ostravskÁ univerzita v ostravĚartemis.osu.cz/opory/spok2.pdf · i když je v učebnicích pro...

OSTRAVSKÁ UNIVERZITA V OSTRAVĚ

ŠKOLNÍ POKUSY Z FYZIKY 2

LIBOR KONÍČEK

OSTRAVA 2003

Tento projekt byl spolufinancován Evropskou unií a českým státním rozpočtem Recenzenti:

Doc. František Kamenčák, CSc. Mgr. Alexandra Holoušková

Název: Školní pokusy z fyziky 2 Autoři: Mgr. Libor Koníček Vydání: první, 2003 Počet stran: 78 Náklad: 50 Tisk: Ediční středisko CIT OU Studijní materiály pro distanční kurz: Školní pokusy 2 Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor. Určeno výhradně pro kurzy Celoživotního vzdělávání Moravskoslezska Vydavatel a tisk: Ostravská univerzita v Ostravě, Systém celoživotního vzdělávání Moravskoslezska © Mgr.Libor Koníček © Ostravská univerzita v Ostravě ISBN 80-7042-967-4

Obsah 1

Úvod.........................................................................................................................3 1 Kmitání, vlnění, akustika .................................................................................5

1.1 Kyvadla ..........................................................................................................5 1.2 Vznik a šíření vlnění ......................................................................................7 1.3 Vznik a šíření zvuku ......................................................................................9 1.4 Mechanické zdroje zvuku ............................................................................12

2 Elektřina a magnetismus ................................................................................15 2.1 Elektrostatické pole......................................................................................15

2.1.1 Elektrický náboj a jev elektrostatické indukce .....................................15 2.1.2 Rozmístění elektrického náboje, kondenzátory ....................................19 2.1.3 Charakteristiky elektrostatického pole..................................................20

2.2 Elektrický proud...........................................................................................21 2.2.1 Vznik elektrického proudu....................................................................21 2.2.2 Elektrický proud v kovových vodičích .................................................23 2.2.3 Elektrický proud v elektrolytech...........................................................25 2.2.4 Elektrický proud v ionizovaných plynech ............................................27

2.3 Stacionární magnetické pole ........................................................................31 2.3.1 Magnetická pole permanentních magnetů ............................................31 2.3.2 Magnetická pole proudovodiče a permanentního magnetu ..................33 2.3.3 Magnetická pole proudovodičů.............................................................36

2.4 Nestacionární magnetické pole ....................................................................38 2.4.1 Elektromagnetická indukce...................................................................38 2.4.2 Vlastní indukce .....................................................................................41

2.5 Střídavé proudy............................................................................................42 2.5.1 Vznik střídavého napětí ........................................................................42 2.5.2 Třífázový proud ....................................................................................43 2.5.3 Transformátory......................................................................................44

2.6 Elektronika...................................................................................................45 2.6.1 Základní pokusy s polovodiči ...............................................................45

3 Optika.............................................................................................................49 3.1 Paprsková (geometrická) optika ..................................................................49

3.1.1 Přímočaré šíření světla ..........................................................................49 3.1.2 Reflexe (odraz) světla ...........................................................................50 3.1.3 Refrakce (lom) světla ............................................................................53 3.1.4 Disperze (rozklad) světla ......................................................................59

3.2 Vlnová optika...............................................................................................61 3.2.1 Interference světla .................................................................................61 3.2.2 Difrakce (ohyb) světla...........................................................................62 3.2.3 Polarizace světla....................................................................................63

3.3 Školská optika..............................................................................................64 3.3.1 Oko jako optická soustava ....................................................................64 3.3.2 Fyziologická optika...............................................................................66 3.3.3 Fotometrie .............................................................................................69

4 Hračky ve vyučování fyzice...........................................................................73 Literatura................................................................................................................77

Úvod 3

Úvod Vážení čtenáři, máte před sebou studijní text Školní pokusy z fyziky 2, který je určen učitelům fyziky na základní škole. Studijní text obsahuje kapitoly o kmitání, vlnění, akustice, elektřině a magnetismu a optice. Poslední kapitola popisuje možnosti využití hraček při pokusech z fyziky. Studijní text je zaměřen na popis pokusů i s alternativami, neboť vybavení pomůckami na školách je velmi různorodé. Text obsahuje mnoho návodných otázek pomáhajících porozumění pokusu. Na některé otázky je v textu uvedena odpověď, jiné jsou uvedeny k přemýšlení čtenáře textu. Po prostudování textu budete znát: • základní pokusy z fyziky pro jednotlivá témata • varianty těchto pokusů včetně vysvětlení • otázky a odpovědi k jednotlivým pokusům Budete schopni: • připravit vyučovací hodinu s využitím pokusů • připravit pokusy tak, aby fungovaly a byly průkazné. Získáte: • přehled o školních pokusech ve fyzice; • zkušenosti s přípravou a provedením pokusů ve třídě, K prostudování této opory budete potřebovat asi 10 hodin a dalš ích 30 hodin v laboratoři při provádění pokusů.

Praktikum školních pokusů 2 4

Symboly ve studijní opoře Příklad Příklad z praxe nebo řešená úloha. Úkol k textu Úkol k zamyšlení Část pro zájemce Korespondenční úkol – nutno odeslat Shrnutí kapitoly Otázky – kontrolní otázky ke kapitole Úloha č. 1 Hlavní, typický, reprezentativní pokus v daném celku

Varianta pokusu, další možnost jak předvést daný jev.

1 Kmitání, vlnění, akustika 5

1 Kmitání, vlnění, akustika

Průvodce studiem. I když je v učebnicích pro základní školy věnováno problematice kmitavého pohybu a vlnění málo času, je to kapitola důležitá pro pochopení mnoha jevů. Např. pro pochopení střídavých proudů.

1.1 Kyvadla

Pomůcky:

Asi 1m dlouhá nit, kovová kulička s háčkem, tabule, držák nebo háček, křída, kladívko.

Postup:

Vytvoříme tzv. matematické (Galileovo) kyvadlo. Do horní části tabule připevníme držák nebo zavěsíme větší háček, na něj zavěsíme nit s kovovou kuličkou. Křídou označíme vertikálu a rovnovážnou polohu, ve které se právě kulička vyskytuje. Dále "obkreslíme" oblouk, který kulička opisuje po své trajektorii části kružnice. Oba odpovídající si body obratu spojíme vodorovnou čarou. Poté zarazíme druhý hřebík do libovolně zvoleného místa vertikály, kyvadlo vychýlíme do předem vyznačeného bodu obratu, pustíme a pozorujeme jeho pohyb.

Obr. 1.1 Galileovo kyvadlo.

• Jaký jev pozorujete?

Kulička vystoupí při prvním kmitu vždy do téže výše, z jaké byla původně puštěna. Při dalších kmitech se začne zákonitě projevovat vliv tlumení.

• Vysvětlete, jak souvisí daný jev se zákonem zachování celkové mechanické energie. Své úvahy doprovoďte výpočtem rychlosti kuličky rovnovážnou polohou a objasněte, proč tato fyzikální veličina nezávisí na hmotnosti kuličky v = 2gh.

• Existují podmínky, za kterých bude děj probíhat odlišně?

Zarazíme-li hřebík do některého místa vertikály mezi označením rovnovážné polohy a průsečíkem vertikály s vodorovnou spojnicí bodů obratu, kulička už do původní výše, ze které byla puštěna, vystoupit nemůže. Její kinetická energie se nepřemění v energii potenciální, ale ani nezanikne. V důsledku existence pohybové energie dojde k rotaci kuličky kolem hřebíku, při které se nit "namotává" na hřebík.


• Odlište teoreticky uvažované matematické kyvadlo od jeho realizace v podobě kuličky na niti.

Matematickým kyvadlem rozumíme hmotný bod, který je upevněn na nehmotném závěsu a pohybuje se účinkem tíže. Kulička tedy musí být malá, nit o hmotnosti zanedbatelné vzhledem k hmotnosti kuličky, tenká a dokonale pevná.

• Pro jaký úhel vychýlení z rovnovážné polohy lze považovat kmitavý pohyb matematického kyvadla za harmonický a proč?

Pro úhel menší než 5º. Sestavte a řešte pohybovou rovnici. Pro rozkyv však můžeme volit i úhel do 20º, protože u matematického kyvadla jsou odchylky v době kyvu až na třetím desetinném místě a odchylky od harmonického pohybu jsou stále menší než chyby měření. Při "malých" rozkyvech tedy doba kyvu prakticky nezávisí na rozkyvu.

• Jak závisí doba kyvu a rozkmit na čase?

Rozkyvy se stále zmenšují v důsledku tření a odporu vzduchu, doba kyvu se však podstatně nemění.

• Jak byste co nejjednodušeji znázornili časové rozvinutí pohybu matematického kyvadla?

Na laboratorní stojan zavěsíme na tenkou a pevnou nit nálevku naplněnou pískem. Výtok nálevky uzavřeme prstem, kyvadlo vychýlíme a pustíme. Pod kmitající nálevkou pak rovnoměrně posunujeme pruh papíru ve směru, který je kolmý k rovině kyvů kyvadla. Paprsek padajícího písku zapisuje na podložce stopu "vlnovky" (pokud docílíme pohybu podložky z filtračního papíru konstantní rychlostí, zaznamenáme sinusoidu.)

• Podle známého vztahu pro dobu kyvu (příp. odvozeného) ověřte, že doba kyvu nezávisí na hmotnosti zavěšeného tělesa (při konstantní délce niti).

Stopkami změříme doby kyvu kuličky ocelové, hliníkové, dřevěné na témže závěsu. Za dobu jednoho kyvu považujeme dobu mezi dvěma průchody rovnovážnou polohou. Zpravidla odečítáme dobu 10-ti a více kyvů, dobu jednoho kyvu určujeme výpočtem.

• Ověřte závislost doby kyvu na délce kyvadla.

Tatáž kulička, která kýve na závěsech např. 4násobně, 9násobně delších, než je závěs původní, vykazuje 2násobně, 3násobně delší dobu kyvu, než je doba kyvu původního kyvadla.

• Promyslete různé způsoby změření velikosti tíhového zrychlení.

Pomocí matematického kyvadla známé délky a stopek, přesněji pomocí dvojice nestejně dlouhých matematických kyvadel známých délek a stopek, ještě přesněji pomocí tzv. převratného reverzního kyvadla.

Jinou obměnu matematického kyvadla můžeme provést tak, že sice necháme kyvadlo kývat v rovině kolmé k povrchu země, nicméně tuto rovinu necháme "otáčet" kolem osy, tj. vertikály matematického kyvadla zavěšeného v klidu.


Na laboratorní stojan zavěste na ocelové pružině závaží o takové hmotnosti, že hmotnost pružiny je v porovnání s hmotností závaží zanedbatelná. Demonstrujte na tomto elastickém oscilátoru tlumený harmonický kmitavý pohyb, Hookův zákon a všechny příslušné fyzikální pojmy a veličiny, které jej charakterizují.

Kmit, kyv, rovnovážná poloha, body obratu, elongace, amplituda, perioda, frekvence, rychlost, zrychlení, fáze.

• Demonstrujte nezávislost doby kmitu na výkmitu.

Závaží vychýlíme o předem zvolenou výchylku např. 1cm a stopkami změříme několikrát dobu nejméně 10 kmitů. Potom pokus opakujeme s amplitudami 2cm, 3cm a doby stejného počtu kmitů srovnáváme.

• Demonstrujte závislost doby kmitu na hmotnosti závaží.

Měníme postupně hmotnost závaží na pružině, měříme přitom stopkami doby kmitů.

• Demonstrujte závislost doby kmitu na tuhosti pružiny.

Užijeme Hookova zákona, ale dbáme, aby pružina nebyla zatížena natolik, že by byla překročena pružná deformace. Hmotnost závaží známe. Siloměrem změříme velikost síly, která způsobí prodloužení dané pružiny o výchylku např. 1cm, poté 2cm atd. Srovnáváme aritmetický průměr dob určitého počtu kyvů (doby kyvů

měříme stopkami) s výpočtem doby kmitu, resp. kyvu pružinového oscilátoru.

Existuje samozřejmě velký počet možností jak demonstrovat kmitavý pohyb. Známe např. Maxwellovo kyvadlo, Machovo sklopné kyvadlo, Torzní oscilátor.

U torzního oscilátoru je na dvou pružinách upevněna tyčinka s kuličkami. Kmity probíhají ve vodorovné rovině.

Obr. 1.2 Torzní oscilátor

1.2 Vznik a šíření vlnění Pomůcky:

Machův vlnostroj s příslušenstvím.

Postup:

Postavíme rám Machova vlnostroje a zkontrolujeme, zda jsou závěsy všech jeho kyvadel stejně dlouhé.

1. Demonstrujeme postupné vlnění příčné. Horní, závěsné lišty necháme přitaženy k sobě, takže kuličky (na bifilárních závěsech) můžou kývat kolmo k řadě. Hrotem pravítka pak táhneme rovnoměrně v přímce tak, že se jím postupně dotýkáme všech kuliček.


2. Demonstrujeme postupné vlnění podélné. Horní, závěsné lišty roztáhneme, takže kuličky na bifilárních závěsech můžou kývat ve směru řady. Kuličky uvedeme do kmitavého pohybu stejným způsobem jako v předešlém případě.

Obr. 1.3 Machův vlnostroj.

3. Demonstrujeme stojaté vlnění příčné. Horní, závěsné lišty necháme přitaženy k sobě. Ve víku skříně Machova vlnostroje jsou vyhloubeny otvory ležící na sinusoidě. Do těchto otvorů postupně vložíme všechny kuličky, víko spustíme a tak kuličky uvolníme. Pozorujeme nikoliv "postupující" sinusoidu jako v případě první demonstrace, ale stojatou příčnou vlnu (u které upozorníme především na tři nekmitající kuličky v bodech uzlů a na dvě kuličky kmitající s amplitudami jako kmitny).

4. Demonstrujeme stojaté vlnění podélné. Horní, závěsné lišty roztáhneme. Ve víku skříně Machova vlnostroje jsou vyhloubeny otvory v přímce ve vzdálenostech odpovídajících zhuštěním a zředěním stojaté podélné vlny. Do těchto otvorů postupně vložíme všechny kuličky, víko spustíme a tak kuličky uvolníme. Upozorníme na největší střídání zhuštění a zředění v uzlech a na konstantní polohu kuliček v kmitnách.

• Jaké jsou výhody a nevýhody demonstrací pomocí Machova vlnostroje?

Demonstrace jsou sice velmi názorné, ale pouze modelové. S fyzikálním jevem vzniku a šíření vlnění nemají nic společného. Chybí zdroj vlnění. Jednotlivé částice - kuličky vlnostroje jsou navzájem izolovány a do pohybu uváděny nikoliv prostřednictvím vazby, ale vnějším silovým působením hrotu pravítka. Poněkud zavádějící je také ukázka stojatého vlnění, neboť stojaté vlnění vzniká složením dvou vlnění, což Machův vlnostroj rovněž neznázorňuje.

Diskutujte směr pohybu kmitajících částic Machova vlnostroje vzhledem ke směru šíření vlnění, porovnávejte frekvenci, amplitudu a fázi kmitajících kuliček.

Zdůrazněte, že se při vlnění nešíří prostředím látka. Co se tedy vlastně při vlnění šíří z částice na částici hmotným prostředím prostřednictvím vazeb?

Porovnejte u pokusu vlastnosti postupného a stojatého vlnění, rovněž pak vlastnosti příčného a podélného vlnění.

Proveďte 3. krok postupu pokusu a poté roviny kyvů pomalu stočte o 90º.

Na vodorovný stůl položíme plochou dřevěnou tyč a na její jeden konec menší dřevěnou kouli. Na druhý konec tyče pak spustíme z výšky několika cm druhou kouli o podobné či větší hmotnosti. Proč po nárazu první koule vyskočí?


Nárazem druhé koule o tyč vznikne a začne se šířit prostředím dřevěvé tyče vlnění. K jevu nadskočení dojde v okamžiku, kdy toto vlnění dospěje k první kouli.

Výsledek pokusu svědčí pro šíření vlnění příčného. Podélné vlnění se pevnými látkami nešíří? Diskutujte o ideálních podmínkách provedení pokusu, o geometrických rozměrech tyče.

Připomeňte si demonstrace s tzv. "rázostrojem" (uplatňované často spíše v mechanice tuhých těles). Předveďte pružný ráz při spuštění jedné, poté dvou a více koulí.

1.3 Vznik a šíření zvuku Ladičku známé frekvence (např. 440Hz) na ozvučné skříňce přiblížíme do těsné blízkosti elektrického kyvadélka (bezovou kuličku zavěšenou tenkou nití na laboratorní stojan přiblížíme k hornímu konci jednoho ramena ladičky) a poté ladičku rozezníme úderem gumového kladívka do konce jejího druhého ramena. Jak si vysvětlíme, že kulička od ramena ladičky periodicky odskakuje?

Zvuk vydávají pružná tělesa, která se chvějí. Zviditelnění chvění ladičky je ještě názornější při osvětlení zábleskovým stroboskopem.

Skleněnou desku začadíme nad plamenem svíčky (vložíme ji do plamene a rychle, rytmicky jí pohybujeme tak dlouho, až dosáhneme rovnoměrného pokrytí sazemi). Ladičku, jejíž jedno rameno je opatřeno pružným kovovým hrotem, rozezníme a hrot jemně přiložíme k začazenému povrchu skleněné desky. Pokud se nám podaří ladičkou rovnoměrně přímočaře pohybovat podél povrchu desku, uvidíme stopu ve tvaru sinusoidy.

Obr. 1.4 Časové rozvinutí kmitání hrotu ladičky.

• Proč je stopou právě sinusoida?

Tělesa vydávající jednoduchý tón chvějí harmonicky.

Diskutujte o ideálních podmínkách provedení pokusu, na kterých jevech závisí hustota a pravidelnost vznikajících "vlnovek"?

Zkoušeli jste někdy poslouchat zvuky pod vodní hladinou a srovnávat jejich intenzitu při poslechu ve vzduchu?

Zavěste delší kovovou tyč na provaz, jehož konce si přitlačte k ústím zvukovodů svých uší. Pokud volně visící tyčí narazíte na jiný kovový předmět a tyč rozezníte, budete překvapeni zvláštním sluchovým efektem v podobě několika současně a silně znějících "zvonů". Proč?


Můžete pokus opakovat, aniž byste přiblížili konce provazu k uším a srovnat tak sluchový vjem znění kovové tyče při obdobném nárazu.

• Proč napjatý provaz vede dobře zvuk, ačkoliv materiál, ze kterého je vyroben, je zvukovým izolátorem?

Napjatý provaz funguje obdobně jako napjatá struna, která nemusí být právě zvukovým vodičem, aby se jí mohlo šířit postupné příčné vlnění.

Velmi oblíbenou hračkou je tzv. vláknový telefon. Můžete jej improvizovat ze dvou papírových kelímků a delší niti. Dna pohárků propojíte nití. Pokud se dva pozorovatelé postaví do vzdálenosti několika metrů, neslyší slova pronášená šeptem. Když však použijí vláknový telefon (tak, že je nit mezi kelímky napjata, první pozorovatel do svého kelímku šeptá a druhý ho má přiložen těsně k uchu), jsou slova dobře slyšitelná.

Obdobně fungují různá "naslouchadla", která můžeme vyrobit např. z delší gumové hadice. Do jednoho konce hadice zasuneme nálevku, do druhého např. skleněnou tyčinku. Přestože z větší vzdálenosti nemůžeme slyšet tikající hodinky, podaří se nám to, jestliže gumovou hadici napneme, nálevku postavíme nad hodinky a tyčinku vložíme do ucha. Zvuk tikajících hodinek můžeme z větší vzdálenosti zřetelně slyšet, pokud je např. položíme na kraj desky stolu a na protilehlý kraj přitiskneme ucho. Pokud však hodinky podložíme vatou nebo tkaninou, tikot už neslyšíme.

Pod recipient vývěvy vložíme zdroj zvuku, např. zvonící zvonek. Při vyčerpávání vzduchu je zvuk stále méně slyšitelný. Proč? Proč nedojde k tomu, abychom zvuk neslyšeli vůbec, přestože je pod recipientem vzduch velmi silně zředěn? Změní se ještě intenzita zvuku, jestliže zvonek podložíme polystyrenem, vatou, nebo jiným zvukovým izolantem?

V návaznosti na pokusy (zjistili jsme, že ladička slouží jako nenáročný, spolehlivý a názorný zdroj harmonického tónu) zkuste spočítat, kolik experimentů byste pomocí ní dokázali uplatnit. Všechny následující pokusy s použitím ladiček lze často i výhodněji nahrazovat pokusy s použitím tónového generátoru, nicméně ukázka chvějící se ladičky jako pružného tělesa generujícího svým pohybem zvuk je po stránce experimentálně didaktické neopominutelná.

1. Interference. Ladičku rozezvučíme v blízkosti stěny a velmi pomalu, "rovnoměrným přímočarým pohybem" ji od stěny vzdalujeme. Střídavá zesílení a zeslabení tónu jsou zřetelně slyšitelná. U ladičky s malým útlumem rozeznáme i několik maxim a minim. Proč?

- Spočítejte vlnovou délku vlnění, které ladička vysílá (frekvence je vyryta na jejím těle, rychlost šíření zvuku určíte v závislosti na teplotě v místnosti) a na délkovém měřidle, např. tyčovém metru, nastaveném kolmo ke stěně, vyznačte křídou místa uzlů a kmiten. Srovnejte, zda vaše teorie souhlasí s experimentální skutečností.

- Zdůrazněte, že během pokusu jde o sled pozorování výsledku interferenčního jevu zvuku postupujícího a odraženého od stěny, který sledujeme jen u na okamžik stojící, nikoliv pohybující se ladičky!

2. Dopplerův jev. Zvučící ladičkou rychle pohybujeme v úsečce, popř. jí kroužíme v rovině ucha pozorovatele, rovnoběžné s povrchem země. Pozorovatel stojící


mimo opakovaně vnímá změnu frekvence znějící ladičky, tj. rázy (zázněje) přibližujícího se a vzdalujícího se zdroje zvuku. Odlište terminologicky i fyzikálně rázy vzniklé v důsledku Dopplerova jevu a v důsledku jevu interferenčního.

3. Rázy. Dvě ladičky téže frekvence na ozvučných skříňkách umístíme do těsné blízkosti otvory rezonančních komor k sobě. Jednu z nich rozladíme jezdcem, tj. kovovým prstencem, který nasadíme na rameno ladičky a utáhneme šroubkem (popř. jezdce nahradíme omotáním ramena ladičky kouskem drátu). Obě ladičky "současně" rozezvučíme gumovým kladívkem a opravdu slyšíme očekávané mírné kolísání frekvence tónu.

Obr. 1.5 Rezonance ladiček.

V případě znějících nerozladěných ladiček rázy nevznikají?

Demonstrujte závislost frekvence rázů na rozladění (změňte hmotnost jezdce, popř. jím posunujte po ramenu ladičky) a stanovte podmínky, za kterých je rozladění nejmenší a největší. - Určete frekvenci rozladěného tónu (pomocí stopek můžeme změřit dobu určitého počtu rázů a výpočtem zjistit dobu jednoho rázu, frekvenci nerozladěné ladičky známe.

4. Rezonance. Dvě ladičky téže frekvence na ozvučných skříňkách umístíme do těsné blízkosti otvory rezonančních komor k sobě. Jednu z nich úderem gumového kladívka silně rozezvučíme a po chvíli rukou utlumíme. Zjistíme, že druhá ladička zní, byť slabě. - Podaří se nám tento jev zopakovat v případě, že si zvolíme k provedení pokusu ladičky velmi odlišných frekvencí?

Rozezněte ladičku úderem gumového kladívka, je-li tato zasazena do rezonanční skříňky. Poté ji ze skříňky vyjměte a rozezněte ji znovu stejným úderem téhož kladívka. Hlasitost obou tónů srovnejte.

Kundtova trubice. Jde o klasický prostředek k měření rychlosti zvuku v laboratorních podmínkách. Starší typy Kundtových trubic byly na jednom konci uzavřené, do druhého konce byl zaveden píst. Zvuk se generoval třením tyče pístu. Novější typy Kundtových trubic jsou na jednom konci uzavřeny a na druhém konci opatřeny např. reproduktorem a zdrojem zvuku měnitelné


frekvence. Existují i trubice kombinované, u nichž se dá měnit frekvence generovaného zvuku a posouváním pístu i délka trubice.

