Fyzika na scéně – exploratorium pro žáky základních a středních škol reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/03.0042

POKUSY

S JEDNODUCHÝMI POMŮCKAMI

Renata Holubová

Olomouc 2012

Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olo-

mouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost:

Zvyšování kvality ve vzdělávání

Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.04/03.0042

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním roz-

počtem České republiky.

První vydání

© Gymnázium Olomouc, Čajkovského 9, 2012

ISBN 978-80-7329-317-8 (Repronis)

3

Obsah

Úvod 5

I. Pokusy s PET lahvemi 7

II. Pokusy s plechovkami 27

III. Pokusy s papírem 40

IV. Hrátky se vzduchem 54

V. Pokusy z optiky 57

VI. Různé 86

5

Úvod

V publikaci jsou prezentovány soubory experimentů s jednoduchými pomůc-

kami, které byly shromážděny na základě publikovaných materiálů ve sborní-

cích z Veletrhů nápadů učitelů fyziky, stránek Debrujárů, osobních stránek

učitelů fyziky i vlastních námětů. Daný výčet experimentů není ani zdaleka

úplný, stále se objevují nové nápady a vylepšení, navíc zde nejsou zahrnuty

experimenty, které využívají různá technická zařízení, komponenty vyřazených

počítačů, motorů apod. Uvedené experimenty se osvědčily při práci s žáky na

základních školách a nižších stupních víceletých gymnázií, vybrané pokusy

jsou vhodné i pro starší žáky.

7

I. Pokusy s PET lahvemi

Zhasněte svíčku

Pomůcky: svíčka, plastová láhev

Před hořící svíčku postavíme 2litrovou plastovou láhev naplněnou vodou (aby

se nepřevrhla). Posadíme se před láhev a foukáním na láhev se snažíme svíčku

zhasnout. Ti šikovnější dokáží zhasnout i tři svíčky stojící v řadě za sebou.

Pozorujeme-li pokus z boku, je nápadné, že plamen svíčky se při foukání na-

klání směrem k láhvi. Příčinou zhasnutí plamene je pohyb vzduchu ve vírech za

láhví. Vzduch obtéká láhev velkou rychlostí a vytváří za ní vír. V těchto vírech

dochází k silnému proudění v opačném směru.

Vzduchové víry

Pomůcky: svíčka, plastová láhev

Zapalte svíčku a úderem dlaně na prázdnou plastovou láhev, jejíž hrdlo míří na

plamen svíčky, svíčku zhasneme.

Kruhový vír vzniká tak, že vzduch proudící z láhve je zabrzděn vzduchem,

který láhev obklopuje. Proto je rychlost víru relativně malá. V okolí prstence

lze však registrovat rychlý rotační pohyb. Jestliže část tohoto rychle rotujícího

prstence dosáhne plamene, svíčka zhasne.

8

Foukni kuličku do láhve

Pomůcky: prázdná plastová láhev, malá kulička z papíru

Zmačkáme kousek papíru do tvaru kuličky a položíme ji do hrdla láhve. Fouk-

nutím se snažíme dostat kuličku do láhve.

Kulička nevlétne do láhve, ale naopak vystřelí ven. Foukáním na kuličku dodá-

váme do láhve, která je plná vzduchu, další vzduch. Přetlak nedovolí dostat

kuličku do láhve.

Větrník

Pomůcky: 2litrová plastová

láhev, nůžky, hřebík, stojan

Větrník dáme do proudu

vzduchu. Proudový odpor

láhve s otvorem dopředu je

větší než s otvorem na zadní

straně.

9

Nafukování balónku

Pomůcky: plastová láhev, nafukovací balónek, lázeň s horkou vodou

Na hrdlo plastové láhve navlékneme nafukovací balónek a láhev postavíme do

lázně s horkou vodou.

Vzduch v láhvi se ohřívá, rozpíná se a balónek se nafukuje.

Destrukce PET lahví

Pomůcky: plastová láhev, horká voda, lázeň se studenou vodou

Do plastové láhve nalijeme 3 až 5 cm horké vody, láhev uzavřeme a postavíme

do studené vody.

Ochlazením páry vzniká v láhvi podtlak, vnější atmosférický tlak zmačká lá-

hev.

Plování

Pomůcky: 2 podivné míčky, 2 pet láhve s limonádou, vodní lázeň

Na vodní hladinu v nádobě položíme dva míčky zdánlivě stejné – jeden plave,

druhý klesá ke dnu. Do vody ponoříme 2 malé PET láhve s limonádou – jedna

se ve vodě vznáší, druhá klesá ke dnu.

Podstatou je vztlaková síla. Jeden míček je celý z plastelíny, druhý je ping-

pongový míček obalený plastelínou. Jedna limonáda je běžné limo, druhá je

linie – slazená náhradním sladidlem. Limonáda slazená cukrem má jinou husto-

tu než limonáda slazená náhradním sladidlem.

Tepelná rozpínavost vzduchu II

Pomůcky: platová láhev, mince

Na navlhčené hrdlo prázdné skleněné (nebo pevné plastové) láhve položíme

minci. Láhev uchopíme do dlaní – tak zahřejeme vzduch v láhvi (doporučujeme

předem vzduch v láhvi ochladit proudem studené vody). Po chvíli začne mince

téměř periodicky nadskakovat.

Zahřátý vzduch v láhvi zvětšuje svůj objem. Tlaková síla zahřátého vzduchu

v láhvi pak zdvihne minci.

10

Tornádo v láhvi

Pomůcky: dvě plastové láhve, slepené zátky s otvorem uprostřed, voda

Do plastové láhve naplníme vodu, láhev zašroubujeme dvojitým uzávěrem,

našroubujeme druhou láhev. Láhve otočíme tak, aby voda byla v horní láhvi.

Motivace: Jak dostaneme vodu z horní láhve do spodní, aniž bychom ji protla-

čovali otvorem?

Dvojici lahví roztočíme – v láhvi se vytvoří tornádo, voda začne přetékat

z horní láhve do spodní.

Výtokové víry sestávají z tenké velmi rychle rotující povrchové vrstvy vody,

která obklopuje směrem dolů se zužující sloupec vzduchu. Stejným směrem

roste i rychlost proudění v povrchové vrstvě. Výtokový vír sahá až ke spoji

obou lahví. Lze pozorovat změny tvaru víru při naklonění celého zařízení. Vír

je udržován ve svislé poloze potenciální energií vody tekoucí směrem dolů.

Relativně malé vnitřní tření vody způsobí, že blízko povrchové vrstvy víru jsou

rychlosti mnohem větší než rychlost výtoku vody. Vír připomíná vzduchový vír

u tornáda.

Karteziánek

Pomůcky: 2litrová plastová láhev, voda,

karteziánek

Láhev naplníme vodou, dáme do ní

potápěče a zašroubujeme. Tlakem na

stěny láhve uvádíme potápěče do pohy-

bu.

Jako potápěč se hodí polystyrénová

zátka nebo kapátko. Voda může vnik-

nout mezi póry zátky nebo do kapátka –

tím se zvětší jejich hmotnost. Povolení

tlaku vede k tomu, že stlačený vzduch

vodu vytlačí, zmenší se hmotnost

a hustota potápěče a ten stoupá vzhůru.

Demonstrujeme tak všestranné šíření tlaku v kapalině.

Vysvětlení: Stlačením láhve se zvětší tlaková síla působící na potápěče, vniká

do něj voda a kapátko se pohybuje dolů. Při zmenšení tlakové síly naopak vodu

11

z kapátka vytlačuje stlačený vzduch a to se pohybuje směrem vzhůru a otáčí se

na druhou stranu.

Směr pohybu ovlivňuje výslednice vztlakové a tíhové síly, která působí na

kapátko. Lopatky kola na kapátku jsou pak příčinou, proč se kapátko při pohy-

bu dolů a vzhůru otáčí. Směr pohybu otáčení potápěče se mění, protože se mění

směr výsledné síly (stlačení láhve – směr svisle dolů, povolení – směr svisle

vzhůru).

Heronova fontána

Pomůcky: plastová láhev, zátka s trubičkou, voda, hadička

Do plastové láhve nalijeme trochu vody a uzavřeme ji zátkou, kterou prochází

skleněná trubička. Ta končí těsně nad hladinou vody v láhvi. Nejprve do láhve

přes trubičku prudce foukáme. Po uvolnění trubičky z ní začne stříkat voda.

Změnu tlaku lze vyvolat i stlačením stěn láhve.

Demonstrace všestranného šíření tlaku v kapalině a plynu, stlačitelnost vzdu-

chu.

Pumpa

Pomůcky: plastová láhev s rovnými stěnami s odřezaným dnem, gumová po-

hyblivá zátka, široká hluboká nádoba s vodou

Plastové láhvi odřežeme dno, upravíme gumovou zátku horizontálním zářezem

do poloviny zátky, kterou láhev uzavřeme. Láhev ponoříme asi 10 cm hluboko

12

do široké nádoby s vodou. V této poloze láhví plynule pohybujeme nahoru

a dolů. Voda v láhvi stoupá vzhůru, až začne z láhve vytékat.

Podstatou je setrvačnost vody. Při pohybu vzhů-

ru je gumová zátka uzavřena, proto je voda

urychlena spolu s lahví směrem nahoru. Jestliže

pohyb láhve zbrzdíme a poté jí pohybujeme opět

dolů, voda vlivem setrvačnosti pokračuje

v pohybu nahoru. Nejprve vytlačuje vzduch,

později vytéká voda.

Místo gumové zátky lze použít minci, kterou

přilepíme k hrdlu láhve jen z jedné poloviny

lepicí páskou.

Polymer má paměť

Pomůcky: plotýnkový vařič, skleněná tyčinka, kousky PET lahví, alobal

Výroba vláken ze zbytků lahví PET, popř. obalů HDPE, LDPE. Z obalů naře-

žeme menší kousky (1x1 cm), které dáme do ploché misky vytvarované

z alobalu. Tuto misku položíme na plotýnkový vařič a zahříváme. Do tajícího

polymeru ponoříme skleněnou nebo dřevěnou tyčinku a pomalým pohybem

vytahujeme plastové vlákno. Můžeme zkoumat pevnost v tahu.

Kolotoč – Segnerovo kolo

Pomůcky: plastová láhev, slámky, provázek, stojan, voda, podložka na vytéka-

jící vodu

Asi 5 cm nad dnem plastové láhve si připravíme dva a dva otvory proti sobě, do

kterých zasuneme slámky. Poslední třetinu slámky ohneme. Láhev zavěsíme,

naplníme vodou a pustíme. Voda vytéká a roztáčí láhev.

Demonstrace Newtonova zákona akce a reakce. Reakcí na vytékající proudy

vody je otáčivý pohyb láhve. Segnerovo kolo bylo zkonstruováno v roce 1750,

prakticky bylo poprvé využito v roce 1760 nedaleko Göttingenu v mlýnech na

obilí. Podobně byla o 100 let později sestrojena vodní turbína, kde stejně jako

u Segnerova kola je rychlost otáčejících se kol (u kola trubiček) mnohem větší

než výtoková rychlost vody.

13

Ponorka

Pomůcky: malá plastová láhev, zátka, jejímž středem prochází hadička, zátěž,

lepicí páska, vodní lázeň

Ve stěně plastové láhve uděláme otvor, v jeho blízkosti umístíme zátěž. Láhev

zavřeme zátkou, kterou prochází hadička. Jeden konec hadičky směřuje v láhvi

směrem vzhůru (na opačnou stranu než je otvor), druhý konec hadičky směřuje

nad hladinu, do něj foukáme. Zátěž volíme takovou, aby láhev na vodě plavala.

Pomocí hadičky vysáváme z láhve vzduch – ponorka klesá ke dnu. Když do

láhve foukáme, ponorka se vynoří nad hladinu.

Otvorem v láhvi se do ní nasává voda – láhev je těžší, klesá ke dnu. Pokud do

láhve foukáme, vodu otvorem vytlačujeme, láhev je lehčí a stoupá vzhůru.

Kulička ve víčku

Pomůcky: 2 malé PET lahve, nůžky, 2 víčka na lahve – modré a červené,

2 kuličky – modrá a červená, izolepa

Nejdříve uřízneme dna od lahviček a oba konce po vložení kuliček slepíme

izolepou k sobě, na hrdlech jsou víčka (na jednom konci modré a na druhém

červené).

Úkolem je dostat kuličky od sebe, tzn. na obě strany (červenou kuličku do

červeného víčka a modrou do modrého víčka). Po marných pokusech úkol

splnit, prozradíme jednoduchý trik – spojené lahvičky roztočíme na zemi či

stole a vlivem odstředivé síly se kuličky „rozprchnou“ na kraj do víček.

Chceme-li slnit i úkol po „barevné stránce“ musíme si před roztočením kuličky

ve středu správně „narafičit“.

14

Žonglování s PET lahvemi

Pomůcky: 2 menší PET lahve, barevné papírky na jejich ozdobu, voda, potravi-

nářská barva (např. červená)

Provedení: první láhev naplníme až

po okraj vodou a uzavřeme, druhou

láhev naplníme vodou do poloviny

a vodu můžeme obarvit (barva má

pouze matoucí úlohu). Láhve vy-

zdobíme.

Vyhodíme-li první láhev do vzdu-

chu, určitě se několikrát obrátí,

bude dělat salta, vyhodíme-li

ovšem druhou, tak se nám to dařit

nebude (voda se uvnitř přelévá,

změna těžiště,…)

Co je ukryto uvnitř?

Pomůcky: menší plastová láhev, „přesýpací“ materiál – proso, písek (vyzkou-

šet), větší kamínek, umělohmotný brouček apod.

Provedení: lahvičku do poloviny naplníme vyzkoušeným „přesýpacím“ materi-

álem a vložíme i větší předmět, zavíčkujeme. Jemným potřepáním větší „pře-

kvapení“ ukryjeme. Pak před diváky dáme láhev do vodorovné polohy a pro-

třepáváním se nám začne objevovat skrytý předmět.

15

Vodotrysk

Pomůcky: spojená velká a malá plastová

láhev, kterými prochází úzká trubička.

Naplníme-li malou lahvičku vodou

a dáme ji nahoru, voda trubičkou odka-

pává a vzduch ze zdola vytlačuje vodu

a vytváří "intervalový" vodotrysk.

Lom světla

Pomůcky: tužka se stříbrným koncem, malá plastová láhev, větší plastová láhev

Tužku se stříbrným koncem na gumu (gumu seřízneme nebo vyjmeme) vloží-

me do malé plastové láhve a vše vložíme do větší nádoby (třeba uříznuté PET

láhve), stříbro se ztratí.

Ověření Pascalova zákona

Pomůcky: plastová láhev (1,5 l průhledná) s uzávěrem, opatřená otvory

Příprava a provedení: V horní části láhve vytvoříme horkým hřebíkem o prů-

měru cca 2 mm dvě řady otvorů. Láhev nejprve naplníme vodou pod otvory,

potom ji uzavřeme a překlopíme. Po mírném zmáčknutí stěn láhve vystřikuje

voda do všech směrů.

Jev je demonstrací Pascalova zákona.

zde voda vystřikuje

spojená víčka

zde odkapává

16

Stlačitelnost vzduchu

Pomůcky: plastová průhledná láhev 1,5 l, gumová zátka, skleněná

trubička

Příprava a provedení: V gumové zátce vyvrtáme otvor korkovrtem

o vhodném průměru, aby skleněná trubička, o něco delší než je výš-

ka láhve, nahoře v plameni zúžená a otavená, v otvoru dobře těsnila.

Trubičkou ponořenou pod hladinu vody nafoukáme do láhve

vzduch. Když přestaneme foukat, začne voda tryskat z láhve v po-

době fontány.

Vysvětlení: Stlačený vzduch působí zvýšeným tlakem na hladinu

a vtlačí vodu do trubice.

Ověření stavu beztíže

Pomůcky: viz předcházející pokus

Příprava a provedení: Navazuje na předchozí pokus –

v okamžiku, kdy v předchozím pokusu voda právě

přestane stříkat, necháme láhev volně padat. Během

pádu pozorujeme opět tryskající fontánu. (Pokus je

třeba provádět velmi opatrně, aby se skleněná trubička

nezlomila.)

Vysvětlení: Rovnováha tlaku vzduchu uzavřeného

v láhvi a hydrostatického tlaku vody je při volném

pádu narušena. Hydrostatický tlak je roven nule,

a proto vzduch vtlačí vodu do trubice.

17

Závislost hydrostatického tlaku na hloubce

Pomůcky: plastová láhev (průhledná, 1,5 l), stojan (nejlépe s regulovatelnou

výškou na způsob heveru), nálevka, fotomiska, větší nádoba (další plastová

láhev)

Příprava a provedení: Do láhve vypálíme otvory horkým kovovým předmětem

tak, aby jejich vzájemné vzdálenosti byly stejné a aby otvory ležely v přímce

nad sebou. Láhev vyvýšíme a vodu necháme stříkat do fotomisky. Pozorujeme,

jak s rostoucí hloubkou roste délka dostřiku.

Vysvětlení je možné na základě vztahu 2v hg .

Pascalova kouzelná fontána

Pomůcky: 2 plastové láhve, 2 gumové zátky, 5 skleněných trubiček (3 asi

10 cm) – jednu z nich na konci zúžit do trysky, 2 asi 30 cm, skleněná nálevka,

gumová hadička (celková délka asi 1,5 m) na spojování skleněných trubic, dva

stojany s úchytnými držáky, jeden stojan s měnitelnou výškou (hever), kádinka.

Příprava a provedení: vodou naplněná láhev s tryskou musí být umístěna aspoň

o 20 cm výše než druhá láhev s nálevkou. Vyšší láhev je naplněna těsně pod

ústí spojovací trubice. Po důkladném přezkoušení těsnosti všech spojů začneme

do nálevky nalévat vodu tak dlouho, až je asi z poloviny naplněna. Z dýzy

vytryskne pramen vody, kterou necháme vtékat do nálevky spodní nádoby. Při

dokonalém těsnění všech spojů jsou množství vody vteklé a vyteklé z nálevky

18

stejná a hladina vody v nálevce se proto nemění. Tento děj probíhá tak dlouho,

dokud se nevyprázdní horní láhev. Při vnitřním průměru trysky kolem 1 mm

bude voda tryskat asi 12 minut.

Vysvětlení: Stoupající hladina vody v pravé nádobě zvyšuje tlak vzduchu

v pravé, a tím i v propojené levé láhvi. To má za následek vtlačování vody do

trubice v levé láhvi a vznik fontány.

Přeměna vody na víno

Pomůcky: dvě pevnější plastové láhve

(od octa), 1 uzávěr, 1 gumová zátka,

1 skleněná trubička rovná, 1 skleněná

trubička třikrát ohnutá do pravého úhlu,

1 skleněná trubička krátká, 1 skleněná

trubička dlouhá, skleněná nálevka

(stejné tloušťky jako trubičky), 2 stejné

menší kádinky, gumová hadička

Příprava a provedení: Provrtanou gu-

movou zátku pevně nasadíme na skle-

něnou trubičku, která zasahuje téměř ke

dnu láhve, a na horní část nasadíme

pomocí vhodné hadičky nálevku. Do

obou láhví vypálíme ve stejné výši stejně velké kruhové otvory (korkovrtem)

a těsně vtlačíme gumové hadičky, které navzájem propojíme skleněnou trubič-

kou. Provedení pokusu je patrné z obrázku. Celý úspěch tkví v dokonalém

těsnění všech spojů. Druhou láhev (s výpustí) naplníme až těsně pod horní

přítokový otvor obarvenou vodou („vínem“) a uzavřeme uzávěrem. Vše šikov-

ně ukryjeme kartonem, aby byla vidět pouze nálevka a výtoková trubice. Když

nyní nalijeme do nálevky čistou vodu, vyteče na druhém konci stejné množství

obarvené vody („vína“).

Vysvětlení: Přiléváním vody do první láhve se zmenšuje objem vzduchu a roste

tlak. Ten vytlačuje vodu ze sousední láhve.

