Fyzika 5

ENERGIE FYZIKA 5 RPZ A COVÁNO V SOULAD U SRVP PRO ZÁKLADNÍ VZDĚLÁVÁNÍ pro základní školu Zemskýpovrch Znečistěnáatmosféra Slunce

Zpracovali: PaedDr. Ji í Tesa , Ph.D., PaedDr. František Jáchim

Lektorovali: doc. PaedDr. Václav Havel, CSc., Mgr. Marie Kalivodová, Mgr. Zde ka Kamarádová

Schválilo MŠMT . j. MSMT-5194/2022-3 dne 26. 5. 2022 k za azení do seznamu u ebnic pro základní vzd lávání jako sou ást ucelené ady u ebnic pro vzd lávací obor Fyzika s dobou platnosti ty let.

Tato u ebnice je sou ástí nové ucelené ady u ebnic fyziky na 2. stupni ZŠ a v nižších ro nících víceletých gymnázií.

Celá ada odpovídá požadavk m a doporu ením RVP pro základní vzd lávání a tvo í ji tyto tematicky zam ené u ebnice:

Fyzika 1 (Fyzikální veli iny a jejich m ení)

Fyzika 2 (Síla a její ú inky – pohyb t les)

Fyzika 3 (Sv telné jevy • Mechanické vlastnosti látek)

Fyzika 4 (Elektromagnetické d je)

Fyzika 5 (Energie)

Fyzika 6 (Zvukové jevy • Vesmír)

Poznámka redakce:

Snazší práci s u ebnicí umožní malé obrázky po stran textu úloh. Co znamenají? úloha vyžadující vaše v domosti po etní úloha úloha na procvi ení dovedností a odhadu úlohy, které u í vyhledávat údaje nebo poznatky mimo u ebnici domácí pokus úloha vyžadující použití PC a internetu zadání pokus provád ných ve škole

Obsah

I. ENERGIE

1. Práce, výkon, energie 5

1.1 Práce 5

1.2 Výpo et práce na páce a na kladce pevné 9

1.3 Výpo et práce na kladkostroji a naklon né rovin 12

1.4 Výkon 14

1.5 Energie 18

1.6 Mechanická energie 19

1.7 P em ny mechanické energie 23

1.8 Ú innost 26

1.9 Energie v denním život 28

1.10 Energie vody 30

1.11 Energie v tru 35

2. Shrnutí oddílu Energie 36

II. TEPLO

1. Teplo a vnit ní energie 38

1.1 Vnit ní energie 38

1.2 Zm na vnit ní energie – teplo 40

1.3 Na em závisí teplo? 42

1.4 Výpo et tepla a zákon zachování energie 46

2. Ší ení tepla 50

2.1 Vedení tepla 50

2.2 Proud ní tepla 52

2.3 Tepelné zá ení 54

2.4 Energie Slunce 57

3. Zm ny skupenství 59

3.1 Skupenství a vnit ní energie 59

3.2 Teplota tání a tuhnutí 61

3.3 Tání, tuhnutí a tepelná vým na 63

3.4 Vypa ování 66

3.5 Var 69 3.6 Kapaln ní 71

3

Pomocí páky byly pravdpodobn vzty ovány nap . menhiry. Na obrázku je postup vzty ování takového kultovního kamene.

stranách páky. Kolikrát se zv tší síla, tolikrát se zmenší dráha, po které p sobí a naopak. To znamená, že sou in velikosti síly a velikosti dráhy, po které síla p sobí, je na obou stranách páky vždy stejný. Protože je tento sou in roven vykonané práci, jsou práce na obou stranách páky také stejn velké. Ke stejnému poznatku dojdeme, pokud obdobný pokus provedeme s pákou jednozvratnou. M žeme tedy formulovat základní pravidla pro práci na páce.

K ZAPAMATOVÁNÍ:

Práce vykonané na obou stranách páky jsou stejn velké.

P i zdvihání t lesa pomocí páky vykonáme stejnou práci jako p i jeho zdvihání bez pomoci páky.

Pomocí páky si práci pouze usnadníme – p sobíme menší silou po v tší dráze.

Pro tedy vlastn páku používáme, když se práce nezmenší? Podstatné je, že p sobíme mnohem menší silou. Nap . nazdvihnout bednu o hmotnosti 100 kg je pro v tšinu lidí tém nemožné, pomocí vhodné páky je to pom rn jednoduché.