Obr. 1.6 Kundtova trubice

• V průhledné trubici je lehký prach. Jak se chová, jestliže generujeme zvuk?

Vzduchový sloupec v trubici se rozkmitá a prach se rozvíří. Dosáhneme-li vhodné délky trubice a současně vysílané frekvence, prach se nejvíce rozvíří ve zředěních vzniklé stojaté vlny, ve zhuštěních však zůstane ležet. Pomocí takto vytvořených tzv. Kundtových obrazců lze odečíst vlnovou délku daného vlnění a vypočítat i rychlost šíření zvuku ve vzduchu.

Pokus za téhož uspořádání opakujte v zahřáté trubici.

1.4 Mechanické zdroje zvuku Pomůcky:

Různé otevřené píšťaly retné a jazýčkové (uzavření můžeme improvizovat rukou), příp. i generátor proudu vzduchu (nevýhodou je jeho hlučnost, výhodou konstantnost generovaného proudu vzduchu, které ústy nikdy dlouhodoběji nedosáhneme). Dále potřeby pro zviditelnění zvuku: osciloskop, uhlíkový mikrofon (popř. dynamický reproduktor), baterie o napětí asi 4,5V, transformátor s jádrem o 300 závitech na primáru a 1200 závitech na sekundáru, vodiče, různé zdroje zvuku (výhodněji počítač s programem pro sledování, řízení a modelování experimentů, čidlo zvuku).

Postup:

K vývodu vzduchového generátoru postupně přikládáme píšťaly a sledujeme jejich tón sluchem i vizuálně v časovém rozvinutí na obrazovce osciloskopu, příp. i na monitoru počítače.

Improvizujte píšťalu.

Otevřenou pomocí skleněné trubice oboustranně otevřené, uzavřenou pomocí zkumavky. Foukáním přes horní okraj vytváříme tón. Závislost výšky tónu na délce píšťaly zprostředkujeme pomocí vodního sloupce. Délku vzduchového sloupce v trubici zkracujeme jejím spouštěním do vody ve větší nádobě, ve zkumavce potom tak, že vodu postupně doléváme.

Srovnejte vznik zvuku u píšťal a sirén (sirény Seebeckovy, sirény Cagniard de la Tourovy, sirény Savartovy).

• Otevřenou píšťalu střídavě uzavírejte rukou. Odlište výšku tónu otevřené a uzavřené píšťaly.

Uzavřená píšťala vydává tón poloviční frekvence, tj. o oktávu nižší než otevřená píšťala téže délky.


• Srovnejte tón píšťaly s tónem ladičky a demonstrujte existenci vyšších harmonických tónů píšťaly. Základní tón (vhodněji u otevřené píšťaly) mírně a poté silně přefoukněte.

Otevřená píšťala vydává mimo základní tón všechny vyšší harmonické tóny, uzavřená píšťala pouze liché harmonické tóny. Na monitoru můžeme studovat tyto rozdílnosti ještě lépe nežli sluchem.

Struna. Základní součástí monochordu, ev. polychordu je napnutá struna, kterou rozezníváme smyčcem a jejíž chvění zviditelňujeme stroboskopem. Demonstrujeme tak chvění struny jako vlnění stojaté a příčné.

• Demonstrujte, že struna vydává harmonické tóny.

Nalezneme a označíme bod přesně v polovině, čtvrtině... délky struny. Strunu silně rozezníme a tohoto bodu se dotkneme. Základní tón se utlumí a slyšíme jen odpovídající harmonický tón, byť slabě.

• Demonstrujte závislost výšky tónu na délce struny.

Strunu upevníme tzv. kobylkou v její polovině, čtvrtině. Čím je struna kratší, tím vydává tón vyšší frekvence.

• Proč "šumí" mořská mušle?

Přiložte k uchu dutý předmět, tj. nejen mušli, ale třeba i půllitrovou nádobu. Zcela určitě uslyšíte jemné hučení. Uzavřený prostor má schopnost reprodukovat určité tóny odpovídající jeho vlastním tónům, na které je sám naladěn, a to mnohem výrazněji, než všechny tóny ostatní. Podmínkou ovšem je, že se při provádění experimentu nenacházíte v akusticky izolované místnosti a že danou frekvenci je vaše ucho schopno zachytit.

Rezonátory kulového tvaru zavedl do akustiky Helmholtz. Rezonátorem je možné ze směsice tónů vybrat jediný, ten zesílit a od ostatních tónů tak výrazně odlišit.

Obr. 1.7 Helmholtzův rezonátor.

• Srovnejte Helmholtzův rezonátor s ústní dutinou.

Objem a tvar ústní dutiny se pružně mění, ačkoliv měnitelný objem a tudíž i laditelnou rezonanční frekvenci mají i jiné rezonátory, např. rezonátory válcového tvaru Koenigovy a kuželového tvaru Appunnovy.

2 Elektřina a magnetismus 15

2 Elektřina a magnetismus

Průvodce studiem. Kapitola Elektřina a magnetismus je v učebnicích základních škol obsažena po částech ve všech ročnících. V této studijní opoře jsou pokusy řazeny tak, jak odpovídají tradičnímu pojetí a rozdělení.

2.1 Elektrostatické pole 2.1.1 Elektrický náboj a jev elektrostatické indukce

Pomůcky:

Skleněná tyč, ebonitová tyč, vlněná tkanina, drobné papírové ústřižky (např. konfety jako odpad z kancelářské děrovačky).

Postup:

Skleněnou tyč vezmeme do rukou a třeme kusem vlněné tkaniny. Poté ji přiblížíme k papírovým konfetám a pozorujeme, že konfety jsou k tyči přitaženy a zůstávají na ní lpět. Pokus opakujeme s ebonitovou tyčí.

• Vysvětlete, co je příčinou přitažení těles zanedbatelné hmotnosti.

Zdůrazněte, že poznat silové působení pole můžeme jen prostřednictvím jeho účinků, nikoliv svými smysly.

• Najděte analogie pokusu v každodenním životě.

Proč užíváme avivážní a antistatické přípravky k praní textilií, proč slyšíme jemné "praskání" při manipulaci s oděvem z umělohmotných tkanin, proč musíme navlhčit hřeben, chceme-li si učesat velmi suché vlasy?

Pokus proveďte s přiblížením zelektrované tyče k tenkému praménku vody (např. z vodovodního kohoutku). Proč a jak je pramének vychýlen ze své svislé trajektorie?

Na hodinové sklíčko nalijte až po okraj olej. Potom do těsné blízkosti vypuklé hladiny přibližte povrch silně zelektrované ebonitové tyče. Vysvětlete, proč olejové kapky "přiskakují" v podobě tryskajícího paprsku na tyč.

Ruku držící tyč si musíte opřít, aby se vám nezachvěla.

Elektřina je dvojího "druhu". Z historických důvodů se dodržuje konvence, že skleněná tyč je tzv. kladně, pozitivně nabitá, ebonitová tyč je nabitá záporně, negativně. Odpovídá označení reálu?

• Pozorované jevy srovnejte s chováním drobného kovového tělesa vůči magnetu.

Obdobou kladně a záporně nabité tyče je severní a jižní pól magnetu. Odlišností neoddělitelnost pólů, kdy se u magnetu oba póly vyskytují současně, zatímco tyč zelektrována po celé své délce je rovněž po celé své délce zelektrována buď kladně, nebo záporně.


Vysvětlete pokus v souvislosti s elektrostatickou indukcí.

Proč se stejným způsobem nechovaly i konfety?

Drobná papírová konfeta má zanedbatelnou hmotnost a přilne k tyči. Její odpuzování od tyče sice existuje, ale je slabé a k oddálení od tyče nedostačující.

Navrhněte takové uspořádání pokusu se dvěma elektrickými kyvadélky, skleněnou a ebonitovou tyčí, který by názorně objasnil, že se tělesa zelektrovaná stejnojmenným nábojem odpuzují a nestejnojmenným přitahují.

Vysvětlete generování elektrostatického pole třením, a to v souvislosti s elektronovou teorií.

Srovnejte výsledky pokusu při tření tyče elektricky vodivé a tyče z izolantu.

• Stává-li se v důsledku tření tyč elektricky nabitou, co můžeme říci o elektrickém stavu použité tkaniny?

V případě realizace pokusu s ebonitovou tyčí se třením odebírají vlněné tkanině volné elektrony a předávají ebonitové tyči. Ta je natolik dobrým izolantem, že elektrony nejsou odvedeny rukou tělem do země. V případě realizace pokusu s tyčí skleněnou je situace opačná: třením se odebírají volné elektrony tyči a předávají vlněné tkanině.

• Vysvětlete fyzikální podstatu funkce Wimshurstovy indukční elektriky a van de Graaffova generátoru.

Srovnejte 1. tření tkaniny a tyče, 2. hrotových sběračů a polepů na rotujících kotoučích ebonitových či skleněných, 3. hrotových sběračů a pásu z dielektrického materiálu, který je navinut na dva válce a poháněn buď ručně klikovým mechanismem či elektricky motorkem.

• Proč je generátor schopen náboj nejen vytvořit, ale i uchovat?

U indukční elektriky se náboj hromadí v leidenských lahvích spojených s kulovými vodiči, tvořícími jiskřiště. U van de Graaffova generátoru na povrchu pokovované kulové elektrody.

• Co vlastně rozumíme uzemněním a jak probíhá?

Země je sama o sobě tak obrovským přírodním vodičem, že může vydávat a přijímat volné elektrony, aniž by se tím měnil její náboj. Spojíme-li záporně nabité těleso vodičem se zemí, elektrony vodičem "odtečou" do země. Spojíme-li kladně nabité těleso vodičem se zemí, elektrony ze země přecházejí vodičem na těleso tak dlouho, dokud se těleso nestane elektricky neutrální.


Do stojanu vertikálně upevněte kovovou lamelu. Mezi ni a kuličku konduktoru van de Graaffova generátoru zavěste alobalovou kuličku na tenké niti. Přístroj uveďte v činnost a objasněte, proč se matematické kyvadlo stalo kyvadlem elektrickým. Efektnější pokus je s indukční elektrikou, kmitání kuličky nebo alobalem obaleného pingpongového míčku je rychlejší.

Obr. 2.1 Elektrické kyvadlo.

Dno papírové krabičky pokryjte vrstvou alobalu či staniolu. Víko vyrobte z plexiskla či jiné umělé hmoty. Potom z tenké lepenky vystřihněte několik figurek a vložte je do krabice. Víko několikrát potřete rukou či tkaninou a pozorujte elektrický tanec figurek v krabici.

Tuto úlohu vhodnou pro domácí práci žáků obměňte pro práci ve školských laboratorních podmínkách, máte-li k dispozici kovovou desku, indukční elektriku.

Improvizovaný elektroskop

Vezměte do rukou proužek staniolu, přeložte jej na poloviny a v přehybu zavěste na kovovou tyčinku. Tyčinku opřete o podložky z izolantu tak, aby setrvávala ve vodorovné poloze. Několikrát potom proužky protáhněte v prstech. Co pozorujete?

Proužky, které původně visely svisle, se oddálily. Vysvětlete proč a zařízení prověřte jako nejjednodušší, improvizovaný elektroskop.

Elektrometr

Elektroskop vybavený stupnicí se nazývá elektrometr. Do kovové skříňky opatřené skleněnou stěnou je přes prstenec z izolantu zavedená kovová tyčinka. K hornímu konci kovové tyčinky je připevněn kovový talíř, k dolnímu konci je otáčivě upevněna na vodorovné osičce kovová ručka. Konec této ručky zasahuje jako ukazatel až ke stupnici v dolní části skříňky.

Dotkneme-li se kovového talíře zelektrovaným tělesem, např. tyčí, přejde část elektronů z tyče na talíř, poté na tyčinku i ručku. Elektrometr se stal zelektrován stejnojmenným nábojem. Proto se ručka začne odchylovat od tyčinky, a to tím více, čím větší náboj byl na elektrometr přenesen.


Při jevu dočasné elektrostatické indukce k elektrometru přiblížíme zelektrovanou tyč a pozorujeme výchylku ručky elektrometru. Po oddálení tyče výchylka zmizí.

Obr. 2.2 Princip dočasné elektrostatické indukce (na elektroskopu).

• Objasněte podstatu trvalé elektrostatické indukce a optimalizujte podmínky pro demonstraci jevu trvalé elektrostatické indukce.

Pokud se po přiblížení tyče dotkneme elektrometru, odvedeme záporný náboj do země. Výchylka zmizí. Po oddálení tyče se opět objeví výchylka, elektrometr bude nabit kladným nábojem.

Obr. 2.3 Princip trvalé elektrostatické indukce (na elektrometru).

Zopakujte demonstraci trvalé elektrostatické indukce s tou obměnou, že po uzemnění rukou nejdříve oddálíte tyč a teprve poté ruku.

Srovnejte výsledek rychle a relativně déle prováděného pokusu.

Trvalá elektrostatická indukce se dvěma elektrometry.

Při elektrostatické indukci pomocí dvou elektrometrů oba spojíme kovovou tyčí s izolovaným držadlem. K jednomu z nich přiblížíme zelektrovanou tyč a poté oba elektrometry rozpojíme.

• Jaké bude rozdělení nábojů na elektrometrech?

Na elektrometru v blízkosti tyče se indukuje trvale nestejnojmenný náboj, na vzdálenějším elektrometru náboj stejnojmenný vzhledem k náboji na zelektrované tyči. Toto můžeme dokázat buď nevratně propojením obou elektrometrů – náboje se vyrovnají a obě výchylky zmizí. Pokud se však k prvnímu elektrometru (s nesouhlasným nábojem) opět přiblížíme nabitou tyčí výchylka se zmenší. Při přiblížení k souhlasně nabitému elektrometru se výchylka zvětší.


Obr. 2.4 Princip elektrostatické indukce na spojených elektroskopech.

Když se budeme nabitého elektroskopu dotýkat kovovou kuličkou na tyčince z izolantu, budeme odvádět náboj. Elektroskop se bude postupně vybíjet.

Pokud k nabitému elektroskopu přiblížíme plamen, také se velmi rychle vybije. Proč?

Plamen obsahuje velký počet volných elektronů a iontů a ty umožní přenos náboje.

Podobně v případě, že máme nabitý izolant a chceme ho vybít, protáhneme kolem něho plamen svíčky.

Při koloběhu vody v přírodě vznikají mraky, které nesou značné náboje, zčásti kladné, zčásti záporné. Za velkého horka je vzduch ionizován, může dojít k vyrovnání těchto nábojů mezi mrakem a zemí, popř. mezi mraky navzájem, a to v podobě obrovských jisker nebo blesků.

2.1.2 Rozmístění elektrického náboje, kondenzátory

• Proč se u elektricky nabitého vodiče rozmisťují částice s elektrickým nábojem jen na jeho povrchu a u dutého vodiče jen na jeho vnějším povrchu?

Na povrchu koule je náboj rozmístěn rovnoměrně. Vnitřní část vodiče neobsahuje volné elektrické náboje. Náboj se shromažďuje v místech, která mají největší zakřivení, nejmenší poloměr křivosti, tj. na hrotech. Toho se využívá při konstrukci hromosvodů – tyč, která vyčnívá nad budovu „vysává“ náboj z atmosféry.

• Co je tzv. Eliášův oheň?

Na stromech či na lodních stožárech je možné uvidět za bouřky elektrické výboje v podobě světélkování.

• Nalezněte obdobu ochrany Faradayovou klecí před účinky např. blesku v každodenním životě a technické praxi.

Kovová síť chrání např. skladiště benzinu, popř. skladiště hořlavin. Nad elektrickým vedením vysokého napětí je veden ještě ochranný vodič, který je


na mnoha místech uzemněn... Může hrozit nebezpečí zásahu bleskem řidiči v uzavřeném automobilu?

• Definujte kondenzátor jako zařízení, které má schopnost hromadit elektrický náboj. Proč?

Vysvětlete v návaznosti na elektrostatickou indukci. Proč se kondenzátorem nemůže stát soustava dvou uzemněných nebo soustava dvou izolovaných desek?

• I akumulátory slouží k uchovávání elektrické energie. Odlište je od kondenzátorů.

V akumulátorech dochází k elektro-chemické přeměně elektrické energie, v kondenzátorech nikoliv. Akumulátory uchovávají velké náboje po dlouhou dobu, kondenzátory malé náboje po krátkou dobu.

• Prohlédněte si leidenské lahve indukční elektriky, popř. rozkladnou leidenskou láhev z pomůcek reprez. pokusu.

Skleněná láhev s kovovými polepy na vnější a vnitřní stěně láhve se vkládá do ochranné, izolující lahve. Do vnitřku skleněné lahve se vkládá elektrika, tj. kovový stojan s kuličkou na konci. Právě na tuto kuličku je přenášen náboj.

• Kde se v lahvi vlastně náboj ukládá?

Elektrostatické pole se vytváří na povrchu dielektrika, tj. skleněné stěny láhve, protože náboje se nemohou volně pohybovat a vyrovnávat.

2.1.3 Charakteristiky elektrostatického pole Pomůcky k pokusu:

Wimshurstova indukční elektrika, popř. van de Graaffův generátor, spojovací vodiče, dva elektrické chocholy z proužků hedvábného papíru na izolovaných podstavcích.

Postup:

1. Jeden elektrický chochol připojíme k jednomu pólu generátoru. Generátor uvedeme v činnost (ručně otáčením kličkou, popř. zapnutím elektromotorku) a pozorujeme, co se děje s proužky hedvábného papíru.

2. Dva elektrické chocholy postavíme vedle sebe a připojíme k pólům generátoru. Generátor uvedeme v činnost a pozorujeme, co se děje s proužky hedvábného papíru.

3. Dva elektrické chocholy postavíme vedle sebe a připojíme současně k jednomu pólu generátoru. Generátor uvedeme v činnost a pozorujeme, co se děje s proužky hedvábného papíru. Výsledky pokusů porovnáme.

Obr. 2.5. Radiální elektrostatické pole chocholem.

Na dno větší Petriho misky nalijeme tenkou vrstvu glycerolu. Přibližně do středu misky umístíme do vzdálenosti jen několika cm dva kovové kotouče (s otvory pro banánky vodičů), které propojíme s póly generátoru náboje (např. indukční elektriky). Povrch olejové hladiny rovnoměrně a lehce


posypeme např. krupicí. Po uvedení generátoru v činnost se kotouče nesouhlasně zelektrují a vznikne mezi nimi elektrostatické pole. Pozorujeme, že zrnka krupice, tj. částice z izolantu, se v elektrickém poli uspořádají do charakteristických řetězců, modelujících siločáry, a to ve směru elektrické intenzity.

Pokus opakujte s tou obměnou, že kotouče nabijete souhlasným nábojem, a to kladným.

Pokus opakujte s tou obměnou, že kotouče nabijete souhlasným nábojem, a to záporným.

Pokusy provádějte rychle. Při obměně pokusu olej i krupici vyměňte, neboť zrnka brzy nasáknou, ztěžknou a klesnou pod hladinu. Efekt experimentu pak již není průkazný.

Kotoučové elektrody vyměňte za rovinné ve tvaru desek (s otvory pro banánky vodičů, popř. improvizujte uchycení pomocí krokosvorek). Pomocí měřiče náboje vyšetřujte průběh těchže ekvipotenciálních čar homogenního elektrického pole v rovině, popř. rozdíl potenciálů mezi libovolnými dvěma body pole.

Do zvoleného místa glycerolové hladiny vložíme kolmo hrot připojený k vnějšímu vodiči koaxiálního kabelu měřiče. Hrotem připojeným ke střednímu vodiči kabelu měřiče opět kolmo vkládaným na glycerolovou hladinu hledáme jiná místa o stejném, popř. jiném potenciálu. Ručička demonstračního měřidla pak ukazuje nulu, popř. odlišnou hodnotu napětí.

2.2 Elektrický proud

2.2.1 Vznik elektrického proudu

Pomůcky:

Elektrometr (popř. elektroskop), kovová koule na izolovaném stojanu (ev. Přímo konduktor indukční elektriky či van de Graaffova generátoru), indukční elektrika, 2 spojovací vodiče, zkušební kulička, svíčka.

Postup:

Desku elektrometru spojíme vodičem s kovovou koulí na izolovaném stojanu. Dalším vodičem elektrometr uzemníme (spojíme se zemí, např. s kovovým rámem stolu). Indukční elektrikou generujeme náboj, který pomocí zkušební kuličky přenášíme na povrch kovové koule. Pozorujeme, že se ručička elektrometru rychle vychyluje. Po chvíli v přenášení náboje ustaneme a zjišťujeme, že se ručička elektrometru velmi pomalu vrací do nulové polohy. Přiblížíme ke kovové kouli hořící svíci. Ručička elektromertru klesne velmi rychle na nulu.

O velikosti napětí mezi nabitou koulí a povrchem země nás informuje výchylka elektrometru.

• Proč dochází k pomalému zmenšování výchylky elektrometru?

Elektrony postupně přecházejí vodičem, elektrometrem a opět vodičem do země.


• Proč dojde takřka k okamžitému poklesu výchylky elektrometru na nulovou hodnotu v případě přiblížení hořící svíčky?

Vzduch je zahřátím ionizován a stává se dosti dobrým vodičem elektrického proudu. Elektrony opouštějí velmi rychle kovovou kouli téměř v celém rozsahu jejího povrchu.

• Za kterých podmínek vzniká elektrický proud?

Různý elektrický potenciál, vodivé prostředí.

Jaký je rozdíl mezi neustálým neuspořádaným pohybem volných elektricky nabitých částic a elektrickým proudem.

• Co si představujeme pod pojmem volné elektricky nabité částice?

V kovu volné elektrony, v elektrolytu volné ionty, v ionizovaném plynu volné ionty a elektrony, v polovodičích volné elektrony a díry.

• V jakém směru se volné elektricky nabité částice pohybují?

Z historických a praktických důvodů je respektován tzv. technický směr elektrického proudu, tj. směr, ve kterém se uspořádaně pohybují volné částice s kladným nábojem. V kovech se tedy ve skutečnosti volné elektrony pohybují ve směru opačném, v kapalinách a v plynech může probíhat pohyb nosičů elektrického proudu jak ve stejném směru, tak ve směru opačném.

• Jaké jsou důsledky průchodu elektrického proudu vodičem?

Silové, neboť v jeho okolí vzniká magnetické pole. Dále pevné a kapalné vodiče se zahřívají, u kapalných vodičů dochází k transportu látky, u plynů ke světelným efektům.

Odlište elektrický proud jako kvalitativní děj od elektrického proudu jako kvantitativní fyzikální veličiny.

• V jakých jednotkách se měří velikost elektrického proudu?

• Odlište starší definici ampéru pomocí náboje od nové definice pomocí magnetických účinků proudu.

Popište historický Galvaniho pokus se žabími stehýnky. Jak Volta vyvrátil, že elektrický proud není "živočišného původu"?

Za indikátor průchodu elektrického proudu si zvolíme jednoduchý galvanometr nebo demonstrační voltmetr. Dále potřebujeme dva vodiče, různé elektrody (uhlíkové, měděné, železné, zinkové ap.) a různé ovoce-zeleninu (bramboru, citrón, banán, jablko ap.).

Do ovoce zabodneme v dostatečné vzdálenosti dvě různé elektrody, které vodivě propojíme s póly měřícího přístroje.

• Vysvětlete, proč pozorujeme výchylku.

V případě elektrod ze stejného materiálu nulovou, v případě elektrody zinkové a uhlíkové nejvyšší, tj. cca 1V.

Elektrický proud necháme ovocem procházet dlouhodoběji. Potom ovoce v místě mezi elektrodami rozřízneme. Prohlédneme si rovněž, zda se nezměnily povrchy použitých elektrod.


Do bramboru nebo jablka vyřízneme hlubší jamku. Do ní pak nalijeme např. vodný roztok jodidu draselného. Dále do ovoce zabodneme dvě různé elektrody, a to tak, aby jamka ležela uprostřed mezi nimi. Pomocí vodičů a krokosvorek propojíme elektrody s póly akumulátoru. Asi po hodině obvod rozpojíme a ovoce rozřežeme.

Zjistíme, že jód difundoval k anodě, neboť v jejím okolí se projeví charakteristické namodralé zabarvení.

2.2.2 Elektrický proud v kovových vodičích Pomůcky:

SET souprava pro ZŠ, zdroj stejnosměrného napětí (akumulátorová baterie, popř. alespoň 3 ploché baterie), asi 10 ks vodičů, spínač, 3 žárovky, galvanometr.

