Zpracoval: PaedDr. Václav Heller

Zpracoval: PaedDr. Václav Heller

Přírodovědecká fakulta UJEP v Ústí nad Labem 2005

-2-

OBSAH

Obsah ................................................................................................................. 3 Úvod .................................................................................................................. 4 1. Optika I .............................................................................................................. 6 2. Optika II ............................................................................................................. 16 3. Optika III ............................................................................................................ 25 4. Výboje v plynech ............................................................................................... 37 5. Studium vlastností vlnění na vodní hladině ....................................................... 43 6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu ........... 51 7. Pokusy se zpětným projektorem ....................................................................... 63 8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky ............ 70 9. Demonstrace setrvačných sil; Brownův pohyb .................................................. 78 10. Pouţitá literatura ............................................................................................... 86

-3-

Úvod Experiment má ve fyzice své nezastupitelné místo. V procesu výuky fyziky na různých typech škol tuto funkci zaujímají demonstrační pokusy. Ty by měly tvořit nedílnou součást výuky organicky spojené s daným výkladem učební látky. Demonstrační pokus se tak stává důleţitým zdrojem poznání pro ţáky. Proto obsahu a metodice jejich provádění by měl vyučující věnovat mimořádně velkou pozornost. Ve studijním programu přípravy budoucích učitelů fyziky zaujímají praktika školních pokusů významné místo. Cílem praktik školních pokusů je: a) seznámení s pomůckami určených k jednotlivým experimentům, s demonstračními soupravami dodávanými školám a obeznámení s měřícími přístroji uţívaných na školách, b) spojení teoretických poznatků z odborné fyziky a didaktiky fyziky, c) metodicky a technicky zvládnout realizaci demonstrací formou samostatného výstupu, d) osvojení si řady zásad techniky při provádění experimentů na praktických příkladech, e) moţnosti vedení záznamů a evidence demonstračních experimentů pomocí protokolu, záznamové karty nebo počítačového programu. Praktika školních pokusů probíhají ve čtyřech cyklech (A, B, C, D) tvořící určitý, nikoliv vyčerpávající, průřez demonstračními experimenty z různých tématických celků fyziky. Obsah jednotlivých cyklů není neměnný, je průběţně doplňován, obměňován a přizpůsobován rozvoji didaktické techniky a nabídkám nových učebních pomůcek.

Trochu teorie Úvodem si připomeňme některé teoretické aspekty a praktické zásady při vlastní demonstraci, která by měla být jednou ze základních vyučovacích metod výuky fyziky. Ve fyzikální vědě jsou experimenty uskutečňovány za účelem hledání a nalézání dosud neznámých fyzikálních zákonitostí a vztahů. Ve školní praxi provádíme nejčastěji experimenty ověřovací, při nichţ z hlediska vyučujícího je dokazována a ověřována platnost jiţ vysloveného zákona. Ve vyučovacím procesu, při němţ vyučující předává ţákům poznatky vědě jiţ známé, mívají experimenty pro ţáky často charakter heuristický, tedy objevný. Tuto skutečnost pak můţe učitel vyuţít jako motivujícího činitele při výuce. Fyzikální experimenty lze dělit z různých hledisek. Uveďme jedno z mnohých, jak je například uvedeno v 10 : 1. demonstrační pokusy učitele, 2. frontální pokusy ţáků, 3. laboratorní práce ţáků, 4. fyzikální praktikum, 5. mimoškolní pokusné práce ţáků. Demonstrační experiment lze ve vyučování zařadit hned do několika etap vyučovací hodiny: - do etapy výkladu nového učiva, - do etapy prohlubování a opakování učiva, - zřídka je experiment jako součást kontroly vědomostí ţáků. Pro demonstraci experimentů je nutné si osvojit techniku jejich provádění a dodrţovat obecně metodické zásady:  fyzikální experiment není cílem, ale prostředkem předávání vědomostí učitele ţákům,  demonstrační experiment by měl být průkazný, jasný, přesvědčivý, názorný a ze všech míst ve třídě viditelný,  sloţitější demonstrace je vhodné rozčlenit na dílčí sloţky, z nichţ je nutné kaţdou z nich řádně ţákům osvětlit,

-4-

      

na úvod demonstrace je nutné oznámit ţákům cíl pokusu, případně zaměřit jejich pozornost konkrétním směrem, při provádění experimentu je vhodné popsat pouţité přístroje a objasnit jejich funkci, pokud je to potřebné, objasnit a doplnit experiment nákresem nebo jinými grafickými prostředky, pokud to bezpečnost ţáků ţádným způsobem neohrozí, je vhodné přiměřeně zapojit do demonstračního experimentu ţáky, vyučující by si měl vţdy ověřit, zda ţáci pochopili podstatu a výsledek experimentu, vyučující by měl s ţáky vţdy provést vyhodnocení experimentu, je bezpodmínečně nutné, aby vyučující si experiment připravil a vyzkoušel.

Přehled okruhů demonstračních experimentů - praktika A 1. Optika I 2. Optika II 3. Optika III 4. Výboje v plynech 5. Demonstrace vlastností vlnění 6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu 7. Pokusy se zpětným projektorem 8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky 9. Demonstrace setrvačných sil; Brownův pohyb

V následujících popisech jednotlivých experimentů je uvedena základní fyzikální podstata příslušného jevu a sestavení daného demonstračního experimentu. Podrobnější popis a obměny lze nalézt v příslušné literatuře.

-5-

1. Optika I Popis stavebnice: Soubor experimentů Optika I je prováděn s pouţitím stavebnic dodávaných na školy v 70.letech, z nichţ mnohé slouţí na školách dodnes. Jedna sestava je rozsáhlejší a je určena pro demonstrace vyučujícím (Učitelská souprava pro soubor experimentů Optika I. Stručný popis soupravy v 7 ). Další, jednodušší a snadno přenosná, je uloţená v dřevěném kufříku a slouţí na frontální či laboratorní práce ţáků (Ţákovská souprava pro soubor experimentů Optika II). Před započetím práce se stavebnicí je nutné se dobře seznámit s uloţením jednotlivých součástí, které mají své určené místo. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 1.1. Odraz světla na rovinném zrcadle [4] O 4; [6] S 3; [9] O 1, O 6; [10] O 8. 1.2. Změna chodu paprsků pomocí rovinných zrcadel [4] O 19; [6] S 4. 1.3. Ohnisko dutého a vypuklého zrcadla [4] O 26; [6] S 5; [9] O 2; [10] O 10. 1.4. Zobrazení dutým zrcadlem [4] O 27; [6] S 6; [10] O 15. 1.5. Zákon lomu [4] O 6, O 7; [6] S 9; [9] O 3; [10] O17. 1.6. Úplný odraz, mezní úhel [4] O 10; [6] S 9; [9] O 3; [10] O 18. 1.7. Lom světla při přechodu ze vzduchu do vody 4] O 9; 6] S 8; 9] O 8. 1.8. Úplný odraz v hranolech; odrazné hranoly 4] O 13; 6] S 10; 9] O 7; 10] O 20. 1.9. Rozklad světla hranolem 4] O 8, O 64; 6] S 27; 9] O 9; 10] O 26. 1.10. Zobrazení spojnou čočkou, čočková rovnice 4] O 32; 6] S 12; 10] O 30. 1.11. Krátkozraké oko 4] O 39; 6] S 16; 9] O 5; 10] O 34. 1.12. Dalekozraké oko; 4] O 39; 6] S 16; 9] O 5; 10] O 34.

Základní literatura: 11 Daberger, J.: Pokusy s demonstrační soupravou pro optiku na základní devítileté škole a školách II. cyklu - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967. 1. vydání Poznámka: Stejné nebo obdobné demonstrace jsou uvedeny v závorkách za jednotlivými fyzikálními jevy a odpovídají seznamu literatury.

1.1.

Odraz světla na rovinném zrcadle

Zrcadlo je jedno ze základních optických zařízení vyuţívající zákona odrazu světelných paprsků. U rovinného zrcadla můţeme demonstrovat také přímočarost šíření světla a princip záměnnosti paprsků. Co všechno potřebujeme? Lampu, prodluţovací objímku, optickou lavici (tyto součásti jsou základními prvky i v dalších experimentech a proto nebudou dále uváděny), čočky f = 15 cm, f = 30 cm, jezdec, drţák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, model rovinného zrcadla.

-6-

Jak na to?

1.1. Odraz světla na rovinném zrcadle Model rovinného zrcadla přichytíme pomocí magnetického segmentu na stínítko, které mírně natočíme kolem svislé osy. Pomocí lampy a clony se třemi štěrbinami získáme tři rovnoběţné paprsky světla, které necháme dopadat na rovinné zrcadlo pod různými úhly. Experiment demonstruje přímočaré šíření světla dopadajících i odraţených paprsků, které jsou však stranově převrácené. Pro názornost je vhodné pomocí barevného filtru jednotlivé paprsky odlišit. Pokud odstraníme obě čočky, získáme svazek rozbíhavých paprsků, které budou po odrazu rovněţ rozbíhavé a stranově převrácené.

1.2. Změna chodu paprsků pomocí rovinných zrcadel Rovinná zrcadla a jejich kombinace jsou vyuţívána v praxi pro změnu chodu světelných paprsků u řady přístrojů, například u periskopu, episkopu, projektoru, atd. Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, jezdec, drţák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, dva modely rovinného zrcadla. Jak na to? Stejně jako v předcházejícím případě vytvoříme svazek tří rovnoběţných paprsků, které necháme dopadat na dvě zrcadla uspořádaných v následujících polohách: a) Zrcadla jsou vzájemně rovnoběžná a úhel dopadu paprsků je 45° - dvojím odrazem získáme původní pořadí paprsků (princip periskopu).

5.5. Změna chodu paprsků dvěma rovnoběţnými zrcadly

-7-

b) Zrcadla jsou vzájemně k sobě kolmá a úhel dopadu paprsků je 45° - chod světelných paprsků změníme o 180° a opět získáme dvojím odrazem původní pořadí paprsků.

1.3. Změna chodu paprsků dvěma navzájem kolmými zrcadly

c) Zrcadla spolu svírají úhel 45° a úhel dopadu paprsků je 45° - chod světelných paprsků změníme o 90° a dvojím odrazem získáme původní pořadí paprsků.

1.4. Změna chodu paprsků dvěma zrcadly svírající 45°

1.3. Ohnisko dutého a vypuklého zrcadla Také princip kulového zrcadla vychází z platnosti zákona odrazu. Kulové zrcadlo je částí kulové plochy. Dochází-li k odrazu světelných paprsků na její vnitřní stěně, označujeme zrcadlo jako duté. Při odrazu světla na vnější straně této plochy se jedná o vypuklé zrcadlo.

Ohnisko dutého zrcadla

-8-

Co všechno potřebujeme? Jezdec, drţák čoček s rámečkem, drţák clon, clonu se třemi (pěti) štěrbinami, jezdec, stínítko, zařízení k modelu zrcadla proměnné křivosti, pruţné zrcadlo, terčík „F“.

Jak na to? Tři (pět) rovnoběţných paprsků necháme dopadat na duté zrcadlo tak, aby prostřední paprsek splýval s optickou osou zrcadla. a) U dutého zrcadla - po odrazu paprsků získáme sbíhavé paprsky (kromě paprsku splývajícího s osou), které se protínají v jediném bodě - ohnisku. U dutého zrcadla je to ohnisko skutečné. b) U vypuklého zrcadla - získáváme paprsky rozbíhavé, po jejichţ prodlouţení za zrcadlo získáme průsečík těchto paprsků a tedy i ohnisko, které není skutečné, označujeme ho jako zdánlivé. Poznámka: K označení význačných bodů zobrazování slouţí magnetické terčíky (F, F´, S), které umisťujeme na kovové stínítko.

1.5. Zákon lomu Při průchodu světla na rozhraní dvou odlišných optických prostředí světlo změní svůj původní směr, dochází k jeho lomu - disperzi. Chování světla závisí na skutečnosti, zda světlo přechází z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího či naopak. V prvém případě nastává lom světla ke kolmici, ve druhém případě k lomu od kolmice. Lomený paprsek přitom zůstává leţet v rovině dopadu. Chování světelných paprsků na rozhraní dvou různých optických prostředí popisuje zákon lomu (Snellův zákon):

sin sin

n2 n1

Co všechno potřebujeme? Krátkou optickou lavici, čočku f = 10 cm, drţák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodorovně), drţák optické desky, optickou desku, model kruhového půlválce. Jak na to? a)

Lom světla ke kolmici Jediný paprsek necháme dopadat na rovnou plochu polokruhové skleněné (plexisklové) desky fixované pomocí magnetu na úhloměrném kotouči. Světelný paprsek se v důsledku přechodu z prostředí opticky řidšího (vzduch n1 1) do prostředí opticky hustšího v tomto prostředí láme a to ke kolmici. 1.6. Lom světla ke kolmici

-9-

b)

Lom světla od kolmice Při obrácení polokruhové desky tak, ţe světelný paprsek dopadá nejprve na její oblou část, pozorujeme oblast přechodu světelného paprsku ze skla do vzduchu, kde nastává jev opačný, lom od kolmice, neboť v tomto případě procházejí světelné paprsky z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího. Oba experimenty můţeme demonstrovat kvalitativně i kvantitativně odečtením hodnot úhlů na úhloměrném kotouči a následným tabelárním zpracováním k ověřením platnosti zákona. 1.7. Lom světla od kolmice

Číslo měření

lomu Úhel dopadu Úhel

sin

sin

sin sin

1.8. Tabulka hodnot - zákon lomu Poznámka: Experimentem lze rovněţ ukázat přímočaré šíření paprsků při kolmém dopadu na půlkruhovou desku a také skutečnost, ţe i při lomu světla dochází současně k jeho částečnému odrazu.

1.6. Úplný odraz, mezní úhel V návaznosti na předešlý experiment lze ukázat, ţe jestliţe necháme dopadat světelný paprsek v půlkruhové desce postupně stále pod větším úhlem dopadu, nastane situace, kdy lomený paprsek probíhá souběţně s rozhraním skla a vzduchu. Světlo jiţ půlkruhovou deskou neprochází, dochází k jeho úplnému (totálnímu) odrazu. Příslušný úhel dopadu světelného paprsku, kdy tato situace nastává, se nazývá mezní úhel. Při dalším zvětšování úhlu dopadu se světelný paprsek pouze odráţí. Co všechno potřebujeme? Viz předcházející pokus Jak na to? Ponecháme celou sestavu jako u předcházejícího pokusu, pouze dále zvětšujeme úhel dopadu světelného paprsku uvnitř půlkruhové desky. Mezní úhel pro rozhraní sklo - vzduch je přibliţně 41°, plexisklo - vzduch 42°.

- 10 -

1.9. Úplný odraz, mezní úhel

1.7. Lom světla při přechodu ze vzduchu do vody Při průchodu světelného paprsku ze vzduchu do vody se jedná opět o situaci, kdy světlo prochází z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího a ve vodě tedy nastává lom ke kolmici, coţ v má v praxi celou řadu důsledků. Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, drţák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodorovně), dva jezdce, stolek, kyvetu s vodou, sklápěcí drţák zrcadla (8 x 10 cm), pomocné stínítko.

Jak na to? Světelný paprsek necháme z lampy nejprve dopadnout na vhodně nakloněné zrcadlo, od něhoţ se šíří směrem k vodní hladině v kyvetě. Zde se paprsek odchyluje od původně přímočarého směru a na rozhraní dvou různých optických prostředí (vzduch, voda), se láme ke kolmici.

1.10. Lom světla ve vodě

- 11 -

1.8. Úplný odraz v hranolech; odrazné hranoly Úplný odraz světla nastává také u skleněných hranolů. Hranol má nejčastěji tvar pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku. Světelné paprsky necháme dopadat na hranol v různých směrech a pozorujeme chod paprsků hranolem a jejich charakter po průchodu. Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, 2 ks jezdců, drţák čoček s rámečkem, stínící desku, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, model pravoúhlého hranolu, dvoubarevný filtr.

Jak na to? Pomocí příslušenství získáme tři rovnoběţné paprsky, které pro větší názornost odlišíme dvoubarevným filtrem. a) Po dopadu kolmo na jednu z odvěsen se světelné paprsky v hranolu šíří přímočaře aţ k jeho přeponě, kde dochází k totálnímu odrazu. Vzhledem k parametrům hranolu je svazek paprsků na výstupu odchýlen od původního směru o 90°, zůstávají rovnoběţné, ale jsou stranově převrácené.

