchejte 9 dílů (lžiček) cukru a 1 díl sody, dobře smíchanou směs nebo část nasypte na popel a okolo směsi nalijte trochu lihu. Zapalte líh pomocí špejle. Při troše trpělivosti vám vyrostou až metr dlouzí „hadi“. Směs i líh můžete přidávat, ale pozor na křehké hady! Vysvětlení: Při hoření cukr uhelnatí a ze sody uniká vznikající oxid uhličitý, který zuhelnatělý cukr nafukuje, napěňuje. Z malého objemu vzniknou poměrně objemní „pěnoví hadi“, překvapí, jak jsou lehcí a jemní. Lávová lampa Pomůcky: sklenice, voda, olej, potravinářské barvivo, sůl Provedení: Do sklenice nalijeme vodu, olej můžeme obarvit potravinářským barvivem a nalijeme jej na vodu. Na olej nasypeme sůl a pozorujeme, jak olej klesá ke dnu a pak znovu stoupá zpět na hladinu. Vysvětlení: Sůl nasypaná na hladinu oleje má vyšší hustotu než olej i voda, a proto klesá ke dnu, s ní však klesá i olej. Ten opět stoupá nahoru, když se sůl usadí na dně sklenice a tím má olej opět menší hustotu než voda. Děj se postupným sypáním soli opakuje. 93
Postupně vyzkoušejte i jiné materiály – látky, např. cukr, sodu, mouku, prací prášek, ... s cukrem se vám docela povede, soda i mouka udělají prosté „žuch“, jak to pojmenovaly děti, prací prášek rozpouští tuky, tak se ze všeho stane nevábná kapalina. Vyzkoušejte i lampu voskovou: v horké vodě budete rozehřívat nejlépe barevný vosk – kousek svíčky, kterou přidržte u dna jehlicí či špejlí, roztátý vosk bude stoupat na hladinu. Bomba Pomůcky: ocet, jedlá soda, potravinářská barva, toaletní papír, samouzavírací igelitový sáček, lžíce Provední: Do sáčku dejte asi 150 ml octa (pozn. asi 1/3 sáčku „střední“ velikosti). Na toaletní papír dejte nejméně dvě lžíce jedlé sody (či prášku do pečení), všechno zabalte dohromady a máte „rozbušku“; toaletní papír „do kříže“ usnadní zabalení.
Vložte „rozbušku“ do sáčku a pevně jej uzavřete. Zatřepejte sáčkem pro lepší aktivaci „rozbušky“. Sledujte, co se bude dít – sáček se začne nafukovat a až vzniklý oxid uhličitý nebude mít dostatek prostoru, sáček s pěkným zvukovým efektem PRASKNE! Bublinové roztoky Pro výrobu roztoků používejte převařenou vodu, ještě lépe destilovanou (musí být hodně měkká), záleží též na „voňavé“ řadě přidaného saponátu (nejlepší je 94
Jar), připravenou směs nechte asi den odstát. Glycerín, který se přidává pro větší trvanlivost a pružnost, koupíte v lékárně. Uchovávejte v uzavřené nádobě. Seznam roztoků na bubliny: 1. Základní roztok: voda 10 dílů, saponát 3 díly, glycerín 1 díl 2. Roztok na velké bubliny: 10 l vody, 3 velké Jary, 1 l glycerínu 3. Jiný „hrnečkový“ recept na vytahované bubliny: 12 hrnečků vody, 1 hrneček Jaru, 1 hrneček Maizeny (kukuř. škrob), 2 lžíce prášku do pečiva 4. Levný recept na roztok: 7–10 dílů vody, 1 díl Jaru, 2 lžíce glycerínu 5. „Hustý“ roztok: 2,5 dílu vody, 1 díl Jaru, 2 lžíce glycerínu Roztok na velké bubliny a vytahování bublin dáme do lavoru nebo malého nafukovacího bazénku, který je vhodný i na vytahování tunelu okolo těla. Při experimentování s brčky odlijeme roztok např. do krabiček od margarínů. Na tělesa použijeme menší kyblíčky apod. Pěnovač Pomůcky: sklenička, brčko, saponát (Jar), voda, kousek molitanu, nit nebo tenký provázek Provedení: Okolo konce brčka ovažte kousek molitanu. Do sklenice s vodou přidejte saponát. Vložte brčko s molitanem do sklenice a pomalu foukejte. Vznikne jemná a pevná pěna. Vysvětlení: Pěna je množství malých či větších bublinek. Nejdříve vyzkoušejte foukání