Heronova sluneční fontána

Pomůcky: 2 plastové láhve s provrtanými gumovými zátkami, 2 skleněné tru-

bičky ohnuté do pravého úhlu a na konci zúžené, bílý a černý papír, tepelný

zdroj (horské sluníčko)

19

Příprava a provedení: Do láhve nalijeme asi 2 cm vody, nastrkáme 2 až 3 kopí-

rovací papíry. Láhev uzavřeme zátkou, kterou prochází zahnutá trubička, která

dosahuje téměř ke dnu láhve. Láhev umístíme do vzdálenosti 25 cm až 50 cm

před zdroj infračerveného záření. Po krátké chvíli začne z trysky vystřikovat

voda. Pro srovnání je dobré pokus zopakovat ještě jednou se dvěma láhvemi –

jednou s kopírovacím papírem a druhou bez něho, příp. s bílým papírem.

Výtoková rychlost

Pomůcky: plastová láhev (1,5 l, průhledná), provrtaná zátka, skleněná trubička,

fotomiska, laboratorní stolek jako stojan

a) Rychlost klesá

Příprava a provedení: Asi 3 cm nade dnem vypálíme do stěny nádoby otvor

o průměru cca 5 mm. Z vyvýšené láhve necháme vytékat vodu do fotomisky

a pozorujeme, jak se dostřik zkracuje s klesající hladinou.

b) Rychlost je konstantní

Příprava a provedení: Zhotovíme tzv. „Mariottovu láhev“: je to zazátkovaná

láhev, do níž je vzduchotěsně nasazena na obou koncích otevřená trubička,

kterou může vzduch bublat do vody. Je-li spodní otvor této trubice ve výšce h

nad výtokovým otvorem, pak je v tomto místě stále vnější atmosférický tlak

a vytékající kapalina má podle Torricelliho vzorce stálou rychlost 2v hg ,

pokud je trubice pod hladinou kapaliny.

20

Vysvětlení: Trubice přenáší stálý atmosférický tlak z horní hladiny kapaliny

pod ni. Odtéká-li při bublání kapalina z láhve, svědčí to o tom, že tlak vnějšího

vzduchu sahajícího až k hladině B se vyrovnává s vnitřním tlakem v téže hladi-

ně, který je roven součtu tlaku zředěného vzduchu v láhvi a hydrostatického

tlaku kapaliny v hloubce B. Výtoková rychlost je tedy dána přetlakem určeným

výškou h (vzdáleností hladin B a C). Protože se tato výška nemění, nemění se

také výtoková rychlost, pokud všechna kapalina obsažená mezi hladinami A

a B nevyteče a hladina B nezačne klesat.

Poznámka: u všech pokusů závisí úspěch na dokonalém těsnění všech spojů.

Tah komína nebo chladicí věže

Pomůcky: půllitrová plastová láhev, svíčka, plochá miska, kousky překližky

Provedení pokusu: Ostrým nožíkem nejprve opatrně odřízneme dno průhledné

plastové lahve.

1. Na zapálenou svíčku postavíme upravenou láhev podloženou kousky pře-

kližky. Vzduch proudí zdola kolem svíčky a dodává plameni kyslík potřebný

k hoření. Svíčka hoří klidným plamenem a zahřátý vzduch stoupá vzhůru –

vzniká tah. Proudění vzduchu si můžeme na horním konci lahve ověřit rukou

nebo papírovým hádkem.

2. Pokus obměníme takto: na misku dáme trochu vody, postavíme do ní hořící

svíčku a přiklopíme lahví. Voda znemožní přívod vzduchu zdola a jeho prou-

dění v lahvi ustane. Plamen nedostává potřebný kyslík, a proto svíčka za chvíli

zhasne. Stačí však těsně před zhasnutím láhev trochu nadzvednout a umožnit

zdola přístup vzduchu. Plamen se opět rozhoří.

21

Proudění (vzduchu, vody apod.) představuje jeden ze způsobů šíření tepla.

Tento jev se využívá i v ústředním topení: voda v kotli přijímá teplo, zahřívá se

a její hustota se zmenšuje. Proto stoupá potrubím vzhůru k topným tělesům,

kterým předá část tepla. Tím se ovšem voda ochladí, její hustota se zvětší

a proto klesá zpětným potrubím opět do kotle. Celý koloběh se pak opakuje.

Vítr vzniká v přírodě tam, kde se vzduch nestejnoměrně zahřívá. Zvlášť zřetel-

ně se to projevuje na mořském pobřeží. Ve dne se vzduch nad pevninou ohřívá

rychleji než nad mořem. Proto nad pevninou stoupá teplý vzduch vzhůru a na

jeho místo proudí chladnější vzduch od moře. V noci je tomu naopak: pevnina

se ochlazuje rychleji než moře. Proto se proud vzduchu obrátí a vítr vane od

pevniny na moře.

Na principu proudění zahřátého vzduchu fungují také chladicí věže tepelných

a jaderných elektráren. Přiváděná teplá voda ve věži zahřívá vzduch, ten stoupá

vzhůru a na jeho místo je zdola nasáván venkovní chladný vzduch. Padající

teplá voda se v proudu vzduchu ochlazuje a vrací se zpět do chladícího okruhu.

Část vody se vypařuje a nad chladící věží se vytváří oblaka bílé mlhy.

Činnost plic

Pomůcky: velká plastová láhev, gumová plena, brčka, plastelína nebo lepidlo,

provázek

U velké plastové láhve odstřihneme dno a nahradíme ho pružným dnem z gu-

mové pleny či gumové rukavice. Do zátky, kterou se dá láhev uzavřít, uděláme

dva otvory pro prostrčení brček. Na konec každého brčka připevníme balonek.

Láhev s takto upravenou zátkou uzavřeme. Průchod brček dobře utěsníme,

22

např. plastelínou nebo lepidlem Chemopren. Uprostřed pružného dna zvenčí

nalepíme jeden konec asi 30 cm dlouhého provázku. Činnost bránice demon-

strujeme tak, že střídavě zatáhneme za provázek a uvolníme ho, popř. prstem

stlačíme blánu dovnitř láhve. Vzduch se střídavě nasává do brček (představují

průdušnici) a balonků (představují plíce), které zvětšují nebo zmenšují svůj

objem. Láhev bez dna modeluje hrudní koš. Snížením dna (zvýšením bránice)

se sníží tlak v hrudní dutině a vzduch začne proudit do plic. Zvýšením dna

(snížením bránice) se vzduch z plic vytlačuje.

Velikost našich plic.

Pomůcky: plastová láhev 2 l, umyvadlo

Zjištění objemu plic – jednu velkou dvoulitrovou plastovou láhev naplňte vo-

dou, obraťte ji dnem vzhůru tak, aby hrdlo bylo ponořeno pod hladinou vody

v umyvadle, tak aby nám voda z láhve nevytekla. Nakonec do láhve vsuňte

brčko a na jeden nádech vyfoukněte všechen vzduch z plic do láhve. Vydech-

nutý vzduch vytlačí z láhve vodu a to přibližně tolik vody, jako je objem našich

plic.

Variace na Archimedův zákon

Pomůcky: vysoký válec ze dvou slepených plastových dvoulitrových lahví, dvě

malé plastové lahve, jedna dvoulitrová a dvě jedenapůllitrové plastové lahve,

siloměry 1 N a 10 N, plastová hadička délky asi 15 cm, stativový materiál,

písek, lepidlo na plastové láhve, pevná nit (provázek), izolepa, fix, nůžky.

a) Zcela ponořené těleso

Příprava a provedení: Vysoký válec připravíme ze dvou velkých plastových

lahví (2 litry) tak, že u jedné z nich odstřihneme vršek, u druhé vršek i dno

a oba vzniklé díly slepíme (např. Chemoprenem univerzal). Do takto vzniklé

válcové nádoby uděláme asi 10 cm pod horním okrajem otvor, do kterého za-

strčíme plastovou hadičku a k otvoru ji přilepíme. Dvě malé plastové lahvičky

mezi sebou propojíme po vnějších stranách pevnou nití tak, aby jedna lahvička

byla zavěšena na druhé a lahvičky byly od sebe vzdáleny asi 25 cm. Na hrdlo

horní lahvičky také navážeme nit, pomocí které bude spojená dvojice lahviček

zavěšena na siloměr. Spodní lahvičku naplníme pískem a uzavřeme zátkou.

Z horní lahvičky zátku odšroubujeme. Lahvičky zavěsíme na vhodný siloměr

a stojan, jak ukazuje obr. Do válce nalijeme vodu na úroveň hadičky ústící do

nádobky (např. z menší plastové lahve) vedle válce.

23

Na siloměru zjistíme velikost tíhy G, kterou

dvojice lahviček na suchu napíná siloměr.

Pak opatrně spodní lahvičku (naplněnou

pískem) vnoříme zcela do válce s vodou.

Z válce začne hadičkou odtékat voda do

nádobky. Počkáme, až tato vytlačená voda

přestane z válce vytékat. Siloměr nyní uka-

zuje působení síly F menší než G. Uchopí-

me nádobku, do které vytekla vytlačená

voda, a pomalu z ní vylijeme všechnu vodu

do horní lahvičky. V průběhu přelévání

pozorujeme, že výchylka siloměru se opět

zvětšuje, až dosáhne původní hodnoty G.

Vysvětlení: Ponořená lahvička je nadlehčována vztlakovou silou o velikosti

Fv = G – F. Velikost Fv je rovna tíze vody, kterou těleso vytlačilo. Lépe a přes-

něji řečeno – je rovna tíze vody stejného objemu, jako je objem ponořeného

tělesa.

Poznámky:

1. Pokus s plastovými lahvemi je variantou pokusu s plným a dutým válcem,

který býval popsán ve starších učebnicích fyziky. V současné učebnici pro

7. roč. je popsán pokus s mikrotenovým sáčkem, pokus s dutým a plným vál-

cem je ve cvičení. Učebnice pro gymnázia se na pokus ze základní školy odvo-

lává.

2. Při přípravě pomůcek je vhodné prodloužit hrdlo horní lahvičky tak, že

z náhradní lahvičky uřízneme hrdlo a k hrdlu horní lahvičky ho přilepíme. Tím

se nám pak bez problému do lahvičky vejde všechna vytlačená voda.

3. Vzhledem k použitým prostředkům a snadné přípravě i provedení pokusu

i žáky je vhodné zařadit do výuky fyziky tento pokus jako pokus frontální.

b) Částečně ponořené těleso – plování

Příprava a provedení: Z velké dvoulitrové lahve vytvoříme válec odstřižením

vršku lahve a naplníme ho asi do 1/3 vodou. Z lahve o objemu 1,5 litru odstřih-

neme vršek a přiděláme k němu závěs z pevné nitě. Totéž provedeme ještě

s další lahví 1,5 litru. Do jedné z takto upravených lahví nasypeme zkusmo

písek asi do poloviny a láhev vsuneme do válce s vodou. Přidáme, resp. ubere-

me písek tak, aby vnitřní láhev plavala ve válci a voda ještě nevytekla z válce

24

nebo nenatekla do vnitřní lahve (popřípadě upravíme objem vody ve válci).

Ponořenou láhev pak vyjmeme z válce a osušíme. Na válci si poznačíme fixem

nebo lepícím papírkem počáteční výšku vody (hodí se pro předvedení pokusu

v jiné třídě nebo další roky).

Postup: Láhev s pískem zavěsíme na siloměr (rozsah 10 N) a zjistíme sílu (tíhu)

G, kterou láhev působí na siloměr. Pak láhev opatrně vnoříme do válce s vo-

dou. Láhev volně plove ve vodě, ale nyní není zcela ponořena jako v předcho-

zím pokusu. Siloměr ukazuje při vnořování tělesa do vody stále menší sílu F, až

ukáže nulu. Vztlaková síla a tíha jsou v rovnováze.

Označíme fixem na vnitřní lahvi, kam až sahá voda. Tuto výšku pak vyznačíme

na prázdné (ale jinak stejné) lahvi. Do ní pak pod tuto značku nalijeme vodu,

zavěsíme na siloměr, který ukáže původní hodnotu G.

Vysvětlení: Tíha vody o objemu, který je stejný jako objem ponořené části

tělesa, je rovna vztlakové síle (Archimedův zákon pro případ, že těleso je pono-

řeno do kapaliny jen částečně.)

Pohlcování tepelného záření

Pomůcky: dvě plastové lahve 1,5 litru, dvě korkové nebo pryžové zátky, dvě

skleněné (popř. plastové) trubičky asi 20 cm dlouhé, svíčka nebo žárovka na

panelu, zápalky, pryžová hadička, prkénko (80 cm × 10 cm × 2 cm), dvě pod-

pěry, potravinářská barva, kádinka s vodou, injekční stříkačka, sprejová černá

barva.

Postup: Pokus uspořádáme podle obrázku. Do

prkýnka z měkkého dřeva vyvrtáme dva otvory

o průměru rovném průměru hrdla použitých

plastových lahví a ve vzdálenosti asi 25 cm od

sebe. Do těchto otvorů láhve zasadíme („zavr-

táme“) až po rozšířenou část hrdla. Jednu láhev

nastříkáme rychleschnoucí černou sprejovou

barvou. Prkénko s lahvemi postavíme na podpě-

ry. Můžeme také využít podpěr dvou židlí.

Do každé zátky uděláme otvor, kterým prostrčíme skleněnou (popř. plastovou)

trubičku asi 20 cm dlouhou. Konce trubiček, které budou vně lahví, spojíme

pryžovou hadičkou. Do trubiček a spojovací hadičky nalijeme obarvenou vodu.

Takto naplněnou soustavu opatrně zasuneme do lahví (viz obrázek). Doprostřed

mezi lahve postavíme svíčku.

25

Provedení: Svíčku zapálíme. Po chvilce pozorujeme pohyb vody v soustavě.

Voda je z černé lahve vytlačována do lahve průhledné.

Vysvětlení: Černě natřená láhev pohlcuje podstatně více tepelné záření (rychleji

se ohřívá) než druhá láhev, která spíše toto záření odráží. V černé lahvi se zvět-

ší teplota, a tím i tlak vzduchu. Tlaková síla vytlačuje vodu do průhledné lahve.

Poznámky:

1. Chceme-li mít v trubičkách více vody než při prvním naplnění, vysuneme

opatrně jednu zátku s trubičkou a pomocí injekční stříkačky doplníme soustavu

vodou. Pak zátku zasuneme zpět.

2. Místo plamene svíčky lze použít i rozsvícenou 40 W žárovku.

3. Necháme-li pokus probíhat delší dobu, je pohyb vody v soustavě stále poma-

lejší, až se zastaví – vytvoří se rovnovážný stav. Nedochází k dalšímu zvyšová-

ní teploty, a tím i tlaku v černé lahvi.

Vzájemné působení dvou vodičů s proudem

Ukázat vzájemné silové působení dvou rovnoběžných vodičů, kterými prochází

elektrický proud, je spojeno s řadou problémů: aby bylo pozorované přitahová-

ní resp. odpuzování vodičů prokazatelné, je třeba vybudit v okolí vodičů velké

magnetické pole. To znamená ale i velký proud procházející vodičem, což ne

každý vodič vydrží. Tyto obtíže je možné eliminovat použitím dvou proužků

alobalu připojenými k akumulátoru. Pro učitele je poté určitě náročnější na

dvourozměrnou tabuli udělat třírozměrný obrázek s vyznačením směru proudu,

magnetické indukce a působící síly a „odvodit“ na základě pravidel levé a pra-

vé ruky orientaci působící síly. Z toho důvodu byla vyrobena jednoduchá po-

můcka, která nemá nic společného s příslušným elektrickým obvodem; slouží

jen k názorné ukázce prostorového uspořádání uvažovaných tří vektorů.

Pomůcky: 3 půllitrové PET láhve s uzávěry, 2 laboratorní stojany, kus tvrdšího

silnějšího kartonu, 2 špejle, tužka a papír (čtvrtka), lepidlo, několik špendlíků

Postup: Do uzávěrů obou láhví uděláme takový otvor, aby bylo možné láhev

uzavřenou uzávěrem nasadit na laboratorní stojan. Z tvrdšího silnějšího kartonu

vystřihneme dva kruhy o poloměru zhruba 5–7 cm, uprostřed každého z kruhů

uděláme takový otvor, aby jej bylo možné těsně nasadit na uzávěr plastové

láhve. Pro jistotu je možné zátku do kruhu vlepit lepidlem.

Na čtvrtku papíru, jejíž velikost upravíme tak, aby bylo možné oblepit plasto-

vou láhev, nakreslíme (resp. pomocí tiskárny a počítače vytiskneme) několik

26

výrazných šipek. Na každou láhev pak nalepíme pás se šipkami, přičemž dá-

váme pozor na to, aby na jedné láhvi byly šipky orientovány opačně než na

ostatních. Na další 4 proužky čtvrtky nakreslíme po jedné šipce (z didaktických

důvodů volíme 2 barvy šipek po dvou kusech). Na dva z uvažovaných proužků

(šipky stejné barvy) přiděláme pomocí proužků papíru z rubové strany úchytky

pro provlečení špejle. Na dvě špejle pevně přivážeme k jednomu jejich konci

špendlík.

Provedení: Na stativové stojany nasadíme příslušné PET láhve (i s uzávěry

a připevněnými kartónovými kruhy) podle toho, jestli chceme demonstrovat

vzájemné silové působení dvou rovnoběžných vodičů, jimiž prochází proud

v souhlasném nebo v opačném směru. Šipky na lahvích představují směr prou-

du v uvažovaném vodiči. Pomocí pravidla pravé ruky vyvodíme směr magne-

tické indukce v okolí každého z vodičů a naznačíme jej pomocí proužků se

šipkami, které připevníme pomocí špendlíků do kartónu na uzávěru. Potom

pomocí Flemingova pravidla levé ruky vyvodíme směr působící síly na přísluš-

ný vodič. Směr této síly vyznačíme pomocí špejle, kterou špendlíkem zapích-

neme do kartónu a na níž navlékneme proužek papíru se šipkou (viz obr. dole,

na kterém je znázorněna situace pro dva vodiče se stejným směrem proudu).

Nyní je prostorový model situace dokončený.

27

II. Pokusy s plechovkami

Aerodynamické paradoxon

Pomůcky: plechovky od coca coly, sprite apod., slámka

Plechovky položíme paralelně vedle sebe, mezi nimi necháme mezeru asi 2 cm.

Slámkou foukáme mezi obě plechovky. Plechovky se překvapivě pohybují

směrem k sobě.

Velká rychlost proudění zajistí, že statický tlak mezi ruličkami je menší než

atmosférický tlak.

Destrukce plechovky

Pomůcky: 0,33 litrová prázdná plechovka od coca coly, piva apod., plotýnkový

vařič, kleště (hadr), lázeň se studenou vodou

Do prázdné plechovky nalijeme trochu vody, plechovku postavíme na vařič

a zahříváme. Když voda začne vřít, uchopíme plechovku do kleští (hadru),

a ponoříme dnem vzhůru do lázně se studenou vodou. Dojde k destrukci ple-

chovky.

Pára vytlačí vzduch z plechovky, ta ve studené vodě imploduje.

Elektrostatika

Pomůcky: polystyren, plechovka, staniol, tyč

Provedení: Na kusu polystyrenu je postavena plechovka. Na krajích plechovky

jsou na háčcích zavěšeny kousky staniolu tak, aby se mohly volně kývat.

a) Vezmeme novodurovou tyč a dotkneme se plechovky. Nic se neděje. Poté

tyč přetřeme látkou z umělého vlákna a opět přejedeme přes plechovku. Stanio-

ly na háčcích se odchlípnou od plechovky. Dotkneme se plechovky rukou,

stanioly se opět svěsí.

b) Vezmeme skleněnou tyč a dotkneme se plechovky. Nic se neděje. Poté tyč

přetřeme jelenicí a opět přejedeme přes plechovku. Stanioly na háčcích se

odchlípnou od plechovky.

28

Dotkneme se plechovky rukou, stanioly se opět svěsí.

Zamyslete se: Vymysli pokus, kterým bys zjistil, zda jsou náboje vyrobené na

skleněné a umělohmotné tyči stejné nebo ne.