1.11. Úplný odraz v hranolu b) Necháme-li dopadat paprsky světla kolmo na přeponu hranolu, po průchodu mají na výstupu opačný směr oproti původnímu a vzhledem k dvojnásobnému odrazu uvnitř hranolu jsou paprsky v původní pořadí.

1.12. Úplný odraz v hranolu

- 12 -

c) Umístíme-li hranol tak, ţe podstavu bude tvořit jeho přepona a necháme-li dva ze tří paprsků dopadat na jednu z odvěsen, vycházející paprsky po průchodu hranolem mají původní směr, ale stranově jsou převrácené. Úplného odrazu světla v hranolech se vyuţívá u celé řady optických přístrojů a slouţí především ke změně chodu směru paprsků.

1.13. Úplný odraz v hranolu

1.9. Rozklad světla hranolem Podstatou rozkladu světla hranolem je skutečnost, ţe světla různých barev mají různé úhly lomu v tomtéţ optickém prostředí. Průchodem světla optickým hranolem dochází k vícenásobné disperzi a bílé světlo je rozkládáno do barevného spektra. Nejvíce se láme světlo fialové, nejméně světlo červené. Co všechno potřebujeme? Prodlouţenou optickou lavici, stojánek optické lavice, čočku f = 6 cm, čočku f = 15 cm, dva jezdce, drţák čoček, stolek, úhloměrný kotouč, spojovací můstek, stínítko, hranol z flintového skla. Jak na to? Optické lavice vzájemně pootočíme přibliţně o úhel 30°. Zdroj světla a hranol jsou na opačných koncích kratší optické lavice, stínítko umístíme na konec delší lavice téměř rovnoběţně s kratší částí. Po osvětlení lámavé stěny hranolu ze svisle umístěné štěrbiny se na stínítku objeví barevné spektrum.

1.14. Rozklad světla hranolem

1.15. Způsob vedení paprsku pro zobrazení světelného spektra

- 13 -

1.10. Zobrazení spojnou čočkou; čočková rovnice Čočky jsou optické prvky u nichţ je podobně jako u hranolů vyuţívána schopnost lámat světlo. Na rozdíl od hranolů procházející světelné paprsky soustřeďuje - spojky nebo rozptyluje - rozptylky. Obraz získaný čočkou se řídí zobrazovací rovnicí:

1 1 a a´

1 f

Co všechno potřebujeme? Prodlouţenou optickou lavici, 2 ks jezdců, čočku f = 6 cm, f = 15 cm, drţák clon, matnici 5 x 5 cm, clonu se štěrbinou „1“, drţák čoček, drţák desek, pomocné stínítko, terčíky „F“, „F´“, „a“, „a´“, stínítko.

Jak na to? Předmět představuje clona s vyříznutou číslicí „1“, která je nasazena přímo na lampě a její vzdálenost od čočky představuje předmětovou vzdálenost „a“. Pomocí posuvného stínítka můţeme určit ohnisko a tím i ohniskovou vzdálenost příslušné čočky. Dalším posunutím stínítka zachytíme ostrý obraz předmětu. Pak vzdálenost stínítka od čočky je jeho obrazovou vzdálenost „a´“. Naměřením několika hodnot lze ověřit platnost zobrazovací rovnice, případně určit či ověřit ohniskovou vzdálenost čočky a její zvětšení. Experiment poskytuje celou řadu dalších moţností, při nichţ se měníme vzdálenost čočky od předmětu a postupně demonstrujeme moţné parametry obrazu.

1.16. Zobrazení spojnou čočkou Návrh tabulky: Předmět Velikost y cm

Obraz

Vzdálenost od čočky a cm

Vzdálenost od čočky a´ cm

Vzpřímený obrácený

Zvětšený zmenšený

1.17. Tabulka – hodnoty a parametry obrazu

- 14 -

Skutečný zdánlivý

1.11. Krátkozraké oko Vlivem sníţené akomodace oka vznikají vady oka. Krátkozrakost je oční vada, kdy se obraz předmětu nevytvoří na oční sítnici nýbrţ před ní. Důsledkem toho krátkozraký člověk vidí vzdálené předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vloţením rozptylky mezi oko a předmět. Co všechno potřebujeme? Krátkou optickou lavici, drţák desek, matnici 8 x 10 cm, matnici 5 x 5 cm, jezdec, drţák čoček, čočku f = 15 cm; f = 15 cm; f = - 20 cm, drţák clon, clonu se štěrbinou „1“. Jak na to? U krátkozrakého oka je lámavost oční čočky příliš velká. Proto se obraz předmětů zobrazuje před sítnicí. Nejprve sestavíme model zdravého oka. Předmět v podobě matnice (5 x 5 cm) a clony se štěrbinou „1“ umístěných přímo na lampě necháme dopadat přes čočku f = 15 cm. Na sítnici oka, kterou v modelové situaci představuje matnice (8 x 10 cm), najdeme ostrý obraz předmětu. Obraz je zmenšený a převrácený. Vadu krátkozrakého oka simulujeme nahrazením čočky f = 15 cm čočkou o větší lámavosti f = 10 cm. Neostrý obraz odstraníme zařazením rozptylky f = - 20 cm před oční čočku.

1.18. Model krátkozrakého oka

1.12. Dalekozraké oko Dalekozrakost je oční vada, kdy se obraz předmětu nevytvoří na oční sítnici, nýbrţ za ní. Důsledkem toho dalekozraký člověk vidí blízké předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vloţením spojky mezi oko a předmět. Co všechno potřebujeme? Vše jako u předcházející demonstrace, navíc čočku f = 30 cm. Jak na to? Obdobné sestavení jako u předcházejícího experimentu. Dalekozraké oko znázorníme tím, ţe matnici posuneme asi o 7 cm směrem k oční čočce. Opět dostáváme na matnici neostrý obraz. Vadu odstraníme zařazením spojky před oční čočku, která lámavost soustavy zvýší a na sítnici obdrţíme ostrý obraz.

- 15 -

2. Optika II Popis stavebnice: jedná se o ţákovskou verzi předcházející stavebnice, umístěné v lehce přenosném dřevěném kufříku. Experimenty, které jsou uspořádány v příručce, jsou určeny především pro ţáky a jejich frontální práci, ale je moţno je téţ vyuţít v rámci laboratorních prací. Příručka k soupravě obsahuje seznam potřebných součástí, návod sestavení pokusů, metodický popis při experimentování a formulace závěrů. Přestoţe je řada pokusů obdobných jako v části Optika I, měl by vyučující být obeznámen s obsahem, moţnostmi a problematikou práce se ţákovskými soupravami. Jeho obeznámení se soupravou, následná řídící a organizační činnost při práci ţáků s ní je nezbytná. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 2.1. Zobrazování zrcadlem dutým [4] O 27; [6] S 6; [10] O 15. 2.2. Zjištění úhlu mezného a úplný odraz v půlválcové desce [4] O 10; [6] S 9; [9] O 3; [10] O 18. 2.3. Úplný odraz ve vodě 4] O 12; 6] S 8 . 2.4. Průchod světla hranolem 4] O 8; 6] S 10; 9] O 4; 10] O 24 . 2.5. Rozklad světla hranolem, spektrum 4] O 8; 6] S 27; 9] O 9; 10] O 26. 2.6. Lom světla spojkou 4] O 31; 9] O 5; 10] O 28. 2.7. Optická mohutnost spojky 4] O 34; 9] O 29. 2.8. Zobrazování spojkou 4] O 32; 6] S 12; 10] O 30. 2.9. Zobrazování rozptylkou 4] O 36. 2.10.

Model dírkové komory 10] O 3.

2.11.

Model fotografického přístroje 10] O 31.

2.12.

Model diaprojektoru 10] O 36.

2.13.

Model mikroskopu 4] O 40; 6] S 17; 10] O 38.

2.14.

Model hvězdářského dalekohledu 4] O 40; 6] S 18; 9] str. 156-7; 10] O 39 .

2.15.

Model Galileova dalekohledu 4] O 40; 6] S 18; 9] str. 157; 10] O 39.

Základní literatura: 12 Ondráček J.: Pokusy se ţákovskou soupravou pro vyučování optice na základní devítileté škole - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967.

2.1.

Zobrazování dutým zrcadlem

Co všechno potřebujeme? Zdroj světla, kondenzorový nástavec (stabilní součásti všech experimentů, proto nebudou dále uváděny), 3 ks stojanů, clonu s písmenem „K“, malou matnici, duté zrcadlo, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Jak na to? Zdroj, na němţ je kondenzor - spojná soustava čoček soustřeďující světlo na promítaný předmět, clona s písmenem „K“ vytvářející svítící předmět pro duté zrcadlo. To je poněkud pootočeno vůči

- 16 -

zdroji a na stínítko (rovněţ mírně pootočeno), je zrcadlem promítán obraz písmene „K“. Zrcadlo umístíme do vzdálenosti přibliţně 70 cm od lampy (předmětová vzdálenost). Při ní vzniká na stínítku obraz skutečný, převrácený a zmenšený. Postupně při přibliţování předmětu k zrcadlu lze pozorovat další parametry obrazu. V příručce k soupravě je uvedena tabulka, pomocí níţ lze přehledně zpracovat experimentálně získané hodnoty.

2.1. Zobrazování dutým zrcadlem

2.2. Zjištění mezného úhlu a úplný odraz v půlválcové desce Co všechno potřebujeme? Optickou lavici (stabilní součást dalších experimentů, proto nebude dále uváděna), 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, desku půlválcovou, projekční desku s kruhovou stupnicí. Jak na to? Sestavíme optickou lavici a na zdroj světla nasadíme kondenzorový nástavec se clonou s jednou štěrbinou ve vodorovné poloze. Na optickou lavici připevníme svorkou projekční desku s kruhovou stupnicí a na ní pomocí magnetu přichytíme půlválcovou desku tak, aby její oblá strana směřovala ke zdroji. V půlválcové desce pozorujeme chod paprsků, hlavně pak směr vystupujícího paprsku, který se v souladu se zákonem lomu odchyluje od kolmice.

2.2. Mezný úhel a úplný odraz světla

- 17 -

2.3. Úplný odraz ve vodě Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, stolek, prodluţovací tyč, kyvetu s vodou, bílou desku. Jak na to? Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj světla směřující poněkud vzhůru směrem ke kyvetě, která je umístěna přibliţně uprostřed stolku upevněném pomocí prodluţovací tyče k optické lavici. Kyveta je naplněna do 3/4 vodou a na její zadní stěně je bílá deska kvůli lepší viditelnosti procházejícího paprsku. Paprsek tak dopadá na vodní hladinu zespoda a nejprve musí projít boční stranou kyvety. Za této situaci pozorujeme chování světelného paprsku dopadajícího z opticky hustšího prostředí (vody) do vzduchu. Úhel dopadu světelného paprsku měníme posouváním stolku s kyvetou a demonstrujeme lom od kolmice.

2.3. Úplný odraz ve vodě

2.4. Průchod světla hranolem Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, projekční desku s bílým papírem, pravoúhlý optický hranol.

Jak na to? Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj s kondenzorovým nástavcem. Přibliţně doprostřed optické lavice pomocí svorky upevníme projekční desku a na ni přichytíme optický hranol. Světelný paprsek necháme procházet hranolem v různých polohách a sledujeme jeho lom při průchodu a výstupu z hranolu.

2.4. Průchod světla hranolem

- 18 -

2.5. Rozklad světla hranolem, spektrum Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, 2 ks svorek k optické lavici, clonu s 1 štěrbinou, čočku f = + 10 cm, stolek, optický hranol, projekční desku s bílým papírem, desku s barevným sklem, měřítko. Jak na to? Sestavíme optickou lavici, na její začátek upevníme zdroj světla s kondenzorovým nástavcem a clonou se štěrbinou orientovanou svisle. Do vzdálenosti asi 10 cm od zdroje upevníme pomocí svorky čočku f = 10 cm a do vzdálenosti asi 20 cm vodorovný stolek na nějţ umístíme hranol. Mimo optickou lavici umístíme do stojanu šikmo natočenou projekční desku. Světlo ze svislé štěrbiny necháme dopadat na boční stěnu hranolu a pomalu jím otáčíme, dokud se nám na projekční ploše neobjeví barevné spektrum.

2.5. Rozklad světla hranolem

2.6. Lom světla spojkou Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu se třemi štěrbinami, projekční desku s kruhovou stupnicí, model spojky. Jak na to? Sestavíme optickou lavici, na její počátek umístíme zdroj s kondenzorovým nástavcem a clonou se třemi štěrbinami orientovanými vodorovně. Projekční desku upevníme přibliţně uprostřed pomocí svorky k optické lavici. Na projekční desku umístíme kruhovou stupnici a přichytíme model čočky. Svazek tří rovnoběţných paprsků necháme dopadat na dvojvypuklou spojku tak, aby střední paprsek procházel její optickou osou. Po průchodu paprsků čočkou se sbíhají v ohnisku. 2.6. Lom světla spojkou

- 19 -

Optická mohutnost spojky

2.7.

Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, 3 ks svorek, clonu se třemi štěrbinami, spojku f = + 15 cm, f = + 10 cm, f = + 5 cm, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Jak na to? Do levého stojanu optické lavice umístíme zdroj světla s kondenzorovým nástavcem a clonou. Do vzdálenosti asi 10 cm od zdroje upevňujeme pomocí svorky postupně všechny čočky, na které necháme dopadat paprsky tak, aby prostřední z nich se vţdy kryl s optickou osou čoček. Zjistíme polohu ohniska kaţdé z čoček a pomocí měřítka určíme jejich ohniskovou vzdálenost. Převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti v metrech udává optickou mohutnost čočky.

2.7. Optická mohutnost spojky

2.8. Zobrazování spojkou Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, 3 svorky, clonu se štěrbinou „K“, malou matnici, spojku f = + 10 cm, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Jak na to? Do levého stojanu optické lavice umístíme zdroj světla s kondenzorem a clonou se štěrbinou „K“. Na optické lavici - asi 30 cm od zdroje světla - umístíme pomocí stojanu a svorky čočku f = + 10 cm. Svorku s projekční deskou posunujeme po optické lavici dokud se na ní neobjeví ostrý obraz písmene „K“. Obraz předmětu je skutečný, výškově a stranově převrácený, zmenšený. Při posunutí zdroje do vzdálenosti 20 cm od čočky získáme na projekční desce skutečný obraz, výškově a stranově převrácený, stejně velký jako je předmět. Posuneme-li zdroj světla do vzdálenosti 13 - 17 cm od čočky, je obraz skutečný, výškově a stranově převrácený, zvětšený. Ve vzdálenosti zdroje méně neţ 10 cm jiţ obraz na stínítku nezachytíme, je tedy neskutečný, vzpřímený a zvětšený. V příručce k soupravě je tato úloha rozsáhlejší, vhodná pro fyzikální praktikum ţáků, při němţ zaznamenávají do tabulek dosaţené výsledky, kreslí schémata a vzájemně porovnávají čočky. 2.8. Zobrazování spojkou

- 20 -

2.9. Zobrazování rozptylkou Co všechno potřebujeme? 2 ks svorek, clonu se štěrbinou „K“, malou matnici, rozptylku f = - 10 cm, projekční desku s bílým papírem. Jak na to? Na zdroj umístíme s clonou „K“ i malou matnici a takto připravený zdroj připevníme na levou stranu optické lavice. Dále na optickou lavici uchytíme rozptylku a projekční desku. Obraz předmětu se nám nepodaří na stínítku zachytit, rozptylka vytváří obraz vţdy neskutečný (zdánlivý). Ten lze spatřit jedině jestliţe se na předmět podíváme jinou rozptylkou. Pak je obraz vţdy přímý a zmenšený.

2.10. Model dírkové komory Předchůdcem fotografického přístroje byla dírková komora. V ní se vytvářejí pomocí dírkové clony obrazy svítících předmětů, které lze pak zachytit na matnici. Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, 2 ks svorek, 2 ks drţáků plochých součástí, clonu s písmenem „K“, clonu s otvorem o průměru 1 mm, velkou matnici. Jak na to? Na sestavenou optickou lavici umístíme zdroj, na kterému je clona s písmenem „K“. Asi 10 cm od zdroje upevníme do optické lavice pomocí drţáku plochých součástí dírkovou clonu. Po zapnutí zdroje se na této cloně objeví stranově obrácené písmeno „K“. Seřídíme clonu tak, aby světelný paprsek procházel u písmene „K“ jeho středem, tedy spojnicemi tří čar tvořící písmeno „K“. Velkou matnicí umístěnou na opačné straně optické lavice posunujeme do té doby, dokud se nám na ní neobjeví ostrý obraz, výškově a stranově převrácený. Při větším otvoru dírkové clony by obraz byl jasnější ale méně ostrý, při menším otvoru ostřejší ale méně jasný. Pokud bychom dírkovou clonu nahradili čočkou (f = + 10 cm), získáme mnohem zřetelnější obraz na matnici, coţ je principem fotografického přístroje. 2.9. Model dírkové komory

2.11. Model fotografického přístroje Co všechno potřebujeme? 2 ks stojanů, 4 svorky k optické lavici, clonu se štěrbinou „K“, malou matnici, spojky f = + 15 cm, f = + 5 cm, rozptylku f = - 10 cm, velkou matnici, drţák plochých součástí.