P íklad:

Ur ete práci, kterou vykonáme p i p ímém zdvihání kamene o hmotnosti 72 kg do výšky 20 cm . Jakou práci vykonáme p i zdvihání stejného kamene pomocí pá idla, jestliže ruka p sobí na konec pá idla silou 240 N po dráze 0,6 m? Velikosti obou prací porovnejte (viz obr. 6).

F1

V R se nachází menhir, nazývaný Kamenný pastý , nedaleko obce Klobuky na Slánsku, jeho výška je 3,3 m.

Vzty ování menhiru Menhir – Kamenný pastý

6. Zdvihání kamene – páka

Rozbor úlohy:

m1

Pokud je sm r p sobící síly a sm r pohybu stejný, ur íme práci podle vztahu: W = F s. Musíme však rozlišit, která síla p sobí po které dráze. Pro p ehlednost ozna íme p i p ímém zdvihání kamene sílu a posunutí indexem 1 a sílu p sobící na konci páky a její posunutí indexem 2. Stejným zp sobem potom ozna íme i po ítané práce.

ešení:

m1 = 72 kg

W1 = m1 g h1 W2 = F2 h2 h1 = 20 cm = 0,2 m W1 = 72 10 0,2 W2 = 240 0,6 F2 = 240 N W1 = 144 J W2 = 144 J h2 = 0,6 m W1 = ? J W2 = ? J

P i p ímém zdvižení kamene i p i zdvižení pomocí pá idla vykonáme stejnou práci 144 J.

10

F2

Na kladce pevné nastane rovnováha, jestliže na obou koncích lana p sobí stejn velké síly. Podobn jako u páky porovnáme, po jak velkých drahách tyto síly p sobí.

Na kladku pevnou zav ste na oba konce provázku stejné závaží. Ozna te výšku obou závaží. Posuneme-li jedno závaží výše, druhé se posune níže. Zm te velikost obou posunutí. Celý pokus obm ujte pro r zné velikosti závaží a r zná posunutí (viz obr. 7).

Z p edchozího pokusu vyplývá, že jak síly, tak i velikosti posunutí jsou na obou stranách kladky stejné. Z toho plyne, že i práce na obou stranách kladky jsou stejné.

K ZAPAMATOVÁNÍ:

Práce vykonané na obou stranách kladky jsou stejn velké. P i zdvihání t lesa pomocí kladky pevné vykonáme stejnou práci jako p i jeho zdvihání bez pomoci kladky pevné – p sobíme stejnou silou po stejné dráze.

Pro tedy vlastn kladku pevnou používáme, když se práce nezmenší, ani si ji neusnadníme p sobením menší síly po v tší dráze? 1. d vod: Pomocí kladky m žeme zdvihnout p edm t tak vysoko, v jaké výši je kladka upevn na. P i p ímém zdvihání t lesa dosáhne dosp lý lov k pouze do výšky asi 2,5 m.

2. d vod: Vyplývá z anatomie a fyziologie lidského t la. Pro lov ka je snazší „tahat dol “ než „zdvihat nahoru“. P i tahání dol m žeme využít celé tíhy svého t la zav šením se na lano.

ÚLOHY

1. Schematicky nakreslete zdvihání kamene pomocí dvojzvratné páky. Vyzna te velikosti p sobících sil a dráhy, po kterých tyto síly p sobí.

2. Schematicky nakreslete zdvihání v dra s maltou na stavb pomocí kladky pevné. Vyzna te velikosti p sobících sil a dráhy, po kterých tyto síly p sobí.

3. Porovnejte velikosti vykonané práce p i zdvihání t lesa do výšky ve dvou p ípadech:

a) Pá idlo podep eme pomocným hranolem, tj. vznikne dvojzvratná páka.

b) Nepoužijeme pomocný hranol, tj. vznikne jednozvratná páka. (K ob ma p ípad m nakreslete schematické obrázky.)

Bez pák a kladek se patrn obešlo p emis ování a vztyování ob ích soch na Velikono ním ostrov . Tamní civilizace kolo neznala. Výzkumem, který na míst provád l Nor Thor Heyerdal, se poda ilo prokázat, že sochy bylo možné v terénu p esouvat jejich kýváním.

Heyerdalovým spolupracovníkem na tomto ostrov byl i ing. Pavel Pavel ze Strakonic.

