Učební text pro Fyzikální praktikum
Mgr. Lukáš Zámečník, PhD.
Brno 2012
Seznam pracovních listů
LÁTKA A TĚLESO ............................................................................................................................... 4 MĚŘENÍ DÉLKY .................................................................................................................................... 6 MĚŘENÍ OBJEMU ............................................................................................................................... 8 MĚŘENÍ HMOTNOSTI A HUSTOTY .......................................................................................... 12 MĚŘENÍ ČASU A SÍLY .................................................................................................................... 16 MĚŘENÍ TEPLOTY ........................................................................................................................... 20 GRAVITAČNÍ SÍLA ......................................................................................................................... 24 MAGNETICKÁ SÍLA ........................................................................................................................ 26 TLAK..................................................................................................................................................... 30 MECHANICKÁ PRÁCE ...................................................................................................................... 34 MECHANICKÝ VÝKON .................................................................................................................... 36 POHYBOVÁ A POLOHOVÁ ENERGIE.......................................................................................... 38 VNITŘNÍ ENERGIE ......................................................................................................................... 42 MĚŘENÍ TEPLA ................................................................................................................................. 46 ŠÍŘENÍ TEPLA .................................................................................................................................. 48 ZMĚNY SKUPENSTVÍ ..................................................................................................................... 50 ATOMY A IONTY ............................................................................................................................. 52 ELEKTRICKÝ PROUD........................................................................................................................ 54 ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ A ELEKTRICKÝ ODPOR ......................................................................... 58 SPOJOVÁNÍ REZISTORŮ A ELEKTRICKÁ ENERGIE ........................................................... 62
2
3
Pracovní list 1.
LÁTKA A TĚLESO I. UČIVO: Co je to fyzika? Fyzika je věda, která se zabývá přírodou. Hledá zákony, které vysvětlují přírodní jevy a události. Při zkoumání přírody provádějí fyzikové: pozorování, pokusy a měření. Jak se liší těleso a látka? Příroda se skládá z mnoha věcí – stolů, lidí, mraků, hvězd atd. – všechny tyto věci ve fyzice nazýváme tělesa. Tělesa jsou z různých látek (dřevo, voda, železo ad.) Některá tělesa jsou pouze z jedné látky (židle, voda v láhvi, sešit ad.) Jiná jsou z více látek (člověk, raketa, aktovka ad.) Pozor: Jakmile látka získá určitý tvar, stává se z ní těleso. (voda v sáčku, socha z žuly, plyn v láhvi) Kromě tvaru mají tělesa ještě další vlastnosti – povrch a barvu. Jaká jsou skupenství látek? Látky jsou ve skupenství pevném, kapalném (kapaliny) a plynném (plyny). Tato skupenství se můžou navzájem měnit (tání, var, vypařování ad.) II. POKUS: Var vody ve stříkačce. Pomůcky: stříkačka, horká voda Natáhni do stříkačky asi třetinu objemu horké vody. Nastav stříkačku do svislé polohy (špičkou vzhůru), zacpi špičku a posuň píst dolů. Pokud píst posuneš dostatečně, uvidíš ve vodě vznikat bublinky. Co se to děje? III. ÚKOLY: 1. Uveď příklady jevů a událostí, které fyzika vysvětluje:
4
2. Uveď příklady: a) pozorování b) pokus c) měření 3. Vyber z následujících jmen ta, která patří slavným fyzikům a šipkou je spoj s jejich velkým fyzikálním objevem. Alexandr Veliký Galileo Galilei William Blake Izák Newton James Watt Albert Einstein Tom Cruise
teorie relativity volný pád parní stroj gravitace
4. Napiš alespoň dvě tělesa, která jsou současně z látek pevných a plynů. Umíš vyjmenovat, o jaké látky jde?
5. Do tabulky rozděl následující látky podle skupenství (při běžné pokojové teplotě): papír, mléko, voda, vzduch, sklo, kyslík, ocel, zemní plyn, kečup, tvaroh, benzín, oxid uhličitý Pevné látky
Kapaliny
Plyny
6. Najdi v časopise nebo na internetu obrázek slavné fyzičky Marie Curie Sklodowské. Tento obrázek vytiskni, vystřihni a nalep na zbývající prázdné místo.
5
Pracovní list 2.
MĚŘENÍ DÉLKY I. UČIVO: 1. Čím a jak se měří délka? Používáme různá měřidla: pravítko, skládací metr, svinovací metr, krejčovský metr, posuvné měřidlo, mikrometr ad. Postup měření: Na měřidlo se díváme kolmo. Počátek měřidla musí být nastaven co nejpřesněji. Papír, látka nebo drát musí být při měření rovné. Měřidlo musí být také rovné. 2. Jak zapisujeme délky? Délku ve fyzice označujeme písmenem
l
.
Př.: Usain Bolt uběhl 100 metrů v novém rekordu. Zapíšeme: l = 100 m. 3. Jaké jsou jednotky délky? Základní jednotka: metr (m) Další jednotky: kilometr (km); decimetr (dm); centimetr (cm); milimetr (mm) Převádění jednotek: 1 km = 1000 m; 1 m = 10 dm; 1 dm = 10 cm; 1 cm = 10 mm
II. POKUS: Měření délky různých těles. 1. Změř průměr míčku. Pomůcky: míček, dvě kostky, pravítko l= 2. Změř průměr drátu. Pomůcky: drát, tužka, pravítko l= 3. Změř tloušťku listu v učebnici. Pomůcky: učebnice, posuvné měřidlo l= 4. Změř obvod plechovky. Pomůcky: plechovka, proužek papíru, špendlík l=
6
III. ÚKOLY: 1. Převeďte správně jednotky: 20 cm = dm 666 m = dm 0,25 dm = mm 235 mm = m 0,05 m = cm
15 mm = 7 km = 27,9 km = 16,75 m = 1 mm =
cm m m mm km
2. Změř pravítkem jednotlivé strany trojúhelníku a zapiš správně jejich velikosti (v milimetrech): C
A
B
3. Změň zápis tak, aby nebyl k smíchu: Vzdálenost z Prahy do Ondřejova je 35 600 000 mm. Tatínek koupil 3 000 mm látky. Dům je vysoký 780 cm. Stonožka je dlouhá 0,01 m. Lenka skočila do dálky 0,003 km. Vlas má průměr 0,000 1 m 4. Zjisti: a) Jak dlouhá je britská míle, yard, stopa b) Jak dlouhé byly ve středověku jednotky loket, sáh, palec
5. Zjisti, jak velká je vzdálenost od Slunce k Zemi. Najdi také, jak se tato vzdálenost nazývá. 6. Zjisti, co je to světelný rok.
7
Pracovní list 3.
MĚŘENÍ OBJEMU I. UČIVO: 1. Čím a jak se měří objem? Používáme různé odměrné nádoby. Nejčastější je odměrný válec. Postup měření: Zjistíme, jaké jednotky jsou použity. Určíme, jaký objem odpovídá jednomu dílku stupnice. Na stupnici se díváme kolmo. Při kraji válce je hladina trochu zvednutá, proto zjišťujeme, kam sahá hladina uprostřed válce.. 2. Jak zapisujeme objem? Objem ve fyzice označujeme písmenem
V
.
Př.: Bazén má objem 200 metrů krychlových. Zapíšeme:
V = 200 m3.