- 21 -

Jak na to? Sestava je obdobná předcházejícímu experimentu. Místo dírkové clony umístíme na optickou lavici nejprve spojnou čočku f = + 5 cm. Velkou matnicí posunujeme, dokud se nám na ní neobjeví ostrý obraz písmene „K“. Čočka představuje objektiv, matnice film fotografického přístroje. Obraz je skutečný, stranově a výškově převrácený, zmenšený. Před čočku umístíme další čočky f = + 15 cm a f = - 10 cm těsně k sobě, a celou soustavou posunujeme, dokud opět nezískáme ostrý obraz na sítnici. Soustava čoček tvoří objektiv, který odstraňuje zkreslení a barevné okraje obrazu. Jeho celková mohutnost, i kdyţ obsahuje rozptylku, se vţdy chová jako spojka.

2.10. Model fotografického přístroje

2.12. Model diaprojektoru Diaprojektor (diaskop) je přístroj, kterým se promítají průhledné obrázky. Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, 2 ks svorek, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí, diapozitiv, projekční desku s bílým papírem. Jak na to? Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj, na opačný čočku, tvořící promítací objektiv. Těsně před zdroj umístíme pomocí drţáku plochých součástí diapozitiv. Po zapnutí světla posuvem diapozitivu po optické lavici zajistíme ostrost obrazu na projekční desce. Obraz je zvětšený, skutečný, stranově a výškově převrácený. Abychom obdrţeli obraz vzpřímený, musíme diapozitiv umístit výškově a stranově obráceně.

2.11. Model diaprojektoru

- 22 -

2.13. Model mikroskopu Mikroskop je optický přístroj zvětšující zorný úhel. To nám umoţňuje pozorovat detaily malých předmětů. Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, čočku f = + 5 cm, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí, bílou desku, drobný text. Jak na to? Na jeden konec optické lavice umístíme pomocí drţáků plochých součástí drobný text. Jako oporu pouţijeme bílou desku. Před text, do vzdálenosti asi 7 cm, umístíme na optickou lavici objektiv. Ten tvoří spojka s malou ohniskovou vzdáleností f = + 5 cm. Na opačný konec optické lavice pomocí svorky umístíme další čočku f = + 10 cm, tvořící okulár, kterým pozorujeme předmět. Předmět je nutno dostatečně osvítit, coţ provedeme zdrojem umístěným v samostatném stojanu mimo optickou lavici, poblíţ pozorované předlohy. Polohu okuláru upravíme tak, aby byl obraz předmětu ostrý. Obraz je zdánlivý, převrácený a zvětšený.

2.12. Model mikroskopu

2.14. Model hvězdářského dalekohledu Dalekohled je optický přístroj zvětšující zorný úhel. Sestava pouţitých čoček nám umoţňuje pozorovat vzdálené předměty. Hvězdářský (Keplerův) dalekohled se skládá ze soustavy dvou spojek. Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, 2 ks svorek, clonu se štěrbinou „K“, čočku f = + 15 cm, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí. Jak na to? Zdroj, na kterém je štěrbina „K“ tvořící pozorovaný předmět, umístíme mimo optickou lavici. Na optickou lavici umístíme spojku f = + 15 cm tvořící objektiv. Ten je vzdálen od zdroje asi 35 cm. Na druhý konec optické lavice umístíme čočku f = + 10 cm, tvořící okulár, kterým můţeme přímo pozorovat obraz vytvořený objektivem. Obraz je skutečný, zvětšený, stranově a výškově převrácený. 2.13. Model hvězdářského dalekohledu

- 23 -

2.15. Model Gallileova dalekohledu Gallileiův (holandský) dalekohled se principiálně skládá ze spojky a rozptylky. Spolu s Keplerovým dalekohledem jsou oba tvořeny čočkami, proto jsou řazeny do skupin čočkových dalekohledů, (refraktorů), na rozdíl od dalekohledů pouţívajících také zrcadla (Newtonův dalekohled). Co všechno potřebujeme? 3 ks stojanů, 2 ks svorek, clonu se štěrbinou s „K“, čočku f = + 15 cm, čočku f = - 10 cm. Jak na to? Zdroj se štěrbinou, tvořící pozorovaný předmět, umístíme mimo optickou lavici. Na optickou lavici pomocí svorek připevníme směrem k pozorovanému předmětu čočku f = + 15 cm tvořící objektiv. Poblíţ objektivu umístíme okulár tvořený čočkou f = - 10 cm. Okulárem posunujeme po optické lavici dokud nezískáme ostrý obraz, který je zdánlivý, přímý a zvětšený.

2.14. Model Gallileova dalekohledu

- 24 -

3. Optika III Popis soupravy: Souprava Haftoptik s níţ je prováděn soubor experimentů Optika III je určena k demonstraci optických jevů pomocí segmentů se silnými magnety. Ty umoţňují jejich fixaci na svislé kovové tabuli. Takovéto uspořádání umoţňuje demonstrace dobře viditelné pro ţáky. Výhodou sestavy je snadná manipulace se všemi prvky. Protoţe jednotlivé součásti mají zároveň malé rozměry, můţe se při experimentech pouţít současně více zdrojů světla, coţ demonstrace zefektivňuje. Současně je moţné přiloţenou tabuli vyuţívat k řadě grafických konstrukcí důleţitých pro některé optické jevy a jejich kvantifikaci. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 3.1. Přímočaré šíření světla 10 O 1 . 3.2. Vznik stínu [4 O 3; 6 S 1 ; 10 O 4, O 5. 3.3. Zatmění Slunce a Měsíce 10 O 7 . 3.4. Odraz světla [4 O 4; [6 S 3; [9 O 1, O 6; [10 O 8. 3.5. Zákon odrazu [4 O 4; [6 S 3; [9 O 1, O 6; [10 O 8. 3.6. Odraz světla na dutém zrcadle [4 O 26; [6 S 5; [9 O 2; [10 O 10. 3.7. Zobrazováním dutým zrcadlem [4 O 27; [6 S 6; [10 O 15. 3.8. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice [4 O 28. 3.9. Konstrukce virtuálního obrazu [4 O 27; [6 S 6; [10 O 15. 3.10. Zobrazování vypuklým zrcadlem [4 O 29; [10 O 16. 3.11. Lom světla [4 O 6; [6 S 9; [9 O 3; [10 O 17, O 18. 3.12. Lom na planparalelní desce a hranolu [4 O 8, O 11; [6 S 10; [9 O 4; [10 O 24. 3.13. Chod paprsků čočkou 4 O 31; 6 S 11; 9 O 5; 10 O 28. 3.14. Zobrazování spojkou 4 O 32; 6 S 12; 10 O 30. 3.15. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky 4 O 32, O 33. 3.16. Otvorová vada čočky 4 O 35; 6 S 13. 3.17. Hvězdářský dalekohled 4 O 40; 6 S 18; 9 str. 156-7; 10 O 39.

Základní literatura: 13 Pokusy se soupravou Paprsková optika, Praha, Komenium 1975

3.1. Přímočaré šíření světla Co všechno potřebujeme? Zdroj světla (stabilní součást všech experimentů, proto nebude dále uváděn), clonu se štěrbinou, 2 ks malých clon. Jak na to? Experiment prokazuje přímočaré šíření světla. Pomocí zdroje světla získáme rozbíhavý svazek paprsků, jemuţ do trasy přímočarého šíření postavíme dvě malé clony. Svazek paprsků za clonou je

- 25 -

opět rozbíhavý, za překáţku se světlo nešíří. V případě pouţití dvojité štěrbiny projde světlo pouze v případě, kdy jsou clony a zdroj světla v jedné přímce.

3.1. Přímočaré šíření světla

3.2. Vznik stínu Co všechno potřebujeme? 2 ks zdrojů světla, stínící těleso, planparalelní desku. Jak na to? Umístíme-li mezi zdroj světla a promítací plochu neprůhledné těleso, světlo se vzhledem ke své základní vlastnosti - přímočarému šíření, za ním nešíří. Za tělesem vznikne stín. Pokud pouţijeme k osvětlení tělesa dva zdroje, za předmětem vzniknou dva stíny, které se vzájemně překrývají. V tomto místě vzniká plný stín, v ostatních částech polostín.

3.2. Vznik stínu a polostínu

3.3. Zatmění Slunce a Měsíce Co všechno potřebujeme? Stínící tělesa (velká a malá polokoule). Jak na to? K zatmění jednoho tělesa dochází v případě, kdy jsou všechna v jedné přímce.

- 26 -

a) Zatmění Slunce. Zdroj světla představuje Slunce. Mezi něj a velké stínící těleso představující Zemi, umístíme malé stínící těleso představující Měsíc. Pozorovateli na Zemi se děj jeví jako zatmění Slunce.

3.3. Zatmění Slunce

b) Zatmění Měsíce. Mezi zdroj představující Slunce a malé stínící těleso znázorňující Měsíc, umístíme větší stínící těleso jako Zemi. Menší těleso - Měsíc, se dostává do stínu většího tělesa. Měsíc nepředstavuje vlastní zdroj světla, pouze sluneční světlo odráţí. Pozorovatel na Zemi Měsíc nevidí, protoţe ten není osvětlen, je ve stínu Země.

3.4. Zatmění Měsíce

3.5. Demonstrace zatmění Slunce pomocí soupravy Haftoptik

- 27 -

3.4. Odraz světla Tělesem můţe světlo procházet, můţe jím být pohlcováno nebo těleso můţe světlo Mnoţství odraţeného světla závisí na kvalitě odrazné plochy.

odráţet.

Co všechno potřebujeme? Malou clonu, planparalelní desku, zelený filtr, rovinné zrcadlo. Jak na to? Jednoduchý experiment s odrazem světla od rovinného zrcadla doplníme tím, ţe místo zrcadla pouţijeme k odrazu také planparalelní desku a zelený filtr. Také tato tělesa budou odráţet světelné paprsky ovšem ne tak dokonale jako u zrcadla.

3.6. Odraz světla

3.5. Zákon odrazu Experimentem ověřujeme jeden ze základních zákonů optiky: velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu. Odraţený paprsek leţí ve stejné rovině jako paprsek dopadající. Co všechno potřebujeme? Rovinné zrcadlo, úhlovou stupnici, 4 ks feritů. Jak na to? Pomocí 4 feritů připevníme na tabuli úhlovou stupnici. Na ni umístíme rovinné zrcadlo tak, aby nulová osa stupnice tvořila kolmici k zrcadlu v místě dopadu paprsku. Provedeme několik měření obou úhlů a vyhodnocením zákon ověříme.

3.7. Zákon odrazu

- 28 -

3.6. Odraz světla na dutém zrcadle Demonstrací prezentujeme základní parametry a pojmy dutého zrcadla - optická osa, vrchol zrcadla, ohnisko a význačné paprsky. Co všechno potřebujeme? Proměnné zrcadlo, značku pro ohnisko (F). Jak na to? Proměnné zrcadlo upravíme na duté a postupně na něj směřujeme význačné paprsky a registrujeme jejich chování po odrazu: Paprsek totoţný se směrem optické osy se odráţí zpět po stejní trajektorii; Paprsek rovnoběţný s optickou osou v paraxiálním prostoru zrcadla (5 - 8 cm od optické osy) se odráţí do ohniska. Místo v němţ odraţený paprsek protíná optickou osu označíme terčíkem „F“; Paprsek který prochází ohniskem se odráţí rovnoběţně s optickou osou. Ve všech případech se uplatňuje zákon odrazu.

3.8. Odraz světla na dutém zrcadle

3.7. Zobrazováním dutým zrcadlem Experiment je obdobný předcházejícímu. Pomocí význačných paprsků hledáme obraz předmětu, který duté zrcadlo zobrazuje. Co všechno potřebujeme? Proměnné zrcadlo, měřítko, zobrazovaný předmět. Jak na to? Pouţijeme předmět ve tvaru svislé šipky. Její pata leţí na optické ose a na ní se také zobrazuje. Pomocí význačných paprsků hledáme obraz bodu umístěného ve vrcholu šipky. Postupně získáme charakteristiku obrazu při různých polohách předmětu: a f : obraz skutečný, převrácený, zmenšený, a = f : obraz skutečný, převrácený, stejně velký jako předmět, a

f : obraz zdánlivý, přímý, zvětšený.

3.9. Zobrazováním dutým zrcadlem

- 29 -

3.8. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice Opět stejné sestavení experimentu jako u předcházejícího. Důraz je zde kladen na velikost obrazu a určení zvětšení získaného dutým zrcadlem. Zvětšení je dáno poměrem:

y´ y

Z

y : velikost předmětu, y´ : velikost obrazu. Z podobnosti trojúhelníků získáme zobrazovací rovnici pro zrcadlo:

1 f

1 1 a a´

Co všechno potřebujeme? Proměnné zrcadlo, měřítko, značky (F; f; a; a´; y; y´). Jak na to? Umístíme předmět dále od vrcholu zrcadla , neţ je jeho ohnisková vzdálenost. Na tabuli zakreslíme konstrukci obrazu. Porovnáním výšky předmětu a jeho obrazu zavedeme pojem příčné zvětšení.

3.10. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice

3.9. Konstrukce virtuálního obrazu Virtuální (zdánlivý) obraz předmětu získáme, pokud předmět umístíme blíţe k vrcholu zrcadla neţ je jeho ohnisková vzdálenost. Co všechno potřebujeme? Proměnné zrcadlo, měřítko, značky. Jak na to? Předmět umístíme do příslušné vzdálenosti. Zdánlivý obraz nelze zachytit na stínítku, získáme ho pouze konstrukcí za zrcadlem.

- 30 -

3.11. Konstrukce virtuálního obrazu

3.10. Zobrazování vypuklým zrcadlem Obraz vytvořený vypuklým zrcadlem je vţdy neskutečný (virtuální), proto jej nelze na stínítku zachytit. Tento experiment znázorňuje postup při konstrukci obrazu u vypuklého zrcadla. Co všechno potřebujeme? Proměnné zrcadlo, měřítko, značky. Jak na to? Zrcadlo upravíme na vypuklé. Předmět bude opět tvořit svislá šipka s patou na optické ose ve vzdálenosti přibliţně 2f od vrcholu zrcadla. Pomocí význačných paprsků získáme konstrukcí za zrcadlem obraz předmětu.

3.12. Zobrazování vypuklým zrcadlem

3.11. Lom světla Demonstrací představujeme chování světelného paprsku na optických prostředí: 2. Přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího. 3. Přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího. Současně ověřujeme platnost Snellova zákona (zákona lomu).

- 31 -

rozhraní

dvou

různých

Co všechno potřebujeme? Půlkruhovou desku, úhlovou stupnici, 4 ks feritů. Jak na to? a) Přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího realizujeme na přechodu světelného paprsku ze vzduchu do skla. Pomocí feritů připevníme na tabuli úhlovou stupnici tak, aby její nulová osa tvořila kolmici v místě dopadu světelného paprsku na rovinu půlkruhové desky. V daném případě dochází k lomu ke kolmici. Měníme úhel dopadu a na úhlové stupnici odečítáme úhel lomu ve skle. Ověřujeme zákon lomu za pouţití sinů úhlů a skutečnosti, ţe index lomu vzduchu je n1 1 a index lomu půlkruhové desky n2 = 1,52.

3.13. Lom světla ke kolmici b) Přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího provedeme tak, ţe necháme paprsek světla dopadat na oblou stěnu desky a pozornost věnujeme přechodu světla ze skla do vzduchu. Úhel dopadu je v tomto případě nutné měřit uvnitř půlkruhové desky. U vycházejícího paprsku z desky pozorujeme lom od kolmice.