11

s1 s2

7. Kladka

Vìtrný mlýn v Kuželov na jižní Morav je významnou technickou památkou R. Jde o zd ný mlýn holandského typu s otá ivou st echou postavený roku 1842. Až do roku 1918 mlel obilí na mouku, pozd ji jen na šrot. 100 kg žita za b žného v tru semlel za dv až t i hodiny. Regulace otá ek mlýna se provád la jednak nastavováním h ídele v trného kola proti v tru a jednak vypl ováním rošt lopatek.

alespo 4 s m . P i rychlosti 25 s m se musí v trná elektrárna odstavit, aby nedošlo k jejímu zni ení. Protože rychlost v tru je ve vyšších výškách v tší než p i zemi, dosahují stožáry v trných elektráren výšky až 100 metr . V eské republice jsou p íznivé v trné podmínky v nadmo ských výškách nad 700 m (nap . Krušné hory, Jeseníky). Výkon v trných elektráren se pohybuje od 10 kW až do 100 kW. Ve vhodných lokalitách se nachází n kolik v trných elektráren v t sné blízkosti, v zahrani í je nazývají v trné farmy (obr. 36).

K ZAPAMATOVÁNÍ:

Ve v trných elektrárnách dochází k p em n pohybové energie v tru na mechanickou energii generátoru, která se dále m ní na energii elektrickou.

ÚKOLY

1. Pro m že v trná elektrárna pracovat pouze p i rychlosti v tru v rozmezí 4–25 s m ?

1. Nachází se n kde v blízkosti vaší školy v trná elektrárna? Zjist te její výkon, provozní možnosti a diskutujte její výhody a nevýhody. Pokud v blízkosti žádná není, diskutujete o n jaké obecn známé v trné elektrárn

Symbolem Holandska jsou v trné mlýny. Tak jako se v našich krajinách využívala a využívá energie vodních tok , tak se v Holandsku využívá energie proudícího vzduchu.

1. Vyhledejte, jaké množství vyrobené energie p ipadá v esku na jednotlivé druhy elektráren. Výsledky hledání zpracujte v MS Excel do p ehledné tabulky a vytvo te sloupcový nebo kruhový diagram.

1. Vyrobte si z papíru v trník a pozorujte jeho otá ky p i r zné síle a sm ru v tru.

2. SHRNUTÍ ODDÍLU ENERGIE

Práce

vzniká, jestliže p sobící síla zp sobí posunutí t lesa po ur ité dráze, vypo teme ji podle vztahu: W = F . s, jednotky práce: joule (J), kilojoule (kJ), megajoule (MJ), wattsekunda (Ws) a kilowatthodina (kWh)

1 J = 1 Ws; 1 kWh = 3,6 MJ.

36

V trný mlýn v Kuželov V trný mlýn v Holandsku 36. V trné elektrárny

Výkon

charakterizuje práci z asového hlediska, vypo teme ho podle vztahu: P = t W , jednotky výkonu: watt (W), kilowatt (kW), megawatt (MW).

Energie

konáním práce dochází ke zm n energie, ozna ujeme ji písmenem E, její jednotkou je joule.

Pohybová (kinetická)energie má ji každé pohybující se t leso, ozna ujeme ji Ek , závisí na hmotnosti t lesa a jeho rychlosti (rychlost má na Ek v tší vliv).

Polohová (potenciální)energie t leso ji získá p i ur ité zm n polohy v silovém poli (nap . v gravita ním poli Zem ), ozna ujeme ji E p, E p = m . g . h (t leso v gravita ním poli Zem ve výšce h), získá ji pružné t leso natažením nebo stla ením.

Zákon zachování energie

Jednotlivé druhy (formy) energie se mohou v izolované soustav vzájemn p em ovat, ale celková energie izolované soustavy se b hem asu nem ní.

Zlaté pravidlo mechaniky Pomocí jednoduchých stroj nelze práci ušet it (p sobíme menší silou, ale po delší dráze).

Ú innost vyjad uje využití dodávané energie, vypo teme ji podle vztahu: 1

2 P P η= (pom r výkonu a p íkonu), je vždy menší než 1 (100 %).

Zdroje energie obnovitelné, neobnovitelné.

Technická za ízení k využití energie vody a v tru: vodní kola, vodní turbíny: Peltonova, Francisova, Kaplanova, v trné elektrárny.

rotorový kužel s mechanickým natá ením list

rotorový list brzda rotoru p evodovka generátor mechanické natá ení gondoly v ž p ípojka k elektrické síti

ídicí elektronika

Typické uspo ádání v trné turbíny s vodorovnou osou

Vzájemnou p em nu energií mezi polohovou a pohybovou energií nalezneme ve sportu – podobn jako pohyb kuli ky na U-dráze m žeme vysv tlit nap pohyb skokana na lyžích. Také hod mí e na koš p i basketbale nebo hod ošt pem a mnoho dalších sportovních disciplin m žeme vysv tlit pomocí zákona zachování energie.

