doceBOOK - Gimnazjum nr 4 w Czerwionce
download 
Reklamacja Transkrypt
eBOOK - Gimnazjum nr 4 w Czerwionce
Tytuł projektu: „Zrozumieć fizykę i poznać przyrodę”- innowacyjne programy nauczania dla szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych. Z fizyką odkrywamy tajemnice przyrody Eksperci programu Marzena i Marek Sławscy e-book dla gimnazjum Opracowany przez zespół ekspercki pod kierownictwem dr Dariusza Mana Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, Priorytet III „Wysoka jakość systemu oświaty”, Działanie 3.3 „Poprawa jakości kształcenia”, Poddziałanie 3.3.4 „Modernizacja treści metod kształcenia – projekty konkursowe”. SPIS TREŚCI Spis treści ................................................................................................................................................ 2 Pomiary ................................................................................................................................................... 3 Masa ciała i jej pomiar ............................................................................................................................ 8 Gęstość substancji i jej wyznaczanie..................................................................................................... 11 Grawitacja ............................................................................................................................................. 15 Woda - Cud natury ................................................................................................................................ 20 Napięcie powierzchniowe ..................................................................................................................... 26 Kryształ chlorku sodu............................................................................................................................ 30 Atmosfera i zjawiska w niej zachodzące ............................................................................................... 33 Pływanie ciał ......................................................................................................................................... 42 Ruch ciał................................................................................................................................................ 47 Rodzaje energii ...................................................................................................................................... 53 Zjawiska falowe .................................................................................................................................... 58 Infradźwięki i ultradźwięki ................................................................................................................... 69 Dlaczego w nocy wszystkie koty są czarne? ......................................................................................... 72 Elektryczność wokół nas ....................................................................................................................... 79 Magnetyzm wokół nas........................................................................................................................... 88 Tworzenie wykresów w programie Microsoft Office Excel ................................................................. 98 Domowe laboratorium......................................................................................................................... 114 Interpretacja fizyczna wybranych doświadczeń .................................................................................. 125 Słowniczek .......................................................................................................................................... 127 Skorowidz............................................................................................................................................ 129 ‒2‒ POMIARY Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą, zajmującą się badaniem fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii oraz zjawisk w otaczającym nas świecie. Podstawą badań i analizy danych doświadczalnych jest pomiar. Fizycy zajmują się mierzeniem różnych wielkości i porównywaniem ich ze sobą. Zasadniczym więc pojęciem dla fizyka jest pojęcie rzędu wielkości. Jeżeli jakaś rzecz jest np. większa od innej o rząd wielkości, to znaczy, że jest około 10 razy większa. Tak więc kilometr jest o trzy rzędy wielkości większy od metra, a milimetr to wielkość o sześć rzędów wielkości mniejsza od kilometra. Pomiar wielkości fizycznych polega na porównywaniu wielkości mierzonej z wzorcem tej wielkości i tak wzorcem długości jest 1 metr, masy 1kg, a czasu 1 sekunda. Pomiaru wielkości międzynarodowych fizycznych jednostkach miar dokonujemy zwanych obecnie jednostkami w uzgodnionych Układu SI. Układ Międzynarodowy SI został przyjęty w 1960 roku i oparty został na siedmiu jednostkach podstawowych (tabela 1). Jednostki podstawowe uzupełniono dwoma jednostkami miary kątów (tabela 2). Na podstawie tych siedmiu jednostek zdefiniowane zostały inne, tzw. jednostki pochodne. Innym układem jednostek miar używanym przez fizyków w laboratoriach naukowych jest układ CGS. Obecnie te dwa układy istnieją obok siebie, co bywa kłopotliwe. Jednak ze względów historycznych oznaczenia na sprzęcie laboratoryjnym można spotkać w CGS np. jednostka indukcji magnetycznej gauss 1Gs = 10 długości angstrem – jednostka długości równa 10 ‒3‒ −10 m) -4 T, jednostka Tabela 1 Tabela 2 Jednostki podstawowe układu SI Wielkość fizyczna długość masa czas temperatura natężenie prądu Ilość substancji światłość Jednostka Skrót literowy metr kilogram sekunda kelwin amper mol kandela m kg s K A mol cd Jednostki uzupełniające układ SI kąt płaski kąt bryłowy radian steradian rad sr Kiedyś jednostki miar nie były ujednolicone np. za miarę długości przyjmowano różne części swojego ciała: palca, dłoni, ramienia, rozciągniętych ramion, stopy, kroku. Dzisiaj nazywamy te jednostki jednostkami antropometrycznymi. Stosowanie takich jednostek było powodem wielu sporów i oszustw. Ludzie różnili się przecież między sobą, a więc i długości ich ramion, stóp czy kroków, były różne. Ustalenie wzorców miar stało się więc koniecznością. W tabeli 3 zawarto niektóre dawne jednostki miar stosowane w Polsce. Podane przeliczniki przyjmowały różne wartości w zależności od ustaleń lokalnych przyjętych w danej epoce, np. funt miał w XII wieku od 317 do 410 gramów, zależnie od rodzaju towaru i miejsca sprzedaży. Tabela 3 nazwa jednostki opis wiorsta sążeń łokieć piędź zasięg donośności głosu ludzkiego największa szerokość rozkrzyżowanych poziomo rąk długość ludzkiego przedramienia największa rozwartość miedzy końcami palców wielkiego i małego szerokość przeciętnego kciuka (szerokość 8 ziaren jęczmienia) odległość miedzy rzędami kartofli (szerokość skiby ziemi) rolna miara długości wielkość pola zaoranego przez jednego człowieka od rana do południa obszar roli, który wystarczał na wyżywienie rodziny miara pojemności ciał sypkich i płynów 1077 m 1,7205 m 0,59 m 0,105 m nazwa pochodzi od kory, gdyż pierwotny korzec był miarą wykonaną z nieokorowanej kłody świerkowej 0,120 m3 palec (cal) stopa zagon mórg (morga) łan beczka staropolska korzec ‒4‒ przelicznik 0,0254 m 0,2868 m ok. 134 m 5600 m2 150000 m2 ok. 0,271 m3 garniec kwarta baryła antał konew kwaterka cetnar staropolski kamień funt nowopolski grzywna staropolska łut nazwa pochodzi od garści zagarniającej do garnka sypane zboża miara pojemności ciał sypkich i cieczy miara pojemności płynów miara pojemności płynów miara pojemności ciał sypkich i płynów miara pojemności płynów miara masy miara masy miara masy miara masy miara masy ok.0,004 m3 ok.0,001 m3 ok. 0,070 m3 ok. 0,035 m3 ok. 0,0188 m3 ok. 0,00024m3 ok. 65 kg ok.10,138 kg ok. 0,405 kg ok. 0,203 kg ok. 0,013 kg Obecnie w niektórych krajach, ze względów historycznych lub dla wygody, stosuje się jeszcze jednostki spoza Układu SI. Niektóre z nich przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4 nazwa jednostki przelicznik cal jard stopa mila lądowa angielska mila morska angielska mila morska międzynarodowa ar hektar litr galon amerykański galon angielski stopień Celsjusza milimetr słupa rtęci atmosfera fizyczna atmosfera techniczna koń mechaniczny kilowatogodzina kaloria rok świetlny parsek jednostka astronomiczna karat 0,0254 m 0,98 m 0,30 m 1609,34 m 1853,19 m 1851,98 m 1a = 100 m2 1ha = 10 000 m2 1l = 0,001 m3 1 gal = 0,0037854 m3 1 gal = 0,0045461 m3 0 oC = 273,15 K 760mm Hg = 1 atm = 101325 Pa 1atm = 101325 Pa 1at = 98066,5 Pa 1KM = 735,5 W 1kWh = 3600000 J 1 cal = 4,19 J 1R.ś = 9,4605 ∙ 1015 m 1pc = 3,094 ∙ 1016 m 1AU = 1,4959789 ∙ 1011 m 1karat = 0,0002 kg Mimo, że w dzisiejszych czasach dysponujemy bardzo dokładnie i jednoznacznie określonymi wzorcami jednostek podstawowych, nie możemy żadnego pomiaru wykonać z idealną precyzją. Każdy pomiar wykonywany jest z pewnym błędem czyli nie jest dokładny. ‒5‒ O dokładności pomiaru decyduje przyrząd, którego użyjemy. O dokładności przyrządu decyduje natomiast odległość między sąsiednimi kreseczkami jego podziałki. Jeśli na skali przyrządu do mierzenia długości, odległość między sąsiednimi kreseczkami jest równa 1mm, to pomiaru dokonujemy z dokładnością do jednego milimetra. Mówimy, że niepewność pomiarowa wynosi 1mm co zapisujemy używając symbolu ± 1mm. Na przykład długość zeszytu zmierzona linijką wynosi 11,6 cm ± 1mm, a zmierzona metrem krawieckim wynosi 11,5cm ± 0,5cm (odległość między sąsiednimi kreseczkami w metrze krawieckim wynosi 0,5 cm). Im dokładniejszy jest przyrząd pomiarowy, tym mniejsza jest niepewność pomiaru. Na wynik ostateczny pomiaru ma wpływ nie tylko dokładność przyrządu, ale również czynnik ludzki taki jak chociażby błąd odczytu. Z tego właśnie powodu często powtarzamy pomiary i porównujemy wyniki, a jeżeli nie ma między nimi dużych rozbieżności, to wyliczamy tzw. średnią arytmetyczną pomiaru. Na przykład jeśli chcemy obliczyć średnią arytmetyczną długości drogi, mając wyniki z pięciu jej pomiarów, to należy zsumować te wyniki i podzielić przez liczbę pomiarów, czyli pięć. Tak uzyskany wynik będzie najbliższy rzeczywistości. Mierząc długość, masę, czas, dokonujemy pomiarów „bezpośrednich”, ale gęstości ciała nie mierzymy bezpośrednio, lecz wyznaczamy pośrednio dzieląc masę (zmierzoną wagą) przez objętość (zmierzoną menzurką). Wynik dzielenia zaokrąglamy do dwóch lub trzech cyfr znaczących. Cyfry znaczące (wartościowe) w liczbie to jej cyfry poza zerami na początku i na końcu. W podanych poniżej liczbach, cyfry znaczące zaznaczono na zielono. 