Postup:

1. Sestavíme jednoduchý elektrický obvod z jedné ploché baterie, spínače, žárovky, spojovacích vodičů a galvanometru. Spínač zapneme, vypneme, žárovku uvolníme v objímce a zase zašroubujeme, stále přitom pozorujeme výchylku galvanometru. Změníme polaritu zdroje a pokus opakujeme.

2. Do sestaveného jednoduchého elektrického obvodu postupně doplňujeme druhou a třetí plochou baterii, druhou a třetí žárovku. Průběžně pozorujeme a srovnáváme jas žárovek a výchylky galvanometru.

3. Sestavíme rozvětvený elektrický obvod z jedné baterie, spínače, galvanometru, žárovky a dvou paralelně zapojených žárovek. Změníme polaritu zdroje a pokus opakujeme.

4. Do sestaveného rozvětveného elektrického obvodu postupně doplňujeme druhou a třetí plochou baterii. Průběžně pozorujeme a srovnáváme jas žárovek a výchylky galvanometru.

Vysvětlete, které části elektrického obvodu označujeme jako aktivní, které pasivní a proč.

• Proč se rozsvítí všechny žárovky v elektrickém obvodu současně? Jakou rychlostí postupuje elektrický proud v obvodu?

Srovnejte tepelný pohyb s uspořádaným pohybem volných elektronů, tj. střední kvadratickou rychlost tepelného pohybu s tzv. unášivou rychlostí.

Přesvědčte se, že ve všech místech nerozvětveného elektrického obvodu je výchylka galvanometru stejná. Změňte polaritu zdroje a pokus opakujte. Jak se chová ručka galvanometru v závislosti na směru proudu?

Přesvědčte se, že v různých místech rozvětveného elektrického obvodu je výchylka galvanometru různá. Změňte polaritu zdroje a pokus opakujte. Jak se chová ručka galvanometru v závislosti na směru proudu?

Jak byste co nejjednodušeji vysvětlili žákům ZŠ 1. Kirchhoffův zákon?

Srovnejte elektrické obvody se spotřebičem (žárovkou), galvanometrem, spojovacími vodiči a dvěma zdroji (plochými bateriemi), které poprve zapojíte do jednoduchého obvodu sériově, podruhé paralelně. Změňte polaritu jednoho zdroje z dvojice a opět pozorujte výchylku galvanometru.


Vyjměte ze SET soupravy zkoušečku a sestavte pomocí ní jednoduchý elektrický obvod.

Zkoušečka pro přezkoušení baterií elektrických článků se skládá ze dvou neizolovaných kovových ramen, vzájemně spojených kloubem s objímkou pro žárovku. Žárovku upevníme v objímce a rameny zkoušečky se dotkneme kovových vývodů z pólů baterie.

Na ramena zapojené zkoušečky položte neizolovaný drát. Vysvětlete, proč žárovka zhasla a vodiče se mírně zahřály.

Objasněte podstatu zkratu a princip pojistek.

Ohmův zákon pro část obvodu, Ohmův zákon pro uzavřený obvod

Pomůcky: Zdroj stenosměrného napětí (např. akumulátorová baterie), reostat, rezistor, ampérmetr, voltmetr, spínač, spojovací vodiče.

Postup:

1. Do elektrického obvodu (viz schéma) zapojíme zdroj stejnosměrného elektromotorického napětí, spínač, reostat jako rezistor s plynule proměnným odporem a ampérmetr. K rezistoru pak paralelně připojíme voltmetr. Reostatem postupně snižujeme odpor spotřebiče. Příslušné odpovídající si hodnoty napětí a proudu zapisujeme do tabulky a do grafu.

2. Do elektrického obvodu (viz schéma) zapojíme zdroj stejnosměrného elektromotorického napětí a reostat jako dělič napětí, dále spínač a rezistor jako spotřebič, na němž měříme příslušné odpovídající si hodnoty napětí a proudu, přičemž postupně zvyšujeme napětí zdroje reostatem, tj. děličem napětí.

Odlište v obou fázích postupu reprez. pokusu Ohmův zákon pro část obvodu a Ohmův zákon pro celý, uzavřený obvod.

• Vyslovte přesné znění Ohmova zákona a odlište jej od definice pro fyzikální veličinu elektrický odpor vodiče.

Elektrický proud v kovovém vodiči je přímo úměrný elektrickému napětí mezi konci tohoto vodiče. Elektrický odpor je definován jako konstantní podíl napětí a proudu, zavádí se jako charakteristická veličina určitého vodiče.

Ke zdroji napětí paralelně připojte voltmetr (podle 1. schématu) a při rozpojeném spínači změřte jeho elektromotorické napětí. Po sepnutí spínače měření opakujte a vysvětlete pomocí Ohmova zákona pro celý obvod, proč je druhá hodnota napětí nižší.

Využijte 2. schématu pokusu, rezistor však nahraďte dvěma svorkami na stojanech z izolantu, do kterých zaveďte jako spotřebič drát:

1. různého materiálu (ocel, měď, konstantan...),

2. různých délek (např. x, 2x, 3x...)

3. různých průřezů (např. S, 2S, 3S...)

Změřené příslušné vzájemně si odpovídající si hodnoty napětí a proudu zapisujte do tabulky, popř. nanášejte do grafu. Výsledky analyzujte a odpovězte, na kterých vlastnostech vodiče závisí velikost odporu tohoto vodiče.


• Drát zahřívejte (např. plamenem plynového kahanu) a pozorujte, zda a jak se mění výchylka měřicích přístrojů?

Výchylka ručky voltmetru se nemění, výchylka ručky ampérmetru se zmenšuje. Vysvětlete proč.

Delší drát sviňte do spirály a nechte jím procházet proud dlouhodoběji (např. několik minut). Poté obvod rozpojte a zjistěte dotykem, že se jeho teplota výrazně zvýšila. Vysvětlete proč.

Využijte 2. schématu pokusu, rezistor však nahraďte dvěma odporovými dekádami, které spojte: 1. sériově, 2. paralelně. Pomocí voltmetru změřte výsledný odpor spotřebičů spojených v elektrickém obvodu za sebou a vedle sebe.

Změřené hodnoty srovnejte s teoreticky vypočtenými.

Jak se měří elektrický odpor rezistoru přímou metodou?

Odlište zapojení měřicích přístrojů pro malý a pro velký odpor rezistoru.

• Jak se měří elektrický odpor rezistoru substituční metodou?

Za známý odpor považujte odporovou dekádu, tj. rezistor s kalibrovanými odpory.

• Jak se měří elektrický odpor rezistoru můstkovou metodou?

Porovnejte napětí na známých a neznámých odporech v okamžiku, kdy "můstkem", tj. vodičem s galvanometrem neprochází žádný elektrický proud.

Pomocí zákona Ohmova a zákonů Kirchhoffových vysvětlete, jak lze připojením tzv. bočníku zvětšit měřicí rozsah ampérmetru.

Proč smíme ampérmetr zapojovat jen sériově, proč musí být jeho vnitřní odpor co nejmenší.

Pomocí zákona Ohmova a zákonů Kirchhoffových vysvětlete, jak lze připojením tzv. předřadného odporu zvětšit měřicí rozsah voltmetru.

Proč smíme voltmetr zapojovat jen paralelně, proč musí být jeho vnitřní odpor co největší.

V souvislosti s Ohmovým zákonem pro celý obvod proveďte a diskutujte sériové souhlasné zapojení elektrických zdrojů.

V souvislosti s Ohmovým zákonem pro celý obvod proveďte a diskutujte paralelení zapojení elektrických zdrojů.

2.2.3 Elektrický proud v elektrolytech Elektrický proud v kapalinách

Pomůcky: kádinka, destilovaná voda, držáky elektrod, zdroj stejnosměrného napětí, ampérmetr, voltmetr, reostat, vodiče, nálevka, uhlíkové elektrody, elektrody z různých kovů – měděná, hliníková, zinková, železná.

Postup:

Do kádinky nalijeme destilovanou vodu, ponoříme uhlíkové elektrody, připojíme zdroj stejnosměrného napětí a přes ampérmetr necháme procházet proud.


Zjistíme, že výchylka ampérmetru je nulová – proud neprochází. Pokud bychom použili vodu z vodovodu, naměřili bychom malou výchylku.

Do destilované vody přisypáváme kuchyňskou sůl. Nyní zjistíme jak proud v obvodu narůstá.

Co při zavedení elektrického proudu do roztoku pozorujete?

Pozorujeme, že na elektrodách se vylučují bublinky plynu.

Na průběhu pokusu vysvětlete pojmy elektrolyt, elektrody, anoda, katoda, aniont, kationt.

K jakému ději v roztoku dochází?

Jde o tzv. elektrolýzu. Na kladné elektrodě - anodě se vylučuje chlor, na záporné elektrodě -katodě vodík. Po chvíli průběhu elektrolýzy pozorujeme, že povrch katody je pokryt načervenalou vrstvičkou NaOH. Při přepólování zdroje načervenalé zabarvení povrchu katody zmizí - je odbarveno chlórem. Objeví se však na povrchu druhé elektrody.

Srovnejte Ohmův zákon pro elektrický proud v kovových vodičích a pro elektrický proud v elektrolytech.

Odpor elektrolytu závisí nejen na druhu roztoku a jeho koncentraci, ale také na geometrických rozměrech a poloze elektrod.

Zjistěte jak se mění velikost proudu jestliže měníte ponoření a vzdálenost elektrod.

Demonstrujte existenci rozkladného napětí.

Volte různé kombinace elektrolytu a elektrod. Předpovězte, jaký kov (resp. vodík) se vyloučí na katodě, co se děje na anodě a jak se během elektrolýzy změní složení elektrolytu. Svá tvrzení ověřte exerimentálně.

Vysvětlete oba Faradayovy zákony.

• Demonstrujte chemické změny uvnitř elektrolytu pomocí vodného roztoku CuSO4, dvou uhlíkových elektrod, vodičů, reostatu a akumulátorové baterie.

Po chvíli průběhu elektrolýzy pozorujeme, že povrch katody je pokryt červenohnědou vrstvičkou mědi, z anody unikají bublinky plynného kyslíku.

• Jednu uhlíkovou elektrodu vyměňte za měděnou a pokus opakujte. Jak se změní jeho výsledek?

Jako anodu zapojíme měděnou elektrodu, jako katodu uhlíkovou elektrodu. Na povrchu katody opět pozorujeme vznik měděného povlaku, měďi z anody ubývá a přechází do roztoku. Jak se situace změní při přepólování zdroje?

• Jak se mění během děje složení elektrolytu?

Anionty reagují s vodou za vzniku kyseliny sírové. −24SO

Vysvětlete princip tzv. galvanického pokovování a navrhněte jeho realizaci ve školně laboratorních podmínkách.

Elektrolytem např. zvolíme vodný roztok skalice modré, anodou je měděná deska, katodou např. lžička, kterou chceme "pomědit".


• Nalezněte souvislost elektrolýzy a tzv. polarografie.

Vzpomeňte českého vědce J. Heyrovského, který byl v roce 1959 vyznamenán Nobelovou cenou za objev a propracování polarografie. Vyjmenujte mnohačetné užití této metody chemické analýzy v praxi.

Do kádinky se solným roztokem ponoříme měděnou a zinkovou elektrodu. Připojíme k nim voltmetr a odečteme velikost napětí, které by mělo být kolem 1 V. Sestrojili jsme článek elektromotorického napětí. Originální Voltův článek využíval rovněž zinkovou a měděnou elektrodu, ale elektrolytem byl roztok H2SO4.

Proměřujte napětí mezi různými elektrodami (kovovými deskami ze soupravy pro elektrolýzu) a srovnávejte je mezi sebou navzájem.

Srovnávejte napětí mezi elektrodami v dvojnásobné či poloviční vzdálenosti.

Srovnávejte napětí mezi elektrodami ponořenými do dvojnásobné či poloviční hloubky.

Demonstrujte nezávislost velikosti napětí a proudu na plošném obsahu elektrod.

V tomto zdrojovém zapojení zinková elektroda - anoda tvoří záporný pól článku, měděná elektroda - katoda kladný pól. Z anody se uvolňují do roztoku kationty zinku, zatímco na katodě se z roztoku vylučují anionty vodíku.

• Popište jeden z nejužívanějších galvanických článků, tzv. článek suchý. Otevřete a prozkoumejte vnitřek ploché baterie.

Uhlíková tyčinka s mosaznou čepičkou tvoří kladnou elektrodu. Válcová zinková nádobka slouží jako obal a současně i jako záporná elektroda. Elektrolytem je salmiak NH4Cl zahuštěný škrobovým mazem.

• Prohlédněte si povrch uhlíkové anody a vysvětlete podstatu tzv. elektrolytické polarizace elektrod.

Uhlíková tyčinka je obalena burelem, který oxiduje vznikající vodík na vodu a působí tak jako depolizátor.)

Vysvětlete, proč při zapojení elektrod ze stejného materiálu obvodem neprochází žádný elektrický proud.

• Uveďte jaké jsou podmínky pro vedení proudu v kapalinách.

2.2.4 Elektrický proud v ionizovaných plynech Výboj v plynech za normálního tlaku

Pomůcky:

Generátor van de Graafův či Wimshurstova indukční elektrika, svíčka, Ruhmkorffův induktor, zdroj stejnosměrného napětí 12 V, vodiče.

Postup:

1. Konduktory generátoru oddálíme a generátor nabijeme značnými nesouhlasnými náboji. Elektrostatická pole kolem konduktorů učiní vzduch mezi náboji vodivým natolik, že v určitém okamžiku přeskočí elektrická jiskra. Pokus opakujeme, avšak vytvoříme nesouhlasné náboje takové


velikosti, že k přeskočení jiskry ještě nedojde. Potom mezi konduktory umístíme plamen svíčky a ionizujeme tak vzduch. Je-li zahřátí dostatečné, opět přeskočí elektrická jiskra.

2. Ruhmkorfův induktor zapojíme do obvodu se zdrojem stejnosměrného napětí 12 V. Mezi elektrodami vzdálenými jen několik cm pozorujeme elektrický jiskrový výboj, a to opakovaně ve velmi krátkých časových intervalech.

Obr. 2.6 Ruhmkorfův induktor.

3. Odlište nesamostatný a samostatný výboj v plynu.

Samostatný výboj pokračuje i po odstranění vnějšího ionizátoru. Vysvětlení doložte voltampérovou charakteristikou výboje.

• Vyjmenujte všechny fyzikální faktory, které ovlivňují charakter samostatného výboje v plynu.

Nejen druh, ale i chemické složení plynu, v případě vzduchu např. i jeho vlhkost, teplota a tlak plynu, materiál a tvar elektrod, jejich vzájemná vzdálenost, složení vnějšího elektrického obvodu.

Popište zvukové a světelné efekty, které při vzniku elektrické jiskry pozorujeme.

Srovnejte elektrickou jiskru reprez. pokusu např. s jiskrou vzniklou v důsledku jiskrového obrábění kovů, s bleskem, s plamenem lihového kahanu...

Definujte plazma jako 4. skupenství hmoty.

• Odlište jiskrový a obloukový výboj.

Jiskrový výboj je nastabilní a nestacionární.

Demonstrujte elektrický oblouk pomocí "pomůcky pro elektrický oblouk" (tj. stojanu s dvěma pohyblivými kovovými rameny, která lze pomocí pákového mechanismu oddalovat, na koncích těchto ramen jsou proti sobě upevněny hroty uhlíkových elektrod). Pomůcka se připojuje ke zdroji stejnosměrného napětí cca 40V. Pozor na bezpečnost při práci! Vzájemné postavení elektrod seřídíme tak, aby se hroty jemně dotýkaly. Přístroj zapojíme do obvodu se zdrojem a obvod uzavřeme. Pákovým mechanismem přístroje zahřáté elektrody pomalu oddalujeme. Pozorujeme vznik tzv. elektrického oblouku.

Pozor! Při pozorování je třeba chránit oči speciálními brýlemi, nebo svářečskými skly.


Obr. 2.7 Improvizace pomůcky pro elektrický oblouk.

• Jak byste pomůcku pro elektrický oblouk improvizovali?

Pomocí Holtzových svorek, dvou uhlíkových tyčinek, zdroje stejnosměrného napětí cca 40V, spínače a vodičů.

• Znáte využití obloukového výboje v technické praxi?

S ohledem na vysokou teplotu až 6000K se obloukový výboj uplatňuje při sváření a při osvětlování tzv. výbojkami.

Demonstrujte elektrický oblouk tzv. "růžkovou bleskojistkou".

Připravíme si rozkladný transformátor, u něhož je primární cívkou cívka cca o 600 závitech, sekundární cívkou cívka o 12000 závitech. Bleskojistka se skládá ze dvou dlouhých, ve vertikálním směru rovnoběžných měděných drátů zahnutých v horní části do tvaru "růžků", v dolní části upevněných do Holtzových svorek. Primární cívku připojíme na síťové napětí 220V, sekundární cívku do obvodu s bleskojistkou.

Obr. 2.8 Růžková bleskojistka.

Vypočtěte velikost transformovaného napětí.

Pozor na bezpečnost práce při transformaci na vysoké napětí. Demonstrace provádí jen učitel!

Před zapojením obvodu postavíme Holtzovy svorky tak, aby vzdálenost drátů v nejužším místě byla asi pouze 1 až 2 mm.

• Objasněte, proč bývá tato efektní demonstrace realizovatelná s rozdílnými úspěchy?

Důležitou roli hraje teplota a vlhkost vzduchu. Vzduch v prostoru mezi dráty lze ionizovat zahřátím plamenem svíčky.

• Vysvětlete, proč elektrický oblouk stoupá vzhůru?


Elektrický oblouk stoupá vzhůru působením tepla. V místě větší vzdálenosti drátů se roztrhne a zanikne. V dolní části však vznikne oblouk nový a děj se opakuje.

Výboj ve zředěných plynech

Pro demonstraci závislosti tvaru výboje na hustotě vzduchu je možné využít stojan se sadou výbojových trubic s různým stupněm vakua (40, 10, 6, 3, 0,14 a 0,03 torrů) a sledovat charakteristické fáze výboje. Na spodní elektrodu trubice připojujeme kladný pól induktoru, na horní elektrodu záporný, přičemž výměnu trubic nekonáme za chodu induktoru!

Obr. 2.9 Sada výbojových trubic s různým stupněm vakua.

Velmi efektní jsou sady Geislerových a spektrálních trubic. Trubice zapojíme stejně jako v předchozím případě. Geislerovy trubice bývají plněny různými plyny při tlaku 3 až 6-ti torrů. Jejich tvar je různě zakřiven, aby bylo u anodového světla zviditelněno elektroluminiscenční sledování všech zakřivení trubice. Spektrální trubice jsou rovněž plněny různými zředěnými plyny. Střední část trubice je však výrazně zúžena, takže záření nabývá značné intenzity a je ho možné využít za pomoci spektroskopu k demonstracím spekter plynů.

Demonstrujte katodové záření. Jaké jsou jeho vlastnosti?

1. Elektronový paprsek se šíří přímočaře. Demonstrujeme pomocí Crookesovy trubice se sklopným, hliníkovým křížem (t.j. vakuové trubice, ve které je vzduch vyčerpán až na 0,02 torrů). Její elektrody připojujeme na vysoké stejnosměrné napětí Ruhmkorffova induktoru, horní elektrodu spojujeme se záporným pólem, dolní elektrodu v blízkosti stojanu s kladným pólem. Je nutné alespoň částečné zatemnění místnosti. Necháme-li kříž sklopen, pozorujeme, že skleněná čelní stěna trubice proti katodě žlutozeleně fluoreskuje. Postavíme-li katodovému záření kříž do cesty, pozorujeme na fluoreskující čelní stěně jeho stínový obraz. Polohu tohoto obrazu můžeme ovlivňovat přibližováním pólů trvalého magnetu.

Obr. 2.10 Crookesova trubice s křížem.


2. Elektronový paprsek se vychyluje v magnetickém poli. Demonstrujeme pomocí Crookesovy trubice s fluorescenčním stínítkem. Paprsek tak může vyznačit fluorecsenční stopu po celé délce stínítka. Odchylku elektronů od původní trajektorie zajistíme opět permanentním magnetem, upevněným do stojanu.

3. Elektronový paprsek má mechanické účinky. Demonstrujeme pomocí Crookesovy trubice s lehkým lopatkovým, slídovým mlýnkem, který leží na vodorovných "kolejnicích". Po dopadu katodového záření se různobarevně rozsvítí (je potřen různými fluoreskujícími látkami), roztočí a v důsledku své rotace i rozjede po kolejnicích.

Obr. 2.11 Crookesova trubice s mlýnkem.

4. Elektronový paprsek má tepelné účinky. Demonstrujeme pomocí Crookesovy trubice s kovovou nebo keramickou destičkou. Pozor na vhodnou dobu provádění experimentu a také na vhodné napětí Ruhmkorffova induktoru - destička by se měla jen dočervena rozžhavit, nikoliv propálit.

2.3 Stacionární magnetické pole 2.3.1 Magnetická pole permanentních magnetů Pomůcky: Stojan s příslušenstvím, 2 permanentní tyčové magnety, nit, menší tyč z magneticky měkké oceli, magnetka (magnetická střelka na stojánku s hrotem), piliny z magneticky měkké oceli, list papíru nebo tenká skleněná deska, malé hřebíčky či špendlíky.

Postup:

1. Na vodorovnou tyč stojanu zavěsíme pomocí niti tyčový magnet v horizontální poloze. Poté k němu pomalu přibližujeme druhý tyčový magnet. Pozorujeme, že při přibližování souhlasnými póly se zavěšený magnet odpuzuje, při přibližování nesouhlasnými póly se zavěšený magnet přitahuje.

2. K horizontálně zavěšenému tyčovému magnetu postavíme stojánek s magnetickou střelkou tak, aby střelka ležela v rovině magnetu, a to v blízkosti severního pólu, v blízkosti jižního pólu a v blízkosti středu magnetu. Magnet zavěsíme vertikálně a opět studujeme působení magnetického pole tyčového magnetu na magnetické pole střelky, a to v různých místech roviny kolmé na podélnou osu tyčového magnetu.

3. Tyčový magnet položíme na vodorovnou rovinu stolu a přikryjeme tenkou skleněnou deskou. Tuto desku rovnoměrně posypeme železnými pilinami. Pozorujeme, že piliny samovolně vytvoří charakteristické řetězce v podobě uzavřených křivek s největší hustotou částic na pólech. Magnet potom


postavíme na stůl do vertikální polohy, na něj v rovině kolmé k podélné ose magnetu položíme tenkou skleněnou desku a opět ji rovnoměrně posypeme železnými pilinami. Pozorujeme vytvoření "trsu" pilin v prostoru přesně nad pólem magnetu.

Obr. 2.12 Modelování siločar magnetického pole tyčového magnetu železnými pilinami.

4. Odlište přírodní magnet od "umělého".

Přírodním magnetem je magnetovec, ruda, která přitahuje železo, nikl a kobalt. Umělý stálý magnet je třeba vyrobit magnetováním magneticky tvrdé oceli, a to buď opakovaným "potíráním" oceli silným, stálým magnetem nebo vložením oceli do jádra silného elektromagnetu.

• Může uměle vyrobený trvalý magnet své magnetické pole ztratit?

Např. zahřátím oceli na vysokou teplotu a rychlým ochlazením, popř. opakovaným vkládáním do magnetického pole střídavého proudu, a to např. do dutiny cívky o 12000 závitech a připojené na napětí 220V.

• Odlište dočasný magnet od trvalého.

Na povrch tyčového magnetu můžeme "zavěsit" špendlík nebo jehlu z měkkého železa, aniž by toto těleso spadlo. Na visící špendlík přiložíme druhý špendlík a opět zjišťujeme, že se špendlíky neodpoutávají a zůstávají na sobě viset. Oddálíme-li však od magnetu horní špendlík, dolní téměř ihned spadne. Obdobu tohoto pokusu proveďte s permenentním tyčovým magnetem a tyčí z magneticky měkké látky, máte-li za úkol tyčí posbírat špendlíky roztroušené po stole.

• Můžeme z jednoho magnetu vyrobit dva tak, že jej rozřežeme na poloviny?

Nikoliv, vždy vyrobíme pouze dva nové magnety. Proč?

Charakterizujte magnetické indukční čáry a jejich průběh v okolí permanentního magnetu.

