Fyzika II - 2. díl

Světelné jevy, Zvukové jevy

Fyzika II

2. díl

Ucebnice fyziky pro ZŠ a víceletá gymnázia

Kompozice kapitol

kompozice kapitol

orientační záhlaví

základní text

5) Pĥedmüt ve vzdálenosti menší než f se zobrazuje jako zvütšený a nepĥevrácený obraz v prostoru pĥed ìoìkou. Nejde však zachytit na stínítko. Pokud se ale budeme dívat na pĥedmüt z prostoru za ìoìkou, pak se nám bude zdát, jako by lomené paprsky pĥicházely od tohoto zvütšeného obrazu. Ĥíkáme, že se vytváĥí virtuální (neskuteìný) obraz.

6)

5)

F

F’

LIDSKÉ OKO Živoìichové vnímají okolní svüt prostĥednictvím smyslĵ. Jedním z nich je zrak, který umožėuje vidüní – vnímání intenzity a barvy svütla – a prostorovou orientaci. êlovük získává pĥibližnü 80 procent informací o svém okolí prostĥednictvím zraku. Smyslovým orgánem zraku je oko.

Nükteĥí lidé však mají potíže napĥ. s vnímáním barev, s ostrostí vidüní nebo dokonce nevidí vĵbec. êím je to zpĵsobeno? Co se düje se svütelnými paprsky po vstupu do oka?

STAVBA OKA

F’

F

schémata

sítnice duhovka

6) V pĥípadü rozptylky je situace jednodušší. Aı je od ní pĥedmüt jakkoli vzdálen, je jeho obraz vždy virtuální, zmenšený a nepĥevrácený. (Obraz nelze zachytit na stínítko. Pĥi pohledu na pĥedmüt pĥes ìoìku se nám paprsky jeví, jako by vycházely od virtuálního obrazu.)

Každý z vás (s výjimkou nevidomých) používá ìoìky odjakživa, dnes a dennü. êoìka je totiž mimo jiné souìástí lidského oka. Další kapitola vám jeho fungování pĥiblíží.

Lom svütla se ĥídí zákonem lomu: Pĥi pĥechodu paprsku z opticky ĥidšího do opticky hustšího prostĥedí je úhel lomu menší než úhel dopadu (lom ke kolmici). Pĥi pĥechodu paprsku z opticky hustšího do opticky ĥidšího prostĥedí je úhel lomu vütší než úhel dopadu (lom od kolmice). Lomený paprsek zĵstává v rovinü dopadu.

Optická ìoìka je prĵhledné tüleso, zpravidla ze skla nebo plastu, jehož alespoė jedna stüna má tvar kulové plochy. Paprsek procházející optickou ìoìkou müní svĵj smür.

Spojky (spojné ìoìky) müní rovnobüžný svazek paprskĵ na sbíhavý. Rozptylky (rozptylné ìoìky) müní rovnobüžný svazek paprskĵ na rozbíhavý. Schopnost ìoìky lámat paprsky popisuje fyzikální veliìina optická mohutnost M udávaná v dioptriích (D). Pĥi zobrazování pĥedmütu rozptylkou je obraz vždy virtuální, zmenšený a nepĥevrácený.

Pĥi zobrazování spojkou závisí vlastnosti obrazu na poloze pĥedmütu pĥed ìoìkou.

zornice

žlutá skvrna slepá skvrna

rohovka

komorová voda

přehledové tabulky s informacemi o základních veličinách

Fyzikální veličina perioda: • značka: T • jednotka: sekunda • značka jednotky: s

Fyzikální veličina frekvence: • značka: f • jednotka: hertz • značka jednotky: Hz

1 1 • platí: f = —; T = — T f Tabulka hlasitosti 0 dB

práh slyšitelnosti

30 dB

tikot budíku, šum lesa

40 dB

silnice v noci

50 dB

denní silniční provoz, hlasitý rozhovor

60 dB

rušná křižovatka, vysavač

70 dB

sekačka na trávu, průjezd vlaku

80 dB

dálnice, výrobní hala

90 dB

diskotéka, start letadla

110 dB

sbíječka, tryskové letadlo

130 dB

práh bolesti

160 dB

může dojít k prasknutí bubínku (viz kap. Sluch a záznam zvuku)

Pozn. K poškození sluchu může dojít i při nižší míře hlasitosti, zvláště při dlouhodobém působení hluku.

vysoká frekvence (vysoký tón)

nízká frekvence (nízký tón)

Srovnání vln s vyšší a nižší frekvencí.