3.14. Lom světla od kolmice

- 32 -

3.12. Lom na planparalelní desce a hranolu Experiment demonstruje charakteristické změny chodu světelného paprsku planparalelní deskou a hranolem. Co všechno potřebujeme? Planparalelní desku, optický hranol, pravítko. Jak na to? Světelný paprsek směřující ze zdroje na planparalelní desku nastavíme pod jiným neţ nulovým úhlem dopadu (měřeno od kolmice). Planparalelní deska způsobí dvojnásobný lom paprsku a vycházející paprsek je oproti původnímu rovnoběţně posunut přibliţně o 2 cm. Odchýlení od původního směru prokáţeme nákresem směru původního paprsku na tabuli, případně pouţijeme pravítka. Při prezentaci lomu světla hranolem směřujeme svazek paprsků šikmo na jednu ze stěn hranolu tak, aby vycházející paprsek byl dostatečně viditelný. Úhel, o nějţ hranol odchýlil původní paprsek, se nazývá deviace.

3.15. Lom na planparalelní desce a hranolu

3.13. Chod paprsků čočkou Jedním z optických zařízení vyuţívajícího principu lomu světla je čočka. Uvedená demonstrace ukazuje charakteristické vlastnosti a chování význačných paprsků procházejících čočkou. K experimentu pouţijeme různé čočky ze sady - spojku, rozptylku, ploskovypuklou čočku. Co všechno potřebujeme? Spojku, rozptylku, ploskovypuklou čočku, pravítko, značku pro ohnisko. Jak na to? Na různé čočky necháme dopadat význačné světelné paprsky a vyhodnocujeme jejich chod: Paprsek totoţný s optickou osou zůstává ze svého směru neodchýlen; Paprsky rovnoběţné s optickou osou se za čočkou protínají v jediném vodě - ohnisku; Paprsky procházející nejprve předmětovým ohniskem jsou za čočkou rovnoběţné s optickou osou.

3.16. Chod paprsků čočkou

- 33 -

3.14. Zobrazování spojkou Experiment je obdobný předcházejícímu. Demonstrujeme jím vznik obrazu předmětu spojkou pomocí význačných paprsků. Co všechno potřebujeme? Spojku, předmět ve tvaru šipky, pravítko, značku pro ohnisko. Jak na to? Předmět (svislá šipka o velikosti asi 3 cm s patou na optické ose) umístíme do vzdálenosti asi 36 cm od středu čočky. Vrcholem šipky vedeme význačné paprsky a jejich chod dokumentujeme zakreslováním na tabuli. Vzniklý obraz předmětu je skutečný, převrácený a zmenšený.

3.17. Zobrazování spojkou

3.15. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky Pouţijeme stejnou sestavu experimentu jako u předchozího. Těţištěm demonstrace je získání obrazu předmětu spojkou, vše doplníme postupnou konstrukcí příslušných trojúhelníků, z jejichţ podobnosti se zvětšení a zobrazovací rovnice odvozují. V obrázku z podobnosti trojúhelníků vyplývá:

a ´a ´f a f

1a ´ f af . a ´f . a ´

a po úpravě dostáváme zobrazovací rovnici:

1 f

1 1 a a´

Co všechno potřebujeme? Spojka, předmět ve tvaru šipky, pravítko, značky.

- 34 -

F

3.18. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky

Jak na to? Opakujeme pokus předcházející, zároveň rýsujeme příslušné paprsky na tabuli. Příslušné podobné trojúhelníky barevně šrafujeme a poté odvozujeme příslušné vztahy.

3.16. Otvorová vada čočky Charakteristický chod význačných paprsků, zvětšení čočkou a zobrazovací rovnice platí v omezeném prostoru poblíţ optické osy, v tzv. paraxiálním prostoru. Paprsky mimo tento prostor vykazují určité odchylky, které se jeví jako vady čoček. Jedna z nich je otvorová vada čočky. Co všechno potřebujeme? Spojnou čočku, krátkou clonu. Jak na to? Necháme procházet spojnou čočkou svazek tří rovnoběţných paprsků, uspořádaných tak, ţe jeden z nich je totoţný s optickou osou a další jsou postupně blíţ okraji čočky. Čím vzdálenější je paprsek od optické osy, tím větší je jeho zkreslení - ač rovnoběţný s optickou osou, neodráţí se do ohniska nýbrţ před něj. Tuto vadu lze odstranit clonou, která propouští pouze paprsky v paraxiálním prostoru.

3.19. Otvorová vada čočky

- 35 -

3.17. Hvězdářský dalekohled Princip hvězdářského dalekohledu pomocí soupravy Haftoptik je odlišný od předcházejících obdobných experimentů. Proto je opětovně zařazen do souboru demonstrací. Co všechno potřebujeme? Čočku ploskovypuklou, čočku spojnou, pravítko, list bílého papíru. Jak na to? Arch bílého papíru představující tubus dalekohledu umístíme do pravé poloviny tabule. Na něj umístíme čočky jako centrovanou optickou soustavu. Jako okulár bude slouţit spojka umístěna na pravou stranu archu. Ploskovypuklou čočku souose umístíme oblou stranou blíţe ke zdroji světla. Ohniska obou čoček mají totoţnou polohu. Na levou stranu tabule umístíme tři zdroje. Jeden z nich vytváří paprsek totoţný s optickou osou soustavy. Další zdroj vysílá paprsek, který necháme procházet předmětovým ohniskem ploskovypuklé čočky. Po průchodu čočkou pokračuje rovnoběţně s optickou osou soustavy. Paprsek třetího zdroje necháme procházet středem ploskovypuklé čočky. Ten nemění svůj směr. Pomocí uvedených paprsků zkonstruujeme obraz předmětu, na který se díváme okulárem tvořený lupou a kterou pozorujeme obraz vytvořený objektivem.

3.20. Hvězdářský dalekohled

- 36 -

4. Výboje v plynech Plyny jsou za obvyklých podmínek nevodivé. Ionizujeme-li je, stanou se prostřednictvím kladných iontů a elektronů vodivými a pokud se nacházejí v elektrickém poli, vzniká elektrický proud jako uspořádaný proud uvedených částic a to ve formě výboje. Za běţného atmosférického tlaku můţe nastat obloukový nebo jiskrový výboj. Umístíme-li elektrody do uzavřeného prostoru výbojové trubice, v níţ postupně sniţujeme tlak, dochází k doutnavému výboji, který má různý charakter podle velikosti tlaku v trubici.

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 4.1.

Jiskrový výboj [3] E 2.37; 5 E74; 9 E 42; [10] E 120b.

4.2.

Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku 3 E 2.40; 5 E 76; [9] E 45; [10] E 117.

4.3.

Vlastnosti katodového záření 3 E 2.42; 5 E 77; [9] E 46 - E 48; [10] E 118.

4.4.

Výbojová spektra plynů [4] O 67, O 68; [6] S 26; [10] E 124.

4.5.

Výbojky s doutnavým výbojem [3] E 2.41; 5 E 79; 7 E 330; [10] E 125.

4.1.

Jiskrový výboj

K uskutečnění experimentů této řady je pouţíván Ruhmkorffův induktor, s jehoţ principem činnosti a především s bezpečností při práci s ním je bezpodmínečně nutné se seznámit. Ruhmkorffův induktor 7 je transformátor s otevřeným jádrem. Pouţívá se pro buzení vysokého napětí.

4.1. Ruhmkorffův induktor Primární cívka je tvořena cívkou s malým počtem závitů vodiče na ocelovém jádře. Je připojována na zdroj stejnosměrného napětí. Proti jádru je na primární obvod umístěna kotva (3). Jedná se o elektromagnetický přerušovač pracující na principu Wagnerova kladívka (podobně jako u zvonku). Jeho funkčnost seřizujeme šroubem (5).

- 37 -

Zapínání a vypínání primárního proudu umoţňuje komutátor (4), slouţící téţ k přepínání polarity primárního obvodu. Sekundární cívku tvoří velký počet závitů délky mnoha kilometrů, vzájemně velmi dobře izolovaných v několika sektorech kvůli vysokému napětí, které se na něm vyvíjí. Vývody sekundárního vinutí jsou spojeny s jiskřištěm, tvořeném většinou deskou (1) a hrotem (2).

4.2. Ruhmkorffův induktor - schéma zapojení a princip činnosti Při zapojení primárního obvodu se zmagnetizuje jádro, to přitáhne kotvu a tím se primární obvod přeruší. Změna vyvolá vznik indukovaného napětí mnohem větších hodnot na sekundární cívce, dosahujícího několik desítek aţ stovky tisíc voltů. Systém doplňuje kondenzátor, který zabraňuje výboji v oblasti kotvy a v opalování kontaktů. Po zapojení přezkoušíme a seřídíme funkci přerušovače. Vodiče vysokého napětí se nesmí vzájemně kříţit, dotýkat se primárních přívodů a pokud moţno ani desky demonstračního stolu. Po skončení práce vypneme nejprve primární obvod. Sekundární napětí je správně polarizováno v případě výboje ve směru hrot – střed destičky. V opačném případě musíme změnit polaritu primárního obvodu komutátorem či přeměnou vodičů na akumulátoru. Není moţné pouţít jako zdroje usměrňovač! Jiskrový výboj probíhá za běţného atmosférického tlaku ve vzduchu. Poznámka: Transformátor nesmíme uvést do chodu bez zapojení elektrod jiskřiště! Mohlo by dojít k probití v oblasti sekundárního vedení a zničení celého transformátoru. Pozor: při práci s transformátorem je nebezpečí úrazu vysokým napětím. Co všechno potřebujeme Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, spojovací vodiče.

4.3. Demonstrace jiskrového výboje Jak na to? Vybíjecí elektrody transformátoru nastavíme do vzdálenosti asi 2 – 5 cm. Po jeho uvedení do chodu pozorujeme jiskrový výboj doprovázený praskotem a vznikem ozónu. Postavíme-li výboji do cesty např. papír, objevíme v něm malé otvory po výboji. Zvýšeného efektu dosáhneme při zatemnění místnosti.

- 38 -

4.2. Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku Budeme-li čerpat z výbojové trubice vzduch, postupně zvětšíme volnou dráhu elektronů a iontů. Za těchto podmínek vznikne samostatný výboj uţ při niţším napětí neţ u jiskrového výboje. Postupně bude v trubici vznikat doutnavý výboj. Čerpání vzduchu vyţaduje vývěvu a podstatně by zpomalilo samotný experiment. Ve školské praxi se proto pouţívá sada trubic s různým stupněm vakua. Co všechno potřebujeme? Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, sadu výbojových trubic se vzduchem různého tlaku, spojovací vodiče. Jak na to? Akumulátorovým zdrojem napájený Ruhmkorffův transformátor postupně připojujeme na trubice s různým tlakem. Vybíjecí elektrody nastavíme do vzdálenosti asi 8 cm. Při zapojování spojíme záporný pól s větší elektrodou (lepší chlazení), zpravidla je to horní svorka trubic. Protoţe jsou někdy na školách ještě sady trubic se staršími jednotkami tlaku, následující tabulka uvádí příslušný přepočet do SI soustavy a charakter světelných jevů v trubici. 4.4. Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku

Tabulka přepočtu jednotek tlaku

Jednotky Torr

Charakteristika výboje

Pa Souvislá, neklidně se vinoucí červená křivka začínající u anody a sahající téměř aţ ke katodě. Vznik anodového sloupce. Výboj se rozšíří do celé šíře trubice a zároveň se zkrátí. Od anody je oddělen tmavým Faradayovým prostorem. Na katodě se objevuje doutnavé katodové světlo.

40

5 320

10

1 330

6

798

3

399

0,14

19

Doutnavé světlo se od katody vzdaluje, vzniká zde tmavý Crookesův prostor. Katoda se pokrývá jasně ţlutou vrstvou.

0,03

4

Mizí světelné úkazy uvnitř trubice, stěny trubice nejintenzivněji proti katodě. Vznik katodového záření.

Anodový sloupec bledne, rozvrstvuje se. Tyto vrstvy mohou být v klidu nebo se mohou mírně pohybovat. Katodové světlo pokrývá celou katodu. Vrstevnatý sloupec přestává mít narůţovělou barvu, stává se matně bílým.

- 39 -

zeleně

světélkují,

4.3. Vlastnosti katodového záření Katodové záření je proud elektronů emitovaných katodou ve výbojové trubici s velmi nízkým tlakem. K demonstraci katodového záření slouţí celá řada katodových trubic různých tvarů a s řadou doplňků umoţňujících demonstraci vlastností katodového záření. Co všechno potřebujeme? Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, sadu katodových trubic, spojovací vodiče, magnet. Jak na to? a) Katodová trubice s křížem demonstruje přímočaré šíření záření. Na stěně trubice za kříţem pozorujeme zelenavou fluorescenci skla a ostrý stín kříţe. Katodové záření má fluorescenční účinky. Je-li obraz kříţe nezřetelný, je nutné změnit polohu komutátoru.

4.5. Katodová trubice s kříţem

b) Opakujeme pokus s katodovou trubicí s křížem. Přiblíţíme-li k ní tyčový magnet ze strany, shora, jedním pólem, druhým, a pozorujeme vychylování stínu kříţe. Ověřujeme tím skutečnost, ţe katodové záření je proud záporně nabitých částic.

4.6. Vychýlení stínu kříţe v katodové trubici

- 40 -

c) Katodová trubice s mlýnkem, který se lehce otáčí a zároveň posunuje po skleněných kolejničkách. Experimentem dokazujeme, ţe katodové záření je proud hmotných částic mající mechanické účinky. Proud elektronů uvede mlýnek do pohybu.

4.7. Katodová trubice s mlýnkem

d) Trubice s plíškem uprostřed katodové trubice demonstruje tepelné účinky katodového záření. Plíšek se uvnitř trubice rozţhaví. Poznámka: V zájmu bezpečnosti a ochrany zdraví ţáků omezíme experimenty jen na nezbytně nutnou dobu.

4.4. Výbojová spektra plynů Pomocí spektroskopu a výbojových trubic lze pozorovat emisní čárová spektra různých plynů: sodíku, draslíku, rtuti, neonu, vodíku, oxidu uhlíku, atd. V praxi je tento experiment výchozí pro podstatu spektrální anylýzy. Na školách bývá ve fyzikálních sbírkách sada výbojových trubic pod názvem Geisslerovy trubice. Co všechno potřebujeme? Soupravu trubic s různými plyny, Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, spektroskop, případně reostat 11 Ω/5,5 A. Jak na to? Trubice postupně připojujeme pomocí vodičů k Ruhmkorffovu transformátoru a pomocí spektroskopu 7 lze sledovat čárová spektra plynů.

4.8. Sada výbojových trubic s různými plyny

- 41 -

4.5. Výbojky s doutnavým výbojem Výbojky jsou skleněné trubice nebo baňky naplněné různými plyny (sodíkem, neonem, héliem) či parami kovů (rtuti). Výbojem mezi elektrodami vzniká elektromagnetické záření - světlo a ultrafialové záření. Ve školní výuce se pomocí výbojek demonstrují vlastnosti ultrafialového záření a pomocí výbojek s různými plyny k pozorování spektrálních čar. 3 Doutnavka je nízkotlaká výbojka (řádově 10 Pa), v níţ vzniká doutnavý výboj kolem katody. Zápalné napětí doutnavek je 80 - 150 V, pracovní proud 1 aţ 5 mA. V případě, ţe doutnavka nemá ve své patici ochranný rezistor (Gehrkeho trubice), je nutno jej do obvodu zařadit. Gehrkeho trubice je typ doutnavky s protáhlými drátovými elektrodami Ostatní doutnavky se pouţívají v praxi jako signální ke kontrole přítomnosti napětí, případně jeho polarity. Co všechno potřebujeme? Gehrkeho trubici, signální doutnavku, zdroj stejnosměrného napětí 0 - 250 V, zdroj síťového napětí, rotující zrcadlo, rezistor 30 kΩ. Jak na to? a) Pokusy s Gehrkeho trubicí Gehrkeho trubicí lze demonstrovat měnící se polaritu střídavého napětí. Připojíme-li ji na stejnosměrné napětí, bude svítit pouze katoda. Pozorováním trubice po přiloţení střídavého napětí, budou svítit obě elektrody. Necháme-li však toto světlo dopadat na rotující zrcadlo 7 , zjistíme, ţe elektrody svítí střídavě, podle toho která z nich je právě katodou.

30 kΩ

≈ = 4.9. Schéma zapojení Gehrkeho trubice

b) Pokusy s doutnavkou Signální doutnavku postupně připojíme ke zdroji stejnosměrného a střídavého napětí a opět pozorujeme její světlo přímo nebo v rotujícím zrcadle.