• Jak se chová magnetická střelka, pokud se nenachází v bezprostřední blízkosti nějakého magnetu?

Magnetická střelka je úzký ocelový proužek zanedbatelné hmotnosti a trvale zmagnetovaný. Je volně otáčivá kolem své svislé osy, její severní pól bývá barevně označen. Její poměrně slabé magnetické pole citlivě reaguje na jiná


magnetická pole. Pokud se v její blízkosti taková nenacházejí, reaguje na magnetické pole země.

• Proč má Země magnetické pole?

Země sama je obrovským magnetem. Pod relativně tenkým horninovým obalem je totiž jádro obsahující směs niklu a železa.

• Odlište magnetické póly země od pólů geografických.

Magnetka ukazuje svým obarveným severním pólem k jižnímu magnetickému pólu a severnímu zeměpisnému pólu.

• Odlište gyroskopický kompas od kompasu magnetického.

Vyrobte si "magnetoskop".

Potřebujete větší korkovou zátku, 8 až 12 háčků a tentýž počet větších ocelových jehel. Po obvodu korkové zátky zabodněte ve stejných vzájemných vzdálenostech daný počet háčků, na něž zavěsíte jehly. Magnetoskop funguje při přiblížení se k pólu magnetu tak, že se jeho jehly rozestoupí do kuželovitého svazku. Co se stane, když magnet přepólujeme?

Vyrobte si model "doménové struktury" feromagnetické látky.

Potřebujete např. dřevěnou destičku, kterou rovnoměrně probijete např. 9-ti stejnými hřebíky. Destičku pak položte vodorovně hroty hřebíků vzhůru. Na hroty pak stačí položit 9 stejných "domén" - odmagnetovaných magnetických střelek. Chování domén můžeme demonstrovat při přiblížení magnetického pole trvalého magnetu. Vystihněte výhody a nevýhody fyzikální interpretace tohoto modelového pokusu.

Obr. 2.13 Model doménové struktury feromagnetické látky.

2.3.2 Magnetická pole proudovodiče a permanentního magnetu Pomůcky:

Zdroj stejnosměrného napětí (např. akumulátorová baterie), dvě Holtzovy svorky, vodiče, neizolovaný vodič, reostat, magnetická střelka.

Postup:

Mezi Holtzovy svorky upevníme vodič z neizolovaného drátu. Do obvodu s Holtzovými svorkami pak zařadíme akumulátorovou baterii, spínač a reostat se zařazeným maximálním odporem. Do bezprostřední blízkosti neizolovaného vodiče postavíme stojan s magnetickou střelkou. Po sepnutí spínače snižujeme odpor reostatu a sledujeme, jak se chová magnetická střelka. Pokus opakujeme s přepólovaným zdrojem, při dvojnásobné a poloviční vzdálenosti magnetky od vodiče, při poloze magnetky v rovině nad a pod vodičem.


• V návaznosti na reprez. pokus popište tzv. Oerstedův pokus a zdůrazněte jeho zásadní význam pro další rozvoj fyziky.

Do první poloviny 19. století byl výzkum elektrického a magnetického pole prováděn izolovaně, tj. bez vědomosti o vzájemné souvislosti těchto polí.

• Jaký byl hlavní důsledek Oerstedova pokusu v oblasti poznání?

Statické magnetické a statické elektrické pole na sebe vzájemně nepůsobí. Ovlivňují se však dvě magnetická pole. Vodič s proudem vytváří magnetické pole.

Předpovězte a poté pokusem ověřte chování magnetické střelky v blízkosti přímého proudovodiče za pomoci tzv. Ampérova pravidla pravé ruky (pro přímý vodič) pro orientaci indukčních čar.

Promyslete takovou variantu pokusu, ve které by byl neizolovaný proudovodič veden v horizontálním směru a charakter jeho magnetického pole by nebyl vyšetřován magnetickou střelkou, ale pomocí vodorovné desky s otvorem pro proudovodič a železných pilin.

Pokud nedisponujete spec. školní pomůckou, vyrobte si snadně svépomocí rovinný závit z neizolovaného vodiče. Konce drátu pak zahněte do tvaru "háčků". Na stojan připevněte do horizontální polohy elektricky nevodivou, např. skleněnou tyč a volně na ni zavěste dva kovové kroužky. Do horní části kroužků přivádějte proud krokosvorkami a proudovodiči elektrického obvodu, do dolní části zavěste háčky závitové "houpačky".

Předpovězte a poté pokusem ověřte, jak se bude chovat takto zavěšený proudovodič při přiblížení a vzdálení určitého pólu permanentního tyčového magnetu.

Předpovězte, jak by se při přibližování a vzdalování určitého pólu magnetu choval rovinný (např. obdélníkový či kruhový) závit s proudem, volně otáčivý kolem své svislé osy symetrie.

Závit se ustálí tak, že je jeho rovina kolmá k podélné ose tyčového magnetu, tj. ke směru pohybu magnetu. Proč?

Odlište stacionární a nestacionární magnetické pole. Provedení pokusu upravte tak, aby bylo demonstrováno pouze magnetické pole stacionární.

Stacionární magnetické pole je generováno nepohybujícím se vodičem s konstantním proudem, nepohybujícím se magnetem. U nestacionárního magnetického pole dochází k časové změně fyzikálních veličin, které ho charakterizují.

Pokud nedisponujete spec. školní pomůckou, vyrobte si snadně svépomocí pomůcku pro výklad magnetické indukce. K demonstraci budeme potřebovat improvizovanou "houpačku" z varianty č.1, dále vodiče, reostat, zdroj stejnosměrného elektrického napětí a tzv. podkovový U permanentní magnet, mezi jehož póly existuje poměrně homogenní magnetické pole.

Definujte magnetickou indukci jako veličinu, která charakterizuje silové působení magnetického pole na vodič s proudem.


Na kterých fyzikálních veličinách závisí velikost magnetické síly působící v magnetickém poli na přímý vodič s proudem?

Podkovový magnet umístěte na pracovní stůl tak, aby jeho póly stály vertikálně nad sebou. Dále vhodně upravte polohu tyče na stojanu: dolní část závitu "houpačky" by měla zasahovat mezi póly magnetu.

Vyslovte Flemingovo pravidlo levé ruky a aplikujte je na konkrétní situaci. Předpovězte, jak se bude chovat proudovodič v magnetickém poli a své tvrzení experimentálně ověřte.

• Jak by se v homogenním magnetickém poli (tj. "ležícího" podkovového magnetu) choval rovinný (např. obdélníkový či kruhový) závit s proudem, volně otáčivý kolem své svislé osy symetrie?

Proč se závit vždy ustálí v takové rovnovážné poloze, ve které má normála plochy závitu směr vektoru magnetické indukce?

Pomůcka pro demonstraci pilinových obrazců magnetického pole cívky s proudem, popř. její improvizace (jde o cívku s malým počtem závitů vzájemně značně vzdálených, jejíž podélnou osou je proložena rovina z např. tvrdého kartonu), cívka ze SET soupravy, magnetická střelka, železné piliny, zdroj stejnosměrného napětí, spínač, reostat, spojovací vodiče.

Postup:

1. Cívku pomůcky pro demonstraci pilinových obrazců magnetického pole zapojíme sériově do obvodu se zdrojem napětí (např. akumulátorovou baterií), otevřeným spínačem a reostatem. Karton posypeme rovnoměrně železnými pilinami z magneticky měkké oceli. Spínačem pak uzavřeme elektrický obvod a reostatem snižujeme odpor v obvodu. Pozorujeme, že se piliny v magnetickém poli cívky uspořádávají do stejných charakteristických řetězců jako v případě magnetického pole tyčového magnetu.

2. V obvodu z předcházejícího pokusu vyměníme demonstrační cívku za cívku ze SET soupravy (popř. jakoukoliv jinou cívku s velkým počtem závitů) a zjišťujeme pomocí magnetické střelky charakter magnetického pole této cívky.

Všimněte si detailně, jak se uspořádávají piliny uvnitř "jádra" cívky. Proč interpretujeme siločáry magnetického pole jako uzavřené?

Existuje reálné homogenní magnetické pole?

Odlište charakter magnetických indukčních čar od siločar elektrického pole.

Odlište tzv. pole vírové a zřídlové.

Vyslovte Ampérovo pravidlo pravé ruky (pro cívku) a pomocí něj předpovězte, jak se bude chovat v blízkosti magnetického pole solenoidu magnetická střelka. Svá tvrzení ověřte experimentálně.

Vyjmenujte nejběžnější využití Oerstedova pokusu v technické praxi!

Co je tzv. elektromagnet?

Vysvětlete jeho užití v hutích a ocelárnách při přemísťování těžkých předmětů z feromagnetických materiálů a při magnetickém upínání obráběných feromagnetických předmětů.


Navrhněte a proveďte takové pokusy, kterými je znázorněna podstata využití elektromagnetu v technické praxi.

Potřebujeme cívku asi o 300 závitech, jádro z měkké oceli, akumulátorovou baterii, reostat, spínač, spojovací vodiče, hřebíčky, kovovou tyčinku s háčkem, např. dva stejné dřevěné hranolky k podložení cívky. Promyslete a proveďte zvedání hřebíčků, popř. kovové tyčinky elektromagnetem. Reostatem postupně zvětšujte proud v obvodu a diskutujte o vlivu velikosti proudu na velikost silového působení magnetického pole elektromagnetu. Proč po přerušení proudu od jádra elektromagnetu neodpadnou vždy všechny hřebíčky?

Vysvětlete funkci elektrického zvonku. Použijte součásti SET soupravy a proveďte demonstraci zapojení elektrického zvonku do obvodu.

Improvizujte elektrický zvonek co nejjednodušeji.

Máte k dispozici dva kovové stojany s příslušenstvím, tj. dvěma kovovými tyčemi a křížovými svorkami, cívku s jádrem, zdroj stejnosměrného napětí, reostat, vodiče, krokosvorky, pružinu.

• Vysvětlete funkci Wagnerova kladívka Ruhmkorffova induktoru.

Jde o kotvu elektromagnetického přerušovače. Při zapojení primární cívky Ruhmkorffova "transformátoru" se zmagnetuje jeho jádro, které svým magnetickým polem přitáhne kotvu. Přitažením kotvy se však obvod přeruší a primární proud tak zanikne. Pružná kotva se vrátí do své původní polohy, tím se obvod uzavře a celý děj se znovu opakuje.

• Vysvětlete funkci elektromagnetického relé a vyzdvihněte jeho význam v elektrotechnické praxi.

Při automatizaci řízení a při ovládání různých zařízení relé umožňuje i velmi malými elektrickými proudy v slaboproudých obvodech zapínat nebo vypínat veliké elektrické proudy v silnoproudých obvodech.

Zapojte relé ze SET soupravy, popř. jej vhodně improvizujte!

• Vyjměte ze SET soupravy galvanometr, rozeberte jej na jednotlivé součásti a vysvětlete jeho funkci.

Galvanometr je elektromagnetický měřící přístroj, který se skládá z nepohyblivé cívky a z pohyblivého jádra z magneticky měkké oceli.

Zapojte galvanometr do elektrického obvodu se zdrojem stejnosměrného napětí (např. plochou baterií), reostatem a otevřeným spínačem. Předpovězte velikost a směr výchylky ručky galvanometru, spínačem uzavřete elektrický obvod a své původní tvrzení tak ověřte experimentálně.

Přepólujte zdroj stejnosměrného napětí a pokus opakujte.

Reostatem měňte odpor v elektrickém obvodu a pozorujte současně velikost změny výchylky ručky galvanometru.

2.3.3 Magnetická pole proudovodičů Pomůcky:

4 Holtzovy svorky, akumulátorová baterie, reostat, spínač, spojovací vodiče, 2 alespoň 0,5 m dlouhé neizolované dráty.


Postup:

Konce drátů upevníme do Holtzových svorek. Svorky postavíme tak, aby dráty byly mírně "prověšené" a ležely vzhledem k sobě navzájem velmi blízko a vertikálně v rovnoběžných rovinách. Dvojice svorek stojících vedle sebe pak "propojíme" kousky neizolovaného drátu. Obvod (ze stejnosměrného zdroje napětí, reostatu, spínače a vodičů) krokosvorkami připojíme k "propojením" Holzových svorek. Po sepnutí spínače pozorujeme, že se prověšené vodiče vzájemně přibližují, tj. přitahují.

• Proč se dva přímé, rovnoběžné vodiče, kterými prochází proudy souhlasnými směry, přitahují?

Vysvětlete pomocí Ampérova zákona pro magnetickou sílu, pomocí směrů vektorů magnetické indukce v prostoru mezi vodiči, rovněž pomocí Ampérova zákona pravé ruky pro orientaci indukčních čar magnetického pole přímého vodiče.

Proč se dva přímé, rovnoběžné vodiče, kterými prochází proudy nesouhlasnými směry, odpuzují?

Provedení pokusu obměňte pro variantu oddalování se, tj. odpuzování se dvou přímých, rovnoběžných proudovodičů.

Delší, např. metrový neizolovaný drát ohneme v polovině jeho délky. Konce tohoto drátu připojíme k jedné dvojici Holtzových svorek, ohyb drátu vedeme přes třetí Holtzovu svorku tak, aby obě poloviny drátu byly mírně prověšené, ležící asi 1 až 2 cm od sebe v rovinách navzájem rovnoběžných.

Promyslete a realizujte další varianty pokusu, při které budete studovat chování dvou závitů volně zavěšených v prostoru, jejichž roviny jsou spolu rovnoběžné a asi jen 1 až 2 cm vzdálené, a to v případě, že závity prochází proudy 1. v souhlasném směru, 2. ve směru nesouhlasném.

Holtzovy svorky nahraďte dvěma stojany s křížovými svorkami a tyčemi.

Magnetické pole tedy působí na proudovodič, tj. na volné elektrony. Působí magnetická síla i na nepohybující se částice s nábojem?

• Na jakém principu pracují elektrické měřicí přístroje?

Elektromagnetické přístroje se většinou skládají z nepohyblivé cívky a z pohyblivého jádra z magneticky měkké oceli, magnetoelektrické, tzv. deprézské přístroje naopak z nepohyblivého permanentního magnetu a z pohyblivé cívky, elektrodynamické přístroje se skládají z pevné a otočné cívky.

Srovnejte elektrické měřicí přístroje z hlediska výhodnosti při praktickém použití.

Elektromagnetické přístroje jsou konstrukčně jednoduché, ale méně přesné, lze jimi měřit stejnosměrný i střídavý elektrický proud. Magnetoelektrické přístroje jsou konstrukčně náročnější, avšak velmi přesné a citlivé, měříme jimi stejnosměrný proud, střídavý pouze po usměrnění. Elektrodynamické přístroje jsou sice přesné a použitelné pro měření proudů stejnosměrných i střídavých, ale zároveň nejdražší.


2.4 Nestacionární magnetické pole 2.4.1 Elektromagnetická indukce Pomůcky:

Demonstrační deprézské meřidlo, cívka 1200 závitů, tyčový permanentní magnet, 2 vodiče, stojan.

Postup:

K citlivému demonstračnímu ampérmetru připojíme cívku. Ve všech obměnách pokusu pozorujeme výchylku na stupnici měřícího přístroje.

1. Tyčovým magnetem pohybujeme v ose cívky tak, že jej přibližujeme severním pólem k cívce pomalu, poté rychle a nakonec jej uložíme v jádře cívky.

2. Tyčovým magnetem pohybujeme v ose cívky tak, že jej vzdalujeme severním pólem od cívky pomalu, poté rychle a nakonec jej necháme v klidu.

3. Zaměníme polaritu tyčového magnetu a 1. i 2. pokus opakujeme.

4. Tyčovým magnetem pomalu kmitáme v úsečce v ose cívky, poté kmitáme v téže úsečce mnohem rychleji. Změníme vzdálenost úsečky od cívky a pokus opakujeme.

5. Tyčový magnet upevníme ke stojanu v takové výši horizontální polohy, aby ležel v ose cívky. Cívkou pak pohybujeme v přímce tak, že ji přibližujeme k pólu magnetu pomalu, poté rychle. V okamžiku, kdy se magnet ocitne v jádře cívky, cívku zastavíme.

6. Cívkou pohybujeme v přímce tak, že ji vzdalujeme od pólu magnetu pomalu, poté rychle, nakonec ji zastavíme.

7. Zaměníme polaritu tyčového magnetu a 5. i 6. pokus opakujeme.

8. Cívkou pomalu kmitáme v úsečce v ose cívky, poté kmitáme v téže úsečce mnohem rychleji. Změníme vzdálenost úsečky od magnetu a pokus opakujeme.

9. Zaměníme tyčový magnet za jiný tyčový magnet (např. silnějšího magnetického pole) a pokusy 1. až 8. opakujeme.

10. Zaměníme cívku za jinou cívku (např. o větším počtu závitů) a pokusy 1. až 8. opakujeme.

11. Tyčovým magnetem a cívkou pohybujte současně v téže přímce k sobě, od sebe a za sebou stejnými i nestejnými rychlostmi...

Jsou-li cívka a magnet vzájemně v klidu (ať už leží magnet v dutině cívky či mimo ni), popř. pohybují-li se stejnou rychlostí, na stupnici měřícího přístroje nevidíme žádnou výchylku. Proč?

Charakterizujte pole, které v případech reprezentativního. pokusu vznikalo.

Nestacionární magnetické pole. Děje v něm vždy souvisí se změnou magnetického indukčního toku v čase, a to se změnou velikosti nebo směru vektoru magnetické indukce, popř. se změnou obsahu plochy, kterou magnetický indukční tok prochází, ev. otočením této plochy.


• Žáci se většinou pod vlivem demonstrací pokusu domnívají, že k jevu elektromagnetické indukce dochází při pohybu ať už magnetu či cívky v "prostoru". Je to fyzikální pravda?

Magnetické pole tyčového magnetu je nehomogenní, proto se při jeho pohybu či pohybu cívky vůči němu mění směr i velikost magnetické indukce. V případě pohybu homogenního magnetického pole, popř. takového pohybu magnetickým homogenním polem, že by se magnetický indukční tok plochou neměnil, by samozřejmě k vzniku indukovaného elektromotorického napětí nedošlo. Promyslete, zda by muselo jít pouze o pohyb rovnoměrný přímočarý!

Ve kterém případě by k vzniku indukovaného elektromotorického napětí nedošlo, ani kdyby se velikost vektoru magnetické indukce měnila v čase?

Pokud by se v homogenním magnetickém poli měnila velikost vektoru magnetické indukce a obvod, tj. cívka by se pohybovala tímto polem tak, že by její osa byla ke směru vektoru magnetické indukce stále kolmá.

• Nalezněte souvislost historického Faradayova pokusu s historickým pokusem Oerstedovým.

Faraday logicky usuzoval, že když elektrický proud generuje magnetické pole, musí naopak magnetické pole generovat elektrický proud. Navinul na společné jádro dvě cívky, do jedné z nich přiváděl proud a ve druhé proud měřil. Vznik proudu i ve druhé cívce však zaznamenal až při změně proudu v cívce první.

Proč nelze transformovat stejnosměrný proud?

• Vysvětlete princip Ruhmkorffova induktoru jako přístroje, který potřebujeme k buzení velmi vysokých přibližně stejnosměrných napětí a proudů.

Ruhmkorffův induktor je vpodstatě transformátor s otevřeným jádrem. Cívky tohoto transformátoru jsou souosé. Primární cívka má malý počet závitů ze silného drátu, sekundární cívka naopak velký počet závitů z tenkého drátu. Primární cívka je napájena zdrojem malého stejnosměrného napětí přes elektromagnetický přerušovač, čímž se v sekundární cívce indukuje sice "pulsující", nárazové, ale vysoké stejnosměrné napětí, které je možné odebírat z vývodů cívky sekundární, tj. z jiskřiště.

• Potřebujeme dvě cívky s jádrem z magneticky měkké oceli. Jednu cívku zapojíme do obvodu s akumulátorovou baterií, reostatem a spínačem. Tento obvod pojmenujeme primární. Druhou cívku připojíme k demonstračnímu ampérmetru. Tento obvod bez zdroje nazveme sekundární. Ve všech obměnách pokusu varianty soustředíme pozornost na stupnici měřicího přístroje.

1. Jádra cívek dostatečně přiblížíme (na vzdálenost 1 až 2 cm). Spínačem zapneme primární obvod. Poté spínačem obvod rozpojíme.

2. Spínačem zapneme primární obvod a reostatem v něm pomalu zvětšujeme proud. Poté proud pomalu zmenšujeme.

3. Primární obvod necháme uzavřený a reostatem v něm zvětšujeme proud velmi rychle. Poté proud rychle zmenšujeme.

4. Změníme polaritu zdroje a 1. i 2. pokus opakujeme.


5. Primární obvod máme stále uzavřený. Primární cívkou se pomalu a poté rychle přibližujeme k cívce sekundární.

6. Primární obvod máme stále uzavřený. Primární cívkou se pomalu a poté rychle vzdalujeme od cívky sekundární.

7. Primární obvod máme stále uzavřený a v klidu. Sekundární cívkou se pomalu a poté rychle přibližujeme k cívce primární.

8. Primární obvod máme stále uzavřený a v klidu. Sekundární cívkou se pomalu a poté rychle vzdalujeme od cívky primární.

9. Oběma cívkami pohybujeme současně v téže přímce k sobě, od sebe a za sebou stejnými i nestejnými rychlostmi...

Magnetické pole solenoidu má obdobný charakter jako magnetické pole tyčového magnetu.

Vyslovte Faradayův zákon elektromagnetické indukce, tj. fyzikální vztah pro určení velikosti indukovaného elektromotorického napětí.

Jak určíte podle Ohmova zákona hodnotu indukovaného proudu?

Jak určíte podle Lenzova zákona orientaci indukovaného proudu v uzavřeném vodiči?

Srovnejte Lenzův zákon s Flemingovým pravidlem pravé ruky pro směr indukovaného proudu v pohybujícím se vodiči.

Odlište elektrostatické pole od indukovaného elektrického pole!

Statické elektrické pole je pole zřídlové a je generováno elektrickými náboji. Indukované elektrické pole je vírové a je generováno proměnným magnetickým polem. Faradayův zákon elektromagnetické indukce zobecnil Maxwell.

• Sestavíme obvod z akumulátorové baterie, reostatu, spínače a cívky. Do jádra cívky vložíme natolik dlouhé lístkové jádro z magneticky měkké oceli, že značně vyčnívá z dutiny cívky. Potom na vodorovnou tyč stojanu zavěsíme bifilárně na nit kovový, např. hliníkový kroužek a ten pak navlékneme na jádro, aniž by se jádra dotýkal.

1. Spínačem uzavřeme elektrický obvod. Podle Lenzova zákona vysvětlíme, proč a jak se kroužek vychýlí ze své původní polohy.

2. Spínačem rozpojíme elektrický obvod. Podle Lenzova zákona vysvětlíme, proč a jak se kroužek vychýlí ze své původní polohy.

3. Změníme polaritu zdroje napětí a 1. i 2. pokus opakujeme.

4. Vysvětlíme, proč se při průchodu konstantního proudu obvodem kroužek nepohybuje.

5. Při uzavřeném obvodu reostatem zvětšujeme proud a pozorujeme, jak se zavěšený kovový kroužek v magnetickém poli cívky chová.

6. Při uzavřeném obvodu reostatem zmenšujeme proud a opět pozorujeme, jak se chová kovový kroužek v magnetickém poli.


7. Zavěsíme místo kovového kroužku kroužek umělohmotný, popř. kroužek kovový, ale v jednom místě přerušený a pokusíme se některou obdobu z pokusů varianty zopakovat.

• Jak se bude kroužek chovat při výměně akumulátorové baterie za zdroj střídavého napětí?

Pokus je možné výhodněji upravit : do cívky o např. 1200 závitech vložíme vertikálně lístkové jádro z magneticky měkké oceli. Na ně pak nasuneme hliníkový kroužek. Zapojíme-li cívku do obvodu se zdrojem střídavého napětí 220V, kroužek se prudce vymrští směrem vzhůru. Jestliže zapojením reostatu významněji zvětšíme odpor v obvodu, kroužek se "vznese" a zůstane ve své poloze, mírně se chvějíce. Proč?

• Srovnejte uvedeným způsobem uspořádaný pokus s transformátorem.

Cívka slouží jako primární cívka, kovový kroužek jako jednozávitová "cívka" sekundární. V sekundární cívce se v každém okamžiku indukuje proud opačného směru, než je směr proudu v cívce primární. Jelikož primární cívkou prochází proud střídavý, sekundární cívka se neodpuzuje, ani nepřitahuje. Čím je odpor v obvodu větší, tím je vznášející se kroužek cívce blíže.

