FYZIKÁLNY EXPERIMENT JEDNODUCHO, ZAUJÍMAVO A ZÁBAVNE
JOZEF BEŇUŠKA IVAN ŠABO
MARTIN 2011
Studijní materiál byl vytvořen v rámci projektu ESF Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji
OBSAH 1
Úvod ..........................................................................................................
5
2
Fyzikálny experiment
6
3
Riešenia a vysvetlenia experimentov 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42
...............................................................................
Prelievanie vzduchu ................................................................................. Plávajúca pepsi ......................................................................................... Prelievanie plynu ...................................................................................... Prevráťte otvorený pohár s vodou ............................................................ Prší neprší ................................................................................................. Podivuhodný odraz lopty ......................................................................... Ktorým smerom sa pohne bublina ........................................................... Nájdite ťaţisko sústavy ............................................................................ Metla na prstoch ....................................................................................... Nájdite rovnováhu .................................................................................... Šesť klincov na špajdli ............................................................................ Silový náraz loptičiek ............................................................................... Nafúkajte vrecko sušičom na vlasy .......................................................... Karteziánček ............................................................................................. Karteziánček na diaľkové ovládanie ........................................................ Preliačená blana ........................................................................................ Dôkaz tlaku v kvapaline ............................................................................ Odhadnite tlak vzduchu v balóne I ............................................................ Odhadnite tlak vzduchu v balóne II ........................................................... Dva otvory vo vrchnáku ............................................................................ Čo drţí vodu v prevrátenom pohári .......................................................... Čo drţí viečko na zaváraninovej fľaške ................................................... Voda ako lepidlo ...................................................................................... Naberte vodu do prevrátenej fľašky ........................................................... Sfúknutie vzdialenej sviečky ....................................................................... Sfúknutie sviečky za prekáţkou ................................................................. Zdvihnite pohár bez dotyku ruky ........................................................... Odfúknite fľašky od seba ....................................................................... Koľko nádychov zmestí do vrecka ............................................................ Prelejte vodu z fľaške do fľaše .................................................................. Tajomstvo topspinu ................................................................................... Čo horí na sviečke ..................................................................................... Problém vriacej vody ............................................................................... Prečo mydlové bubliny praskajú .............................................................. Zodvihnite nádobu špajdľou ..................................................................... O jednom takte spaľovacieho motora ....................................................... Plávanie v studenej a teplej vode .............................................................. Dva zelektrizované balóny ........................................................................ Zelektrizovaný balón a okolie .................................................................... Pohnite bublinou ....................................................................................... Pohnite bublinou v bubline ....................................................................... Roztočenie papierovej vrtuľky .................................................................
8 8 8 8 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 14 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 18 18
3
3.43 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52 3.53 3.54 3.55 3.56 3.57 3.58 3.59 3.60 3.61 3.62 3.63 3.64 3.65 3.66 3.67 3.68 3.69 3.70 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.77 4
Pohnite zápalkou pod sklom .................................................................... Elektrostatický zvonček ........................................................................... Zhromaţďovač náboja .............................................................................. Vybíjanie kondenzátora ............................................................................ Ako sa mení kapacita ................................................................................ Môţe byť dotyk nebezpečný ..................................................................... Ţeravé vlákno ţiarovky ............................................................................. Postavte čo najvyšší stĺpec z matíc ........................................................... Magnetické pole bez magnetu ................................................................... Magnet a cievka ....................................................................................... Magnetické pôsobenie bez magnetov ...................................................... Čo pohne vodičom s prúdom ................................................................... Otvorte jadro cievky .................................................................................. Roztočenie vodivého kotúča ..................................................................... Brzdenie bez trenia .................................................................................... Elektrický dotyk ........................................................................................ Podivuhodná vodná hladina ...................................................................... Balón ako šošovka .................................................................................... Mucha na objektíve ................................................................................... Obraz predmetu v oku .............................................................................. Aké vysoké máte doma zrkadlo ............................................................... Zväčšená bábika ....................................................................................... Potápač s okuliarmi ................................................................................... Zasvieťte neónku bez zdroja napätia ......................................................... Čo je za akváriom? ..................................................................................... Kam smerujú šípky? ................................................................................... Z ktorej strany príde? ................................................................................ 52 či 25 ...................................................................................................... Prevráťme farebné šípky ........................................................................... Vezmite si prasiatko ................................................................................. Hračky – delfín ......................................................................................... Hračky – hracia skrinka ........................................................................... Hračky – mlynček .................................................................................... Hračky – Galileiho teplomer .................................................................... Hračky – čo drţí loptičku ..........................................................................
18 18 19 19 19 19 19 20 20 20 20 20 20 21 21 21 21 21 21 22 22 22 22 22 23 23 23 23 23 24 24 24 24 24 24
Záver ..........................................................................................................
25
4
1 ÚVOD Mnohým mladým poslucháčom, ale aj mnohým rodičom, sa zdá dnešná školská fyzika ako niečo zastarané a odtrhnuté od beţného ţivota. Moţno je to dôsledok školskej fyziky, kde sa spomínajú mnohé zákonitosti objavené pred stáročiami a kde sa pouţíva veľa matematiky, ktorá v mnohom potláča fyzikálnu podstatu problému. Pri Gymnáziu Viliama Paulinyho-Tótha v Martine vzniklo v roku 2006 Centrum popularizácie fyziky. Centrum, ktoré sa svojou s ponukou pokúša na jednoduchých experimentoch, vychádzajúcich z beţnej praxe, poukázať na skutočnosť, ţe veľká časť dnešnej populácie si uţ vôbec neuvedomuje, ţe mnohé činnosti, ktoré vykonávajú, sú zaloţené na fyzikálnych princípoch a aj tie najdokonalejšie prístroje sú mnohokrát zaloţené na úplne jednoduchých fyzikálnych princípoch. Naša ponuka pre ţiakov a učiteľov obsahuje súbor jednoduchých experimentov, ktoré si poslucháč môţe sám vyskúšať a spoločne vysvetliť princíp experimentu. Ţijeme v dobe pomerne vyspelej techniky a veľkej časti verejnosti (aj ţiakov) sa zdá, ţe to, čo sa učí v škole je veľmi vzdialené od praxe. Väčšinou si neuvedomujú, ţe aj tie najdokonalejšie technické zázraky vlastne vznikli na základe objavov fyzikov. Je asi pravdou, ţe ţiak sa len zriedkavo dostane v škole k nejakej konkrétnej praktickej činnosti. Väčšinou sa riešia úlohy, ktoré sú zostavené tak, aby bolo moţné pouţiť nejaký „vzorec“ a dospieť ku konkrétnemu číselnému výsledku. Takto to beţí aj na väčšine prijímacích pohovorov a tak vlastne školy podľahnú tomuto tlaku zhora a napokon i maturitná skúška je súbor riešení príkladov, kde prevláda matematika nad fyzikou. Počas školského roka 2006-2007 Centrum popularizácie fyziky navštívilo, a fyzikálnu exkurziu prostredníctvom experimentov absolvovalo, viac ako 1500 účastníkov. V tejto publikácii čitatelia nájdu návody na 77 experimentov tak, ako sme ich prezentovali našim návštevníkom. Všetky experimenty sú zaloţené na vyuţití pomôcok, ktoré sú ľahko dostupné v domácnosti a nie je problém (ani finančný) si ich zadováţiť.
Autori
5
2 FYZIKÁLNY EXPERIMENT Vo vyučovaní fyziky je potrebné brať do úvahy obidve stránky fyzikálnej vedy - jej exaktný i jej experimentálny charakter. Fyzikálny experiment predstavuje významnú formu názornosti. Pôsobením experimentov nadobúdajú vedomosti ţiakov neformálny charakter, ţiaci si ich lepšie prekladajú do svojho vnútorného jazyka. Pouţitím fyzikálneho experimentu prenášame poznatky na ţiakov najbezprostrednejším spôsobom. Experimentálnou úlohou pritom rozumieme takú fyzikálnu úlohu, ktorá vyvoláva problémovú situáciu, na vyriešenie ktorej je potrebné zrealizovať experiment. V tomto prípade uţ nie je experiment ilustráciou výkladu, ale stáva sa bezprostrednou súčasťou procesu poznávania. Vzhľadom na nevyhovujúce materiálne vybavenie väčšiny škôl je tu široký priestor na uplatnenie netradičných fyzikálnych experimentov, t.j. experimentov realizovaných improvizovanými, resp. svojpomocne vyhotovenými pomôckami. Jedná sa hlavne o jednoduché, názorné a z hľadiska prípravy i finančnej náročnosti čo najdostupnejšie experimenty. Experiment ako prostriedok aktívneho poznávania vo vyučovaní fyziky sa v reálnom vyučovacom procese uplatňuje dvojakým spôsobom a síce ako: 1. činnosť zameraná na získavanie poznatkov priamo na vyučovacej hodine, 2. činnosť realizovaná doma vo forme ţiackych domácich experimentov, 3. činnosť realizovaná v rámci exkurzie zameranej na fyzikálne experimentovanie (práve z takejto činnosti ţiakov sú prezentované experimenty vo forme problémových úloh v tejto publikácii). Rozdelenie experimentov podľa pomôcok: Myšlienkový – bez pomôcok, realizujeme ho len v predstavách, môţe byť súčasťou reálneho experimentu v jeho prípravnej fáze. Školský (laboratórny) – je realizovaný pomôckami nachádzajúcimi sa v školských laboratóriách a teda nie je moţné ho presne realizovať bez týchto pomôcok (napr. osciloskop, voltmeter, avomet, meotar, ...). Modelový – pomôcky, ktoré sú uţ kompletné, napr. Van de Grafov generátor, model jednotaktového motora a pod. S jednoduchými prostriedkami – realizovaný pomocou materiálov a predmetov beţne sa nachádzajúcimi v domácnostiach, prípadne pomôckami, ktoré sa dajú veľmi ľahko zadováţiť, či uţ od susedov, alebo za malý peňaţný obnos v obchode. Jednoduchý pokus to je pokus realizovaný jednoduchými prostriedkami. Nie sú to však pokusy, ktoré by sa dali jednoducho vysvetliť, len na ich realizáciu sú potrebné nenáročné pomôcky. Fyzikálnym experimentom učíme ţiaka najbezprostrednejším spôsobom, vyuţívame pritom silnú motivačnú funkciu experimentu.