- 42 -

5. Studium vlastností vlnění na vodní hladině K demonstraci vlastností vlnění v izotropním prostředí je vhodná vodní hladina. Snadno se na ní vytvoří rozruch a jeho další šíření. Protoţe je voda průhledná, lze tyto děje pozorovat a demonstrovat ţákům pomocí projekce. Pro tento účel byl vyvinut přístroj WSP 220 7 nebo jeho novější verze pod názvem „Wellen wanne“. Popis přístroje: Souprava se pouţívá k demonstraci pokusů o vlnách. Jeho podstatou je vanička naplněná vodou, nejlépe destilovanou. Vlnění na vodní hladině vyvolává do ní ponořená mechanická chvějka a průběh dějů souvisejících s vlněním je pak moţné pomocí projekce sledovat na stínítku. 5.1. Přístroj na demonstraci vlnění Příprava přístroje Přístroj lze snadno sestavit podle obrázků v návodu: Nejprve na tři stativové tyče (2) umístíme vaničku (1). Pomocí tří stavěcích šroubů a vodováhy ji nastavíme do vodorovné polohy. Přístroj pak jiţ nepřemisťujeme na jiné místo. Poté do vaničky zašroubujeme dvě stativové tyče (7) na které nasuneme vodorovný třmen (8) a na něj připevníme pomocí šroubu stroboskopický kotouč s řídící jednotkou (9). Pod vaničku umístíme zrcadlo (6) a matné sklo (5), slouţící jako stínítko, na kterém můţeme pozorovat projekci vlnění na vodní hladině pro menší skupinu ţáků. Projekci je moţné realizovat téţ na plátno (1,5 x 1,5 m) nebo jen na stěnu třídy. Třmen pro stroboskop

Řídící jednotka 9 Stroboskopický kotouč

Stativové tyče

Vanička Úhlový úchyt Zrcadlo Stínítko

Plochý úchyt

Stativové tyče

5.2. Součásti přístroje

- 43 -

8 Třmen pro stroboskop

Stativové tyče pro stroboskop Vanička 1

Zrcadlo Úhlový úchyt

Stínítko Stativové tyče Plochý úchyt 5.3. Sestavení přístroje

Nakonec k vaničce namontujeme chvějku, kterou pak připojíme do zdířky „Vibration Generator“. Hloubku ponoření chvějky nastavíme optimálně tak, aby projekční obraz vlnění na vodní hladině byl nejzřetelnější. Do vaničky nalijeme přibliţně 500 ml destilované vody, do které můţeme kápnout 2 – 3 kapky saponátu. Roztok rozptýlíme rovnoměrně podél okrajů vaničky; zamezí se tak neţádoucím odrazům vlny na okrajích vaničky. Saponátem, slouţícímu k odmaštění příslušenství, můţeme rovněţ lehce potřít také nástavce, které upevňujeme na rameno chvějky. Přebytečnou vodu můţeme odstranit pomocí odsávacího balónku nebo pipety. Stroboskopickou jednotku připojíme ke stejnosměrnému zdroji napětí 12 V. Při zapojení je nutné dodrţet správnou polaritu přívodů. Červený konektor připojíme ke kladnému pólu zdroje a modrý k zápornému pólu zdroje. Na řídící jednotce stroboskopického kotouče nastavíme přibliţně frekvenci 30 Hz (pomocí knoflíku „Reg. Frequency“) a optimální zesílení pomocí knoflíku „Reg. Amplifier“. Tlačítkem „Synchron“ lze projekci obrazce zastavit. Připojením ručního ovládání „Remote kontrol“ se vyřadí z provozu chvějka a můţeme manuálně znázornit například „vhození kamene do vody“. Poznámka: Po ukončení práce je nutno jednotlivé součásti přístroje opláchnout a před uloţením do kufříku dobře osušit. Na přístroji lze demonstrovat téţ experimenty z hydrodynamiky - proudění kapaliny zúţenou trubicí, rovnici kontinuity, obtékání předmětů různých profilů a prezentovat tak laminární a turbulentní proudění.

- 44 -

Bodový násadec Dvoubodový násadec Lineární násadce Překáţka velká Překáţka malá Model rozptylky Model spojky Model planparalelní desky

Kapátko

5.4. Příslušenství

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 5.1.

Přímočaré šíření vlnění - pojem kruhové a rovinné plochy 2 V 27; 5 V 11; 8 V 35.

5.2.

Huygensův princip - kruhová vlnoplocha 2 V 28; 5 V 12.

5.3.

Huygensův princip - rovinná vlnoplocha 2 V 29; 5 V 12.

5.4.

Odraz vlnění 2 V 31; 5 V 13; 8 V 41.

5.5.

Ohyb vlnění 2 V 34, 5 V 14; 8 V 36.

5.6.

Lom vlnění 2 V 32; 5 V 15; 8 V 41.

5.7.

Lom vlnění na čočkách 8 V 42, V 43.

5.8.

Dopplerův jev 5 V 24.

5.9.

Interference vlnění v rovině 2 V 30; 5 V 16; 8 V 44.

5.1. Přímočaré šíření vlnění Co všechno potřebujeme? Přístroj pro studium vlnění na vodní hladině (přístroj je základní pomůckou při všech experimentech a proto nebude nadále v pomůckách uváděn), bodový a lineární (přímý) násadec k chvějce. Jak na to? Tvar vlnoploch tvořených chvějkou je dán tvarem násadce. Kruhové vlnoplochy lze vytvořit pomocí bodového násadce, rovinné vlnoplochy přímým násadcem. Demonstraci lze doplnit určením vlnové délky vlny na hladině a z nastavené frekvence stroboskopického kotouče rychlost šíření vlnění.

- 45 -

5.5. Kruhová vlnoplocha

5.6. Rovinná vlnoplocha

Vlnová délka

5.7. Demonstrace pojmu vlnová délka

5.2. Huygensův princip - kruhová vlnoplocha Co všechno potřebujeme? Bodový a lineární násadec, překáţky s jedním a více otvory. Jak na to? Do misky vloţíme překáţky s jedním, případně více otvory. Platnost Huygensova principu se projevuje ve skutečnosti, ţe tyto otvory se stávají dalšími zdroji vlnění a vlny se z nich šíří opět ve tvaru kruhových vlnoploch.

5.8. Šíření kruhové vlny za otvory

- 46 -

5.9. Šíření rovinné vlny za otvorem

5.3. Huygensův princip - rovinná vlnoplocha Co všechno potřebujeme? Lineární násadec, lineární překáţka s pravidelně rozmístěnými otvory. Jak na to? Dokazujeme platnost Huygensova principu u rovinné vlny. Pouţijeme sestavu experimentu podle obrázku 5.9. Za lineární překáţkou rovnoběţně umístěnou za lineárním násadcem se šíří vlnění nejprve ve tvaru polokruhových vlnoploch, ale v dostatečné vzdálenosti od překáţky budou vlnoplochy opět rovinné.

5.4. Odraz vlnění Co všechno potřebujeme? Jednobodový a lineární násadec, rovinnou překáţku. Jak na to? Experimentem demonstrujeme odraz vlnění na překáţce a zákon odrazu. Vloţením větší překáţky do směru šíření vlnění demonstrujeme zákon odrazu. Pomocí jednobodového násadce se odraţené vlnění jeví jako by vycházelo ze zrcadlově symetrického bodu S´. Demonstrací rovněţ můţeme ukázat vznik stínu za překáţkou.

5.10. Odraz kruhové vlny na rovinné překáţce

- 47 -

Při pouţití lineárního násadce získáme vlnou rovinnou. Tu necháme dopadat na rovinnou překáţku svírající se směrem lineárního násadce úhel přibliţně 45°. K důkazu platnosti zákona odrazu bychom mohli pouţít průsvitný úhloměrný kotouč umístěný pod překáţku.

5.11. Odraz rovinné vlny na rovinné překáţce

5.5. Ohyb vlnění Co všechno potřebujeme? Jednobodový násadec, malou a větší překáţku. Jak na to? Za malou překáţkou, srovnatelnou s vlnovou délkou vlnění dochází k ohybu vlnění. Vlnění se šíří i za překáţkou.

5.12. Šíření vlnění za překáţkou větších rozměrů

5.13. Šíření vlnění za překáţkou malých rozměrů

- 48 -

5.6.

Lom vlnění

Co všechno potřebujeme? Lineární násadec, polokruhovou destičku, smáčedlo, pryţový odsávací balónek. Jak na to? Rychlost vlnění na vodní hladině je úměrná hloubce kapaliny. Ve větší hloubce se šíří vlny rychleji a představuje tedy prostředí opticky řidší, v tenké vrstvě kapaliny je rychlost menší a představuje prostředí opticky hustší. Půlkruhovou destičku vloţíme do vaničky tak, aby na její rovinnou plochu dopadalo vlnění pod úhlem přibliţně 45°. Na kruhovou desku kápneme několik kapek saponátu a pryţovým balónkem zvolna doplňujeme hladinu vody, aţ se nad ní vytvoří jen tenká vrstva. Nad skleněnou plochou pozorujeme vlnoplochy hustší neţ ve větší hloubce, mají jiný směr, lámou se. Při pouţití průsvitného úhloměrného kotouče umístěného pod destičku lze kvantitativně lom ke kolmici prokázat.

5.14. Lom vlnění

5.7. Lom vlnění na čočkách Co všechno potřebujeme? Lineární násadec, modely čoček, smáčedlo, pryţový odsávací balónek. Jak na to? Stejnou vlastnost proudící kapaliny jako u předcházející demonstrace vyuţijeme u znázornění schopnosti čoček soustřeďovat nebo rozptylovat šířící se vlnění.

5.15. Model spojky

5.16. Model rozptylky

- 49 -

5.8. Demonstrace Dopplerova jevu na vodní hladině Dopplerův jev nastává při pohybu zdroje vlnění v pruţném prostředí, kdy je tento pohyb vnímán s odlišnou frekvencí a vlnovou délkou. Co všechno potřebujeme? Jednobodový násadec. Jak na to? Do proudící vody umístíme chvějku s jednobodovým násadcem jako zdroje vlnění a sledujeme zhuštění vlnoploch ve směru proti proudu a zřeďování vlnoploch za chvějkou, tedy Dopplerova jevu. Dopplerův jev lze téţ demonstrovat jednoduše pohybem násadce chvějky podél vaničky konstantní rychlostí.

5.17. Modelování Dopplerova jevu

5.9. Interference vlnění Pokud se mechanické vlnění šíří v pruţném prostředí ze dvou či více různých zdrojů, dochází ke skládání, uplatňuje se princip superpozice jev nazýváme interferencí vlnění. Co všechno potřebujeme? Dvoubodový násadec, vícepólový násadec. Jak na to? Při pouţití dvoubodového nástavce chvějky dostáváme interferenční obraz vlnění od dvou koherentních zdrojů a pozorujeme místa, v nichţ vznikají minima (místa, jejichţ vzdálenost od zdroje vlnění tvoří lichý násobek počtu půlvln) a maxima (místa, jejichţ vzdálenost od zdroje vlnění tvoří sudý násobek počtu půlvln).

5.18. Interference dvou vlnění

5.19. Řády interferenčního maxima

- 50 -

6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu Souprava „Makromodely látek ve fyzice ZDŠ“ 7 je sice podle autorů určena především pro ZDŠ, lze ji však s úspěchem vyuţít i na středních školách, včetně gymnázií. Je určena na prezentaci modelování základních jevů a procesů především v molekulové fyzice, zahrnuty jsou i modely struktury polovodičů typu P a N. Koncepce soupravy je volena tak, aby formou projekce přiblíţila strukturu mikrosvěta pomocí modelu, který odpovídá kinetické teorii stavby látek. Hlavní součásti soupravy jsou vzduchový stůl který se ukládá na vrchní desku projektoru a vzduchový generátor. Dále souprava obsahuje řadu příslušenství. Poznámka: Při prezentaci fyzikálních jevů ţákům je vhodné zdůraznit, ţe se jedná o modelové a tedy i v mnohém zjednodušené znázornění mikrosvěta. Předejdeme tak vytvoření formálních a zkreslených představ, ţe částice látek se chovají jako „magnety“, jimiţ jsou v soupravě znázorněny. Pořadí experimentů není stanoveno podle fyzikálně tématických celků, nýbrţ odpovídá optimální organizaci práce se soupravou.

6.1. Vzduchový stůl na zpětný projektor

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 6.1.

Brownův pohyb 14 MP-A.2.

6.2.

Difúze 14 MP-A.3.

6.3.

Rozpínavost a stlačitelnost plynů 14 MP-A.6.

6.4.

Rozpínání plynu otvorem nádoby 14 MP-A.7.

6.5.

Rovinný model plynu v gravitačním poli Země 14 MP-B.4.

6.6.

Rovinný model krystalové mříţky 14 MP-A.10.

6.7.

Fyzikální princip zvyšování teploty látky 14 MP-C.1.

6.8.

Zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty 14 MP-C.6.

6.9.

Vypařování kapaliny 14 MP-C.7.

6.10.

Model kovového vodiče 14 MP-C.8.

6.11.

Model polovodiče typu N 14 MP-C.9.

6.12.

Model polovodiče typu P 14 MP-C.10.

Základní literatura: 14 Ondrejka, S. - Klemon, V.: Molekulová fyzika a termika (příručka k soupravě) Poznámka: Uvedený soubor experimentů je specificky určen pro danou soupravu. Z tohoto důvodu je v literatuře uveden pouze základní pramen a v dalším textu stručný popis demonstrace.

- 51 -

Brownův pohyb Co všechno potřebujeme? Vzduchový stůl, projektor, vzduchový generátor (tyto základní součásti jsou pouţívány při všech experimentech a proto nebudou dále v pomůckách uváděny), 20 ks červených feritových krouţků, modrý feritový krouţek, zelený feritový krouţek.

6.2. Vzduchový stůl

6.3. Vzduchový generátor s hadicí

6.4. Červený feritový krouţek (ø16 mm)

6.5. Modrý feritový krouţek (ø 48 mm)

Jak na to? Model Brownova pohybu lze uskutečnit ve dvou variantách: a) Na vodorovný vzduchový stůl umístíme 20 červených feritových krouţků a jeden krouţek modrý, mající větší hmotnost (jsou na něm upevněny čtyři feritové krouţky). Kroužky pokládáme na stůl ploškami plexiskla dolů. Po zapnutí vzduchového generátoru počnou naráţet červené feritové krouţky do méně pohyblivého modrého krouţku a ten začne vykonávat nepravidelný pohyb.

6.6. Model Brownova pohybu

- 52 -

b) Ve druhé variantě nahradíme modrý krouţek zeleným, mající stejnou hmotnost jako červené ferity. Vlivem nárazů červených feritů vykonává nepravidelný pohyb, který lze promítnout na školní tabuli a křídou zaznamenat mnoţinu poloh, jimiţ zelený krouţek při svém neuspořádaném pohybu prošel.

6.2. Difúze Co všechno potřebujeme? 12 ks červených feritových krouţků, 12 ks zelených feritových krouţků, tenkou tyčku z nemagnetického materiálu (moţno pouţít manipulační tyčku). Jak na to? Tyčku z nemagnetického materiálu poloţíme přes obvodový rám vzduchového stolu umístěného ve vodorovné poloze tak, aby jeho plochu dělila na poloviny a zároveň nebránila pohybu feritů. Do jedné poloviny umístíme 6 zelených feritových krouţků, do druhé 6 červených feritů. Pokud není zapnut vzduchový generátor, feritové krouţky nevykonávají ţádný pohyb a kaţdá z barev si zachovává svůj prostor, který neopouští. Po zapnutí generátoru začnou částice vykonávat neuspořádaný pohyb, v jehoţ důsledku část feritů jedné z barev pronikne do prostoru barvy druhé. Po určité době se obě barvy feritů promísí. Při pouţití plného počtu feritů je jejich vzájemné pronikání pomalejší.

6.7. Model difúze

Demonstrace znázorňuje proces nazvaný difúze. Při stavu, kdy by se částice nepohybovaly, by k difúzi nedocházelo. Současně experiment ukazuje rychlejší difúzi látek s niţším počtem částic v daném objemu (plyny) a pomalejší u látek s větším počtem částic ve stejném objemu (látky pevné). Lze rovněţ demonstrovat závislost rychlosti difúze na teplotě, kterou simulujeme zvýšením výkonu vzduchového generátoru.

- 53 -

6.3.

Rozpínavost a stlačitelnost plynů

Co všechno potřebujeme? 18 ks červených feritových krouţků, magnetický píst, vodící element magnetického pístu.