3. Jak vypočítáme objem krychle a kvádru?
a c a a Objem krychle:
V = a . a . a
b Objem kvádru:
a
V = a . b . c
8
II. POKUS: Měření objemu různých těles. 1. Změř objem kovové krychličky. Pomůcky: krychlička, posuvné měřidlo V= 2. Změř objem dřevěného kvádru. Pomůcky: kvádr, pravítko V= 3. Změř objem vody v lahvi. Pomůcky: láhev s vodou, odměrný válec V= 4. Změř objem kamínku. Pomůcky: kamínek, odměrný válec, láhev s vodou V= 5. Změř objem pomleté kávy. Pomůcky: káva, odměrný válec V=
III. ÚKOLY: 1. Převeďte správně jednotky: 10 dm3 = 600 m3 = 0,25 cm3 = 0,002 km3 = 0,05 m3 =
cm3 cm3 mm3 m3 cm3
150 mm3 = 250 000 m3 = 27,9 cm3 = 0,01 dm3 = 1 mm3 =
cm3 km3 dm3 cm3 m3
0,08 dl = 600 dm = 6 cl = 2,5 l =
ml hl mm hl
2. Převeď správně jednotky: 100 ml = 2 hl = 3 dm = 0,3 m =
cm l ml l
3. Vypočítej objem: I. krychle o hraně délky a = 15 cm V=
II. kvádru o hranách délky a = 14 cm, b = 2 dm, c = 0,7 m V= 9
4. Problémy: a) Jaký je objem vody v každém z těchto odměrných válců? Jaký je celkový objem vody v nich? S jakou přesností byste na nich mohli odečítat objem?
b) Pan Vodička má ve studni u svého domu málo vody. Udělal si proto nádrž na dešťovou vodu, kterou používá na praní a na splachování. Chtěl vědět, kolik dešťové vody mu do ní za rok nateče, a přečetl si proto, že v jeho kraji spadne za rok 600 mm vodních srážek. To znamená, že kdyby se voda z deště a sněhu nevsakovala a nevypařovala, sahala by po roce na každém rovném místě do výšky 600 mm. Pan Vodička má dům s plochou střechou o rozměrech 7 m x 11 m. Kolik vody mu z ní za rok nateče do nádrže?
c) Jaký objem má jedna kapka vody?
d) Z kohoutku kape voda – každou sekundu jedna kapka. Kolik vody takto vyteče za rok?
10
11
Pracovní list 4.
MĚŘENÍ HMOTNOSTI A HUSTOTY I. UČIVO: 1. Čím se měří hmotnost? Používáme různé váhy (rovnoramenné, digitální ad.) 2. Jak zapisujeme hmotnost? Hmotnost ve fyzice označujeme písmenem m . Př.: Pašík má hmotnost 200 kilogramů. Zapíšeme:
m = 200 kg
3. Jak převádíme jednotky hmotnosti? Jaké známe jednotky hmotnosti: tuna (t), metrický cent (q), kilogram (kg), dekagram (dag), decigram (dg), centigram (cg), miligram (mg) 1 t
1 kg 1000
1 dag 100
1 g 10
1 dg 10
1 cg 10
1 mg 10
4. Co je to hustota? DůLEŢITÉ! Hustota nám říká, jak velká hmotnost odpovídá danému objemu tělesa. (Hustota udává, jaká je hmotnost 1 cm3 látky.) 5. Jak zapisujeme hustotu? Hustota se ve fyzice označuje řeckým písmenem ρ (ró). Př.: Voda má hustotu 1 gram na centimetr krychlový. Zapíšeme: ρ = 1 g/cm3 6. Jak vypočítáme hustotu? hustota = hmotnost : objem
ρ = m : V
7. Jak převádíme jednotky hustoty? 3
DůLEŢITÉ! 1 g/cm = 1000 kg/m
3
12
II. POKUS: Vypočítejte hustotu kovové krychličky. 1. Pomocí posuvného měřidla změř rozměry krychličky (a zapiš je). 2. Pomocí digitální váhy změř hmotnost krychličky v gramech (a zapiš ji) 3. Pomocí vztahu pro výpočet objemu krychle v centimetrech krychlových (a zapiš jej).
vypočítej
objem
krychličky
4. Pomocí vztahu pro výpočet hustoty vypočítej hustotu krychličky (a zapiš ji). 5. Najdi ve fyzikálních tabulkách, o jaký kov se jedná.
III. ÚKOLY: 1. Převeďte správně jednotky: 1t= 0,6 kg = 5 dag = 0,06 dg = 0,3 q =
kg g g mg kg
150 mg = 500 000 g = 27 dag = 0,01 kg = 1000 q =
g t kg dg t
2. Převeď správně jednotky: 2 g/cm3 = 0,7 g/cm3 =
kg/m3 kg/m3
3. Vypočítej hustotu: I. tělesa o hmotnosti 200 g a objemu 40 cm . ρ=
8000 kg/m3 = 600 kg/m3 =
g/cm3 g/cm3
II. krychle o hraně délky a = 2 m a hmotnosti 200 g. ρ=
13
4. Problémy: a) Na stole jsou dvě stejně velké krychle – ze železa a z olova. Která má větší hmotnost?
b) Na stole jsou dvě krychle o stejné hmotnosti. Jedna je ze železa, druhá z hliníku. Která má větší objem?
c) Dvě závaží, jedno ze železa a druhé z bronzu, mají stejnou hmotnost. Musí mít také stejný tvar? Musí mít také stejný objem?
d) Dvě závaží z bronzu mají stejnou hmotnost. Musí mít také stejný tvar? Musí mít také stejný objem?
5. Zlatnické úkoly: a) K obchodníkovi přišel cizinec a řekl, že mu prodá 1 kg zlata. Obchodník vyvážil cizincův kov svým kusem zlata. Pak řekl, že cizincovo zlato je falešné. Jak to poznal?
b) Archimédes dostal od krále další úkol. Pomocí dvou vážení na rovnoramenných vahách bez závaží má zjistit, která z devíti zlatých mincí je falešná. Falešná mince je o něco málo lehčí než mince pravá, jinak je ale k nerozeznání podobná pravým. Jak to Archimédes vyřeší?
14
15
Pracovní list 5.
MĚŘENÍ ČASU A SÍLY I. UČIVO: 1. Čím se měří čas? Používáme různé hodiny (sluneční hodiny, kyvadlové hodiny, hodinky, stopky, atomové hodiny ad.) 2. Jak zapisujeme čas? Čas ve fyzice označujeme písmenem
t
.
Př.: Petr čekal na Lenku půl hodiny. Zapíšeme:
t = 0,5 h
3. Jak převádíme jednotky času? Jaké známe jednotky času: rok (r), den (d), hodina (h), minuta (min), sekunda (s) 1 r
1 d 365,25
1 h 24
1 min 60
1 s 60
4. Co je to síla? Síla ve fyzice vyjadřuje, jak na sebe tělesa navzájem působí – například jak se přitahují nebo odpuzují. Silové působení je vţdy vzájemné – jestliţe jedno těleso působí silou na druhé, tak druhé současně působí silou na první. 5. Jak měříme sílu? Sílu měříme siloměrem. Základní částí siloměru je pružina, která se zavěšením různě těžkých těles různě natahuje. 5. Jak zapisujeme sílu? Síla se ve fyzice označuje písmenem F . Jednotkou síly je 1 N (newton), (čti ňútn) .
Př.: Země přitahuje parašutistu silou 800 newtonů. Zapíšeme: F = 800 N 6. Jaké druhy sil známe? Rozlišujeme síly: gravitační, elektrické, magnetické, třecí, deformační ad. 7. Jaké účinky mají síly? 16
Síly můžou způsobovat: pohyb těles (pohybové účinky) nebo změnu tvaru těles (deformační účinky) II. POKUS: Měření síly. 6. Pomocí siloměru změř, jakou silou přitahuje Země: aktovku, láhev s vodou, učebnici fyziky 7. Pomocí siloměru změř, jak velká třecí síla působí na dřevěný kvádr, který posunuješ po hladkém a drsném povrchu.
III. ÚKOLY: 1. Převeďte správně jednotky času: 20 min = 660 s = 0,5 h = 45 min =
s min min h
1 h 16 min 5 s = 1 d 18 h 35 min 14 s = 7315 s = h 10 000 s = h
min min
s s s s
2. Zjistěte stáří (nebo dobu trvání) a napište ve vhodných jednotkách: a) Vesmír b) Země c) Doba železná d) 2. světová válka e) školní rok 2009/2010
3. Změřte dobu: a) po kterou zvoní na přestávku b) po kterou zůstane ve vzduchu vlaštovka c) za kterou ujede autíčko určenou vzdálenost
17
4. Napište, k čemu je třeba větší síly: a) K stlačení pružiny z kuličkové tužky o 1 cm, nebo o 2 cm? b) K zastavení fotbalového míče, nebo volejbalového míče o stejné rychlosti a za stejnou dobu? c) K rozjetí auta z klidu na rychlost 50 km/h, nebo na rychlost 80 km/h za stejnou dobu? d) K rozjetí auta z klidu na rychlost 50 km/h za 3 s, nebo za 5 s? e) K rozjetí škodovky, nebo naloženého kamionu z klidu na stejnou rychlost a za stejnou dobu? 5. Určení vztahu mezi hmotností a gravitační silou: a) Urči postupně, jakou silou působí Země na závaží o hmotnosti 50 g, 100 g, 150 g, 200 g, 250 g a výsledky zapiš do tabulky: 50 g 100 g 150 g 200 g 250 g
b) Jak spolu přesně souvisí hmotnost závaží a velikost gravitační síly?