6
Pri realizácii experimentu je potrebná pedagogická (a niekedy silne herecká) zdatnosť experimentátora, aby experiment ţiakom vhodne uviedol, pútavo prezentoval a jednoducho, na úrovni aktuálneho ţiackeho poznania, dokázal vysvetliť fyzikálnu podstatu experimentu. Uviesť a následne realizovať experiment ţiakom je moţné napríklad týmito spôsobmi: - Naviesť ţiakov do situácie, kedy zdanlivo výsledky pozorovaní pri experimente nie sú v súlade s fyzikálnou teóriou, ktorá je ţiakom známa. Napríklad: V škole ste sa učili, že obraz utvorený na sietnici oka je skutočný, zmenšený a prevrátený. Zapáľte sviečku, podržte ju pred okom spolužiaka a pozorujte obraz plameňa sviečky v oku. Pri pozorovaní ţiaci zistia vlastnosti pozorovaného obrazu – obraz plameňa v oku je zmenšený a priamy. Je zistenie v rozpore s prezentovanou fyzikálnou teóriou? - Hľadať vysvetlenie javu, ktorý je ţiakom známy z beţného ţivota, a nad vysvetlením ktorého sa ţiaci nikdy (z akýchkoľvek príčin) nezamýšľali. Napríklad: Kedy sa viečko zaváraninovej fľašky pritlačí k poháru? Ak k sebe pritlačíme mokré sklá, ich oddelenie od seba je pomerne ťažké. Aká veľká sila ich drží pohromade? - Odhadnúť číselné hodnoty fyzikálnych veličín pri pouţití známych pomôcok, balónov, hračiek a podobne. Napríklad: Aký veľký je tlak vzduchu v nafúkanom balóne? Odmerajte jeho hodnotu. Koľko nádychov sa vmestí do vrecka? - Prakticky realizovať zdanlivo nemoţné situácie. Napríklad: Prevráťte pohár plný vody hore dnom tak, aby voda z pohára nevytiekla. Naberte vodu do prevrátenej fľašky. - Aktívnou súťaţou medzi ţiakmi. Napríklad: Prejete vodu z fľašky do fľašky – čo najrýchlejšie a s čo najmenšou námahou. Kotúľajte prázdnu plechovku od piva bez dotyku a čo najrýchlejšie prostredníctvom elektrického poľa. - Experimentami, ktoré sa prejavujú hlasným zvukovým efektom, horením, výbuchom. Napríklad: Dá sa plyn prelievať? O jednom takte spaľovacieho motora. Experimentovanie ţiakov v mimovyučovacom čase má niekoľko výhod, napríklad výrazné motivačné pôsobenie, nakoľko realizácia pokusov zaujala aj ţiakov, ktorí fyziku neobľubujú. Aj keď sa ţiaci zúčastňujú sprostredkovania fyzikálnych poznatkov, predsa len nie je to klasická vyučovacia hodina, ale skôr zábava a pestré vyuţitie mimo vyučovacieho času.
7
3 RIEŠENIA A VYSVETLENIA EXPERIMENTOV 3.1 PRELIEVANIE VZDUCHU Pretoţe vzduch má menšiu hustotu ako voda, vzduchové bubliny vo vode plávajú smerom zvislo nahor. Ak ich zachytíme pod hladinou do pohára naplneného vodou, vzduchové bubliny vodu z pohára vytlačia a pohár sa napĺňa vzduchom. Vzduch sa preleje pod vodou z jedného pohára do druhého. Na rozdiel od prelievania vody, ktorá sa leje v smere nadol, vzduch vďaka vztlakovej sile pôsobiacej vo vode môţeme prelievať v smere nahor. Pri experimente je moţné pozorovať guľovitý tvar vzduchových bublín, vztlakovú silu pôsobiacu na vzduchové bubliny a pod. 3.2 PLÁVAJÚCA PEPSI Na plechovky ponorené do kvapaliny pôsobí tiaţová sila a vztlaková hydrostatická sila. Plechovky majú rovnaký objem – vztlakové sily, ktoré na plechovky pôsobia sú rovnako veľké. Keďţe pepsi light pláva na hladine vody, vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené do kvapaliny je väčšia ako tiaţová sila. Obyčajná pepsi po ponorení do vody klesne na dno, vztlaková sila na ňu pôsobiaca je menšia ako tiaţová sila. Na plechovku pepsi light teda pôsobí menšia tiaţová sila ako na plechovku s obyčajnou pepsi. Po otvorení obidvoch pepsi sa môţete presvedčiť, ţe objemy kvapalín v plechovkách sú rovnaké. Rozdielnosť v tiaţových silách je spôsobená hustotou kvapalín v plechovkách. Pepsi light je kvapalina s menším obsahom cukru a teda aj s menšou hustotou ako obyčajná pepsi. 3.3 PRELIEVANIE PLYNU Plyn sa dá preliať z jedného pohára do druhého. Presvedčíme sa o tom horiacou špajdľou, ktorá indikuje prítomnosť plynu jeho horením. V prvom pohári plyn nezostane, o čom sa tieţ môţeme presvedčiť zapálenou špajdľou. Experiment je moţné realizovať z toho dôvodu, ţe plyn na plnenie zapaľovačov má väčšiu hustou ako vzduch (jeho relatívna hustota ku vzduchu je asi 1,77) a preto pri prelievaní klesne na dno pohára. 3.4 PREVRÁŤTE OTVORENÝ POHÁR S VODOU Pri rotácii pôsobí na pohár, aj vodu v ňom zotrvačná odstredivá sila (vzťaţná sústava spojená s rotujúcim pohárom je neinerciálna vzťaţná sústava). Smer odstredivej sily je od stredu kruţnicovej trajektórie. V najvyššom bode trajektórie (kde je otvorený pohár s vodou otočený hore dnom) smeruje odstredivá sila v opačnom smere ako tiaţová sila. Veľkosť odstredivej sily závisí od veľkosti rýchlosti pohybu telesa po kruţnicovej trajektórii a polomeru kruţnicovej trajektórie. Keďţe pri pohybe po kruţnicovej trajektórii je jej polomer stály, pri vhodnej veľkosti rýchlosti pohybu môţeme dosiahnuť, aby odstredivá sila pôsobiaca na vodu bola väčšia ako tiaţová sila. Potom sa voda z otvoreného pohára prevráteného hore dnom nevyleje.
Fo FG
smer pohybu pohára
8
3.5 PRŠÍ - NEPRŠÍ Pri rotácii fľašky kvôli silám vnútorného trenia spoločne s fľaškou rotuje aj kvapalina. Odstredivá sila pôsobiaca na kvapalinu spôsobí postupnú zmenu tvaru hladiny kvapaliny z vodorovnej na parabolickú. Rovnováţny stav nastane, ak výslednica tiaţovej a odstredivej sily je kolmá na hladinu kvapaliny. Hladina rotujúcej kvapaliny s rastúcou frekvenciou rotácie pri okraji stúpa nahor. Ak dosiahne otvory v stene fľašky, začne vystrekovať z fľašky von. Rýchlosť, ktorou kvapalina opúšťa fľašku závisí od rýchlosti rotácie kvapaliny, a tým aj od veľkosti odstredivej sily, ktorá na ňu pôsobí. Kvapalina ktorá vyteká z fľašky, koná vodorovný vrh, ale vďaka rotácii fľašky sú trajektórie vodorovného vrhu vytekajúcej kvapaliny stočené a vytvárajú zaujímavé tvary. 3.6 PODIVUHODNÝ ODRAZ LOPTY Ak voľne pustíme akúkoľvek jednu loptu, nikdy po odraze od zeme nevyskočí do väčšej výšky ako je tá, z ktorej bola voľne pustená. Ak však voľne pustíme dve lopty, jednu poloţenú na druhej (pozri obrázok), horná lopta po odraze odskočí do väčšej výšky ako je tá, z ktorej bola voľne pustená. Energiu získa od spodnej lopty, ktorá sa po dopade na zem deformuje a pri odraze nárazom na hornú loptu jej odovzdá časť svojej energie. Horná lopta teda získa energiu od spodnej lopty. Zákon zachovania energie nie je porušený. 3.7 KTORÝM SMEROM SA POHNE BUBLINA Ak fľašku, ktorá je v pokoji, pohneme ľubovoľným smerom, vzduchová bublina v kvapaline vo fľaške sa pohne v rovnakom smere ako fľaška. Pri náraze pohybujúcej sa fľašky na prekáţku sa vzduchová bublina v kvapaline pohne smerom od prekáţky. Pri zrýchlenom, alebo spomalenom pohybe fľašky sa prejavuje zotrvačnosť kvapaliny vo fľaške.