6.8. Magnetický píst

6.9. Červený feritový krouţek

Jak na to? Demonstraci, znázorňující rozpínavost a stlačitelnost plynů, bude zřejmě předcházet ukázka neuspořádaného pohybu částic, jako jedné ze základních vlastností plynných látek. Poté pomocí posuvného pístu s vodícím elementem rozdělíme plochu vzduchového pístu na dvě stejné části. Po zapnutí vzduchového generátoru vykonává 6 - 8 feritů neuspořádaný pohyb a vyplňují prostor vymezený pístem. Zvětšováním prostoru se vzdálenosti feritů zvětšují a jejich rychlost se zmenšuje. Zmenšováním uzavřeného prostoru nebo přidáním dalších feritů je počet jejich sráţek větší. Demonstrace představuje model plynu a jeho základní vlastnosti, jako je tekutost, rozpínavost, stlačitelnost a snadná změna tvaru.

6.10. Model rozpínavosti a stlačitelnosti plynů

- 54 -

6.4.

Rozpínání plynu otvorem nádoby

Co všechno potřebujeme? 10 feritových červených krouţků, magnetickou bariéru se štěrbinou.

6.11. Červený feritový krouţek

6.12. Magnetická bariéra se štěrbinou

Jak na to? Modelový experiment je doplněním a rozšířením předcházejícího, kdy částice plynu přecházejí otvorem v nádobě do dalšího prostoru. Vzduchový stůl rozdělíme magnetickou bariérou na dvě stejné části. Do jedné z částí poloţíme feritové krouţky a zapneme vzduchový generátor. Ferity začnou vykonávat neuspořádaný pohyb, při němţ jich část pronikne otvorem v bariéře do volného prostoru. Pokud jsou tyto prostory shodné velikosti, mohou ţáci po určité době zaznamenat shodný počet částic v obou nádobách. Proces lze urychlit zvýšením rychlosti částic. Model představuje plyn uzavřený v nádobě a jednu z jeho vlastností - rozpínavost. Plyn se postupně z daného prostoru rozpíná. Tento děj probíhá do té doby, dokud není počet částic v obou částech přibliţně stejný.

6.13. Model rozpínání plynu otvorem nádoby

- 55 -

6.5.

Rovinný model plynu v gravitačním poli Země

Co všechno potřebujeme? 25 ks červených feritových krouţků, plochou magnetickou bariéru.

6.14. Červený feritový krouţek

6.15. Plochá magnetická bariéra

Jak na to? Mírným nakloněním vzduchového stolu je simulováno působení gravitačního pole Země na částice plynu, které představuje 25 feritů. Ty se vlivem naklonění vzduchového stolu hromadí v jeho spodní části. Demonstrace ukazuje skutečnost, ţe vzduch má částicové sloţení. Pokud na tyto částice působí gravitační síla, v důsledku snadné stlačitelnosti plynu je hustota částic blíţe středu Země větší. Pokus je vhodné zařadit do učiva o atmosférickém tlaku.

Směr gravitační síly Země

6.16. Rovinný model plynu v gravitačním poli Země

- 56 -

6.6. Rovinný model krystalové mřížky Co všechno potřebujeme? 25 ks oranžových feritových kroužků (ø 28 mm), manipulační tyčku.

6.17. Oranţový feritový krouţek

6.18. Manipulační tyčka

Jak na to? Model představuje sloţení pevných krystalických látek z částic (atomů), kmitajících kolem rovnováţných poloh. Částice znázorňují feritové krouţky, které se po spuštění vzduchového generátoru na malý výkon z důvodu menšího prostoru uspořádají do pravidelné struktury a vykonávají kmitavý pohyb kolem rovnováţné polohy. Vychýlíme-li některý z feritů z jeho polohy, rychle se vrátí do původní polohy. Model představuje vzájemné silové působení mezi částicemi v krystalové mříţce látky. Výsledkem je soudrţnost pevné látky, zachování tvaru a v případě mírné deformace návrat látky do původního tvaru.

6.19. Rovinný model krystalové mříţky

- 57 -

6.7. Fyzikální princip zvyšování teploty látky Co všechno potřebujeme? 6 ks oranţových feritových krouţků, manipulační tyčku.

6.20. Oranţový feritový krouţek

6.21. Manipulační tyčka

Jak na to? Na vzduchový stůl ve vodorovné poloze vloţíme feritové krouţky a spustíme vzduchový generátor, jehoţ výkon postupně sniţujeme na minimum aţ krouţky zaujmou pozice v určité lokalitě vzduchového stolu. Pokud manipulační tyčkou udělíme jednomu z feritů impuls, ten jej předá prostřednictvím pruţné sráţky dalšímu nejbliţšímu feritovému krouţku, ten se srazí s dalším krouţkem a po krátkém čase vykonávají ferity neuspořádaný pohyb. Model znázorňuje změnu vnitřní energie tělesa prostřednictvím konání práce vnějších sil. Vnější sílu na modelu představuje impuls, který udělíme jednomu z feritových krouţků. Částice získá vyšší kinetickou energii, kterou prostřednictvím sráţky s jinou částicí dále předává na další částice a postupně na celý soubor. Navenek se to projeví zvýšením teploty tělesa a zvětšením jeho vnitřní energie.

6.22. Model zvyšování teploty látky

- 58 -

6.8. Zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty Co všechno potřebujeme? 17 červených feritových krouţků, tenkou tyčku z nemagnetického materiálu.

Jak na to? Demonstrační experiment lze zařadit do učiva, týkající se změny objemu těles při tání a tuhnutí. V první fázi demonstrace, při vypnutém vzduchovém generátoru, seřadíme feritové krouţky do pravidelné struktury u spodního kraje mírně nakloněného vzduchového stolu. Přes rám vzduchového stolu poloţíme tyčku z nemagnetického materiálu. Tímto způsobem znázorňujeme pravidelnou strukturu pevné látky zachovávající svůj tvar a objem. Ve druhé fázi, zapnutím vzduchového generátoru, feritové krouţky začnou vykonávat neuspořádaný pohyb, ferity se vzájemně od sebe více vzdálí a vyplňují větší část prostoru. Částice pevného tělesa se dodáním tepla vzájemně od sebe vzdálí, těleso zvětší svůj objem a některé z částic dokonce mohou opustit těleso. Tato fáze představuje ohřátí látky na teplotu tání.

6.23. Model zvětšení objemu tělesa při zvýšení teploty

- 59 -

6.9. Vypařování kapaliny Co všechno potřebujeme? Drţák dynamické mříţky, transparentní desku, magnetickou bariéru plochou, 14 zelených feritových krouţků.

6.24. Drţák dynamické mříţky

6.25. Transparentní deska

6.26. Magnetická bariéra plochá

Jak na to? Vzduchový stůl ustavíme do základní polohy, přišroubujeme drţák, přibliţně do poloviny vloţíme transparentní desku a na ní poloţíme plochou magnetickou vloţku směrem dolů. Na stůl umístíme 14 feritových krouţků. Po zapnutí vzduchového generátoru pozorujeme, ţe většina feritů se pohybuje v ohraničené části pracovní plochy. Při nárazech na silové pole magnetické bariéry se ferity vlivem odpudivých sil vracejí zpět do určeného prostoru. Některé z feritů však překonají tuto bariéru a dostávají se za ní. V modelové situaci magnetická bariéra představuje volnou hladinu kapaliny. Zvýšením výkonu generátoru vzduchu modelujeme dodání tepla kapalnému tělesu. Některé částice tím získají větší kinetickou energii, umoţňující tuto bariéru překonat - kapalina se začne vypařovat. Některé částice se při tom mohou opět vracet zpět do kapaliny. Při určitém výkonu vzduchového generátoru lze pozorovat vyrovnaný počet částic v kapalině a nad její volnou hladinou nastává stav dynamické rovnováhy mezi kapalinou a párou. V uzavřené nádobě se tento stav páry nazývá sytá pára.

6.27. Model vypařování kapaliny

- 60 -

6.10. Model kovového vodiče Co všechno potřebujeme? Drţák dynamické mříţky, dynamickou mříţku, 25 ks červených feritových krouţků.

6.28. Drţák dynamické mříţky

6.29. Dynamická mříţka

6.30. Montáţ dynamické mříţky na vzduchový stůl

Jak na to? Vzduchový stůl je ustaven ve vodorovné poloze. Na pracovní plochu poloţíme 25 feritových krouţků. Na okraj vzduchového stolu připevníme drţák dynamické mříţky a nasadíme dynamickou mříţku. Její výšku nastavíme na maximální hodnotu. Po spuštění vzduchového generátoru vykonávají volné feritové krouţky neuspořádaný pohyb a při svých nárazech na fixované ferity dynamické mříţky zvyšují rychlost jejich kmitavého pohybu a opačně, pokud jemně rozkmitáme dynamickou mříţku, rychlost pohybu volných feritů se zvýší. Uspořádání představuje model kovového vodiče v podobě krystalické mříţky s vázanými ionty (fixované ferity) a volnými elektrony(volné ferity), které se neuspořádaně pohybují a tvoří elektronový plyn. Rostoucí teplota, simulovaná zvýšením výkonu vzduchového generátoru, způsobuje růst rychlosti a tím i kinetické energie volných elektronů. Nakloněním vzduchového stolu lze modelovat vliv vnějšího elektrického pole na pohyb elektronů.

- 61 -

6.31. Model kovového vodiče

6.11. Model polovodiče typu N Co všechno potřebujeme? Dynamickou mříţku, drţák dynamické mříţky, 28 ks červených feritových krouţků. Jak na to? Vzduchový stůl ustavíme do základní polohy. Oproti předcházející demonstraci na pracovní plochu stolu umístíme 28 feritů tak, aby jejich poloha odpovídala polohám 25 fixovaných feritů na dynamické mříţce. Nad pracovní mříţku připevníme dynamickou mříţku, jejíţ svislou polohu nastavíme na střední stupeň (3 dílek stupnice). Po spuštění vzduchového generátoru pozorujeme, ţe 25 z 28 volných feritů zaujme polohu pod fixovanými ferity mříţky a zbývající tři ferity se volně pohybují mezi nimi. Demonstrace je součástí učiva o vedení elektrického proudu v polovodičích. Volné ferity představují elektrony, jejichţ větší část je vázána do atomové struktury polovodiče. Tři volně pohybující se ferity představují volné elektrony a celek tak modelově znázorňuje polovodič s převahou volných elektronů, tedy polovodič typu N. Při sklonu vzduchového stolu můţeme usměrnit pohyb těchto elektronů a napodobit tak vliv vloţeného elektrického pole.

6.12. Model polovodiče typu P Co všechno potřebujeme? Dynamickou mříţku, drţák dynamické mříţky, 22 ks červených feritových krouţků. Jak na to? Demonstrační experiment je obdobou předcházejícího s tím rozdílem, ţe na pracovní plochu vzduchového stolu rozmístíme o tři feritové krouţky méně neţ je na modelu krystalické mříţky. V tomto případě zůstávají tři místa v krystalové mříţce neobsazeny elektrony a model znázorňuje polovodič typu P.

- 62 -

7. Pokusy se zpětným projektorem Soubor následujících demonstračních experimentů vyuţívá projekční přístroj ( např. Meotar), který patří mezi standardní vybavení škol a učeben určených pro výuku fyziky. Vesměs se jedná o experimenty, jejichţ realizace má za cíl jednak je zviditelnit ţákům, nebo se při nich vyuţívá jeho příznivých optických vlastností. Uvedené demonstrace jsou jen úzkým výběrem z mnoha dalších, které lze touto formou ţákům lépe, názorně a atraktivně prezentovat.

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 7.1. Polarizace světla polaroidem 4 O 51; 6 S 32; 9 O 19. 7.2. Fotoelasticita 4 O 51; 6 S 32; O 19. 5.7. Rozklad světla hranolem 4] O 8, O 64; 6] S 27; 9] O 9; 10] O 26. 5.8. Odraz světla na rovinném, dutém a vypuklém zrcadle 4 O 18, O 21, O 22, O 23, O 24, O 25; 6 S 2, S 3, S 5; 7 S 303; 9 O 1, O 6, O 2; 10 O 8, O 10, O 11. 7.5. Orientace vektoru magnetické indukce (Oerstedův pokus) 3 E 4.1; E 4.4; 6 E 128; 10 E 54. 7.6. Magnetické pole permanentního magnetu 3 E 4.9; 6 E 140; 10 E 52. 7.7. Vedení elektrického proudu v elektrolytu 7.8. Zobrazení elektrických siločar 3 E 1.18; 5 E 30; 9 E 6; 10 E 6.

11. Polarizace světla polaroidem Jednoduchým a názorným způsobem lze demonstrovat vznik a charakter polarizovaného světla získaného pomocí polarizačních filtrů. Co všechno potřebujeme? Zpětný projektor(stabilní součást všech experimentů, proto nebude dále uváděn), dva polarizační filtry (polarizátor a analyzátor), papírové stínítko.

7.1. Papírová stínítka Jak na to? Na skleněnou desku projekčního přístroje, který představuje zdroj nepolarizovaného světla, umístíme papírové stínítko, v jehoţ středu je kruhový otvor. Stínítko zabraňuje rušivému průchodu světla kolem polarizačních filtrů poloţených na kruhový otvor. Pokud jsou polarizační roviny analyzátoru a polarizátoru shodné orientace, světlo jimi prochází. Jestliţe jsou tyto roviny vzájemně kolmé, světlo prochází jen minimálně. Efektu docílíme vzájemným natáčením jednoho z polarizátorů.

- 63 -

Poznámka: Polarizační filtry jsou například součástí Demonstrační soupravy pro optiku.

7.2. Mechanický model polarizace světla

7.2. Fotoelasticita Jedna z mnoha moţností vyuţití polarizovaného světla je v oblasti fotoelasticimetrie, která zkoumá průběh mechanických napětí v různých materiálech. Mechanickou deformací modelu součástky vyrobeného z organického skla se vyuţívá jeho anizotropie vůči polarizovanému světlu a tím se diagnostikuje jeho mechanické namáhání. Co všechno potřebujeme? Dva polarizační filtry, papírové stínítko, pásek a krouţek z plexiskla, deformační krouţek.

7.3. Deformační krouţek

Jak na to? Uspořádání experimentu je shodné s předešlým. Mezi polarizátor a analyzátor vkládáme deformovatelné předměty z plexiskla. Analyzátor natočíme na minimální intenzitu prošlého světla a v polarizovaném světle pozorujeme elasticitu projevující se soustavou barevných pruhů zatěţovaných předmětů, podle nichţ se usuzuje na rozloţení tlaků a tahů ve zkoumaném modelu.

- 64 -

7.4. Deformace pásku plastu v polarizovaném světle

7.5. Deformace kruhu z plastu v polarizovaném světle

7.3.

Rozklad světla hranolem

Disperzi světla nejčastěji demonstrujeme pomocí optického hranolu. Necháme-li dopadat úzkou štěrbinou paprsky bílého světla na lámavou stěnu hranolu, světlo se v něm dvakrát láme a na projekční stěně lze pozorovat hranolové spektrum Co všechno potřebujeme? Trojboký skleněný hranol, papírové stínítko, stavitelnou štěrbinu, stojan s kruhovým nástavcem, karton papíru. Jak na to? Na skleněnou desku monitoru poloţíme papírové stínítko a stavitelnou štěrbinu, kterou vymezíme svazek paprsků. K projektoru umístíme stojan s kruhovým nástavcem, na nějţ umístíme skleněný hranol na papírovém kartonu, slouţícím jako podloţka tak, aby paprsky světla vycházející z projektoru procházely skleněným hranolem. Natáčením hranolu získáme na stínítku (zdi místnosti) světelné spektrum. Stojan je moţné téţ postavit opatrně na desku projektoru.

7.6. Rozklad světla hranolem

- 65 -

7.4.

Odraz světla na rovinném, dutém a vypuklém zrcadle

Co všechno potřebujeme? Papírovou trojštěrbinu, rovinné zrcadlo, kovovou fólii. Jak na to? Projektor umístíme stranou od projekční plochy (školní tabule). Pomocí trojštěrbiny, poloţené na vodorovné desce vytvoříme na projekční stěně nebo na tabuli tři rovnoběţné světelné paprsky. Pomocí rovinného zrcadla můţeme změnit jejich chod a demonstrovat tak zákon odrazu. Na tabuli je moţné zaznamenat chod paprsků křídou a dokumentovat platnost zákonu odrazu. Obdobně postupujeme pouţitím dutého a vypuklého zrcadla, které vytvoříme improvizovaně pomocí příslušné deformace kovové folie.