brčkem bez molitanu a pak porovnejte s foukáním přes molitan. Přes molitan projdou do roztoku jen malinké bublinky, a čím menší ty bublinky jsou, tím hustší a pevnější pěna vzniká. Výroba svíček Pomůcky: Staré svíčky nebo parafín (koupíte v lékárnách či drogeriích), knoty (buď ze starých svíček, obyčejných svíček na hřbitov nebo přímo koupíme v drogerii), špejle, formy (můžeme použít nejrůznější kelímky od jogurtů nebo hezky vypadá taky krabice od džusů … fantazii se meze nekladou), plechovku, voskovky, vonný olej, hrnec, ozdoby (např. kávové zrna, sušené plody, skořice, vanilka…), staré noviny. 95
Postup: 1. Připravíme si vše na výrobu svíček, takže si vezmeme hrnec a dáme do něj vodu, rozprostřeme staré noviny na kuchyňskou linku, abychom nic nezašpinili voskem. 2. Poté nasekáme staré svíčky (když budou barevné, nemusíme už potom používat na obarvení voskovky) nebo si přichystáme parafín do plechovky. 3. Plechovku postavíme do hrnce s vodou a dáme zahřívat na sporák. 4. Mezitím si přichystáme formy na svíčky. Můžeme postupovat několika způsoby. Buď máme přímo koupené formy, nebo si je vyrobíme. Můžeme použít kelímky od jogurtů, které mají někdy opravdu pěkné tvary. Dále můžeme ustřihnout krabici od džusu nebo si vzít ruličku od toaletního papíru, postavit ji na tvrdý papír a zafixovat plastelínou. Způsobů na výrobu forem je spousta. Stačí zapojit fantazii. 5. Nyní si vezmeme knot potřebné délky a namotáme ho trochu na špejli. Poté špejli položíme na formu tak, že knot visí dolů do nádoby. 6. A teď je čas vylévání vosku do nádob. Pokud chcete, aby vám svíčka voněla, tak do roztopeného vosku kápněte pár kapek vonného oleje. Nekapte ale vonného oleje příliš. 7. Nyní si nalijeme trochu vosku na dno nádoby a tím zafixujeme knot na dně. Pokud chceme mít svíčku vyzdobenou, tak je právě čas na skořici, sušené plody apod. Vysteleme tedy formu po okrajích ozdobami. 8. Nyní už jen stačí nalít zbytek vosku a nechat zaschnout. 9. Pokud chceme mít svíčku z více barevných vrstev, musíme vždy počkat, až vrstva trochu zatuhne (až je na povrchu škraloup). To brzy poznáte sami jak dlouho čekat. 10. Po zaschnutí vosk možná trochu nahoře u knotu klesne. Stačí si jen nechat trochu vosku stejné barvy na druhý den a poté jen dolít. TIP na formy! Formu na svíčku tvaru kužele si můžeme vyrobit z tvrdého papíru. Ten srolujeme do tvaru kornoutu a pořádně zafixujeme izolepou a popřípadě i plastelínou a dál pokračujeme už podle postupu.
96
Stejně tak můžeme použít karton. Ustřihneme si dlouhý pásek kartonu, který poté ohýbáme do tvaru hvězdy. Tento karton opět připevníme k dalšímu kartonu (který nám tvoří dno) plastelínou. Tip pro návštěvníky prodejny s nábytkem Kika: pokud zavítáte do této prodejny, věnujte pozornost osvěžení u výtahů, protože zde můžete najít kelímky tvaru kužele, které se skvěle hodí na výrobu svíček
Literatura Svoboda, E.: Pokusy s jednoduchými pomůckami. Prometheus 2003. Holubová, R.: Veletrh nápadů učitelů fyziky. Sborník příspěvků veletrhů 1-9. Wilke, H. J.: Überraschende Experimente mit Kunststofflaschen. MNU 2000.
Bdinková, V.: Veletrh nápadů učitelů fyziky – sborníky 1-16.
97
Renata Holubová
Pokusy s jednoduchými pomůckami Vydal Repronis v Ostravě roku 2012 Technická úprava textu: doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc. Návrh obálky: Repronis, s. r. o. Tisk: Repronis, s. r. o., Ostrava Počet stran: 98 Náklad: 150 ks Vydání: první ISBN 978-80-7329-317-8