smer pohybu fľašky
3.8 NÁJDITE ŤAŢISKO SÚSTAVY Teleso pri rotačnom pohybe rotuje okolo hmotného stredu – ťaţiska. To isté platí pre rotujúcu sústavu telies. Na spojnici rotujúcich telies je miesto (pozri ťažisko sústavy obrázok), ktoré nie je v pohybe. Toto miesto je hmotný stred sústavy telies, ich ťaţisko. Z polohy tohto miesta je moţno stanoviť pomer hmotností telies. Ak je toto miesto s strede na spojnici telies, pomer ich hmotností je 1:1. Na obrázku tento bod rozdeľuje spojnicu telies pribliţne v pomere 1:2. Pomer hmotností telies je 1:2, teleso bliţšie k uvaţovanému bodu má 2-krát väčšiu hmotnosť ako vzdialenejšie teleso.
9
3.9 METLA NA PRSTOCH Vo všetkých prípadoch sa prsty oboch rúk stretnú v jednom a tom istom bode – pod ťaţiskom metly. Pri pohyboch prstov pôsobí na prsty trecia sila, ktorej veľkosť závisí od kolmej tlakovej sily na prst. Kolmé tlakové sily pôsobiace na prsty sú zloţky tiaţovej sily pôsobiacej na metlu. Tiaţová sila je rozloţená na zloţky, ktorých veľkosti sú v obrátenom pomere k vzdialenostiam prstov od ťaţiska metly. Na vzdialenejší prst teda pôsobí menšia kolmá tlaková sila a menšia je aj trecia sila, pôsobiaca proti pohybu prstu. Z toho vyplýva, ţe pohybovať sa bude vţdy prst, ktorý je od ťaţiska metly vo väčšej vzdialenosti. 3.10 NÁJDITE ROVNOVÁHU Tenký plech upevnený tak, aby jeho os otáčania bola v ťaţisku, predstavuje dvojzvratnú páku. Páka je v rovnováhe, ak výsledné momenty síl na ľavej a pravej strane páky sú rovnako veľké. Túto podmienku môţu spĺňať rôzne polohy magnetov na páke. Ak sú pouţité magnety rovnaké, potom rovnováha nastane, ak súčet vzdialeností dvoch magnetov na jednej strane páky od osi otáčania je rovný súčtu vzdialeností magnetov na druhej strane od osi otáčania. Tento poznatok vychádza z momentovej vety. 3.11 ŠESŤ KLINCOV NA ŠPAJDLI Úloha sa dá splniť tak, ak klince budú drţať pohromade a takáto sústava bude podopretá nad ťaţiskom. Uloţenie klincov pred ich poloţením na hlavičku klinca vidíte na ľavom obrázku.
3.12 SILOVÝ NÁRAZ LOPTIČIEK Pri experimente s drevenými hranolmi nastane situácia, ţe hranol, na ktorý narazí pruţná gumená lopta, spadne a hranol, na ktorý narazí nepruţná lopta naplnená pieskom, ostane stáť v rovnakej polohe. Moment sily pruţnej lopty pri náraze je teda väčší ako moment nepruţnej lopty. Keďţe obidve lopty narazia na hranoly v rovnakej výške od podloţky, pruţná lopta pri náraze pôsobí väčšou silou. Podľa 2. Newtonovho pohybového zákona je veľkosť sily daná pomerom zmeny hybnosti telesa a času, za ktorý zmena hybnosti nastala. Ak sa pri náraze pruţná lopta odrazí do opačného smeru, potom jej zmena hybnosti je daná súčtom hybností pred nárazom a po náraze. Nepruţná lopta sa pri náraze zastaví a jej zmena hybnosti je daná veľkosťou hybnosti pred nárazom. 3.13 NAFÚKAJTE VRECKO SUŠIČOM NA VLASY Vzduch vo vrecku sa zohriatím rozpína a má menšiu hustotu ako okolitý vzduch a preto sa vrecko vznesie nahor. Sila, ktorou je vrecko nadnášané, závisí od rozdielu teplôt vzduchu vo vrecku a v jeho okolí. Ak je v okolí studený vzduch, vrecko sa bude nadnášať lepšie. Pre vrecko s objemom pribliţne 50 l a s hmotnosťou 8 gramov je potrebný rozdiel teplôt asi 40 oC.
10
3.14 KARTEZIÁNČEK Stlačením fľašky je moţné dosiahnuť pohyb skúmavky smerom ku dnu a povolením tlaku opätovné vyplávanie skúmavky na hladinu. Veľkosť vztlakovej sily pôsobiacej na teleso ponorené do kvapaliny závisí od objemu ponorenej časti telesa. Karteziánček – to je skúmavka a v nej vzduchové teleso. Stlačením fľašky sa zväčší tlak vo vode a zmenší sa objem vzduchovej časti v skúmavke. Zmenšením objemu sa zmenší aj vztlaková sila pôsobiaca na karteziánček a tiaţová sila naň pôsobiaca bude väčšia ako vztlaková, karteziánček začne klesať ku dnu fľašky. Povolením tlaku na fľašku sa zmenší tlak vo vode, objem vzduchovej časti v skúmavke sa zväčší a zväčší sa aj vztlaková sila. Teleso bude stúpať smerom k hladine. Zmena tlaku v kvapaline je spôsobená vonkajšou silou. 3.15 KARTEZIÁNČEK NA DIAĽKOVÉ OVLÁDANIE Zdvihnutím zásobníka s vodou je moţné dosiahnuť pohyb skúmavky smerom ku dnu a poklesom zásobníka opätovné vyplávanie skúmavky na hladinu. Veľkosť vztlakovej sily pôsobiacej na teleso ponorené do kvapaliny závisí od objemu ponorenej časti telesa. Karteziánček – to je skúmavka a v nej vzduchové teleso. Zdvihnutím zásobníka s vodou sa zväčší tlak vo vode a zmenší sa objem vzduchovej časti v skúmavke. Zmenšením objemu sa zmenší aj vztlaková sila pôsobiaca na karteziánček a tiaţová sila naň pôsobiaca bude väčšia ako vztlaková, karteziánček začne klesať ku dnu fľašky. Poklesom zásobníka sa zmenší tlak vo vode, objem vzduchovej časti v skúmavke sa zväčší a zväčší sa aj vztlaková sila. Teleso bude stúpať smerom k hladine. Zmena tlaku v kvapaline je spôsobená výškou stĺpca kvapaliny v hadičke ukončenej zásobníkom. 3.16 PRELIAČENÁ BLANA Pri nalievaní kvapaliny do rúrky pôsobí na blanu z balóna kvapalina tiaţovou silou, blana sa preliači smerom von z rúrky. Na blanu pôsobí kvapalina hydrostatickým tlakom, ktorého veľkosť závisí od výšky stĺpca kvapaliny. Čím je v rúrke viac kvapaliny, tým je hydrostatický tlak na dno väčší a blana sa viac preliači. Ak rúrku s vodou ponárame do nádoby s vodou, proti hydrostatickému tlaku kvapaliny v rúrke pôsobí hydrostatickým tlakom stĺpec kvapaliny v nádobe. Preliačená blana sa začne vyrovnávať. Ak je blana v nádobe v rovnakej hĺbke ako je výška kvapaliny v rúrke, hydrostatické tlaky sú rovnaké a blana je vyrovnaná. Ak je blana v nádobe vo väčšej hĺbke ako výška kvapaliny v rúrke, hydrostatický tlak kvapaliny v nádobe je väčší ako v rúrke, blana je preliačená smerom dovnútra rúrky. 3.17 DÔKAZ TLAKU V KVAPALINE Pri ponáraní lievika s balónom do kvapaliny sa rovnováha hladín zafarbenej kvapaliny v ramenách U trubici naruší. Čím je lievik s balónom hlbšie v kvapaline, tým je rozdiel medzi výškami kvapaliny v ramenách U-trubice väčší. Tento poznatok dokazuje závislosť hydrostatického tlaku od hĺbky v kvapaline. 3.18 ODHADNITE TLAK VZDUCHU V BALÓNE I. Pred nafúkaním balónu je v ňom vzduch s tlakom rovným atmosférickému tlaku pa. Nafúkaním sa tlak zväčší o hodnotu p. Tento pretlak je kompenzovaný hydrostatickým tlakom daným rozdielu hladín vody v hadičke h, p = gh. Pre nameranú hodnotu h = 16 cm, = 1000 kg.m-3, g = 9,81 m.s-2 vychádza hodnota pretlaku vzduchu v balóne oproti atmosférickému tlaku p = 1569,6 Pa.