37

Skokanské m stky Princip v trného stroje pohyb listu proud vzduchu vztlak t ecí odpor pohyb listu

II. TEPLO

1. Teplo a vnit ní energie

Pohyb ástic uvnit všech látek dokazuje jev nazývaný difúze (viz u ebnice Fyzika 3).

Vysv tlete, pro se v šálku s horkou vodou postupn ší í zabarvení ze sá ku s ajem, aniž ho mícháme.

Po kterém p írodov dci nazýváme pohyb molekul?

1.1 Vnit ní energie

Všichni jist znáte pocit chladu. Bráníte se mu nap íklad tím, že se zanete více pohybovat, abyste se zah áli. Možná vám p ijde na mysl otázka: M žeme vysv tlit na základ fyzikálních poznatk vzájemnou souvislost pohybu a tepelného stavu t lesa?

Všechny látky se skládají z ástic, které vykonávají neustálý neuspoádaný pohyb a navzájem na sebe silov p sobí. Jestliže tyto dv skute nosti dáme do souvislosti s poznatky o pohybové a polohové energii, dojdeme k následujícím záv r m. ástice uvnit všech t les mají pohybovou (kinetickou) a polohovou (potenciální) energii. Pohybová energie závisí p edevším na rychlosti neuspo ádaného pohybu ástic. Polohová energie závisí na vzájemném silovém p sobení mezi jednotlivými ásticemi. Polohovou energii ástic si m žeme znázornit pomocí následujícího modelu:

K m kké pružin p ipevn te na oba konce kuli ky (nap . z polystyrenu). Kuli ky p edstavují ástice uvnit t lesa, pružina potom vazebné síly mezi nimi. Jestliže kuli ky stla ujeme, pružina je od sebe odpuzuje, jestliže kuli ky oddalujeme, pružina je p itahuje k sob (obr. 37).

37. Kuli ky na pružin

Z uvedeného modelového pokusu vyplývá, že ástice podobn jako kuli ky mají tendenci zaujímat stálou polohu, která je pro daný druh látky nejvýhodn jší. Ke zm n jejich polohy, p ípadn pohybu, dochází v d sledku vn jšího p sobení. Polohová a pohybová energie ástic tvo í vnit ní energii t lesa

38

a b

ZAPAMATOVÁNÍ:

Vnit ní energie t lesa se skládá: z pohybové energie ástic (p edstavuje neuspo ádaný pohyb ástic), z polohové energie ástic (p edstavuje vzájemné silové p sobení mezi ásticemi).

Podle zákona zachování energie se žádná energie nem že ztratit, m že pouze docházet k její p em n na jiný druh energie. Zamysleme se nad tímto poznatkem p i n kterých pokusech.

T ete o sebe dlan . Popište, co vnímáte. Kousek m kkého drátu rychle ohýbejte stále v jednom míst . Co se s ním po chvilce stane? Opatrn sáhn te na místo ohybu.

Podobný jev nastává, ude íme-li opakovan kladivem na malý kousek olova (nap . olov ný brok), až ho rozklepeme. Dokážete vysv tlit, jak se p i t chto d jích m ní energie? Všechny uvažované d je – t ení dlaní, ohýbání drátu nebo klepání kladivem – p edstavují d j, v n mž se vyskytuje pohybová energie. Na jaký druh energie se tato pohybová energie p em nila po skon ení uvažovaných d j ? Co jsme vnímali p i všech t chto experimentech? Podrobn ji rozebereme p ípad rozklepání olov ného broku. Pohybová energie kladívka zp sobuje, že olov ný brok m ní sv j tvar. ástice uvnit broku m ní svoji vzájemnou polohu, ímž se m ní jejich vzájemné silové p sobení, a p edevším se podstatnou m rou zv tšuje jejich neuspoádaný pohyb. M žeme íci, že energie vyvolala zm nu (zvýšení) vnit ní energie olov ného broku, která se navenek projevila jeho zah átím.

Do nádobky ru ního mixéru nalijte asi 0,3 l vody (viz obr. 38) a nechte n kolik hodin v klidu. Zm te teplotu vody*), vložte mixér a chvilku mixujte. Po vypnutí mixéru op t zm te teplotu vody. Co jste zjistili?

Zm na teploty t lesa je ovlivn na p edevším zm nou rychlosti neuspo ádaného pohybu ástic (Ek ástic).

Vzájemné silové p sobení ástic (E p ástic) ovliv uje skupenství, v kterém se látka nachází. Nejv tší silové p sobení je mezi ásticemi pevných látek, které jsou asto tvo eny krystaly.