0,003456 0,00056726 874280000 2,007683 Wyniki wielu pomiarów zaokrąglamy np. do trzech cyfr znaczących. Jeżeli pierwsza pomijana cyfra (czerwona) jest równa co najmniej 5, to zaokrąglamy w górę poprzedzającą cyfrę. O to przykłady zaokrąglania do trzech cyfr znaczących: 0,003456 ~ 0,00346 0,00056726 ~ 0,000567 874280000 ~ 874000000 2,007683 ~ 2,01 ‒6‒ Dokonując pomiarów należy pamiętać aby: unikać błędów grubych, czyli np. błędnego odczytania wskazań miernika, niedokładnego wyzerowania przyrządów pomiarowych, niewłaściwego stosowania przyrządów, przesunięcia przecinka w zapisie odczytanej liczby; błąd pomiaru można zmniejszyć, przez zastosowanie przyrządów o większej dokładności oraz przez zastosowanie dokładniejszych metod pomiarowych. ‒7‒ MASA CIAŁA I JEJ POMIAR Masa to ilość substancji zawartej w danym ciele i miara jego bezwładności, czyli „oporu” jaki stawia ciało, gdy chcemy go poruszyć, zatrzymać lub zmienić jego kierunek ruchu. Na Ziemi, Księżycu czy na jakiejkolwiek planecie, masa danego ciała jest ta sama. Masa ciała nawet w stanie nieważkości mimo że waga wskazuje zero, jest różna od zera i wynosi tyle samo co na Ziemi. Dlatego astronauta będący w stanie nieważkości, potrzebuje takiej samej energii jak człowiek na Ziemi, aby wprawić dane ciało w ruch lub go zatrzymać. Natomiast większej siły musimy użyć przy podnoszeniu danego ciała na Ziemi niż na Księżycu, bo na Ziemi ciężar ciała jest około sześć razy większy niż na Księżycu. Ciężar jest to siła z jaką obiekt fizyczny obdarzony masą, przyciąga inne ciało fizyczne obdarzone masą, np. Ziemia jabłko lub Księżyc astronautę. Masa i ciężar to więc różne pojęcia. Jednostką masy jest kilogram, a ciężaru niuton. Pierwotnie kilogram był określany jako masa 1 litra wody. Woda, jak wiemy (patrz rozdział „Woda cud natury”), to dosyć skomplikowana substancja, która w zależności od temperatury ma różną objętość. Trudno byłoby utrzymać stabilność takiego wzorca. Nic dziwnego, że definicję zmieniono, ale starano się zachować zgodność między starą, a nową jednostką. Wzorzec kilograma wykonano ze stopu platynoirydowego i ma on kształt walca o średnicy i wysokości 39 mm, a jego masa jest równa masie 1 dm3 czystej chemicznie wody o temperaturze 40C. Dawniej, gdy jednostki miary nie były ujednolicone, masę mierzono m.in. w łutach, cetnarach, grzywnach i kamieniach (patrz tabela 3 w rozdziale: „Pomiary”). Pomiaru masy dokonujemy porównując mierzoną masę z wzorcem masy. Przyrządem do porównania mas jest waga. Najstarszym rodzajem wagi jest waga szalkowa (zdj.1). Przed ważeniem wagę szalkową należy wytarować, tzn. doprowadzić do równowagi przez wyregulowanie śrub umieszczonych na końcach ramion wagi. Waga szalkowa pozwala wyznaczać masę niezależnie od tego, czy używamy jej na Księżycu, czy na Ziemi. Przeprowadzanie jednak pomiarów za jej pomocą jest kłopotliwe i dlatego często stosujemy wagę elektroniczną (zdj.2). Waga elektroniczna nie porównuje bezpośrednio towaru ważonego z wzorcem masy (odważnikiem), ale z wzorcem zapamiętanym w pamięci wagi. ‒8‒ zdj. 1 zdj. 2 Początki stosowania wag sięgają czasów cywilizacji mezopotamskiej, czyli okresu około 4000 lat p.n.e. Ziemia mezopotamska przynosiła wielkie plony, a za czasów Sumerów nastąpił w Mezopotamii rozwój rzemiosła i handlu. Konieczne stało się więc ważenie towarów. Działanie pierwszych wag oparte było na wykorzystaniu równowagi dźwigni dwustronnej, czyli sztywnej belki podpartej lub zawieszonej w środkowej części. W jednakowych odległościach od punktu podparcia zawieszano towary i porównywano ich masy. Przez wiele wieków konstrukcja wag nie ulegała zmianom. Gwałtowny rozwój wag mechanicznych nastąpił między XVIII a XX wiekiem. Wagi zmieniały się pod względem konstrukcji i wyglądu (patrz zdjęcia poniżej). Niektóre z nich stawały się prawdziwymi dziełami sztuki .Wraz z wagami zmieniał się też wygląd odważników. Rozwój elektroniki pod koniec XX wieku spowodował powstanie nowego typu wag, tzw. wag elektronicznych, które nie są może tak piękne jak mechaniczne, ale są dokładniejsze. Waga dziesiętna osobowa -200 kg. NiemcyBreslau 1938r. Waga dziesiętna stołowa-15 kg. Niemcy~1920 r. ‒9‒ Waga równoramienna gospodarcza 2kg. Polska W-wa 1932 r. Waga pocztowa do listów 100/500g. Niemcy 1976 r. Waga sprężynowa-20 kg. Anglia ok. 1950 r. Waga uchylna sklepowa-15 kg. Niemcy 1976 r. Waga stołowa 10kg. Polska 1948 r. Odważnik kamienny. Niemcy XVIII w. Replika Odważnik żeliwny 2 kg. Niemcy ok. 1920 r. Kpl. odważników mosiężnych 5-500g. Anglia XX w. Przedstawione na zdjęciach wagi i odważniki pochodzą z prywatnej kolekcji Państwa Marii i Marka Sandeckich. ‒ 10 ‒ GĘSTOŚĆ SUBSTANCJI I JEJ WYZNACZANIE Gęstość informuje nas jaka jest masa ciała o jednostkowej objętości, np. 1m3, 1cm3 czy 1l. Jednostką gęstości w układzie SI jest [ ]. Często używaną jednostką jest także [ ]. Pojęcie gęstość w potocznym rozumieniu nie zawsze odpowiada pojęciu gęstości w języku fizyki. Tak np. olej uważany jest za ciecz o większej gęstości niż woda bo trudniej jest go mieszać, że rtęć ma mniejszą gęstość niż ołów bo jest cieczą. Jeśli jednak porównamy masy takich samych objętości np. 1m3 tych dwóch substancji to okaże się, że olej ma mniejszą gęstość niż woda, a rtęć ma większą gęstość niż ołów. W Tabeli 5 umieszczonej poniżej, przedstawiono gęstości niektórych ciał stałych, cieczy i gazów. Tabela 5 Ciała stałe (200C) Aluminium (glin) Cyna Drewno korkowe Duraluminium Granit Lód Ołów Osm Platyna Szkło ołowiowe Złoto Żelazo 2700 7300 200 2800 2700 900 11300 22650 21500 5900 19300 7800 2,7 7,3 0,2 2,8 2,7 0,9 11,3 22,65 21,5 5,9 19,3 7,8 800 700 1200 920 13600 1000 1030 0,8 0,7 1,2 0,92 13,6 1,0 1,03 Ciecze (200C) Alkohol etylowy Benzyna Gliceryna Oliwa Rtęć Woda destylowana Woda morska ‒ 11 ‒ Gazy (200C, 101325 Pa) Azot Chlor Dwutlenek węgla Hel Powietrze Tlen Wodór 1,25 3,21 1,98 0,18 1,29 1,43 0,09 0,00125 0,00321 0,00198 0,00018 0,00129 0,00143 0,00009 Z tabeli wynika, że gęstość gazów jest dwa rzędy wielkości mniejsza niż gęstość cieczy i ciał stałych. Z gazów najmniejszą gęstość ma wodór-H, dlatego wypełniano nim balony. Ze względu jednak na wybuchową naturę mieszanki wodoru z powietrzem, obecnie balony wypełnia się helem. Hel-He jest gazem niepalnym i o mniejszej gęstości niż powietrze, więc można nim wypełniać aerostaty (balony, sterowce). Ciekawy efekt, związany z mniejszą gęstością helu niż powietrza, zaobserwujemy gdy nabierzemy helu do płuc i zaczniemy mówić. Usłyszymy wzrost wysokości dźwięku. Jest to spowodowane tym, że częstotliwość drgań zależy od gęstości ośrodka w którym drgania zachodzą (prędkość dźwięku w helu wynosi 965 , a w powietrzu 340 ). Z cieczy największą gęstość ma rtęć-Hg metal w stanie ciekłym. Jej gęstość jest nawet większa niż gęstość metali takich jak żelazo czy ołów. Rzymianie używali rtęci do wypłukiwania srebra i złota z piasków rzecznych, natomiast tlenek rtęci był jednym ze składników czerwonej farby używanej do malowania i do szminkowania się. Ponieważ jej objętość wzrasta proporcjonalnie do wzrostu temperatury, jeszcze niedawno najbardziej popularnym zastosowaniem rtęci było użycie jej w szklanych termometrach. Obecnie wycofano je z obiegu ze względu na szkodliwość rtęci. Rtęć i większość jej związków jest silnie trująca, ponieważ niszczy błony biologiczne i łączy się z białkami organizmu zakłócając procesy biochemiczne. Stosowana jest jednak nadal w pompach próżniowych, barometrach, prostownikach, stycznikach elektrycznych. Z ciał stałych największą gęstość ma osm-Os, który w naturze występuje w rudach platyny i irydu. Ze względu na swoją twardość ale i kruchość, praktycznie używa się go tylko w formie stopu z irydem lub platyną. Te trwałe stopy znalazły zastosowanie do produkcji ‒ 12 ‒ m.in. standardowych odważników, końcówek wiecznych piór i styczników elektrycznych. Osm w postaci czterotlenku osmu, wykorzystywany jest do wykrywania odcisków palców. Ze wszystkich metali najmniejszą gęstością charakteryzuje się aluminium-Al (glin). Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych metali w skorupie ziemskiej. Na początku XIX wieku czysty glin był tak drogocenny jak złoto. Jego cenne właściwości to mała gęstość, odporność na utlenianie, na działanie wody, związków azotowych i wielu kwasów organicznych. Dzięki swoim właściwościom jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym, spożywczym, przy produkcji urządzeń podwodnych, do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego, w budownictwie oraz do produkcji stopu zwanego duraluminium (durus znaczy twardy). Stop ten niewiele rożni się gęstością od aluminium, ale posiada bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną. Stosuje się więc go m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Czy istnieje materia o większej gęstości niż osm? Na Ziemi nie, ale w Kosmosie tak. Gwiazdy zwane Białymi karłami są obiektami o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami Ziemi. Wewnątrz tych gwiazd wysoka temperatura sprawia, że atomy są całkowicie zjonizowane czyli jądra atomowe i elektrony istnieją oddzielnie tworząc tzw. plazmę. Z wiekiem gwiazdy te kurczą się i materia w nich zawarta ulega ściśnięciu do gęstości 109 (1000 ) czyli łyżeczka od herbaty tej materii miałaby masę jednej tony. Jeszcze większą gęstością charakteryzują się Gwiazdy neutronowe. Gwiazdy neutronowe mają stałe jądro składające się z neutronów, otoczone cieczą neutronową. Powierzchnia gwiazd tego typu pokryta jest centymetrową powłoką krystaliczną zbudowaną z neutronów i jąder pierwiastków ciężkich. Gwiazdy neutronowe cechuje gęstość wynosząca 1014 - 1015 . Jest ona około miliard milionów razy większa od gęstości wody. Jedna łyżeczka takiej materii ważyłaby miliard ton. Super masywne obiekty, o prawie nieskończonej gęstości to czarne dziury. W kosmosie stanowią one ciemne obszary w przestrzeni, pochłaniające wszelką materię, nawet światło. Łyżeczka od herbaty materii czarnej dziury, mogłaby mieć masę większą od masy Ziemi. Wiemy, że otaczająca nas materia ma różną gęstość. Chcąc wyznaczyć gęstość danej substancji należy zmierzyć jej masę i objętość, a następnie podzielić masę przez objętość. ‒ 13 ‒ Masę możemy zmierzyć za pomocą wagi, objętość np. za pomocą menzurki. Jeśli bryła ma regularny kształt, to objętość wyznaczamy mierząc długość odpowiednich jej krawędzi i korzystając z właściwego matematycznego wzoru obliczamy jej objętość. Gęstość cieczy można zmierzyć za pomocą przyrządu zwanego areometrem lub gęstościomierzem. Działanie areometru opiera się na prawie Archimedesa. Areometr to szklana bańka przewężona w górnej części (zdj. 1). W górnej węższej rurce znajduje się skala, a w dolnej bańce znajduje się śrut, który pełni rolę balastu. Balast równoważy siłę wyporu i utrzymuje areometr w pozycji pionowej. Aby zmierzyć gęstość cieczy należy ją wlać do przeźroczystego naczynia i dobrze wymieszać w celu uniknięcia różnic gęstości