18
19
Pracovní list 6.
MĚŘENÍ TEPLOTY I. UČIVO: 1. Čím a jak se měří teplota? Teplotu měříme teploměrem. Teploměry jsou různé: kapalinové (rtuťový, lihový), bimetalové (pásek tvořený dvěma kovy), elektronické ad. Postup měření: Podle odhadu velikosti teploty zvolíme teploměr s vhodným rozsahem. Teploměr spojíme s tělesem, u něhož měříme teplotu (dotyk, ponoření). Počkáme až se teplota teploměru vyrovná s teplotou měřeného tělesa. Na stupnici teploměru přečteme hodnotu teploty (na stupnici se díváme kolmo). 2. Jak zapisujeme teplotu?
Teplotu ve fyzice označujeme písmenem t . Nejznámější jednotkou teploty je stupeň Celsia (°C) . Používají se ale i jiné jednotky (stupeň Fahrenheita, stupeň Kelvina ad.). Celsiova teplotní stupnice má dvě základní teploty: Teplotu tání ledu 0 °C Teplotu varu vody 100 °C Teploty mohou být ale i mnohem větší (Slunce má ve svém jádře teplotu několika miliónů stupňů Celsia) a mnohem menší (teplota mezihvězdného prostoru je přibližně – 270 °C). Nejnižší představitelnou teplotou je teplota absolutní nuly: – 273,15 °C Př.: Tekuté hélium má teplotu – 269 stupňů Celsia. Zapíšeme: t = - 269 °C 3. Teplotní roztaţnost Všechny látky se při zahřívání roztahují (zvětšují svůj objem) a při ochlazování se smršťují (zmenšují svůj objem). POZOR: Na této vlastnosti je zaloţeno fungování kapalinových a bimetalových teploměrů.
20
II. POKUS: Jak se mění teplota vody? 1. Sestavte zařízení podle obrázku. 2. Zapalte pod kádinkou kahan a změřte teplotu vody. Zapište ji do tabulky pod čas 0. Pak každou další minutu přečtěte na teploměru teplotu a zapište ji do tabulky. 3. Po pěti minutách zapište teplotu a kahan zhasněte. Teplotu ale měřte a zapisujte ještě dalších pět minut. 4. S pomocí pana učitele nakreslete graf závislosti teploty vody na čase. Čas/min 0 Teplota/°C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
III. ÚKOLY: 1. Jaké teploty ukazují teploměry na obrázku?
2. V noci byla teplota vzduchu -10 °C, odpoledne vystoupila na 11 °C. O kolik °C vystoupila? Podobně urči, o kolik °C se změnila teplota z -3 °C na -15 °C, z -12 °C na -4 °C.
21
3. Proč jsou dráty elektrického vedení vždycky trochu prověšené? Kdy jsou prověšené víc: v zimě, nebo v létě? Co by se v zimě mohlo stát, kdyby je v létě montéři co nejvíc napnuli?
4. Pan Prokop při utírání nádobí postavil jednu skleničku do druhé. Skleničky se do sebe nějak zakously a ne a ne se od sebe oddělit. Co bys panu Prokopovi poradil/a? Jak by mohl použít teplotní roztažnosti?
5. Na odměrném válci je napsáno „20 °C“. Proč? Co se stane, když tímto válcem měříme objem kapaliny při teplotě 40 °C?
6. V každém domě s ústředním topením je nádoba, ve které může hladina vody klesat nebo stoupat, protože nad ní je vzduch. K čemu taková nádoba slouží? Co by se mohlo stát, kdyby bylo ústřední topení plné vody a kdyby v něm nebyla tato nádoba se vzduchem?
22
23
Pracovní list 7.
GRAVITAČNÍ SÍLA I. UČIVO: 1. Co je to gravitační síla? Je to síla, kterou Země přitahuje všechna tělesa, která jsou přímo na jejím povrchu (lidi, auta, oceány ad.) nebo v její blízkosti (mraky, letadla, družice, Měsíc ad.). Gravitační síla působí také na nás – naše svaly a kosti jsou právě tak pevné, aby působení gravitační síly odolávaly. Gravitační sílu zapisujeme pomocí písmena Fg . Jednotkou gravitační síly je newton – N. Př.: Země působí na psa Huberta gravitační silou devadesát newtonů. Zapíšeme: Fg = 90 N
2. Jakým směrem gravitační síla působí? Gravitační síla směřuje na každém místě zemského povrchu vždy do středu Země. 3. Svislý směr Je to směr působení gravitační síly na povrchu Země – míří do středu Země. Určujeme ho pomocí olovnice – malé hmotné závaží zavěšené na dostatečně dlouhém provázku. 4. Vodorovný směr Směr kolmý na směr působení gravitační síly. Určujeme ho pomocí vodováhy (libely). 5. Všechna tělesa se navzájem přitahují! Nejen Země, ale i jiná vesmírná tělesa (hvězdy, planety ad.) působí gravitační silou. Dokonce úplně všechna tělesa (která mají hmotnost) na sebe navzájem působí gravitační silou (Dokonce i Petr a Anička, kteří sedí vedle sebe ve školní lavici. Ale taky sklenička a láhev, které vedle sebe stojí na stole. A všechna ostatní tělesa.).
II. POKUS: Jak vysokou dokáţeš postavit věţ ze sněhu, aby nespadla? 1. Ve dvojici na povel začněte stavět ze sněhových koulí věž (čas stavby 10 minut). 2. Hodnotí se dosažená výška a svislý směr (ověř olovnicí).
24
III. ÚKOLY: 1. Vztah mezi hmotností a gravitační silou: a) Na Marušku působí gravitační síla 250 N, jak velkou má Maruška hmotnost?
b) Evžen váží 105 kilo, jak velkou gravitační silou na něj Země působí?
2. Uveď několik příkladů toho, co musí být v domě svislé, a toho, co musí být vodorovné. Zkus také vymyslet, co musí být šikmé. Vždycky odůvodni, proč to tak musí být – co by stalo, kdyby to tak nebylo.
3. Planety Mars, Jupiter a Saturn mají rozdílné hmotnosti. Zjisti jaké tyto hmotnosti jsou (internet). Na které z těchto planet by na člověka působila největší a na které nejmenší gravitační síla? (*Dokázal/a bys zjistit, jak přesně velkou gravitační silou by působily tyto planety na Pepu, který má hmotnost 50 kg?)
4. Jak bys mohl/a bez pomoci olovnice a vodováhy zjistit, jestli je tvoje školní lavice vodorovná?
5. Dokážeš vysvětlit: a) Jak vzniká příliv a odliv? (Budeš k tomu potřebovat zjistit, jak působí gravitační silou Měsíc na Zemi). Nakresli obrázek.
b) Proč vidíme stále jen jednu stranu Měsíce? 25
Pracovní list 8.
MAGNETICKÁ SÍLA I. UČIVO: 1. Co je to magnetická síla? Je to síla, kterou magnety přitahují tělesa, která jsou vyrobena z některých kovů (železo, kobalt, nikl ad.). Magnetická síla dokáţe působit na dálku. Př.: Magnetická síla přinutí železnou sponku levitovat. Magnetickou sílu značíme pomocí písmena Fm . Jednotkou magnetické síly je newton – N. Př.: Magnet přitahuje kovový hřebík magnetickou silou osmnáct newtonů. Zapíšeme: Fm = 18 N
Největší magnetickou silou působí okraje magnetu – nazýváme je póly magnetu. 2. Magnetické pole Je to oblast kolem magnetu, ve které působí magnetická síla. Magnetické pole se projevuje pravidelným uspořádáním železných pilin, které rozsypeme v okolí magnetu. Čáry, do kterých se piliny uspořádají nazýváme magnetické indukční čáry. 3. Výroba magnetů Kovová tělesa se vlivem působení magnetu stávají také magnety. Některá tělesa (např. hřebíky) ale po vzdálení magnetu přestanou být magnety – jsou pouze přechodnými magnety. Jiná tělesa (např. ocelové jehly) zůstávají magnety i po vzdálení magnetu – jsou trvalými magnety. Výrobu magnetů nazýváme magnetizace. 4. Póly magnetu Každý magnet má dva póly – severní (N – north) a jiţní (S – south). POZOR: Kdyţ magnet rozlomíme, kaţdá z jeho částí bude mít zase dva póly(N a S)! Stejné póly magnetů (S a S, N a N) se odpuzují a opačné póly magnetů (S a N, N a S) se přitahují.