38. Mixér

Pohybem otá ivé ásti mixéru se zv tšila rychlost molekul vody, tím vzrostla jejich kinetická energie, což se projevilo zvýšením teploty vody. Jak pokus ukázal, teplota vody se zv tšila jen nepatrn – pouze o 1 – 2 °C. Mícháním nelze docílit podstatn v tší zvýšení energie molekul.

K ZAPAMATOVÁNÍ:

Zvýšení vnit ní energie t lesa se projeví zvýšením jeho teploty a naopak

*) K tomuto m ení použijte teplom r s jemným d lením stupnice nebo p esný digitální teplom r, p ípadn on-line m ricí systém s teplotním idlem.

Krystaly kuchy ské soli

Krystaly ametystu (alová odr da k emene)

Krystaly k iš álu ( istá odr da kremene)

Znáte n které soustavy krystalických látek? Pokud ne, najd te tyto informace na internetu nebo v encyklopedii.

39 K

Mapa slune ního zá ení v R (v MWh slune ní energie za rok)

Nejv tší podíl na vzniku skleníkového efektu mají tzv. skleníkové plyny. Mezi skleníkové plyny adíme vodní páry (H2O), které zp sobují asi 60 % zemského p irozeného skleníkového efektu. Ostatní plyny ovlivující tento efekt jsou oxid uhli itý (CO2) (kolem 26 %), metan (CH4), oxid dusný (N2O) a ozón (O3) (asi 8 %).

Nelze p esn stanovit, jak výrazn který ze skleníkových plyn se podílí na skleníkovém efektu, protože pohlcované infra ervené spektrum r zných plyn se p ekrývá. P esné výpo ty zatím v decké týmy nezískaly a odhady jednotlivých odborník se velmi odlišují, nap . u vodní páry je uvád no 36 % ale také až 60-70 %.

K ZAPAMATOVÁNÍ:

52. Slune ní kolektor

Energii slune ního zá ení lze ve fotovoltaických systémech p em nit na energii elektrickou.

Slune ním zá ením lze p ímo oh ívat vodu (zpravidla ve slune ních kolektorech).

Negativní d sledky tepelného zá ení zp sobuje tzv. skleníkový efekt. Slune ní zá ení prochází sklem skleníku, je pohlcováno vnit ním prost edím skleníku, které ho zp tn vyza uje. Toto zá ení má však jinou vlnovou délku a sklem prochází velmi obtížn , je odráženo zp t do skleníku, kde se tak hromadí velké množství tepla. Stejný skleníkový efekt na Zemi vzniká p i pr chodu tepelného zá ení zne ist nou atmosférou. Tepelné zá ení jí projde, je pohlceno zemským povrchem, zp tn vyzá eno v jiné form . Toto zá ení již atmosférou neprochází (obr. 53). Proto dochází k oteplování zemského povrchu a nebezpe nému tání ledovc .

53. Skleníkový efekt – schéma

ÚLOHY

1. Porovnejte slune ní konstantu s p íkonem tepelných elektrických spot ebi .

2. Z eho se skládá slune ní kolektor, na jakém principu pracuje?

3. Co je to skleníkový efekt, jak se projevuje na tepelné bilanci Zem ? Lze ho omezit?

1. Zjist te, zda v okolí vaší školy se n kde nacházejí slune ní kolektory pro oh ev vody.

1. Na p ímé slunce umíst te 2 plastové sá ky (jeden bílý a druhý erný) se stejným množstvím vody (asi 0,5 litru). Pravideln (asi po 30 minutách) zm te teplotu vody v sá cích. Vysv tlete. Výsledky pozorování ur ete pomocí termokamery nebo idla a datalogeru.

58

Skleníkový efekt na Zemi (archiv NASA) vana (slitina Al a Mg) absorbery s vysoce selektivní vrstvou m d né trubky s proudící vodou izolace Orsil tvrzené sklo Zemský povrch Znečistěná atmosféra Slunce

v M l íh á í

3. ZM NY SKUPENSTVÍ

Z každodenní zkušenosti víte, že voda se m že vyskytovat ve t ech skupenstvích (fázích) – ve form kapaliny (voda), pevné látky (led) nebo plynu (vodní pára). Také jiné látky mohou být v r zných skupenstvích. P i pájení se roztavuje slitina cínu a olova (pájka) (obr. 54), k tavení látek dochází p i sva ování plamenem nebo obloukem apod. Složitým technologickým postupem lze zkapalnit dusík, který je za normálních podmínek v plynném stavu a tvoí podstatnou ást vzduchu kolem nás. Naopak zah átím olova na teplotu p es 300 °C dojde k jeho roztavení, tj. p echodu do kapalného skupenství apod.