Náboje vyrobené na tyčích můžeme přenášet na plechovku – přetřeme umělo-

hmotnou tyč a přeneseme z ní náboj na plechovku, stanioly se odchlípnou. Poté

nabijeme skleněnou tyč a přiblížíme ji ke staniolům. Stanioly se k tyči přitahují.

Náboj na skleněné tyči má opačné znaménko, než náboj na plechovce (a tedy

i náboj na umělohmotné tyči).

Třením se tyč ze skla nabíjí kladně. Umělohmotná tyč se nabíjí záporně.

Poznámka: Když víme, že skleněná tyč se nabíjí kladně a kladný náboj není

možné třením vyrobit (protože ho nesou protony v jádrech atomů), měli by-

chom přeformulovat vysvětlení příkladu 1b).

Poté tyč přetřeme jelenicí a opět přejedeme přes plechovku. Stanioly na háčcích

se odchlípnou od plechovky.

Třením jsme z tyče odebrali záporné elektrony a na tyči zůstala převaha klad-

ných (ale nepohyblivých) nábojů. Po doteku s plechovkou přejde část zápor-

ných nábojů z plechovky na tyč (kladný náboj tyče je přitahuje) – převaha

kladného náboje se objeví i na plechovce. Shodné náboje ve staniolu a v ple-

chovce se odpuzují, stanioly se odchlípnou.

Takové vysvětlení je sice fyzikálně správnější, ale je podstatně obtížnější

a zdlouhavější. Z toho, že všechny na střední škole probírané (a i mnoho dal-

ších na střední škole neprobíraných zákonů z elektromagnetismu včetně Max-

wellových rovnic) byly zformulovány ještě před objevem elektronů, je vidět, že

přesné pochopení částicové podstaty náboje pro popis elektromagnetických

jevů není nutné a nebudeme si s nimi komplikovat život.

Nadále budeme předpokládat, že se oba druhy nábojů chovají v podstatě stejně:

oba je možné přenášet a vytvářet jejich převahu na nějakém tělese, oba se mo-

hou pohybovat přes vodivé předměty atd.

Dvě plechovky vybavené stanioly postavíme na polystyren vedle sebe tak, aby

se nedotýkaly. Přes obě plechovky položíme drát (nebo jiný kovový předmět).

Nabijeme umělohmotnou tyč a s její pomocí i jednu z plechovek. Stanioly se

odchlípnou na obou plechovkách.

29

Nabíjení plechovky vodou

Pomůcky: plechovka, polystyren, tyč, tekoucí voda

Postavte plechovku na polystyrén. Na kraj plechovky pověste lístek alobalu –

ten funguje jako lístek elektroskopu. (Vyzkoušejte, zda se plechovka dá nabít

otřením nabité tyče, tedy zda se lístek alobalu zvedá). Plechovku vybijte. Při-

pravte si druhou plechovku s trochou vody. Nabijte tyč a z druhé plechovky

lijte do stojící plechovky pomalu tenký pramínek vody (tak, aby se voda během

padání rozpadala na kapičky). Nabitou tyč přibližte k padající vodě. Pozorujete

zvedání lístku alobalu. Pomocí tyče zjistíte, že plechovka se nabila nábojem

opačným, než je na tyči.

Faradayova klec

Elektrostatika patří na střední i základní škole k tradičně vyučovaným tématům.

Přesto se s pojmem Faradayova klec v současných učebnicích fyziky pro zá-

kladní školy resp. střední školy věnovaným právě elektřině a magnetismu žáci

v podstatě nesetkají. Základní učivo obsahuje informace o tom, že náboj se při

přivedení na kouli rozmístí na povrchu a uvnitř žádný nenajdeme. Chybí však

konkrétní příklady z praxe, které by žákům problematiku přiblížily. Přitom se

s Faradayovou klecí setkáváme zcela běžně v každodenním životě.

30

Historická poznámka

Již na začátku 19. století si Angličan Michael Faraday povšiml, jakožto pravdě-

podobně i jiní před ním, že náboj přivedený na dutý vodič je rozmístěn pouze

na jeho vnější straně a že ten nemá žádný vliv na předměty umístěné uvnitř.

A jelikož byl i výborným demonstrátorem a popularizátorem vědy, postavil

velký krychlový dřevěný rám (o straně 12 stop) a ten celý pokryl vodivým

materiálem. Do této konstrukce si pak při jedné ze svých večerních veřejných

přednášek sedl a nechal ji nabít až natolik, že bylo patrné, jak z ní létají jiskry,

on sám však přitom uvnitř žádný efekt elektrického pole nepocítil a na vnitřní

straně klece žádný náboj nedetekoval.

Již z té doby tedy víme, že náboj se na dutých předmětech typu dutá koule

rozmisťuje pouze na povrchu a že intenzita elektrického pole uvnitř takového

předmětu je nulová.

Následující text obsahuje jednoduché pokusy, související se základními jevy, se

kterými si lidé Faradayovu klec nejčastěji spojují.

Experimentální možnosti

Faradayovou klecí rozumíme uzavřenou plochu tvořenou vodivým materiálem.

Tímto materiálem může být například plech. Pěknou představou Faradayovy

klece je tedy ještě neotevřená plechovka. Ukazuje se, že v jistém přiblížení lze

za Faradayovu klec považovat i jiná tělesa – typickým příkladem je například

klec vyrobená z drátové sítě, nebo například i automobil.

Většina pokusů s Faradayovou klecí na střední škole se týká rozložení přivede-

ného elektrického náboje a zkoumání elektrického pole uvnitř a vně nabité

klece.

Hliníkové proužky – indikátor elektrického náboje

Jedním z klasických školních pokusů je důkaz rozložení náboje pouze na vnější

straně klece. Pokus je prováděn s válcovou drátěnou klecí (můžeme použít

i plechovku), na niž jsou zvenku i zevnitř upevněny kousky hliníkové fólie,

případně provázky s kousky polystyrénu na konci. Pokus lze provádět i s částí

válcové plochy klece. Vždy docházíme ke stejnému výsledku – zavěšené papír-

ky se vychylují pouze na vnější straně dutiny, kdežto na vnitřní zůstávají viset

volně dolů. Z tohoto pozorování lze vyvodit, že náboje jsou pravděpodobně

rozloženy pouze na vnější straně plochy, resp. je jich tu takové množství, že

proužky fólie, které nesou náboj stejné polarity, se díky elektrostatické odpudi-

vé síle oddálí.

31

Klec smrti

Podobným pokusem ve větším provedení, který navíc kopíruje experiment

provedený již samotným Faradayem, je pokus s tzv. klecí smrti. Jde o to, že do

velké drátěné klece posadíme dobrovolníka a tuto klec připojíme na vysoký

potenciál. Opět můžeme pozorovat stejný jev jako při pokusu s hliníkovými

proužky, zavěsíme-li je na klec. Přiblížením uzemněného vodiče navíc dochází

k efektnímu přeskakování jisker, které je doprovázeno neméně poutavým pras-

káním. (Samozřejmě bychom mohli pokus uspořádat i opačně – uzemnit klec

a přiblížit nabitý vodič, resp. vodič připojený k vysokému potenciálu.) Takové-

to pokusy můžeme najít ve formě videí i na webovém portálu YouTube:

Faraday Cage Protects from 100,000 V :: Physikshow Uni Bonn

Tesla cage of death

Mobil v autě

Zajímavým pokusem, který má blízkou souvislost s praxí je stínění elektro-

magnetického pole právě pomocí Faradayovy klece. Zde se již nejedná o „jed-

noduchou“ elektrostatiku, ale máme co do činění s elektromagnetickým polem.

V životě se můžeme setkat s množstvím více či méně dokonalých Faradayo-

vých klecí. Autor se zde zabývá především stíněním signálu mobilního telefonu

a uvádí příklady, kde může dojít k zeslabení jeho signálu. Správně uvádí, že

délka elektromagnetických vln u telefonů GSM 900 je přibližně 33 cm a pro

GSM 1800 poloviční, tj. přibližně 17 cm a rovněž tvrdí, že umístíme-li mobil

do klece, v níž jsou otvory menší, než je vlnová délka, na nichž telefon komu-

nikuje, pak dojde k zeslabení signálu telefonu.

Umístili jsme telefon do plechovky a zkoušeli, jak je třeba klec zakrýt, aby se

signál zeslabil natolik, aby telefon přestal být dostupný. Zjistili jsme, že mobil

umístěný ve velké plechovce zakryté volně položenou hliníkovou fólií je do-

stupný (zavoláme-li na něj, ozve se z plechovky vyzvánění). Necháme-li mobil

vyzvánět a budeme-li utěsňovat mezery mezi fólií a plechovkou (osvědčila se

guma) dojde ke ztrátě signálu a telefon, kterým voláme, bude hlásit, že volaný

účastník je nedostupný.

Ukazuje se, že situace není tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled

zdát, a že i hustá síť, dokonce i plechovka s malými dírkami signál propustí.

32

Exploze

Pomůcky: mouka, plechovka s víkem (asi 1,5 litru), trychtýř, hadice, pumpička,

čajová svíčka, zápalky, stativ, lžíce

Plechovku upevníme pomocí svorky do stativu. Otvorem v plechovce protáh-

neme hadici a na konec, který je v plechovce, umístíme trychtýř. Do trychtýře

dáme 1–2 lžičky mouky. Druhý konec hadice spojíme s pumpičkou. Do ple-

chovky umístíme svíčku, kterou zapálíme. Plechovku uzavřeme. Pomocí pum-

py vytvoříme směs mouka-vzduch, která se zapálí.

Pohyb plechovky plné, prázdné po nakloněné rovině

Plechovka plná a prázdná se kutálí po nakloněné rovině. Pozorujeme rychlost

jejich pohybu a délku dráhy do jejich zastavení.

Maxwellovo kyvadlo

Pomůcky: plochá plechovka (od krému), provázek, oska

Disk se po uvolnění z počáteční polohy pohybuje v tíhovém poli směrem dolů.

Jeho potenciální energie (měřená např. od desky stolu, na kterém stojí stojan)

tedy klesá, zatímco jeho kinetická energie roste. Je nutné si uvědomit, že kine-

tická energie má v tomto případě dvě složky: kinetickou energii posuvného

pohybu a kinetickou energii rotačního pohybu. Proto CD klesá pomaleji než

např. malá kulička, kousek křídy, guma na gumování. U těchto srovnávacích

33

těles má kinetická energie pouze jednu složku (kinetickou energii posuvného

pohybu), potenciální energie disku se tedy mění pouze na tuto složku. Kulička,

křída a podobná tělesa se tudíž pohybují rychleji.

Při návratu zpět do horní polohy disk nevystoupí do stejné výšky, z níž byl

spuštěn. Příčinou jsou odporové síly působící na disk během jeho pohybu (od-

porová síla vzduchu, třecí síla nitě na špejli…), na jejichž překonání je nutná

určitá práce, která se koná na úkor mechanické energie soustavy (tj. na úkor

počáteční potenciální energie soustavy). V této souvislosti lze tedy o odporo-

vých silách alespoň kvalitativně mluvit, můžeme zavést (a dopočítat) účinnost

přeměn energií a můžeme se společně s žáky zamyslet nad tím, jak by se dala

účinnost přenosu energie této soustavy zvýšit či naopak snížit.

Káča

Z plechovky od piškotů upravíme

pomůcku podle obrázku. Káču roztá-

číme rukou nebo pomocí provázku.

34

Segnerovo kolo a aeolipila Heróna z Alexandrie

Plechovky upravíme podle obrázku. Při přípravě plechovek dbáme opatrnosti

při práci s ostrými nástroji.

Vysvětlení: Do plechovky nalijeme trochu vody a zahřejeme. Pára vystupuje

přes trysky a plechovka se roztočí.

Aktivní plechovka

Pomůcky: balónek, plechovka, stůl (nebo jiná rovná podložka), vlasy (na zelek-

trování balónku)

Provedení: Na rovnou podložku položíme plechovku. Nafoukneme balónek

a elektrujeme jej. Balónek přiblížíme k plechovce. Balónek přiložíme

k plechovce a postupně ho oddalujeme. Plechovka balónek „pronásleduje“.

Dáme-li balónek do „protisměru“ zběsilé jízdy naší plechovky, okamžitě změní

směr a opět následuje balónek.

Vysvětlení: Nabité těleso (balónek)

a těleso bez náboje (plechovka) se

přitahují, proto plechovka následuje

zelektrovaný balónek.

Balónek musí ale být v relativně malé

vzdálenosti od plechovky a plechovka

velmi lehká, protože působící elektro-

statická síla je malá.

35

Energie zvuku

Pomůcky: plechovka, gumová blána, krupice, malá plastová láhev

Na horní otvor nádoby (plechovky) např. od limonády dáme blánu a na ni na-

sypeme krupici. Ze strany do plechovky uděláme otvor, kterým prostrčíme

láhev zbavenou dna. Voláme do láhve a pozorujeme pohyb krupice.

Parníček Puf-Puf

Konvenční lodě používají pro pohyb vpřed jeden nebo více lodních šroubů

a pro manévrování kormidlo. Nevyhovuje-li tato kombinace, používají se vodní

trysky, do nichž je voda hnána čerpadlem. Lodě se pak pohybují reaktivní silou

vodního proudu tryskajícího ze zádi. Tento systém využívají např. vodní skútry,

některé trajekty a menší vojenská plavidla. Parníček Puf-Puf tento druh pohonu

napodobuje. Voda je prudce vypuzena z trysky umístěné na zádi a člunek se

pohybuje vpřed reakcí na tryskající vodu. K jejímu vypuzení se používá horká

pára.

Loďka poháněná reaktivním pohonem přináší radost dětem již po mnoho gene-

rací. Roku 1891 na ni získal britský patent vynálezce jménem Thomas Piot.

Hračka poté zažívala období slávy a úpadku, podobně jako např. jo-jo. Poslední

návrat na scénu se udál v 70. letech. Dodnes se po světě vyrábí mnoho variant.

Ke jménu loďka přišla podle charakteristického zvuku, který při provozu vydá-

vá (v jiných jazycích „put-put“, „toc-toc“, „phut-phut“, „pouet-pouet“).

36

Pomůcky: „měkká“ plechovka od paštiky (větší, 100 g), velkokapacitní náplň

do propisky (prázdná), líh, vata

Příprava pomůcek: Nejprve z náplně opatrně kombinačkami odstraníme jak

psací hrot (chytit a táhnout v ose trubice. Hrot je jen nalisován a jeho odstranění

by nemělo činit potíže), tak i plastovou čepičku kryjící širší konec. Zbytek

náplně nejprve vyfoukneme ven (opatrně, pozor na potřísnění) a potom dočista

vymyjeme v lihové lázni. (Vyplácí se pročistit trubici např. narovnanou kance-

lářskou sponkou.) Měkkou (hliníkovou) plechovku od paštiky vymyjeme. Do

středu zádi, v místě, kde dno přechází ve stěnu, uděláme otvor velký tak, aby

jím těsně prošla užší část náplně. Čistě vymytou trubičku (náplň) na širším

konci uzavřeme. Nejprve plech scvakneme kombinačkami a pak jej přehne-

me/zarolujeme. Více napoví fotografie. Takto připravená trubička tvoří pohon-

ný systém lodi – parní kotel s tryskou. Do otvoru na zádi vetkneme tenkým

koncem trubičku tak, aby se dnem lodi svírala úhel cca 40°, a aby tryska vyční-

vala cca 1–2 cm ven. (Po položení na vodu musí být ústí trysky pod vodou.)

Trubičku můžeme ve správné poloze fixovat lepidlem. Tím je loďka hotova.

Provedení: Připravíme si vhodnou vodní plochu s klidnou hladinou (postačí

větší fotomiska). Do trubičky/kotle vstříkneme (nejlépe injekční stříkačkou

s jehlou) malé množství vody a vložíme pod něj vatičku namočenou v lihu.

Člun položíme na vodu a vatičku zapálíme. Po chvíli se loďka rozjede a pohy-

buje se „poskoky“ vpřed. Pohyb trvá, dokud pod kotlem hoří oheň.

Princip: Voda, která je v širší části trubice (pracovní prostor), je ohřívána

a posléze přivedena do varu. Vznikající pára expanduje. Přitom vypudí zbytek

vody úzkou částí trubice ven. V ten okamžik dochází vlivem reakční síly

k pohybu, loďka „poskočí“ vpřed. Pára, která pronikne až do úzké části trubice,

je v přímém kontaktu s vodou. Dochází k jejímu prudkému ochlazení, konden-

zaci a zmenšení objemu. Tím se do pracovního prostoru nasaje nová dávka

vody a může být započat nový cyklus.

37

Vodní terč – hra

Pomůcky: velká zavařovací sklenice (5 l), voda, malá plechovka, mince

Postup: Do sklenice nalijeme vodu a na dno ponoříme plechovku. Vezmeme si

vhodný počet mincí. Postupně je vhazujeme do sklenice. Snažíme se trefit do

plechovky. Vyhrává ten, kdo umístí nejvíce mincí do plechovky.

Elektrostatické kyvadélko

Pomůcky: 2 plastové kelímky, 2 větší plechovky, tužkou pomalovaný pingpon-

gový míček přilepený na nit a přivázaný na brčko, proužek alobalu, plastová

tyč (třeba od vysavače), kožešina

Postup: Nejprve si připravíme prostřední část kyvadla – obarvíme pingpongový

míček tuhou z tužky, okolo míčku lepidlem přilepíme nit a celé to přiváže na

brčko.

Sestavíme kyvadlo – na plastové kelímky postavíme plechovky, aby byly asi

5 cm od sebe. Mezi jednu plechovku a plastový kelímek vložíme alobalový

proužek, což je uzemnění. Na plechovky položíme brčko s míčkem tak, aby se

nedotýkal plechovek. Třením o kožešinu nabijeme tyč a přiblížíme ji k neu-

zemněné plechovce (plechovky se tyčí nedotýkáme) – míček se rozkmitá

a tluče do plechovek. Po chvilce se pohyb zastaví, ale krátkým oddálením

a opětovným přiblížením tyče se zase míček pohybuje.

Vysvětlení: Dochází k pravidelnému nabíjení a vybíjení balónku při dotyku

s plechovkami a balónek se proto pohybuje.

Válcové zrcadlo

Princip činnosti válcového zrcadla je možné prozkoumat s využitím velmi

jednoduchých pomůcek.

Pomůcky: malá plechovka, celofán, lepidlo, papír

Postup práce: Celofán, do kterého se balí řezané květiny, nalepíme na plechov-

ku a to lesklou stranou ven, neboť ta bude sloužit jako zrcadlící plocha. Zda

necháme původní obal plechovky či ne, záleží na použitém lepidlu: některé

lépe drží na papíru, který je na plechovce nalepen od výrobce, jiné lépe přímo

38

na kovu plechovky. A tím máme pomůcku připravenou k použití (viz obr., na

kterém je původní plechovka i plechovka polepená celofánem).

Experiment realizujeme ve dvou etapách:

1) V první etapě studujeme, jak zrcadlo funguje, jak zobrazuje, jak se liší zob-

razení „plechovkovým zrcadlem“ od zobrazení rovinným zrcadlem a od zobra-

zení kulovým zrcadlem.

2) Ve druhé etapě kreslíme obrázky a zkoumáme, jak se zobrazí v zrcadle.

Pokusíme se kreslit do rozděleného polokruhu takové obrázky, aby byly

v „plechovkovém zrcadle“ zobrazeny správně. Druhou variantou je, nakreslit

obrázek do pomocné čtvercové sítě a pak jej překreslit do rozděleného polokru-

hu. A opět je nutno je překreslit tak, aby byl obrázek v zrcadle zobrazen správ-

ně.

39

Plechovku (naše válcové zrcadlo), postavíme do nejmenšího polokruhu, který

je na pracovním listě vyznačen. Polovinou své podstavy tak plechovka bude

zasahovat mimo vyznačené polokruhy.

Vysvětlení: Zrcadlo vyrobené z plechovky a celofánu je modelem válcového

zrcadla. Zobrazení ve válcovém zrcadle se řídí stejnými pravidly jako zobrazení

na dutém zrcadle. Odlišnost spočívá v tom, že u válcového zrcadla je nutné

rozlišovat jeho křivost ve svislém a ve vodorovném směru. Aniž by bylo nutné

zobrazení na válcovém zrcadle řešit kvantitativně, je možné jej s využitím prá-

vě popsaného experimentu pochopit kvalitativně.

