Fyzika v přírodě: Od vesmíru po každodenní život

Svět kolem nás je plný fyziky, a to nejen v laboratořích a učebnicích, ale i v každodenních jevech a přírodních procesech. Svět a jeho podoba je podmíněn fyzikálními zákony, termomechanikou, hydromechanikou a gravitací, vnímáme ho pak díky optice nebo třeba akustice.

V hloubi je to vše pak podloženo zákony fyziky nejmenších, nebo naopak největších rozměrů, které popisuje kvantová mechanika a teorie relativity. Vše živé, co kolem nás roste a běhá, tak roste a běhá s ohledem na fyzikální pravidla.

Fyzika kolem nás

Při běžné činnosti vědomě či díky zkušenosti (často je to obojí) využíváme základní fyzikální principy. Rytí rýčem, to je nejprve akce a reakce (šlápnu na rýč a ten se napře proti zemi), pak mechanická práce proti tření (rýč zajede do půdy), potom páka, když obrátím hroudu hlíny. Princip páky je i práce s lopatou či zahradnickými nůžkami.

Při práci s krumpáčem nebo motykou přeměňuji svou mechanickou práci na polohovou energii, ta se vlivem gravitace mění na pohybovou energii a nakonec se mění zase na práci a výsledkem je odloupnutý kus zeminy.

Venku také fouká vítr, tečou řeky a potoky. S pomocí chmýří hozeného do větru nebo klacíku na hladině toku si můžeme ukázat, jak funguje hydromechanika, například laminární a turbulentní proudění. Všimněte si podivuhodné vody: co všechno umožňuje její povrchové napětí, jak vznikají, běží, skládají se a odrážejí vlny, kdy a kde vzniká led.

Čtěte také: Fyzika v přírodě

Teplota a skupenství

Měřte teplotu v rybníku a zjistěte, kolik stupňů má u dna a kolik na hladině - a proč je to právě tak. Sledujte, kdy vzniká rosa a kdy jinovatka - a kdy naopak námraza. Měřte teploty v lese, na louce, pod vodou a v půdě. Zjišťujte jejich denní průběh. A co teplota ve skleníku nebo pařeništi? … co teplota různých povrchů? Vyrobte si solární sušičku nebo solární pec. Odhadněte a potom změřte, kdy je během dne nejnižší a kdy naopak nejvyšší teplota.

Zvuk a optika

Poslouchejte, jak se zvuk odráží od rovné stěny, jak od vlnitého plechu, od klenby v podloubí. Zatelefonujte si trubkou zábradlí nebo si vyrobte dendrofon z klacků, píšťalku z vrbového prutu nebo stonku křídlatky. Naučte se pískat na trávu. Vnímejte, jak se nese krajinou vysoký, jak nízký tón. Teď na jaře poslouchejte ptáky, žáby. Vnímejte, jak vás ovlivňuje znečištění hlukem, vyzkoumejte, jak významný je v tomto směru třeba pás keřů u silnice nebo les.

Vaše oko je dokonalé čidlo, zjistěte, co dělá, když zaostřuje (a potřebujeme zaostřovat do dálky, to ve třídě příliš dobře nejde), jak se mění vnímání oka v noci, proč vidíme černobíle? A s optikou si můžete venku „hrát“ celé hodiny.

Fyzika vesmíru a astronomie

Nezapomeňte na fyziku vesmíru, cykly v přírodě, délku dne a noci. Pozorujte planety, hvězdy, měsíc. Ve vesmíru hraje klíčovou roli gravitace. Je to nejvíce působící síla na velkých vzdálenostech, ale ve skutečnosti je ze všech čtyř sil nejslabší. Gravitace vzniká v důsledku zakřivení časoprostoru hmotnými objekty - jak popsal Albert Einstein ve své teorii relativity.