Pájení – elektropájka

3.1 Skupenství a vnit ní energie

Než se za neme zabývat p echody mezi jednotlivými skupenstvími podrobn ji, zopakujme si poznatky o vnit ní stavb látek a s tím související poznatky o vnit ní energii.

Plynné látky – jejich ástice (molekuly nebo atomy) na sebe p sobí velmi malými p itažlivými a odpudivými silami, a to pouze p i náhodných srážkách. Jejich neuspo ádaný pohyb má velkou rychlost. Plynná t lesa m ní tvar i objem podle uzav ené nádoby, v které se nacházejí.

Kapalné látky – jejich ástice se pohybují blízko sebe, p sobí na sebe p itažlivými a odpudivými silami, které umož ují jejich snadné d lení, ale ne jejich stla ování.

Rozdíl ve struktu e ástic: a) vody, b) ledu

V nitru Zem jsou takové tepelné podmínky, že i horniny mohou existovat v kapalném stavu. Na obrázku je sopka Mount St. Helen’s v Kaskádovém poho í v USA. 18. kv tna 1980 vybuchla a tehdy se její soum rný vrchol snížil o 1 400 m. Tekoucí láva se pohybovala rychlostí až 75 s m .

Krom tání a tuhnutí, vypaování a kapaln ní existuje ješt další fázová zm na, a sice p em na pevné látky na plyn, kterou nazýváme sublimace. P íkladem sublimující látky je nap . kafr nebo r zné pevné osv žova e vzduchu, které se za pokojové teploty p ímo p em ují na plyn. Také sníh za jasných mrazivých dn sublimuje. Krom toho také existuje desublimace, tj. zm na plynu na pevnou látku.

59

54.

Výbuch sopky St. Helen’s

55.

ab

Celková hmotnost zemské atmosféry je asi 5 · 1018 kg. Nad každým cm2 plochy zemského povrchu je vzduch o hmotnosti p ibližn 1 kg. Protože hustota vzduchu (p i povrchu Zem asi 1,29 m3 kg ) s výškou rychle klesá, je asi 90 % hmotnosti vzduchu do výšky 16 km. Ve spodních 10ti km je také soust ed na veškerá vodní pára – pouze do této výšky probíhají meteorologické jevy.

4. TEPELNÉ JEVY

V KAŽDODENNÍM ŽIVOT

Meteorologická družice

METEOSAT (zkratka odvozena z anglických slov Meteorological Satellite) je série meteorologických družic ur ených k poskytování meteorologických dat pro p edpov di po así a poslední družice tohoto systému se navíc v nuje studiu klimatu. První Meteosat byl vynesen na ob žnou dráhu v roce 1977. V sou asné dob pracují družice vždy ve dvojicích, jedna jako hlavní a druhá jako záložní. Jedna dvojice družic je umíst na nad nultým poledníkem a snímá Evropu, ást Afriky a Ameriky. Druhá dvojice je nad Indickým oceánem.

4.1 Meteorologie

Možná se budete divit, pro meteorologie (v da o po así) je za azena do u ebnice fyziky. Ale jak si v tomto lánku ukážeme, tém všechny jevy související s po asím m žeme vysv tlit pomocí poznatk z termiky nebo našich znalostí o kapalinách a plynech (u ebnice FYZIKA 3). Po así je stav atmosféry v jejím ur itém míst a ase Meteorologie má d ležitou roli v mnoha innostech našeho života. Mnoho výrobních odv tví, ale i zábavy je doslova závislých na vývoji po así. Po así podstatným zp sobem ovliv uje velikost úrody a tím i to, zda bude dostatek potravin pro všechny obyvatele naší Zem . Za nep íznivého po así nemohou létat letadla, mnohdy není možná ani doprava osobními nebo nákladními automobily. Vytrvalé dešt , p ípadn bou e a uragány s následnými záplavami ovliv ují negativn velké množství obyvatel naší planety. Krásné slune né po así nebo naopak p im ená sn hová pokrývka a mráz umož ují mnoha lidem odpo inek a rekreaci. Aby bylo možné p edpovídat po así, je nutné znát základní meteorologické údaje na jednotlivých místech na naší planet . Na Zemi se meteorologická m ení provád jí v meteorologických stanicích (obr. 65). Vyšší vrstvy atmosféry jsou sledovány z ob žných družic Zem