11
Ak nafúkame balón na väčšie rozmery, pretlak vzduchu voči atmosférickému tlaku bude väčší. Keďţe hydrostatický tlak závisí od výšky stĺpca kvapaliny, nebude výsledok merania závisieť od hrúbky pouţitej hadičky. 3.19 ODHADNITE TLAK VZDUCHU V BALÓNE II. Pred nafúkaním balónu je v ňom vzduch s tlakom rovným atmosférickému tlaku pa. Nafúkaním sa tlak zväčší o hodnotu p. Tento pretlak je kompenzovaný hydrostatickým tlakom daným rozdielom hladín vody v nádobe a trubičke h. p = gh Pre nameranú hodnotu h = 16 cm, = 1000 kg.m-3, g = 9,81 m.s-2 vychádza hodnota pretlaku vzduchu v balóne oproti atmosférickému tlaku p = 1569,6 Pa. Ak nafúkame balón na väčšie rozmery, pretlak vzduchu voči atmosférickému tlaku bude väčší. Keďţe hydrostatický tlak závisí od výšky stĺpca kvapaliny, nebude výsledok merania závisieť od hrúbky pouţitej trubičky. 3.20 DVA OTVORY VO VRCHNÁKU Pri vytekaní kvapaliny sa zniţuje tlak vzduchu, ktorý je v pohári nad kvapalinou. Aby kvapalina mohla vytekať, tento podtlak sa musí neustále vyrovnávať s vonkajším atmosférickým tlakom. Pri zvislej polohe pohára sú obidva otvory v rovnakej výške. Ak pohár nakloníme, otvorom, ktorý je v niţšej polohe, kvapalina vyteká a otvorom, ktorý je vyššie, do pohára prenikajú bublinky vzduchu. Tento efekt je spôsobený rozdielom tlakov v miestach otvorov vo vrchnáku. Nad otvorom v niţšej polohe je vyšší stĺpec kvapaliny, pôsobí tu väčší hydrostatický tlak ako v mieste s druhým otvorom vo vyššej polohe. 3.21 ČO DRŢÍ VODU V PREVRÁTENOM POHÁRI? Ak je prevrátený pohár s vodou plný (bez vzduchovej bubliny), na papier pôsobí z jednej strany tlaková sila spôsobená hydrostatickým tlakom stĺpca kvapaliny v pohári a z vonkajšej strany v opačnom smere tlaková sila spôsobená atmosférickým tlakom. Tlaková sila spôsobená atmosférickým tlakom je oveľa väčšia. Ak prevrátený pohár nie plný vody (okrem vody je v ňom vzduch), potom by tlaková sila pôsobiaca zvislo nadol mala byť väčšia a papier by vodu nemal udrţať. V skutočnosti pri otáčaní pohára prikrytého papierom vţdy pretečie okolo papiera niekoľko kvapiek a tlak vzduchu v pohári poklesne oproti atmosférickému tlaku. Niekoľko vytečených kvapiek stačí na to, aby tlak vzduchu v pohári poklesol natoľko, ţe jeho súčet s hydrostatickým tlakom kvapaliny je menší ako vonkajší atmosférický tlak a papier vodu v pohári udrţí. 3.22 ČO DRŢÍ VIEČKO NA ZAVÁRANINOVEJ FĽAŠE? Ak uzatvoríme balónom pohár s teplou vodou, balón sa po krátkom okamihu vyduje. Príčinou jeho vydutia je zväčšenie tlaku v uzavretom pohári kvôli zohriatiu vzduchu. Postupným ochladzovaním vzduchu sa jeho tlak zmenšuje a vydutie je menšie. Ak hodnota tlaku vzduchu v pohári dosiahne hodnotu vonkajšieho atmosférického tlaku, pruţná blana balóna sa vyrovná.
12
Ďalšie ochladenie a zmenšenie tlaku vzduchu v pohári pod hodnotu vonkajšieho atmosférického tlaku spôsobí preliačenie pruţnej blany dovnútra pohára. Z experimentu vyplýva, ţe viečko sa k zaváraninovej fľaške pritisne po sterilizácii jej obsahu a následnom ochladzovaní zaváraninovej fľašky. 3.23 VODA AKO LEPIDLO Priestor medzi sklami je vyplnený tenkou vrstvou vody a neobsahuje vzduch. Vonkajší atmosférický tlak pritláča obidve sklá k sebe. Pri rozmeroch skla 10 cm x 10 cm a vonkajšom atmosférickom tlaku pa=101325 Pa je veľkosť tlakovej sily, ktorá pritláča sklá k sebe
F pa S 101325 Pa . 0,1m . 0,1 m 1013,25 N Ak by sme chceli sklá od seba oddeliť zavesením závaţia na sklo, potrebovali by sme na to závaţie s hmotnosťou pribliţne 100 kg. 3.24 NABERTE VODU DO PREVRÁTENEJ FĽAŠKY Po prikrytí sviečky prázdnou fľaškou pozorujeme postupné slabnutie plameňa sviečky, aţ napokon plameň zhasne. Súčasne sa do fľašky načerpáva kvapalina z misky. Pri podrobnejšom pozorovaní si môţete všimnúť, ţe po prikrytí sviečky prejde von z fľašky cez kvapalinu, do ktorej je hrdlo fľašky ponorené, niekoľko bubliniek. Príčina je vo zvýšení tlaku vzduchu vo fľaške jeho zohriatím horúcim plameňom sviečky. Plameň sviečky zhasne, pretoţe na horenie potrebuje kyslík, ktorý sa pri horení plameňa vo fľaške spotrebuje. Po zhasnutí plameňa sa plynné teleso vo fľaške ochladzuje od stien fľašky a jeho tlak poklesne pod hodnotu atmosférického tlaku. Atmosférický tlak pôsobiaci na voľnú hladinu kvapaliny v miske tlačí kvapalinu do fľašky. Stúpanie kvapaliny prestane, ak sa tlak plynného telesa vo fľaške spoločne s hydrostatickým tlakom stĺpca kvapaliny vo fľaške vyrovná atmosférickému tlaku. 3.25 SFÚKNUTIE VZDIALENEJ SVIEČKY Sfúknuť sviečky ústami zo vzdialenosti cca 3m sa vám pravdepodobne nepodarí. Trubica má na jednej strane pruţnú blanu a na druhej je jej otvor zúţený. Úderom na pruţnú blanu vyvoláme v trubici prúdenie vzduchu. Podľa rovnice spojitosti pre prúdenie tekutín zúţenie prierezu vyvolá zväčšenie rýchlosti prúdiacej tekutiny. Preto z trubice fúka vzduch pomerne veľkou rýchlosťou a sviečky môţeme sfúknuť aj na väčšiu vzdialenosť. Jediný problém je trafiť prúdiaci vzduch z väčšej vzdialenosti na plameň sviečky. 3.26 SFÚKNUTIE SVIEČKY ZA PREKÁŢKOU Sfúknutie sviečky za prekáţkou sa zdá nemoţné, ale pri tomto experimente sa vám to určite podarí. Prúdiaci vzduch obteká fľašku a v oblasti za fľaškou je jeho prúdenie turbulentné a s väčšou rýchlosťou. Ak je v tomto priestore plameň sviečky, prúdiaci vzduch ho sfúkne. Pokúste sa tento experiment realizovať tak, ţe rozreţete plastovú fľašku na polovicu v pozdĺţnom smere a prekáţku, cez ktorú budete fúkať, bude tvoriť polvalec otočený k sviečke vypuklou a potom dutou stranou.
13
3.27 ZDVIHNITE POHÁR BEZ DOTYKU RUKY Ak uchopíme pohár medzi prsty a zdvíhame, pritlačením prstov o sklo zväčšujeme trenie medzi prstami a pohárom a preto sa pohár z prstov nezošmykne. Balón nafúknutý v pohári je pritláčaný ku sklu pomerne veľkým tlakom, trecia sila medzi nafúknutým balónom a pohárom je veľká a balón sa dá iba veľmi ťaţko z pohára vytiahnuť.