7.5. Orientace vektoru magnetické indukce (Oerstedův pokus)

Oerstedův pokus demonstruje magnetické vlastnosti elektrického proudu pomocí magnetky umístěné poblíţ vodiče. Co všechno potřebujeme? Panel s vodičem, dva přívodní vodiče, magnetku, akumulátor, (reostat 10 - 15 /5 A).

7.7. Schéma zapojení Jak na to? Na skleněné desce projekčního přístroje umístíme pod panel s vodičem magnetku. Vodič orientujeme souhlasně s podélnou osou magnetky. Po připojení proudu k vodiči se magnetka odchýlí od původního směru a to v souhlase se směrem magnetického pole, vytvořeného kolem přímého vodiče. Jeho směr lze určit Ampérovým pravidlem. Poznámka: protoţe vodič připojujeme ke zdroji prakticky bez zatíţení, omezíme průchod proudu pouze na nezbytně nutnou dobu k pozorování daného jevu a za pouţití pouze 1 – 2 akumulátorových článků, případně pouţijeme reostat 10 - 15 /5 A. 7.8. Silové působení mezi magnetkou a proudovodičem

- 66 -

7.6. Magnetické pole permanentního magnetu Model magnetického pole permanentního magnetu zvýrazníme a zprostředkujeme všem ţákům projekčním přístrojem. Co všechno potřebujeme? Plexisklo, permanentní magnety různých tvarů, ţelezné piliny. Jak na to? Na projekční přístroj postupně umisťujeme permanentní magnety tyčového, kruhového a podkovovitého tvaru, na ně pokládáme desku z plexiskla. Desku řídce posypeme ţeleznými pilinami. Ty vytvoří obraz, představující model magnetických indukčních čar. U nejběţnějšího tyčového magnetu se nejvíce pilin soustředí na jeho obou pólech, nejméně jich bude uprostřed, v tzv. netečném pásmu magnetu.

7.9. Modely magnetického pole permanentních magnetů Postupně demonstrujeme magnetické pole dvou tyčových, případně kruhových magnetů mezi opačnými a souhlasnými póly. Poklepáním na desku docílíme optimálního rozmístění pilin. Poznámka: Modely takto prezentované jsou pouze rovinným znázorněním magnetických indukčních čar. Ve skutečnosti jsou tyto myšlené čáry v prostorovém uspořádání. Způsob ukládání magnetů a jejich údrţba je popsána v 7 .

7.10. Model magnetického pole mezi dvěma permanentními magnety

- 67 -

7.7. Vedení elektrického proudu v elektrolytu Na rozdíl od klasických demonstrací vedení elektrického proudu v roztocích modré skalice, chloridu sodného, v tomto experimentu ukazujeme elektrolýzu jako děj v její procesuální stránce. Co všechno potřebujeme? Skleněnou desku s vaničkou, olověné elektrody, octan olovnatý, vodiče, akumulátor. Jak na to? Skleněnou desku s vaničkou nejprve očistíme a poté ji poloţíme na skleněnou desku zpětného projektoru. Vloţíme do ní olověné elektrody a nalijeme elektrolyt - octan olovnatý. Elektrody zapojíme do obvodu s akumulátorem. Po chvíli se začnou v blízkosti katody tvořit viditelné řetízky a na katodě se počne vylučovat olovo.

7.11. Vedení elektrického proudu v elektrolytu

Poznámka: Při experimentu je nutno dbát na to, aby se prostřednictvím „řetízků olova“ nespojily obě elektrody a nezkratovaly tak obvod. Při práci pouţívejte gumové rukavice a po skončení práce si důkladně umyjte ruce.

7.8.

Zobrazení elektrických siločar

Modelové znázornění elektrického pole spojená s projekcí a jeho frontální prezentaci všem ţákům přináší následující demonstrace. Co všechno potřebujeme? Petriho misky s elektrodami, ricinový olej, sypátko s krupicí, indukční elektriku, spojovací vodiče. Jak na to? Na desku zpětného projektoru poloţíme Petriho misku s elektrodami. Obě elektrody připojíme spojovacími vodiči k pólům indukční elektriky 7 . Do suché misky s elektrodami nalijeme ricinový olej do výše asi 3 mm a na jeho povrch nasypeme sypátkem malé mnoţství krupice. Poté velmi pomalým

- 68 -

nabíjením elektrod indukční elektrikou vytvoříme elektrické pole, jehoţ model tvoří řetězově uspořádaná krupicová zrnka. Znázornit lze elektrické pole bodového náboje, pole mezi dvěma deskami, pole dvou souhlasných a nesouhlasných nábojů, ukázat můţeme koncentraci náboje na hrotu vodiče, můţeme vytvořit model elektrického pole při bouřce. Poznámka: při propojování elektrod s indukční elektrikou je nutno dbát na to, aby se spojovací vodiče vzájemně nedotýkaly, nekříţily a nebyly v bezprostředním styku s kovovými částmi projektoru.

7.12. Souprava na modelování elektrického pole

- 69 -

8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky

I.

Aerodynamický tunel

Aerodynamický tunel je technické zařízení umoţňující demonstraci odporu prostředí vůči tělesům různých tvarů. Jeho hlavní součástí je zdroj proudícího vzduchu, anemometr (aerodynamické váhy) a sada tělísek různých tvarů.

8.1. Aerodynamický tunel s příslušenstvím

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? I. Aerodynamický tunel 8.1. Odpor prostředí 1 M 129, M 130, M 131; 5 M 90, M 91, M 92; 8 M 171, M 172; 10 M 95. 8.2. Aerodynamická vztlaková síla 1 M 128; 5 M 93; 8 M 174, M 175; 10 M 101, M 102.

II. Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky 8.3. Rovnoměrný pohyb. Relativnost klidu a pohybu, skládání pohybů 1 M 3; * 5 M 14 - 16; * 10

M 21.

8.4. Dráha a rychlost rovnoměrného pohybu * 1 M 5; * 5 M 17; * 8 M 3 - M 5. 8.5. Pohyb zrychlený * 1 M 12, M 13; * 5 M 20, M 21; * 8 M 6, M 7; 10 M 22. 8.6. Pohyb zpomalený * Obdobné experimenty uvedené v příslušné literatuře za použití jiných prostředků.

- 70 -

I. Aerodynamický tunel 8.1. Odpor prostředí Odporová síla, kterou indikujeme pomocí anemometru v proudícím vzduchu, závisí na několika faktorech: a) na rychlosti proudícího vzduchu, b) na velikosti obsahu kolmého průřezu obtékaného tělesa, c) na tvaru tělesa, d) na hustotě prostředí. Následující demonstrace se zaměřují na první tři vlivy. a) Závislost odporu prostředí na rychlosti proudícího vzduchu

Co všechno potřebujeme? Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat.

8.2. Závislost odporu prostředí na rychlosti proudícího vzduchu

Jak na to? Do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, upevníme jednu z kruhových desek. Postupně měníme reostatem výkon vzduchového dmychadla, tím i rychlost proudícího vzduchu. S rostoucí rychlostí proudícího vzduchu roste aerodynamická odporová síla. Tuto skutečnost opět zaznamená ukazatel anemometru.

b) Závislost odporu prostředí na obsahu kolmého průřezu obtékaného tělesa Co všechno potřebujeme? Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. Jak na to? Do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, upevňujeme kruhové desky různých obsahů průřezu. V proudícím vzduchu vykazuje deska s větším obsahem průřezu větší odporovou sílu. Tuto skutečnost evidentně prokazuje ukazatel anemometru.

- 71 -

c) Závislost odporu prostředí na tvaru tělesa Co všechno potřebujeme? Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. Jak na to? Postupně do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, připevňujeme tělesa s různým profilem - kruhová, čtvercová deska, dutá polokoule obrácená dutinou proti směru proudění vzduchu, vypuklou stranou proti směru proudění vzduchu, těleso kapkovitého tvaru. U kaţdého profilu zachováme stejnou rychlost proudění vzduchu. Měřením zjistíme výraznou závislost aerodynamické odporové síly na různých profilech. Největší odporovou sílu vykazuje dutá koule, nejmenší těleso kapkovitého tvaru. Dojdeme k závěrům obdobným, jako ukazuje následující přehled:

8.3. Závislost odporu prostředí na tvaru tělesa

8.2.

Aerodynamická vztlaková síla

Rozdílem tlaků na horní a dolní plochu pohybujícího se křídla vzniká dynamický vztlak, který je principem létání letadel. Co všechno potřebujeme? Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. Jak na to? Do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem vodorovné osy, upevníme model křídla. Na protější konec vahadla umístíme závaţí, kterým celý systém vyváţíme. Model křídla umístíme před ústí tunelu do vzdálenosti asi 15 -20 cm a nastavíme úhel náběhu přibliţně 5°. 8.4. Obtékání křídla letadla proudícím vzduchem

- 72 -

Silové působení na model křídla je sloţitější neţ u těles základních tvarů. Demonstrace prokazuje existenci aerodynamické vztlakové síly, která v reálu udrţuje letadlo ve vzduchu. Velikost aerodynamické vztlakové síly závisí: a) Na rychlosti proudění vzduchu - s rostoucí rychlostí vzrůstá vztlaková síla, b) na úhlu náběhu - v jistých mezích se vzrůstajícím úhlem náběhu vzrůstá vztlaková síla.

8.5. Působení vztlakové aerodynamické síly na křídlo letadla

II.

Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky

Tento druh demonstrací má své specifické místo v přiblíţení fyziky a fyzikálních jevů ţákům. Některé fyzikální demonstrace lze provádět s prostředky, které se běţně uţívají k jiným účelům. Mohou to být běţné potřeby v domácnosti, různé předměty denní potřeby a také hračky. K vyuţívání těchto prostředků ke školním demonstracím nás někdy nutí nedostatečné materiální vybavení fyzikální sbírky učebních pomůcek, na druhé straně pouţívání těchto improvizovaných prostředků má pozitivní vliv na ţáky: zbavuje fyziku přílišného akademismu, přibliţuje ţákovi řadu fyzikálních jevů prostřednictvím předmětů, které dobře zná, jsou mu daleko bliţší, pomáhají mu odstranit psychické bariéry a obavy ze všeho, co s fyzikou souvisí. Celá řada hraček a zábavných předmětů je zaloţena na nějakém fyzikálním principu, často vyuţívají specifických vlastností určité látky. Ţáci je běţně pouţívají při hraní, aniţ si plně uvědomují na jakém principu pracují. Zařazením těchto improvizovaných prostředků do výuky vyučující navazuje na osobní zkušenosti ţáků, motivuje je odpovídajícím způsobem k pozorování a poznávání řady fyzikálních jevů. Výroba improvizovaných prostředků jejich vyuţívání vyučujícím svědčí o jeho tvůrčím přístupu k výuce svého předmětu, invenci a hledání nových cest, jak fyziku ţákům zpřístupnit a přiblíţit .

8.3. Rovnoměrný pohyb. Relativnost klidu a pohybu, skládání pohybů Demonstrace různých druhů pohybu těles provádíme pomocí dětských hraček. Co všechno potřebujeme? Pásové vozidlo na baterie, prkénko s kolečky nebo se dvěma a více válečky, pás pevnějšího papíru formátu přibliţně A1. Jak na to? Pomocí uvedených pomůcek lze různým způsobem demonstrovat pohybové stavy vozidla a to vţdy vůči nějaké vztaţné soustavě spojené s podloţkou, na níţ se nachází, s demonstračním stolem či místností. Jednoduchá sestava umoţňuje demonstrovat celou řadu jevů: Rovnoměrný pohyb vozidla po podloţce, která je v klidu vůči stolu; Vozidlo je v klidu, pohybuje se podloţka (vpřed, vzad) – vztaţná soustava, relativnost klidu a pohybu;

- 73 -

Vozidlo se pohybuje vpřed, podloţkou pohybujeme opačným směrem tak, aby vozidlo zůstávalo v klidu vůči demonstračnímu stolu - vztaţná soustava, relativnost klidu a pohybu; Vozidlo drţíme v klidu se spuštěným pohonem tak, aby svými pásy posouvalo podloţku pod sebou; Skládání rychlostí – vozidlo se pohybuje po podloţce, kterou zároveň pohybujeme vpřed a vzad tak, aby směr jeho výsledné rychlosti byl vpřed i vzad; Vozidlo je v pohybu po podloţce, kterou zároveň pohybujeme kolmo ke směru pohybu vozidla ve vodorovném směru. Vozidlo s podloţkou lze také zvedat a spouštět zpět na demonstrační stůl – skládání rychlostí; Na větší arch papíru, představující řeku, poloţíme vozidlo. To nyní představuje loď - skládání dvou pohybů.

8.4. Dráha a rychlost rovnoměrného pohybu Co všechno potřebujeme? Pásové vozidlo, autíčko na baterie, stopky, svinovací metr nebo pásmo (asi 3 m), pás papíru, fixy, barevné křídy, lepící pásku, papírové značky z kartonu. Jak na to? Pomocí dvou vozidel, majících rozdílné rychlosti, lze demonstrovat následující jevy rovnoměrného pohybu: Jedno z vozidel uvedeme do pohybu na demonstračním stole nebo na podlaze. K určování jeho uraţené dráhy za určitý časový interval slouţí délkové měřidlo, které k podloţce připevníme např. lepící páskou. V intervalech délky přibliţně 3 s se měří jednotlivé úseky dráhy a celková dráha rovnoměrného pohybu. Lze sestrojit tabulku a graf závislosti dráhy na čase a provést k jednotlivým parametrům rovnoměrného pohybu diskusi.

8.6. Rovnoměrný pohyb vozidla

- 74 -

Podél měřidla pustíme obě vozidla s rozdílnou rychlostí. Barevnými křídami (nejlépe odpovídající barvám vozidla) se zakreslují úseky dráhy ve stejných časových intervalech a z těchto údajů se určí rychlost vozidel. Pomalejší z vozidel uvedeme do pohybu dříve a za určitý časový interval vozidlo rychlejší. Měříme a ověřujeme místo a čas jejich setkání. Obě vozidla uvedeme do pohybu současně ve stejném směru, ale pomalejšímu vozidlu přidělíme určitý „dráhový náskok“.

8.7. Rovnoměrný pohyb dvou vozidel s různými rychlostmi Obě vozidla uvedeme do pohybu proti sobě z větší vzdálenosti a určíme dobu setkání a dráhy obou vozidel. Na základě stanovení průměrné rychlosti ověříme naměřené hodnoty veličin výpočtem.

- 75 -

8.8. Rovnoměrný pohyb dvou vozidel v opačných směrech

8.5.

Pohyb zrychlený

Co všechno potřebujeme? Kuličku, vodící dráhu, svinovací metr, stopky. Jak na to? Nejjednodušší demonstraci zrychleného pohybu lze realizovat spuštěním kuličky z vrcholu nakloněné roviny. Tu vytvoříme pomocí svinovacího kovového metru, upevněného na vodící dřevěné dráze. Svinovací metr svým profilem tvoří vedení pro pohyb kuličky. Sklon dráhy volíme malý, tak, aby rychlost nebyla příliš vysoká a mohla tak bt snadněji zjištěna zvětšující se dráha ve stejných časových intervalech.

8.9. Zrychlený pohyb tělesa

8.6.

Pohyb zpomalený

Co všechno potřebujeme? Setrvačníkové autíčko, metronom, papírové značky. Jak na to? Přeloţením tuţšího papíru sestrojíme papírové značky, které se rozmístí na demonstrační stůl do stejně dlouhých úseků (40 – 60 cm). Metronom určuje stejně dlouhé časové intervaly, v nichţ vozidlo

8.10. Zpomalený pohyb vozidla

- 76 -

urazí při svém zpomaleném pohybu postupně kratší dráhové úseky – v daném čase nedorazí k následující značce. Experiment můţeme obměnit tím, ţe budeme v průběhu pohybu vozidla v daných časových intervalech klást na podloţku papírové značky. Úseky drah které vozidla urazí se budou postupně zmenšovat. Na základě znalosti délky dráhy a času pohybu lze určit průměrnou rychlost vozidla v jednotlivých úsecích i na celkové dráze.

- 77 -

9. Demonstrace setrvačných sil; Brownův pohyb Základní vlastností rotujících těles je setrvačnost. Ke studiu této vlastnosti slouţí nejlépe setrvačníky (gyroskopy). V nejjednodušší formě se jedná o Schmidtovy setrvačníky. Jsou to ocelové otáčivé kotouče s volnou osou, vzhledem k níţ má těleso velký moment setrvačnosti. K dostatečnému roztočení setrvačníků slouţí elektromotorek s pryţovým kotoučem, na nějţ setrvačník přiloţíme a kde získá potřebnou rotaci. Při demonstračních experimentech jde především o to, ukázat stálost rotační osy setrvačníku a vliv silové dvojice na tuto osu. Jiným zařízením, slouţící k demonstraci setrvačnosti těles, je odstředivý stroj. Skládá se ze dvou kotoučů spojených hnacím řemenem, jejichţ osy mají svislý směr. Na hnacím kotouči je klika, kterou prostřednictvím převodu uvádíme do rotačního pohybu různá zařízení u nichţ setrvačnost studujeme.

Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 9.1. Demonstrace dostředivé síly kónickým kyvadlem 1 M 51; 8 M 48. 9.2. Závislost odstředivé síly na hmotnosti tělesa, vzdálenosti od osy otáčení a frekvenci otáček 1 M 52, M 53; 8 M 49. 9.3. Wattův odstředivý regulátor 8 M 51. 9.4. Deformace kruhu vlivem rotace - Besselovy kruhy 8 M 56. 9.5. Foucaultovo kyvadlo 8 M 108. 9.6. Seebeckova siréna 2 A 3; 5 V 18; 8 V 49; 10 Z 2. 9.7. Vlastnosti setrvačníků 1 M 81; 8 M 103 - 106. 9.8. Zákon zachování mechanické energie 1 M 83, M 84; 2 M 73; 3 M 54, 9.9. Brownův pohyb 5 T 10; 2 T 2 3 T 5.

9. 1. Demonstrace dostředivé síly kónickým kyvadlem Nejjednodušším experimentem, ukazujícím existenci a důsledky dostředivé síly, je kónické (kuţelové) kyvadlo. Jedná se o model matematického kyvadla, které se uvádí do rotačního pohybu. Hmotná koule tak opisuje kruhovou dráhu, jejíţ rovina má vodorovný směr.

 Fo

 FG

Co všechno potřebujeme? Kouli, závěs délky přibliţně 1 m, stativ, případně měřítko, stopky.

9.1. Kuţelové kyvadlo

Jak na to? Kyvadlo uvedeme silovým impulsem do rotačního pohybu tak, aby zavěšená koule opisovala kruţnici ve vodorovné rovině. Dostředivá síla postupně způsobí ukončení otáčivého pohybu kyvadla a jeho uvedení do klidového stavu. Demonstraci lze doplnit ověřením vztahu pro periodu matematického kyvadla.

- 78 -

9. 2. Závislost odstředivé síly na hmotnosti tělesa, vzdálenosti od osy otáčení a frekvenci otáček Odstředivá síla u rotujícího tělesa závisí na několika parametrech, vyplývajících ze vztahu:

F

4mπ 2 f 2 r

Velikost odstředivé síly je závislá na hmotnosti rotujícího tělesa, frekvenci otáčení a vzdálenosti od osy rotace. Následující demonstrace dokládají platnost výše uvedeného vztahu. a) Závislost odstředivé síly na hmotnosti tělesa Co všechno potřebujeme? Odstředivý stroj, dvě koule na třmenu o stejných a různých hmotnostech.

9.2. Odstředivý stroj

Jak na to? Na rotující část odstředivého stroje upevníme třmen se dvěma propojenými koulemi různých hmotností. Koule v klidu mají stejnou vzdálenost od osy otáčení a budeme jimi otáčet stejnou frekvencí. Krátce po uvedení do otáčivého pohybu hmotnější koule přetáhne kouli s menší hmotností neboť na hmotnější kouli působí větší odstředivá síla.

b) Závislost odstředivé síly na vzdálenosti od osy rotace Co všechno potřebujeme? Odstředivý stroj, dvě koule na třmenu o stejných hmotnostech. Jak na to? Na rotující část odstředivého stroje upevníme třmen se dvěma koulemi stejných hmotností. Koule umístíme před roztáčením ve třmenu asymetricky. Po roztočení vzdálenější koule přetáhne druhou kouli, neboť na ní vzhledem ke vzdálenosti od osy rotace působí větší odstředivá síla.

c) Závislost odstředivé síly na frekvenci otáčení Co všechno potřebujeme? Odstředivý stroj, dvě koule na třmenu o různých nebo stejných hmotnostech.

- 79 -

Jak na to? Opakujeme pokus podle a) nebo b) s tím, ţe otáčíme velmi pomalu a pozvolna zvyšujeme rychlost. K příslušnému jevu, popsaném výše, dojde teprve při určité frekvenci otáčení, kdy odstředivá síla překoná síly třecí ve třmenu. S rostoucí frekvencí tedy roste i odstředivá síla.

9. 3. Wattův odstředivý regulátor Wattův odstředivý regulátor je jedním z mnoha způsobů vyuţití setrvačnosti v praxi. V tomto případě se vyuţíval především k regulaci otáček u parního stroje. Co všechno potřebujeme? Wattův odstředivý regulátor, odstředivý stroj.

Jak na to? Wattův odstředivý regulátor jsou dvě koule umístěné na společné ose a zároveň na posuvných ramenech fixovaných na stejné ose. Regulátor umístíme do odstředivého stroje a ten uvedeme do pohybu. Koule se na ramenech regulátoru při rotaci začnou vzdalovat od osy. Tohoto pohybu, závisejícím na rychlosti otáčení, bylo vyuţíváno k uzavírání přívodu páry do pracovního válce parního stroje.

9.3. Wattův odstředivý regulátor

9. 4. Deformace kruhu vlivem rotace - Besselovy kruhy Vlivem rotace tělesa můţe docházet k jeho částečné deformaci. Tuto skutečnost je moţné ukázat pomocí Besselových kruhů. Tvoří je několik ocelových pásů na koncích přichycených k ose rotace. V klidu zaujímají pásy tvar koule. Co všechno potřebujeme? Besselovy kruhy, odstředivý stroj. Jak na to? Při uvedení Besselových kruhů do otáčivého pohybu se konce pásů vlivem volného pohybu po ose deformují do eliptického tvaru tím více, čím je rotační rychlost vyšší. Uvedeným jevem se vysvětluje např. také vznik zploštění Země.

- 80 -

9.4. Besselovy kruhy

9. 5. Foucaultovo kyvadlo Foucaultovo kyvadlo tvoří kruhová deska, v jejímţ středu je upevňovací třmen a jímţ prochází osa otáčení. Na obvodu desky je k ní kolmo upevněn rám ve tvaru obráceného písmene U. Co všechno potřebujeme? Foucaultovo kyvadlo, odstředivý stroj. Jak na to? Model Foucaultova kyvadla upevníme do odstředivého stroje. Do jeho rámu upevníme matematické kyvadlo a rozkýveme jej. Po uvedení Foucaultova kyvadla do otáčivého pohybu rovina kyvů matematického kyvadla zůstává zachována i přes to, ţe zároveň vykonává rotační pohyb.

9.5. Foucaultovo kyvadlo

9. 6. Seebeckova siréna Seebeckova siréna je kovový kotouč, v němţ jsou v soustředných kruţnicích pravidelně od sebe vyvrtány otvory. Proti otvorům je vháněn vzduch a siréna vydává tóny o určité frekvenci. Co všechno potřebujeme? Seebeckovu sirénu, odstředivý stroj, zúţenou trubičku.

Jak na to? Po roztočení sirény na odstředivém stroji a foukání zúţenou trubičkou kolmo k otvorům na kotouči se mění tón sirény podle počtu otvorů na obvodu kruţnice a frekvenci otáčení. Vyšší tón registrujeme při vyšší frekvenci otáčení nebo foukáním do většího počtu otvorů na obvodu kruţnice.

9.6. Seebeckova siréna

- 81 -

9. 7. Vlastnosti setrvačníků Setrvačníky mají řadu důleţitých a zajímavých vlastností. Ve školních sbírkách bývá souprava Schmidtových setrvačníků, na nichţ lze tyto vlastnosti demonstrovat. Uvedení setrvačníku do rotačního pohybu se nejlépe uskuteční pomocí upraveného elektromotorku. Mezi nejdůleţitější vlastnosti setrvačníků patří: a) Stálost osy volného setrvačníku, b) Vliv silové dvojice na osu rotujícího setrvačníku.

9.7. Setrvačník s podloţkou

9.8. Uvedení setrvačníku do rotačního pohybu

a) Stálost osy volného setrvačníku Uvedeme-li setrvačník do otáčivého pohybu, má jeho vektor momentu hybnosti směr rotační osy. Nepůsobí-li na něj ţádná vnější síla, zůstává směr otáčení osy stálý a setrvačník zachovává směr své rotační osy. Na vodorovné podloţce zachovává setrvačník, roztočený okolo svislé osy, svislý směr své osy, pokud na něj nepůsobí vnější síla nebo jeho vlastní tíhová síla při malé rychlosti otáčení. Co všechno potřebujeme? Sadu Schmidtových setrvačníků, elektromotor. Jak na to? Pomocí elektromotoru uvedeme do rotačního pohybu různé setrvačníky a demonstrujeme jejich charakteristické vlastnosti: Labilní poloha setrvačníku při nulové nebo nízké rychlosti otáčení Stabilita setrvačníku a zachování směru osy rotace při vysoké rychlosti a s větším momentem setrvačnosti U prudce roztočeného setrvačníku je nutné vynaloţit značnou sílu, potřebnou ke změně polohy osy

- 82 -

b) Vliv silové dvojice na osu rotujícího setrvačníku Předcházející experimenty ukázaly stabilitu a schopnost setrvačníků setrvat v daném pohybovém stavu. Několik dalších pokusů ukazuje jaké jsou důsledky silového působení na rotující setrvačník. Co všechno potřebujeme? Schmidtův setrvačník, podloţní desku, setrvačník na kloubovém závěsu, Fesselův přístroj, elektromotor. Jak na to? Roztočený setrvačník postavíme hrotem na podloţní desku tak, ţe jeho osu nakloníme. Ta pak opisuje plášť kuţele s vrcholem v bodu dotyku s deskou, koná precesní pohyb. Roztočíme-li setrvačník v kloubovém závěsu tak, aby osa otáčení byla ve vodorovném směru, setrvačník zachovává tento vodorovný směr osy. Ta koná opět precesní pohyb jako v předchozím případě.

9.9. Precese zavěšeného setrvačníku Na Fesselově přístroji vyváţíme setrvačník do vodorovné polohy protizávaţím (Z). Kruhy K1 a K2 necháme ve vzájemně libovolné poloze. Roztočíme setrvačník podél jeho osy libovolně skloněné. Pak uchopíme přístroj za podstavec a libovolně jím pohybujeme. Osa volného setrvačníku zachovává svou polohu.

o1

o2

9.10. Fesselův přístroj Kruh K1 nastavíme vodorovně, K2 svisle. Otáčíme-li tyčí kolem svislé osy O1 , která má stejný smysl rotace jako osa roztočeného setrvačníku, zachovává osa setrvačníku smysl

- 83 -

otáčení. Otáčíme-li však tyčí v opačném směru, převrátí se setrvačník s kruhem K2 o 180°. Nastavíme-li kruh K1 svisle, K2 vodorovně a otáčíme tyčí kolem osy O2 mající stejný smysl rotace jako osa roztočeného setrvačníku, nepozorujeme ţádnou změnu směru osy setrvačníku, ani smyslu jeho rotace. Otáčíme-li tyčí v opačném směru, otočí se osa setrvačníku opět o 180° aby souhlasily smysly rotace osy setrvačníku a osy otáčení tyče. Závěr: osa setrvačníku se otáčí tak. aby splynula s osou vnucené rotace. Přitom však s ní nesplyne a dochází k precesnímu pohybu.

9. 8. Zákon zachování mechanické energie Zákon zachování mechanické energie lze kromě jiného prezentovat následujícími demonstracemi: pomocí Galileova kyvadla a prostřednictvím Maxwellova setrvačníku. a) Zákon zachování mechanické energie pomocí Galileova kyvadla Co všechno potřebujeme? Galileovo kyvadlo, zaráţku, tabuli, křídu. Jak na to? Kyvadlo, přibliţně 1 m dlouhé, umístíme těsně před tabuli a uvedeme do kmitavého pohybu. Křídou na tabuli označíme vodorovnými čarami jeho rovnováţnou polohu a výšku při nejvyšší krajní výchylce. Po rozkývání kyvadla pozorujeme, ţe kulička vystupuje po určitou dobu stále do stejné výšky. Je tomu tak i tehdy, jestliţe závěsu kyvadla postavíme do cesty zaráţku v podobě hřebíku, kolíku, či pouhým přidrţením tuţky, které postavíme do dráhy závěsu kyvadla a tím změníme jeho délku. Dokázali jsme zákon zachování mechanické energie. 9.11. Zákon zachování mechanické energie pomocí Galileova kyvadla

b) Zákon zachování mechanické energie pomocí Maxwellova setrvačníku Maxwellův setrvačník je setrvačník s vodorovnou osou, zavěšený na dvou závěsech upevněných na stojanu. Závěsy jsou navineme na obě jeho ramena, setrvačník tak zaujme nejvyšší polohu a tím i svou maximální potenciální energii. Co všechno potřebujeme? Maxwellův setrvačník, stojan.

- 84 -

Jak na to? Maxwellův setrvačník spustíme z výšky. Ten při svém klesání a současné rotaci zvyšuje své otáčky a tedy i kinetickou energii rotační na úkor potenciální energie. Ve své nejniţší poloze má minimální potenciální a maximální kinetickou energii, která se v tomto okamţiku počne přeměňovat zpět na potenciální - závěsy se začnou zpět navinovat na osu setrvačníku a ten dosáhne téměř původní výšky. Poznámka: Vlivem třecích a odporových sil se v obou případech postupně část mechanické energie přemění na vnitřní energii soustavy a okolního prostředí a pohyb setrvačníku se zastaví.

9.12. Maxwellův setrvačník

9. 9. Brownův pohyb Brownův pohyb patří mezi nejdůleţitější důkazy stálého a neuspořádaného pohybu částic v látkách. Molekuly látky při něm naráţejí na „Brownovu částici“. Pokud je rozměr této částice dosta-6 tečně malý (řádově 10 m), projeví se to na jejím nepravidelném trhavém pohybu. Pokusy ukazují, ţe rychlost Brownovy částice roste s rostoucí teplotou pozorovaného vzorku. Co všechno potřebujeme? Mikroskop s příslušenstvím, osvětlovací lampu, vodové barvy. Jak na to? Na podkladní sklíčko kápneme silně zředěný roztok vodové barvy (nejlépe modré). Nepouţíváme krycí sklíčko. Objektiv lze ponořit v případě nutnosti přímo do vodního roztoku. Na mikroskopu volíme vhodné zvětšení (okulár 6x -1x, objektiv 10x - 45x). Brownův pohyb zachytíme, pokud se soustředíme na některou trhavě se pohybující částečku. Poznámka: pokus lze provést téţ s jinými látkami – pylem ve vodě, čínskou tuší, latexovou barvou, vţdy dostatečně zředěnými. Šiklova osvětlovací lampa se pouţívá, pokud není osvětlení roztoku dostatečné.

- 85 -

Použitá literatura: 1

Svoboda, E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 1. Praha, Prometheus 1997.

2

Svoboda, E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 2. Praha, Prometheus 1997.

3

Svoboda, E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 3. Praha, Prometheus 1999.

4

Svoboda, E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 4. Praha, Prometheus 2001.

5

Svoboda, M. a kol.: Praktikum školních pokusů I. Praha, Univerzita Karlova 1996 .

6

Svoboda, M. a kol.: Praktikum školních pokusů II. Praha, Univerzita Karlova 1996.

7

Svoboda, M. a kol.: Praktikum školních pokusů III. Praha, Univerzita Karlova 1995.

8

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

9

Ţouţelka, J. - Fuka, J.: Pokusy z fyziky na středních školách II. díl. Praha, SPN 1971.

10 Mazáč, J. - Hlavička, A.: Praktikum školních pokusů z fyziky pro studující pedagogických fakult. Praha, SPN 1968. 11 Daberger, J.: Pokusy s demonstrační soupravou pro optiku na základní devítileté škole a školách II. cyklu - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967. 12 Ondráček J.: Pokusy se ţákovskou soupravou pro vyučování optice na základní devítileté škole - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967. [13] Pokusy se soupravou Paprsková optika, Praha, Komenium 1975. [14] Ondrejka, S. - Klemon, V.: Molekulová fyzika a termika (příručka k soupravě), Banská Bystrica, Učebné pomôcky 1985.

Poznámka: Literatura není uvedena v abecedním pořadí, nýbrţ podle její aktuálnosti a dostupnosti.

Text neprošel jazykovou úpravou

- 86 -