65. Meteorologická stanice Churá ov

74

Meteorologové sledují, jakým sm rem se proudící vzduch pohybuje a jaké jsou jeho další vlastnosti – jakou má teplotu, zda je nasycen vodními parami, nebo zda je suchý, v jaké výšce nad povrchem Zem se pohybuje. Z t chto poznatk mohou p edpovídat vývoj po así pro danou oblast na n kolik dní dop edu, tj. vytvo it krátkodobou p edpov po así. Pomocí po íta mohou dokonce modelovat vývoj po así i na delší dobu, nap . až na jeden m síc. Takovou p edpov nazýváme dlouhodobá p edpov po así. Bez poíta a satelitních družic se meteorologové neobejdou p i žádné p edpov di. Krátkodobé i dlouhodobé p edpov di po así m žeme najít na internetu. Menu v levé ásti obrázku 66 ukazuje, co všechno m žeme na uvedeném portálu sledovat.

Mezi základní meteorologické prvky adíme: proud ní vzduchu, teplotu, tlak vzduchu, vlhkost vzduchu, obla nost a srážky.

66. Mapa obla nosti na internetu

Proud ní vzduchu vzniká na základ rozdílných teplot vzduchu mezi dv ma místy na Zemi. Podle Archimedova zákona víme, že teplý vzduch (oh átý od pevniny nebo od mo e) stoupá vzh ru a na jeho místo proudí studený vzduch. Tak dochází k proud ní obrovského množství vzduchu.

75

Mapa proud ní vzduchu na internetu

Zjist te, co a odkdy se pvodn v Jáchymov t žilo. ím je toto m sto významné dnes?

Radioaktivním zá ením se ošet ují n které potraviny, zejména zelenina. Zá ení zabra uje klí ivosti, tvorb plísní a bakterií. Prodlužuje se tím doba jejich použitelnosti.

K ZAPAMATOVÁNÍ:

D j, p i kterém se izotop ur itého prvku m ní na izotop jiného prvku, se nazývá radioaktivita. P itom se z atomového jádra radioizotopu uvol ují ur ité ástice.

Zá ení je proud jader helia ( 4 2He).

Zá ení je proud elektron nebo kladn nabitých ástic se stejnou hmotností.

Zá ení je pronikavé elektromagnetické zá ení.

Výsledkem radioaktivní p em ny je izotop jiného prvku.

as, za který se rozpadne polovina radioizotopu, je polo as p em ny (rozpadu).

R zné radioizotopy mají r zný polo as rozpadu.

ÚLOHY

1. Co to je p irozená radioaktivita?

2. Které druhy radioaktivního zá ení existují? ím se tato zá ení liší?

3. Pro se vysíláním zá ení p vodní radioizotop zm ní na jiný?

4. Na jaký atom se p em ní izotop draslíku 40 19K, vysílá-li zá ení ?

5. Zapište schématem radioaktivní rozpad rdioizotopu 87 37Rb p i vysílání zá ení .

6. Co to je polo as p em ny (rozpadu) radioizotopu?

85. Leksell v gama n ž

Radioizotopy se používají k léka ské diagnostice i následné lé b . Nap . pacient vypije nápoj se stopami radioizotopu a léka pak na monitoru sleduje pohyb radioaktivních atom tlem, jejich shlukování apod. Z t chto skute ností získávají léka i informace o stavu a funkci orgán t la. Všechny živé bu ky jsou citlivé na radioaktivní záení a p i jeho ur ité intenzit odumírají. Proto lze zhoubné bu ky ni it p esn sm rovaným a správn dávkovaným radioaktivním zá ením.

*) Cyklotron je za ízení sloužící k urychlení t žkých nabitých ástic pomocí elektrického a magnetického pole.

**) Za ízení sestrojil roku 1968 švédský neurochirurg Lars Leksell a následujícího roku s ním provedl první úsp šný léka ský zákrok.