Pozorování těles na obloze se prováděly již ve starověku. Souhvězdí na obloze se považovaly za pohyb hvězd. Postupně se zjišťovalo, jak se pohyboval Měsíc, planety, příp. Slunce. Charakter hvězd byla postupně odhalována až v průběhu 19. století. Tato trvzení jsou však naprosto nepodložená.

Čtěte také: Vybavení škol pro výuku fyziky

K pozorování vzdálených objektů slouží astronomické dalekohledy. Velké dalekohledy jsou zrcadlové. Astrofotografie umožňuje zachytit podrobnosti a daleko větší počet hvězd než naše oko. Obrazy blízkého i vzdáleného vesmíru se získávají pomocí digitální astrofotografie.

Plazma jako čtvrté skupenství hmoty

Plazma je nám známo již více než 150 let, přesto je ve středoškolských učebnicích zmiňované většinou jen stranou a velmi opatrně. Na univerzitě se plazma obvykle vyučuje až ve třetím ročníku bakalářského studia a podrobněji až v rámci magisterského studia a má to dobrý důvod. Aby uměl člověk plazma dobře popsat, potřebuje mít znalosti z většího množství oborů fyziky. Začneme tedy nejlépe s příklady, kdy je plazma pozorovatelné.

Pouze všechna pozorovatelná hmota ve vesmíru je tvořena plazmatem; hvězdné mlhoviny, hvězdy samotné ocasy komet a podobně. Na Zemi je přirozené plazma mnohem vzácnější, i tak jej ale můžeme pozorovat. Příkladem může být blesk, polární záře nebo ionosféra.

Plazma samovolně nedrží svůj tvar podobně jako plyn. Hlavní rozdíl je v ale druhé části, které plazma tvoří. Nepůjde o obyčejné molekuly vody, ale o kombinaci různých částic. Jednou z nejdůležitějších podmínek definice plazmatu je přítomnost ionizovaných částic.

V případě vody, složené pouze z kyslíku a vodíku, půjde o bohatou směs iontů atomů, jejich neutrálů, jednoduchých molekul a jejich radikálů, které z molekul vody vznikají primárně ionizačními atomy a srážkami. Během procesu ionizace dodáme atomu dostatek energie k tomu, aby se uvolnil elektron z jeho obalu. Takto vznikne pár - iont a volný elektron.

Čtěte také: Fyzika v přírodě: podrobný přehled

Na rozdíl od běžných skupenských proměn je tento proces jiný a není samovolně vratný. Zjednodušeně, například odebráním energie třeba ochlazením, nedojde k návratu obalu návratu elektronů na jejich původní místo v elektronovém. Proces zpětného zachycení elektronu v obálce atomu se jmenuje rekombinace.

Plazma je podle nejjednodušších kvazineutrálních plynů nabitých a neutrálních částic, které vykazují kolektivní chování. Díky kolektivnímu chování má plazma sklon se přizpůsobovat vnějším vlivům, jako je například vnější elektromagnetické pole. Právě tato vlastnost nám umožňuje plazmu „ovládat“ a použít pro různé průmyslové aplikace. Kvazineutralita znamená, že ve větším objemu je zhruba stejný počet kladně nabitých a záporných částic. Z vnějšku plazma tedy působí jako neutrální plyn.

Plazma má ale mnoho různých přívlastků, může být částečně/plně ionizované. Záleží na tom, jak velký je podíl ionizovaných částic k neutrálnímu. Dále se setkáváme s plazmatem rovnovážným/nerovnovážným, podle toho, zda jsou elektrony a těžší ionty v termodynamické rovnováze. Podle teploty plazmy rozdělujeme na nízkoteplotní nebo vysokoteplotní.

Žáci často kladou otázku, zda je plamen plazma nebo ne. Této otázce jsou věnovány mnohé diskuse, ale podle, kterou jsme uvedli, o plazmě nejde. Běžné teploty plamene jsou příliš nízké, aby ve významné míře docházelo k ionizaci. Žákům také mohou k lepší představě plazmatu pomoci příklady jeho aplikace.