3.28 ODFÚKNITE FĽAŠKY OD SEBA Nech sa akokoľvek budete snaţiť, fľašky sa vám nepodarí od seba odfúknuť. Tvar fľašiek zabezpečuje, ţe pri fúkaní medzi ne sa zuţuje priestor, v ktorom vzduch prúdi, a tým medzi fľaškami prúdi vzduch väčšou rýchlosťou. Väčšia rýchlosť prúdenia vzduchu spôsobuje zmenšenie tlaku v tejto časti priestoru a tým pritiahnutie fľašiek k sebe. 3.29 KOĽKO NÁDYCHOV SA ZMESTÍ DO VRECKA Ak budete vrecko nafukovať tak, ţe zúţený otvor vrecka uchopíte medzi prsty, a budete vrecko nafukovať, podarí sa vám to na pribliţne 10 aţ 12 nádychov, podľa veľkosti vrecka. Ak necháte otvor vrecka otvorený (pozri obrázok) potom sa vám podarí vrecko nafúknuť jediným nádychom a po rýchlom uzatvorení bude vrecko nafúknuté. Pri takomto fúkaní vrecka je do vrecka „vťahovaný“ aj okolitý vzduch a vrecko sa naplní vzduchom rýchlejšie. 3.30 PRELEJTE VODU Z FĽAŠE DO FĽAŠE Pri prelievaní zvyčajne stlačíme hornú fľašku s vodou, tým sa časť vody pretlačí do dolnej fľašky a následne sa v hornej časti fľašky vytvorí podtlak. Niekoľko bubliniek, ktoré prejdú z dolnej fľašky do hornej tento tlak vyrovná. Pri prelievaní teda prechádza voda z hornej fľašky do dolnej a vzduch z dolnej fľašky do hornej. Plynulé prechádzanie vody a vzduchu medzi fľaškami zabezpečíme tak, ţe spojené fľašky v hornej časti prudko roztočíme tak, aby voda v hornej časti začala rotovať – vytvorila vo fľaške vodný vír, „tornádo“. V strednej časti tornáda je vzduchový otvor medzi hornou a dolnou fľaškou, ktorým prúdi vzduch z dolnej fľašky do hornej. Po okrajoch fľašiek prúdi voda z hornej fľašky do dolnej.
14
3.31 TAJOMSTVO TOPSPINU Pri vodorovnom vrhu s hornou rotáciou je trajektória pohybu prudko zatočená smerom nadol, teleso dopadne pomerne blízko od miestu vrhu. Pri vodorovnom vrhu s hornou rotáciou teleso najprv stúpa smerom nahor a dopadne pomerne ďaleko od miesta vrhu. Trajektóriu rotujúceho telesa ovplyvňuje zmena tlaku v oblasti nad a pod telesom, spôsobená rozdielnou rýchlosťou pohybu telesa voči vzduchu v týchto oblastiach.
v1
v v2
F
vnad telesom v v1
v1
F
v
v pod telesom v v2 vnad telesom v pod telesom
v2
vnad telesom v v1
v pod telesom v v2 vnad telesom v pod telesom
Pri pohybe telesa s hornou rotáciou je rýchlosť telesa voči vzduchu je pod telesom väčšia ako nad telesom - pod telesom nastáva pokles tlaku. Loptička je ťahaná do oblasti niţšieho tlaku. Pri pohybe telesa s dolnou rotáciou je rýchlosť telesa voči vzduchu nad telesom väčšia ako pod telesom - nad telesom nastáva pokles tlaku. Loptička je ťahaná do oblasti niţšieho tlaku. 3.32 ČO HORÍ NA SVIEČKE Na otázku „Čo horí na sviečke?“ väčšina ľudí odpovie – knôt. Pri experimente ste zistili, ţe po sfúknutí plameňa na sviečke a následnom priblíţení horiacej zápalky k sviečke plameň sviečky sa zapáli, aj keď sa plameň horiacej zápalky „nedotkne“ knôtu sviečky. Teda knôt nie je to, čo na sviečke horí. Pri zapálení knôtu sviečky sa horúcim plameňom roztápa vosk, z ktorého je sviečka zhotovená. Okolo plameňa je roztavený horúci kvapalný vosk. Zohriata kvapalina sa intenzívne vyparuje. Ak sa po sfúknutí plameňa sviečky a priblíţení plameňa zápalky rozhorí plameň sviečky bez dotyku knôtu, jediné, čo sa môţe zapáliť, je vyparený vosk. Plameň sviečky je spôsobený horením vypareného vosku, z ktorého je sviečka zhotovená. Knôt urýchľuje vyparovanie. 3.33 PROBLÉM VRIACEJ VODY Na otázku „Pri akej teplote sa varí voda?“ by ste asi odpovedali „Pri teplote 100 oC“. Vaša odpoveď by však nebola celkom správna. Var je najúčinnejšia forma vyparovania kvapaliny, kvapalina sa pri teplote varu vyparuje v celom svojom objeme. Bublinky, ktoré vo vriacej kvapaline pozorujeme, to sú pary kvapaliny. Pri experimente pozorujeme vo vode v striekačke pri zníţení tlaku bublinkovanie v kvapaline v celom jej objeme, teda var kvapaliny, napriek tomu, ţe teplota vody je menšia ako 100 oC. Teplota varu kvapaliny potom závisí od tlaku nad kvapalinou. Pri zníţenom tlaku teplota varu kvapaliny klesá a naopak, pri zvýšenom tlaku teplota varu kvapaliny stúpa. V tlakovom hrnci sa napríklad mäso uvarí skôr, pretoţe pri vyššom tlaku sa voda varí pri vyššej teplote. Ak si horolezci vo vyšších nadmorských výškach (pri niţšom atmosférickom tlaku) uvaria čaj, voda pri vare má teplotu menšiu ako 100 oC. Čaj zaliaty vriacou vodou nie je aţ taký horúci.
15
3.34 PREČO MYDLOVÉ BUBLINY PRASKAJÚ Blana mydlových bublín je veľmi tenká a neustále sa stenčuje jednak: - v jej hornej časti stekaním kvapaliny vplyvom tiaţového poľa Zeme, v spodnej časti bubliny sa vytvorí kvapka, - odparovaním kvapaliny z celého povrchu bubliny. Ak do plastovej fľašky nalejeme trochu teplej vody, po krátkej chvíľke sa v nej vytvoria nasýtené pary. Ak bublinu vyfúkneme v prostredí nasýteným pár, vyparovanie kvapaliny z jej povrchu minimalizujeme. Experimentom zistíme, ţe v takomto prostredí bublina nepraskne a existuje oveľa dlhšie. Vplyv tiaţe (kvapka na spodnej časti bubliny) je nezmenený. Z výsledku experimentu vyplýva, ţe doba ţivota bubliny je ovplyvnená vyparovaním kvapaliny z jej povrchu. Bublina vyfúknutá vo fľaške nespľasne preto, lebo po dotiahnutí vrchnáka a uvoľnení otvoru trubičky sa objem bubliny nepatrne zmenší a vo fľaške sa vytvorí podtlak. 3.35 ZODVIHNITE NÁDOBU ŠPAJDĽOU Postup pri zdvíhaní je nasledovný: na mokrú špajdľu poloţíme nádobu, ktorej dno je zvonka namočené. Do nádoby nasypeme rozdrvený ľad a posypeme ho soľou. Počkáme dve tri minúty a opatrne zdvíhame špajdľu a spolu s ňou aj nádobu. Pri podrobnejšom pohľade zistíme, ţe špajdľa ku dnu pohára primrzla.
Soľ reaguje s ľadom a spôsobuje ochladenie zmesi. Zmes odoberá teplo okoliu a spôsobí primrznutie mokrej špajdle ku dnu nádoby. Potom primrznutú nádobu ku špajdli ľahko špajdľou zodvihneme. 3.36 O JEDNOM TAKTE SPAĽOVACIEHO MOTORA Horením zmesi pár benzínu a vzduchu sa zvýši tlak plynu v uzavretom priestore natoľko, ţe škatuľka je s hlasným výbuchom vystrelená do vzdialenosti niekoľkých metrov. Experiment je moţné následne zopakovať aj bez pridania kvapky benzínu. Pary, ktoré ostanú v škatuľke, postačujú na ďalší výbuch. 3.37 PLÁVANIE V STUDENEJ A TEPLEJ VODE Ak škatuľka pláva v studenej vode tak, ţe iba jej veľmi malá časť je nad hladinou vody, znamená to, ţe vztlaková sila, ktorá na škatuľku pôsobí, je iba o málo väčšia ako tiaţová sila. Ak škatuľku dáme do teplej vody, ktorej hustota je menšia ako hustota studenej, škatuľka klesne ku dnu. Veľkosť vztlakovej sily závisí priamo úmerne od hustoty kvapaliny. Zmenšením hustoty kvapaliny sa zmenší aj vztlaková sila pôsobiaca na škatuľku. Iste s prekvapením zistíte, ţe škatuľka po krátkom čase v teplej vode vypláva na jej povrch. Zohriatím vzduchu v škatuľke sa zväčší jeho tlak a keďţe je z pruţného materiálu, jej objem sa nepatrne zväčší. Vztlaková sila závisí priamo úmerne aj od objemu ponorenej časti telesa a jeho zväčšením sa zväčší vztlaková sila pôsobiaca na škatuľku, preto vypláva na povrch kvapaliny aj v teplej vode. 16
3.38 DVA ZELEKTRIZOVANÉ BALÓNY Ak balón pošúchame koţušinou, obe telesá (balón aj koţušina, ktorú drţíme v ruke) zelektrizujeme opačným nábojom. Balón v tomto prípade získa záporný elektrický náboj a koţušina s rukou kladný.