2.4.2 Vlastní indukce Pomůcky:

Akumulátorová baterie, spínač, cívka s velkou indukčností 5 až 10H a s jádrem, reostat, dvě stejné žárovičky na malá napětí, dvě Holtzovy svorky a spojovací vodiče.

Postup:

Sestavíme složený obvod s akumulátorovou baterií, spínačem a dvěma paralelními větvemi. V první větvi je zapojen reostat a žárovka, ve druhé větvi cívka a žárovka. Reostatem vyregulujeme proud tak, aby obě žárovky svítily stejně jasně.

1. Při uzavření elektrického obvodu spínačem pozorujeme, že se žárovka ve větvi s cívkou rozsvítí o něco později než žárovka ve větvi s reostatem

2. Při rozpojení elektrického obvodu spínačem zjistíme, že žárovka ve větvi s cívkou svítí o něco déle než žárovka ve větvi s reostatem.

• Odlište jev elektromagnetické indukce od jevu indukce vlastní.

Každý vodič, kterým prochází elektrický proud, generuje magnetické pole. Změny i tohoto vlastního magnetického pole mají za následek vznik indukovaného elektrického pole.

• Vysvětlete pokus pomocí Lenzova zákona.

ad 1. Při zapojení obvodu proud v cívce generuje magnetické pole a jeho změna, tj. nárust až do dosažení konstantní hodnoty má za následek vznik indukovaného elektromotorického napětí. Toto napětí je podle Lenzova zákona opačného směru než elektromotorické napětí zdroje. Žárovka se tedy rozsvítí opožděně.

ad 2. Při rozpojení obvodu nezaniká proud a jím generované magnetické pole okamžitě, jeho pokles až do dosažení nulové hodnoty má za následek opět


vznik indukovaného elektromotorického napětí. Toto napětí je podle Lenzova zákona opačného směru, než je elektromotorické napětí zdroje. Žárovka tedy zhasne opožděně.

• Co je tzv. tlumivka?

V technické praxi se často vyskytují složité obvody, např. v rozhlasovém přijímači, ve kterých prochází současně stejnosměrný a střídavý proud. Tlumivka je cívka, která má tak velkou indukčnost, že "tlumí" proudové nárazy a tím i střídavý proud. Jejím zapojením do obvodu lze tedy dosáhnout toho, že do daného místa obvodu přichází pouze stejnosměrný proud, střídavý však nikoliv.

• Jaké ideální parametry by měla mít tlumivka s velkou indukčností?

Relativně krátká cívka s velkým počtem závitů o relativně velkém průřezu, s "uzavřeným" feromagnetickým jádrem, v němž je vzduchová mezera... Podobá se transformátoru s jediným vinutím.

2.5 Střídavé proudy 2.5.1 Vznik střídavého napětí Pomůcky pokusu:

Demonstrační galvanometr (s rozsahem asi 100mA), rozkladný transformátor s příslušenstvím (obě cívky např. o 600závitech), podkovovitý magnet, pólový nástavec s ložiskem pro kotvy, kotva tvaru T, kartáčky, klika, akumulátorová baterie, spojovací vodiče.

Postup:

Póly podkovovitého magnetu vsuneme do dutiny obou cívek. Na takto vytvořený elektromagnet nasadíme pólový nástavec s upevněnou kotvou (cívkou). Sběrací kartáčky, přiložené ke kroužkům na kotvě, připojíme k deprézskému měřidlu. Cívky elektromotoru vzájemně propojíme a připojíme k akumulátorové baterii. Otáčíme pomocí kliky kotvou a pozorujeme na stupnici galvanometru kmitající ručku.

• Jak lze využít elektromagnetické indukce k výrobě elektrické energie?

Vývody cívky jsou spojeny s tzv. sběrnými kroužky, ke kterým jsou přitištěny tzv. sběrače (kartáčky), ze kterých je možné odebírat harmonicky proměnné napětí a tedy i proud. O této skutečnosti se přesvědčíme pomocí připojení k demonstračnímu galvanometru, k žárovce ap.

• Popište skutečný alternátor, generátor střídavého proudu.

Nejčastěji je rotorem mnohapólový elektromagnet, statorem je cívka. Vývod proudu pak nepotřebuje sběrací kroužky a kartáčky, protože indukovaný proud se odebírá přímo ze statorového vinutí... Rotor však musí být napájen menším dynamem, generátorem na stejnosměrný proud.)

• Odlište dynamo od alternátoru.

Vysvětlete u dynama funkci tzv. komutátoru jako "měniče" střídavého proudu v sice tepavý, pulsující, ale stejnosměrný proud.


• Lze jevu elektromagnetické indukce užít nejen k výrobě elektrické energie z energie mechanické, ale i inverzně: k výrobě mechanické energie z energie elektrické?

Reprez. pokus lze uspořádat i jako elektromotor na stejnosměrný i střídavý proud. Místo spotřebiče - žárovky či měřiče vložíme zdroj napětí. V důsledku vzniku magnetického pole kolem cívky kotvy ve vnějším magnetickém poli elektromagnetu se kotva působením magnetických sil roztočí a může tak pohánět, např. otáčet klikou.

2.5.2 Třífázový proud Pomůcky:

Model generátoru třífázového proudu (panel, na němž jsou připevněny 3 cívky o 1200 závitech tak, že jejich osy svírají navzájem úhel 120o, v průsečíku os je připevněn tyčový magnet, kterým je možné pomocí kliky otáčet), 3 demonstrační deprézská měřidla, spojovací vodiče.

Postup:

Do cívek modelu generátoru třífázového proudu vložíme krátká jádra z měkké oceli. Pak je vodiči spojíme s demonstračními galvanometry. Rovnoměrně otáčíme klikou (snažíme se vyvinout svou motorikou pohyb s konstantní úhlovou rychlostí), rotujeme tyčovým magnetem a pozorujeme současně všechny výchylky na stupnicích demonstračních měřících přístrojů.

Srovnejte současné výchylky na stupnicích všech tří měřidel.

V cívkách se indukují napětí a proudy, která jsou vzájemně fázově posunuta o třetinu periody.

Jak bychom získali pomocí modelu generátoru třífázový proud? Znázorněte spojení vodičů do hvězdy.

Ze vstupů cívek bližších průsečíku os vedeme tři "fázové" vodiče, vstupy cívek vzdálenější od tředu propojíme v Holtzově svorce v jediný vodič "nulový". Demonstračními galvanometry pak současně snímáme při rotaci magnetu napětí mezi fázovým a nulovým vodičem a dvěma fázovými vodiči navzájem. Změny na stupnicích měřičů srovnáváme.

Jak bychom získali pomocí modelu generátoru třífázový proud?

Znázorněte spojení vodičů do trojúhelníku.

Vstup cívky bližší průsečíku os propojíme se vstupem vzdálenějším od průsečíku os, a to sousední cívky ve směru např. hodinových ručiček. Ze všech tří vstupů vzdálenějších od průsečíku os vedeme "fázové" vodiče. Demonstračními galvanometry pak současně snímáme při rotaci magnetu napětí mezi vodiči navzájem. Změny na stupnicích měřičů srovnáváme.)

• Lze principu generování třífázového proudu, tj. výroby elektrické energie z energie mechanické využít inverzně při výrobě energie mechanické z energie elektrické?

Vysvětlete princip třífázového synchronního motoru.


• Demonstrujte točivé magnetické pole.

Rotor na panelu vyměníme za deklinační magnetku. Vnitřní svorky cívek bližší průsečíku os vodivě spojíme mezi sebou navzájem. Každou vnější svorku cívky spojíme s jednou fází trojfázové sítě. Pozorujeme, že se magnetka prudce roztočí.

• Odlište synchronní třífázový elektromotor od asynchronního.

Deklinační magnetku vyměníme za hliníkový prstenec lehce otáčivý na hrotu, představující klecové vinutí nakrátko a pokus opakujeme. Proč je rotace prstence výrazně pomalejší než rotace magnetické střelky?

• Srovnejte elektromotory s elektromotorem na třífázový proud.

Konstrukčně je třífázový elektromotor velmi jednoduchý, protože nepotřebuje přívod proudu do rotoru.

2.5.3 Transformátory Pomůcky:

Rozkladný transformátor s příslušenstvím (upínací zařízení, lístkové U a I jádro, primární cívka 600závitů, sekundární cívka se 6-ti závity, jejichž vývody jsou opatřeny držáky s měděnými hroty a svorkami, žlábek s rukojetí), hřebík, dvě žiletky, spínací klíč, spojovací vodiče, síťové napětí 220V, azbestová deska jako nehořlavá podložka, bezpečnostní zásuvka.

Postup:

1. Na U jádro rozkladného transformátoru vložíme jako primární cívku cívku o 600 závitech, jako sekundární cívku "svářecí kleště" se 6-ti závity. Jádro uzavřeme I jádrem a spínacím klíčem pevně sešroubujeme! Mezi svorky svářecích kleští sevřeme dvě na sebe položené žiletky. Bezpečnostní zásuvku zapojíme do sítě.

2. Pokus opakujeme s tou obměnou, že svářecí kleště vyměníme za žlábek s rukojetí. Do žlábku nalijeme vodu a udržujeme jej ve vodorovné rovině. Po zapojení bezpečnostní zásuvky do sítě zjistíme, že se voda ve žlábku silně zahřívá a po chvíli vře.


Obr. 2.14 Princip magnetické indukční pece.

• Vysvětlete, jak transformátor pracuje.

Proud primární cívky generuje magnetické pole, jehož magnetický indukční tok prochází z důvodu uzavřenosti jádra také cívkou sekundární, mění se a indukuje elektromotorické napětí.

• Proč je jádro transformátoru tzv. lístkové, tj. vyrobené z navzájem izolovaných plechů?

Vysvětlete důsledky Foucaltových vířivých proudů.

• Proč je výhodnější jádro uzavřené než jádro otevřené?

Odvoďte ze zákona zachování energie (při zanedbání ztrát energie ve vinutí a v jádře) transformační poměr proudů a napětí v závislosti na počtu závitů.

Odlište tzv. transformaci dolů a transformaci nahoru.

Vypočtěte napětí, které se při pokusu teoreticky transformuje. Svůj výpočet pak srovnejte s měřením.

K sekundární cívce připojte voltmetr s vhodným rozsahem, příp. vhodným předřadným odporem.

• Vypočtěte proud, který se při reprez. pokusu teoreticky transformuje. Svůj výpočet pak srovnejte s měřením.

Ampérmetr s vhodným rozsahem, příp. s vhodným bočníkem, a reostat zapojte do primárního obvodu, kontrolní ampérmetr s vhodným rozsahem, příp. s vhodným bočníkem, zapojte i do sekundárního obvodu.

• Vysvětlete 1. část pokusu jako princip bodového sváření.

Po chvíli se skutečně žiletky v místech dotyku hrotů rozžhaví a spojí. V technické praxi se tak využívá tepelných účinků elektrického proudu.

• Vysvětlete 2. část reprez. pokusu jako princip indukční pece.

Místo vody bychom mohli žlábek naplnit kousky pájky. Brzy by se roztavila. V technické praxi se tak využívá tepelných účinků velkého proudu při nízkém napětí.

Vysvětlete transformaci na vysoké napětí a malý proud v souvislosti s tzv. růžkovou bleskojistkou.

• Srovnejte stejnosměrný a střídavý proud z hlediska výhodnosti pro dálkový přenos.

Rozvod střídavého proudu je především hospodárnější: víme, že uvolněné teplo při ztrátách je závislé na druhé mocnině proudu. Snížíme-li transformací na vysoké napětí proud, sníží se tím kvadraticky i ztráty. Při transformaci nahoru je tedy možné přenášet i velké výkony poměrně malými proudy, stejnosměrný proud však na rozdíl od proudu střídavého transformovat nelze.

2.6 Elektronika 2.6.1 Základní pokusy s polovodiči Pomůcky:


Demonstrační souprava pro pokusy s polovodiči (panely s polovodiči, rezistory, kondenzátory a sestavenými obvody - filtračním členem, dvěma oscilačními obvody, dvěma demodulačními obvody, relé, vysokofrekvenčním zesilovačem, nízkofrekvenčním zesilovačem a reproduktorem) a doprovodný text jako metodický návod k jejímu využití. K používání polovodičové soupravy je zapotřebí dodat z vlastního vybavení stejnosměrný zdroj napětí 5V, 10V, 20V, síťový transformátor 220V/2x6V až 10V, demonstrační měřidla, rozkladný transformátor, osciloskop, nízkofrekvenční generátor, vodiče.

Postup : Než si vyberete (libovolně) některé ze 30-ti "hotových", demonstrační soupravou pro pokusy s polovodiči nabízených experimentů, odpovězte na prověřovací otázky a proveďte jednodušší úkoly (s využitím panelů polovodičových součástek) v sérii požadovaných základních pokusů.

Doporučení pro zařazení a klasifikaci : SŠ, polovodiče a jejich užití, pokusy vhodné pro laboratorní práci, kvantitativní, verifikační, aplikační, reálné.

Úkoly, otázky, problémy, varianty

• Vyzdvihněte historický význam elektronek v oboru elektronika a jejich aplikací v technické praxi. Zdůvodněte, proč došlo k jejich cca 99% nahrazení polovodičovými součástkami.

Jsou pro výrobu lacinější a pro provoz energeticky úspornější, jsou méně objemné, mechanicky odolné, spolehlivé, nepotřebují vyšší napětí, žhavení... Ani integrované obvody neznamenají završení vývoje - mikroprocesor řeší rozpor mezi výrobními náklady a možnostmi speciálního využití vysoce integrovaných obvodů, jeho aplikací jako "stavebnicového prvku" se v praxi odhaduje na desítky tisíc... Obrazové elektronky se však vyrábějí dodnes, byť jsou už rovněž nahraditelné.

Vysvětlete jev vlastní a nevlastní vodivosti, vedení proudu v polovodičích typu P a N, charakter přechodové vrstvy.

• Sestavte jednoduchý elektrický obvod s diodou v propustném směru. Změřte proud v obvodu a napětí na diodě, popř. zhotovte voltampérovou charakteristiku zvolené polovodičové diody.

Změňte polaritu zdroje a měření v obvodu s diodou v závěrném směru zopakujte.

Do obvodu dále sériově zapojte rezistor jako zatěžovací odpor a paralelně k němu filtrační kondenzátor. Změřte napětí na rezistoru, poté připojte paralelně další kondenzátor a měření opět zopakujte.

Vysvětlete, proč pulsující průběh usměrněného proudu postupně vyhlazujeme.

Měření zopakujte se Zenerovou stabilizační diodou. Voltampérové charakteristiky obou diod porovnejte.

Vysvětlete princip lavinového jevu.

Vysvětlete a ověřte Graetzovo zapojení polovodičových diod pro dvojcestné usměrnění (ať už zapojením panelu nebo jeho improvizací ze čtyř ks stejných polovodičových diod.

Dvojici diod a kondenzátorů (popř. n-tici diod a kondenzátorů) zapojte do obvodu s nízkofrekvenčním generátorem jako usměrňovač a současně jako násobič (zdvojovač, n-násobič) napětí.


Předveďte a vysvětlete, že tranzistor nemůže být interpretován jako "kombinace dvou diod", ale jako jeden prvek s dvěma přechody.

• Určete typ "neznámého" tranzistoru.

Zapojením dvou elektrod tranzistoru do sériového obvodu se stejnosměrným zdrojem napětí 5V, ochranným odporem a miliampérmetrem s cílem určení propustnosti vzhledem k průchodu stejnosměrného proudu v přechodu báze-kolektor, ev. báze-emitor.

Srovnejte teoreticky i experimentálně termoelektrický článek a termistor.

Termoelektrický článek si improvizujte pevným stočením dvou tenkých drátů z odlišného materiálu, popř. jejich spájením. Přesvědčte se, že při zahřívání spoje vzniká v obvodu elektrické napětí. Pokus opakujte s termistorem, ale zahřívejte jen opatrně!... Měrný odpor polovodičů se jejich zahříváním prudce zmenšuje, u kovů naopak pozvolna zvětšuje.

3 Optika 49

3 Optika 3.1 Paprsková (geometrická) optika 3.1.1 Přímočaré šíření světla Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (bodový zdroj světla, popř. zdroj světla s clonou o malém kruhovém otvoru, další dvě clony s malými kruhovými otvory, stínítko), dostatečně zatemněná laboratoř.

Postup:

Na optickou lavici postupně upevníme zdroj světla, dvě clony a stínítko. Pozorujeme, zda na stínítku vznikla světelná stopa.

• Za jakých podmínek vidíme na stínítku světelnou stopu?

Všechny tři otvory clon musí ležet v jedné přímce.

Jakou roli hraje při pozorování světelné stopy šířka štěrbin a vzájemná vzdálenost prvků optické soustavy?

Vysvětlete v souvislosti s ohybem světla, s rozbíháním paprsku ve světelný "kužel".

Pokus lze převézt na subjektivní, odstraníme stínítko a z místa jeho původní polohy sledujeme otvor třetí clony jedním okem.

Improvizovaně můžeme předvést přímočaré šíření světla pomocí tří a více jehel, které zapichujeme do desky. Jak musíme jehly zabodnout a jak pozorovat, abychom mohli vidět jedním okem jen jednu jehlu?

Jak lze využít zákonů geometrické optiky v zeměměřičství?

• Vysvětlete, že světelné paprsky "nevidíme".

Ve skutečnosti vidíme jen světelné zdroje, ať už přímé nebo nepřímé.

• Kdy světelné (např. sluneční) paprsky "vidíme"?

Prostřednictvím nečistot, ve vzduchu se vznášejících částic prachu, mlhy ap.

• Jaký tvar má světelná stopa na stínítku?

Analogický tvaru otvoru clony, tedy kruhový.

• Proč se světelná stopa zvětšuje, oddalujeme-li stínítko od clony, popř. zmenšuje svůj průměr při přibližování clony?

Světelné paprsky spolu nejsou vzájemně rovnoběžné. Šíří se v kuželovém prostoru.

• Popište vznik stínu jako důsledek přímočarého šíření světla.

Máme-li k dispozici bodový zdroj světla, pozorujeme mezi osvětlenou a neosvětlenou částí plochy stínítka plný stín.

• Jak vytvoříte stín a jeho přechod v polostín?

Při osvětlení dvěma a více zdroji z různých úhlů. Při osvětlení plošným zdrojem.


• Proč Slunce jako plošný světelný zdroj netvoří polostín?

Slunce má sice poloměr asi 1,4 mil km, ale je od naší Země vzdáleno cca 150 mil km, takže sluneční paprsky dopadají rovnoběžně a zřetelný polostín nevzniká.

Vysvětlete známé astronomické jevy - střídání dne a noci, měsíční fáze, zatmění Měsíce a zatmění Slunce jako důsledky přímočarého šíření světla.

Dírkovou komoru nebo též temnou komoru lze vyrobit pomocí krabice s edním otvorem v čelní stěně. Proti této stěně leží průsvitná stěna z pergamenového papíru nebo matného skla.

Pomocí této komory a svíčky nebo jiného světelného zdroje můžeme demonstrovat v dobře zatemněné místnosti jev přímočarého šíření světla. Pokud před otvor dírkové komory umístíme hořící svíci, zjistíme, že na zadní stěně komory vznikl převrácený obraz této svíčky.

• Měňte vzdálenost plamene svíčky před otvorem komory, popř. velikost otvoru a sledujte, jak se v závislosti na těchto obměnách mění i obraz na zadní stěně, tj. stínítku komory.

Při menší vzdálenosti a větším otvoru je obraz jasnější, ale méně ostrý, při větší vzdálenosti a menším otvoru je obraz ostřejší, ale méně jasný.

Dírkovou komoru můžeme improvizovat i krabicí, která má ve svých stěnách otvory. Jak byste pomocí této komory a svíčky - světelného zdroje demonstrovali v dobře zatemněné místnosti jev přímočarého šíření světla?

Pokud do komory umístíme hořící svíci, vidíme, že z krabice vycházejí světelné kužele, jejichž osy jsou kolmé k rovinám stěn komory.

Na všech předcházejících experimentech zdůrazněte kromě zákona přímočarého šíření světla také zákon o vzájemné nezávislosti světelných paprsků a zákon o záměnnosti chodu světelných paprsků.

Na kterých fyzikálních zákonech, potvrzených experimentální zkušeností, lze metodicky vybudovat základy geometrické (tj. paprskové) optiky?

3.1.2 Reflexe (odraz) světla Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím: bodový zdroj světla, popř. zdroj světla s řiditelnou, kruhovou clonou, Hartlova optická deska (tj. kotouč s úhloměrnou stupnicí na obvodu), rovinné zrcadlo, konkávní (duté) a konvexní (vypuklé) zrcadlo, dostatečně zatemněná laboratoř.

Postup:

Na jeden konec optické lavice upevníme bodový zdroj světla, na druhý konec Hartlův optický kotouč např. v horizontální poloze a ve vhodné výšce (aby světelný paprsek procházel nad povrchem kotouče).

Nad geometrický střed kotouče postupně umísťujeme:

1. střed roviny rovinného zrcadla

3 Optika 51

Dokažte, že odražený paprsek leží v rovině dopadajícího paprsku a kolmice dopadu. Na úhloměrné stupnici změřte, že velikost úhlu odrazu skutečně odpovídá velikosti úhlu dopadu.

2. vrchol dutého zrcadla • Světelný paprsek nechte dopadat přímo do vrcholu dutého zrcadla.

• Nalezněte střed křivosti tohoto zrcadla a nechte světelný paprsek procházet právě tímto bodem.

3. vrchol vypuklého zrcadla • Světelný paprsek nechte dopadat přímo do vrcholu vypuklého zrcadla.

• Nalezněte střed křivosti tohoto zrcadla a nechte světelný paprsek procházet právě tímto bodem.

Pomocí milimetrového papíru, kružítka a tužky určete u dutého a vypuklého zrcadla ohnisko jako bod v poloviční vzdálenosti mezi středem a vrcholem.

Definujte rovinné zrcadlo jako "optickou soustavu".

• Z čeho je zrcadlo vyrobeno?

Ze skleněné desky, na jejíž zadní stěně je tenká vrstvička stříbra (popř. amalgamu - kovu rozpuštěného ve rtuti) a spec. povlak chránící tuto vrstvičku proti poškození. Jako zrcadlo se nám může jevit i dokonale vyleštěná kovová plocha, hladina rtuti a za jistých podmínek i vodní hladina.

Dotkněte se skleněného povrchu zrcadla hrotem (jehly, tužky...) a vysvětlete, proč vzdálenost hrotu - vzoru a hrotu - obrazu odpovídá dvojnásobku tloušťky skleněné vrstvy.

Jaké jsou výhody a nevýhody zrcadel se skleněnými povrchy?

Výhodou je, že sklo je velmi hladké, takže na něm nanesená odrazná vrstva se chová stejně jako vyleštěný kovový povrch, sklo zároveň chrání odraznou vrstvu před oxidací a vnějšími vlivy. Nevýhodou je, že sklo absorbuje část světla a v případě, že sklo není ideálně rovné, způsobuje deformace obrazu. Vzpomeňte si na labyrinty, nebo zrcadlové síně, kde jsou záměrně využita deformovaná zrcadla.

V přesných optických přístrojích se u zrcadel skleněných vrstev nepoužívá.)

Proč je tento význačný bod označován právě jako "ohnisko"?

Proč lze v ohnisku dobře a vhodně osvětleného zrcadla (popř. spojky) zapálit suchou hořlavinu?

Světelnými paprsky blízkými optické ose (s optickou osou rovnoběžnými) osvětlete duté a vypuklé zrcadlo. Zjistěte směr paprsků odražených.

Paprsky světelného zdroje nasměrujte přímo do ohniska dutého a vypuklého zrcadla. Zjistěte směr paprsků odražených, a to v případě paprsků procházejících přímo optickou osou i paprsků, které s optickou osou svírají velmi ostrý úhel...

Srovnejte pokusy pro odraz světla rovinným, dutým i vypuklým zrcadlem s vymezením jednoho světelného paprsku a se svazkem rovnoběžných světelných paprsků.


Kterým z uvedených experimentů demonstrujeme princip reflektoru?