26
5. Země je také magnet Také Země je obří magnet, její jiţní magnetický pól se nachází blízko severního zeměpisného pólu a její severní magnetický pól se nachází blízko jiţního zeměpisného pólu. Proto severní pól magnetky (lehkého otáčivého magnetu) ukazuje k severnímu zeměpisnému pólu. II. POKUSY a ÚKOLY: 1. Pomocí železných pilin, které rozsypeš na bílý papír umístěný nad magnetem znázorni magnetické pole. Nakresli magnet (i jeho póly) a přimaluj magnetické indukční čary.
2. Vyrob si jednoduchý kompas. Použij misku s vodou, plátek korkové zátky (tloušťka asi 3 mm), zmagnetovanou jehlu a vteřinové lepidlo. Urči, kde je sever.
3. Protáhni nit oušky dvou jehel a nechej jehly viset vedle sebe. Pak k nim shora přibliž magnet. Co se stalo? Vysvětli. Nakresli obrázek:
27
4. Ukazovali jsem si, že je železo přitahováno magnetem. Platí to i obráceně? Je i magnet přitahován železem? Vyzkoušej si to. Přibližuj k magnetu třeba železný klíč. Pohne se magnet?
5. Zavěs na magnet ocelovou jehlu, na ni hřebík a na něj zase jehlu. Co se stane, když horní jehlu od magnetu odtrhneš? Spadne všechno, co na ní visí? Odpověď zdůvodni a ověř pokusem. Nakresli obrázek pokusu:
*6. Pod papír upevni (lepicí páskou) dva magnety do různých poloh. Papír posyp železnými pilinami a sleduj, jaké obrazce se vytvoří. Zakresli, jak přibližně vypadají magnetické indukční čáry okolo těchto magnetů.
28
29
Pracovní list 9.
TLAK
I. UČIVO: 1. Tlak Když stlačíme kuličku z plastelíny, změní tvar – zdeformuje se. Říkáme, že na kuličku působíme tlakovou silou F, která tuto deformaci způsobuje. Když tlačíme do dlaně tupým koncem tužky, necítíme účinky síly tolik, jako když tlačíme do dlaně špičkou. Proč? Protoţe se síla rozkládá na větší plochu S.
Důleţité!!! Síla, která tlačí na určitou plochu tělesa, způsobuje tlak. Tlak je tím větší, čím menší je plocha – síla se totiž nemůže rozložit. Tlak je fyzikální veličina. Značí se p (pressure) a jeho základní jednotkou je 1 Pa – pascal. Většími jednotkami je 1 kPa = 1000 Pa, 1 MPa = 1000 000 Pa. Tlak můžeme vypočítat (POZOR! Při výpočtu vždy dosazujeme sílu v newtonech a plochu v metrech čtverečních): 1N
tlak = síla : plocha
1m
p = F : S 1m
2. Hydrostatický tlak: Je to tlak, který v kapalinách způsobuje gravitační síla. Tímto tlakem působí kapaliny na stěny nádoby a na tělesa, která jsou do nich ponořena (hydor - řecky voda, statický – nehybný).
Důleţité!!! Na rozdíl od pevných těles, které působí tlakovou silou pouze na podložku (ve směru gravitační síly), kapaliny (i plyny) působí tlakovou silou vţdy kolmo ke stěně nádoby (a kolmo na povrch ponořených těles). Hydrostatický tlak se značí pH a jeho základní jednotkou je 1 Pa – pascal. Velikost hydrostatického tlaku závisí na hustotě kapaliny ρ, na hloubce h, ve které v kapalině hydrostatický tlak měříme a na tíhovém zrychlení g = 10 N/kg. 30
Výpočet hydrostatického tlaku:
hydrostatický tlak = hloubka · hustota · tíhové zrychlení p = h · ρ · g II. POKUS: Urči hydrostatické tlaky, kterými působí voda a olej na dno odměrného válce. 1. Připomeň si, jakou hustotu má voda a zjisti hustotu oleje. (Musíš změřit jeho hmotnost při daném objemu.) 2. Do dvou stejných odměrných válců nalij vodu a olej do stejné výšky. Tuto výšku změř pomocí svinovacího metru. 3. Vypočítej hydrostatické tlaky pomocí vztahu, který je předchozí straně. hloubka
hustota
tíhové zrychlení
hydrostatický tlak
voda olej
31
III. ÚKOLY: 1. Vypočítej: a) Tlak, který způsobuje lyžař o hmotnosti 68 kg. Lyžař má lyže o rozměrech 200 cm x 14 cm.
b) Tlakovou sílu, která způsobuje tlak o velikosti 2 MPa na ploše o velikosti 4 cm2.
c) Plochu, na kterou musíme rozložit sílu o velikosti 12 kN, aby vyvolávala tlak 4 MPa.
2. Zamysli se a napiš tři případy, kdy se snažíme, aby byl tlak co nejmenší a tři případy, kdy naopak chceme, aby byl tlak velký.
3.Vypočítej: a) Velikost hydrostatického tlaku vody ve sladkovodním jezeře, který působí na potápěče v hloubce 20 m. Jak se změní velikost tlaku, když se bude potápět v moři?
b) V jaké hloubce bude působit na poklop batyskafu hydrostatický tlak 750 kPa? Hustota vody je v tomto případě 1040 kg/m3.
c) Hustotu kapaliny, která na těleso v hloubce 10 m působí hydrostatickým tlakem 1,3 MPa.
32
33
Pracovní list 10.
MECHANICKÁ PRÁCE UČIVO: Když působíme silou F po dráze s, vykonáme práci W:
práce = síla · dráha
W = F·s Pozor: Práce se koná, jen kdyţ síla působí ve směru pohybu.
F
F
s Práce je fyzikální veličina, značí se W a její jednotkou je 1 J – joule (džaul). Práci 1 J vykonáme, když silou 1 N působíme po dráze 1 m. Další jednotky práce: kilojoule – 1 kJ = 1000 J, megajoule – 1 MJ = 1000 kJ = 1000 000 J Pozor: Kdyţ síla působí, ale ničím nepohybuje, nekoná ţádnou práci.
POKUS: Srovnání práce vykonané při posouvání a zvedání tělesa Pomůcky: dřevěný kvádr, siloměr, pásmo Vypracování: Dřevěný hranol táhněte po zemi na vzdálenost 2 m. Pak jej zvedněte do výšky lavice. Odhadněte, na co jste vynaložili víc práce, a potom svůj odhad ověřte: změřte potřebné síly (pomocí siloměru) a obě práce vypočítejte (podle výše uvedeného vztahu). Řešení: 34
ÚKOLY: 1. Doplň následující tabulku: F 7N S 8 dm W
5 kN 24 m 48 kJ
10 MJ
2. Vykonáš víc práce, když zvedneš tašku na stůl nebo když vypočítáš pět příkladů z fyziky?
3. Proč se unavíš, když neseš batoh?
4. Při které z následujících činností se vykoná větší práce: a) Když se zvedne automobil o hmotnosti 950 kg do výšky 0,5 m, nebo když vyběhne člověk o hmotnosti 70 kg do výšky 15 m?
b) Když jeřáb zvedne stropnici o hmotnosti 300 kg do výšky 12 m, nebo když automobil, který překonává třecí sílu 500 N, ujede 100 m?
c) Když zvednete činku o hmotnosti 5 kg ze země nad hlavu, nebo když jí tam pak 5 minut držíte?
5. Proč vám dá víc práce šlapat na kole do kopce než po rovině? Proč dá víc práce jet na nenamazaném kole než na kole namazaném? Proč při jízdě na kole po rovině dá víc práce ujet 50 km než 20 km?
6. Máte vynést dva kufry z přízemí do 4. patra. Kdy vykonáte méně práce: když je vynesete najednou, nebo když půjdete s každým zvlášť? 35
Pracovní list 11.