1.3 Využívání radioaktivity v léka ství

K zobrazení m kkých orgán lidského t la na monitorech se do t chto orgán vpraví slab radioaktivní látka (nap . injekcí nebo požitím), jejíž zá ení se detekuje. Jako radioizotop se využívá nap . technecium nebo izotopy látek, které jsou sou ástí t la (nap . jód). Koncentrace radioaktivních látek v poškozených tkáních nebo nádorech je v tší než ve tkáních zdravých, proto se oblast onemocn ní projevuje zvýšeným zá ením. Tyto radioizotopy mají také velmi krátký polo as p em ny (n kolik dn ). N která radiofarmaka dodávají do nemocnic výrobci, jiná si mohou v nemocnicích p ipravovat nap . v cyklotronu*) Jedním z nejmodern jších za ízení, které v léka ství využívá zá ení , je tzv. Leksell v gama n ž**) (obr. 85). Jeho základem je radia ní jednotka s 201 zdroji kobaltového zá ení ( 60 27Co) umíst nými na helmici s 201 otvory. T mi je možné vést paprsky zá ení do dutiny helmice, do níž pacient vsune hlavu. Jednotlivé svazky paprsk se tak mohou p esn sbíhat do velmi malého prostoru, v n mž je postižené místo (zpravidla nádor, i jinak poškozená tká ). Zá ení tedy ni í jen postižené bu ky a nezasahuje okolní zdravá místa.

1. K emu se využívají radioaktivní látky v léka ství?

92

ÚLOHY

JADERNÁ ENERGIE

2.1 Získávání energie št pením atom

V jád e atomu jsou protony a neutrony vzájemn poutány velkými jadernými silami. Tyto síly jsou mnohonásobn v tší než odpudivé síly, p sobící mezi protony (mají stejný – kladný – náboj).

Poda í-li se jádro atomu vhodného prvku rozd lit na dv p ibližn stejn velké ásti, uvol uje se jeho vazebná energie. Zp sob, jak toho dosáhnout, je možný nap . zasahováním jádra letícími neutrony. Tento proces pom rn dob e probíhá u izotopu uranu 23592U. Jádro tohoto izotopu se po zásahu neutronem rozpadne na dv ásti, p i emž se uvolní vazebná energie jaderných ástic. Pr b h d je m žeme schematicky vyjád it takto:

P írodní uran obsahuje p evážn nuklid 23892U, který št pný není, a asi 0,7 % št pného nuklidu 23592U. Pro innost jaderných za ízení se uran obohacuje o št pnou složku, pop . se z n j získává další št pný materiál–plutonium 23994Pu.

Popsanému d ji íkáme št pení jádra. Kdyby se toto stalo pouze s jedním atomem uranu, získaná energie by byla tak malá, že bychom ji prakticky nemohli nijak využít. P i rozpadu tohoto izotopu uranu se však z p vodního jádra uvolní ješt n kolik dalších neutron , které mohou zasahovat a št pit jádra dalších atom . Tímto procesem se prudce zv tšuje po et št pených atom , rozbíhá se et zová reakce a ve velmi krátkém ase dochází k prudkému zvyšování uvoln né energie. Jedna taková št pná reakce probíhá podle schématu na obrázku 87. Neutron rozšt pí atom uranu 235 na dva fragmenty (atomy kryptonu a barya) a uvolní se další t i neutrony, které št pí další atomy uranu a op t se uvolní další neutrony. Kdyby takto nekontrolovateln št pení probíhalo, uvolnilo by se v krátkém okamžiku obrovské množství energie – nastal by výbuch. Takto pracuje jaderná puma.

První reaktor s ízenou št pnou reakcí sestavil ze stínících gratových cihel roku 1942 v Chicagu italský fyzik Enrico Fermi. Palivem byl p írodní uran umíst ný v hliníkových obalech. Grat p sobil jako moderátor. Reakce byla ízena p ti kadmiovými ty emi schopnými v p ípad p íliš velké reakce innost celého za ízení zastavit tím, že by pohltily všechny uvoln né neutrony.

93 2.

JádroAtomové atomu uranu Atomové Atomové Neutron +Neutrony + + + ENERGIE 86. Št pení jádra – schéma

87.

Št pná reakce E. Fermi (1901 – 1954) Fermiho atomový reaktor

Tato učebnice je pátou částí šestidílné řady tematicky zaměřených učebnic fyziky pro výuku na 2. stupni ZŠ (případně v nižších ročnících víceletých gymnázií). Učebnice jsou zpracovány v souladu s požadavky RVP pro základní vzdělávání. Kladou důraz na rozlišení základního a rozšiřujícího učiva, naplňují mezipředmětové vztahy, obsahují úkoly pro rozvoj digitálních kompetencí a přiměřeně zohledňují průřezová témata formulovaná v RVP. Pozornost věnují praktickému aspektu výuky, uvádějí množství úloh a pokusů vhodných k realizaci ve školních podmínkách. Všechny díly řady vycházejí se schvalovací doložkou MŠMT. Vhodným doplňkem učebnic jsou publikace Seminář a praktikum z fyziky a Sbírka úloh z fyziky pro 6.–9. ročník ZŠ. Pro opakování učiva fyziky doporučujeme Přehled fyziky pro 2. stupeň ZŠ.