Bodový světelný zdroj vyměňte za např. plamen hořící svíce. Plamen zobrazujte dutým zrcadlem tak, že jej umístíte 1. mezi ohnisko a vrchol, 2. přímo do ohniska, 3. mezi ohnisko a střed, 4. přímo do středu, 5. mezi střed a bod o troj-, čtyřnásobné ohniskové vzdálenosti...

Před realizací každého z experimentů proveďte nákres chodu paprsků a výsledek pokusů srovnejte s předpokladem. Každý obraz charakterizujte pomocí kriterií: skutečný (reálný) - neskutečný (zdánlivý, virtuální), vzpřímený - převrácený, zvětšený - zmenšený.)

Duté zrcadlo vyměňte za zrcadlo vypuklé. Proč je v tomto případě obraz vždy zdánlivý, vzpřímený a zmenšený, ať vzor umísťujeme do jakékoliv vzdálenosti před zrcadlem?

• Jak odlišíte zdánlivý obraz od reálného?

Reálný obraz lze zachytit na stínítko, zdánlivý nikoliv.

Kombinace zrcadel

Popište tzv. periskop a vyjmenujte některá jeho využití. Vyrobte si ho svépomocí z kartonu a dvou rovinných zrcadel, popř. jen ze dvou rovnoběžných zrcadel upevněných nad sebou do Bunsenova stojanu. Dvojím odrazem pod úhlem 45o docílíme "posunutého" vidění.

• Zrcadlo zobrazuje všechny předměty stranově převrácené. Promyslete, jak by se zajistilo vidění stranově souhlasné (např. čitelné písmo, skutečně pozorovaná mírná asymetrie lidské tváře ap.)

Dvě zrcadla přiložíme rovnými hranami k sobě tak, aby spolu navzájem svírala úhel 90o. Dvojím stranovým převrácením docílíme plně si odpovídající podoby vzoru a obrazu.

• Popište optickou hračku, tzv. kaleidoskop. Improvizujte jej např. z kusu černého kartonu a dvou zrcátek, jejichž roviny tvoří v průřezu strany rovnostranného trojúhelníka. Do vnitřního prostoru tohoto trojúhelníka vložte předmět (např. barevné sklíčko nebo plamen svíčky). Kolik obrazů můžete vidět současně?

Proč pět? 360o:n - 1, v našem případě n = 60o.

• Kolik obrazů byste mohli teoreticky sledovat, kdybyste předmět umístili mezi dvě rovnoběžná zrcadla?

Nekonečně mnoho, neboť dochází k nekonečně mnoha odrazům.

• Improvizujte paradoxní "pohled do nekonečna"!

Dvě zrcadla postavíme rovnoběžně, odraznými vrstvami proti sobě. U jednoho zrcadla seškrábeme amalgamovou vrstvičku tak, že vytvoříme skleněné "okénko" do vnitřního prostoru mezi zrcadly. Dále už stačí jen umístit do středu vnitřního prostoru přibližně v úrovni okénka plamen svíčky a tímto okénkem pozorovat jeho obrazy na protějším zrcadle pod vhodným úhlem.

3 Optika 53

Efektu, byť ne tak poutavého, lze dosáhnout i bez poškozování zrcadla. Zrcadla mírně rozevřeme a vznikající n-násobné obrazy sledujeme z nadhledu.

• Proč "vidíme" bílé denní světlo i tehdy, když je slunce zcela skryto za mraky?

Rozptýlené denní světlo slouží vpodstatě jako přímý světelný zdroj. Paprsky přicházejí "ze všech stran" - umožňují tak vidění bez přímého osvětlení a bez vzniku stínů.

Promyslete taková uspořádání experimentů, kterými bychom předvedli, že podstata jevu odrazu nezávisí ani na druhu dopadajícího světla, ani na druhu rozhraní, ale že závisí na drsnosti povrchu plochy rozhraní.

• Demonstrujte difúzi světla v laboratorních podmínkách.

Nechte dopadat svazek paprsků na desku pokrytou např. alobalovou vrstvou. Poté alobal zmačkejte, znovu rozprostřete a pokus zopakujte. Dopadá-li svazek světelných paprsků na např. zprohýbaný povrch plechu, staniolu či alobalu, je úhel dopadu pro každý dopadající paprsek jiný, úhel odrazu je rovněž pro každý paprsek jiný a světelný svazek se tak rozptyluje do prostoru.

3.1.3 Refrakce (lom) světla Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (bodový zdroj světla, popř. zdroj světla s řiditelnou, kruhovou clonou), Hartlova optická deska (tj. kotouč s úhloměrnou stupnicí na obvodu), skleněná polokruhová deska, dostatečně zatemněná laboratoř.

Postup:

Na optickou lavici upevníme bodový zdroj světla. Ve vhodné vzdálenosti Hartlův optický kotouč, a to v horizontální poloze a ve vhodné výšce (aby světelný paprsek procházel nad povrchem kotouče). Potom nad geometrický střed kotouče umístíme střed rovinné plochy skleněného půlválce. Deskou otáčíme okolo osy a pozorujeme, jak se mění směr lomeného paprsku při průchodu ze vzduchu do skla a ze skla do vzduchu.

Odvoďte Snellův zákon a demonstrujte jeho platnost v případě pro lom ke kolmici (z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího) a pro lom od kolmice (z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího).

Definujte index lomu a vyjmenujte fyzikální veličiny, které ho významně ovlivňují (rychlost světla v daném optickém prostředí, barva světla, tj. jeho vlnová délka) a srovnejte indexy lomu (podle MFCh tabulek) u různých látek.

• Uveďte některá svá pozorování důsledků Snellova zákona v běžném, každodenním životě.

Tužka, ev. zkumavka ponořená šikmo do vody v kádince se nám jeví jako "zlomená", a to tím více, čím šikměji pozorujeme vodní hladinu. Ponoříme-li ji do vody ve vertikální poloze, zdá se nám kratší.


Proč je správný odhad polohy a hloubky předmětů pod vodní hladinou poměrně obtížný a vyžaduje cvik?

Stěny kádinky zneprůhledníme, např. je ovineme filtračním papírem. Potom na dno položíme nějaký předmět, minci, kovovou kuličku ap. Z původní polohy svých očí, kdy předmět ještě vidíme, pomalu přecházíme do polohy, kdy předmět už nevidíme, tj. zvětšujeme úhel dopadu světelných paprsků... Jestliže naplňujeme kádinku vodou, při určité výšce vodní hladiny zjistíme, že se "skrytý" předmět opět objevil, jakoby se dnem vystoupil do výše.

• Vysvětlete, proč se nám klidná vodní hladina jeví při pohledu "zešikma" jako zrcadlící se, tj. světlo odrážející, ale při "kolmém" pohledu shora jako průzračná, světlo propouštějící.

V reálu je vždy lom spojen s částečným odrazem a absorpcí. Podíl odrazu na celkovém jevu je tím větší, čím větší je úhel dopadu světelných paprsků. Jestliže paprsek dopadá na vodní hladinu kolmo, nedochází takřka k žádnému lomu, ani k odrazu.

V pokusu měníme postupně úhel dopadu světelného paprsku při průchodu světla ze skla do vzduchu. Při určitém mezním úhlu zpozorujeme, že paprsek do vzduchu neproniká, ale prochází přímo rozhraním. Vysvětlete jev v souvislosti se Snellovým zákonem.

Pomocí Hartlova optického kotouče je možné mezní úhel změřit, pomocí Snellova zákona vypočítat a oba výsledky pak srovnat.

• Pokud ve stáčení Hartlova optického kotouče pokračujeme a úhel zvětšujeme nad uvedenou mezní hodnotu, zjišťujeme, že se světelný paprsek vrací do svého původního prostředí, tj. od rozhraní se odráží, aniž by se podle Snellova zákona lámal. Pod jakým úhlem se odráží?

Jev totální reflexe musí podléhat zákonům odrazu : úhel odrazu je roven úhlu dopadu.

• Vysvětlete některé známé přírodní úkazy v souvislosti s jevem totální reflexe.

Zrcadlení vzduchu v horkých letních dnech např. nad silně rozehřátou asfaltovou silnicí, popř. v zimních dnech "třpytící se sníh" za intenzivního slunečního světla. Fata morgana v pouštních nebo polárních oblastech.

K improvizovanému pokusu potřebujeme pouze kádinku, tužku, zkumavku a vodu. Do kádinky vložíme prázdnou zkumavku a naléváme vodu. Pozorujeme přitom ponořenou část zkumavky přes boční stěnu kádinky. Při položení tužky za zkumavku tužku skutečně vidíme, a to nepřerušeně v celé její délce. Potom však změníme toto pozorování za kolmý pohled na vodní hladinu. Povrch zkumavky se nám jeví jakoby pokryt "rtuťovým povlakem", tj. zářivý a neprůhledný. Vložíme-li tentokráte tužku pod zkumavku, nevidíme její část překrytou částí zkumavky. Proč? Jak se kovově lesklého, neprůhledného povlaku zbavíme?

Jde o totální reflexi. Do zkumavky, abychom ji zprůhlednili, stačí nalít vodu.

Vodní hladinu v kádince můžeme sledovat i "zešikma a zespodu". Tentokrát se bude lesknout plocha vodní hladiny jako zrcadlo a také se v ní budou jako v

3 Optika 55

zrcadle rovněž odrážet blízké předměty, v tomto případě ponořená část tužky nebo zkumavky.

Skleněnou vaničku naplníme obarvenou vodou (např. fluoresceinem). Bodovým zdrojem světla demonstrujeme úplný odraz světelného paprsku na vodní hladině, tj. při lomu světla z vody do vzduchu.

Pomocí Snellova zákona vypočítejte mezní úhel pro lom světla z vody do vzduchu a pomocí úhloměru přiloženého ke stěně vaničky zjistěte (alespoň přibližně), zda teoretický předpoklad souhlasí s experimentálním výsledkem.

• Clonu ze světelného zdroje odstraníme a necháme dopadat světelný svazek paprsků na prázdnou kulovou baňku ponořenou pod vodní hladinu. Pozorujeme-li baňku "proti" svazku dopadajícího světla, vidíme prstenec. Střed prstence je světlý, světlo propouštějící. Okraje prstence jsou tmavé, kovově lesklé, světlo odrážející, neprůhledné. Vysvětlete.

Baňka se chová vzhledem k průchodu světla jako "kruhová štěrbina". Paprsek jdoucí středem baňky prochází baňkou bez lomu i odrazu, ale paprsky dopadající na kulový povrch baňky pod úhlem větším než mezní úhel se totálně odrážejí.

• Prázdnou kulovou baňku vyměňte za prázdnou kádinku a pokus zopakujte.

Kádinka se chová vzhledem k průchodu světla jako "podélná štěrbina".

Vyjmenujte některá praktická užití světlovodů a vysvětlete jejich princip na základě znalosti jevu totálního odrazu.

Improvizujte pokus, kterým byste děj postupných vnitřních úplných odrazů zviditelnili.

V dobře zatemněné místnosti prosviťte bodovým světelným zdrojem zevnitř skleněnou trubičku, která je zahnuta. Vysvětlete, proč "neplatí" zákon přímočarého šíření světla a světelný paprsek sleduje zakřivení trubičky.

Mariottovu nádobu (popř. jakoukoliv skleněnou nádobu s otvorem pro výtok kapaliny u dna) naplňte vodou. Školním laserem prosvětlete vodu až k otvoru pro výtok kapaliny. Otvor otevřete a nechte kapalinu vytékat do např. připravené fotografické misky. Opět vysvětlete, proč laserový paprsek sleduje zakřivení vodního paprsku.

Zobrazení čočkou

Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (zdroj světla s řiditelnou kruhovou clonou, čočky - spojky i rozptylky o různých ohniskových vzdálenostech, stínítko jako promítací stěna), dobře zatemněná laboratoř.

Postup:

Na jeden konec optické lavice upevníme zdroj světla, na druhý konec stínítko. Mezi zdroj a promítací stěnu umístíme spojnou čočku. Měníme postupně její vzdálenost od stínítka a pozorujeme, jak se mění i světelná stopa. Spojnou čočku


pak postupně vyměňujeme za spojky o jiné ohniskové vzdálenosti a rovněž za rozptylky různých ohniskových vzdáleností. Výsledky experimentů (tj. tvary, velikosti, jasy a ostrosti světelných stop) srovnáváme.

Definujte čočku jako "optickou soustavu".

• Z čeho je čočka vyrobena?

Většinou ze skla. Tělo čočky je omezeno dvěma kulovými plochami, příp. kulovou polochou a plochou rovinnou, ve zvláštních případech plochou parabolickou. Poloměry křivosti těchto dvou ploch nemusí být nutně téže velikosti. Prohlédněte si v optické soupravě spojky i rozptylky, čočky tlusté a tenké, čočky dvojvypuklé, ploskovypuklé, dutovypuklé, dvojduté, ploskoduté, vypukloduté.

Nechte dopadat svazek světelných paprsků rovnoběžných s optickou osou na tenkou spojnou čočku. Vysvětlete, proč se při pohybu spojky po optické ose jedním směrem (resp. pohybu stínítka vzhledem k spojce opět jedním směrem) postupně zmenšuje velikost a zvětšuje jas kruhové světelné stopy až do určitého okamžiku, od kterého dochází opět k zvětšování velikosti světelné stopy a k zmenšování jejího jasu.

Nalezněte souvislost s bodem, který je "ohniskem" spojky. Změřte na optické lavici vzdálenost tohoto bodu od spojky a srovnejte ji s údajem o ohniskové vzdálenosti této spojky. U prvků optických souprav tento údaj bývá vyznačen na rámečku, do kterého je spojka zasazena.

Definujte tzv. optickou mohutnost, a to v závislosti na poloměrech křivosti ohraničujících ploch, na indexu lomu skla, na ohniskové vzdálenosti.

Předpovězte teoreticky chod význačných paprsků při zobrazování čočkou a pomocí geometrické konstrukce odvoďte zobrazovací rovnici tenké čočky.

Součástí optické soupravy bývá clona s otvorem ve tvaru číslice 1. Tuto clonu umísťujte postupně:

1. mezi spojku a ohnisko, 2. přímo do ohniska, 3. za ohnisko v menší vzdálenosti než je dvojnásobek ohniskové vzdálenosti, 4. za ohnisko do vzdálenosti větší dvojnásobku ohniskové vzdálenosti. Vzhledem ke vzoru charakterizujte obraz podle kriterií: skutečný - neskutečný, zmenšený - zvětšený, vzpřímený - převrácený.

Před realizací každého z experimentů nakreslete chod význačných paprsků čočkou a předpovězte výsledek experimentu vzhledem k uvedeným kriteriím obrazu. Vzdálenost promítací stěny je zapotřebí upravovat. Je ve všech případech variant pokusu možné zachytit obraz na stínítko?

Spojku vyměníme za rozptylku a pokus opakujeme. Mění se charakteristika obrazu při změně vzdálenosti předmětu - vzoru od rozptylky?

Srovnejte zobrazení dutým zrcadlem a spojkou, vypuklým zrcadlem a rozptylkou.

Vyjmenujte všechny vady, které jsou vpodstatě důsledkem toho, že zobrazení čočkou se děje sice paprsky rovnoběžnými s optickou osou, ale nikoliv paprsky optické ose blízkými.

3 Optika 57

• Vysvětlete příp. otvorovou vadu a nalezněte způsob její korekce.

Při dopadu světelného svazku na čočku se paprsky vzdálenější optické ose lámou více než paprsky bližší. Neostrost obrazu odstraňte odcloněním paprsků vzdálenějších od optické osy, popř. navrhněte a vyzkoušejte vhodnou kombinaci spojek a rozptylek.

• Vysvětlete příp. barevnou vadu a nalezněte způsob její korekce.

Při průchodu světla čočkou, konkrétně rozhraním vzduch - sklo, sklo - vzduch dochází kromě lomu současně i k rozkladu světla a tak i k zajímavému zabarvení na okrajích obrazu. Zabarvení se lze zbavit kombinací čoček s různými indexy lomu.

• Vysvětlete příp. astigmatismus a promyslete způsob jeho korekce.

Při zobrazování předmětu - vzoru, jehož body jsou od optické osy značně vzdáleny, se tyto body nezobrazují jako body, ale jako "plošky". Touto vadou může trpět i lidské oko, je-li jeho rohovka nebo přímo čočka vadně zakřivena. Odstranění astigmatické vady se zajišťuje brýlemi s válcově broušenými čočkami.

• Vysvětlete příp. zkreslení obrazu a promyslete způsob jeho korekce.

Zvětšení, resp. zmenšení vnějších a vnitřních částí obrazu si vzájemně neodpovídají. Nejlépe se o tomto zkreslení přesvědčíme, když prosvětlíme čtvercovou síť (zhotovíme si ji např. svépomocí jako "mřížku" z kartonu tak, že do něj vyřežeme žiletkou vrypy v pravidelných vzdálenostech a během pokusu kartonem pomalu rotujeme v téže rovině. Vadu lze odstranit opět vhodnou kombinací čoček. Zkreslení obrazu se rovněž projeví, když budeme pozorovat lupou milimetrový papír, na okrajích bude obraz více deformovaný než uprostřed.

• Vyjmenujte a popište všechny vám známé optické přístroje, jejichž nezbytnou součástí jsou čočky, především spojné.

Fotgrafické přístroje, projekční přístroje, mikroskopy, dalekohledy, spektrometry, interferometry, polarimetry. Jejich účelem je nejčastěji zvětšování, popř. soustředění světelného svazku do "bodu".

Improvizace čočky

Potřebujeme hodinové sklíčko a skleněnou destičku. Za světelný zdroj volíme bílé denní světlo a za předmět - vzor např. psaný text. Na list papíru s textem položíme hodinové sklíčko (vypuklou plochou dolů, ev. vypuklou plochou nahoru) a přiklopíme ho (ev. podložíme) skleněnou destičkou. Vidíme, že se pozorovaný text nezvětšuje, ani nezmenšuje.

Částečně se světlo absorbuje a láme při průchodu rozhraními, ale vzhledem k omu, že jsou jak sklíčko, tak i skleněná destička tenké, nejde o významné změny obrazu ve srovnání se vzorem.

• Na list papíru s textem položíme hodinové sklíčko (vypuklou plochou dolů) a nalijeme do něj vodu. Jak se změní pozorovaný text?

Srovnejte se zobrazením skleněnou ploskovypuklou čočkou.

Na list papíru s textem položíme skleněnou destičku, kápneme na ni větší kapku vody a poté na kapku přitiskneme hodinové sklíčko (vypuklou plochou dolů). Jak


se změní pozorovaný text? Srovnejte se zobrazením skleněnou ploskodutou čočkou.

Paradoxní čočky

Použijeme soupravu optických prvků, kde nalezneme plastové duté čočky. Do skleněné vaničky nalijeme roztok fluoresceinu. Bodovým zdrojem světla postupně prosvětlujeme jednotlivé čočky a sledujeme průchod paprsků. Dvojvypuklá čočka, kterou bychom skleněnou ve vzduchu považovali za spojku se ve vodě chová jako rozptylka. Podobně dvojdutá čočka, kterou bychom považovali za rozptylku se ve vodě chová jako spojka.

Kombinace čoček

Zjednodušeně znázorněte princip mikroskopu.

Improvizujeme ho kombinací dvou spojných čoček. Jako okulár např. použijeme spojnou čočku o ohniskové vzdálenosti 5cm, jako objektiv spojnou čočku o ohniskové vzdálenosti poloviční. Předmět, jehož povrch nás detailně zajímá, dobře osvětlíme a umístíme ho do ohniskové vzdálenosti "objektivu", tedy cca 2,5cm od čočky. Zhruba ve vzdálenosti 22cm (aby předmět, obě čočky i naše oko ležely v jedné přímce) pak umístíme okulár, který mírně posunujeme, až najdeme jeho nejvýhodnější polohu pro nejen zvětšený, ale i ostrý obraz.

Nakreslete chod význačných paprsků mikroskopem.

Vypočítejte zvětšení vašeho improvizovaného mikroskopu.

Jako součin zvětšení objektivu a okuláru.

Zjednodušeně znázorněte princip hvězdářského dalekohledu (Keplerova).

Improvizujeme ho kombinací dvou spojných čoček. Jako okulár např. použijeme spojnou čočku o ohniskové vzdálenosti 5cm, jako objektiv spojnou čočku o ohniskové vzdálenosti čtyřnásobné. Obě čočky vsuneme do "tubusu", krytu z kartonu stočeného do válcové plochy, a to nejlépe ve vzájemné vzdálenosti, která je rovna součtu obou ohniskových vzdáleností čoček, tj. cca 25cm. Pozorujeme pak vzdálené, dobře osvětlené předměty.

Vnímaný obraz je sice zvětšený, ale převrácený. V astronomii není tento fakt na závadu, pro pozemská pozorování lze převrácení obrazu zajistit soustavou dvou pravoúhlých, odrazných hranolů. Jeden hranol převrací obraz vertikálně, druhý horizontálně. Takto upravený dalekohled označujeme jako triedr.

Zjednodušeně znázorněte princip holandského dalekohledu (Galileova).

Improvizujeme ho kombinací dvou čoček, spojky a rozptylky. Jako okulár např. použijeme rozptylku o ohniskové vzdálenosti 5cm, jako objektiv spojku o ohniskové vzdálenosti čtyřnásobné. Obě čočky vsuneme do "tubusu", a to nejlépe do vzájemné vzdálenosti, která je rovna rozdílu obou ohniskových vzdáleností čoček. Tentokráte pozorujeme obraz vzpřímený.

Nakreslete chod význačných paprsků oběma dalekohledy.

• Vypočítejte zvětšení vašich improvizovaných dalekohledů.

V obou případech jako podíl ohniskových vzdáleností, a to objektivu ku okuláru.

3 Optika 59

Promyslete i jiná fyzikálně-technická uspořádání optických soustav, kterými můžeme zajistit ostré zviditelnění velmi malých či velmi vzdálených předmětů.

Kombinace tří spojných čoček o ohniskových vzdálenostech 5cm, 10cm a 20cm, kombinace zrcadel.

3.1.4 Disperze (rozklad) světla Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (zdroj světla s clonou opatřenou úzkou podélnou štěrbinou, nejlépe řiditelnou, spojka, stínítko jako promítací stěna, dva stejné optické hranoly), dobře zatemněná laboratoř.

Postup:

Na optickou lavici upevňujeme postupně zdroj světla, proti štěrbině jeho clony pak spojku a na druhý konec lavice promítací stěnu. Na stínítku zachytíme světelnou stopu v podobě bílého pruhu rovnoběžného se štěrbinou. Mezi spojku a promítací stěnu pak vložíme s vyhledáním optimálních vzdáleností optický hranol tak, aby jeho lámavá hrana byla se štěrbinou rovnoběžná. Světelná stopa se na stínítku posune, rozšíří a současně změní v barevnou.

• Definujte optický hranol.

Jde o průhledné těleso, z jehož rovinných stěn alespoň dvě spolu svírají ostrý úhel. Při průchodu světelných paprsků tímto tělesem dochází podle Snellova zákona na dvou rozhraních ke dvěma lomům.

• Jaké je praktické využití optického hranolu?

Tzv. odrazným hranolem dokážeme zajistit potřebné odchýlení světelných paprsků od původního směru, tzv. rozkladným hranolem rozklad světla na jeho složky, popř. naopak složení monofrekvenčních světel ve světlo složené. Optický hranol se tak stává nezbytnou součástí mnoha optických přístrojů, především však spektrometrů. Spektrometrem lze měřit přesně frekvence světla náležející odpovídajícím barevným proužkům spektra. To v rámci spektrální analýzy umožňuje pro fyzikální, chemické a astronomické účely velmi spolehlivě zkoumat chemické složení látek, jejich fyzikální stav ap.

Přiložte si optický hranol (např. pravoúhlý) jednou jeho stěnou těsně k oku a pozorujte okolní předměty přes něj v bílém denním světle. Vysvětlete, proč podél hran rovnoběžných s lámavou hranou hranolu vidíte jasně barevné pruhy, především fialovomodré a žlutočervené a proč se v kolmém směru tato zabarvení odpovídající okrajům spektra neobjevují.

Za studovaný předmět si zvolte jen několik cm úzký, bílý pruh papíru a proveďte jeho pozorování tímtéž optickým hranolem tak, že se v laboratoři obrátíte nejdříve ke světlu přicházejícímu od okna čelem a poté zády.