Perioda je ìasový interval mezi dvüma vrcholy vln, které dopadnou napĥ. do ucha. êastüji než perioda se používá frekvence, která obecnü udává poìet opakování za jednu sekundu, napĥ. poìet vln dopadajících do ucha za jednu sekundu. Jednotkou frekvence je jeden hertz [herc] (Hz). Frekvence je pĥímo úmürná výšce tónu.

Nízké frekvence (perioda vln je velká) pĥedstavují hluboké tóny a vysoké frekvence (perioda vln je malá) vysoké tóny.

Lidské ucho je schopno slyšet zvuk v rozmezí od 20 do 20 000 Hz, proto napĥ. neslyšíme, že zvlnüná vodní hladina vydává zvuk. Frekvence jejího kmitání je totiž pro naše ucho pĥíliš nízká. êím vütší je amplituda, tím vütší zvukovou energii zvuková vlna pĥenáší. Zvuk dvou bubnĵ však nebude dvojnásobnü hlasitý. Dvojnásobné hlasitosti bychom dosáhli až pĥi použití deseti stejných bubnĵ, tedy v pĥípadü, že zvukové vlny pĥenášejí desetkrát vütší energii. Pĥi dvojnásobné hlasitosti vzroste hladina intenzity zvuku o 10 dB. CO JE ZDROJEM ZVUKU? Už víme, že kmitání urìitého tülesa se pĥenáší do vzduchu a vytváĥí zvukové vlny. Kmitající tüleso, napĥ. membránu bubnu, nazýváme zdroj zvuku. Zvukové vlny šíĥící se vzduchem oznaìujeme jako zvukové signály. Doputuje-li zvukový signál až k pĥijímaìi zvuku, v našem pĥípadü k uchu, slyšíme zvuk.

U kytary je zdrojem zvuku rozkmitaná struna. Frekvence, s jakou struna kmitá, a tedy i výška tónu, závisí na tĥech okolnostech: na napütí struny, délce struny a hmotnosti struny. x Pokud budeme chtít naladit kytaru, pak pootoìením ladících kolíkĵ strunu buð napneme, nebo povolíme. Struna, která je více napnutá, vydává vyšší tón než struna, která je napnutá ménü. x Hráì na kytaru používá jednu ruku k drnkání, tedy k rozezvuìení strun, zatímco druhou rukou tiskne struny k pražcĵm.

Struna je pak napnuta od kobylky k prstu na pražci, a je tedy kratší, než kdyby ji kytarista pustil. Takto zkrácené struny vydávají vyšší tóny, ìili ìím blíž ke kobylce kytarista tiskne strunu k pražci, tím vyšší tón struna vydá. x Basové struny jsou silnüjší než struny pro vysoké tóny.

Struny s vyšší hmotností (tedy ty tlustší) vydávají hlubší tóny než tenké struny.

48

sklivec

JAK FUNGUJE LIDSKÉ OKO? Všechny ìásti oka, pĥes které prochází paprsek svütla, jsou prĵhledné, což zabraėuje pohlcení svütla. x Pĥední oìní komoru vyplėuje komorová voda. Ohraniìují ji rohovka, duhovka se zornicí a ìoìka. x Rohovka je prĵhledná vazivová vrstva, která chrání povrch oka. x Duhovka má funkci svütelné clony. Bývá zbarvena modĥe, šedü, zelenü, hnüdü nebo kombinacemi tüchto barev. x Zornice je kruhový otvor uprostĥed duhovky. V závislosti na množství dopadajícího svütla svĵj prĵmür zvütšuje (ve tmü), nebo zmenšuje (v ostrém svütle).

Zúžená zornice.

28

zrakový nerv

čočka

Rozšířená zornice.

Kočičí zornice.

29

JAK VZNIKÁ ZVUK U NûKTERÝCH DALŠÍCH ZDROJĴ?

U smyìcových nástrojĵ, jako jsou napĥ. housle nebo kontrabas, se struna rozechvívá pomocí smyìce. V pĥípadü klavíru nebo cimbálu se struny rozechvüjí úderem paliìky. Podobnü se po úderu rozechvüje zvon, membrána bubnu nebo destiìka xylofonu. Ve étnü nebo v píšıalách varhan se vzduch rozechvüje nárazem vzduchu na ostrou hranu. U klarinetu nebo hoboje je tenký jazýìek nástroje rozechvíván hudebníkovým dechem.