Výsledný obraz, který v „plechovkovém zrcadle“ pozorujeme, odpovídá zobra-

zení válcovým zrcadlem. Použité válcové zrcadlo je zakřivené pouze

v horizontálním směru (osa válce, na kterém je zrcadlící plocha umístěná, je

svislá). Proto se obraz deformuje zejména ve směru, ve kterém je zakřivení

zrcadlící plochy největší. Abychom tedy mohli pozorovat nezkreslený obraz

nakresleného obrázku v zrcadle, je nutné nakreslit deformovaný obrázek, který

bude sloužit jako vzor pro zobrazení zrcadlem. K tomu slouží právě přiložený

pracovní list, ve kterém je připravena síť, do níž se obrázek zakreslí. Do připra-

vené sítě je nutné vzhledem k vlastnostem zobrazení válcovým zrcadlem, kres-

lit výškově převrácený obraz. Sít zakreslená ze soustředných kružnic (resp.

jejich částí) a přímek procházejících středem podstavy válce se ve válcovém

zrcadle zobrazí jako pravoúhlá síť. V případě použití větších plechovek

k výrobě zrcadla je možné tedy tímto způsobem vytvořit své vlastní pracovní

listy.

40

III. Pokusy s papírem

Vážení prstýnku listem papíru

Pomůcky: List papíru do kopírky (80 g/m2), špendlík, prstýnek, pravítko

Pokus připravíme podle obrázku.

Postup práce:

Nejprve vysvětlíme, co vlastně znamená formát papíru A. Je to obdélník, který

má strany a, b v takovém poměru, aby po přeložení jeho delší strany na polovi-

nu jsme dostali obdélník s polovičním obsahem podobný původnímu. Tedy

a : b = b : a/2. Úpravou získáme a = 2 b. Největší obdélník formátu A0 má

obsah 1 m2, formát A1 má poloviční obsah, tedy 0,5 m

2. Dalším dělením dospě-

jeme k tomu, že formát A4 má obsah 1/16 m2. Papír používaný do kopírky má

plošnou hmotnost (tzv. gramáž) 80 g/m2. Papír formátu A4 má hmotnost právě

5 g. Je dobré toto ověřit na přesných vahách a předvést žákům.

Papír v polovině přeložíme, abychom označili střed. Pak několikrát přeložíme

po délce až dostaneme tak úzký složený pásek papíru, na který lze navléknout

prstýnek. Délka pásku odpovídá výšce A4, tj. asi 30 cm. Střed pásku S označe-

ný přeložením propíchneme špendlíkem. Otvor mírně rozšíříme, aby se pásek

na něm volně otáčel. Každý se tak může přesvědčit, že střed je zároveň těžiš-

těm. Podle očekávané hmotnosti váženého předmětu zvolíme vhodnou vzdále-

nost, ve které pásek znovu propíchneme. Pro začátek doporučuji a = 4 cm. Bod

je označen T. Navlékneme prstýnek a na špendlíku v bodě T vyvážíme. Ozna-

číme polohu prstýnku. Určíme vzdálenost b prstýnku od osy otáčení v bodě T.

Jeli hmotnost pásku mP, pak hmotnost prstýnku m určíme za vztahu m = a/b mP.

Pokud je prstýnek velmi lehký, je vhodnější list papíru podélně rozdělit na dvě

nebo i čtyři části. Hmotnost mP pak bude 2,5 g respektive 1,25 g.

Při hledání rovnovážné polohy si práci ulehčíme, když propíchnuté otvory

budou trochu výše, než je střed pásku. Špendlík můžeme držet v ruce, ale lepší

41

je zapíchnout ho do něčeho, co je po ruce. Tužka, guma položená na kraji lavi-

ce, nástěnka ve třídě apod.

Další otázky: Máme celý nenačatý balík papírů do kopírky:

a) jaká je tloušťka jednoho papíru, známe-li rozměry celého balíku,

b) jaká je hustota papíru,

c) jakou plochu je možné papírem pokrýt,

d) kolikrát by šlo papír přeložit, atp.

Rychle nebo pomalu?

Pomůcky: prkénko s háčkem, noviny, provázek

Na stůl položíme prkénko, které má uprostřed háček a na ně rozprostřeme dvoj-

list novin. Háček protáhneme novinami a přivážeme k němu provázek.

Co se stane s novinami, když provázkem jednou rychle trhneme vzhůru a po-

druhé jím prkénko zvedáme pomalu? Co se stane s provázkem, můžeme jej

přetrhnout?

Při rychlém trhnutí provázkem směrem vzhůru vznikne změnou hybnosti

v krátké době velká nárazová síla, jejíž působení se nemůže rozšířit po celé

ploše papíru. Okraje novin zůstanou ležet na stole a pod novinami vznikne

podtlak. Na noviny pak působí velká tlaková síla shora (při rozměru novin

50x50 cm, je nad nimi zhruba 2,5 tuny vzduchu). Proto můžeme provázek

přetrhnout. Při pomalém tahu za provázek se působení síly rozloží na celé no-

viny, může pod ně proudit vzduch, dochází k vyrovnání tlaku a my můžeme

noviny lehce zvednout. Provázek tak nepřetrhneme.

Tvar tahací harmoniky

Pomůcky: podložky (krabičky), papír

Na dvě stejné otevřené krabičky položíme dva stejné kusy papíru, např. kance-

lářského. Jeden papír necháme rovný, druhý však složíme do tvaru, kterému

říkáme tahací harmonika.

Lze se ptát: Jak budou oba papíry reagovat, když na ně položíme dva stejné

předměty? Který papír unese větší zatížení?

42

Měření plošné hustoty papíru

Pomůcky: toaletní papír, rovnoramenné váhy

Srovnávací metodou můžeme přibližně odhadnout plošnou hustotu toaletního

papíru. Toaletní papír natrháme na jednotlivé perforací rozdělené útržky. Na

rovnoramenných váhách položíme na jednu misku stejně velký útržek vystřiže-

ný z papíru známé gramáže (např. kopírovací papír) a na druhou misku vyvá-

žíme tento útržek několika útržky toaletního papíru. Srovnáním pak určíme

přibližnou gramáž toaletního papíru. Žáci si tak opět komplexněji mohou osvo-

jit veličinu hustota těles.

Nasákavost papíru

Pomůcky: toaletní papír, fotomiska, voda

Z vnitřku role toaletního papíru opatrně vytáhneme papírovou trubičku. Roli

postavíme na misku nebo přímo na stůl. Do středového otvoru naléváme od-

měrnou kádinkou vodu. Dolévání postupně opakujeme (podle druhu papíru až

do 500 ml vody). Po chvíli roličku zvedneme – miska je bez vody. Převážením

před pokusem a po pokusu můžeme ověřit hmotnost nasáklé vody. Pokus mů-

žeme použít i pro soutěž v odhadu.

Setrvačnost papírové kuličky

Pomůcky: toaletní papír, papírová trubička

Kus toaletního papíru (asi 1m) zmačkáme do kuličky a vložíme ji do papírové

trubičky. Kulička zmačkaného papíru musí mít stejný průměr jako trubička –

nesmí však samovolně vypadávat. V jedné ruce držíme svislou trubičku s papí-

rovou kuličkou a dlaní druhé ruky s roztaženými prsty se ji snažíme shora vy-

klepnout z trubičky dolů ven. Papírová kulička však nevypadne, naopak popo-

lézá uvnitř trubičky vzhůru. Příčinou tohoto jevu je setrvačnost papírové kulič-

ky. Z trubičky kuličku odstraníme např. vyfouknutím.

43

Rovnovážné polohy

Pomůcky: papírová trubička, deska, korýtko

Papírovou trubičku položíme postupně na rovnou desku stolu, do korýtka (např.

kus plechu či plastového okapu) a na vrchol korýtka. Tak demonstrujeme po-

stupně rovnovážnou polohu volnou, stálou a vratkou u pevného tělesa.

Kolumbova trubička

Pomůcky: papírová trubička, zátěž, papír

Do papírové trubičky zasuneme ke vnitřnímu obvodu zátěž (kovovou tyčku,

kus plastelíny apod.) a zbývající prostor vyplníme papírem. Jednu podstavu pak

zalepíme papírovým čelem, na které nakreslíme rysku procházející středem

čela a místem vložené zátěže. Vyrobíme druhou stejnou trubičku, ale bez zátě-

že. Pak obě trubičky položíme vedle sebe na stůl čely se svislou ryskou. Prázd-

nou trubičku pootočíme do libovolné polohy. Trubička s tyčkou se vrací do

původní polohy (jako Kolumbovo vejce).

Stabilita trubičky

Pomůcky: papírová trubička, nůžky, kousek kartonu, písek

Jednu stranu papírové trubičky šikmo odstřihneme a zalepíme oválným čelem

z kartonu. Trubičku pak prodloužíme připevněním další papírové trubičky.

Úhel sestřižení musí být takový, aby se prodloužená trubička po postavení na

tuto podstavu převrátila. Pak do prodloužené trubičky nasypeme trochu písku

tak, aby zůstala stát. Dalším přisypáváním dosáhneme zvýšení těžiště a tak

opětovného převrácení prodloužené trubičky.

Pevnost papírové trubičky

Pomůcky: papírové trubičky, závaží

Papírovou trubičku rukou lehce z boku deformujeme. Stlačit papírovou trubič-

ku na její podstavy se však podaří jen značnou tlakovou silou. Modifikací je

zatížení svisle postavené trubičky na stole závažím (1 kg, 2 kg, 5 kg). Efektní

variantou pokusu je použití několika trubiček jako nožek improvizované stolič-

ky, na kterou je možno stoupnout či sednout. Žákům připomeneme využití

pevnosti papírové trubky ve stavebnicovém papírovém nábytku.

44

Beztížný stav

Pomůcky: papírové trubičky, pružné vlákno, 2 matice

Papírovou trubičku propíchneme dvakrát v polovině délky. Otvory protáhneme

pružné vlákno, na jehož konce přivážeme symetricky dvě středně hmotné mati-

ce, a to tak, aby při nenapnutém vlákně zůstávaly uvnitř trubičky. Tyto matice

pak natažením vlákna necháme mírně viset přes hrany vodorovné trubičky.

Trubičku necháme padat volným pádem, kdy je soustava v beztížném stavu

a na matice působí jen pružné síly vlákna. Proto jsou matice vtaženy vláknem

zpět do trubičky.

Bernoulliho rovnice I

Pomůcky: stojan, trubičky, vlákno, brčko

Dvě papírové trubičky svisle zavěsíme pomocí nití na stojan tak, aby mezi nimi

byla malá štěrbina (asi 1 cm). Foukneme-li brčkem (úzkou trubičkou) do této

štěrbiny – trubičky se k sobě díky tlakovým poměrům přitáhnou.

Bernoulliho rovnice II

Pomůcky: toaletní papír, vysoušeč vlasů

Z role odmotáme asi 20 cm toaletního papíru, který shora visí z role dolů.

Fouknutím nad roli papíru se visící papír díky tlakovým poměrům zvedne do

vodorovné polohy.

Proudění vzduchu za překážkou

Pomůcky: podložka, destička, brčko, svíčka

Na podložku připevníme svisle destičku, na kterou svisle nasadíme papírovou

trubičku. Za trubičku postavíme zapálenou svíčku. Brčkem (úzkou trubičkou)

foukáme vodorovně na trubičku. Za ní schovaný plamen svíčky se díky lami-

nárnímu proudění vzduchu skloní směrem foukání vzduchu. Pak odstraníme

trubičku a pokus zopakujeme s destičkou. Plamen svíčky se díky turbulenci za

destičkou skloní proti směru foukání vzduchu.

45

Zhášení svíčky

Pomůcky: trubička, pružná blána, svíčka

Na jednu podstavu papírové trubičky navlékneme blánu z odstřiženého gumo-

vého nafukovacího balónku. Zapálíme svíčku. Ze vzdálenosti 20–50 cm zamí-

říme volným otvorem trubičky na plamen svíčky, natáhneme blánu a vystřelíme

vzduchový vír, který sfoukne plamen svíčky.

Vedení zvuku ve vzduchu

Pomůcky: trubička, celofán, písek

Na obě podstavy papírové trubičky nasadíme a gumičkou upevníme čela

z pružného papíru (celofán apod.). Ve svislé poloze nasypeme na horní čelo

suchý písek. Šíření zvukového signálu ve vzduchu uvnitř trubičky demonstru-

jeme pomocí poklepu prstem na spodní čelo. Zrnka písku na horním čele po-

skočí.

Provázkový telefon

Pomůcky: dvě papírové trubičky, tuhý papír, jehla, provázek

Dvě papírové trubičky opatříme nalepeným čelem z tuhého papíru. Uprostřed

těchto čel propíchneme jehlou otvor, kterým protáhneme provázek uvnitř tru-

bičky zakončený uzlíkem. Provázek mezi dvěma trubičkami napneme a tak

jsme vytvořili provázkový telefon. Do jedné trubičky polohlasně hovoříme

a tuto řeč posloucháme ze druhé trubičky, kterou přiložíme k uchu.

46

Spalovací motor

Pomůcky: podložka, papírová trubička, alobal, líh, špejle, zápalka

Na nehořlavou podložku (sklo, plech) postavíme papírovou trubičku uzavřenou

volným alobalovým víčkem. Do trubičky prorazíme v dolní části malý otvor.

Na podložku kápneme několik kapek lihu, které přiklopíme trubičkou s víčkem.

Po chvilce na odpaření hořlaviny přiložíme k otvoru zapálenou špejli či krbo-

vou zápalku. Víčko po výbuchu hořlavé směsi vyskočí. Pokus musí velmi opa-

trně provádět učitel, předem jej vyzkouší a použije bezpečnostní pomůcky (štít,

nehořlavá podložka). V jiné variantě lze použít krabičky od filmu.

Elektrostatická síla

Pomůcky: papírová trubička, nit, stojan, plastová fólie

Papírovou trubičku zavěsíme ve vodorovné poloze na nit na stojan. Třením

nabijeme těleso (např. plastovou fólii). Nabitým tělesem se přiblížíme k zavě-

šené papírové trubičce. Prostřednictvím elektrostatického silového působení

pohybujeme trubičkou.

Tepelné účinky elektrického proudu

Pomůcky: papírová trubička, odporový drát, akumulátor

Papírovou trubičku omotáme několika závity odporového drátu. Ten pak připo-

jíme k akumulátoru. Po několika sekundách se drát průchodem elektrického

proudu zahřeje a vypálí do trubičky stopu závitů.

Dírková komora

Pomůcky: papírová trubička, tenký papír, karton, svíčka

Na jednu podstavu papírové trubičky připevníme (např. pomocí gumičky) kou-

sek tenkého papíru (např. pauzovací papír) jako stínítko. Na druhou podstavu

pak připevníme neprůsvitný papír (např. přilepíme pevný karton nebo alobal),

do kterého prorazíme otvor (např. hrotem kružítka). Před tímto otvorem zapá-

líme svíčku či zápalku, jejíž plamen se převráceně zobrazí na stínítku z tenkého

papíru.

47

Papír se ve vodě nenamočí

Pomůcky: sklenice, ubrousek, větší nádoba s vodou (průhledná)

Do sklenice dáme papírový kapesník, stlačíme jej ke dnu. Sklenici otočíme

dnem vzhůru a ponoříme do vody. Když sklenici vyndáme, papírový kapesník

je suchý. Voda se nedostala dovnitř sklenice. Je to proto, že vzduch, který je

uvnitř sklenice, nedovolí, aby voda pronikala dovnitř a namočila ubrousek.

Praktická aplikace – Halleyův potápěčský zvon a kesony.

Tlačí vzduch?

Kolem naší Země je vzduchový obal, který se nazývá atmosféra. Její tloušťka

je okolo 1 000 km. Atmosféra způsobuje tlak na všechny předměty na Zemi.

Ale nikdo to nevnímá. Na dospělého člověka tlačí asi 15 t vzduchu. I když

nevnímáme tento tlak, můžeme ho změřit.

48

Neviditelná síla

Pomůcky: špejle, list novinového papíru, stůl

Špejli položíme na stůl, asi jednu třetinu necháme trčet přes okraj stolu. Špejli

zakryjeme listem novin. List novin brání špejli v tom, aby se zvedla. Udeříme-li

dostatečně prudce na přečnívající okraj špejle, přelomí se.

Vysvětlení: Nad novinami je vzduch. Protože je plocha listu novin velká, je

hmotnost vzduchu nad ním dostatečně velká, aby zabránila tomu, aby se list

nadzvedl, i když je úder ruky silný.

Silnější než voda

Pomůcky: sklenice, voda, papír (pohlednice)

Sklenici naplníme po okraj vodou a překryjeme ji papírem. Potom sklenici

otočíme. Pracujeme nad umyvadlem. Papír drží pevně na sklenici a voda z ní

nevytéká.

Vysvětlení: Tlak vzduchu směrem nahoru na papír je větší, než je tlak vody na

papír ve sklenici. Proto papír drží pevně u sklenice a voda nevytéká.

49

Spirála

Pomůcky: čtverec papíru asi 13 cm × 13 cm, tužka, nůžky, provázek délky asi

20 cm, zdroj tepla (radiátor topení, el. vařič), svíčka

Z papíru vystřihneme podle předlohy spirálu. Spirálu zavěsíme za nit nad zdroj

tepla – hořící svíčku, elektrický vařič. Spirála se začne otáčet kolem své osy.

Vysvětlení: Zdroj tepla zahřívá vzduch a teplý vzduch stoupá směrem vzhůru.

Stoupající vzduch tlačí na závity spirály a roztáčí ji. Protože teplý vzduch stou-

pá nahoru, znamená to, že je lehčí než studený vzduch.

50

Síla větru

Pomůcky: pevný papír (výkres), tužka, nůžky, připínáček, tyčka

Podle předlohy nastříháme pevný papír, přehneme, připevníme k tyčce. Vyro-

bíme si tak známý větrníček. Obrátíme ho proti větru, případně na něj foukáme.

Vysvětlení: Vzduch tlačí na ohnuté lopatky a způsobuje otáčivý pohyb větrníč-

ku.

Poznámka: Na stejném principu pracují větrné mlýny a větrné elektrárny.

Květ kvetoucí i v zimě

Pomůcky: papír, tužka, nůžky, miska s vodou

Z papíru vystřihneme květ. Lístky složíme dovnitř, vznikne poupě, které polo-

žíme na hladinu vody. Květ postupně rozkvete.

Vysvětlení: Voda stoupá díky vzlínavosti do malých prostorů mezi vlákny

a zaplní je. Ohyby se narovnají a květ rozkvete.

51

Loď

Pomůcky: předloha lodi, nůžky, akvárium

s vodou

Na papír nakreslete obdélník a rozdělte ho na

polovinu. Na jednu polovinu nakreslete loď

a obstřihněte ji podle vzoru. Podél čárkované

čáry - - - - papír přeložte, vyšrafovanou část

vystřihněte. Položte loď na hladinu, aby plo-

vala ve svislé poloze.

Vysvětlení: Obdélník přeložíme v polovině

a položíme na hladinu vody tak, aby loď byla

nahoře. Za chvíli díky vzlínavosti se loď

postaví do svislé polohy.

Vírníček – Vločka

Šablonu si nakopírujte nebo překres-

lete na kancelářský papír a vystřihně-

te. Podle označení slepte do kornout-

ku. Pak pusťte z výšky. Vločka padá

a otáčí se.

Vysvětlení: Působením gravitační

síly padá vločka dolů. Přitom vzduch

naráží na lopatky vločky a roztáčí ji.

52

Magnusův jev

Tento fyzikální jev je známý zejména ve svých praktických důsledcích ve fot-

bale, golfu, baseballu či tenise. Všechny ty zajímavé údery nohou či rake-

tou („šajtle“, tenisové topspiny, čopy) jsou založeny na jevu, jehož si všimli

poprvé dělostřelci někdy v 17. století. Zarazilo je, že se letící dělová koule

někdy prapodivně odchyluje od přímého směru.