MECHANICKÝ VÝKON UČIVO: Výkon vyjadřuje rychlost konání práce: výkon = práce : čas, za který byla vykonána
P = W : t Výkon je fyzikální veličina, značí se P a její jednotkou je 1 W – watt (vat). Výkon 1 W máme, když práci 1 J vykonáme za dobu 1 s. Další jednotky výkonu: kilowatt – 1 kW = 1000 W, megawatt – 1 MW = 1000 kW = 1000 000 W Ze znalosti vztahu pro výpočet výkonu můžeme odvodit jiný vztah pro výpočet práce: práce = výkon · čas
W = P · t Další jednotky práce: wattsekunda – 1 Ws = 1W·1s, kilowatthodina – 1 kWh = 1kW·1h
POKUS: Kniţní souboj Pomůcky: stopky, knihy, kalkulačka Vypracování: Přeskládej z podlahy na lavici sloupec knih (postupně po jedné ). Spolužák z dvojice Ti měří čas. Kdopak z Vás dvou bude mít větší výkon? Řešení:
36
ÚKOLY: 1. Doplň následující tabulku: W 100 J T 40 s P
3 MJ 2 min 5 kW
0,3 kW
2. Vyjádři práci 1 Ws a 1 kWh v joulech.
3. Vzpěrač vzepřel činku o hmotnosti 140 kg. Odhadněte, jaký byl jeho výkon.
4. Ke každému z následujících zadání vypočítejte příslušný výkon: a) Vzpěrač zvedne činku o hmotnosti 120 kg do výšky 2 m za 3 s.
b) Elektrický vrátek vytáhne náklad 150 kg do výšky 20 m za 25 s.
c) Výtah vynese kabinu, která má i s cestujícími hmotnost 500 kg, do výšky 30 m za 10 s.
d) Jeřáb zvedá břemeno 200 kg rychlostí 1 m/s.
e) Auto jede po rovině rychlostí 72 km/h a překonává při tom třecí sílu 1000 N.
5. Čerpadlo čerpalo vodu z bazénu o rozměrech 25 m krát 10 m do výšky 2 m. Za hodinu klesla hladina v tomto bazénu o 10 cm. Jaký je výkon čerpadla? (Tření zanedbejte.)
6. Zjistěte jaké maximální výkony mají motory různých značek osobních a nákladních automobilů. Kdo zjistí výkon největšího počtu značek? Kdo najde osobní a nákladní auto, jehož motor má největší výkon? 37
Pracovní list 12.
POHYBOVÁ A POLOHOVÁ ENERGIE UČIVO: Energie která vyjadřuje, kolik práce je těleso schopno vykonat. Energie je tak vlastně „uskladněná práce“. Energie je fyzikální veličina, značí se E a její jednotkou je 1 J – joule (džaul). Základní dva druhy energie: 1. pohybová (kinetická) energie – značí se Ek 2. polohová (potenciální) energie – značí se Ep Pohybová energie Ek Má ji každé pohybující se těleso. Velikost pohybové energie závisí na rychlosti (v) tělesa a na jeho hmotnosti (m). Pohybová energie je větší při větší rychlosti i při větší hmotnosti. Polohová energie Ep Má ji každé těleso, které je ve výšce h nad zemí. Velikost polohové energie tělesa v gravitačním poli závisí na výšce (h) tělesa nad povrchem země a hmotnosti (m) tělesa. Polohová energie je větší při větší výšce a při větší hmotnosti. Polohová energie = hmotnost · tíhové zrychlení · výška
Ep = m·g·h Pozn.: Kromě gravitační síly i všechny ostatní síly (síly pružnosti, magnetické síly, elektrické síly ad.) jsou schopny konat práci. Proto existuje i elektrická polohová energie, magnetická polohová energie ad.
POKUS: Zatloukací štafeta Pomůcky: dřevěné destičky, kladiva, hřebíky Vypracování: Třída se rozdělí na poloviny. Obě skupiny dostanou destičku, kladivo a hřebíky (pro každého jeden). Úkolem je co nejrychleji zatlouct ve štafetě hřebíky (každý jeden, kladivo se předává). Řešení:
38
ÚKOLY: 1. Doplň následující tabulku: Ep 2,8 kJ 0,25 MJ h 14 m 0,2 km m 10 t 250 g 2. Jak velkou polohovou energii má cihla o hmotnosti 5 kg ve výšce 20 m nad zemí? Kniha o hmotnosti 0,5 kg na lavici vysoké 60 cm?
3. Pořádně rozjetý hokejista má pohybovou energii přibližně 10 000 J. Bez brzdění najede touto rychlostí na svého protihráče u mantinelu a zastaví se o něj na vzdálenosti 0,5 m. a) Jakou silou působí hokejista na protihráče?
b) Jakou silou působí protihráč na hokejistu?
c) Odhadněte tlak, který mezi oběma hráči vznikne.
4. Voda nad přehradou je o 20 m výš než pod přehradou. Přehradní jezero má plochu 1 km2. V následujících úlohách zanedbejte ztráty energie třením. a) Voda, která protéká přehradou, koná práci: pohání turbínu a vyrábí tak elektrickou energii. Kolik práce vykoná 1 m3 vody?
b) Jaký je výkon turbíny při průtoku 20 m3 vody za sekundu?
c) Kolik práce je možno získat, když se hladina vody v jezeře sníží o 10 cm? (Zanedbejte přítok vody do jezera).
39
5. Pokuste se doma sestrojit vozík poháněný závažím (viz obrázek). Více informací naleznete na: http://fyzweb.cuni.cz/~piskac/pokusy/www/index.htm
6. Proč skokan o tyči vyskočí výš než skokan bez tyče? Odhadněte výšku, v níž může překonat skokan o tyči laťku.
7. Je známo, že blecha při své výšce asi 2 mm vyskočí do výšky několika decimetrů, přeskočila by se tedy zhruba stokrát. Jak je to možné? Proč nejsou schopni takových výkonů jiní větší živočichové?
40
41
VNITŘNÍ ENERGIE
Pracovní list 13.
UČIVO: Co je to vnitřní energie? Vnitřní energie je energie částic, z kterých se těleso skládá. Vnitřní energie je fyzikální veličina, značí se U a její jednotkou je 1 J – joule (džaul). Pohyb částic v tělese: I když je těleso jako celek v klidu, přesto se všechny jeho částice pohybují. Velikost rychlosti jejich pohybu je značná (100 – 1000 m/s). Pohyb částic se liší v různých skupenstvích: 1. pevné látky – částice pouze kmitají kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce 2. kapalné látky – částice kmitají, ale zároveň se pohybují i posuvným pohybem 3. plynné látky – částice se pohybují pouze posuvným pohybem Vnitřní energie je součtem pohybových energií všech částic, které kmitají nebo se posouvají uvnitř tělesa. Kdyţ je těleso teplejší, jeho částice se pohybují rychleji, a jeho vnitřní energie je proto větší. Způsoby změny vnitřní energie: 1. třením – při tření se zvětšuje vnitřní energie (proto se v místě tření zvýší teplota) 2. stlačování – stlačení plynu zvýšíme jeho vnitřní energii 3. tepelnou výměnou – teplejší těleso předává chladnějšímu tělesu při vzájemném kontaktu teplo – zvyšuje jeho vnitřní energii Teplota tělesa: Čím větší má těleso vnitřní energii, tím větší má teplotu. Teplota je fyzikální veličina, značí se t a její jednotkou 1 °C – stupeň Celsia. Nejnižší představitelná (ale fyzikálně neuskutečnitelná) teplota je teplota absolutní nuly (-273,15 °C). Kromě teploty (t) ve stupních Celsia (°C) měříme také termodynamickou teplotu (T) ve stupních Kelvina (K). Mezi termodynamickou a celsiovou teplotou existují převodní vztahy 42
T = t + 273,15 (K)
t = T – 273,15 (°C)
POKUS: Improvizovaný Jouleův pokus Pomůcky: voda, nádoba, mixer Vypracování: Ze štítku mixéru zjistěte příkon (předpokládejte, že účinnost je 100 %). Do nádoby dejte odměřené množství vody a změřte co nejpřesněji její teplotu. Zapněte mixér na 2 minuty a potom opět změřte teplotu. Vypočítejte, jakou práci mixér vykonal. Pak vypočítejte, jaká by podle tohoto pokusu měla být práce, kterou se ohřeje 1 kg vody o 1 °C. Řešení:
ÚKOLY: 1. Doplň následující tabulku: T 0K T
373,15 K -20 °C
2. Vypočítejte, o kolik vzrostla vnitřní energie míčku o hmotnosti 500 g a podložky, jestliže padal z výšky 10 m a po odraze vystoupal do výšky pouze 4 m.
3. Z jaké výšky by musel spadnout 1 kg vody, aby se třením o vzduch a nárazem ohřál přesně o 1 °C?
43
*4. Střela o hmotnosti 50 g narazila při rychlosti 300 m/s na dřevěnou překážku. Tuto překážku prostřelila, ale její rychlost se snížila na 50 m/s. Jak velká byla změna vnitřní energie střely a dřeva?