U žesıových nástrojĵ vzniká kmitání vzduchu mezi rty hudebníka, pĥitisknutými k nátrubku.

V hlasivkách proud vzduchu rozechvívá tenké svaly podobnü, jako smyìec rozechvívá strunu houslí. A jak vzniká zvuk v reproduktoru, který je napĥ. ve sluchátku našeho mobilu?

O tom se dozvíte v dalších kapitolách.

Kromü úrovnü intenzity a výšky zvuku rozlišujeme ještü barvu zvuku. Urìitü dokážete rozeznat stejnü hlasité a stejnü vysoké tóny zahrané na kytaĥe, na houslích nebo na klavíru.

Barva zvuku je dána tvarem zvukových vln. Pokud má zvuková vlna ideální tvar vlnovky nakreslené na str. 47, bude tento tón znít napĥ. jako tóny ohlašující v rádiu ìasové znamení. Pokud ale zmüníme tvar vln napĥ. na ìtvercové vlny, pak bude mít tento tón sice stejnou výšku i hlasitost, ale bude znít jinak, bude mít jinou barvu.

Mnoho hudebních nástrojĵ má ozvuìnou desku, napĥ. kytara nebo kontrabas. Úroveė intenzity zvuku totiž závisí také na velikosti plochy vibrujícího pĥedmütu. Vibrace struny se pĥenesou na dĥevüné tülo kytary nebo kontrabasu, které vytváĥí hlasitüjší zvuk. Barva tónu pak závisí na tvaru ozvuìné desky.

rozšiřující učivo a zajímavosti

Souzvuk alespoň tří tónů označujeme jako akord. Podle skladby tónů má každý akord své jméno a značku.

Obrázky znázorňují akord C dur.

Z kterých tónů se skládá?

Zkoumáním vlastností zvuku se zabývá fyzikální obor akustika. Pĥedmüty, které vibrují, mohou být zdroji zvuku. Jejich vibrace se šíĥí vzduchem ve formü zvukových vln a v uchu vyvolávají zvukový vjem. U zvuku rozlišujeme jeho hlasitost, výšku a barvu. Hladina intenzity zvuku (vyjadĜujeme ji v decibelech (dB)) je závislá na amplitudü zvukových vln. Výška zvuku závisí na frekvenci vlnüní, vyjadĥujeme ji v hertzích (Hz). Barva zvuku závisí na zdroji zvuku a je dána tvarem zvukových vln.

49

Schválilo MŠMT čj. 11214/2009-22 dne 13. 7. 2009 k zařazení do seznamu učebnic pro základní školy jako součást ucelené řady učebnic pro vzdělávací obor Fyzika s dobou platnosti šest let.

Recenzovaly: RNDr. Irena Dvořáková, Mgr. Zdeňka Kamarádová

ISBN 978-80-7230-319-9

popisky k obrázkům a fotografiím

závěrečné shrnutí poznatků z každé kapitoly

světelné a zvukové jevy

Milí žáci a milé žákyně, už jste se dozvěděli, ze fyzika je vědní obor, který zkoumá přírodu a přírodní jevy, popisuje je a hledá zákony, kterými se příroda řídí. Lidé už od nepaměti pozorovali přírodu a snažili se přijít například na to, proč je na obloze při dešti duha nebo proč při bouřce vidí nejprve blesk a teprve potom slyší hrom. V průběhu dlouhého času se poznávání natolik zdokonalilo, že dokážeme studovat, z čeho je hmota složená, nebo pozorovat ty nejvzdálenější části vesmíru. Abychom lépe porozuměli přírodním dějům, musíme je pozorovat a zkoumat, především pomocí zraku a sluchu, a musíme se naučit správně vyhodnotit, co ve skutečnosti vidíme a slyšíme. A právě tím se zabývá učebnice, kterou máte před sebou.