Významný německý fyzik, profesor berlínské univerzity Heinrich Gustav Mag-

nus (1802–1870), zkoumal souvislost mezi rotací dělové koule, později dělo-

střeleckého náboje roztočeného drážkovaným vývrtem hlavně a okolním vzdu-

chem. Popsal jev, který dnes nese jeho jméno. Magnusův jev je způsoben tře-

ním mezi rotujícím tělesem a okolním vzduchem, který toto těleso obtéká.

Jestliže je rotující válec (či koule) ofukován proudem vzduchu (nebo se vůči

okolnímu vzduchu pohybuje), působí na válec síla téměř kolmá ke směru prou-

dění. Vlivem tření se na jedné straně válce proud vzduchu urychlí a tedy podle

zákona zachování energie klesne jeho tlak, na straně druhé se zpomalí a zde

vznikne přetlak. Rozdílem těchto tlaků tedy vzniká zmíněná síla.

Provedeme jednoduchý pokus. Papírovou ruličku od toaletního papíru namotá-

me na provázek a následně ji pustíme volným pádem a ona se začne odmotávat.

Její pohyb však není svisle k zemi, ale nějaká síla ji vychyluje.

Předpokládejme, že válec padá dolů a rotuje přitom doprava – ve směru hodi-

nových ručiček. Na předmět pohybující se ve vzduchu má vliv rozdílná rych-

lost obtékání vzduchu z různých stran. V našem případě si můžeme představit,

že rotující válec je na místě a vzduch ho obtéká směrem nahoru. Na první po-

hled by se pak mohlo zdát, že rychlost obtékání na pravé straně vzhledem

k povrchu válce je díky rotaci válce větší než na levé, je zde proto menší tlak

(podobně je to u obtékání křídla vzduchem u letadla) a na válec má působit síla

směrem doprava. To je však v rozporu s naším pozorováním, kdy se válec

odchyluje naopak doleva od svislého směru.

Ve skutečnosti má na pohyb válce vliv takzvaná mezní vrstva vzduchu, kterou

si můžeme jednoduše představit jako tenkou vrstvičku vzduchu „přilepenou“

vlivem tření mezi válcem a vzduchem k povrchu válce. Pokud budeme uvažo-

vat proudění vzduchu vzhledem k těžišti válce, na levé straně se sčítá rychlost

obtékání a rychlost vzduchu v mezní vrstvě, na pravé straně naopak mezní

vrstva brzdí obtékající vzduch v blízkosti válce. Tlak vzduchu je proto menší na

levé straně a válec se odchyluje vlivem tlakové síly směrem doleva od svislého

směru.

53

U roztočeného míče je situace úplně stejná jako u válce, můžete si ověřit směr

působící síly vzhledem k rotaci, jestliže si ze zkušenosti vzpomenete, kterým

směrem se míč při dané rotaci odchyluje.

Magnusův jev je v dnešní době aplikován ve sportu, využívají jej fotbalisté při

zahrávání trestných kopů přes zeď, konstruktéři fotbalových míčů se snaží

brankářům ztížit chytání míče. Při obtékání míče vzduchem se uplatňují vlast-

nosti mezní vrstvy vzduchu přiléhající k povrchu míče. Tato vrstva se při letu

od povrchu odtrhává a odtrhne-li se příliš brzy, naruší se hladký průběh prou-

dění a začnou vznikat víry. Tento jev se zmírňuje zdrsnění hladkého povrchu

míče. Drsnější povrch totiž lépe přidržuje mezní vrstvu a brání vzniku vírů.

Proto jsou také golfové míčky pokryty důlky jako po neštovicích. I to bylo

kdysi překvapením – míček s drsným povrchem doletí dále než s hladkým

povrchem! A protože golfovému míčku nelze dát aerodynamický tvar, pokrý-

vají ho výrobci důlky.

Magnusův jev se kromě využití ve sportu dnes užívá při zkoumání pohybu lodí

a různých vznášedel.

Šablona na vírníček

54

IV. Hrátky se vzduchem

Vznášedlo

Pomůcky: nepotřebné CD, umělohmotná krabička od filmu, nafukovací baló-

nek, lepidlo

Do dna krabičky od filmu uděláme malý

otvor, krabičku přilepíme dnem do středu

CD tak, aby otvor ve dně byl nad středem

disku. Na opačnou stranu navlékneme

nafukovací balónek. Balónek nafoukneme

a CD disk položíme na hladkou podložku.

Disk se pohybuje na vzduchovém polštáři

tak dlouho, dokud se balónek nevyfoukne.

Balónek v proudu vzduchu

Pomůcky: vysoušeč vlasů s režimem studeného vzduchu (vysavač), pingpongo-

vý míček (nebo malá prázdná plastová láhev)

Pustíme vysoušeč a do proudu vzduchu dáme míček nebo malou plastovou

láhev. Míček setrvává v proudu vzduchu, i pokud se jej snažíme vychýlit.

Na míček působí dynamický vztlak, který je dán proudovým odporem láhve

(míčku). Zakřivení pláště, dna a hrdla láhve způsobuje v jejich bezprostřední

blízkosti zvětšení proudové rychlosti. Rychlost narůstá zejména tehdy, když je

láhev posunuta ze své centrální polohy. Statický tlak v té části láhve, která je

otočena k proudu se zmenší a způsobí opětovné vtažení láhve do středu proudu.

Aerodynamické paradoxon

Pomůcky: dvě ruličky od toaletního papíru nebo plechovky od coca coly, sprite

apod., slámka

Ruličky položíme paralelně vedle sebe, mezi nimi necháme mezeru asi 2 cm.

Slámkou foukáme mezi obě ruličky. Ruličky se překvapivě pohybují směrem

k sobě.

55

Velká rychlost proudění zajistí, že statický tlak mezi ruličkami je menší než

atmosférický tlak,

Co zmohou plíce

Pomůcky: nafukovací hračka (polštář do vody, kruh apod.), náustek, slámky,

deska, závaží (kameny, dítě)

Na nafukovací hračku položíme desku a na ni umístíme sadu závaží (kameny,

popř. na ni posadíme dítě). Nafukujeme přes slámku hračku – zvedá se i deska

se závažím.

Demonstrujeme princip hydraulického lisu.

Vodní sopka

Pomůcky: kádinka 1 500–2 000 ml, Erlenmeyerova baňka, inkoust, voda, varná

konvice, provázek

Velikosti nádob volíme takové, aby se

baňka vešla do kádinky. Kolem hrdla

baňky připevníme provázek tak, aby

tvořil závěs. Do kádinky nalijeme

studenou vodu, ne však až úplně po

okraj, neboť do ní musíme ještě pono-

řit baňku. Do malé baňky nalijeme

horkou vodu obarvenou potravinář-

ským barvivem nebo inkoustem.

Baňku uchopíme za provázek a poma-

lu ji ponoříme do kádinky se studenou

vodou.

Pozorujeme: Při ponoření malé baňky začne teplá voda proudit jako vulkán

směrem vzhůru do studené vody. Za malou chvíli všechna teplá voda vyplave

na povrch studené vody v kádince.

Princip hydraulického lisu

Pomůcky: 2 injekční stříkačky (velká 150 ml a malá 50 ml), hadička, voda

Dvě nestejně veliké injekční stříkačky spojíme hadičkou poté, co jsme do jedné

z nich nasáli vodu. Přetlačujeme pístem vodu z jedné stříkačky do druhé.

56

Pití pomocí slámky

Pomůcky: slámky, nádoby s vodou, dobrovolník, židle

Motivace: Přemýšleli jste někdy o tom, jak je možné nasát nápoj ze sklenice?

Víte, že nápoj je spíše vzduchem tlačen vzhůru a že jej nenatahujeme ústy?

V podstatě narušíte rovnováhu tlaků – v ústech zmenšujete tlak. Než začnete

sát, tlak vzduchu tlačí na povrch nápoje v nádobě a stejný tlak je ve slámce.

Když zmenšíme tlak v ústech, je tlak na povrch nápoje v okolí slámky větší než

uvnitř slámky a tento tlak kapalinu vytlačí vzhůru. Někdy to lze zařídit tak, že

se přes slámku nelze napít.

Tlak vzduchu, který vytlačuje nápoj do tvých úst, musí vyrovnávat jen tíhovou

sílu sloupce vody ve slámce. Je-li slámka delší, vejde se do ní více vody a její

hmotnost je tudíž větší. Vyzkoušíme jev tak, že slepíme více slámek dohroma-

dy. Vyzkoušejte, kolik slámek lze slepit, abychom mohli pít.

Pití dvěma slámkami

Pomůcky: sklenice s nápojem, 2 slámky

Vezmeme 2 slámky, ale jen jednu dáme do skle-

nice s nápojem. Druhá trčí volně do vzduchu.

Zkusíme se napít.

Nelze zmenšit tlak v ústech, vždy znovu se do

úst druhou slámkou dostává nový vzduch, který

tlak vyrovná. Navíc je vzduch mnohem lehčí než

voda.

57

V. Pokusy z optiky

Demonstrace chodu paprsků vodní kapkou

Pomůcky: kádinka nebo baňka, laser, alobal, polohrubá mouka, voda

Kádinku nebo baňku celou obalíme alobalem, na jednom místě uděláme malou

dírku, asi 2 mm, kudy bude do baňky vcházet paprsek. Baňka naplněná vodou

bude představovat vodní kapku, do vody můžeme pro lepší pozorování lasero-

vého paprsku přimíchat trochu mouky. Štěrbinou svítíme laserem do baňky,

pozorujeme, jak se paprsek na stěnách baňky odráží.

Pohybováním laseru (změnou úhlu dopadu) se bude měnit počet odrazů.

Rozptyl laserového paprsku

Pomůcky: skleněné akvárium nebo kádinka větších rozměrů, mléko, tyčinka na

promíchání, laser

Do nádoby naplněné vodou do výšky 10–15 cm nalijeme a rozmícháme trošku

mléka

Využíváme toho, že mléko tvoří koloidní roztok a tak se v něm rozptylují pa-

prsky podobně jako v atmosféře. Laserový paprsek necháme procházet tímto

roztokem, pozorujeme, že se paprsek rozptyluje do všech směrů, když je roztok

dostatečně koncentrovaný, laser se rozptýlí do té míry, že neprojde na druhou

stranu.

Svítíme-li laserem do čisté vody, paprsek bez problémů projde.

Rozptyl bílého světla

Pomůcky: skleněné akvárium nebo kádinka větších rozměrů, mléko, tyčinka na

promíchání, zdroj bílého světla

Do nádoby naplněné vodou do výšky 10–15 cm nalijeme a rozmícháme trošku

mléka.

58

Když do roztoku svítíme bílým světlem, budou se nejdříve rozptylovat světla

krátkých vlnových délek, světlo bude přecházet ve žlutou až žlutočervenou

barvu až ztratí intenzitu.

Ohyb světla v atmosféře

Pomůcky: rychlovarná konvice, rozprašovač, zdroj bílého světla

Přivedeme vodu v konvici k varu, počkáme na unikající páru. V zatemnělé

místnosti umístíme mezi zdroj světla a pozorovatele konvici tak, abychom

viděli zdroj světla za párou unikající z konvice. Světlo se částečně na kapičkách

vodní páry ohýbá. Při dobrém provedení lze kolem zdroje světla vidět slabé

duhově zabarvené kroužky.

To stejné lze provést jen s rozprašovačem, kdy mezi zdroj a pozorovatele roz-

prašujeme vodu. V praxi lze tento jev pozorovat v atmosféře, kde se kroužky

tvoří kolem měsíčního nebo slunečního kotouče v případě ohybu na kapkách

v atmosféře

Průchod paprsku vodní kapkou v praxi

Pomůcky: Laser, rozprašovač, podložka, voda

Na podložku rozprašujeme vodu. Až se na podložce vytvoří kapky, svítíme na

ně laserem a pozorujeme, jak se paprsek odráží uvnitř kapky.

Měření indexu lomu metodou stínu

Pomůcky: dřez, plechovka, žárovka, Slunce, měřítko

Index lomu vody lze změřit v dřezu. Postavte do něj (nebo širší větší nádoby)

válcovou plechovku džusu tak, aby ležela na své kruhové základně (viz obr.)

Plechovku osvětlíme světelným zdrojem, který vytváří ostrý stín (žárovka bez

stínítka, Slunce). Zaznamenáme délku stínu plechovky na vodorovném dnu

prázdné nádoby. Plechovku přidržíme rukou a do nádoby napustíme vodu tak,

aby nepatrně sahala nad plechovku. Zjistíme délku stínu v tomto případě. Na-

stalo zkrácení stínu. Zjistěte další údaje potřebné k výpočtu indexu lomu, pou-

žijte zákon lomu.

59

Záhadný kruh na dně

Pomůcky: nádoba s vodou, malá žárovka

Totální odraz světla na rozhraní voda – vzduch lze pozorovat při pokusu s ma-

lou svítící žárovkou (4,5 V) ponořenou do vody (viz obr.). Žárovce to prakticky

nevadí a nevyžaduje to ani elektrickou izolaci konců vodičů.

Světlo vysílané žárovkou se po odrazu na rozhraní voda – vzduch částečně

vrací zpět na dno. Na dně lze pozorovat zvláštní kruhovou světelnou oblast. Je

zajímavá tím, že její osvětlení z vnější strany kruhu je intenzivnější, než ze

strany vnitřní. Zdánlivě jde o paradox.

60

Vysvětlení jevu úzce souvisí s totálním odrazem. Paprsky, které dopadají na

rozhraní pod úhlem menším, než je mezní, se odrážejí neúplně. Část jejich

energie se dostává i nad hladinu. Intenzita odraženého paprsku a tedy i osvětle-

ní odpovídající části dna je menší. Naproti tomu tam, kde jde o úplný odraz, tj.

při větších úhlech dopadu světla na hladinu, bude intenzita odražených paprsků

větší. V tomto případě jde o vnějšek kruhu. Záhadný kruh je důsledkem „ušet-

řené energie” při úhlech dopadu větších než mezní úhel. Změříme-li poloměr

uvažovaného kruhu, hloubku žárovky pod hladinou, hloubku vody v nádobě,

lze z těchto údajů určit úhel lomu vody vzhledem ke vzduchu.

Experiment můžeme doplnit pozorováním světelného kruhu při postupném

zvedání resp. ponořování žárovky. Při větší hloubce vody se kruh může zdánli-

vě ztratit. Jde však jen o to, že poloměr roste a kruh se na dno nádoby nevejde.

Stín a záhada Měsíce

Lidem trvalo velmi dlouho, než pochopili zákonitosti pohybu planet. Zajímavé

je, že velmi dlouho nepřišli na to, že Měsíc je kulatý a že svítí jen proto, že

odráží sluneční světlo.

Stín vzniká v důsledku přímočarého šíření světla.

Pomůcky: ping-pongový míček, obloha se Sluncem i Měsícem

Vezměte ping-pongový míček a během dne, kdy je na obloze vidět Slunce

i Měsíc si ji dejte před oči s nataženou rukou ve směru spojnice oko-Měsíc. Co

uvidíme? Bílou kouli osvětlenou stejným způsobem jako Měsíc. Ta bílá kulička

bude ukazovat stejné fáze jako Měsíc. Rozdíl je jen v tom, že totéž nelze pozo-

rovat i v noci. To však jen proto, že naše ruka je krátká a navíc jsme ve stínu

vlastní Země. Proto se sluneční světlo na míček nedostane.

Pokusy na stěně chladničky

Pomůcky: kapesní svítilna, stínítko, magnety, cukřenka

Zákonitosti odrazu světla můžeme pozorovat i na stěně chladničky. Budeme

potřebovat sluneční paprsek. Jako zdroj světla lze použít válcovou kapesní

elektrickou svítilnu. Při pokusu z ní odmontujeme reflektor. Postavíme ji na

horní stranu ledničky tak, aby svítící žárovka přesahovala přes okraj. Pod ni

umístíme papírové stínítko se štěrbinou, které na ledničce přidržíme pomocí

61

magnetů. Na ledničce se objeví paprsek vhodný pro experimenty. Jako zdroj

světla lze použít i stolní lampu postavenou na horní stěně. Pro vymezení užšího

světelného paprsku lze použít i dvě knihy položené na horní stěně a přečnívající

přes přední stěnu ledničky tak, že mezi nimi necháme úzkou štěrbinu.

Lom světla – použijeme skleněnou nebo plastovou cukřenku, naplníme ji vodou

a pozorujeme průchod světla soustavou. Pokud světelný paprsek dopadá na

rozhraní pod nenulovým úhlem dopadu, nastává lom ke kolmici. Úhel lomu,

tj. úhel mezi lomeným paprskem a kolmicí k hladině je menší, než úhel dopadu.

Při tomto pokusu využíváme vodní hranol vytvořený v cukřence při vhodném

sklonu. Během experimentu pozorujeme změnu směru tj. deviaci světelného

paprsku (viz obr.). Tato odchylka závisí na lámavém úhlu hranolu. V našem

případě je to úhel mezi vodní hladinou a dnem cukřenky.

62

Pozorování můžeme na stěně ledničky znázornit smývatelným fixem a analy-

zovat je vzhledem ke dvěma lomům, ke kterým došlo. Na stěně vyznačíme

kolmice dopadu a změříme zajímavé úhly. Při průchodu světelného paprsku

přes planparalelní vodní vrstvu v cukřence (když je ve vodorovné poloze) se –

jak lze pozorovat – směr nemění. Paprsek se však posune. Je to důsledek dvoj-

násobného lomu světla při průchodu vodní vrstvou. Při výstupu paprsku z vody

nastává lom od kolmice.

Posunutí paprsku lze pozorovat i pomocí krabičky od tik-taku, když ji naplníme

vodou (viz obr.). Pokus lze provést i na papíru na stole. Nejprve na papír na-

kreslíme přímku, která bude představovat dopadající světelný paprsek. Tuto

přímku budeme pozorovat přes naplněnou krabičku, kterou přitom natáčíme do

různých poloh, čímž měníme úhel dopadu paprsku na vrstvu. Pozorujeme, že

pozorovaná přímka se posouvá. Prodloužení této přímky představuje vystupují-

cí paprsek, který můžeme nakreslit na papír tak, že hranu pravítka postavíme ve

směru pozorovaného obrazu přímky (při pohledu přes vodní hladinu). Posunutí

vystupujícího paprsku závisí na úhlu dopadu.

Index lomu vody (metoda jedné přímky)

Pomůcky: skleněný pohár, mince, měřítko, papír

Zdánlivá hloubka mince nacházející se na dně jezírka je menší, než ve skuteč-

nosti. Poměr reálné a zdánlivé hloubky (při pohledu shora) je roven relativnímu

indexu lomu vody (vzhledem ke vzduchu). Podobně lze měření provést ve

sklenici.

Skleněný pohár s průhledným rovným tenkým dnem naplníme vodou a posta-

víme na kus papíru, na který jsme předem nakreslili přímku c. Pozorujeme ji

63

přes vodu okem umístěným nad pohárem. Obraz c′ čáry se vytváří v menší

hloubce, než je hloubka a předmětu pod pohárem.

K určení obrazové vzdálenosti b použijeme jiný papír s čarou d. Ten umístíme

těsně vedle poháru tak, aby obě čáry (zdánlivá v poháru a reálná vedle něj)

ležely v jedné přímce. Abychom toho dosáhli, musíme vnější papír umístit ve

vhodné výšce nad úrovní stolu. Po dosažení rovnoběžnosti změříme předměto-

vou a obrazovou vzdálenost. Předmětová vzdálenost a je určena vzdáleností

papíru pod pohárem od hladiny vody. Obrazovou vzdálenost b udává vzdále-

nost vnějšího papíru od hladiny vody. Pro index lomu vody platí n = a/b. Vy-

chází hodnota blízká hodnotě 1,33.

Krabička tik-taku jako dokonalé zrcadlo

Pomůcky: krabička tik-taku, plastové pravítko, nádoba s vodou

K pokusu potřebujeme průhlednou krabičku tik-taku bez nálepek. Pomocí gu-

mičky krabičku připevníme na konec průhledného plastového pravítka (viz

obr.). Otvor krabičky je přitom ve spodní poloze.