5. Otevřeme-li láhev s voňavkou v uzavřené místnosti, brzy se v ní vůně rozšíří. Proč? Je možné, aby se molekuly voňavky při svém náhodném pohybu vrátily všechny zpět do lahve?
6. Proč se kostka cukru rozpustí rychleji v horkém než studeném čaji? Proč se kostka cukru snadněji rozpustí v čaji, jestliže jím mícháme?
44
45
Pracovní list 14.
MĚŘENÍ TEPLA UČIVO: Jak se můţe měnit vnitřní energie? a) konáním práce – jestliže na tělese práci konáme (míchání kapaliny, stlačování plynu), jeho vnitřní energie se zvětšuje; jestliže naopak práci koná těleso (plyn se rozpíná a posouvá pístem), jeho vnitřní energie se zmenšuje b) tepelnou výměnou – jestliže tělesu dodáváme teplo (ohříváme), jeho vnitřní energie se zvětšuje; jestliže těleso teplo odevzdává (ochlazuje se), jeho vnitřní energie se zmenšuje DůLEŢITÉ: Při tepelné výměně přechází teplo vţdy spontánně (samovolně) z teplejšího tělesa na chladnější. Teploty obou těles se proto vyrovnávají. Jak měříme teplo? Teplo nelze měřit přímo, musíme nejprve zjistit o kolik °C se jím ohřeje 1 kg látky, a pak toto teplo vypočítáme. Teplo je fyzikální veličina. Značí se Q. Jednotkou tepla je 1 J (joule). Častěji používané jsou jednotky 1 MJ = 1 000 000 J a 1 GJ = 1 000 000 000 J. Měrná tepelná kapacita: Je to fyzikální veličina, která udává kolik tepla musíme dodat tělesu o hmotnosti 1 kg, aby se jeho teplota zvýšila o 1 °C. Látka, která má malou měrnou tepelnou kapacitu, se snadno zahřeje, ale také snadno vychladne. Látka, která má velkou měrnou tepelnou kapacitu, spotřebuje hodně tepla na ohřátí, a když chladne, zase hodně tepla vydá. Měrnou tepelnou kapacitu značíme c, její jednotkou je kJ/kg.°C . Měrná tepelná kapacita vody je c = 4,2 kJ/kg.°C Výpočet tepla: Jestliže chceme ohřát těleso o hmotnosti m a měrné tepelné kapacitě c z teploty t1 na teplotu t2, pak mu musíme dodat teplo:
Q = c·m·(t2 – t1)
DůLEŢITÉ: Je potřeba odlišovat mezi – teplotou, vnitřní energií a teplem. Teplota (t) – udává, jaká energie připadá na jednu částici tělesa Vnitřní energie (U) – celková energie všech částic tělesa Teplo (Q) – změna vnitřní energie tělesa při tepelné výměně 46
POKUS: Měření měrné tepelné kapacity ţelezného tělesa pomocí kalorimetru. Pokus je podrobně popsán v učebnici Macháček, M.: Fyzika pro základní školy a víceletá gymnázia 8, na stranách 42 – 43. Řešení:
ÚKOLY: 1. Doplň u následujících látek měrnou tepelnou kapacitu (pomocí MFCH tabulek): Sn Ni Al Pb Cu Fe 2. Vypočítejte, jak velké teplo je potřeba dodat k ohřátí 100 l vody z teploty 20 °C na 100 °C. Vyjádřete tuto teplotu v J a kWh. Za předpokladu, že 1 kWh stojí 2 Kč určete kolik toto ohřátí stojí.
3. Jaké teplo se uvolní při vychladnutí 1 dm3 hliníku, železa a mědi z 30 °C na 20 °C? (Z MFCH tabulek musíte zjistit hustoty uvedených kovů.)
4. Horské jezírko má plochu 100 m2 a průměrnou hloubku 1 m. Přes den v něm slunce zahřeje vodu na 16 °C, v noci voda vychladne na 9 °C. Kolik tepla voda v noci uvolní?
5. Do vody o hmotnosti 0,3 kg a teplotě 20 °C byla přilita voda o teplotě 100 °C. Po proběhnutí tepelné výměny se výsledná teplota ustálila na 70 °C. Jak velké množství vody bylo přilito? 47
Pracovní list 15.
ŠÍŘENÍ TEPLA I. UČIVO: Jak se můţe teplo šířit? c) Vedením – šíří se jím teplo v každé látce (pevné, kapalné i plynné); takém jím přechází teplo z jednoho tělesa na druhé, které se ho dotýká d) Prouděním – šíří se jím teplo jen v kapalinách a plynech e) Zářením – šíří se jím teplo ve vakuu a v průhledných prostředích (např. ve vzduchu, ve skle); všechno teplo ze Slunce se k nám dostává zářením Jak se teplo šíří vedením? Když těleso zahříváme, v místě zahřívání má těleso větší teplotu – částice tělesa se zde pohybují rychleji. Vzájemnými sráţkami (nebo natahování vazeb mezi částicemi v krystalové mřížce) se pomalé částice rozpohybují – postupně se zahřívá i zbytek tělesa. Teplo se šíří vedením od teplého k chladnému konci. Tepelné vodiče a tepelné izolanty Různé látky vedou teplo různě dobře. Látky, které vedou teplo dobře nazýváme tepelné vodiče. Látky, které vedou teplo špatně, nazýváme tepelné izolanty. Velmi dobrými vodiči tepla jsou kovy. Tepelnými izolanty jsou např.: sklo, dřevo, plasty, ale také vzduch a voda. Jak se teplo šíří prouděním? Prouděním se teplo šíří jen v kapalinách a plynech. Jestliže kapalinu (nebo plyn) na určitém místě zahřejeme má tato teplejší část kapaliny (nebo plynu) menší hustotu než chladnější část. Teplejší kapalina (nebo plyn) stoupá vlivem vztlakové síly vzhůru. Na její místo po okrajích nádoby sestupuje studená kapalina (nebo plyn) s větší hustotou. Tomuto proudění říkáme samovolné proudění (na rozdíl od proudění vyvolaného čerpadlem). Příkladem může být proudění vzduchu v uzavřené vytápěné místnosti – teplý vzduch od kamen stoupá vzhůru a chladný vzduch klesá dolů. Jak se šíří teplo zářením? Vakuem (ale i vzduchem a průhlednými látkami) se šíří elektromagnetické záření jako proud částic (fotonů), které přenáší velké množství energie a může tělesa, na které dopadá zahřát. Rozlišujeme tři druhy záření: ultrafialové, světlo a infračervené a) ultrafialové záření (UV) – neviditelné, způsobuje hnědnutí pokožky, před jeho negativními účinky nás chrání atmosféra 48
b) infračervené záření (IR) – neviditelné, ohřívá místo, na které dopadá ! POZOR ! Zákon zachování energie: Energie se můţe jen proměňovat z jedné podoby v druhou. Nemůţe se ztratit ani vyrobit z ničeho. Ve Vesmíru je jí stále stejné mnoţství. II. POKUS: Šíření tepla vedením a prouděním. a) Vedení tepla v kapalinách a plynech - Zkumavka s vodou a na prstu (učebnice s. 52) b) Vodiče a izolanty - Hřebík a skleněná tyčinka (Vlož do plamene jedním koncem hřebík a poté skleněnou tyčinku – která z těchto látek je tepelný vodič a která izolant?) c) Odvádění tepla - Špejle a hřebík s namotaným papírem (učebnice s. 52) d) Proudění ve vodě - Kádinka s hypermanganem a s tuší (Do skleničky s trochou tuše přilij horkou vodu, promíchej a zavři. Skleničku ponoř do kádinky se studenou vodou. Opatrně otevři skleničku. Co pozoruješ a proč?) e) Proudění ve vzduchu - Výroba větrníčku (učebnice s. 56) III. ÚKOLY: 1. Proč se nám kovový předmět o stejné teplotě (20 °C) jako předmět z korku zdá být chladnější? (Pokud si nevíš rady, podívej se do učebnice na s. 52)
2. Nakresli si do sešitu obrázek místnosti s kamny a vyznač v něm, jak zde proudí vzduch.
3. Někdy se říká, že z něčeho „čiší chlad“. Co to znamená? Je chlad něco podobného jako teplo (ale s opačnými vlastnostmi)? Vysvětli, jak tento problém souvisí s infračerveným zářením. (Pokud si nevíš rady, podívej se do učebnice na s. 57)
4. Jak souvisí barva tělesa s jeho teplotou? Jak můžeme tuto souvislost využít?
5. Proč je za jasné noci zima? (Pokud si nevíš rady, podívej se do učebnice na s. 58) 49
Pracovní list 16.