Ak obidva balóny zelektrizujeme môţeme pozorovať ich elektrostatické odpudzovanie – balóny sú od seba odtiahnuté. O kladnom náboji ruky sa presvedčíme tak, ţe sa rukou priblíţime k balónom z vonkajšej strany – balóny sa intenzívne priťahujú k ruke. Ak ruku vloţíme medzi zelektrizované odtiahnuté balóny, balóny sa k sebe pritiahnu. 3.39 ZELEKTRIZOVANÝ BALÓN A OKOLIE Experimentmi sa presvedčíme, ţe zelektrizovaný balón sa pritiahne k stene, ľudskému telu, kovovým predmetom, dreveným predmetom, špagátu, plastovej doske atď. Ak do elektrického poľa zelektrizovaného balóna vloţíme vodič, dochádza elektrostatickej indukcii. Protiľahlé časti povrchu vodiča sa zelektrizujú nábojom s rovnakou veľkosťou, ale opačným znamienkom. Časť vodiča nachádzajúca sa bliţšie k záporne nabitému balónu bude nabitá kladne, preto sa balón a vodič k sebe pritiahnu. Ak do elektrického poľa zelektrizovaného balóna vloţíme izolant, atómy a molekuly v izolante sa stávajú elektrickými dipólmi. Utvorenie dipólov a ich pravidelné usporiadanie sa prejaví tak, ţe na povrchu izolantu sa objaví tenká vrstva s viazanými elektrickými nábojmi. Na strane záporne nabitého balóna je tenká vrstva kladného viazaného náboja, preto sa balón a izolant k sebe pritiahnu. 3.40 POHNITE BUBLINOU Bublinou na klzkom podklade pohnete nasledovne: trením najskôr zelektrizujete plastovú tyč a priblíţte sa ňou k bubline. Bublina sa k zelektrizovanému telesu pritiahne (pozri na deformáciu bubliny na obrázku) a na klzkom povrchu sa začne pohybovať. Roztok na bubliny obsahuje voľne pohyblivé ióny, je teda elektricky vodivý. Bublina sa správa ako vodič v elektrickom poli – pozri riešenie úlohy 3.39.
17
3.41 POHNITE BUBLINOU V BUBLINE Priblíţením zelektrizovaného telesa zistíme, ţe vonkajšia bublina svojou deformáciou a pohybom reaguje na elektrické pole, ale vnútorná bublina nie. Vonkajšia bublina sa správa ako Faradayova klietka. Experiment dokazuje elektrické tienenie, vo vnútri vonkajšej bubliny nie je elektrické pole. Bublinou vytvorenou v bubline elektrickým poľom nepohnete. 3.42 ROZTOČENIE PAPIEROVEJ VRTUĽKY Trením balóna alebo polystyrénu vlnenou utierkou sa balón elektrostaticky nabije. V jeho okolí je elektrostatické pole. Priblíţením takto nabitého telesa k papierovej vrtuľke (papier je izolant) dochádza k polarizácii atómov – medzi nabitým telesom a vrtuľkou začnú pôsobiť príťaţlivé elektrostatické sily. Po priblíţení nabitého balóna k vrtuľke sa vrtuľka začne otáčať.
3.43 POHNITE ZÁPALKOU POD SKLOM Zápalka sa nachádza pod pohárom a pohárom nemôţeme pohnúť. Priamym dotykom zápalku zhodiť nemôţeme. Ostáva iba silové pôsobenie na zápalku prostredníctvom fyzikálneho poľa. Trením koţušiny a balóna telesá elektricky nabijeme. Sklo je izolant, nepôsobí ako Faradayova klietka, preto pri priblíţení zelektrizovaného telesa je elektrické pole aj pod pohárom. Zápalka je izolant nachádzajúci sa v elektrickom poli. Atómy a molekuly v izolante sa stávajú elektrickými dipólmi. Utvorenie dipólov a ich pravidelné usporiadanie sa prejaví tak, ţe na povrchu izolantu sa objaví tenká vrstva s viazanými elektrickými nábojmi. Na strane záporne nabitého balónu je tenká vrstva kladného viazaného náboja, preto sa balón a zápalka k sebe pritiahnu. Zápalka je v rovnováţnej polohe vratkej, elektrostatické silové pôsobenie spôsobí jej spadnutie z mince. 3.44 ELEKTROSTATICKÝ ZVONČEK V okolí elektricky nabitého telesa – balóna, je elektrické pole. Ak sa v elektrostatickom poli nachádza vodič, čo sú plechovky, aj guľôčka v alobale, dochádza elektrostatickej indukcii. Presunom elektrónov vo vodičoch (v obidvoch plechovkách, aj v alobale guľôčky) sa ich protiľahlé strany sa nabijú indukovaným elektrickým nábojom rovnakej veľkosti, ale opačného znamienka. Medzi opačne nabitými stranami telies nastane príťaţlivé elektrostatické pôsobenie – guľôčka sa pritiahne k tej plechovke, ku ktorej je bliţšie. Dotykom guľôčky a plechovky dochádza medzi nimi k prenosu elektrického náboja. Elektróny zo záporne nabitej časti jedného telesa sa premiestnia na kladne nabitú časť druhého telesa. Následne súhlasný náboj oboch častí telies spôsobí ich elektrostatické odpudzovanie – guľôčka sa od plechovky oddiali a pritiahne k druhej plechovke, kde
18
záporná elektrický náboj odovzdá. Guľôčka prenáša elektrický náboj z jednej plechovky na druhú, plechovky sa nabíjajú a medzi nimi vzniká elektrostatické pole opačného smeru, ako je pole vytvorené nabitým telesom – balónom. Toto pole zoslabuje pole balóna a kmitanie guľôčky sa zastavuje. Po oddialení balóna guľôčku rozkmitá elektrické pole medzi nabitými plechovkami a prenos elektrického náboja nastáva v opačnom smere. 3.45 ZHROMAŢĎOVAČ NÁBOJA Po zapnutí elektrického obvodu ţiarovka svieti. Obvodom prechádza elektrický prúd, kondenzátor sa postupne nabíja. Čím viac je kondenzátor nabitý, tým menší elektrický prúd prechádza obvodom a ţiarovka postupne zhasína. V okamihu, keď je kondenzátor nabitý, elektrický prúd obvodom prestane prechádzať a ţiarovka zhasne. Ak je kondenzátor nabitý, v elektrickom obvode sú zaradené proti sebe dva elektrické zdroje. 3.46 VYBÍJANIE KONDENZÁTORA Nabitý kondenzátor predstavuje dočasný elektrický zdroj. Mnoţstvo elektrického náboja, ktoré môţe kondenzátor pri nabíjaní prijať, je dané jeho kapacitou. Po pripojení ţiarovky k nabitému kondenzátoru začne ţiarovka svietiť a postupne zhasína - kondenzátor sa vybíja. 3.47 AKO SA ZMENÍ KAPACITA Pri experimentoch zistíte nasledovné výsledky: ţiarovka svieti najdlhšie v prípade, keď je pripojená k dvoch nabitým kondenzátorom spojeným paralelne. Najkratší časť svietenia ţiarovky zistíte po jej pripojení k nabitým kondenzátorom spojeným sériovo. Stredný čas svietenia ţiarovky bude po jej pripojení k jednému nabitému kondenzátoru. Z výsledkov experimentu vyplýva, ţe najviac elektrického náboja pri nabíjaní prijmú kondenzátory spojené paralelne a najmenej spojené do série. Paralelným zapojením kondenzátorov sa kapacita sústavy zväčší, sériovým zmenší. Poznámka: pri sériovom zapojení musíte nabíjať kondenzátory uţ spojené. 3.48 MÔŢE BYŤ DOTYK NEBEZPEČNÝ Skratovanie nabitého kondenzátora vyzerá nebezpečne, dokonca pri výboji ktorý pri dotyku vodičov vznikne, nastane roztavenie kovu a vodiče sa zvaria dohromady. Napriek tomu sa koncov vodičov pripojených k nabitému kondenzátoru môţete bez obáv dotknúť. Kondenzátor je nabitý na napätie 20 V, čo je pre ľudský organizmus bezpečné napätie. Pri dotyku koncov vodičov nebudete cítiť nič. 3.49 ŢERAVÉ VLÁKNO ŢIAROVKY Celým obvodom preteká konštantný elektrický prúd a preto pozorovaná skutočnosť, ţe prívodné časti vodičov v ţiarovke nie sú ţeravé, je spôsobené tým, ţe majú menší elektrický odpor ako svietiace vlákno ţiarovky. Je prekvapivé, ţe špirála vlákna, ktorou preteká rovnaký prúd a celá je z rovnakého materiálu, je viac rozţeravená v strede ako na koncoch. Vysvetlenie je jednoduché, ak si uvedomíme, ţe hrubšie prívodné vodiče odoberajú ţeravému vláknu časť tepelnej energie a preto konce ţeravenej špirály sú vlastne chladené.