i temperatury. Następnie włożyć do naczynia gęstościomierz i po uzyskaniu przez niego równowagi, odczytać na skali gęstość cieczy (zdj. 2). zdj. 2 zdj. 1 ‒ 14 ‒ GRAWITACJA Według legendy tym, co zainspirowało Newtona do teorii grawitacji, było jabłko, które spadło mu na głowę, gdy siedział pod jabłonką. Doszedł wtedy do wniosku, że ta sama siła, która zerwała jabłko z drzewa, utrzymuje także Księżyc na orbicie wokół Ziemi. Gdyby siła grawitacji przestała działać, Księżyc zacząłby uciekać po linii prostej daleko w przestrzeń kosmiczną. Newton stwierdził, że każde dwie masy przyciągają się wzajemnie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między ich środkami. Stwierdzenie to, znane jako prawo powszechnego ciążenia, matematycznie zapisuje się jako: F=G gdzie: G - to stała grawitacji, która jest równa sile, jaką dwa ciała o masach równych 1 kg przyciągają się z odległości 1m. Siła ta jest niezwykle mała i wynosi 0,0000000000667 N. Matematycznie stałą grawitacji zapisujemy: G = 6,67∙10-11 . Jak widać siły grawitacyjne są bardzo słabe, dlatego nie zaobserwujemy ich działania między przedmiotami, z jakimi spotykamy się w życiu codziennym. Grawitację jednak bardzo boleśnie odczujemy spadając z wysokości kilku metrów, bo doprowadza do takiej prędkości, która w wyniku zderzenia z ziemią grozi połamaniem kości. Dzieje się tak ze względu na bardzo dużą masę Ziemi (siła grawitacji zależy od iloczynu mas). Między planetami a Słońcem siła grawitacji jest tak olbrzymia, że utrzymuje razem cały układ Słoneczny. Z prawa powszechnego ciążenia wiemy, że w miarę oddalania się dwóch ciał, siła oddziaływania grawitacyjnego między nimi maleje. Dwukrotny wzrost odległości między ciałami powoduje czterokrotne zmniejszenie siły grawitacji. Efektu tego jednak nie zaobserwujemy w życiu codziennym. Nasza odległość od środka Ziemi wynosi 6400 km, jeśli więc nawet wzniesiemy się na szczyt góry, to siła grawitacji ulegnie zmniejszeniu tylko o kilka tysięcznych części promila (promil to jedna tysięczna danej wartości). ‒ 15 ‒ Siłę grawitacji nazywamy też siłą ciężkości lub ciężarem. W rzeczywistości na Ziemi siła grawitacji nie jest jedyną siłą mającą wpływ na ciężar ciała. Nasza Ziemia wiruje wokół własnej osi (jeden obrót w ciągu 24 godzin), a z tym obrotem związana jest siła bezwładności, zwana siłą odśrodkową (odczuwa się ją podczas kręcenia się na karuzeli). Siła odśrodkowa zależy między innymi od promienia okręgu po którym porusza się ciało. Na Ziemi takimi okręgami są równoleżniki. Największą wartość siła odśrodkowa ma na równiku (największy promień), a na biegunach ma wartość zero. Na równiku siła odśrodkowa ma przeciwny zwrot niż siła grawitacji i tam najbardziej zmniejsza ciężar (Ryc. 1). Dokładne pomiary wykazują, że na równiku ciała są lżejsze o ok. 0,3 %. Z ruchem wirowym Ziemi związana jest jeszcze jedna siła, tak zwana siła Coriolisa. To ona decyduje o ruchu spiralnym wody przelatującej przez otwór, np. po wyciągnięciu korka w zlewie napełnionym wodą. Siły Coriolisa chociaż są bardzo słabe odgrywają istotną rolę w procesach atmosferycznych. Ryc. 1 W życiu codziennym przyzwyczailiśmy się używać zamiennie pojęć masa i ciężar. Według fizyki są to zupełnie inne wielkości. Masa ciała nie zmienia się, czy jest ono na Ziemi, na statku kosmicznym czy na Księżycu (patrz rozdział „Masa i jej pomiar”). Ciężar jest wielkością, która zależy od masy danego ciała i masy, która działa na nie siłą grawitacji. Tym, co odczuwamy na Ziemi nie jest właściwie nasza masa, a jedynie ciężar. Na Księżycu, zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, ciężar jest odpowiednio mniejszy niż na Ziemi. W zależności od tego, gdzie będziemy się znajdować, nasz ciężar może być różny, np. na Syriuszu B (gwiazda o masie nieznacznie mniejszej od masy Słońca i promieniu nieco ‒ 16 ‒ mniejszym niż Ziemia) ciężar ciała o masie 1kg wynosiłby około 3500000 N. Dla porównania ciężar tego samego ciała na Ziemi wynosi 10 N. Ludzie nauczyli się żyć z siłą grawitacji i w żaden sposób jej nie odczuwają. Nasz organizm się do niej odpowiednio przystosował. Zmysły przekazują nam informacje, gdzie znajduje się nasz środek ciężkości w danej chwili (dlatego się nie przewracamy podczas chodzenia). Narząd przedsionkowy znajdujący się w uchu wewnętrznym, reaguje na przyśpieszenia oraz zmiany położenia głowy, dzięki czemu można zachować równowagę i orientację w przestrzeni. Każda zmiana pozycji ciała względem działania siły grawitacji, która zawsze działa pionowo w dół do środka Ziemi, powoduje zmianę położenia kamyczków błędnikowych, a tym samym pobudzenie innych komórek zmysłowych tzw. mechanoreceptorów. Znajdują się one między innymi w mięśniach, ścięgnach i stawach. Zdarzają się jednak sytuacje, kiedy człowiek może odczuwać znacznie większą siłę ciężkości. Takie zjawisko nazywamy przeciążeniem. Powstaje ono między innymi podczas startu rakiety. Na astronautów oprócz siły grawitacji, działa siła bezwładności równa sile, która wprawiła w ruch rakietę. Obecnie w wahadłowcach przeciążenie podczas startu wynosi 3g, tzn. że na astronautę działa siła trzy razy większa niż siła grawitacji na Ziemi. Podobną siłę można odczuć podczas jazdy kolejką górską (rollercoaster) w wesołym miasteczku. Przeciwnym zjawiskiem do przeciążenia, jakiego również doznają astronauci, jest stan nieważkości. W tym stanie człowiek ma wrażenie jakby nic nie ważył. Stan nieważkości wynika stąd, że statki kosmiczne, podróżujące w kosmos, nie są tak naprawdę w otwartej przestrzeni, ale stale poruszają się po orbicie. Siłą zakrzywiającą tor ich ruchu jest siła grawitacji. Na astronautów oprócz siły grawitacji działa jeszcze siła bezwładności (siła odśrodkowa). Dla astronauty te dwie siły się równoważą i dlatego nie odczuwa on ciężaru. Stan nieważkości wywołuje poważne zmiany w organizmie człowieka. Narząd przedsionkowy w uchu środkowym przestaje rejestrować zmiany położenia ciała, kończyny „tracą ciężar” w związku z czym mięśnie nie muszą już się kurczyć i rozkurczać, receptory nacisku i dotyku znajdujące się w stopach i w stawach skokowych przestają sygnalizować przyciąganie. Następuje dezorientacja w przestrzeni, która objawia się chorobą lokomocyjną. W stanie nieważkości znika ciśnienie hydrostatyczne co powoduje, że nabrzmiewają żyły szyjne i pojawia się obrzęk twarzy, a w klatce piersiowej gromadzi się krew, która utrudnia oddychanie. Brak grawitacji wpływa także na mięśnie i kości. Narządy znajdujące się w ‒ 17 ‒ klatce piersiowej tracą masę, kręgosłup z powodu braku obciążenia wydłuża się nawet o 5 cm i kości odwapniają się. Siła przyciągania grawitacyjnego ma też związek z przypływami i odpływami morskimi. Księżyc oddziałując z Ziemią silniej przyciąga tę stronę Ziemi, która jest bliżej niego. Ziemia upodabnia się do lekko spłaszczonej piłki. Wydłużenie Ziemi dokonuje się głównie na oceanach, które wybrzuszają się na przeciwległych stronach (Ryc. 2). Księżyc Ziemia Ryc. 2 Wybrzuszenie się oceanów wynosi około 1m ponad średni poziom wody. W ciągu doby w danym miejscu występują dwa przypływy i dwa odpływy wody. Jeśli Słońce, Ziemia i Księżyc znajdą się na jednej linii, to oddziaływanie grawitacyjne Księżyca zostaje wzmocnione przez grawitację Słońca i przypływy stają się jeszcze wyższe a odpływy jeszcze niższe. Pływy te nazywamy pływami syzygijnymi i występują podczas nowiu i pełni Księżyca. Ziemia nie jest sztywną kulą, w jej wnętrzu znajduje się ciekła masa, która również ulega pływom. W ciągu doby, podobnie jak i woda w oceanach, dwukrotnie się podnosi i opada na wysokość 25 cm. Zwiększa to prawdopodobieństwo wybuchu wulkanów i trzęsień Ziemi. Grawitacja Księżyca wywołuje również pływy w górnej części atmosfery ziemskiej w tzw. jonosferze (zawiera wiele jonów powietrza powstałych w wyniku promieniowania kosmicznego). Zjawiska pływowe w jonosferze powodują powstawanie prądu elektrycznego, który oddziałuje z polem magnetycznym wokół Ziemi, tworząc w nim także pływy. Pole ‒ 18 ‒ magnetyczne Ziemi reguluje ilość promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi, dzięki czemu chroni znajdujące się na niej organizmy żywe. Pływy magnetyczne zmieniają ilość promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi i, podobnie jak pływy morskie, mają największą wartość podczas nowiu i pełni Księżyca. ‒ 19 ‒ WODA - CUD NATURY Mechaniczne i elektryczne cechy wody czynią ją najbardziej niezwykłą substancją Wszechświata. Bez niej nie byłoby życia na Ziemi. Cząsteczka wody zawiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu (Ryc.1), a jej wzorem chemicznym jest H2O. Cząsteczka wody jest elektrycznie obojętna, ale jej ładunek nie jest równomiernie rozłożony i tworzy tzw. dipol (Ryc.2), który ma budowę polarną; od strony atomów wodoru jest dodatni, a od strony atomu tlenu ujemny. Dzięki obecności biegunów dodatniego i ujemnego w cząsteczce, cząsteczki wody mają zdolność asocjacji, czyli łączenia się pojedynczych cząsteczek w większe grupy (Ryc.3). Ryc.1 Ryc.3 Ryc.2 Woda na Ziemi występuje w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym (Ryc.4). Lód ma strukturę krystaliczną heksagonalną, w której atomy tlenu znajdują się w rogach graniastosłupa o podstawie sześciokąta. Cząsteczki wody w tej strukturze zajmują większą objętość niż w stanie ciekłym i dlatego lód mając mniejszą gęstość pływa po wodzie. Jest to odmienne zachowanie od większości cieczy, które krzepnąc zmniejszają swoją objętość (zwiększają gęstość) i toną we własnej cieczy. ‒ 20 ‒ Faza stała (lód) Faza ciekła Faza lotna (para wodna) Ryc.4 Zwiększanie się objętości wody podczas krzepnięcia ma bardzo duże znaczenie dla przyrody. W lecie powierzchnie skał bardzo szybko się nagrzewają i tworzą się na nich zarysowania oraz szczeliny. Tam z kolei przedostaje się woda deszczowa, która w zimie zamarza, zwiększając swoją objętość. Powstają przez to potężne siły, które rozsadzają skały i powodują ich erozję. Woda deszczowa wnika nawet w ich najmniejsze szpary, a gdy zima zamarza i zwiększa swoją objętość, bryły te zostają rozbite na mniejsze. Ziemia staje się przez to spulchniona i łatwo przepuszcza wodę potrzebną roślinom. Z biegiem czasu ze zwietrzałych skał i resztek organicznych tworzy się gleba. W przeciwieństwie do wszystkich cieczy, woda charakteryzuje się tzw. anomalną rozszerzalnością temperaturową. Ogrzewanie wody od 00C do 40C, powoduje zmniejszanie jej objętości (wzrost gęstości), a dalszy wzrost temperatury, zwiększanie jej objętości (zmniejszanie gęstości). Istnieją dwie przyczyny takiego zachowania się wody. Podczas topnienia lodu pęka sieć krystaliczna i uwolnione cząsteczki wody wypełniają puste przestrzenie. Ponieważ woda ma zdolność do asocjacji (łączenia cząsteczek w grupy), to po stopieniu się lodu, znajdują się w niej pozostałości