V prvním případě postavte hranol k oku střední hranou vertikálně a přiklopte před oko levou stěnu hranolu. Vysvětlete, proč je levá boční hrana bílého archu žlutočervená a pravá boční hrana fialovomodrá. Poté přiklopte před oko pravou stěnu hranolu. Vysvětlete, proč je zabarvení podélných hran archu opačné: zleva modrofialové a zprava červenožluté.


Ve druhém případě postavte hranol opět těsně k oku střední hranou vertikálně a přiklopte před oko levou stěnu hranolu. Vysvětlete, proč je levá boční hrana bílého archu fialovomodrá a jeho pravá hrana žlutočervená. Poté přiklopte před oko pravou stěnu hranolu. Vysvětlete, proč je zabarvení podélných hran archu opačné: zleva červenožluté, zprava modrofialové.

Porovnejte všechny čtyři obrazy z hlediska jejich vzájemné symetrie a inverznosti.)

• Vyjmenujte hlavní složky hranolového spektra.

Spektrum bílého světla je spojité. Přechod jedné složky ve druhou je plynulý, a to s meziodstínem. Za složky spektra považujeme červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou, fialovou.

• Vysvětlete neměnné pořadí jednotlivých složek.

Červené světlo je první v pořadí, protože se odchyluje nejméně od původního směru světelného paprsku. Má totiž největší vlnovou délku, a proto nejmenší index lomu.

• Jak se přesvědčíme, že jednotlivé složky spektra jsou už jednoduché, tj. monochromatické?

Vhodně širokou a vhodně umístěnou štěrbinou odcloníme ze spektra jednu zvolenou složku a necháme ji opět rozložit druhým hranolem. Nová světelná stopa je sice opět posunutá a rozšířená, ale zůstává jednobarevná... Popř. hranol osvětlíme monochromatickým zdrojem světla, např. sodíkovou výbojkou.

• Jak se přesvědčíme, že složením všech jednoduchých spektrálních světel vznikne opět světlo bílé?

Pomocí spojky koncentrujeme světelnou stopu hranolem rozloženého světla do co nejmenšího "plošky", tzn. že se snažíme postavit stínítko přesně do ohniska spojné čočky. Tato světelná ploška má pak bílou barvu.

Rozklad světla kulovou plochou

• Vysvětlete princip vzniku duhy, tj. spektra v přírodě.

Prší-li a současně intenzivně svítí slunce, a to ne výše než 42º nad obzorem, můžeme pozorovat před sebou, se sluncem v zádech barevný oblouk na obloze. Vnější okraj duhy je zbarven červeně, vnitřní fialově. Každá z dešťových kapek se totiž láme, rozkládá a odráží sluneční paprsky.

• Jak by se dala duha vytvořit uměle?

Za slunného dne např. při kropení vodou rozstřikovačem.

• Jak by bylo možné improvizovat "duhu" v laboratorních podmínkách?

Dešťovou kapku může suplovat kulová baňka naplněná vodou. Při osvětlení svazkem světelných paprsků spatříme v pohledu proti světlu, ev. na stínítku při pohledu ve směru dopadajícího světla "duhový prstenec". Vnitřní okraj mezikruží je červený, vnější fialový.

Rozklad světla čočkou

3 Optika 61

• Vysvětlete v souvislosti s chromatickou (barevnou) vadou při zobrazování čočkou, proč je obraz zabarven pouze při okrajích.

Střední část spojky si představíme jako takřka "planparalelní desku", kterou světlo prochází téměř beze změny svého původního směru, zatímco okrajová část spojky se podobá "hranolu" o velkém lámavém úhlu.

• Kdy jsou okraje obrazu zabarveny žlutočerveně?

Celou plochu spojky osvětlíme svazkem rovnoběžných paprsků. Do kužele paprsků vystupujících ze spojky postavíme před ohnisko spojky překážku o průměru menším než cca 1cm. Na stínítku pozorujeme stín překážky se žlutočerveným okrajem, neboť modré paprsky jsme překážkou odstínili.

• Kdy jsou okraje obrazu zabarveny modrofialově?

Celou plochu spojky osvětlíme svazkem rovnoběžných paprsků. Do kužele paprsků vystupujících ze spojky postavíme za ohnisko spojky tutéž překážku. Na stínítku pak opět pozorujeme její stín, tentokráte jsou však okraje stínu modrofialové, protože jsme odstínili světlo červené.

• Spojka podléhající zákonitostem rozkladu světla je i v lidském oku. Promyslete takové uspořádání subjektivního, improvizovaného experimentu, který by žáky přesvědčil o existenci barevné vady i jejich vlastní oční čočky.

Bílým kartonem zakryjeme zdroj bílého světla, např. slunce. Poté ho pomalu odkrýváme a pozorujeme pouze přes okraj kartonu.

3.2 Vlnová optika 3.2.1 Interference světla Pomůcky: dvojštěrbina, mřížky s různou mřížkovou konstantou, laserové ukazovátko

Postup:

Laserovým ukazovátkem postupně prosvětlujeme různé mřížky a na stínítku (třeba bílé zdi) pozorujeme výsledný interferenční obraz. Můžeme pozorovat, že světelné body jsou i mimo hlavní paprsek, z toho plyne, že dochází k ohybu světla na překážce.

Newtonova skla se skládají z planparalelní desky, na níž je vypuklou plochou položena ploskovypuklá čočka o velkém poloměru křivosti. Mezi čočkou a deskou tak vzniká velmi tenká vrstva vzduchu. Dopadající světlo se odráží od obou rozhraní vzduchové vrstvy a interferuje.

Osvětlujte Newtonova skla monochromatickým zdrojem světla (asi pod úhlem 45º), poté i zdrojem světla složeného (s halogenovou žárovkou, wolframovou žárovkou, popř. i bílým denním světlem). Barevnost a ostrost interferenčních obrazců "koncentrujte" pomocí čočky a obrazce pozorujte na stínítku v odraženém i propuštěném světle.

Pořadí maxim a minim, popř. sled zabarvení bude u osvětlení propuštěným světlem vzhledem k osvětlení odraženým světlem inverzní. Proč?


3.2.2 Difrakce (ohyb) světla Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (monochromatický zdroj světla - sodíková nebo rtuťová výbojka, halogenový zdroj světla vhodný pro vlnovou optiku, školní laser, dvě clony s řiditelnými štěrbinami, stínítko jako promítací stěna), dobře zatemněná laboratoř.

Postup:

Na optickou lavici umístíme zvolený zdroj světla a (pokud nepracujeme právě s laserem) vymezíme z něj řiditelnou štěrbinou co nejužší světelný svazek. Světelnou stopu pak zachytíme na stínítko, které poté upevníme držákem do optické lavice. Mezi štěrbinu a stínítko vložíme další clonu s řiditelnou štěrbinou. (Poloha obou štěrbin, jsou-li podélné, by měla být rovnoběžná.) Druhou, ohybovou štěrbinu zužujeme tak dlouho, až se na promítací stěně objeví charakteristický ohybový obrazec.

• Popište pozorovaný ohybový obrazec v bílém světle.

Obraz štěrbiny má symetricky po obou stranách interferenční proužky s červeným okrajem na vnější straně.

• Popište pozorovaný ohybový obrazec v monochromatickém světle.

Obraz štěrbiny má symetricky po obou stranách rozloženy střídající se tmavé a světlé proužky interferenčních minim a dalších maxim.

• Proč k ohybovému jevu nedochází při relativně široké štěrbině?

Vyslovte základní podmínku pro vznik ohybového jevu, srovnejte rozměry překážky s vlnovou délkou dopadajícího světla... Srovnejte formulace ohyb na štěrbině a ohyb na okrajích štěrbiny.

Osvětlete tenký drát (rovnoběžný s osvětlovací štěrbinou) a na promítací stěně pozorujte jeho stín. Vysvětlete jeho roznásobení a znejasnění, v případě zdroje bílého světla i duhové zabarvení.

Pokus opakujte, přičemž štěrbinu vyměňte za clonu s více (např. třemi štěrbinami). Pokud optická souprava takovou clonu neobsahuje, vyrobte si ji svépomocí, a to z tenké skleněné destičky, kterou důkladně začadíte nad plamenem, popř. polepíte staniolem. Žiletkou pomocí pravítka pak vyryjte tenké vrypy ve vzdálenosti menší než cca 1mm.

Nalezněte souvislost mezi soustavou štěrbin a optickou mřížkou.

• Improvizujte ohybový jev co nejjednodušeji.

Clonu se štěrbinou přiložte těsně k oku a zadívejte se touto štěrbinou na nějaký intenzivní zdroj světla: sluneční světlo, světlo z nekryté žárovky. Proč se hrany štěrbinou pozorovaných předmětů, jsou-li rovnoběžné se štěrbinou, jeví zdvojené a slabě duhově zabarvené?

Optickou mřížku si přiložte těsně k oku a pozorujte předměty kolem sebe v bílém denním světle. Poté ji v téže rovině stočte o 90º a pozorování zopakujte. Roli spojky a promítací stěny hraje čočka a sítnice vašeho oka.

3 Optika 63

Do rámečku napneme hustou a jemnou tkaninu, např. hedvábí či jemné plátno. Optickou mřížku v uspořádání pokusu vyměníme za svépomocí vyrobenou "mřížku", zopakujeme pokus a výsledky obou experimentů srovnáme.

Mřížku můžeme prověřit i při subjektivním pozorování tak, že ji postavíme do jedné přímky mezi osvětlovací štěrbinu a naše oko.

Další "mřížku" si vyrobíme ze dvou skleněných desek, mezi které uzavřeme tenkou vrstvu plavuňového prášku.

Za "mřížku" v odraženém světle můžeme považovat např. gramofonovou desku. Pokud ji dobře osvětlíme bílým světlem a pozorujeme "zešikma", vidíme rýhy nejhustěji a odražené bílé světlo rozloženo v "duhové" barvy.

Za "mřížku" v propuštěném světle můžeme považovat oční řasy svého přivřeného oka při subjektivním pozorování štěrbiny postavené proti zdroji světla. Okraje štěrbiny spatříme jemně duhově zabarvené.

3.2.3 Polarizace světla Pomůcky:

Bodový zdroj světla (z optické soupravy), dvě destičky z polarizačního dielektrika. Jedna destička je upevněna i se zdrojem světla do stojanu s kloubem, umožňující její otáčení ve zvolené poloze o 360º, a to otáčení současné se zdrojem světla. Druhá destička je upevněna do stojanu příp. i nepohyblivě.

Postup:

První destičku (polarizátor) stočíme tak, aby do jejího geometrického středu dopadal úzký svazek světelných paprsků pod úhlem asi 57º. Druhou destičku (analyzátor) umístíme rovnoběžně s touto destičkou, tzn. že na ni bude dopadat světelný svazek odražený z polarizátoru rovněž pod úhlem 57º. Světelnou stopu pak zachycujeme na vertikálně umístěném stínítku. Zatímco analyzátor a stínítko zůstávají v klidu, otáčíme polarizátorem kolem osy jeho stojanu. Pozorujeme přitom změny světelné stopy na promítací stěně.

Popište změnu světelné stopy na stínítku během experimentu.

Jas světelné stopy odraženého světla se spojitě mění. Svírají-li dopadové roviny světelného paprsku pro polarizátor a analyzátor vzájemně 0º, ev. 180º, tj. jsou spolu rovnoběžné, "svítí" světelná stopa nejjasněji. Při stočení polarizátoru o 90º, ev. 270º je stopa nejtemnější, tj. dopadové roviny jsou právě zkřížené.

Během experimentu měníme pouze úhel mezi dopadovými rovinami, samotný úhel dopadu zůstává tentýž. Nejde o paradoxní jev?

Pokud vyměníme destičky z polarizačního dielektrika, popř. skla za zrcadla, ať už kovová či skleněná s pokovenou zadní vrstvou, zjistíme skutečně, že k efektu nedochází. Vysvětlete.

Vysvětlete jev polarizace jako projev vlnové povahy světla.

Světlo je příčné elektromagnetické vlnění. V přirozeném nepolarizovaném světle sice vektor intenzity kmitá stále v rovině kolmé na směr šíření světla, ale jeho směr se neustále nahodile mění. V důsledku polarizace vzniká světlo lineárně polarizované, kdy vektor intenzity kmitá stále v jedné rovině i v jednom směru.


Změňte v pokusu úhel dopadu 57ºza jiný úhel a pokus opakujte. Proč usilujeme o nastavení právě tohoto úhlu dopadu?

V důsledku dopadu na dielektrikum se nepolarizované světlo polarizuje tak, že vektor intenzity kmitá kolmo k rovině dopadu. Polarizace je však pouze částečná, současně dochází i k lomu. Je-li úhel dopadu takový, že odražený a lomený paprsek spolu svírají úhel právě 90º, dochází k polarizaci úplné.

Předpokládejme, že jsou destičky z polarizačního dielektrika v pokusu skleněné o indexu lomu 1,5. Vypočtěte podle Snellova zákona Brewsterův polarizační úhel a přesvědčte se, že jsme 57º volili správně.

Víme, že k částečné polarizaci dochází i lomem. Vektor intenzity polarizovaného světla však kmitá rovnoběžně s rovinou dopadu. Vyššího stupně polarizace lomem lze docílit opakovaným lomem. Místo jedné polarizační destičky použijeme soustavu polarizačních destiček, např. několik na sebe položených destiček skleněných. Uspořádání pokusu bude totožné s uspořádáním pokusu. Jediný rozdíl bude spočívat v tom, že polarizované světlo necháme dopadat na analyzátor v propuštěném světle.

3.3 Školská optika 3.3.1 Oko jako optická soustava Pomůcky:

Optická lavice s příslušenstvím (svíčka, spojky a rozptylky různých ohniskových vzdáleností, stínítko jako promítací stěna), dobře zatemněná laboratoř.

Postup:

Hořící svíčkou na optické lavici osvětlujeme spojnou čočku. Obraz plamene zachycujeme stínítkem a pozorujeme jeho změny v závislosti na ohniskové vzdálenosti zvolené čočky, na vzdálenosti plamene a stínítka od čočky. Poté zvolíme nejběžnější případ, kdy je předmět - vzor (plamen) vzdálen od čočky ve větší než dvojnásobné ohniskové vzdálenosti a na stínítku vidíme obraz převrácený, skutečný, zmenšený. Polohu svíčky a stínítka si označíme.

1. Po zachycení ostrého a jasného obrazu vložíme před spojnou čočku druhou čočku a upravíme vzdálenost stínítka, aby na něm vznikl opět jasný a ostrý obraz.

2. Uspořádání experimentu vrátíme do původní, označené polohy a před spojnou čočku vložíme rozptylku. Vzdálenost stínítka, aby na něm vznikl znovu ostrý a jasný obraz, musíme opět změnit.

Popište složení lidského oka po stránce fyziologické a vysvětlete funkci jeho jednotlivých částí po stránce fyzikální.

• Vysvětlete funkci lidského oka jako optické soustavy, a to v souvislosti s pokusem.

Víte-li, že optická mohutnost vnitřního oka představuje asi 59 dioptrií, zvolte takovou čočku z dané optické soupravy, která by mohla spojku oka suplovat co nejoptimálněji. Sítnici představuje stínítko. Druhou čočku vkládanou před "oční spojku" považujeme za "brýle".

3 Optika 65

• "Modelujte" dalekozraké oko (tj. oko s méně zakřivenou čočkou).

Proveďte zobrazení dvěma spojkami, z nichž jedna supluje normální a druhá dalekozraké oko. Poprvé spojkou o malé ohniskové vzdálenosti vytvořte na stínítku ostrý a jasný obraz. Podruhé při tomtéž uspořádání experimentu vytvořte spojkou o velké ohniskové vzdálenosti obraz nový. Ostrost obou obrazů plamene srovnejte.

• "Modelujte" dalekozraké oko (tj. oko s kratším očním prostorem).

Proveďte zobrazení toutéž spojkou při dvojí vzdálenosti stínítka od čočky. Poprvé umístněte stínítko přímo do obrazového ohniska čočky, tj. tak, aby na stínítku vznikl co nejostřejší obraz. Podruhé posuňte stínítko blíže k čočce. Ostrost obou obrazů porovnejte.

• Zbavte dalekozraké oko v obou případech jeho vady "brýlemi".

Brýle nechť nahrazuje další spojka, kterou postavíte před spojku původní. Jaké musí být zakřivení nové, "brýlové" spojky, aby obraz mohl opět dopadat na stínítko, tj. na sítnici, co nejostřeji?

• Vysvětlete, proč dalekozraký čtenář (bez brýlí) posunuje knihu dále od očí než čtenář s normálním viděním.

Jeho obrazy padají za sítnici. Blízké předměty vidí krátkozraké oko nejasně, jen vzdálené vidí dobře. Proč je dalekozrakost častější vada vidění, hlavně u starších lidí?

• "Modelujte" krátkozraké oko (tj oko s více zakřivenou čočkou).

Proveďte zobrazení dvěma spojkami, z nichž jedna supluje normální a druhá krátkozraké oko. Poprvé spojkou o velké ohniskové vzdálenosti vytvořte na stínítku ostrý a jasný obraz. Podruhé při tomtéž uspořádání experimentu vytvořte spojkou o malé ohniskové vzdálenosti obraz nový. Ostrost obou obrazů plamene srovnejte.

• "Modelujte" krátkozraké oko (tj. oko s delším očním prostorem).

Proveďte zobrazení toutéž spojkou při dvojí vzdálenosti stínítka od čočky. Poprvé umístněte stínítko přímo do obrazového ohniska čočky, tj. tak, aby na stínítku vznikl co nejostřejší obraz. Podruhé posuňte stínítko dále od čočky. Ostrost obou obrazů porovnejte.

• Zbavte krátkozraké oko v obou případech jeho vady "brýlemi".

Brýle nechť nahrazuje rozptylka, kterou postavíte před spojku. Jaká by měla být ideální optická mohutnost rozptylky, aby obraz mohl opět dopadat na stínítko, tj. na sítnici, co nejostřeji?

• Vysvětlete, proč krátkozraký čtenář (bez brýlí) posunuje knihu dále od očí než čtenář s normálním viděním.

Jeho obrazy padají před sítnici.

• Demonstrujte akomodaci oční čočky, změny duhovky a zornice.

Vzdalováním či přibližováním plamene k čočce, kterou je třeba vyměňovat za čočku s jinou optickou mohutností, aby se ostrost obrazu na neměnném stínítku zachovala. Clonou s řiditelnou štěrbinou.


• Demonstrujte akomodaci čočky svého vlastního oka.

Daleký bod by měl být u normálního oka ve velké vzdálenosti, teoreticky v nekonečnu. Blízký bod je u dětí ve vzdálenosti jen několik cm od oka, u starých lidí i dále než 2m. Jakou vzdálenost považujeme za tzv. konvenční?

• Přirovnejte lidské oko k fotografickému přístroji.

Zobrazování v pokusu odpovídá zobrazování fotografickým přístrojem. Můžeme vyslovit i "analogigii" mezi okem a fotografickým přístrojem: prostorem oka je dírková komora, čočkou objektiv, zornicí clona s uzávěrkou, sítnicí fotocitlivá vrstva filmu.

• Jestliže jsme si mnoha pokusy "dokázali", že na sítnici oka by měl vznikat obraz převrácený, proč vlastně ve skutečnosti vidíme v souhlase s realitou?

Vidění je velmi složitý fyzikálně-chemický a fyziologicko-psychlogický proces, nelze ho chápat odděleně především od činnosti nervové soustavy.

3.3.2 Fyziologická optika Pomůcky:

Elektromotor s měnitelnou frekvencí (příp. alespoň odstředivý stroj), na jehož hřídel můžeme upevnit kotouč, tvrdý bílý karton, nůžky, vodové barvy.

Postup:

Z papírového kartonu vystřihněte kruh a rozdělte jej na šest stejných kruhových úsečí. Každou z úsečí obarvěte jednou z barev spektra (v pořadí červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová, se zanedbáním barvy indigové). Poté kruh upevněte (např. přilepte) na kotouč elektromotoru. Elektromotor uveďte v chod, postupně zvyšujte otáčky a pozorujte výsledné zabarvení kotouče.

Popište své pozorování výsledku pokusu.

Se zvyšováním se frekvence otáček elektromotoru se barva kotouče stále více blíží barvě bílé, je víceméně "špinavým" odstínem bílé. Proč? Odpovězte v souvislosti např. se složením barev hranolového spektra ve světlo bílé.

Zvyšte sytost barev a pokus opět zopakujte. Jak souvisí sytost barev s frekvencí otáček?

Zhotovte druhý papírový kruh, jehož úseče jsou rozděleny tak, že středový úhel červené úseče má velikost 60º, oranžové 40º, žluté 30º, zelené 60º, modré 80º a fialové 90º. Postup pokusu zopakujte a výsledek srovnejte s výsledkem předcházejícím.

Proč vždy "protilehlé" úseče (tj. oranžová a modrá, fialová a žlutá, zelená a červená) tvoří třetinu obsahu kruhu?

Jde o barvy tzv. komplementární.

Zhotovte třetí papírový kruh, na němž jsou stejnoplošné úseče barev primárních: červené, modré a žluté. Opět zopakujte postup pokusu.

3 Optika 67

Mícháním odražených světel z další rotující trojice kotoučů můžeme opět získat světlo přibližně bílé (bílošedé). Na prvním kotouči budou naneseny barvy oranžová a modrá, na druhém fialová a žlutá, na třetím zelená a červená.

Jde o barvy komplementární.

Známe-li barvy primární a dvojice barev komplementárních, předpovězte, které barvy jsou tzv. sekundární a jak je získáme. Svá tvrzení ověřte experimentálně, tj. výrobou další trojice dvoubarevných kotoučů a pokusy s nimi.

Sekundárními barvami jsou oranžová, fialová, zelená. Oranžová vznikne ze žluté a červené, fialová z červené a modré, zelená ze žluté a modré.

Zhotovte poslední papírový kruh, na němž jsou stejnoplošné úseče barev sekundárních. Zopakujte postup pokusu.

Odlište aditivní (součtové) a subtraktivní (odčítací) skládání barev.

O aditivním míšení barev hovoříme v případě skládání barev primárních, jejichž výsledkem je barva sekundární. O subtraktivním míšení barev hovoříme v případě skládání barev sekundárních, jejichž výsledkem jsou zpětně barvy primární a dále různé barevné odstíny. Lidské oko je schopno rozlišit na 180 barevných tónů. Stupňů světlosti a sytosti rozezná na několik set. Existuje tzv. Munsellův atlas barev o 1200 vzorcích. Tyto barvy jsou však izolované, v "sousedství" jiných barev je jejich identifikace diskutabilní.

Nalezněte jiné způsoby skládání barev.

Prosvětlováním barevných filtrů, překládáním barevných průsvitných fólií, impresionistickým nanášením barevných teček a jejich pozorováním z větší vzdálenosti.

Jak vidí barvy lidské oko?

Lidské oko vidí jinobarevně, než bychom mohli fyzikálně teoreticky předpokládat, jiné organismy vnímají okolní svět rovněž různorodě, ať už barevně, prostorově či dokonce v odlišném frekvenčním rozsahu : např. hmyz vidí i v ultrafialové oblasti a ryba karas i v oblasti infračervené. Barevné vidění lidského oka umožňují tzv. čípky, barevné receptory v sítnici. Jsou trojího druhu: s fotocitlivým pigmentem pohlcujícím z viditelného spektra nejvíce světlo červené, modré a zelené. Celkový barevný vjem je výsledkem skládání. Barevné vjemy jsou samozřejmě zpracovávány dále nervovým systémem. Např. sítnice ptáků obsahuje čípky až s pěti barevnými pigmenty, barevný vjem jejich vidění je tedy ještě bohatší.

Přepracujte zjednodušující barevný systém, ve kterém jsou základními barvami červená, modrá a zelená.

Žlutá vzniká jako součet červené a zelené, azurová jako součet modré a zelené, purpurová jako součet červené a modré. Barvami komplementárními pak budou žlutá-modrá, zelená-purpurová, červená-azurová.

Lidské oko je nerozezná monofrekvenční barvu spektrální od smíšené?

• Má i černá barva svou vlnovou délku?

Nemá, "černé světlo" neexistuje.

• Vysvětlete, proč mají tělesa kolem nás "černou barvu".


Těleso se jeví černě zbarveno, jestliže neodráží vůbec žádné světlo, tzn. že všechno světlo pohlcuje. Barva tělesa závisí nejen na barvě dopadajícího světla, ale i na tom, které barvy povrch tělesa odráží a které pohlcuje.