V první části se dozvíte mnoho zajímavého o světelných jevech, které zkoumá obor fyziky nazývaný optika. Budeme se zabývat tím, jak funguje náš zrak, proč vidíme svůj obraz v zrcadle nebo proč je zapadající slunce červené a obloha modrá. V druhé části se dozvíte něco o zvukových jevech, které zkoumá další obor fyziky, akustika. Vysvětlíme vám, jak funguje náš sluch, proč se u projíždějícího auta mění výška tónu klaksonu nebo jak vzniká zvuk v hudebních nástrojích. Všechno, co vám tato učebnice objasní, slouží k přesnějšímu chápání mnoha přírodních jevů. Zároveň ukazuje, na jakých principech funguje řada přístrojů, které běžně využíváte ve svém životě nebo jste se s nimi setkali jinde, třeba u lékaře.

světelné jevy

Světlo fascinovalo lidi už od pradávných dob. Pravěké kmeny střežily svůj oheň před vyhasnutím, protože jeho světlo odhánělo divokou zvěř. Ve starověkých kulturách zase lidé uctívali Slunce, neboť jeho světlo „dávalo život“ zemědělským plodinám na polích a zajišťovalo jim obživu.

Tak např. ve starověkém Egyptě patřil mezi nejvyšší bohy sluneční bůh Re. Ale i dnes dokáže lidi uchvátit barevnost podzimního listí či polární záře, dokonalost těl drobných živočichů pod mikroskopem nebo zatmění Slunce.

Když se navečer stmívá, pozorujeme, že s postupujícím šerem přestáváme rozeznávat tvary a barvy. Za tmavé noci už nejsme schopni vidět okolo sebe nic a pohltí nás tma. Zrak je jeden z našich nejdůležitějších smyslů, ale dokážeme vidět okolní svět právě díky němu? Dříve se vědci domnívali, že zrakem „ohmatáváme“ předměty, že zrak, nebo dokonce světlo vychází očima z našeho těla. Kdyby to tak bylo, museli bychom vidět i ve tmě. Teprve od 17. století byl přijímán názor, že naše oči zachycují světlo, které se odráží od osvětlených těles, a proto tato tělesa vidíme.

SVĚTLO A JEHO VNÍMÁNÍ V životě se setkáme se spoustou těles, která svítí, tedy vydávají světlo. Jistě byl každý z vás v kině. Pokud sledujete film a všechna světla jsou zhasnuta, je celý sál osvětlen pouze promítacím plátnem. Vzniká ale toto světlo skutečně v promítacím plátně? Zřejmě ne, světlo vychází z lampy v promítačce a až poté dopadá na plátno, od kterého se odráží k našim očím. Je toto světlo jasné? Jakou má barvu a proč? A co to vlastně světlo je? Odpověďmi na tyto a další otázky se zabývá fyzikální obor optika. Některé z odpovědí najdete v následující kapitole.

Nejvíce světla na Zemi pochází od Slunce, naší nejbližší hvězdy.

Kde se světlo bere?

Jako zdroj světla budeme označovat pouze ta tělesa, která aktivně vyzařují světlo, tedy tělesa, v nichž světlo vzniká.

Podle původu zdroje světla můžeme rozlišovat přirozené zdroje světla, které nevytvořil člověk, a umělé zdroje světla.

Nejčastěji vydávají světlo rozžhavené předměty. Část jejich nahromaděné energie se mění na světlo (např. Slunce, vlákno žárovky, láva z činné sopky nebo oheň, u něhož svítí rozžhavené plyny, které se při hoření uvolňují).

Světlo může vznikat ale i jinak a zdroji světla mohou být tělesa, o která se určitě nepopálíte. Jsou to např. ve tmě světélkující ztrouchnivělý pařez, světluška, zářivka nebo displej mobilu. V těchto zdrojích se mění na světlo jiná než tepelná forma energie. Světluška nebo houba ze ztrouchnivělého pařezu svítí díky energii vzniklé při chemické reakci, v displeji mobilu či v zářivce dochází k přeměně elektrické energie na světlo.

Zdroje světla rozlišujeme podle jejich velikosti na bodové a plošné. Rozměry bodových zdrojů jsou vůči vzdálenosti, z jaké je pozorujeme, zanedbatelné a jeví se nám jako světelný bod (např. hvězda). Rozměry plošných zdrojů nelze vzhledem k jejich vzdálenosti od pozorovatele zanedbat. Jsou jimi např. zářivka v místnosti nebo Slunce.

Co je to světlo a jak se šíří?

Světlo si můžeme představit jako proud částic, které „vylétají“ ze zdroje světla. Nazýváme je fotony. Úzký proud fotonů tvoří světelný paprsek. Můžete jej pozorovat, třeba když světlo proniká do tmavé místnosti malou dírkou nebo při laserové show na diskotéce. Vidíme, že se světlo pohybuje přímočaře, ve směru od svého zdroje.

Nejběžnější umělý zdroj světla je žárovka. Úsporná žárovka „šetří“ tím, že vyrábí hlavně světlo, a ne teplo jako běžná žárovka.