z sieci krystalicznej i to one w znaczący sposób wpływają na zmianę gęstości wody. W temperaturze 40C pozostałości sieci krystalicznej przestają istnieć, stąd największa gęstość wody. Kolejny wzrost temperatury powoduje wzrost prędkości ruchu cząsteczek, prowadzący do wzrostu objętości wody. Ta właściwość wody odgrywa wielką rolę w przyrodzie. Gdyby woda zachowywała się jak inne ciecze, to podczas ochładzania gromadziłaby się na dnie zbiorników wodnych, tam też zaczynałby się proces zamarzania i wszystkie organizmy wodne zginęłyby podczas zimy. Na szczęście, tak się nie dzieje. ‒ 21 ‒ Opadająca na dno woda o największej gęstości ma temperaturę 40C, natomiast woda zamarzająca, o temperaturze 00C, pływa na powierzchni. W upalne dni woda cieplejsza niż 40C wypływa wyżej, ponieważ ma mniejszą gęstość. Dzięki anomalnej rozszerzalności temperaturowej zimą i latem na dnie zbiorników wodnych woda ma 40C, co umożliwia rybom przeżycie zarówno podczas upałów, jak i w czasie mrozów (Ryc.5). Ryc.5 Woda ma w porównaniu z innymi cieczami, bardzo duże ciepło właściwe (ciepło potrzebne do ogrzania 1 kg wody o 10C). Dzięki temu potrafi pochłonąć lub oddać znaczną ilość ciepła, niewiele zmieniając swoją temperaturę. Dlatego morza i oceany są gigantycznymi zbiornikami ciepła, które łagodzą dobowe wahania temperatur wywierając wpływ na klimat. Wyspy i półwyspy są otoczone wodami i nie występują na nich tak duże wahania temperatur, jak w głębi kontynentu oddalonego od większych zbiorników wodnych. Klimat w Europie jest znacznie łagodniejszy, niż klimat innych obszarów położonych na tej samej szerokości geograficznej. Różnica ta zauważalna jest zwłaszcza zimą, w zachodniej i północnej części kontynentu. Główną przyczyną tego zjawiska jest płynący przez Atlantyk prąd morski - Golfstrom (Prąd Zatokowy) niosący ciepłą wodę z Karaibów, opływający Europę od zachodu. Gdy prąd ten dociera do Europy, jego ciepło przekazywane jest chłodniejszym obszarom. Wiejące z zachodu wiatry przenoszą ciepło znad wody w głąb lądu. Gdyby nie otaczające Europę wody, jej temperatury przypominałyby północne rejony Kanady. Dzięki ciepłemu prądowi morskiemu Golfstrom i Prądowi Północnoatlantyckiemu, na norweskich Lofotach istnieje największa na świecie anomalia termiczna, której wartość dochodzi do +25°C. Choć Lofoty leżą w obszarze Koła Podbiegunowego to temperatura jest tam znacznie wyższa niż w innych miejscach o podobnej szerokości geograficznej. ‒ 22 ‒ Ciepło właściwe każdej substancji rośnie wraz ze wzrostem jej temperatury, ale i tutaj woda zachowuje się inaczej. Ciepło właściwe wody maleje do temperatury 370C, a rośnie dopiero powyżej tej temperatury. I właśnie w temperaturze 370C, złożone reakcje biochemiczne przebiegają z największą intensywnością. Organizm ludzki (temperatura ciała 370C) posiada więc najdogodniejszy stan energetyczny dla zachodzących w nim procesów. W porównaniu z innymi substancjami, woda ma też duże ciepło topnienia (ilość ciepła potrzebna do stopienia 1 kg lodu w temperaturze 00C). Ma to znaczenie wiosną gdy topnieją śniegi, mimo dodatniej temperatury powietrza, śnieg topnieje powoli i nie dochodzi do powodzi. Zamarzanie wody zimą też odbywa się powoli, co ma duże znaczenie dla przyrody. Woda posiada też bardzo duże ciepło parowania (ilość ciepła potrzebna do wyparowania 1kg wody przy stałym ciśnieniu i temperaturze). Z tego powodu proces parowania zachodzi powoli. Trzeba dostarczyć dużo ciepła, aby przyspieszyć ruch cząsteczek wody, oderwać cząsteczki od siebie i spowodować odparowanie wody. W wyniku parowania następuje ochładzanie się cieczy. Niewielka ilość wody parującej z liści usuwa nadmiar ciepła, które dociera do rośliny przy silnym nasłonecznieniu. Podobnie usuwane jest ciepło z naszego organizmu podczas pocenia się. Napięcie powierzchniowe wody (skutek oddziaływań międzycząsteczkowych w wyniku którego powierzchnia cieczy ma skłonność do kurczenia się, co upodabnia ją do sprężystej membrany) jest również większe niż u innych cieczy. Ta własność wody sprawia, że niektóre owady mogą swobodnie biegać po powierzchni stawu (Ryc.6). Dzięki napięciu powierzchniowemu i siłom przylegania, woda podnosi się w wąskich naczynkach roślin i utrzymuje ciągłość słupa do wysokości konarów tzw. kapilarność (Ryc.7) (patrz rozdział „Napięcie powierzchniowe”). Ryc.6 Ryc.7 ‒ 23 ‒ Woda, ze względu na polarność swoich cząstek (Ryc.2), bierze udział w wielu procesach chemicznych i fizycznych. Polegają one na rozpuszczaniu przez wodę różnych substancji, a także na przyłączaniu się wody do innych substancji. Ta własność wody nazywa się hydratacją i jest niezbędna do funkcjonowania wszystkich żywych organizmów. Wiemy, że woda pod normalnym ciśnieniem występuje w trzech stanach skupienia i cząsteczki wody w lodzie tworzą struktury otwarte. Przyłożenie do nich dużego ciśnienia powoduje, że kryształki lodu zostają zgniecione (powstaje ciecz), czyli następuje obniżenie temperatury topnienia. Po usunięciu dodatkowego ciśnienia cząsteczki ponownie łączą się, tworząc kryształki. Zjawisko topnienia pod wpływem ciśnienia i ponownego krzepnięcia po zmniejszeniu ciśnienia nazywa się regelacją i jest to specyficzna właściwość wody. Dzięki zjawisku regelacji jest możliwe lepienie kulek śnieżnych. Ściskając śnieg w rękach, powodujemy stopienie niewielkiej jego ilości, która zamarza i zlepia śnieg, gdy zwolnimy ucisk. Jeśli śnieg jest zbyt zimny, to lepienie kulek jest niemożliwe, gdyż ucisk naszych rąk jest zbyt słaby, by nastąpiło topnienie śniegu. Zjawiskiem regelacji tłumaczy się też powolne przesuwanie się lodowców. Woda na Ziemi krąży w obiegu zamkniętym między hydrosferą, atmosferą, biosferą, pedosferą i litosferą (Ryc.8). Słońce dostarcza energii, która wymusza krążenie wody w przyrodzie. Woda pod wpływem energii Słońca paruje z oceanów, jezior, rzek i dostaje się do atmosfery. Do atmosfery przedostaje się również para wodna powstała w wyniku sublimacji (przemiana ciała stałego w gaz, z pominięciem fazy ciekłej) lodu. W atmosferze para wodna schładza się i skrapla tworząc chmury składające się z kropelek wody i kryształków lodu. Zawarta w chmurach woda wraca na Ziemię w formie deszczu, gradu, śniegu i trafia z powrotem rzekami do oceanów. ‒ 24 ‒ Ryc. 8 Skąd wzięła się woda w przyrodzie? Chociaż może wydawać się to dziwne, woda jest bardzo powszechną substancją w kosmosie. Możemy powiedzieć, że wody jest dużo w materii międzygwiezdnej. Jest wiele sposobów na wytwarzanie wody. Dwa równania chemiczne, przedstawione poniżej, pokazują typowe reakcje zachodzące w przyrodzie: reakcje utleniania - spalania. 2H2 + O2 → 2H2O 2C2H5OH + 7O2 → 4CO2 + 6H2O Pierwsza, to reakcja wybuchowego spalania wodoru w tlenie. Taka mieszanina nazywa się mieszaniną piorunującą i może zajść samorzutnie. Dlatego pierwsze sterowce "Zeppeliny" zostały wycofane z użycia, gdyż były wypełniane wodorem, co było bardzo niebezpieczne i było przyczyną katastrof Druga reakcja to rozkład cząsteczki alkoholu w procesie metabolicznym. W obydwu tych reakcja wyzwala się duża ilość energii. ‒ 25 ‒ NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Napięcie powierzchniowe powstaje na granicy dwóch różnych ośrodków. W przyrodzie najczęściej mamy do czynienia z napięciem powierzchniowym występującym pomiędzy wodą a otoczeniem. W zależności od indywidualnych cech materiałów, na styku materiał woda, może dochodzić do różnych reakcji fizycznych. Jedną z ciekawych właściwości wody jest jej umiejętność zwilżania niektórych ciał i tworzenia napięcia powierzchniowego. Kulisty kształt małych kropel wody (Ryc.1) wskazuje na działanie wewnątrz cieczy międzycząsteczkowych sił przyciągania, zwanych siłami spójności. Dążenie do przyjmowania przez ciecz kształtu kuli świadczy o tym, że na powierzchni cieczy występują siły powodujące „kurczenie” się jej powierzchni. Ze wszystkich brył o jednakowej objętości najmniejszą powierzchnię ma właśnie kula, a więc jest to kształt optymalny energetycznie. Siły spójności wewnątrz cieczy równoważą się działając na wszystkie strony, natomiast cząsteczki przy powierzchni są przez te siły wciągane do środka (Ryc. 2). Ryc. 1 Ryc. 2 Ryc. 3 Przyglądając się powierzchni wody w naczyniu widać, że przy ściankach naczynia powierzchnia wody jest nieco podniesiona tworząc tzw. menisk wklęsły. Menisk ten jest tym bardziej widoczny, im węższe jest naczynie. Szczególnie w szklanych rurkach zwanych włoskowatymi, wywołuje dodatkowy efekt w postaci podwyższenia się poziomu wody (pozornie wbrew prawu równowagi cieczy w naczyniach połączonych) (Ryc. 3). Ta własność podnoszenia się cieczy w wąskich rurkach nazywa się włoskowatością lub kapilarnością. ‒ 26 ‒ Cząsteczki cieczy znajdujące się przy samej ściance naczynia poddane są dwom siłom: spójności i przylegania. Jeśli przeważają siły przylegania, to cząsteczki cieczy zwilżają ścianki i „pną” się do góry. Woda dąży do zmniejszenia powierzchni swobodnej (menisku) więc „podciąga” dno menisku w górę. Wskutek tego pod błoną powierzchniową tworzy się podciśnienie i działa ssąco, ciągnąc za sobą cząsteczki wody, znajdujące się bezpośrednio pod błoną powierzchniową. Zjawisko włoskowatości umożliwia wzrost roślin. Dzięki niemu woda przedostaje się do korzeni, a następnie roznosi odżywcze soki do wszystkich gałęzi. Gdyby nie włoskowatość naczyń, nie mogłaby się podnieść wyżej niż na wysokość 10m. Włoskowatość gleby jest podstawowym warunkiem urodzajów, gdyby nie ona, korzenie roślin musiałyby sięgać bardzo głęboko w glebę w poszukiwaniu wody. Orka po żniwach ma na celu zlikwidować włoskowatość wierzchniej warstwy gleby, aby ta nie wysychała nadmiernie pod wpływem wiatrów i słońca. Napięcie powierzchniowe wykorzystuje pająk topik, który nie mógłby żyć pod wodą nie mogąc gromadzić powietrza w podwodnym dzwonie z pajęczyny (bez napięcia powierzchniowego powietrze uciekłoby). Napięcie powierzchniowe wody wykorzystujemy stosując różnego rodzaju okrycia nieprzemakalne, jak parasole i namioty, które nie są wodoszczelne, jednak zabezpieczają skutecznie przed deszczem. Parasol nie przecieka dopóki nie potrzemy go od wewnętrznej strony palcem i nie zniszczymy błony powierzchniowej wody, umożliwiając jej rozlewanie się po materiale. Z tego właśnie powodu nie należy dotykać wewnętrznej powierzchni namiotu podczas deszczu. Napięcie powierzchniowe można osłabić przez zwiększenie temperatury (zwiększa się energia cząsteczek i słabną siły międzycząsteczkowe) lub przez dodanie detergentów. Z rozdziału „Woda - cud natury” wiemy, że cząsteczki wody mają budowę polarną. Ciecze o takiej budowie, dobrze rozpuszczają tylko te substancje, które też mają budowę polarną, czyli są hydrofilowe np. sole. W wodzie nie rozpuszczają się natomiast tłuszcze (brud), które nie mają cząsteczek polarnych więc nazywamy je