Setrvačnost zrakového vjemu

Rychle pohybujte zdrojem světla (baterkou) ve tmě. Proč pozorujete spojitou světelnou křivku?

Při rychlém pohybu zdroje světla ještě fyziologicky nedozněl určitý vjem, zatímco už nastává vjem nový. "Staré" a nové vjemy splývají.

Několik listů knihy propíchněte blízko jejich okraje jehlou. V místě vpichu narýsujte stejné kříže, které se od sebe liší např. šipkou, na každém obrázku zrotovanou o pravý úhel. Při rychlém listování bude zrakový vjem odpovídat stejně rychle rotující šipce na kříži.

Srovnejte s tzv. Purkyňovým pokusem.

• Vysvětlete princip kinematografu. Kolik statických obrázků je promítnuto divákovi hodinového filmu?

86400. Na každém obrázku jsou zaznamenány jednotlivé fáze probíhajících dějů v čtyřiadvacetině sekundy. Při promítání 24-ti záběrů za interval jedné sekundy lidské oko vnímá v důsledku setrvačnosti souvislý pohyb.

Zraková únava

• Dívejte se do světelného zdroje (např. plamene svíčky nebo žárovky) ne déle než půl minuty. Potom zavřete oči. Zrakový vjem nadále trvá.

Nalezněte souvislost setrvačnosti zrakového vjemu a zrakové únavy.

• Dívejte se soustředěně na výraznou černobílou kresbu po dobu delší než jednu minutu. Potom opět zavřete oči, popř. se zadívejte na bílý list papíru. Vysvětlete, proč uvidíte tentýž obraz, ale inverzně - bíločerně.

Při pokusu rozechvíváme pouze ty čípky svého oka, na něž dopadají světelné paprsky z bílých míst kresby. Černá místa světlo pohlcují a čípky neunavují. Při následném sledování bílé plochy se rozechví bílým světlem všechny čípky současně, ale unavené čípky reagují méně.

• Proveďte tzv. Braggův pokus, příp. jej obměňte. Kartonový kruh rozdělte na dvě poloviny. Jednu polovinu polepte čistě bílým papírem, druhou černým. Dále z kotouče vyřízněte kruhovou výseč o poloměru 45º a to symetricky vzhledem k černobílému rozhraní. Kotouč nasaďte na hřídel elektromotoru a rozrotujte. Když za výseč umístíte červenou žárovku, spatříte při frekvenci alespoň 2 až 3 otáček za sekundu zelenou barvu. Proč? Proč efekt zaznamenáváme při rotaci ve směru hodinových ručiček?

Citlivost čípků na červenou barvu se únavou zmenšuje. Při dopadu bílého světla oko reaguje na zelené světlo v něm obsažené jako na komplementární barvu k červené. Jednodušeji bychom mohli dlouhodoběji soustředěně sledovat červený papír a poté se zadívat na papír bílý a zaznamenali bychom tentýž efekt. Obdobně bychom mohli pozorovat zelenou žárovku a vidět červenou, modrou vidět jako oranžovou a naopak.

Zrakové klamy

3 Optika 69

Co je tzv. slepá skvrna a jak se přesvědčíme o její existenci?

Slepá skvrna je místo, kde vniká oční nerv do sítnice. Na bílý list papíru si narýsujeme křížek a kolečko ve vzdálenosti cca 10cm. Zavřeme-li levé oko a pouze pravým okem se zadíváme na křížek, vidíme oba obrázky současně. Poté pomalu přibližujeme obrázek k oku tak dlouho, až nalezneme vzdálenost, při které kroužek "zmizí".

Vysvětlete, proč nám v celkovém zrakovém vjemu nevzniká v důsledku slepé skvrny "prázdné místo".

Pomocí kružítka narýsujte na černý a bílý papír dva stejné kruhy, vystřihněte je a poté černý kruh nalepte na bílý, bílý na černý papír a pozorujte. Jeví se vám obě stejné plochy opravdu stejné?

Vysvětlete, popř. uveďte z vlastní zkušenosti další zrakové klamy založené na zkreslujícím odhadu délek, úhlů, ploch, perspektivy, intenzit osvětlení, barevných kontrastů.

Proč se dvě stejně dlouhé úsečky nejeví stejně dlouhé, proč se dvě rovnoběžky nejeví rovnoběžné, proč se nám za bílého denního světla jeví jasně červená výraznější než jasně modrá a naopak za šera jasně modrá výraznější než jasně červená?

3.3.3 Fotometrie Pomůcky:

Tvrdý bílý karton, dvě zarážky (např. dva dřevěné hranoly) pro upevnění roviny kartonu ve vertikální poloze, olej, asi 6ks stejných svíček, tyčový metr.

Postup:

Do středu kartonu nakapeme trochu oleje a rozetřeme jej v mastný kruh o poloměru nejméně 5cm. Olej necháme kartonem zcela prosáknout. (Vhodnou úpravu kartonu můžeme zajistit i pomocí povoskování horkým voskem. Po ztuhnutí voskovou vrstvu seškrábeme a přežehlíme žehličkou, aby byla vrstva rovnoměrně nanesená.

1. Karton postavíme kolmo k tyčovému metru asi do čtvrtiny jeho délky. K bližšímu konci tyčovému metru postavíme jednu svíčku a zapálíme ji (plamen svíčky by měl ležet ve výši mastné skvrny).

Potom pozorujeme jas prosvětlované skvrny z druhého konce tyčového metru.

2. Ke vzdálenějšímu konci tyčového metru postavíme těsně vedle sebe čtyři hořící svíčky a pozorujeme opět jas prosvětlované skvrny z opačného konce tyčového metru.

• Charakterizujte fotometrii jako obor fyziky, popř. optiky.

Fotometrie popisuje světelné zdroje a osvětlení ploch z hlediska fyziologického, tj, z hlediska vnímání lidským okem.

Jas obou skvrn by se nám při pokusu měl jevit jako srovnatelný. Pokud jsme sloučili obě fáze pokusu a pozorovali mastnou skvrnu prosvětlenou z obou stran, pak mastná skvrna zdánlivě "zmizela". Proč?


• Karton postavte do středu tyčového metru a znovu porovnejte osvětlení mastné skvrny z obou polorovin. Protože nejsou stejná, změňte uspořádání pokusu tak, aby se výsledek pokusu opakoval.

Ev. ponechejte karton v původní poloze, ze čtveřice svíček uberte tři a hledejte takovou novou polohu kartonu, aby se mastná skvrna opět ztratila.

• Na kterých fyzikálních veličinách tedy závisí osvětlení?

Přímo úměrně na svítivosti zdroje, nepřímo úměrně na čtverci vzdálenosti od tohoto zdroje. Promyslete, jak uspořádat experiment, abychom ověřili, že se do velikosti osvětlení významně promítá i závislost na úhlu dopadu světelného svazku.

• Jak vnímá osvětlení lidské oko?

Černobílé vidění, vidění za šera, nám umožňují především tyčinky, zrakových receptory v sítnici oka. Jejich schopnost reagovat na osvětlení (i jen několika nlx) je mnohonásobně větší než u čípků.

• Jak měříme osvětlení v technické praxi, tj. objektivně?

Pomocí luxmetrů, jejichž princip je založen na fotoelektrickém jevu.

• Pomocí luxmetru (opatřeného návodem) změřte osvětlení v různých místech laboratoře.

Pro bezpečné osvětlení chodeb je předepsáno osvětlení 20lx, pro osvětlení skladů 40lx, pro čtení bez přílišného namáhání zraku 100lx, rýsování 200lx, hodinářství a rytectví 1000lx.

Analogie Bunsenova fotometru

Dřevěnou desku (o minimální délce jednoho metru a šířce přesahující výšku svíčky) postavte kolmo k rovině pracovního stolu. K jednomu jejímu konci postavte kolmo druhou dřevěnou desku, kterou polepte např. povoskovaným papírem. (Podél desky položte tyčový metr pouze jako délkové měřidlo.)

Do prostoru obou polorovin, oddělených dlouhou deskou, klaďte podél desky v různých vzdálenostech od čelní (povoskované) stěny zdroje světla (téže barvy, ale odlišné svítivosti, např. plameny různého počtu svíček) a porovnejte osvětlení obou ploch v podstatě velmi blízko sebe ležících.

Improvizace stínového fotometru

• Na pracovní stůl položte velký arch bílého papíru a na něj stojan s vertikálně postavenou tyčí (popř. z horizontálně upevněné tyče do Bunsenova stojanu spusťte tyč jako "olovnici", jejíž hrot se dotýká přesně roviny stolu). Dále na list papíru narýsujte dvě různoběžky, jejichž průsečík leží přesně ve středu stojanu (popř. přímo pod hrotem olovnice). Jako dva světelné zdroje téže barvy a odlišné svítivosti vám můžou postačit opět stejné svíčky. Do libovolné vzdálenosti od středu rovnoběžek postavte např. jednu svíčku, do jiné vzdálenosti od středu rovnoběžek postavte na druhou rovnoběžku svazek např. čtyř svíček. Dobře zatemněte laboratoř a svíčky zapalte.

Na papíře jako stínítku zpozorujeme dva různě syté stíny. Vhodným posouváním jednoho ze zdrojů po přímce postupně docílíme stejné sytosti stínů. Obě vzdálenosti zdrojů od průsečíků rovnoběžek pak změříme a

3 Optika 71

ověříme, zda je poměr svítivostí obou zdrojů roven poměru čtverců vzdáleností svíčkových zdrojů od tyče.

• Pomocí světelného zdroje o známé svítivosti určete pomocí fotometru svítivost plamene svíčky.

Plamen parafinové svíčky má svítivost jedné kandely.

4 Hračky ve vyučování fyzice 73

4 Hračky ve vyučování fyzice Cíl: Tato kapitola se liší od předchozích svým zaměřením a po prostudování: • dokážete vyjmenovat názvy vhodných hraček a jejich využití ve výuce • dokážete připravit vyučovací hodinu s použitím hraček • budete schopni připravit otázky a úkoly pro žáky při fyzikálních

experimentech s hračkami ve výuce Průvodce studiem. Nyní jste se dostali k poslední kapitole. Uvádím ji sice na konci vaší studijní opory, ale není poslední co do významu. Dokonce s i myslím, a snad mi dáte za pravdu, že je možná nejzajímavější a při využití ve výuce pro žáky určitě nejatraktivnější.

V dnešní době obecného nedostatku pomůcek ve školách nabývá na významu využití jiných „levných“ alternativ. Těmi mohou být dětské hračky, které žáci sami do výuky přinesou.

Asi pro vás není nic nového, že je možné a vhodné využívat hračky ve výuce, že hračky do škol patří a že se při výuce s hračkami nesníží autorita učitele.

Hračky provázejí děti od narození, a proto k nim mají velmi blízký vztah. Slouží dětem jako prostředek k získání manuální zručnosti, představivosti a tvůrčího myšlení i estetického cítění. V pozdějším, školním věku lze některé hračky využít i při výuce fyziky. Děti mají hračky stále v paměti jako předmět své oblíbené činnosti, a proto jim nečiní problém pracovat s hračkou i při výuce fyziky.

Velký počet hraček využívá k funkci fyzikální principy, jevy, děje. Tyto hračky budeme nazývat fyzikální hračky. A právě demonstrací určitého fyzikálního principu pomocí dané hračky lze tento nový poznatek převést do řeči fyziky. Hračka žákům usnadňuje pochopení fyzikálního učiva probíraného ve škole a zároveň tím u nich může být probuzen zájem o fyziku. Pro žáky nemusí být vždy snadné pochopení fyzikálních principů hraček. Učitel má žákům pomoci tyto fyzikální principy najít odhalit a pochopit. Fyzikální hračky ukazují, že i fyzika může být zábavná a že je součástí každodenního života.

Hračky, podobně jako jiné pokusy můžeme používat v různých částech vyučovací hodiny. Mohou motivovat v úvodu hodiny, můžeme na nich vysvětlit nově probíraný fyzikální jev, lze je použít také při opakování jako ukázku praktických aplikací daného jevu. Samozřejmě se pak mohou lišit otázky a úkoly, které budou žáci provádět.

Formulace úloh a otázek je velmi důležitá při experimentování žáka s hračkou.

• Mají být formulovány tak, aby svou obtížností odpovídaly učivu fyziky na základní škole.


• Mají prověřit, zda žáci správně pochopili fyzikální princip činnosti dané hračky.

• Mají prověřit, zda žáci dovedou tento nový poznatek zařadit a ztotožnit s příslušným učivem probíraným ve vyučování fyziky

První část otázek by se měla zabývat přímo experimentováním s hračkami. Žáci zjistí, na jakém principu hračky fungují a jak se dají využít. Druhá část otázek by naopak měla prověřit fyzikální znalosti, které by žáci měli mít z hodin fyziky a měly by se jim vybavit při experimentování s danou hračkou. Jedná se o otázky zjišťující znalost příslušných fyzikálních termínů, pojmů, zákonů nebo principů. U těchto otázek je důležité dodržet správnou fyzikální terminologii ve spojení s didaktickými zásadami.

Otázky mají: • korespondovat s dosavadními znalostmi žáka, • být srozumitelné a jednoznačné • směřovat přímo k žákovi • být přiměřeně obtížné • být řešeny žáky samostatně, u obtížnějších úloh je možná spolupráce

s učitelem • zachovávat logickou návaznost a posloupnost, aby na ně bylo možné

odpovídat v daném pořadí

Jednou z možností, jak vytvořit přípravu na vyučovací hodinu s využitím hračky, je vytvoření katalogových listů k daným hračkám.

List může obsahovat: 1. Název hračky, popř. i výrobce 2. Popis, z jakých dílů se hračka skládá, jak se ovládá, jak funguje, jaký je cíl

hry. 3. Fotografii, náčrt nebo schéma se znázorněním funkce. 4. Seznam fyzikálních jevů a principů, na kterých je hračka založena, nebo které

lze na hračce předvést. 5. Seznam ročníků a tematických celků, ve kterých lze hračku využít. 6. Otázky a úlohy pro žáky. 7. Možné odpovědi žáků. Odpovědi žáků nemusí být správné a přesné, uvedené

odpovědi pro ně mohou být návodem, jak své odpovědi rozšířit a doplnit.

Příklad katalogového listu:

1. Název hračky: Jojo

2. Popis: Dvě kolečka spojená krátkou osou, na níž je navinuta nit. Cílem hry je udržet jojo co nejdéle v pohybu. Při spuštění se rozmotává provázek a uvádí jojo do rotačního pohybu. V okamžiku, kdy se jojo dostane do minimální polohy, kde je provázek rozmotaný, začne se opět vlivem rotace joja natáčet zpět na osičku. Vhodným pohybem ruky je třeba vyrovnávat ztráty třením tak, aby se pohyb opakoval.

3. Fotografie

4 Hračky ve vyučování fyzice 75

4. Pomocí hračky lze demonstrovat:

• Zákon zachování mechanické energie, přeměnu polohové energie v pohybovou energii a rotační energii.

• Zákon zachování momentu setrvačnosti – roztočené jojo se chová jako setrvačník a zachovává osu rotace.

• Pokud je nit rozmotaná, můžeme jojo využít jako matematické kyvadlo.

5. Hračku lze využít:

• V 8. ročníku při pobírání učiva kapitoly Vzájemná přeměna polohové a pohybové energie tělesa.

• V 7. ročníku v tématu Pohyb tělesa.

6. Otázky a úkoly:

a) V čem spočívá princip pohybu cívky? b) K jakým přeměnám energií dochází? c) Mění se směr otáčení joja? d) Když jojo chytíš za volnou část provázku a rozkýváš ho, urči periodu tohoto

kmitavého pohybu.

7. Odpovědi: a) Nit namotaná na cívce se odmotává, čímž cívku roztáčí, v krajní poloze se

opět začne nit namotávat na cívku b) Při pohybu cívky nejdříve dojde k přeměně polohové energie na kinetickou a

rotační energii, po průchodu dolní polohou dochází opět k přeměně kinetické energie na polohovou.

c) Ke změně směru otáčení dochází jen v horní krajní poloze. d) Periodu můžeme určit tak, že změříme dobu 10 kmitů joja a dělíme ji 10.

Název: 1. Magnetické kuličky 2. Popis hračky: Základem hračky je umělohmotná destička ve tvaru pravidelného šestiúhelníku. V destičce je sedm otvorů; šest ve vrcholech a sedmý uprostřed. Druhou částí hračky je sedm umělohmotných kuliček. Jsou duté a obsahují magnety. Hlavní úkol spočívá v rozmístění kuliček do otvorů v destičce. Při bližším prozkoumání kuliček zjistíme, že jsou rozděleny rýhou na dvě poloviny. Pokud kuličku v této rýze otevřeme, uvidíme v obou částech pouzdérka zapadající do sebe. Uvnitř těchto pouzdérek se nachází magnet ve tvaru válečku (viz nákres). Díky těmto pouzdérkům se magnet v kuličce nemůže volně pohybovat a celá kulička tak představuje magnet se severním a jižním pólem. Pokud přibližujeme dvě kuličky, natočí se k sobě nesouhlasnými póly a přitáhnou se. Při samotném kladení kuliček do otvorů v destičce je třeba postupovat opatrně. Je nutné nepřiblížit se k sousední kuličce na takovou vzdálenost, při které je schopna opustit otvor, ve kterém se právě nachází, a přitáhnout se k dané kuličce. Otvory v


destičce jsou zvoleny tak, že kuličky v nich při opatrném rozmístění zůstávají v klidu a rovnováze. Mají sice snahu se přitáhnout k ostatním kuličkám, ale nemohou vyskočit z otvoru. Může se stát, že kuličku položíme do otvoru tak, že je k sousední natočena souhlasným pólem. Pak stačí drobná nepřesnost a druhá kulička je vypuzena ze svého otvoru a přitáhnuta jinou sousední kuličkou. Právě nepřesné pohyby při rozmisťování kuliček do otvorů způsobují řetězovou reakci, při které se přitáhnou všechny kuličky k sobě. Většinou však můžeme při rozmisťování kuliček pozorovat, že z důlku nevyskočí, ale pouze se v něm natáčejí ve směru nesouhlasných pólů. 3. Fotografie a náčrtek 4. Otázky a úlohy

a) Pokuste se rozmístit kuličky do otvorů v destičce. Co se s kuličkami děje? b) Který fyzikální model kuličky představují? c) Jak musíte postupovat při rozmisťování kuliček? d) Kterým Newtonovým pohybovým zákonem můžeme vysvětlit chování

dvou odpuzujících se kuliček? e) Co představuje všech sedm kuliček spojených v jedné řadě? Vysvětlete. f) Proč mají spojené kuličky snahu zaujímat tvar kruhu? g) Co by se stalo, kdyby otvory v destičce měly mezi sebou kratší

vzdálenost? h) Co by se stalo, kdyby otvory v destičce měly mezi sebou delší vzdálenost?

5. Odpovědi a) Kuličky obsahují magnety, a proto se při rozmisťování navzájem přitahují. b) Kuličky představují magnet se severním a jižním pólem. c) Musíme je rozmisťovat tak, aby nedocházelo k tomu, že kuličky opustí

otvory a přitáhnou se k dalším kuličkám, tzn. klást kuličky do otvorů tak, abychom nevnikali do magnetických polí sousedních kuliček.

d) Jedná se o třetí Newtonův pohybový zákon akce a reakce. Působí-li první kulička odpudivou silou na druhou, působí i druhá na první. Obě síly mají opačný směr a stejnou velikost.

e) Pokud jsou všechny kuličky spojeny v jedné řadě, musí být k sobě natočený nesouhlasnými póly. To znamená, že dvěma krajním kuličkám zůstane neobsazen jeden pól. Jedné kuličce severní a druhé jižní. Celá řada kuliček tak představuje magnet, na jehož jednom konci je severní pól a na druhém jižní pól.

f) Pokud jsou kuličky spojeny v řadě, představují jeden magnet se severním a jižním pólem na koncích. Právě tyto dva konce mají snahu se přitáhnout, protože to jsou nesouhlasné póly. Kuličky tedy vytvoří kruh.

g) Kuličky by v tomto případě byly k sobě přitahovány takovou silou, že by mohly opustit důlek a přitáhly by se k sobě.

h) Při kladení kuliček by nehrozilo nebezpečí, že se k sobě kuličky přitáhnou, protože by jejich vzájemná vzdálenost byla větší. Magnetická pole kuliček ve větší vzdálenosti mají menší účinky.

Literatura 77

Literatura 1. Kušnerová, M. Školní pokusy ve fyzice. Ostrava : Ostravská univerzita, 1994

ISBN 80-7042-717-5

2. Procházka, J. Goláb, F., Kamenčák, F. Školní pokusy ve vyučování fyzice I. PF, Ostrava, 1985

3. Procházka, J. Goláb, F., Kamenčák, F. Školní pokusy ve vyučování fyzice II. PF, Ostrava, 1986

4. Kašpar, E. a kol. Didaktika fyziky. SPN, Praha, 1978

5. Fenclová, J. Didaktické myšlení a jednání učitele fyziky. SPN, Praha, 1984

6. Kašpar, E., Vachek, J. Pokusy z fyziky na středních školách, I. díl. SPN, Praha, 1967

7. Žouželka, J., Fuka, J. Pokusy z fyziky na středních školách, II. díl. SPN, Praha, 1971

8. Žouželka, J. Nové učební pomůcky pro reálné fyzikální pokusy. UP, 0lomouc, 1984

9. Morawitzová, Ž. Praktikum fyzikálních pokusů. UJEP , Brno, 1970

10. Fuka, J., Kunzfeld, J., Novotný, J. Pokusy z fyziky na základní škole. SPN, Praha, 1985

11. Svoboda, E. Pokusy z termik. Příručka pro práci učitelů. Komenium, Praha, 1989

12. Hlavička, A., Svoboda, M., Žouželka, J. Pokusy z elektřiny. Příručka pro práci učitelů. Komenium, Praha, 1989

13. Hlavička, A., Kohout, V. Pokusy z optiky .Příručka pro učitele. Komenium, Praha, 1989

14. Macháček, M. Fyzika 6 pro základní školy a víceletá gymnázia 3. vyd.. Praha : Prometheus, 2000 - 159 s. ISBN 80-7196-186-8

15. Macháček, M. Fyzika 7 pro základní školy a víceletá gymnázia 2. vyd.. Praha : Prometheus, 2001 - 160 s. ISBN 80-7196-217-1

16. Macháček, M. Fyzika 8 pro základní školy a víceletá gymnázia 2. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 159 s. ISBN 80-7196-220-1

17. Fyzika 9 pro základní školy a víceletá gymnázia / Martin Macháček ; [ilustrovala Táňa Žitňanová]. - 2. vyd.. - Praha : Prometheus, 2000 - 160 s. ISBN 80-7196-191-4

18. Vachek, J. Fyzika pro 1. ročník gymnázií. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1984

19. Bohuněk, J., Kolářová, R. Fyzika pro 7. ročník základní školy 1. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 271 s. ISBN 80-7196-119-1

20. Bohuněk, J., Kolářová, R. Fyzika pro 8. ročník základní školy 1. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 223 s. ISBN 80-7196-149-3

21. Bohuněk, J. Fyzika pro 9. ročník základní školy. Praha : Prometheus, 1996 ISBN 80-7196-032-2


22. Kolářová, R. Fyzika pro 9. ročník základní školy 1. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 232 s. : ISBN 80-7196-193-0

23. Lepil, O., Šedivý, P. Fyzika pro gymnázia : elektřina a magnetismus. 5. vyd.. Praha : Prometheus, 2001 - 342 s. ISBN 80-7196-202-3

24. Štoll, I. Fyzika pro gymnázia : fyzika mikrosvěta 2. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 183 s. ISBN 80-85849-48-8

25. Lepil, O. Fyzika pro gymnázia : mechanické kmitání a vlnění. 3., přepracované vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 129 s. ISBN 80-7196-216-3

26. Bednařík, M., Široká, M. Fyzika pro gymnázia : mechanika 3. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 288 s.. ISBN 80-7196-176-0

27. Bartuška, K., Svoboda, E. Fyzika pro gymnázia : molekulová fyzika a termika. 4. vyd.. - Praha : Prometheus, 2001 - 244 s. ISBN 80-7196-200-7

28. Lepil, O. Fyzika pro gymnázia : optika. 2. vyd.. - Praha : Prometheus, 19952001 - 167 s. ISBN 80-85849-71-2

ostravskÁ univerzita v ostravĚartemis.osu.cz/opory/spok2.pdf · i když je v učebnicích pro...

Documents