Základní síly přírody

Náš vesmír je fascinujícím místem plným galaxií, hvězd, planet a částic, které spolu neustále interagují. Všechny tyto interakce řídí pouhé čtyři základní síly přírody: gravitace, elektromagnetismus, silná jaderná síla a slabá jaderná síla. Každá z těchto sil má jedinečné vlastnosti a hraje klíčovou roli v tom, jak vesmír funguje.

• Gravitace: Je síla, kterou všichni dobře známe, protože nás drží na povrchu Země a udržuje planety na jejich drahách kolem Slunce. Je to nejvíce působící síla na velkých vzdálenostech, ale ve skutečnosti je ze všech čtyř sil nejslabší.
• Elektromagnetismus: Je odpovědný za vše, co souvisí s elektřinou, magnetismem a světlem. Tato síla drží pohromadě atomy a molekuly, umožňují fungování elektronických zařízení a šíření světla.
• Silná jaderná síla: Jsou nejmocnější ze všech čtyř sil, ale jejich působnost je omezená na extrémně krátké vzdálenosti uvnitř atomových jader. Tato síla drží pohromadě protony a neutrony v jádrech atomů, přestože se protony kvůli svým kladným nábojům odpuzují.
• Slabá jaderná síla: Jsou klíčová pro procesy, jako je radioaktivní rozpad a jaderná fúzi ve hvězdách. Příkladem je proces, kdy neutron v atomovém jádře může mutovat na proton, elektron a neutrin.

Ačkoliv všechny čtyři základní síly řídí vesmír, rozdíly mezi jejich intenzitou jsou ohromující. Například silná jaderná síla je přibližně 10^38krát silnější než gravitace. Elektromagnetická síla je oproti gravitaci zhruba 10^36krát silnější, což je důvod, proč magnet dokáže zvednout kovový předmět proti gravitaci celé Země.

Fyzici už desítky let usilovně hledají teorii, která by sjednotila popis všech čtyř základních sil. I když se elektromagnetická síla, slabá síla a silná síla podařilo částečně propojit v rámci standardního modelu částicové fyziky, gravitace stále zůstává mimo tento rámec.

Výuka fyziky a její postavení ve vzdělávání

Jaké je postavení výuky fyziky v současném vzdělávání? Jak představit fyziku studentům, kteří se s ní v profesním životě již nesetkají (budoucím právníkům, úředníkům, hercům)? Co říci o fyzice těm, kteří budou jen používat některé její praktické výsledky (biologům, chemikům, technikům)?

V tom, jak fyziku vnímá veřejnost, nacházíme podivné paradoxy. Na jedné straně se zdá, že se fyzika těší velkému zájmu a úctě. Na druhé straně však fyzika patří na střední škole k nejméně oblíbeným předmětům a fyzikální obory přírodovědeckých fakult mají trvalé potíže s nedostatkem studentů.

Příčinou bude jistě povaha disciplíny samotné, její obtížnost, abstrakce a matematická náročnost. Ne každému je přáno proniknout hlouběji do jejího světa a ocenit krásu logické stavby i obecnost jejích výsledků. Neměl by to ale být důvod k tomu, aby se všem ostatním stala fyzika černou můrou.

V prvé řadě bychom při výuce měli dbát na to, abychom fyziku představili jako celek, metody její práce a způsob myšlení. Není tak důležité, které konkrétní partie a v jakém počtu do výuky zařadíme. I v této souvislosti platí, že méně znamená více - hlubší pochopení menšího počtu problémů považuji za mnohem cennější než povrchní prolétnutí všech klasických partií fyziky v celé její šíři.

tags: #fyzika #příklady #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce likvidací velkoobjemového odpadu
• Pěstování Kokosového Ořechoplodého
• Švýcarská příroda
• Postupy likvidace ekologických zátěží
• Recepty na postřiky pro jahody