substancjami hydrofobowymi. Aby usunąć tłuszcz, dodajemy do wody mydło. Mydła to sole kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach. ‒ 27 ‒ W gospodarstwie domowym zazwyczaj stosuje się mydła sodowe, C17H35COONa część hydrofobowa część hydrofilowa których cząsteczki składają się z dwóch części o różnych właściwościach (Ryc. 4). Ryc. 5 Ryc. 4 Jedna część, zwana głową, jest hydrofilowa i ustawia się w stronę wody, a druga, zwana ogonem, jest hydrofobowa i ustawia się w kierunku substancji hydrofobowej np. powietrza lub tłuszczu. Cząsteczki mydła ogonem wnikają w tłuszcz i otaczają go tworząc tzw. micele (Ryc. 5). Ponieważ zewnętrzna strona miceli jest ujemna, to powoduje, że micele odpychają się wzajemnie co zapobiega łączeniu się tłuszczu. Cząsteczki mydła (detergentu) osłabiając napięcie powierzchniowe, unoszą cząsteczki brudu z pianą i odrywają je od powierzchni wody. Mydło nie rozpuszcza tłuszczu, tylko umożliwia jego wypłukanie. Część cząsteczek mydła zostaje jednak na powierzchni wody, co znacznie zmniejsza oddziaływanie międzycząsteczkowe wody więc niszczy jej napięcie powierzchniowe. Przy osłabionym napięciu powierzchniowym, nie tylko nartnik nie będzie mógł chodzić po wodzie, a pająk topik żyć pod wodą, ale nie będzie możliwe zjawisko włoskowatości, co spowoduje usychanie roślin. Włoskowatość gleby często niszczona jest także przez substancje oleiste np. ropopochodne. Im gleba zawiera więcej próchnicy (część organiczna gleby), tym więcej węglowodorowych składników ropy łączy się chemicznie z organicznymi składnikami gleby, tworząc warstwę izolacyjną dla wody. Substancje ropopochodne przedostające się w głąb ‒ 28 ‒ gleby, powodują zaklejenie przestrzeni, którymi transportowana jest woda i powietrze. W konsekwencji powoduje to zbrylanie gleb oraz zmianę ich właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych. Zniszczenie włoskowatości gleby powoduje znaczne obniżenie możliwości transportu wody oraz wymiany soli mineralnych między glebą a roślinami. W rozdziale „Domowe laboratorium” przedstawiono eksperymenty dotyczące osłabienia napięcia powierzchniowego wody oraz wpływu oleju na włoskowatość. ‒ 29 ‒ KRYSZTAŁ CHLORKU SODU Pierwsze wzmianki na temat soli pochodzą ze Starego Testamentu. Wierni składali Bogu ofiarę między innymi w postaci soli. W starożytności sól pełniła rolę środka płatniczego; rzymskim żołnierzom wypłacano pensje w postaci soli, w Tybecie i Etiopii wybijano z niej monety. W Europie sól określano „białym złotem”, a trasy którymi ją transportowano nazywano „drogami solnymi”. W wielu częściach świata, uważa się dzielenie solą za przejaw gościnności i przyjaźni. Ze względu na „boskie” pochodzenie soli, rozsypanie jej było złym znakiem. Wysypana sól oznaczała koniec boskiej opieki, zerwanie związku braterstwa, zwiastun kłótni. Sól NaCl można pozyskać na dwa sposoby. Pierwszy to ze złóż kopalnianych, drugi to z wody morskiej. Genealogicznie wszystkie złoża soli są pochodzenia morskiego i występują tam, gdzie kiedyś lądy były zalane wodą morską. Najstarszy rodzaj soli wydobywa się w kopalniach podziemnych w postaci brył. Następnie poddaje się ją krystalizacji i oczyszczeniu z zanieczyszczeń w wyniku czego powstaje drobny biały kruszec. W Polsce kopalnie soli znajdują się m.in. w Wieliczce i Bochni. Z powodu wyczerpywania się na świecie złóż soli kamiennej, popularnym sposobem stało się wydobywanie jej z morza, przez odparowanie ‒ 30 ‒ wody morskiej pod wpływem ciepła słonecznego lub przez odparowywanie wody morskiej w tzw. odparownikach. Sól ma również znaczenie lecznicze. W formie inhalacji, powietrze wzbogacone kropelkami soli, leczy choroby układu oddechowego. Takie zabiegi są stosowane np. w Ciechocinku. W pobliżu tężni solnych, ustawione są ławki dla pacjentów. Chlorek sodu w warunkach naturalnych cechuje budowa krystaliczna (Ryc. 1). Kryształ soli zbudowany jest z kationów sodu i anionów chloru (Ryc.2) i zaliczany jest do tzw. kryształów jonowych. Ryc. 2 Ryc. 1 Sól jest elektrolitem, czyli substancją, która w roztworze wodnym ulega hydratacji, a następnie dysocjacji, czyli rozpadowi na jony. Hydratacja polega na otoczeniu się danego jonu cząsteczkami wody, które są dipolami (patrz rozdział „Woda cud natury”). W stronę kationów sodu dipole wody zwrócone są swymi ujemnymi biegunami, a do anionów chloru biegunami dodatnimi. Wywołana przez dipole wody hydratacja ułatwia dysocjację elektrolityczną. Dzięki zjawisku dysocjacji, wodny roztwór soli zaliczamy do przewodników prądu elektrycznego. Nośnikami ładunku elektrycznego są w nim jony dodatnie i ujemne. Sód jest głównym jednowartościowym kationem płynów wewnątrzkomórkowych. Wpływa na pobudliwość włókien mięśniowych i nerwowych, reguluje ciśnienie osmotyczne, reguluje transport aminokwasów, cukrów i witamin w tkankach ludzkich. Chlor jest jednym z anionów odpowiedzialnych za utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej w organizmach ‒ 31 ‒ żywych. Stanowi też składnik kwasu solnego uczestniczącego w procesach trawienia. Organizmowi ludzkiemu do procesów fizjologicznych wystarcza niewielka ilość soli tj. około 1g dziennie. Ludzie natomiast spożywają od 15 do 20 g soli na dzień. Zbyt wysoka ilość soli w diecie jest bardzo groźna, gdyż powoduje znaczne zwiększenie objętości krwi w naczyniach krwionośnych. Prowadzi to do tego, że naczynia tętnicze stają się znacznie wrażliwsze na bodźce nerwowe, co powoduje ich kurczenie, a to z kolei może prowadzić do wzrostu ciśnienia krwi. Spożywanie znacznych ilości soli prowadzi do choroby miażdżycowej, powoduje rozwój choroby niedokrwiennej serca, stanowi także znaczny czynnik ryzyka prowadzącego do udaru mózgu. Nie tylko w organizmie człowieka chlorek sodu spełnia bardzo ważną rolę. Sól również ogranicza rozwój mikroflory tworzącej się w przetworach mięsnych, czy serach. Wykorzystuje się więc ją jako środek do konserwowania żywności. Jest też znaną od wieków przyprawą, mającą wielki wpływ na dobry smak potraw. Sól znalazła także zastosowanie przy tworzeniu tzw. mieszanin oziębiających. Dodanie soli do lodu powoduje obniżenie temperatury krzepnięcia powstałej mieszaniny do -220C. Takie obniżenie temperatury spowodowane jest to tym, że aby rozerwać wiązania sieci krystalicznej, sól musi pobrać energię z otoczenia, co powoduje obniżenie temperatury krzepnięcia (topnienia) powstałego roztworu w stosunku do temperatury krzepnięcia (topnienia) czystej chemicznie wody (00C). Proces rozpuszczania soli jest procesem endotermicznym (układ pochłania ciepło, mieszanina oziębia się), dlatego mimo znacznego obniżenia temperatury lód topnieje. Zjawisko to znalazło zastosowanie zimą do odśnieżania dróg i ulic. Mieszaniny oziębiające są również wykorzystywane w laboratoriach do chłodzenia substancji. ‒ 32 ‒ ATMOSFERA I ZJAWISKA W NIEJ ZACHODZĄCE Grubość ziemskiej atmosfery (Ryc.1) wynika z kompromisu między przeciwstawnymi czynnikami: energią kinetyczną cząsteczek (powoduje rozprzestrzenianie się powietrza) i grawitacją (przyciąga powietrze jak najbliżej Ziemi). Cząsteczki powietrza poruszają się z bardzo dużymi prędkościami rzędu 1600 i wznoszą się na wysokość wielu kilometrów. Ryc. 1 W skład chemiczny powietrza suchego w warstwie do 100km, wchodzi: azot (78,08%), tlen (20,95%), argon (0,93%), gazy takie jak neon, hel, metan, krypton (0,01%) oraz składniki zmienne, takie jak para wodna, dwutlenek węgla, ozon, tlenki siarki i azotu (0,03%). Troposfera zawiera ponad 90% znajdującej się w atmosferze pary wodnej, dlatego też zachodzą w niej wszystkie procesy związane z kondensacją pary wodnej, czyli powstawaniem chmur. Temperatura powietrza, w miarę wzrostu wysokości, maleje do około ‒ 33 ‒ -550C (na wysokości 40 km), a następnie znowu rośnie do 00C. Jest to spowodowane tym, że w górnej warstwie stratosfery znajduje się ozon O3, który pochłania promieniowanie nadfioletowe i promieniowanie X (pochodzące z promieniowania słonecznego). W mezosferze występuje gwałtowny spadek temperatury nawet do 1200C poniżej zera. W termosferze temperatura powietrza znowu rośnie wraz z wysokością i osiąga nawet powyżej 15000C, ponieważ znajdujący się tam atomowy tlen pochłania promieniowanie słoneczne. W dolnej części termosfery znajduje się jonosfera, w której powietrze jest silnie naelektryzowane. Oddziaływanie wiatru słonecznego na jony powietrza wywołuje w jonosferze zjawisko zorzy polarnej. Zjonizowane cząsteczki powietrza także bardzo dobrze odbijają fale radiowe (długie średnie i krótkie), co umożliwia łączność radiową między miejscami bardzo odległymi od siebie (Ryc. 2). Ryc. 2 Fale radiowe o większej częstotliwości (np. UKF) przenikają jonosferę, dlatego są wykorzystywane do komunikacji z satelitami. W egzosferze, czyli najbardziej zewnętrznej warstwie atmosfery, znajduje się głównie wodór i hel, a temperatura spada tam prawie do temperatury zera bezwzględnego (-2730C = 0K). W warstwie tej cząsteczki osiągają tak duże prędkości, że mogą ulatywać w kosmos. Powietrze otaczające Ziemię, ze względu na swój ciężar, wywiera na Ziemię ciśnienie zwane ciśnieniem atmosferycznym. Nad morzem wynosi ono 1013,25hPa, na wysokości 10 km wynosi 200hPa, a na wysokości 85 km wynosi już tylko 1hPa. Zależność zmiany ciśnienia od wysokości wykorzystano przy budowie wysokościomierzy. Wraz ze wzrostem wysokości maleje nie tylko ciśnienie, ale maleje również gęstość powietrza. Na poziomie ‒ 34 ‒ morza 1m3 powietrza ma masę 1,29 kg (patrz tabela gęstości w rozdziale „Gęstość substancji”), a na wysokości 10 km 1m3 waży już tylko 0,4 kg. Samoloty, które latają na tych wysokościach muszą mieć sztucznie uzupełniane powietrze, aby wyrównać tę różnicę gęstości. To, że atmosfera wywiera ciśnienie, wykorzystujemy w życiu codziennym: nabierając ciecz do strzykawki wytwarzamy między tłokiem a strzykawką podciśnienie, a parcie atmosferyczne działając na ciecz w otwartym naczyniu wpycha ją do strzykawki; pijąc napój przez słomkę wciągamy powietrze, co powoduje obniżenie w niej ciśnienia, a to z kolei umożliwia ciśnieniu atmosferycznemu wepchnięcie do niej napoju; chcąc wypić szybciej napój z kartonowego pudełka, robimy w górnej jego części dodatkowy otwór, aby powietrze wypełniało przestrzeń nad napojem i wywierało na jego powierzchnię parcie, ułatwiając jego wypicie drugim otworem; oddychając, wyginająca się przepona wytwarza różnicę ciśnień między powietrzem w płucach, a ciśnieniem atmosferycznym, co umożliwia nam wdech i wydech; gotując słoiki z przetworami powodujemy, że część nagrzanego powietrza uchodzi ze słoika wywołując podciśnienie, a parcie atmosferyczne działając na pokrywkę szczelnie ją dociska; przyczepiając wieszaczek w postaci przyssawki, dociskamy go do gładkiej powierzchni i wypychamy powietrze znajdujące się między powierzchnią a przyssawką, natomiast