Nejlepších výsledků dosáhneme, když na dno průhledné nádoby s vodou umís-

tíme různobarevné plechové víčko V. Pomocí pravítka, jehož horní konec dr-

žíme v ruce, krabičku ponoříme do vody. V krabičce přitom zůstává vzduch.

64

Právě přítomnost vzduchu umožňuje pozorovat úplný odraz na příslušném

rozhraní.

Při pohledu shora (viz obr.) se nám svislá stěna krabičky jeví jako dokonalé

zrcadlo, ve kterém vidíme barevný obraz víčka. Zrcadlení je podobné jako

u kapesního zrcátka, které lze pro porovnání použít podobně.

Totální odraz, který je zodpovědný za perfektní zobrazení, vzniká díky tomu,

že paprsky dopadající na rozhraní, dopadají pod větším úhlem, než je mezní

úhel.

Při pohledu přes boční stěnu nádoby s vodou (držíme pravítko ve svislé poloze)

se nám krabička jeví jako neprůhledná. V tomto případě nejsou splněny pod-

mínky pro úplný odraz.

Na obr. b je odlišná verze experimentu. Při ní je pravítko s krabičkou nakloněné

a žáci pozorují obraz barevného víčka v tik-takovém zrcadle přes boční svislou

rovinnou stěnu průhledné nádoby s vodou. Povrch krabičky dostatečně odráží

jen při dostatečném naklonění pravítka. Je-li pravítko ve více svislé poloze,

zrcadlení nenastane a krabička se jeví jako průhledná. Při změně sklonu pozo-

rujeme změny odrazivosti.

Místo krabičky tik-taku lze použít jakoukoli jinou průhlednou krabičku. Pod-

mínkou je to, aby při jejím ponoření v ní zůstal vzduch.

65

Pokus s nádobou ve tvaru válce

Efekty související s úplným odrazem lze pozorovat při ponoření skleněného

poháru ve tvaru válce do vody tak, že v nádobě je vzduch. Otvor je přitom buď

dole, nebo nahoře nad hladinou. Zakřivená boční válcová stěna poháru se nám

při pohledu shora jeví jako válcové zrcadlo, ve kterém vidíme zobrazené ba-

revné víčko umístěné na dně. Pokus je méně efektní než rovinné zobrazení.

Přeměna dřevěné destičky na zrcadlo

Chceme-li z dřevěné destičky D vytvořit dokonalé zrcadlo, musíme ji nejprve

vložit do lesklého průhledného obalu tak, aby při ponoření destičky v obalu k ní

nepronikala voda. Je-li destička ve svislé poloze, můžeme na ní totální odraz

pozorovat shora. Povrch destičky se jeví jako dokonale zrcadlící. V takovém

zrcadle jasně vidíme barevný obraz ponořeného víčka, stejně jako v případě

pokusu s krabičkou tik-taku.

Pokud soustavu dostatečně nakloníme, obraz víčka lze pozorovat i přes rovin-

nou boční stěnu nádoby s vodou. Když ale destičku postupně zvedáme do svislé

polohy, totální zobrazení víčka se ztrácí a destička v obale se nám bude jevit

jako dřevěná.

Je třeba zdůraznit, že odpovědnost za pozorovaný jev nese vrstvička vzduchu

mezi destičkou a průhledným plastovým obalem. Totální odraz nastává na

rozhraní obalu a vzduchu tenké vzduchové vrstvy. Destička má jen geometric-

kou funkci, protože zabezpečuje rovinnost soustavy. Do plastového obalu lze

vložit libovolnou rovinnou destičku za podmínky, že ve vnitřní mezeře se vy-

tvoří tenká vzduchová vrstva.

66

Exotická čočka – rozptylka ve vědérku

Vodní rozptylku vytvoříme z vody, která se nachází v menším otáčejícím se

průhledném vědérku. Roztočení vědérka realizujeme pomocí tenkého provázku,

na který vědérko zavěsíme. Horní konec provázku dobře natočíme mezi prsty

ještě před zvednutím vědérka. Během začátku rotace provázek mezi prsty natá-

číme i nadále. Tak dosáhneme dostatečných obrátek soustavy a tím pádem také

duté (parabolické) vodní čočky (duto-ploské až kulově ploské).

Vznikající vodní rozptylka má zobrazovací schopnosti, které lze sledovat i tak,

že pod rotující vodní čočku dáme barevné víčko, které pozorujeme shora přes

čočku. Obraz víčka se nám bude jevit výrazně zmenšený, což se v průběhu

zpomalování rotace mění.

Duha

Pomůcky: plochá nádoba naplněná vodou (výška vodního sloupce cca 5–10

cm), rovinné zrcadlo (kapesní zrcátko), úzký svazek slunečního světla

Nádobu s vodou postavíme tak, aby na vodní hladinu dopadal úzký svazek

slunečního světla. Pro demonstraci odrazu světla zrcadlem nejprve nastavíme

zrcátko tak, aby se na promítací stěně (stropě, rohu místnosti) objevila bílá

světelná stopa – prasátko.

67

Pro rozklad světla je třeba ponořit zrcadlo pod vodní hladinu a pootočením

promítnout na promítací stěnu (strop, roh místnosti) duhový pás.

Vysvětlení: Rovinné zrcadlo (rovná lesklá plocha) odráží svazek rovnoběžných

paprsků opět rovnoběžně. Při průchodu paprsku vodním hranolem dochází

k rozkladu světla, protože úhel lomu je závislý i na barvě světla. Nahoře se

objeví barva červená (nejmenší index lomu), žlutá, zelená, modrozelená a na

spodní části duhového pásu barva fialová (největší úhel lomu).

Infračervená LED dioda

Použití kombinace CCD čipu a IR absorpčního filtru není věrnou kopií vlast-

ností oka. O tom se můžeme přesvědčit jednoduchým experimentem. Namíříme

libovolný IR dálkový ovladač na kameru a stiskneme některé tlačítko. V obrazu

z kamery (bez režimu nočního vidění) zřetelně vidíme záblesky z infračervené

LED diody dálkového ovladače, i když pouhým okem nevidíme nic. LED dio-

dy dálkových ovladačů pracují ve velmi blízké IR oblasti (cca 0,85–0,95 µm),

kde lidské oko již není citlivé, ale IR filtr před CCD čipem nedokáže toto záření

zcela absorbovat.

Čočka z vody

Dvě dostatečně velká hodinová sklíčka (ta naše měla průměr téměř 20 cm),

mezi něž nalijeme vodu a slepíme je po obvodu, fungují jako docela slušná

spojná čočka. Samozřejmě, přesněji řečeno, jako spojka funguje voda uvnitř.

Po řadě pokusů se jako nejjednodušší ukázalo spojit okraje hodinových sklíček

prostě plastelínou. Vyrobená čočka sice poněkud tekla, takže dlouho nevydrže-

la, ale za slunečného počasí jí bylo možno bez potíží zapálit papír. (Pokus byl

bezpečný, vodou odkapávající z čočky šlo papír opět uhasit.)

Spektrometr z CD

Spíše než o spektrometr šlo o spektroskop. Opět jde o námět na řadu konstruk-

cí. Stačí uštípnout kousek z nějakého, např. již neužívaného reklamního CD.

Drážky na „cédéčku“ působí jako dostatečně hustá mřížka, takže při dopadu

např. slunečního světla lze pozorovat i promítnout na papír první i druhé ohy-

bové maximum. Vytvořený spektroskop lze velmi zhruba kalibrovat pomocí

68

barev ve slunečním spektru; pro přesnější kalibraci by šlo využít zdroje se

známou vlnovou délkou, pomoci si vztahy pro ohyb na mřížce atd.

Zrcadlo, zrcadlo

Jednoduchý model ilustrující chod paprsků v kulovém či parabolickém zrcadle

lze postavit na polystyrénové desce a pruhu lesklé fólie na pásku umělé hmoty.

Do tvaru kružnice či paraboly se pásek vytvaruje pomocí špendlíků zapícha-

ných do polystyrénu. Na polystyrén připíchneme balicí papír s nakreslenou

kružnicí či parabolou, ve vzdálenostech několika cm zapícháme do desky

špendlíky, přiložíme pásek (v tuto chvíli se hodí mít více rukou) a zapícháme

špendlíky z druhé strany pásku.

Vytvořeným válcovým zrcadlem lze demonstrovat např. chod paprsků s využi-

tím tužkového laseru. Orientační měření ukázala, že tato laserová ukazovátka

mají výkon přesahující 1 mW (dosahuje 3 až 5 mW) a tedy již nepatří do třídy

II, v níž při náhodném zásahu oka nehrozí nebezpečí trvalého poškození sítnice.

Jde tedy o zařízení potenciálně nebezpečná, pro jejichž provoz platí zvláštní

předpisy a jejich porušení může mít prý za následek až trestní odpovědnost!

Řešením může být omezení výkonu takového laseru dostatečně absorbujícím

šedým filtrem. Pro většinu lidí bude asi jednodušší svítit na zrcadlo lampou,

baterkou nebo využít slunečního světla. To sice může také poškodit sítnici, ale

není zakázáno ho využívat. Namíříme-li osu vytvořeného válcového zrcadla na

Slunce, uvidíme velmi dobře kulovou vadu (a to, jak se zmenšuje, omezíme-li

se na paprsky blízké ose), kaustiku, skutečnost, že parabolické zrcadlo kulovou

vadu nemá (ale jen pro paprsky rovnoběžné s osou) a řadu dalších věcí.

Další námět: eliptické zrcadlo a paprsky vycházející z jednoho ohniska.

69

Polarizace selektivní absorpcí (dichroizmus)

Některé látky procházející světlo štěpí na dvě složky, které kmitají v navzájem

kolmých rovinách, přičemž jedna složka se v nich postupně tlumí a druhá pro-

chází téměř beze změny. Vystupující světlo je pak lineárně polarizované. Tyto

polarizátory se nazývají polarizační filtry (polaroidy, dichroické polarizátory)

a nejčastěji se používají při analýze polarizace světla a demonstracích průchodu

světla dvojicí polarizátorů. Žáci je dobře znají především z polarizačních brýlí.

Zde je vhodné připomenout využití těchto filtrů ve spojení s kapalnými krysta-

ly. Změnu propustnosti kapalných krystalů účinkem elektrického pole můžeme

pozorovat v propuštěném světle (dataprojektor) nebo světle odraženém (mobil-

ní telefon, kalkulačka…).

Polarizace odrazem a průchodem

V odraženém světle zpravidla kmitá vektor intenzity elektrického pole rovno-

běžně s odrazivou plochou (tj. kolmo k rovině dopadu). Asi nepřekvapí, že ve

světle procházejícím (lomený paprsek) tato složka naopak částečně chybí. Od-

ražené světlo je úplně polarizované jen při tzv. Brewsterově (neboli polarizač-

ním) úhlu dopadu αB. Dopadá-li světlo ze vzduchu na rozhraní s prostředím

o indexu lomu n, platí: Btg n

Při úhlu dopadu αB svírá odražený a lomený paprsek úhel 90°, lomený paprsek

však úplně polarizovaný není, jeho polarizace se zvětší vícenásobným lomem.

70

Díváme-li se na odrazivou plochu (případně obraz na této ploše vznikající od-

razem) přes polarizační filtr, zjišťujeme, že se intenzita odraženého světla mění

v závislosti na orientaci (pootočení) filtru i na směru pozorování. Víme-li, jaký

kmitový směr filtr propouští, můžeme určit směr polarizace paprsku odražené-

ho.

Polarizace dvojlomem

U některých (anizotropních) látek se dopadající světlo rozštěpí na dva paprsky,

které jsou lineárně polarizované v navzájem kolmých rovinách – na paprsek

řádný (řídí se Snellovým zákonem lomu) a paprsek mimořádný. Oba paprsky se

šíří obecně různou rychlostí a různým směrem (samozřejmě nedopadá-li světlo

ve směru tzv. optické osy). Oddělíme-li oba paprsky od sebe (zpravidla nechá-

me pohltit paprsek řádný), dostáváme polarizované světlo (poměrně drahé

krystalové polarizátory, např. Nikolův hranol). Podíváme-li se přes takovou

látku, uvidíme dva obrazy. Pokud si dáme před oko polarizační filtr a otáčíme-

li jím, budou střídavě obrazy mizet.

71

Umělý dvojlom

Optická anizotropie látek se dá „vyprovokovat“ vnějšími vlivy – např. magne-

tickým a elektrickým polem, mechanickým napětím. Některé (amorfní) látky se

stanou dvojlomnými, vzniknou-li v nich vnitřní napětí např. při tuhnutí a chlad-

nutí, vnějším namáháním. Vložíme-li takovou látku (např. model z plexiskla)

mezi dva polarizační filtry, pozorovaný obrazec poskytne informace o rozlože-

ní mechanického napětí. Nemusíme mít žádný složitý model, stačí obyčejné

průhledné pravítko. Vložíme-li pravítko mezi dva polarizační filtry umístěné na

zpětném projektoru, můžeme s celou třídou pozorovat nádherné barevné obraz-

ce. V místě, kde jsou barevné čáry nejhustší, bylo pravítko vystaveno velkému

mechanickému namáhání (v místě vlisů apod.)

Vznik barevných efektů

Dopadá-li na destičku z dvojlomného materiálu polarizované světlo, obecně se

štěpí na dva paprsky, které se šíří různou rychlostí (tj. látka má různý index

lomu: ne pro paprsek mimořádný a no pro paprsek řádný). Mezi paprsky vzniká

určitý dráhový rozdíl, který je přímo úměrný tloušťce d destičky a rozdílu obou

indexů lomu. Oba paprsky se po průchodu skládají, přitom výsledek závisí na

fázovém rozdílu e 02πd /n n , kde λ je vlnová délka dopadajícího svět-

la. Bude-li fázový rozdíl mezi paprsky např. 2π, složené světlo bude polarizo-

váno ve stejné rovině jako světlo dopadající, v případě fázového rozdílu π

v rovině kolmé k rovině původního světla. Díváme-li se tedy na destičku přes

další polarizační filtr, světlo prochází, či neprochází v závislosti na úhlu jeho

pootočení. V případě, že je fázový rozdíl jiný, než jsou obě výše uvedené ex-

trémní situace, vznikne světlo kruhově polarizované, které filtrem projde čás-

tečně.

Pokud experiment provádíme v bílém světle, je pozorovaný jev výslednicí

různých propustností destičky pro jednotlivé vlnové délky (barvy). Destička se

pak chová jako filtr, který některé barevné pásy pohltí, jiné propustí. Závislost

propustnosti na indexu lomu (který je ovlivněn mechanickým napětím v látce)

je zřejmá z pokusu s pravítkem (které je umístěno mezi polarizačními filtry).

Závislost na tloušťce destičky je pěkně vidět na průhledné lepicí pásce, která je

dvojlomná. Nalepováním pásek přes sebe vznikne několik vrstev, které jsou

pak různě barevné. Vzájemným otáčením obou filtrů, můžeme ukázat

i závislost na úhlu natočení.

72

Pěkné barevné (i když ne tak výrazné) efekty můžeme pozorovat na průhled-

ných umělohmotných materiálech za slunečného dne (nejspíše si studenti jevu

všimnou na krabičce od CD). Ve třídě pak můžeme diskutovat, proč pozoruje-

me tyto efekty bez přítomnosti nějakého speciálního zdroje polarizovaného

světla. Při tom je vhodné zopakovat, jak si polarizované světlo můžeme „při-

pravit“. Jev je výraznější, když např. výše zmíněné CD pozorujeme polarizač-

ním sklem, tím odfiltrujeme odražené polarizované paprsky. Výraznost barev-

ných pásů závisí na orientaci filtru i na úhlu pod kterým tyto obrazce pozoru-

jeme.

Rozptyl světla, aneb proč je obloha modrá

Často kladenou otázkou studentů je: „Proč je obloha modrá?“ Příčinou je naše

atmosféra. Kdyby tady nebyla, připadali bychom si ve dne jako na jevišti osvět-

leném slunečním reflektorem. Za to, že světlo Slunce proniká do našich domů

a všech zákoutí (i tzv. za roh), může rozptyl světla v atmosféře. Při dopadu

světla na nějaké malé tělísko se vyvolávají kmity elektronů, které jako malé

anténky vyzařují do okolí „druhotné“ světlo téměř všemi směry. Existuje mno-

ho druhů rozptylu, které se liší podle velikostí rozptylujících částic. Zde se

jedná o tzv. Rayleighův rozptyl. Je nazván podle významného anglického fyzi-

ka, jenž formuloval zákon, podle kterého závisí intenzita rozptýleného světla

nepřímo úměrně na čtvrté mocnině jeho vlnové délky. Jde o rozptyl na chaotic-

kých fluktuacích hustoty v atmosféře (to zase matematicky vysvětlil Einstein).

Ze zákona je patrné, že světlo o velké vlnové délce (červené) se rozptyluje

méně než světlo o malé vlnové délce (modré). Ze slunečního kotouče je tak

odfiltrováno modré a fialové světlo, které zabarví okolní oblohu. (Nebe není

fialové ale modré proto, že fialového světla je ve slunečním záření méně než

modrého a navíc je naše oko na modrou barvu citlivější.)

Naplníme-li akvárium vodou a přidáme-li několik kapek mléka, pozorujeme při

osvětlení úzkým svazkem z intenzivního zdroje světla (např. diaprojektoru), že

je akvárium zabarveno domodra; při čelním pohledu je zdroj červený.

Rozptýlené světlo je navíc také polarizované. To je možné ověřit polarizačními

brýlemi přímo při pohledu na oblohu – při otáčení brýlí se mění intenzita svitu

některých částí oblohy. Hmyz tyto různé stavy polarizace dokáže rozlišovat,

proto zřejmě tohoto jevu využívá k navigaci.

73

Duha 2

Asi nejznámějším a zároveň nejobdivuhodnějším a poměrně komplikovaným

optickým úkazem, kterým nás příroda obdařila, je duha. Každý ji viděl, ale ne

každý si uvědomuje obrovskou šíři jevů, které zahrnuje. Vysvětlit do všech

podrobností její fyzikální podstatu je opravdu tvrdý oříšek. Uplatňuje se zde

disperze světla, jeho interference i polarizace. Není bez zajímavosti se zabývat

i historií jejího zkoumání. V souvislosti s tím bychom neměli pozapomenout na

osobu významného českého učence, Jana Marka Marci. Ačkoli bývá prvenství

při objasnění základních vlastností duhy tradičně připisováno I. Newtonovi, již

několik let před ním vydal o duze spis právě Jan Marci.

Simulovat vznik duhy na jedné kapce je možné s využitím kulové baňky

s vodou, nebo se skleněnou „věšteckou“ koulí. Vhodným zdrojem světla je

např. diaprojektor s jednou čočkou a vloženou úzkou vodorovnou štěrbinou.

Duhu pak můžeme pozorovat na stínítku nad spojnicí koule-projektor. Dopadá-

li svazek paprsků na spodní část koule, pozorujeme tzv. primární (hlavní) duhu,

při dopadu paprsků na vrchní část vzniká méně výrazná sekundární (vedlejší)

duha, která leží vzhledem ke kouli níž. Zatímco oblouk hlavní duhy je výrazný

a dobře pozorovatelný prakticky ze všech míst učebny, vedlejší duha je slabá

(vzniká při dvou odrazech uvnitř naší improvizované kapky), a proto se studen-

ti musí přesunout blíž.

Na naší jednokapkové duze můžeme pozorovat a vysvětlit tvar, pořadí barev

a různou intenzitu primárního i sekundárního oblouku. Na internetu je řada

obrázků a apletů, kterými je vhodné zkoumání duhy doplnit a názorně ukázat,

74

proč je duha vidět pod určitým úhlem (hlavní duha pod úhlem 42° a vedlejší

pod úhlem 53°), nebo jak se její vzhled mění s velikostí kapek. Ve vyšších

ročnících gymnázií (například na semináři z fyziky nebo matematiky) je možné

zjistit průběh tzv. duhové funkce (maximum a minimum má právě pro tyto

úhly!) a lépe tak objasnit, proč je obloha mezi oběma oblouky tmavší než je

tomu v jejich okolí.