19
3.50 POSTAVTE ČO NAJVYŠŠÍ STĹPEC Z MATÍC Súťaţ v sebe skrýva fyzikálne „tajomstvo“. V jednej doske je vloţený pomerne silný magnet tak, ţe jeden jeho pól je tesne pod vrchnou časťou dosky. Ak k tejto časti dosky priloţíme maticu zmagnetizuje sa, pretoţe je z feromagnetického materiálu. Ďalšia k nej priloţená sa opäť zmagnetizuje a tak vlastne na seba skladáte matice - magnetky, ktoré sa navzájom priťahujú magnetickými silami. Preto sa vám podarí postaviť pomerne vysoký stĺp z matíc. 3.51 MAGNETICKÉ POLE BEZ MAGNETU V okolí vodiča s prúdom je magnetické pole. Prostredníctvom magnetických polí vodiča s prúdom a permanentného magnetu existuje vzájomné silové pôsobenie medzi magnetom a vodičom s prúdom. Keďţe vodič s prúdom je z tenkej hliníkovej fólie a jeho hmotnosť je malá, silové pôsobenie sa prejaví na jeho pohybe. Orientácia magnetického poľa vodiča s prúdom závisí od smeru prúdu, preto pri zmene smeru prúdu vo vodiči sa vodič pohne opačným smerom. Zmena smeru pohybu vodiča nastane aj pri otočení magnetu. 3.52 MAGNET A CIEVKA Po zapnutí elektrického obvodu permanentný magnet výrazne reaguje na prítomnosť cievky s prúdom. Znamená to, ţe v okolí cievky s prúdom je magnetické pole. Magnet sa k cievke buď pritiahne jedným pólom, alebo otočí na závese a pritiahne opačným pólom. Na jednej strane cievky je buď pól severný, alebo juţný, podľa smeru prúdu, ktorý cievkou prechádza. 3.53 MAGNETICKÉ PÔSOBENIE BEZ MAGNETOV V okolí vodiča s prúdom je magnetické pole. Prostredníctvom magnetických polí dvoch vodičov s prúdom je vzájomné silové pôsobenie medzi vodičmi. Keďţe vodiče s prúdom sú z tenkej hliníkovej fólie a ich jeho hmotnosť je malá, silové pôsobenie sa prejaví na ich pohybe. Pri paralelnom zapojení vodičov prechádzajú vodičmi prúdy rovnakého smeru, ich vzájomné magnetické silové pôsobenie je príťaţlivé. Pri sériovom zapojení vodičov prechádzajú vodičmi prúdy opačného smeru, ich vzájomné magnetické silové pôsobenie je odpudivé. 3.54 ČO POHNE VODIČOM S PRÚDOM? V okolí vodiča s prúdom je magnetické pole. Väčšinou si neuvedomíme, ţe v okolí vodiča sa nachádza magnetické pole Zeme. Pohyb vodiča s prúdom je prejavom vzájomného magnetického silového pôsobenia medzi jeho magnetickým poľom a magnetickým poľom Zeme. Pri zmene smeru prúdu vo vodiči sa vodič pohne do opačnej strany. 3.55 OTVORTE JADRO CIEVKY Ak cievkou neprechádza elektrický prúd, hornú časť jadra zodvihneme veľmi ľahko, potrebujeme prekonať iba tiaţovú silu hornej časti jadra. Po zapnutí elektrického obvodu zistíme, ţe jadro sa otvoriť nedá. Jadro je z feromagnetického materiálu a v magnetickom poli cievky s prúdom sa jadro silno zmagnetizuje.
20
3.56 ROZTOČENIE VODIVÉHO KOTÚČA Pohybom magnetu nad vodičom vzniká nestacionárne magnetické pole a vo vodiči sa indukuje elektrický prúd, ktorý má taký smer, ţe svojimi účinkami (svojho magnetického poľa) sa snaţí zabrániť zmene, ktorá ho vyvolala. Keďţe kotúč je voľný a pôsobí naň magnetická sila, dá sa do pohybu. Čím rýchlejšie sa kotúč otáča, tým je zmena magnetického poľa menšia a tým pôsobí na vodič menšia magnetická sila. 3.57 BRZDENIE BEZ TRENIA Kmitajúci kruhový hliníkový vodič sa v magnetickom poli prudko zastaví. Pri pohybe vodiča v magnetickom poli dochádza elektromagnetickej indukcii. Ak kruhový hliníkový vodič prechádza cez silné magnetické pole, indukujú sa v ňom Foucaultove vírivé prúdy, ktoré majú taký smer, ţe účinkami svojho magnetického poľa sa snaţia zabrániť zmene, ktoré ich vyvolala – teda pohybu vodiča (Lenzov zákon). 3.58 ELEKTRICKÝ DOTYK Po zapnutí elektrického obvodu necítime v rukách ţiadne zmeny. Obvod je pripojený na batériu s napätím 4,5 V, čo je pre ľudské telo bezpečné napätie. V okamihu rozopnutia elektrického obvodu cítime v rukách šklbnutie a nepríjemný pocit elektrického „kopnutia“. Pri zmene elektrického prúdu v obvode s cievkou nastáva vlastná indukcia. V cievke nastáva časová zmena jej vlastného magnetického poľa a indukuje sa v nej napätie. Pri zapnutí obvodu je indukované napätie opačnej polarity ako napätie zdroja. Pri vypnutí obvodu je indukované napätie rovnakej polarity ako napätie zdroja, ale časová zmena magnetického poľa je veľmi krátka a preto indukované napätie má niekoľkonásobne vyššiu hodnotu. 3.59 PODIVUHODNÁ VODNÁ HLADINA Pri pohybe prsta po obvode pohára cítime, ako sklo pohára vibruje. V skle vyvoláme kmitanie, ktoré sa rozšíri ako stojaté mechanické vlnenie v celom pohári. Tento kmitavý pohyb sa prenesie na vodnú hladinu a na vodnej hladine môţeme pozorovať stojaté mechanické vlnenie s charakteristickými kmitňami a uzlami. Kmitanie prenesené na stĺpec vzduchu v pohári vnímane ako charakteristický zvuk – zmeny tlaku vo vzduchu. Výška zvuku závisí od výšky vzduchového stĺpca, preto pri inom mnoţstve vody v pohári počujeme tón inej výšky. 3.60 BALÓN AKO ŠOŠOVKA Šošovka mení smer svetelných lúčov lomom, na rozhraní prostredí dochádza k lomu elektromagnetického vlnenia. Zvuk je mechanické vlnenie hmotného prostredia. Ak sa zvuková vlna dostane na rozhranie prostredí, v ktorých sa šíri rôzne veľkými rýchlosťami, tieţ nastáva lom vlnenia. Balón naplnený oxidom uhličitým predstavuje prostredie tvaru šošovky, v ktorom sa zvuková vlna šíri inou rýchlosťou ako vo vzduchu. Balón naplnený oxidom uhličitým sa vzhľadom k zvukovej vlne správa tak isto ako šošovka vzhľadom k svetlu. Ak balón naplnený oxidom uhličitým umiestnime medzi zdroj zvuku a ucho, určite nájdeme takú polohu balóna vzhľadom k uchu, v ktorej budeme počuť zvuk výrazne zosilnený. V tejto polohe je ucho vzdialené od balóna o ohniskovú vzdialenosť. 3.61 MUCHA NA OBJEKTÍVE Ak mucha nezakryje celú vstupnú šošovku fotoaparátu, účinkuje ako clona. Ak aparát vhodne upraví expozičný čas, záber bude v poriadku. Mucha sa na zábere nezobrazí.
21
3.62 OBRAZ PREDMETU V OKU Pri pohľade na oko môţeme na očnej guli pozorovať priamy, zmenšený a neskutočný obraz plameňa sviečky. Očná guľa je neustále zvlhčovaná slzami a vytvára vypuklé guľové zrkadlo. Pri pohľade na oko pozorujeme obraz s vlastnosťami obrazu predmetu na vypuklom guľovom zrkadle. V ţiadnom prípade to nie je obraz vytvorený na sietnici. 3.63 AKÉ VYSOKÉ MÁTE DOMA ZRKADLO Ak odmeriate výšku obkreslenej hlavy na zrkadle, ľahko sa presvedčíte, ţe v porovnaní s výškou skutočnej hlavy je jej obkreslený obraz na zrkadle polovičných rozmerov, čo vyplýva aj z podobnosti trojuholníkov na obrázku. predmet
zrkadlo
obraz
pozorovaný obraz v zrkadle
Z výsledku experimentu vyplýva, ţe ak sa chceme vidieť v zrkadle celí, musíme mať k dispozícií vhodne umiestnené zrkadlo polovičnej veľkosti, ako sme my sami. 3.64 ZVÄČŠENÁ BÁBIKA Ak je index lomu materiálu, z ktorého je šošovka, väčší ako index lomu okolitého prostredia, potom šošovky spojky sú v strede najširšie. V kruhovej nádobe je voda, ktorej index lomu je väčší ako index lomu vzduchu a voda v nádobe pri pohľade na nádobu zboku je v strede najširšia. Kruhová nádoba s vodou má vlastnosti ako spojná šošovka. Ak sa predmet zobrazovaný spojnou šošovkou nachádza medzi ohniskom a vrcholom šošovky, jeho obraz je priamy a zväčšený, čo je aj prípad zväčšenej bábiky. 3.65 POTÁPAČ S OKULIARMI Z výsledku experimentu vyplýva, ţe ohnisková vzdialenosť šošovky závisí od prostredia, v ktorom sa šošovka nachádza. Ohnisková vzdialenosť šošovky sa po jej vloţení do vody zväčšila. Ohnisková vzdialenosť šošovky závisí od indexu lomu prostredia, v ktorom je šošovka. Ak je okolité prostredie vzduch s indexom lomu pribliţne 1, potom voda s indexom lomu väčším ako 1 zväčší ohniskovú vzdialenosť šošovky. Pre potápanie by mal potápač pouţívať šošovky s menším polomerom krivosti, teda silnejšie dioptrie. 3.66 ZASVIEŤTE NEÓNKU BEZ ZDROJA NAPÄTIA Plazmová guľa je zdrojom silného vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa, ktoré v priestore dutiny gule vytvára tlecí výboj. Elektrický výboj je prechod elektrického prúdu plynom. Elektrické pole s vysokou intenzitou spôsobuje ionizáciu plynu medzi elektródami. Vzniknuté ióny sú v silnom elektrickom poli urýchľované a pri náraze do neutrálnych molekúl plynu vyvolávajú excitáciu elektrónov v obale atómov. Pre elektróny je excitovaný stav stavom nestabilným a pri prechode do základného stavu sa vyţiari svetelná energia vo forme fotónov. Tok emitovaných fotónov registrujeme ako svetelný záblesk.