ZMĚNY SKUPENSTVÍ UČIVO: Jaká rozlišujeme skupenství? f) Pevné – částice jsou velmi blízko u sebe (stálý tvar a objem tělesa), nejdůležitější jsou krystalické látky (částice uspořádány do pravidelné mřížky) g) Kapalné – částice jsou blízko u sebe (kapaliny téměř nestlačitelné), ale nejsou pravidelně uspořádané, pohybují se posuvným pohybem h) Plynné – částice jsou daleko od sebe (plyny velmi dobře stlačitelné), pohybují se velkou rychlostí posuvným pohybem Jaké rozlišujeme změny skupenství?
KAPALNÉ
Kondenzace Var
PLYNNÉ
Tání
Tuhnutí Desublimace
PEVNÉ
Sublimace 1. Tání a tuhnutí Když pevnou látku zahříváme, roste její vnitřní energie – částice stále více kmitají, až se úplně uvolní z krystalové mřížky. Když dosáhneme teploty tání – pevná látka začne tát. Když kapalinu ochlazujeme, klesá její vnitřní energie – částice se zpomalují. Když dosáhneme teploty tuhnutí – kapalina začne tuhnout. POZOR! Teplota tání i teplota tuhnutí krystalických látek je stejná (pro vodu 0 °C). Když pevná látka taje, pohlcuje energii – skupenské teplo tání (L), když kapalina tuhne, vydává energii – skupenské teplo tuhnutí (L). POZOR! Kdyţ krystalická látka taje (tuhne) její teplota se nemění (např. pro vodu – stále 0 °C). 50
2. Vypařování, var a kondenzace Kapalná látka se vypařuje při jakékoliv teplotě, ale rychlost vypařování je tím větší, čím větší je: teplota, proudění vzduchu nad kapalinou, povrch kapaliny Vypařováním vody vzniká vodní pára. Pokud plynnou látku prudce ochladíme, začne kondenzovat (kapalnět) POZOR! Rozdíl mezi vypařováním a varem: Var probíhá pouze při teplotě varu (pro vodu 100 °C), a to v celém objemu kapaliny, vypařování probíhá pouze na povrchu kapaliny a při jakékoliv teplotě. 3. Sublimace a desublimace Některé pevné látky se přeměňují přímo na plynné skupenství – sublimují (suchý led, jód, naftalín ad.), opakem je desublimace. Zvláštní voda Voda jako jedna z mála látek při tání zmenšuje objem! Proto má led menší hustotu neţ kapalná voda. Navíc platí, že největší hustotu má voda při teplotě 4 °C.
POKUSY: 1. Tání tradičně i netradičně: a) Tání thiosíranu sodného: (Do zkumavky nasyp thiosíran a zkumavku ponoř do vodní lázně s teplotou asi 70 °C. Pozoruj tání. Taveninu nalij na misku a pozoruj tuhnutí – vznik krystalků.) b) Odkapávání vosku v horké vodě: (Na špejli napíchni kus barevného vosku ponoř do horké (asi 80 °C) vody. Pozoruj tání vosku a vysvětli zvláštní způsob odkapávání vosku.) c) Zahřívání sněhové koule (prašanu) nad plynovým kahanem: (Z prašanu uhněť velkou kouli a umísti ji nad plynový kahan. Kouli zahřívej. Pozoruj, co se děje. Vysvětli.)
2. Fyzikální výroba zmrzliny: Pomůcky: suchý led, smetana, vajíčko, cukr, vanilkový cukr Postup: Rozmíchej spolu smetanu a vajíčko, přidej vanilkový cukr a doslaď obyčejným cukrem. Do směsi za neustálého míchání postupně vsypávej suchý led. Suchý led sublimuje, ochlazuje směs a zmrzlina je na světě.
51
Pracovní list 17.
ATOMY A IONTY UČIVO: Co si pamatujeme o elektřině? Třením můžeme některá tělesa zelektrovat – způsobit, ţe se na jejich povrchu shromáţdí elektrický náboj. Elektrický náboj má dva druhy: kladný (+) a záporný (-). Souhlasné náboje se odpuzují a nesouhlasné náboje se přitahují. Přitahování a odpuzování nábojů způsobuje elektrická síla. Velikost elektrického náboje měříme elektroskopem (elektrometrem). Látky, ve kterých se můţe elektrický náboj volně pohybovat nazýváme elektrické vodiče; látky, ve kterých se náboj volně pohybovat nemůţe nazýváme izolanty (nevodiče). Všechna tělesa se skládají z částic Základní částicí je atom (z řeckého atomos = nedělitelný). Většina atomů se spojuje do molekul. Př.: Molekula vody H2O se skládá z dvou atomů vodíku (H) a jednoho atomu kyslíku (O). Musíme rozlišovat: 1. prvek – látka, která je složena jen z jednoho druhu atomů (např. uran, zlato ad.) 2. sloučenina – látka, která se skládá jen z jednoho druhu molekul (voda, oxid uhličitý ad.) 3. směs – látka, která se skládá z více druhů molekul (např. ocet – voda + kyselina octová) Z čeho se skládá atom? Atom se skládá z jádra a elektronového obalu. Jádro je velmi malé, ale obsahuje téměř všechnu hmotnost atomu. Elektronový obal tvoří většinu objemu atomu, ale je velmi lehký. Konkrétně: jádro je asi 100 000x menší než elektronový obal, ale je asi 10 000x těžší než obal Jádro se skládá z protonů (kladný náboj) a neutronů (bez náboje), elektronový obal se skládá z elektronů (záporný náboj). Elektrony se v elektronovém obalu pohybují – obíhají kolem jádra (podobně jako planety kolem slunce). Elektrické síly drží (přitahuje) elektrony u jádra. Jádro drží pohromadě díky jaderným silám. 52
Různé atomy se liší počtem protonů a neutronů v jádře. Atomy a ionty Atom je v normálním stav elektricky neutrální – nemá výsledný náboj (+ ani -). Je to způsobeno tím, že: (1) náboj elektronu je stejně velký (jen s opačným znaménkem) jako náboj protonu a (2) každý atom má tolik elektronů kolik má protonů Pokud atom ztratí nebo získá elektron(y) – stává se z něj iont. Ionty mají výsledný elektrický náboj, dělí se na: 1. kationt je atom, který ztratil elektron(y) – má proto kladný náboj 2. aniont je atom, který získal elektron(y) – má proto záporný náboj Ionty můžou vznikat vlivem vysoké teploty (např. plamen) nebo díky tomu, že jeden atom přetáhne elektron jiného atomu (např. chlor (Cl) si vezme jeden elektron od sodíku (Na), vznikne tak aniont Cl- kationt Na+, které se navzájem přitahují).
POKUSY: 1. Elektruj ebonitovou tyčku a sleduj: a) Co nastane, když se jí dotkneš elektrometru. Vysvětli. b) Co nastane, když ji nejprve na chvíli přiblížíš k plameni a teprve pak se jí dotkneš elektrometru. Vysvětli.
2. Sleduj elektrolýzu v roztoku skalice modré. Vysvětli, které ionty v roztoku vznikají a jak se pohybují mezi elektrodami.
ÚKOLY: 1. Nakresli model atomu kyslíku (O). S pomocí periodické soustavy prvků zjisti, kolik má kyslík protonů a neutronů.
2. Zjisti, jaké další (moderní) modely atomů existují a jeden z nich podrobněji popiš.
53
Pracovní list 18.