Proud aut na noční magistrále osvětleného velkoměsta.

Sluneční paprsky prosvítající přes mrak.

Pokud prochází laserový paprsek prázdnou kádinkou, vidíme jen dvě červené tečky na stěně kádinky, kudy paprsek vešel a zase vyšel ven. V čirém vzduchu se světlo šíří přímočaře a nemá se od čeho odrazit k našim očím. Pokud však do kádinky nalijeme zředěné mléko, odráží se světlo paprsku od částeček mléka

Jak vnímáme světlo?

Světlo má dvě základní vlastnosti: intenzitu a barvu. Světlo, které „vyletělo“ ze zdroje a dopadlo na předmět, se od něj z části odrazí a dopadne do našeho oka. Díky tomu předměty okolo sebe vidíme. Každá část předmětu ale odráží jiné množství světla. Říkáme, že světlo má různou intenzitu.

Intenzita světla je fyzikální vlastnost, která udává množství světla (množství světelné energie), dopadajícího za jednotku času na jednotku plochy.

a vidíme jeho dráhu.

Protože se světlo šíří přímočaře, můžeme nastavit směr světel našeho auta. Nejede-li proti nám jiné vozidlo, můžeme světly svítit rovně před sebe. Pokud ale proti nám či před námi jede jiné auto, přepneme na tzv. potkávací světla. Jsou nasměrována tak, aby neoslnila řidiče protijedoucího nebo před námi jedoucího vozu.

Velký reflektor vyzařuje více světla než malá kapesní svítilna (baterka), a tudíž poskytuje větší intenzitu osvětlení. Při stejném osvětlení se zase odráží více světla od bílého papíru než od černého. Říkáme, že světlo odražené od bílého papíru má větší intenzitu než světlo odražené od papíru černého.

Další důležitou fyzikální vlastností světla je jeho barva. Světlo přicházející od Slunce je bílé, avšak pozor, obsahuje zároveň všechny barvy duhy! Můžeme si to představit tak, že v bílém světle jsou obsaženy fotony odpovídající všem barvám duhy. Dopadne-li bílé světlo např. na červený předmět, odrazí se jen červené světlo (fotony odpovídající červené barvě). Fotony všech ostatních

Paprsek bílého slunečního světla dopadající na skleněný hranol se rozloží na jednotlivé barvy (červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová a fialová) a za hranolem vznikne duha.

Kdybychom barevné paprsky ze vzniklé duhy v jiném hranolu opět složili dohromady, vzniklo by bílé světlo. Více v kapitole Světelné spektrum na str. 38.

barev předmět pohltí (viz příští kapitola). Tak se k nám dostane informace o barevnosti předmětu, který pozorujeme. Barvy, které v duze nevidíme, jsou kombinací dvou a více jejích barev. Pokud se od předmětu odrazí např. modrá a zelená barva, vidíme předmět modrozeleně. Pokud se odrazí všechny barvy, vidíme předmět jako bílý. Naopak, když se žádné světlo neodrazí, vidíme ho jako černý. Tma je pro nás černá, protože ve tmě k nám nepřichází z okolí žádné světlo.

paprsek světla

paprsek světla

Dopadá-li bílé světlo, obsahující v sobě všechny barvy duhy, na rajče, odrazí povrch rajčete pouze červenou barvu.

Barva rajčete se nám proto jeví jako červená. Citron má však jiné složení kůry, a tak odrazí pouze žlutou barvu. Vnímá­ me jej tedy jako žlutý.

Zkoumáním vlastností světla se zabývá fyzikální obor optika. Zdroji světla jsou tělesa, která aktivně vyzařují světlo. Podle vzniku rozlišujeme přirozené a umělé zdroje světla, podle velikosti bodové a plošné zdroje světla. Světlo je tvořeno částicemi, které nazýváme fotony. Úzký proud fotonů tvoří světelný paprsek. Světlo se pohybuje přímočaře, ve směru od zdroje. Předměty ve svém okolí pozorujeme díky odrazu světelných paprsků od jejich povrchu. Světlo vnímáme podle jeho intenzity a barvy. Intenzita vyjadřuje množství světla, které dopadne za jednotku času na jednotku plochy. Barva světla od odraženého předmětu je dána skladbou fotonů, které se od něj odrazí. Sluneční (bílé) světlo obsahuje fotony odpovídající všem barvám duhy.