22
3.67 ČO JE ZA AKVÁRIOM? Pri pohľade na akvárium plné vody cez prednú stenu vidíme predmet poloţený za akváriom. Ak sa však chceme pozrieť za akvárium cez bočnú stenu, zistíme, ţe zadná stena akvária sa javí ako rovinné zrkadlo a za akvárium nevidíme. Ak svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky redšieho, nastáva lom od kolmice. Pri dopade svetleného lúča pri tzv. medznom uhle, je uhol lomu 90o. Pre väčší uhol dopadu ako medzný uhol svetlo do druhého prostredia neprechádza, nastáva úplný odraz svetla. Pri pohľade na zadnú stenu akvária cez jeho bočnú stenu je uhol dopadu svetla väčší ako medzný uhol, nastáva úplný odraz svetla a za zadnú stenu akvária nevidíme. 3.68 KAM SMERUJÚ ŠÍPKY? Ak je index lomu materiálu, z ktorého je šošovka, väčší ako index lomu okolitého prostredia, potom šošovky spojky sú v strede najširšie. V kruhovej nádobe je voda, ktorej index lomu je väčší ako index lomu vzduchu a voda v nádobe pri pohľade na nádobu zboku je v strede najširšia. Kruhová nádoba s vodou má vlastnosti ako spojná šošovka. Ak sa predmet zobrazovaný spojnou šošovkou nachádza medzi ohniskom a stredom krivosti šošovky, jeho obraz je prevrátený a zväčšený, čo je aj prípad prevrátených a zväčšených šípok. 3.69 Z KTOREJ STRANY PRÍDE? Ak je index lomu materiálu z ktorého je šošovka väčší ako index lomu okolitého prostredia, potom šošovky spojky sú v strede najširšie. V kruhovej nádobe je voda, ktorej index lomu je väčší ako index lomu vzduchu a voda v nádobe pri pohľade na nádobu zboku je v strede najširšia. Kruhová nádoba s vodou má vlastnosti ako spojná šošovka. Ak sa predmet zobrazovaný spojnou šošovkou nachádza medzi ohniskom a stredom krivosti šošovky, jeho obraz je prevrátený a zväčšený, čo je aj prípad prichádzajúcej hračky – zväčšený a z opačnej strany. 3.70 52 ČI 25 Ak je index lomu materiálu, z ktorého je šošovka, väčší ako index lomu okolitého prostredia, potom šošovky spojky sú v strede najširšie. V kruhovej nádobe je voda, ktorej index lomu je väčší ako index lomu vzduchu a voda v nádobe pri pohľade na nádobu zboku je v strede najširšia. Kruhová nádoba s vodou má vlastnosti ako spojná šošovka. Ak sa predmet zobrazovaný spojnou šošovkou nachádza medzi ohniskom a stredom krivosti šošovky, jeho obraz je prevrátený a zväčšený, čo je aj prípad čísla 25. Čísla 2 a 5 sú stranovo aj výškovo prevrátené, preto cez vodu vidíme napísané 52. 3.71 PREVRÁŤME FAREBNÉ ŠÍPKY Ak je index lomu materiálu, z ktorého je šošovka, väčší ako index lomu okolitého prostredia, potom šošovky spojky sú v strede najširšie. V kruhovej nádobe je voda, ktorej index lomu je väčší ako index lomu vzduchu a voda v nádobe pri pohľade na nádobu zboku je v strede najširšia. Kruhová nádoba s vodou má vlastnosti ako spojná šošovka. Ak sa predmet zobrazovaný spojnou šošovkou nachádza medzi ohniskom a stredom krivosti šošovky, jeho obraz je prevrátený a zväčšený.
23
3.72 VEZMITE SI PRASIATKO Prasiatko sa vám určite nepodarilo vziať medzi prsty, pretoţe to, čo vidíte je holografický obraz. Obraz je vytvorený odrazom svetla na dvoch guľových zrkadlách. Chod lúčov je zobrazený na obrázku. Vytvorený obraz je skutočný a prevrátený. 3.73 HRAČKY - DELFÍN Ak uchopíme spodnú časť delfína do ruky, teplom ľudského tela zohrejeme sklo a od neho sa zohreje vzduch v dolnej časti delfína. Zohriatím vzduchu sa zväčší jeho tlak aj na hladinu kvapaliny a kvapalina začne stúpať smerom nahor. 3.74 HRAČKY - HRACIA SKRINKA Ak hraciu skrinku poloţíme napríklad na drevený predmet, tento slúţi ako rezonančná skrinka. Nastane rezonančné zosilnenie zvuku, tóny z hracej skrinky počujeme oveľa zreteľnejšie. 3.75 HRAČKY - MLYNČEK Teleso mlynčeka je naplnené dvomi farebne odlíšenými nemiešajúcimi sa kvapalinami. Kvapaliny sa líšia hustotou – hustota červenej kvapaliny je o málo väčšia ako hustota bezfarebnej kvapaliny. Mlynček „pracuje“ v dvoch rozličných polohách. V prvej polohe prechádzajú otvorom v strede mlynčeka kvapky červenej kvapaliny, dopadajú na lopatky otočného telesa a roztáčajú ho. Potenciálna energia kvapiek sa mení na kinetickú energiu rotujúceho telesa. Zároveň sa červená kvapalina v spodnej časti mlynčeka zhromaţďuje v guľôčkach – v stave kvapaliny s minimálnou energiou povrchovej vrstvy. V druhej polohe (po prevrátení mlynčeka vo zvislej polohe o 180o) sa kvapôčky pretekajúcej červenej kvapaliny pohybujú po naklonených rovinách takmer rovnomerným pohybom. 3.76 HRAČKY - GALILEIHO TEPLOMER Teleso v kvapaline pláva na jej hladine, ak vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené do kvapaliny je väčšia ako tiaţová sila. Veľkosť vztlakovej sily závisí od hustoty kvapaliny a hustota kvapaliny od jej teploty. Preto pri zmene teploty kvapaliny sa teleso v kvapaline môţe správať rozlične. Zohriatím kvapalina zväčšuje svoj objem a zmenšuje sa jej hustota. Ak sa v kvapaline nachádza teleso, potom zohriatím kvapaliny sa zmenšuje vztlaková sila pôsobiaca na teleso. Na tomto princípe pracuje Galileiho teplomer. S rastúcou teplotou klesá hustota kvapaliny a telesá v kvapaline, ktorým je priradená určitá teplota, postupne klesajú ku dnu nádoby. 3.77 HRAČKY - FÚKAČ A GULIČKA Odklonenie guľôčky pri fúkaní môţe byť aţ také veľké, ţe zvislá priamka prechádzajúca ťaţiskom guľôčky vôbec neprechádza cez fúkač. Guľôčka nachádzajúca sa v prúdiacej tekutine je tekutinou obtekaná. Zmenou rýchlosti prúdiacej tekutiny v okolí guľôčky nastáva v tekutine pokles tlaku. Táto tlaková zmena udrţiava guľôčku v prúdiacej tekutine.
24
4 ZÁVER Fyzikálne experimentovanie je vţdy spojené so zvýšenou námahou učiteľa fyziky. Na hodinách fyziky by sa vţdy malo niečo diať, hodiny fyziky by sa mali vyznačovať dynamikou, byť zaujímavé a príťaţlivé. Fyzikálnymi experimentmi môţeme stimulovať a motivovať záujem ţiakov, môţeme ich pritiahnuť aj k neskoršiemu hlbšiemu štúdiu fyziky. Okrem strohého podania látky aj s podporou experimentov, by si mala na hodine nájsť miesto aj fyzikálne ladená, podfarbená zaujímavosť, o ktoré sme sa pri podávaní experimentov v tejto publikácii pokúsili. Pokúsme sa pomocou experimentov pestovať u ţiakov lepší vzťah k fyzike. Vzbudzovať potrebu porozumenia javov, ktoré nás obklopujú, túţbu po poznávaní a rozvíjať ich fyzikálne myslenie. Buďme optimisti a vedzme, ţe v budúcnosti, keď sa fyzika „poľudští“, bude na maturite a prijímacích skúškach zaradené preverovanie schopnosti myslieť nad schopnosťou natrénovať určité matematické úkony.
25