ELEKTRICKÝ PROUD UČIVO: Elektrický náboj náboje mezi sebou působí elektrickými silami – čím větší jsou náboje, tím větší elektrické síly mezi nimi působí elektrický náboj je fyzikální veličina – značí se Q základní jednotkou elektrického náboje je coulomb (kulomb) – značí se C např.: Q = 1 C; jednotka 1 C je ale příliš velká (běžné jsou miliontiny coulombu) nejmenší možný náboj se nazývá elementární elektrický náboj – značí se e elementární elektrický náboj je náboj jednoho protonu (a také elektronu) e = 1,6.10-19C (0,00000000000000000016 C) Elektrický proud = usměrněný pohyb volných nábojů (elektronů, iontů) ve vodiči velikost elektrického proudu = mnoţství elektrického náboje (Q), který projde vodičem (drátem) za určitou dobu (t) je to fyzikální veličina – značí se I jednotkou elektrického proudu je ampér – značí se A např.: I = 40 mA výpočet elektrického proudu:
I = Q : t
směr elektrického proudu = od kladného pólu zdroje (baterie) přes spotřebič k zápornému pólu zdroje
Měření elektrického proudu elektrický proud měříme ampérmetrem ampérmetr zapojujeme vždy do elektrického obvodu se spotřebičem (nikdy ne přímo ke zdroji!) ampérmetr značíme
A
54
Elektrický proud v jednoduchém obvodu jednoduchý obvod
A
vodiče
zdroj
ţárovka
v jednoduchém obvodu se proud nikde nevětví = všemi místy jednoduchého obvodu prochází stejný proud
Elektrický proud ve sloţeném obvodu sloţený obvod
uzly
A větve
v místě, kde se proud větví (uzel), platí: Celkový proud, který do uzlu přichází, se rovná celkovému proudu, který z uzlu vychází (proud se nikde neztrácí).
POKUSY: 1. Sestav jednoduchý elektrický obvod (viz výše) a změř velikost elektrického proudu, který tímto obvodem prochází. I= 2. Sestav složený elektrický obvod (viz výše) a změř velikost elektrického proudu, který tímto obvodem prochází v jednotlivých větvích. I1 =
I2 =
I3 =
55
ÚKOLY: 1. Vypočítej: a) velikost elektrického proudu, jestliže vodičem projde 1,2 mC za 2 minuty.
b) velikost elektrického náboje, který prošel vodičem za dobu 0,5 hodiny, jestliže ampérmetr ukazoval v průběhu této doby stabilní proud 30 mA.
c) dobu, po kterou procházel vodičem proud 2 A, jestliže přitom prošel vodičem náboj o celkové velikosti 4 mC.
2. Nakresli rozvětvený obvod se třemi spotřebiči a třemi ampérmetry tak, aby každý ampérmetr měřil elektrický proud v jedné z žárovek.
56
57
Pracovní list 19.
ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ A ELEKTRICKÝ ODPOR UČIVO: Elektrické napětí – aneb, co elektrony tlačí obvodem k tomu, aby elektrický proud procházel obvodem je třeba, aby mezi oběma konci vodiče bylo elektrické napětí (tak jako proudění vody umožňuje přetlak) – zdroj elektrického napětí tak slouţí jako „čerpadlo na elektrony“ (tlačí elektrony na svůj záporný pól a tím koná práci, která se projeví jako elektrická energie elektronů) elektrické napětí je fyzikální veličina – značí se U základní jednotkou elektrického napětí je volt – značí se V např.: U = 230 V; jednotka 1 V (na rozdíl od 1 A nepředstavuje nijak závratnou velikost, běžné jsou kV (kilovolty) i MV (megavolty)) Pozn.: zatímco proud měříme v daném místě vodiče, napětí měříme vždy mezi dvěma místy vodiče
Měření elektrického napětí elektrické napětí měříme voltmetrem voltmetr zapojujeme vždy do vedlejší větve u spotřebiče voltmetr značíme
V
zapojení voltmetru do obvodu:
V
A rezistor
58
Elektrický odpor vyjadřuje, jak moc brání vodič průchodu proudu – čím větší je odpor, tím menší je proud elektrický odpor je fyzikální veličina – značí se R základní jednotkou elektrického odporu je ohm (óm) – značí se Ω např.: R = 1500 Ω; běžně se používají jednoty kΩ (kiloohm) a MΩ (megaohm) odpor vodiče je tím větší, čím větší je délka vodiče a čím menší je průřez vodiče elektrické součástky, které zvětšují elektrický odpor v obvodu nazýváme rezistory Ohmův zákon – aneb, jak závisí proud na napětí vyjadřuje vztah mezi napětím U, proudem I a odporem R = když zvětšujeme elektrické napětí U v obvodu o stálém elektrickém odporu R, roste elektrický proud I obvodem – kolikrát zvětším napětí, tolikrát se zvětší proud matematické vyjádření Ohmova zákona:
R = U : I
umožňuje definovat jednotku 1 Ω – je to hodnota odporu rezistoru, kterým při napětí 1 V protéká proud 1 A
POKUSY: 3. Sestav jednoduchý elektrický obvod: a) s případy změř, jak se mění proud s rostoucím napětí a proudu. a) U/V 1 2 3 4 5 6 7 I/A b) U/V 1 2 3 4 5 6 7 I/A
rezistorem, b) s žárovkou. Pro oba napětím. Nakresli také graf závislosti
8
9
10
11
12
8
9
10
11
12
4. Proměřením několika hodnot proudu (pro dané hodnoty napětí) zjisti, jaký odpor mají „zamaskované“ rezistory X, Y a Z. RX =
RY =
RZ =
59
ÚKOLY: 1. Vypočítej: d) velikost elektrického odporu rezistoru, jestliže napětí na rezistoru má hodnotu 2 kV a obvodem prochází proud 500 mA.
e) velikost elektrického proudu, který prochází obvodem, ve kterém má napětí na rezistoru hodnotu 200 kV a odpor rezistoru má hodnotu 0,5 Mvodičem za dobu 0,5 MΩ.
f) Velikost elektrického napětí na spotřebiči, který má odpor 400 Ω a prochází jím elektrický proud 300 mA.
2. Nakresli obvod se dvěma rezistory, jedním ampérmetrem a jedním voltmetrem tak, aby ampérmetr měřil elektrický proud v celém obvodu a voltmetr měřil napětí na obou rezistorech.
60
61
Pracovní list 20.
SPOJOVÁNÍ REZISTORŮ A ELEKTRICKÁ ENERGIE UČIVO: Spojování rezistorů Rezistory můžeme v elektrickém obvodu spojovat dvojím způsobem: 1. Sériově (= za sebou) všemi sériově zapojenými rezistory prochází stejný proud I, ale napětí U se mezi rezistory dělí (čím větší má rezistor odpor, tím větší část celkového napětí na něm bude)
R 1 U1 I
R2 U2 I
výsledný odpor R sériového zapojení rezistorů se vypočítá:
R = R1 + R2 + … 2. Paralelně (= vedle sebe) na všech paralelně zapojených rezistorech je stejné napětí U, ale proud se mezi rezistory dělí (čím větší má rezistor odpor, tím menší část proudu jím prochází)
R1 U I 1
R2 U I 2
výsledný odpor R paralelního zapojení rezistorů se vypočítá:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + … Elektrická energie energie, která umoţňuje, aby elektrické spotřebiče (žárovky, žehličky, pračky, čerpadla, elektromotory) konaly práci tuto energii získáváme v elektrárnách (tepelných, jaderných, vodních, větrných, solárních) 62
elektrickou energii měříme pomocí elektroměru; její velikost udáváme nejčastěji v kilowatthodinách (1 kWh = 3,6 MJ)
Výkon a příkon elektrických spotřebičů 1. příkon P0 = mnoţství energie, kterou spotřebuje spotřebič na 1 sekundu 2. výkon P = mnoţství práce, kterou spotřebič vykoná za 1 sekundu výkon spotřebiče vypočítáme:
P = U · I výkon elektrického spotřebiče je vždy menší než jeho příkon, protože vždy vznikají ztráty (tření, zahřívání vodičů ad.) účinnost spotřebiče značíme řeckým písmenem η (éta) a vypočítáme:
η = P/P0 · 100% POKUSY: 5. Urči výkony elektromotorku při napětí 3V, 6V, 9V a 12V (viz tabulka). Budeš muset nejprve změřit proudy při jednotlivých napětích a pak dopočítat hodnoty výkonů. U/V 3 6 9 12 I/A P/W 6. Urči výkony topné spirály při napětí 5V, 10V a 12,5V (viz tabulka). Postupuj stejně jako v předchozím pokusu. U/V 5 10 12,5 I/A P/W
63
ÚKOLY: 1. Vypočítej: a) velikost elektrického výkonu spotřebiče, kterým při napětí 20 V prochází elektrický proud 200 mA.
b) velikost elektrického proudu, který prochází spotřebičem o výkonu 150 W, na kterém je napětí 0,6 kV.
c) velikost elektrického napětí na spotřebiči, který má výkon 2 kW a prochází jím proud 100 mA.
2. Vypočítej: a) účinnost spotřebiče, který má výkon 200 kW a příkon 0,5 MW.
b) výkon spotřebiče, který má příkon 300 kW a účinnost 60%.
64