Protože paprsek prochází v kapce několika odrazy a lomy, dochází i k jeho

značné polarizaci. Spočítáme-li si, jaké paprsky tvoří duhu, zjistíme, že dopada-

jí na zadní stěnu kapky pod úhlem, který je shodou okolností blízký úhlu

Brewsterovu. Máme-li při vzniku duhy na obloze po ruce polarizační filtr,

polarizaci duhy si sami snadno ověříme.

Svíčka hořící pod vodou

Pomůcky: skleněná deska, sklenice, svíčka

Před dobře vyleštěnou skleněnou desku, kterou umístíme ve svislé poloze na

stole, postavíme sklenici, do které dáme svíčku. Stejnou sklenici postavíme na

opačnou stranu do stejné vzdálenosti, ve které je sklenice se svíčkou. Pokus

umístíme tak, aby deska a sklenice stály přímo před studenty. Potom zakryjeme

skleněnou desku tmavou látkou. Zapálíme svíčku před deskou a předstíráme

zapálení svíčky také ve sklenici za deskou. Odstraníme tmavou látku, vysloví-

me „magické zaklínadlo“ a naplníme sklenici vodou. Vidíme, že v zadní skle-

nici hoří svíčka pod vodou. Vysvětlete, jak kouzlo funguje.

(Je možné, aby svíčka hořela pod vodou? Jaký je obraz vytvořený rovinným

zrcadlem? Skutečný nebo zdánlivý? Přímý nebo převrácený? Jaká je velikost

obrazu v porovnání s velikostí svíčky? Je obraz před zrcadlem nebo za ním? Je

obraz v zrcadle stranově obrácený? Může skleněná deska plnit funkci zrcadla,

jaké vlastnosti skla to umožňují?)

Skleněná deska plní funkci rovinného zrcadla tím, že vytváří neskutečný obraz

hořící svíčky ve sklenici za deskou. Přestože skleněná deska odráží jen 4–8 %

světla svíčky, stačí to na vytvoření jasného a přesvědčivého obrazu.

Kouzelná lžička

Studenti drží v ruce dobře vyleštěné kovové lžíce otočené vnitřní stranou

k sobě. Pozorují, že obraz, který vidí před sebou, je v lžičce převrácený. Potom

75

obrátí lžíci o 180°. Obraz, který vidí nyní, je přímý. Ve středu křivosti daného

zrcadla je vytvořený obraz skutečný, převrácený a zmenšený. Po otočení se

dívají do vypuklého zrcadla, které vytváří vždy neskutečný a převrácený obraz.

Přeměna sazí na stříbro

Předmět, např. kovovou lžičku pokryjeme důkladně sazemi nad plamenem

svíčky. Potom lžičku ponoříme do nádoby s vodou. Je vidět lesklá, jakoby

stříbrná lžička. Povrch lžičky voda nesmáčí. Na povrchu se vytvoří tenká vzdu-

chová vrstva, od které se odrážejí paprsky dopadajícího světla. Dochází

k úplnému odrazu na rozhraní voda-vzduch.

Zakřivený světelný paprsek

Pomůcky: průhledná nádoba s malým otvorem, zátka, voda, mléko, laser

Vezmeme větší průhlednou nádobu s malým otvorem blízko dna nádoby. Otvor

uzavřeme zátkou a nádobu naplníme vodou. Do vody přidáme trochu mléka.

V zatemněné místnosti laserový paprsek nasměrujeme tak, aby procházel nádo-

bou a dopadal na zátku. Potom zakřivíme paprsek světla. Vytáhneme zátku,

laserový paprsek sleduje proud vody vytékající z nádoby.

Co je příčinou zakřivení paprsku? Jaký je index lomu vody v porovnání

s indexem lomu světla ve vzduchu?

Totální odraz světla odráží paprsek zpět do vody (Tyndallův jev).

76

Jednoduchá lupa

Propíchneme kus kartonu (pohlednici) špendlíkem a uděláme dírku asi 1 mm.

Karton s dírkou přiblížíme k oku a přes dírku pozorujeme písmena v textu. Při

určité vzdálenosti budeme vidět písmena ostře a zvětšená. Zvětšila se hloubka

ostrosti našeho oka. Je to jako u fotoaparátu – větší clona zvyšuje hloubku

ostrosti.

Převrácený špendlík

Použijeme propíchnutý karton a špendlík z předchozího pokusu. Propíchnutý

karton přiložíme těsně k oku a potom před otvor umístíme špendlík (hlavičkou

nahoru). V otvoru vidíme nepřevrácený obraz špendlíku, kterého velikost se při

přibližování špendlíku k otvoru zvětšuje, ale obrysy jsou rozmazané. Otvor

funguje jako dírková komora. Nyní dáme karton s otvorem asi 5–8 cm od oka

a špendlík s hlavičkou nahoru umístíme mezi oko a karton. Díváme se na dírku,

nikoli na špendlík, uvidíme v dírce obraz špendlíku zvětšený a obrácený. Vidí-

me jen stín špendlíku, který se na sítnici zobrazuje ve stejné poloze, jako má

samotný špendlík, tj. hlavičkou nahoru. Protože naše oko dostává všechny

obrazy na sítnici obrácené a díky mozku je vnímáme takové, jako ve skutečnos-

ti, stín špendlíku vidíme obráceně. Dívejte se proti jasné obloze.

Máte dva nosy?

Zkřižte prostředníček a ukazováček své ruky, položte si je na špičku nosu

a pohybujte jimi ze strany na stranu. K svému překvapení budete cítit dva nosy.

Prsty se teď dotýkají nosu svými vnějšími stranami a hlásí to mozku, který

jejich zkřížení nezaregistroval.

Díra v ruce

Sbalte kus papíru do rourky a dívejte se do ní pravým okem. Levým okem se

dívejte na dlaň své ruky, kterou držíte vedle rourky. Za chvíli uvidíte svoji ruku

s dírou uprostřed.

V mozku jsou vjemy obou očí zpracovány na společný plastický obraz, který

v tomto případě má zvláště dobrou perspektivu.

77

Zmizelé kolečko

Připravte si list papíru, v jehož levé části nakreslíte křížek a v pravé kolečko

vzdálené od sebe něco více než 10 cm. Zakryjte si levé oko rukou a soustřeďte

svůj pohled na křížek, kolečko uvidíte jen ze strany. Obrázek pak pomalu při-

bližujte a vzdalujte od oka. Kolečko najednou zmizí.

Na sítnici je v místě, kde do ní přichází oční nerv, tzv. slepá skvrna, jejíž buňky

nejsou citlivé na světlo. Všechny obrazy dopadající zvenčí na oko v tomto

místě jsou neviditelné. Můžete tak vidět např. člověka bez hlavy.

Odhad vzdálenosti

Na papír nakreslete bod a pak se do něj snažte trefit hrotem tužky. To se vám

snadno podaří. Zkuste totéž, když si jedno oko přikryjete. Při pohledu pouze

jedním okem se většinou netrefíte.

Teprve oběma očima můžeme odhadnout hloubku prostoru a vzdálenost tělesa.

Oči vidí bod a hrot tužky pod různými úhly, z nichž mozek vzdálenost poměrně

dobře odhadne.

Optické klamy

V následujícím obrázku porovnejte délky úseček a a b. I když se tak nejeví,

jsou úsečky a a b vždy stejně dlouhé. Naše vnímání je ovlivněno jejich okolím.

Jsou horizontální čáry a a b v následujícím obrázku rovnoběžné? Ano, jsou,

přestože se jeví jako vypouklé.

78

V následujícím obrázku se zadívejte na obě úsečky v písmenu T a řekněte,

která je delší. Pak se zadívejte na obrázek cylindru. Co je větší, jeho výška,

nebo šířka jeho okraje? V písmenu jsou obě úsečky stejně dlouhé. Také cylindr

má stejnou výšku i šířku. Přeměřte to, abyste viděli, jak vás zrak klame. Lidské

oko přeceňuje vždy délku svislých úseček.

Podívejte se na obě zobrazené sestavy a porovnejte plochy jejich prostředních

kruhů. Která je větší? Obě jsou stejně veliké.

79

Podvědomě srovnáváme střední kruhy s těmi, které je obklopují, a tím získáme

dojem, že pravý střední kruh je větší.

Pozorujte následující obraz. Jistě uvidíte spirálu, což však je klam. Na obrázku

jsou soustředné kružnice. Přesvědčte se o tom tužkou nebo kružítkem.

Vaše oko je vlivem černé mřížky v pozadí a záznamem jednotlivých kruhů

směrováno stále do středu obrazu a nemůže dobře sledovat jednotlivé kružnice.

Obrázky, které neexistují

Co vidíte na dalších obrázcích? Na prvním z nich vidíte rovnostranný trojúhel-

ník a na druhém obdélník. Tyto obrazce jsou dokonce světlejší než jejich okolí.

Obrazce však neexistují, vždyť vůbec nejsou nakresleny. Tyto fantómy jsou

pouze naznačeny okolními obrazy a vznikají ve vašem podvědomí.

Co je vpředu?

Pozorujte každý obrázek zvlášť. Podle toho, jakou zvolíte perspektivu, vidíte na

krychli vpředu buď pravý dolní roh, nebo levý horní. Podobně máte pocit, že

v dalším obrázku je menší čtverec před větším čtvercem, nebo že je za ním.

80

Oba tyto obrázky vám skáčou před očima. Mezi oběma perspektivami se ne-

můžete rozhodnout.

Dívejte se pozorně na zobrazené schodiště a pak otáčejte

pomalu obrázkem o 180°. Nejdříve mělo schodiště přední

stěnu bílou a 6 schodů, podruhé stěnu černou a sedm

schodů.

Pozorujte obrázek a pak jej otočte o 180°. Jednou je to

žena, podruhé stařec. Oba obrazy nemůžete vidět najed-

nou ze stejného směru, ani změnou perspektivy.

Skrytý pohárek

I vědomé očekávání může vést ke klamu. Pozorujte obrá-

zek, je na něm několik úseček na bílém podkladu. Když

však v obrázku vědomě vidíte pohárek na koňak, ztmav-

ne celá plocha mezi úsečkami, a kolem poháru se vytvoří

jemná, světlá hraniční čára.

Mechanismy ve vašem mozku vám chtějí ulehčit nové

pozorování.

81

Následné působení

Dívejte se 30 sekund upřeně na vlákno tmavé žárovky. Pak

se podívejte na bílou plochu vedle lampy. Uvidíte bílý tvar

žárovky, jasnější než podložený papír.

Vznášející se prsty

Podržte asi 30 cm před očima své ukazováčky, které se dotýkají, a dívejte se

přes ně na protější stěnu. Mezi vašimi prsty se objeví ještě jednou jejich špičky

spojené do jakéhosi balónku. Ten se dokonce může zcela samostatně vznášet ve

vzduchu.

Když se díváte přes prsty, zaostří se vaše oči na stěnu. Přitom jsou obrazy va-

šich prstů promítány na sítnici tak, že se oba obrazy v mozku nespojí. Každé

vaše oko vidí špičky prstů dvojitě. Tím vzniká vznášející se fantóm.

Trojrozměrná grafika

Postavte svoji rovně a ve vzdálenosti asi 10 cm před očima si svisle podržte

obrázek zvířat. Na obrázek se zadívejte rozostřenýma očima a velice pomalu jej

od svých očí vzdalujte. V určité poloze uvidíte, že zvířata nestojí v jedné řadě,

že jedno z nich je mnohem blíže k vám. Budete-li očima pohybovat, obrázky

v popředí zmizí.

Pozorování takovýchto obrázků, kterým se také říká stereoobrazy, vyžaduje

trochu cviku.

82

Otáčející se kruhy

Pomůcky: tvrdý papír, černá fixa, nůžky tužka s gumou, špendlík

Z tvrdého bílého papíru vystřihneme kruh o poloměru přibližně 8 cm. Jednu

šestinu kruhu vybarvíme černou fixou. Do gumy zapíchneme špendlík, na něj

umístíme připravený kruh, který roztočíme. Pozorujeme.

Točící se kruh bude mít jednolitou šedou barvu. (Všechny kružnice mají stejný

poměr barev.)

Podobně si připravíme kruh podle obrázku 2. Nyní bude po roztočení vnější

část kruhu tmavší než část vnitřní. Vysvětlení není známo, zřejmě souvisí se

zpracováním obrazu v našem mozku.

Ve třetí části pokusu si připravíme kruh podle obrázku 3. Při roztočení vzniká

barevný vjem. Barvy závisejí na rychlosti rotace.

Výroba kaleidoskopu

Pomůcky: 3 malá zrcadla stejných rozměrů, izolepa, PET láhev, průhledné

barevné skleněné střepy, černý papír

83

Provedení: zrcátka položíme vedle

sebe (viz obrázek) a slepíme je izole-

pou. Složíme je do pravidelného troj-

bokého hranolu. Na konec tubusu

přilepíme plastovou fólii, mezi kterou

jsme dali barevná sklíčka.

Vysvětlení: tvar trojúhelníka zobrazu-

je obrázky také ve tvaru trojúhelníka

(ať už sklíčka nebo okolní prostor)

a jeho obraz v každém ze zrcadel.

Vidíme tedy obraz ze všech tří zrca-

del. Když jedno ze zrcadel zakryjeme

černým papírem, uvidíme jen pravi-

delný šestiúhelník.

Jednoduchá lupa

Pomůcky: slámka nebo tubus z pera, med, olej, voda

Provedení: konec tubusu namočíme do medu

a pozorujeme text s malými písmeny. Postupně

se přibližujeme k textu. Obraz je nejdříve pře-

vrácený a zmenšený, potom převrácený

a zvětšený a v malé vzdálenosti je přímý

a zvětšený. Pokud je vrstva medu slabá, dosta-

neme rozptylku.

Vysvětlení: povrchové napětí udržuje kapalinu

ve tvaru čočky.

Doplňkové barvy

Pomůcky: pastelky, pravítko, tvrdý bílý papír

Nakreslíme si obrázek podle vzoru.

Kroužky E, E´ jsou černé. Na obdélníčky položíme kousky papíru v doplň-

kových barvách. Na hranu AB postavíme tvrdý papír vysoký 25 cm. Hlavu

skloníme nad papír tak, aby hrana papíru procházela podél našeho nosu. Jedním

okem pozorujeme obdélník vlevo, druhým okem obdélník vpravo. Oba kroužky

84

černé barvy se začnou pohybovat směrem k sobě. Když se ztratí z našeho zor-

ného pole, přestaneme rozlišovat barvy obdélníků a vidíme jen bílou barvu,

která vznikne splynutím barev obdélníků a bílé barvy papíru.

Červená Azurová

Zelená Purpurová

Modrá Žlutá

Základní barvy jsou červená, zelená a modrá, k nim doplňkové barvy jsou tyto:

Polostín

Pomůcky: výkres, svíčka, nůžky, žiletka, tužka

Provedení: Připravíme si obrázky různých zvířat, předmětů. Vystřihneme je

nůžkami a světlá místa na obrázku vyřízneme žiletkou. Mezi svíčku a stínítko

dáme obrázek. Nevyřezané části obrázku vrhají na stínítko stín, přes ostatní

části proniká světlo.

Vysvětlení: Na základě přímočarého šíření světla. Světlo se nešíří za neprů-

hlednou překážku. Protože používáme plošný světelný zdroj, počet paprsků

dopadajících na obrys obrázku je velký, paprsky dopadají pod různými úhly,

vzniká polostín.

http://posec.astro.cz/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=2006020802

85

Periskop

Pomůcky: dvě zrcadla, vlnitá lepenka, balicí papír, špendlík, izolepa, nůž, nůž-

ky

Na papír překreslíme schéma obrázku, šířka jednotlivých polí je dána velikostí

zrcadel. Zrcátka umístíme na vyšrafované plochy nákresu. Délku periskopu

volíme nejvýše 30 cm, úhly musí být přesně 45°. Šablonu položíme na vlnitou

lepenku přesně podél vlnek (snadněji se ohne). Pomocí špendlíku propíchneme

každý roh. Potom šablonu odložíme, dírky vyznačené špendlíkem pospojujeme

čarami. Podél čárkovaných čar projedeme tupou stranou nože – zde lepenku

ohýbáme. Přilepíme zrcadla na svá místa, lepenku poskládáme. Periskop zpev-

níme pomocí izolepy.

86

VI. Různé

Dostředivá síla

Pomůcky: dřevěná cívka od niti nebo jakákoliv trubička o průměru cca 1 cm,

nit dlouhá 1 m, stopky, měřítko, dvě závaží 10 g a 50 g, korková zátka, svazek

klíčů

Lze ověřit vztah pro výpočet odstředivé síly.

Motivace: Jak dostaneme visící svazek klíčů nahoru k cívce, aniž bychom jej

zvedli druhou rukou?

Cívku uchopíme do ruky a korkovou zátku uvedeme

do krouživého pohybu nad cívkou. Při zvětšení rych-

losti pohybu zátky se zvětšuje poloměr jeho kruhové

trajektorie, svazek klíčů je vytažen nahoru.

Kvantitativně: Při ustáleném pohybu měříme pomocí

stopek dobu několika oběhů malého závaží, určíme

jeho úhlovou rychlost, délkovým měřítkem změříme

poloměr trajektorie. Vypočítáme dostředivou sílu.

Nit působí na malé závaží dostředivou silou, jejíž velikost je rovna velikosti

gravitační síly působící na větší závaží. Z naměřených hodnot a znalosti hmot-

nosti závaží lze ověřit platnost vztahu pro výpočet dostředivé síly.

Varianta s tyčí – nit se namotá na rovně drženou tyč.

Granule

Pomůcky: nafukovací balónek, písek

Nafukovací balónek naplníme pískem, uzavřeme a prudce jím mrštíme o zem.

Balónek bude mít tvar bochníku, na omak bude tvrdý.

Do stejné kategorie chování patří mokré stopy v písku na pláži, vakuově balená

káva apod. Tyto vlastnosti granulí se vysvětlují na základě nelineárních in-

terakcí, fraktální geometrie. Zejména moderní výpočetní technika přispěla

k vysvětlení a znázornění systémů mnoha částic, které lze nyní počítačově

modelovat. V praxi je nutné s těmito efekty počítat – v průmyslu, při skladová-

87

ní obilnin v silech, poznatků této oblasti fyziky využívá geofyzika, stavebnictví,

kosmetika.

Fraktály

Pomůcky: dvě sklíčka, kapka medu

Příklad vzniku fraktálů – kápneme trochu medu mezi dvě skla. Pokud chceme

jedno z nich nadzdvihnout, musí vzduch pomoci vyplnit volný prostor (podtlak)

mezi skly. Vzniká obraz jednoduchého fraktálu (stromeček).

Kapilarita

Pomůcky: dvě sklíčka (větší a menší), trochu inkoustu

Dvě sklíčka položíme na sebe, horní nesahá až k okraji. Na spodní sklíčko

kápneme trochu inkoustu v blízkosti hrany horního sklíčka. Kapka inkoustu se

rozteče až k hraně horního sklíčka a poté je celá kapka vtažena mezi obě skla.

Podstatou je kapilární elevace, navíc není potřeba překonat gravitační sílu,

neboť sklíčka „leží“.

Přenos vnitřní energie tepelnou výměnou

Pomůcky: pružina z měděného drátu, svíčka, plynový hořák, zápalky, kleště

Příprava: Z měděného drátu průměru 1 mm (může být i větší) navineme na

kulatou tužku pružinu asi s 10 závity. Jeden konec pružiny necháme přibližně

10 cm prodloužený, bude sloužit k uchopení pružiny. Pružinu sejmeme z tužky.

Postup: Pokus provedeme ve dvou krocích.

a) Zapálíme svíčku a na její plamen nasuneme pružinu. Pružinu držíme

v kleštích.

88

Pozorujeme, že jas plamene výrazně poklesne, téměř zmizí, nad pružinou se

objeví i dým. Sejmeme-li pružinu, plamen se znovu objeví. Nasuneme-li znovu

pružinu na plamen, děj se opakuje. Při delším držení pružiny v plameni se může

stát, že plamen svíčky zhasne.

b) Plamen svíčky obklopíme pružinou, kterou jsme opatrně vyhřáli do červena

v plameni plynového hořáku. Tentokráte plamen svíčky nezhasne.