ciśnienie atmosferyczne dociska ją do powierzchni; stawiając bańki lekarskie, wypuszczamy z nich część powietrza na miejsce którego zasysana jest skóra oddzielająca płyny ustrojowe o ciśnieniu równym ciśnieniu atmosferycznemu. Otaczająca nas materia może występować w trzech fazach, czyli stanach skupienia. To, w jakiej fazie znajduje się dana substancja, zależy od jej temperatury i wywieranego na nią ciśnienia. Temperatury topnienia i wrzenia pod normalnym ciśnieniem, są ściśle określone dla danej substancji. Dla lodu temperatura topnienia wynosi 00C, a temperatura wrzenia wody wynosi 1000C. Temperatury te można zmienić zmieniając ciśnienie. Wiemy, że ciśnienie atmosferyczne maleje w miarę wzrostu wysokości, czyli im wyżej, tym powietrze słabiej ‒ 35 ‒ naciska na powierzchnię wody. Ułatwia to wydostanie się pęcherzykom pary na zewnątrz cieczy przy ich niższej temperaturze. Na wysokości 1,5 km nad poziomem morza woda wrze już w temperaturze 950C. Ugotowanie na twardo jajka w takiej temperaturze wymaga dłuższego czasu niż 3 minuty. Przy zbyt niskiej temperaturze wrzenia wody, niektórych produktów spożywczych nie da się w ogóle ugotować. Do ich ugotowania trzeba użyć szybkowaru. Szybkowar zamknięty jest szczelną pokrywą, która nie wypuszcza pary, zanim jej ciśnienie nie osiągnie większej wartości niż ciśnienie atmosferyczne, wrzenie następuje dopiero w temperaturze 1050C. W takiej temperaturze potrawy ugotują się dużo szybciej (gotowanie potraw zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury, a nie w wyniku zjawiska wrzenia). W przypadku lodu zmiana ciśnienia o 1000 hPa spowoduje obniżenie temperatury topnienia tylko o 0,0070C (patrz zjawisko regelacji w rozdziale „Woda - cud natury”). W atmosferze, tak jak w każdym gazie, przenoszenie ciepła odbywa się głównie przez konwekcję. Prądy konwekcyjne w atmosferze przejawiają się w postaci wiatrów, co widać m.in. nad brzegiem morza. W dzień ląd nagrzewa się bardziej niż woda, która ma większe ciepło właściwe, więc znajdujące się nad nim cieplejsze powietrze jest wypychane przez chłodniejsze powietrze znad morza i tworzy się bryza morska (Ryc. 3). W nocy ląd jest chłodniejszy od wody, która się wolniej ochładza i kierunek prądów konwekcyjnych się odwraca tworząc tzw. bryzę lądową (Ryc. 4). Ryc. 3 ‒ 36 ‒ Ryc. 4 Dzięki zjawisku konwekcji ciepłe powietrze wznosi się, a ponieważ w miarę jak rośnie wysokość, ciśnienie atmosferyczne maleje, to wznoszące powietrze „rozszerza się” (gęstość powietrza maleje). Rozprężające się powietrze ulega ochłodzeniu podobnie jak wydmuchiwane ustami powietrze z płuc. Sprężane powietrze natomiast ogrzewa się, dlatego np. w samolocie czujemy ciepło, gdyż wtłaczane jest tam powietrze w celu uzyskania ciśnienia takiego jak na ziemi (trzeba go nawet ochładzać w klimatyzatorach). Wraz z cząsteczkami powietrza, w wyniku konwekcji, unoszą się też cząsteczki pary wodnej. Jeśli w powietrzu znajdują się jakieś większe cząstki lub jony, to stają się one tzw. centrami kondensacji i po osiągnięciu dostatecznej wielkości zaczynają tworzyć chmury. Kondensacja cząsteczek pary wodnej może nastąpić również nisko nad ziemią, wtedy powstaje mgła. Ciekawym zjawiskiem zachodzącym w atmosferze jest powstawanie tzw. termali. Termale są to bąble suchego powietrza nie mieszające się z powietrzem znajdującym się na zewnątrz. Taka termala wznosi się po zboczu góry, ciśnienie w niej maleje, a ona się rozszerza i ochładza. Co jeden kilometr temperatura takiego suchego bąbla spada o 100C. Jeżeli termala powstanie nad ziemią i jej temperatura wynosi 200C, to na wysokości 4km osiągnie temperaturę -100C (Ryc. 5). Ruch termali w górach wywołują silne wiatry, które mogą nie tylko je unosić, ale i powodować ruch w dół, wówczas taka termala zmniejsza swoją objętość i jej temperatura rośnie o 100C na każdy kilometr. ‒ 37 ‒ Ryc. 5 Innym zjawiskiem, związanym ze wzrostem temperatury pod wpływem szybkiego sprężania, jest wiatr chinook, wiejący w Ameryce Północnej. Powstaje on na wschodniej stronie Gór Skalistych, gdzie zimne powietrze spływające po zboczach, zmniejsza swoją objętość i znacząco się ogrzewa, tworząc ciepły, suchy i porywisty wiatr wiejący wzdłuż Wielkiej Równiny. Odpowiednikiem takiego wiatru w Polsce jest wiatr halny (Ryc. 6) wiejący w południowej Polsce w Karpatach i Sudetach. Ryc. 6 Wiatr tego typu łamie drzewa, unosi dachy domów. Podczas tak silnych wiatrów zaobserwowano, że ciśnienie atmosferyczne obniża się i jest mniejsze niż ciśnienie wewnątrz ‒ 38 ‒ domu, mimo że gęstość powietrza w domu i na dworze jest taka sama. W XVIII wieku Dawid Bernoulli odkrył związek między szybkością gazu, a jego ciśnieniem. Stwierdził, że ciśnienie gazu maleje wraz ze wzrostem jego prędkości. Im wiatr ma większą prędkość, tym powietrze ma mniejsze ciśnienie. Zrywanie dachów podczas halnego należy więc tłumaczyć różnicą ciśnień między ciśnieniem w domu, a ciśnieniem na dworze. Ciśnienie wewnątrz domu jest większe niż na zewnątrz i to ono wypycha dach od środka (Ryc.7). Ryc. 7 Podobny mechanizm unosi samolot. Nad specjalnie wyprofilowanym skrzydłem, powietrze porusza się szybciej, czyli ma mniejsze ciśnienie, niż pod skrzydłem. Wypadkowa sił parcia na górną i dolną powierzchnię skrzydła jest skierowana do góry i nazywa się siłą nośną. Gdy szybkość samolotu względem powietrza rośnie, to rośnie również siła nośna. Jeżeli siła nośna jest większa od siły grawitacji, to samolot wznosi się, a jeżeli siły te równoważą się, to samolot utrzymuje się na stałej wysokości. Ponieważ gęstość powietrza maleje wraz ze wzrostem wysokości, ciśnienie atmosferyczne spada przy wznoszeniu się. Na wysokości powyżej 3000 m silniki samolotów zaczynają źle funkcjonować i stopniowo tracą siłę nośną. Ludzie także źle znoszą przebywanie na wysokościach powyżej 3000 m, co objawia się chorobą wysokogórską. Jej objawy to: ból i zawroty głowy; wymioty; obrzęk twarzy, rąk i stóp; obrzęk płuc (człowiek dusi się); obrzęk mózgu (zdolności ruchowe i umysłowe pogarszają się prowadząc do śpiączki, po której następuje śmierć). Dzieje się tak dlatego, że na dużych wysokościach ludzie słabiej absorbują tlen (jest go proporcjonalnie mniej w miarę zmniejszania się ciśnienia), co prowadzi do niedotlenienia organizmu. Reakcją organizmu na obniżenie tlenu we krwi jest stymulacja nerek do produkcji erytropoetyny – hormonu, który pobudza szpik ‒ 39 ‒ kostny do większej produkcji krwinek czerwonych (erytrocytów). Czerwone krwinki zawierają hemoglobinę, więc ich większe stężenie we krwi wprawdzie poprawia znacznie transport tlenu do organizmu, ale jednocześnie zwiększa przez to lepkość krwi, co z kolei jest niekorzystne dla pracy serca. U ludzi urodzonych i mieszkających na dużych wysokościach, organizm zaadaptował się do mniejszej ilości tlenu. Szerpowie (ludzie, którzy osiedlili się w północno-wschodniej części Himalajów) posiadają większe serca, które efektywniej pompuje krew, a ich płuca i tkanki mają więcej naczyń włosowatych, co też znacznie ułatwia pobieranie i transport tlenu. Kolejnym zjawiskiem z którym spotykamy się w atmosferze jest zjawisko zwane inwersją (odwróceniem) temperatury, które polega na tym, że w wyższych warstwach atmosfery temperatura jest wyższa niż na dole. Jeśli wznoszące się ciepłe powietrze trafi na taką warstwę, przestaje się wznosić, nawet jeśli ma mniejszą gęstość od tej warstwy. Obserwujemy czasem takie zjawisko nad zimnym jeziorem, gdy dym z ogniska zamiast się unosić rozściela się nad jeziorem (Ryc. 8). Ryc. 8 Inwersja temperatury jest też odpowiedzialna za powstawanie smogu i zatrzymanie odpływu zanieczyszczeń znad miast. Na zdjęciu (Ryc. 9) widoczny jest smog nad miastem Wisła. ‒ 40 ‒ Ryc. 9 ‒ 41 ‒ PŁYWANIE CIAŁ Ciecz znajdująca się w naczyniu wywiera na jego ścianki ciśnienie zwane ciśnieniem hydrostatycznym. Każdy, kto pływał pod wodą odczuwał mniejszy lub większy, w zależności od głębokości, nacisk na błonę bębenkową w uszach. To właśnie efekt działania tego ciśnienia. Przyczyną występowania ciśnienia hydrostatycznego jest ciężar cieczy znajdującej się nad zanurzonym ciałem. Ciężar ten będzie tym większy, im większy jest słup cieczy i im większa jest jej gęstość. Ciśnienie wywierane przez daną ciecz, zależy tylko od głębokości na jakiej go mierzymy, a nie zależy od ilości cieczy w zbiorniku. Dlatego ciecz w naczyniach połączonych, dążąc do wyrównania ciśnień, wyrównuje poziom cieczy (wysokość), a nie wyrównuje objętości. Nazwano to paradoksem hydrostatycznym (Ryc.1). Ryc. 1 Zależności ciśnienia od wysokości słupa cieczy uwzględnia się przy konstrukcji specjalnych skafandrów dla nurków głębinowych, batyskafów i przy budowie łodzi podwodnych. Materiały używane przy tych konstrukcjach muszą być mocne i wytrzymałe, aby nie uległy zmiażdżeniu przez wysokie ciśnienie w głębinach morskich. Łódź podwodna lub batyskaf, który schodzi na głębokość 1000 m, podlega ciśnieniu 100 krotnie większemu aniżeli na powierzchni. W najgłębszych rowach oceanicznych ciśnienie jest 1000 razy większe jak na powierzchni, dlatego głębie oceaniczne są mało zbadane - niewiele urządzeń zbudowanych przez ludzi może tam działać. Budując zapory na rzekach, jej podstawę konstruuje się grubszą (mierzoną w kierunku nurtu) niż część wystającą nad lustro wody, gdyż dolna część zapory musi wytrzymać działanie większych ciśnień. Zasadę wyrównywania ciśnień w naczyniach połączonych wykorzystuje się przy budowie wież ‒ 42 ‒ ciśnień, czyli zbiorników z których woda rurami wodociągowymi może przepływać pod górę do mieszkań. W oparciu o zasadę działania naczyń połączonych działają również śluzy na kanałach łączących zbiorniki o różnym poziome wody. Otworzenie wrót śluzy dokonuje się po wyrównaniu poziomu w sąsiednich zbiornikach, dzięki czemu mogą przepływać barki z jednej śluzy do drugiej Skutkiem występowania na większych głębokościach większego ciśnienia niż na mniejszych głębokościach jest działanie siły wyporu. Siła wyporu jest wypadkową sił parcia działających na ciało ze strony cieczy i jest zwrócona ku górze, dlatego ciała włożone do cieczy tracą pozornie na ciężarze (Ryc. 2). Poniższy schemat ilustruje siły działające ze strony cieczy na prostopadłościan w niej zanurzony. W kierunku pionowym działa wypadkowa siła skierowana do góry równa F2 – F1. Siły działające w kierunkach poziomych się znoszą. Ryc. 2 Jeśli ciężar ciała jest większy od siły wyporu, to ciało tonie po zanurzeniu. Jeśli jest on równy sile wyporu, to ciało pływa całkowicie zanurzone. Natomiast gdy ciężar ciała jest mniejszy od siły wyporu odpowiadającej całkowitemu zanurzeniu, wtedy ciało wypływa na powierzchnię i unosi się na niej. W III wieku p.n.e. Archimedes odkrył związek między siłą wyporu i wypartą cieczą. Związek ten zwany jest prawem Archimedesa i jest prawdziwy nie tylko dla