Vysvětlení: Při prvním kroku pokusu má navlečená pružina z počátku menší

teplotu, než plamen svíčky. Proto vnitřní energie přechází z plamene na pruži-

nu. Vnitřní energie plamene se zmenšuje a jeho teplota se sníží. Záření, které

nyní hořící knot vysílá, má menší vlnovou délku, než je dolní hranice viditelné-

ho světla, proto plamen zmizí. Nepatrně se viditelný plamen udržuje u „kořene“

viditelné části knotu, popř. i tam se utlumí, až zhasne.

V druhém kroku pokusu není vzhledem k teplotám vyhřáté pružiny a plamene

důvod k tomu, aby se vnitřní energie přenášela od plamene k pružině. Je tomu

spíše naopak, proto je plamen vidět.

Poznámka: Na uvedený pokus mohou navazovat pokusy na „chladivý účinek“

drátěných sítěk nad plamenem, např. plynovým. Na popsaném principu přenosu

vnitřní energie byla založena i bezpečná hornická lampa, tzv. Davyův hornický

kahan.

Kahan ze školní křídy

Pomůcky: školní křída, líh, zápalky, nehořlavá miska

Připravíme si nehořlavou misku (např. od svíčky) a kousek křídy s rovným

dnem. Do misky nalijeme trochu lihu, postavíme křídu a chvíli počkáme. Poté

křídu zapálíme. V podstatě nehoří křída jako taková, ale líh, který do ní nasákl.

89

Magnetické vlastnosti látek

Pomůcky: magnet, mince různé hodnoty

Permanentní (pecičkový) magnet přibližujeme k různým mincím. Některé se

přitáhnou, jiné ne. Mince jsou vyrobeny z různých kovů a jejich slitin, které se

liší magnetickými vlastnostmi.

Suspenze

Označení směsí z malých nerozpustných pevných částic v kapalinách. Příkla-

dem takové suspenze je škrob.

V nádobě se nachází směs škrobu a vody. Skočíme-li na směs z určité výšky

a ihned opět ven, zdá se, jako bychom skočili na pevnou podložku. Nyní se

pokusíme se pomalu postavit na směs v nádobě. To se nám nepodaří a my se

ponoříme do směsi.

Škrob v nádobě zvětší svůj objem asi o 28 procent. Voda proniká do molekul

škrobu a vytváří vodíkové mosty s volnými hydroxylovými skupinami. Tato

suspenze má vysokou viskozitu, přesto se v ní ponoří předměty o velké hustotě.

Proč ale můžeme na povrch skočit a neponoříme se? Zjednodušeně lze říci, že

se zrníčka škrobu v právě zamíchané směsi voda – škrob volně vznášejí obklo-

peny vodou. Pokud začne působit mechanická síla, je voda vytlačena z prostoru

mezi zrníčky, škrobová zrnka se spojí a vytvoří dojem pevné plochy. Pokud

působí jen slabé mechanické síly, mohou se zrníčka volně pohybovat kolem

sebe a voda působí jako mazivo.

90

Přesněji jev vysvětlujeme na základě mikroskopické struktury suspenze: škrob

se skládá ze strukturálně odlišných částí – amylázy (28–30 %) a amylopektinu

(70–80 %). Zatímco amyláza je složena z 3 800 k sobě řazených molekul, tvoří

amylopektin síťovou strukturu z 6 000 až 20 milionů jednotlivých molekul.

Vztah mezi těmito složkami ovlivňuje vlastnosti daného škrobu. Molekula

vody, která se nachází mezi dlouhými molekulami amylázy, je při skoku vytla-

čena. Tím se řetězce zaklíní, vytvoří se vodíkové vazby, dochází k deformaci

struktur amylopektinu, vodíkové vazby vznikají i zde. Tím se zvyšuje viskozita

– tzv. dilatace – jev trvá pouze tak dlouho, dokud na suspenzi působí tlak. Jev

je výraznější, čím větší síly působí. Při dilataci viskozita závisí na velikosti

tlaku – čím silněji působíme na kapalinu (čím více ji namáháme), tím je pev-

nější.

Podobným efektem je rheopexie – suspenze vlivem pohybu (rytmické údery,

houpání) během času ztuhne v pevnou látku, ale v klidu je opět tekutá.

Známější je thixotropie – opačný jev k rheopexii. Všichni známe kečup –

v klidu je pevný, nechce z láhve, po protřepání se stane tekutým. Necháme-li

láhev chvíli stát, opět ztuhne.

Škrob – používán již 3500 př. n. l., byl pomocnou látkou při výrobě papyru

a lepidel. V r. 1525 se škrobu užívalo ke zpevnění límců u košil. V přírodě

existují různé zdroje škrobu (zásobárna sacharidů) – hlízy a kořeny (brambory,

maniok, batáty), semena (zrní), plody (kaštany, luštěniny). Obsah škrobu je

rozdílný, např. rýže 70–75 %, brambory 12–20 %.

Pokud smícháte to správné množství vody se správným množstvím kukuřičné

mouky, obdržíte tekutinu, která se při úderu zpevní. Takové speciální kapaliny

jsou známé jako „dilatant liquids“ – roztažné tekutiny.

Stejně se chová bešamelová omáčka. Na začátku je úplně řídká. Ale když ji

přivedeme do varu, náhle a jakoby kouzlem začíná houstnout. Ale kdo je ten

kouzelník? Je to samozřejmě kukuřičný škrob. Vysvětlení je stejné: Kukuřičný

škrob tvoří maličké částečky asi 0,01 mm dlouhé. Každou z těch částic tvoří

dlouhé molekuly škrobu, smotané jako kulička vaty. Jestliže během zahřívání

mícháme, pak nabobtnalé, rozbalené molekuly škrobu z jednotlivých částeček

se začnou vzájemně proplétat a tvořit velkou propojenou síť.

Přítomnost škrobu v látce se dokazuje pomocí jódu – škrob zmodrá. V praxi

(potravinách) se lze setkat s modifikovanými škroby, které vznikají chemický-

mi změnami jedlých škrobů.

91

Blivajz

Pomůcky: 1 balení bramborového škrobu (solamyl), 2 dcl studené vody, nádob-

ka, potravinářské barvivo

Postup: V nádobce promícháme škrob se studenou vodou, až vznikne hladká

hmota (vodu přidávejte postupně, pokud přelijeme a hmota bude příliš řídká,

přisypeme škrob). Směs míchejte až do té doby, dokud to lžičkou půjde.

A zajímavé je, že když mícháte pomalu, tak to jde, ale rychle to prostě nejde.

Když jemně a pomalu nakloníme naši mísu, vidíme, že naše směs je kapalina.

Hmotu můžeme obarvit potravinářskou barvou. Když blivajz zmáčkneme nebo

do něj prudce udeříme je tvrdý a drolivý, když se ho dotkneme lehce, je měkký

a poddajný a chová se podobně jako kapalina (blivajz je dobrý pokus také jako

tzv. „tekuté písky“...).

Voda funguje jako mazivo mezi jednotlivými částečkami škrobu. Takže když

tímto materiálem pohybujeme pomalu, chová se jako kapalina. Když ale použi-

jete rychlou sílu, částečky se semknou, vypudí z prostor mezi sebou vodu

a získají uspořádanější strukturu.

Takže místo toho, abyste měli volné, klouzající částečky, máte spoustu pev-

ných, navzájem se dotýkajících hrudek, které jako celek prostě netečou.

Možná jste to viděli v posledním díle Indiana Jones: čím více člověk zápasí,

tím pevněji ho písek svírá.

Pouze jemné, klidné pohyby bez kopajících nohou vedou na cestu záchrany.

Domácí plastelína

Pomůcky: 1 l vody, 30 g kyseliny citrónové, 5 polévkových lžic oleje, 500 g

soli, 750 g hladké mouky, potravinářská barva

V míse smícháme mouku a sůl. Vodu uvedeme do varu a přidáme do ní kyseli-

nu, olej a barvu. Nalijeme ji na mouku se solí a pořádně propracujeme vařeč-

kou. Pak ještě hněteme jako těsto na vále. Hmotu uchováváme v mikroténovém

sáčku nebo v uzavřené nádobě.

Sliz

Pomůcky: 100 ml lepidla Herkulesu, 100 ml studené vody, 10 ml boraxu (kou-

píte v drogerii), 40 ml horké vody, potravinářské barvivo, 2 misky, nádobka

s víčkem

92

Postup: V misce důkladně promícháme 100 ml lepidla Herkulesu a 100 ml

studené vody. V další malé nádobce smícháme 10 ml boraxu (koupíme

v drogerii) a 40 ml horké vody. Přimícháme potravinářské barvivo. Nakonec

oba roztoky nejméně 3 minuty intenzivně mícháme v misce, dokud se směsi

nespojí a poté zpracujeme důkladně rukama.

Sliz vznikne smícháním roztoků v poměru 1:3.

Porce pro 1 skupinu: Do kelímku dáme 2 polévkové lžíce I. roztoku a 6 lžíc II.

roztoku. Dobře promícháme míchadlem. Pak ještě propracujeme v rukách,

chvíli necháme uležet a opět propracujeme. Sliz uchováváme v uzavřeném

kelímku a v mikroténovém sáčku.

Šampaňské

Pomůcky: čirá sklenice, olej (v hezké lahvi), ocet (obarvený potravinářskými

barvami např. v krabičkách od kinofilmů, počet kusů se řídí počtem barev),

soda (v misce se lžičkou), potravinářské barvy

Postup:

Předvádíme takto s povídáním: do skleničky nasypeme cukr (lžíce sody) na

výrobu šampaňského, aby nebylo kyselé, zalijeme starým vínem (olej), a proto-

že šampaňské musí mít bublinky, tak přidáme (nakapeme) „pravé bublinky

přímo ze Šampaně“ (v krabičce od filmu smíchaný ocet s potravinářskou bar-

vou).

93

Ve sklenici se stále pohybují barevné bublinky ... teď musíme, ale diváky upo-

zornit na to, že naše povídání je spíše z říše pohádek, protože aby se mohly

naše barevné bublinky – kapky takto pohybovat, je potřeba zcela jiného vysvět-

lení: „cukr“ je jedlá soda, „staré vazké víno“ je jedlý olej a „bublinky“ nejsou

nic jiného než potravinářskými barvami obarvený ocet a výsledný výrobek není

tudíž vůbec k pití.

Vysvětlení: Ocet u dna začne reagovat se sodou, vznikne oxid uhličitý, který

drobnými bublinkami obalí barevné kapky a ty se začnou v oleji pohybovat

směrem vzhůru, u hladiny popraskají a kapky zase klesnou ke dnu a vše se

opakuje... pohyb barevných bublinek je velmi efektní (modifikace: při velkém

množství sody a octa vzniká tornádo, proud bublinek je velmi intenzivní, tak se

nám jeví jako velký barevný vír tornáda).

Faraonovi hadi

Pomůcky: moučkový cukr, soda bikarbona, líh, zápalky, špejle, kovové víčko

od plechovky, popel, plech na pečení, lžička

Provedení: Kovovou misku dejte na pečící plech a naplňte popelem. Smíchejte

9 dílů (lžiček) cukru a 1 díl sody, dobře smíchanou směs nebo část nasypte na

popel a okolo směsi nalijte trochu lihu. Zapalte líh pomocí špejle. Při troše

trpělivosti vám vyrostou až metr dlouzí „hadi“. Směs i líh můžete přidávat, ale

pozor na křehké hady!

Vysvětlení: Při hoření cukr uhelnatí a ze sody uniká vznikající oxid uhličitý,

který zuhelnatělý cukr nafukuje, napěňuje. Z malého objemu vzniknou poměr-

ně objemní „pěnoví hadi“, překvapí, jak jsou lehcí a jemní.

Lávová lampa

Pomůcky: sklenice, voda, olej, potravinářské barvivo, sůl

Provedení: Do sklenice nalijeme vodu, olej můžeme obarvit potravinářským

barvivem a nalijeme jej na vodu. Na olej nasypeme sůl a pozorujeme, jak olej

klesá ke dnu a pak znovu stoupá zpět na hladinu.

Vysvětlení:

Sůl nasypaná na hladinu oleje má vyšší hustotu než olej i voda, a proto klesá ke

dnu, s ní však klesá i olej. Ten opět stoupá nahoru, když se sůl usadí na dně

sklenice a tím má olej opět menší hustotu než voda. Děj se postupným sypáním

soli opakuje.

94

Postupně vyzkoušejte i jiné materiály – látky, např. cukr, sodu, mouku, prací

prášek, ... s cukrem se vám docela povede, soda i mouka udělají prosté „žuch“,

jak to pojmenovaly děti, prací prášek rozpouští tuky, tak se ze všeho stane

nevábná kapalina.

Vyzkoušejte i lampu voskovou: v horké vodě budete rozehřívat nejlépe barev-

ný vosk – kousek svíčky, kterou přidržte u dna jehlicí či špejlí, roztátý

vosk bude stoupat na hladinu.

Bomba

Pomůcky: ocet, jedlá soda, potravinářská barva, toaletní papír, samouzavírací

igelitový sáček, lžíce

Provední: Do sáčku dejte asi 150 ml octa (pozn. asi 1/3 sáčku „střední“ velikos-

ti). Na toaletní papír dejte nejméně dvě lžíce jedlé sody (či prášku do pečení),

všechno zabalte dohromady a máte „rozbušku“; toaletní papír „do kříže“

usnadní zabalení.

Vložte „rozbušku“ do sáčku a pevně jej uzavřete. Zatřepejte sáčkem pro lepší

aktivaci „rozbušky“. Sledujte, co se bude dít – sáček se začne nafukovat a až

vzniklý oxid uhličitý nebude mít dostatek prostoru, sáček s pěkným zvukovým

efektem PRASKNE!

Bublinové roztoky

Pro výrobu roztoků používejte převařenou vodu, ještě lépe destilovanou (musí

být hodně měkká), záleží též na „voňavé“ řadě přidaného saponátu (nejlepší je

95

Jar), připravenou směs nechte asi den odstát. Glycerín, který se přidává pro

větší trvanlivost a pružnost, koupíte v lékárně.

Uchovávejte v uzavřené nádobě.

Seznam roztoků na bubliny:

1. Základní roztok: voda 10 dílů, saponát 3 díly, glycerín 1 díl

2. Roztok na velké bubliny: 10 l vody, 3 velké Jary, 1 l glycerínu

3. Jiný „hrnečkový“ recept na vytahované bubliny: 12 hrnečků vody,

1 hrneček Jaru, 1 hrneček Maizeny (kukuř. škrob), 2 lžíce prášku do pečiva

4. Levný recept na roztok: 7–10 dílů vody, 1 díl Jaru, 2 lžíce glycerínu

5. „Hustý“ roztok: 2,5 dílu vody, 1 díl Jaru, 2 lžíce glycerínu

Roztok na velké bubliny a vytahování bublin dáme do lavoru nebo malého

nafukovacího bazénku, který je vhodný i na vytahování tunelu okolo těla. Při

experimentování s brčky odlijeme roztok např. do krabiček od margarínů. Na

tělesa použijeme menší kyblíčky apod.

Pěnovač

Pomůcky: sklenička, brčko, saponát (Jar), voda, kousek molitanu, nit nebo

tenký provázek

Provedení: Okolo konce brčka ovažte kousek molitanu. Do sklenice s vodou

přidejte saponát. Vložte brčko s molitanem do sklenice a pomalu foukejte.

Vznikne jemná a pevná pěna.

Vysvětlení: Pěna je množství malých či větších bublinek. Nejdříve vyzkoušejte

foukání brčkem bez molitanu a pak porovnejte s foukáním přes molitan. Přes

molitan projdou do roztoku jen malinké bublinky, a čím menší ty bublinky

jsou, tím hustší a pevnější pěna vzniká.

Výroba svíček

Pomůcky: Staré svíčky nebo parafín (koupíte v lékárnách či drogeriích), knoty

(buď ze starých svíček, obyčejných svíček na hřbitov nebo přímo koupíme

v drogerii), špejle, formy (můžeme použít nejrůznější kelímky od jogurtů nebo

hezky vypadá taky krabice od džusů … fantazii se meze nekladou), plechovku,

voskovky, vonný olej, hrnec, ozdoby (např. kávové zrna, sušené plody, skořice,

vanilka…), staré noviny.

96

Postup:

1. Připravíme si vše na výrobu svíček, takže si vezmeme hrnec a dáme do něj

vodu, rozprostřeme staré noviny na kuchyňskou linku, abychom nic nezašpinili

voskem.

2. Poté nasekáme staré svíčky (když budou barevné, nemusíme už potom pou-

žívat na obarvení voskovky) nebo si přichystáme parafín do plechovky.

3. Plechovku postavíme do hrnce s vodou a dáme zahřívat na sporák.

4. Mezitím si přichystáme formy na svíčky. Můžeme postupovat několika způ-

soby. Buď máme přímo koupené formy, nebo si je vyrobíme. Můžeme použít

kelímky od jogurtů, které mají někdy opravdu pěkné tvary. Dále můžeme

ustřihnout krabici od džusu nebo si vzít ruličku od toaletního papíru, postavit ji

na tvrdý papír a zafixovat plastelínou. Způsobů na výrobu forem je spousta.

Stačí zapojit fantazii.

5. Nyní si vezmeme knot potřebné délky a namotáme ho trochu na špejli. Poté

špejli položíme na formu tak, že knot visí dolů do nádoby.

6. A teď je čas vylévání vosku do nádob. Pokud chcete, aby vám svíčka voněla,

tak do roztopeného vosku kápněte pár kapek vonného oleje. Nekapte ale von-

ného oleje příliš.

7. Nyní si nalijeme trochu vosku na dno nádoby a tím zafixujeme knot na dně.

Pokud chceme mít svíčku vyzdobenou, tak je právě čas na skořici, sušené plody

apod. Vysteleme tedy formu po okrajích ozdobami.

8. Nyní už jen stačí nalít zbytek vosku a nechat zaschnout.

9. Pokud chceme mít svíčku z více barevných vrstev, musíme vždy počkat, až

vrstva trochu zatuhne (až je na povrchu škraloup). To brzy poznáte sami jak

dlouho čekat.

10. Po zaschnutí vosk možná trochu nahoře u knotu klesne. Stačí si jen nechat

trochu vosku stejné barvy na druhý den a poté jen dolít.

TIP na formy!

Formu na svíčku tvaru kužele si můžeme vyrobit z tvrdého papíru. Ten

srolujeme do tvaru kornoutu a pořádně zafixujeme izolepou a popřípadě i plas-

telínou a dál pokračujeme už podle postupu.

97

Stejně tak můžeme použít karton. Ustřihneme si dlouhý pásek kartonu,

který poté ohýbáme do tvaru hvězdy. Tento karton opět připevníme k dalšímu

kartonu (který nám tvoří dno) plastelínou.

Tip pro návštěvníky prodejny s nábytkem Kika: pokud zavítáte do této

prodejny, věnujte pozornost osvěžení u výtahů, protože zde můžete najít kelím-

ky tvaru kužele, které se skvěle hodí na výrobu svíček

Literatura

Svoboda, E.: Pokusy s jednoduchými pomůckami. Prometheus 2003.

Holubová, R.: Veletrh nápadů učitelů fyziky. Sborník příspěvků veletrhů 1-9.

Wilke, H. J.: Überraschende Experimente mit Kunststofflaschen. MNU 2000.

<http://fyzweb.cuni.cz>

Bdinková, V.: <http://www.fyzikahrou.cz/>

Veletrh nápadů učitelů fyziky – sborníky 1-16.

<http://www.infovek.sk/predmety/fyzika/pokusy/fyzika.htm>

Renata Holubová

Pokusy s jednoduchými pomůckami

Vydal Repronis v Ostravě roku 2012

Technická úprava textu: doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc.

Návrh obálky: Repronis, s. r. o.

Tisk: Repronis, s. r. o., Ostrava

Počet stran: 98

Náklad: 150 ks

Vydání: první

ISBN 978-80-7329-317-8