cieczy, ale i dla gazów. Z prawa Archimedesa wynika, że jeżeli ciało wypiera np. 2kg cieczy, to działa na nie siła wyporu równa ciężarowi dwóch kilogramów, czyli równa 20N. Ciała o małej objętości wypierają mało cieczy, więc doznają małego wyporu. Z porównania ciężaru ciała z siłą wyporu wynikają następujące zależności między gęstością cieczy, a gęstością zanurzonego ciała: ‒ 43 ‒ a) jeśli gęstość ciała jest większa niż gęstość cieczy, to ciało tonie; b) jeśli gęstość ciała jest równa gęstości cieczy, to ciało pływa całkowicie w niej zanurzone; c) jeśli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość cieczy, to ciało pływa po powierzchni cieczy. Aby pływać przy dnie (Ryc. 3), ryba reguluje swoją średnią gęstość zmniejszając objętość pęcherza pławnego. Ryc. 3 Podobnie jak ryby, łodzie podwodne też regulują swoją głębokość zanurzenia. Konstruktorzy zaopatrzyli łodzie w tzw. grodzie, czyli obszary wypełnione powietrzem. Jeżeli średnia gęstość kadłuba wraz z wypełniającym go powietrzem jest mniejsza od gęstości wody, to łódź wypływa na powierzchnię wody. Aby łódź mogła się zanurzyć, do grodzi wlewa się wodę i tym samym zwiększa się średnią gęstość łodzi. Krokodyl chcąc stać się w wodzie mniej widocznym dla ofiary, połyka kamień, a więc zwiększa gęstość swego ciała i głębiej się zanurza. Są ludzie, którzy nie są w stanie utrzymać się na wodzie, najprawdopodobniej mają zbyt dużą gęstość ciała (są zbyt umięśnieni). Powinni oni zmniejszyć swój ciężar, albo zwiększyć objętość nie zmieniając ciężaru. Mogą to zrobić albo zamieniając tkankę mięśniową w tłuszczową (ma ona mniejsza gęstość), albo zakładając kamizelkę ratunkową, która jest wypełniona powietrzem. Objętość człowieka w kamizelce rośnie, czyli maleje jego gęstość. Jeśli chcemy, aby ciało o gęstości większej niż gęstość wody (np. bryła żelaza) unosiło się na jej powierzchni, to musimy tak zwiększyć objętość tego ciała, aby jego gęstość stała się mniejsza od gęstości wody (Ryc. 4). ‒ 44 ‒ Ryc. 4 Gęstość lodu stanowi 0,9 gęstości wody, co jest przyczyną pływania gór lodowych. Nad powierzchnię wody wystaje tylko 10% całej góry, czyli 90% jej objętości znajduje się pod wodą (Ryc. 5). Dryfujące góry lodowe są bardzo niebezpieczne dla żeglugi morskiej. Zderzenie z taką górą było przyczyną zatonięcia między innymi statku transatlantyckiego „Titanica” w 1912 roku. Góry lodowe spotyka się na otwartych morzach w strefach polarnych półkuli północnej i południowej. Z podobnym mechanizmem pływania mamy do czynienia w przypadku zwykłych gór. Gęstość skorupy ziemskiej (góry) stanowi 0,85 gęstości płaszcza ziemskiego, czyli 85% góry jest zanurzone wewnątrz płaszcza, a 15% wystaje nad powierzchnię ziemi (Ryc. 6). Ryc. 6 Ryc. 5 Wiadomo, że w wyniku działania czynników atmosferycznych następuje erozja gór. Okazuje się jednak, że mimo postępującej erozji, wysokość góry nie ulega wielkiej zmianie. Efekt ten wywołany jest tym, że siła wyporu pochodząca od płaszcza ziemskiego, wypycha górę na wysokość zbliżoną do pierwotnej. Jeżeli w wyniku erozji góra utraci 1m swojej wysokości, to siła wyporu wypchnie ją o 0,85 m. Z podobnym efektem mielibyśmy do ‒ 45 ‒ czynienia gdybyśmy obcięli wierzchołek góry lodowej. W wyniku tego zabiegu stałaby się ona lżejsza i siła wyporu wypchnęłaby ją na wysokość pierwotną. Prawo Archimedesa wykorzystuje się też w lotach balonem. Podobnie jak w cieczach, ciśnienie powietrza działające z dołu ciała jest większe od ciśnienia panującego nad ciałem (Ryc. 7). Ryc. 5 Każde ciało o ciężarze mniejszym niż ciężar powietrza o tej samej objętości będzie się wznosiło w atmosferze. Balony wypełnia się więc gazem o mniejszej gęstości niż powietrze. W balonach sportowych tym gazem jest podgrzane powietrze. Ogrzewając powietrze w balonie, zawodnicy zwiększają jego objętość, co skutkuje zmniejszeniem jego gęstości. Regulując temperaturę powietrza w balonie zawodnicy decydują o wysokości wznoszenia się. Balony meteorologiczne wypełnia się helem, którego gęstość jest na tyle mała, że ciężar balonu z ładunkiem jest mniejszy niż ciężar wypartego powietrza. Helu używa się też do wypełniania balonów zabawek. Taki balonik wznosi się na wysokość na której ciśnienie atmosferyczne jest na tyle małe, że gumowa powłoka nie jest w stanie wytrzymać ciśnienia wywieranego przez zwiększającą się objętość helu i pęka. ‒ 46 ‒ RUCH CIAŁ Wszędzie tam, gdzie pojawia się zmiana ruchu ciała, musi działać siła. Arystoteles (384 – 322 p.n.e.) dzielił ruch na naturalny i gwałtowny. Ruch naturalny określała natura ciała, np. naturalnym ruchem kamienia rzuconego do góry jest powrót na Ziemię i pozostanie w bezruchu, naturalnym ruchem dla pchniętego kamienia jest zatrzymanie się, czyli powrót do bezruchu. Gwałtowny ruch według Arystotelesa, to ruch wywołany działaniem siły ciągnącej lub pchającej. Galileusz (1564 – 1642) stwierdził, że do tego, aby ciało poruszało się ruchem prostoliniowym nie jest konieczny udział sił zewnętrznych. Gdyby nie było siły tarcia, to ciało, które zostało wprawione w ruch, będzie poruszało się po linii prostej bez zmiany prędkości. Dążenie ciał do kontynuowania ruchu bądź spoczynku, Galileusz nazwał bezwładnością i opisał formułując prawo bezwładności: „Ciała które spoczywają dążą do spoczynku a ciała, które są w ruchu dążą do pozostania w tym ruchu”. Miarą bezwładności jest masa ciała, im masa ciała jest większa tym bardziej bezwładne jest ciało. Newton (1642 – 1727) uściślił poglądy Galileusza formułując I zasadę dynamiki: „Jeżeli na ciało nie działają żadne siły lub działające siły równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym”. Bezwładność ciał obserwujemy w życiu codziennym między innymi podczas: szybkiego uderzenia młotkiem w podstawę - powodujemy silniejsze wbicie się jego głowicy na trzonek (Ryc. 1); robienia zamachu siekierą w trakcie rąbania drewna - wykorzystujemy jej bezwładność (dążenie do pozostania w ruchu) w celu głębszego wbicia się w drewno; szybkiego otwierania i zamykania parasola - pozbywamy się kropel wody (wprawione krople w ruch dążą do pozostania w ruchu); gwałtownego hamowania samochodu pasażer, który nie ma zapiętych pasów bezpieczeństwa, wylatuje przez przednią szybę pojazdu (był w ruchu względem jezdni i jego ciało dąży do pozostania w ruchu); ‒ 47 ‒ szybkiego pociągnięcia obrusu, wazon z kwiatami zostaje na miejscu (był w spoczynku i dąży do pozostania w spoczynku) (Ryc. 2); przetaczania wagonów na bocznicy kolejowej; ruszenia ciała z miejsca (więcej siły musimy użyć gdy większa jest bezwładność ciała czyli większe jego dążenie do pozostania w spoczynku). Ryc. 2 Ryc. 1 Codziennie dookoła nas widzimy ciała, których ruch ulega zmianom. Jedne ciała ruch rozpoczynają, drugie zmieniają tor ruchu, a jeszcze inne gwałtownie hamują. Przyczyną takiego zachowania się ciał jest działanie jednej lub kilku sił. Suma wszystkich sił działających w danej chwili na ciało powoduje jego przyspieszenie w kierunku działania siły wypadkowej. Związek między siłą wypadkową a przyspieszeniem Newton określił w II zasadzie dynamiki, którą można w skrótowej postaci zapisać: a = . Każda siła jest wynikiem wzajemnego oddziaływania między ciałami, jeżeli jedno ciało działa na drugie to drugie ciało działa na pierwsze z taką samą siłą co do kierunku i wartości lecz o przeciwnym zwrocie. Zasadę występowania sił parami Newton zawarł w III zasadzie dynamiki zwanej prawem akcji i reakcji. Rozpatrzmy parę sił działających między Ziemią i spadającym jabłkiem. Spadające jabłko przyciągane jest przez Ziemię, ale i ona jest przyciągana przez jabłko z taką samą siłą (Ryc. 3) ‒ 48 ‒ Ryc. 3 Przyspieszenie jabłka wywołane działaniem siły grawitacji jest widoczne, a przyspieszenia Ziemi nie sposób zauważyć. Wyjaśnić to możemy w oparciu o II zasadę dynamiki. Na Ziemię i jabłko działają zgodnie z III zasadą dynamiki jednakowe siły, które nadają tym ciałom przyspieszenia: dla jabłka o wartości aj = , dla Ziemi o wartości az = . Przyspieszenie Ziemi jest tyle razy mniejsze od przyspieszenia jabłka ile razy jej masa jest większa od masy jabłka Za pomocą prawa akcji i reakcji (lub zasady zachowania pędu) można wyjaśnić też tzw. zjawisko odrzutu, z którym spotykamy się przy ruchu rakiety czy strzale z karabinu. Rakieta, jak i karabin, doznają odrzutu z powodu siły reakcji, jaką wywierają wystrzeliwane spaliny lub pocisk (Ryc. 4). Ryc. 4 Z praktyczną realizacją zjawiska odrzutu spotykamy się na każdym kroku: wirujące śmigło helikoptera jest tak ukształtowane, aby naciskało na powietrze w dół (siła akcji), z kolei powietrze siłą reakcji w górę naciska na śmigło; ryba odpycha wodę płetwami, woda odpycha rybę w przód; ‒ 49 ‒ meduzy, ośmiornice i kałamarnice dzięki szybkim skurczom ciała, wyrzucają wodę do tyłu zassaną wcześniej do jamy chłonąco-trawiącej, a siła odrzutu przesuwa je do przodu; podczas chodzenia odpychamy podłogę, a podłoga odpycha nas; w czasie rozpadu promieniotwórczego, jądro, które opuściła cząstka, doznaje zjawiska odrzutu i jądro takie uzyskuje prędkość. Efekt ten dotyczy przede wszystkim emisji cząsteczek α. Dzięki istnieniu sił możliwy jest transport substancji w przyrodzie. Wiatr, czyli przemieszczające się w wyniku różnicy ciśnień cząsteczki powietrza, transportuje nasiona roślin. W celu przemieszczania się na duże odległości, owocostan mniszka lekarskiego (dmuchawiec), wykształcił nasiona, które posiadają niewielki parasolowaty aparat lotny (Ryc. 5). Cząsteczki powietrza uderzając w niego przenoszą go na duże odległości. Natomiast nasiono klonu (Ryc. 6), które przypomina śmigło helikoptera, w wyniku działania siły wiatru, obraca się wokół swojej osi generując siłę nośną, dzięki czemu może opaść bardzo daleko od drzewa. Ryc. 6 Ryc. 5 Źródłem siły napędzającej transport w przyrodzie jest zjawisko dyfuzji, czyli samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku, które jest konsekwencją ruchów Browna. Dzięki zjawisku dyfuzji, możliwy jest transport substancji odżywczych przez błony półprzepuszczalne komórek, które stanowią rodzaj sita dla cząstek o zbyt dużych rozmiarach. W komórkach może zachodzić tzw. dyfuzja prosta, która polega na samorzutnym transporcie cząsteczek mającym na celu wyrównanie stężeń po obu stronach błony biologicznej. W mechanizmie tym przemieszczane są substancje o niewielkich rozmiarach ‒ 50 ‒ cząstek i ładunku obojętnym (np. gazy: CO2,O2 ). Zgodnie z mechanizmem dyfuzji cząsteczki te przemieszczają się do roztworu o mniejszym stężeniu (Ryc. 7). Ryc. 7 W sytuacji, gdy przez błonę komórkową przenika woda, mamy do czynienia z odmianą dyfuzji zwaną osmozą. Woda przenika z roztworu o mniejszym stężeniu (roztwór hipotoniczny) do roztworu o wyższym stężeniu (roztwór hipertoniczny), gdyż dąży do wyrównania stężeń. Jeżeli umieści się komórkę w roztworze hipertonicznym (np. NaCl), nastąpi wypływ wody z komórki na zewnątrz. Jeśli umieści się komórkę w roztworze hipotonicznym (np. H2O), nastąpi dopływ wody do komórki (tzw. „pompowanie” wody do komórki). Dzięki różnicy stężeń roztworów pojawia się tzw. parcie osmotyczne, które wymusza przepływ cząsteczek wody przez błonę w jedną lub drugą stronę (Ryc. 8). Ryc. 8 ‒ 51 ‒ Występowanie parcia osmotycznego jest podstawowym narzędziem przyrody do transportowania wody na znaczne wysokości w roślinach (biolodzy nazywają je parciem korzeniowym). Wędrówka wody w roślinach odbywa się dotąd aż siła parcia osmotycznego zostanie zrównoważona przez, przeciwnie do niej zwróconą, siłę parcia hydrostatycznego. ‒ 52 ‒ RODZAJE ENERGII Wszystkie procesy zachodzące w przyrodzie są związane z przemianami energii i każdemu zjawisku towarzyszy wymiana energii. Energia może występować jako energia potencjalna (związana z polami fizycznymi) i energia kinetyczna (związana z ruchem ciała). Różnym zjawiskom przyrodniczym towarzyszą różne formy energii potencjalnej i kinetycznej: energia mechaniczna energia cieplna energia chemiczna energia promieniowania energia elektryczna i magnetyczna energia związana z masą energia jądrowa Zgodnie z prawem zachowania energii wiemy, że energia nie może być ani stworzona, czyli powstać z niczego, ani nie może być zniszczona, to znaczy nie może zniknąć bez śladu. Energia może tylko ulegać przemianom w inne postacie, według ściśle określonych zależności ilościowych lub może przechodzić od jednego ciała do drugiego. Nie jest więc możliwe spełnienie odwiecznego marzenia ludzkości o zbudowaniu perpetuum mobile, czyli maszyny wykonującej nieprzerwaną pracę, bez dopływu energii z zewnątrz. Każda żywa komórka roślinna czy zwierzęca jest maszyną, która także potrzebuje energii. Największym zbiornikiem energii dla Ziemi jest Słońce. Energia, którą dostarcza nam Słońce (dzięki reakcjom jądrowym zachodzącym w jego wnętrzu) dociera do Ziemi w postaci promieniowania. Jemu zawdzięczamy ciepło, światło, energię wody (krążenie jej w przyrodzie), energię wiatru (przyczyną ruchu powietrza jest niejednakowe ogrzanie różnych części Ziemi), energię chemiczną (węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny). Słońce jest też źródłem energii chemicznej pokarmów. Zielone rośliny wytwarzają, przy udziale chlorofilu, skrobię, cukier i celulozę z wody i zawartego w powietrzu dwutlenku węgla. Powyższy proces zwany fotosyntezą, może zachodzić tylko, gdy roślina pobiera energię promieniowania. Energia ta, zmagazynowana w pokarmie, podtrzymuje następnie procesy ‒ 53 ‒ życiowe w organizmach ludzi i zwierząt. Słońce jest więc wielkim silnikiem, który decyduje o przebiegu zjawisk na Ziemi. Trudno byłoby wyobrazić sobie współczesny świat bez energii elektrycznej. Początkowo do produkcji prądu człowiek wykorzystywał energię nagromadzoną w węglu i ropie naftowej. Jednak w wyniku ciągłego wzrostu zapotrzebowania na prąd i kurczenia się naturalnych zasobów nieprzetworzonych paliw, zaczęto poszukiwać nowych źródeł energii. Ze względów ekonomicznych i ekologicznych szczególną uwagę zwrócono na tzw. odnawialne źródła energii. „Odnawialne źródło energii – źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych”( Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. „Prawo energetyczne”). Poniższa tabela zawiera charakterystykę odnawialnych źródeł energii. Rodzaj źródła Energii Zalety Energia wodna rzek. Energetyka wodna opiera się na wykorzystaniu energii wód śródlądowych. Polega na zredukowaniu, w granicach pewnego obszaru rzeki, poprzez budowę zapory, naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Do atmosfery nie dostają się żadne zanieczyszczenia, występuje niski poziom emitowanego hałasu. Spełniają jednocześnie takie zadania, jak: zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Energia pływów morskich. Opiera się na wykorzystaniu energii pływów wód morskich. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, która pozwala na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu. Niezawodne ze względu na regularność podnoszenia się i opadania wody (przypływy dwa razy w ciągu doby), do atmosfery nie dostają się żadne zanieczyszczenia. ‒ 54 ‒ Wady Znacząco zmienia ekosystem i krajobraz otoczenia, ponieważ powstały w miejsce szybkiej, wartkiej rzeki zbiornik, zawiera wodę stojącą, co sprawia, że rozwijają się tam zupełnie inne organizmy niż przed powstaniem zapory. Duży zbiornik charakteryzuje się znacznie większym parowaniem i zmienia wilgotność powietrza na stosunkowo dużym obszarze. Zmniejsza się też napowietrzanie wody. Elektrownia wykorzystująca pływy morskie nie może wytwarzać energii elektrycznej w sposób ciągły, ponieważ w okresie wyrównywania się poziomów wody w morzu i zbiorniku spad wody jest tak mały, że praca turbin jest niemożliwa. Elektrownie te powodują zasalanie ujść rzek Rodzaj źródła Energii Zalety Wady oraz erozję ich brzegów wskutek wahań wody, a także utrudniają wędrówkę ryb w górę rzek. Zajmują duży obszar wybrzeża, wymagają dużych nakładów. Energia fal morskich. Elektrownie wykorzystują przetworzony ruch fal morskich. Ze względu na lokalizację dzieli się je na nadbrzeżne, przybrzeżne (1020 m głębokości) i morskie (ponad 40 m głębokości). Woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się przez upust i napędza turbinę. Elektrownie chronią brzeg morski przed zniszczeniem pełniąc rolę falochronu, do atmosfery nie dostają się żadne zanieczyszczenia. Energia cieplna oceanu. Elektrownie wykorzystują różnicę temperatury wody oceanicznej na powierzchni i w głębi oceanu. Cieplejsza woda morska w pobliżu powierzchni ulega odparowaniu w komorze próżniowej. Powstała para napędza turbinę. Para wylotowa z turbiny skrapla się w zbiorniku wytwarzając odsoloną wodę. Zbiornik chłodzony jest zimną wodą morską czerpaną z głębszych warstw. Do kolejnego cyklu używana jest nowa ilość wody morskiej. Energia wiatrowa opiera się na wykorzystaniu prędkości przepływu powietrza. Elektrownie są źródłem czystej energii odnawialnej i dodatkowo zapewniają odsalanie wody na dużą skalę. Mogą być też źródłem uzyskiwania licznych cennych pierwiastków oraz związków śladowych zawartych w wodach morskich. Ich budowa możliwa jest tylko na obszarach równikowych, gdzie woda morska ma na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300500m temperaturę ok. 70C. Wymagają dużych nakładów. Elektrownie są źródłem czystej energii odnawialnej. Niewielkie pojedyncze turbiny są dobrym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych. Energia geotermalna to energia produkowana przez jądro Ziemi, Źródła geotermalne cechuje dostępność, nie podlegają Elektrownie wiatrowe szpecą krajobraz, generują uciążliwy hałas oraz stanowią zagrożenie dla migracji ptaków. Bardzo duże koszty uruchomienia, wymagają korzystnych warunków pod względem lokalizacji (częste występowanie silnych wiatrów o prędkości od 10-20 m/s). Nie zapewniają stałej dostawy energii (występowanie tzw. ciszy wiatrowej). Eksploatacja wód geotermalnych jest trudna i ‒ 55 ‒ Rodzaj źródła Energii Zalety dostępna w postaci gorącej wody lub pary wodnej. wahaniom warunków pogodowych i klimatycznych, są to źródła nie ulegające wyczerpaniu. Energetyka geotermalna jest obojętna dla środowiska. Urządzenia techniki geotermalnej nie zajmują wiele miejsca i nie wpływają prawie wcale na wygląd krajobrazu. Energia biomasy. Biomasa to wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Do celów energetycznych wykorzystuje się biomasę w trzech stanach skupienia. Stan stały to rośliny pochodzące z upraw energetycznych (np. wierzba wiciowa, rdest, trzcina pospolita), odpady z przerobu drewna, odpady organiczne z rolnictwa oraz niektóre odpady komunalne i przemysłowe. Stan ciekły biomasy to alkohole produkowane z roślin o dużej zawartości cukru oraz biodiesel produkowany z roślin oleistych. Stan lotny biomasy to głównie metan i dwutlenek węgla. Energię słoneczną stosuje się do produkcji energii elektrycznej przez wykorzystanie fotoogniw oraz do produkcji energii cieplnej przez wykorzystanie kolektorów słonecznych (pochłaniają one promieniowanie i przekazują energię cieplną wodzie, która przepływając przez nie ogrzewa się do temperatury 40-65°C). Paliwo to jest nieszkodliwe dla środowiska. Ilość CO2 emitowana do atmosfery podczas jego spalania równoważona jest ilością CO2 pochłanianego przez rośliny, które odtwarzają biomasę w procesie fotosyntezy. Ceny biomasy są konkurencyjne na rynku paliw. Wykorzystanie biomasy pozwala zagospodarować nieużytki i spożytkować odpady. Wykorzystanie metanu zapobiega jego emisji do atmosfery co ma wpływ na zmniejszenie natężenie efektu cieplarnianego. Pozyskiwanie energii słonecznej nie powoduje żadnych efektów ubocznych, szkodliwych emisji, a instalowanie urządzeń głównie na domach, nie wpływa zasadniczo na krajobraz. ‒ 56 ‒ Wady wymaga dużych nakładów. Energia wytwarzana przez fotoogniwa jest droższa od energii wytwarzanej w konwencjonalny sposób i jest stosunkowo mało wydajna. Obecność pyłów lub pary wodnej w atmosferze oraz zachmurzenie, uniemożliwiają w pełni wykorzystanie tego źródła energii. Ilość docierającego promieniowania słonecznego zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Na świecie stale rośnie zapotrzebowanie na energię. Według prognoz, w 2050 roku światowe zużycie energii będzie 2,2 razy większe niż obecnie. Paliwa kopalne stanowić będą 70% tej liczby (węgiel 26%, ropa naftowa 26%, gaz ziemny 18%), a energia ze źródeł niekopalnych - 30% (na zasoby niekopalne składają się energia ze źródeł odnawialnych oraz energia jądrowa). Znaczną część energii elektrycznej będzie się otrzymywać z elektrowni jądrowych. W elektrowniach tych, w wyniku rozszczepiania jąder atomów uranu, plutonu lub toru, następuje wyzwolenie energii cieplnej, którą wykorzystuje się do wytworzenia pary wodnej. Z kolei energia cieplna pary wodnej zostaje zamieniona w energię mechaniczną generatora prądu. Elektrownie jądrowe są bardzo wydajne (ilość paliwa z 1 kg uranu równoważy energię otrzymaną z 3 ∙ 106 kg węgla). Problemem jest jednak składowanie wypalonego paliwa oraz groźba skażenia środowiska w razie awarii. Szacuje się, że jeżeli zostanie utrzymane obecne zużycie paliw kopalnych, to węgla wystarczy na około 200 lat, a ropy naftowej na 40 lat. W najbliższej więc przyszłości konieczne stanie się otrzymywanie energii elektrycznej z odnawialnych źródeł oraz z elektrowni jądrowych. ‒ 57 ‒ ZJAWISKA FALOWE Zachowanie każdej fali zależy, między innymi od właściwości ciała do którego ona dociera. W związku z tym obserwujemy różne zjawiska falowe m.in. zjawisko odbicia czy załamania. Jeżeli fala świetna napotyka na swej drodze gładką powierzchnię, ulega odbiciu. Ryc. 1 Ryc. 2 Na zdjęciach widoczne jest odbicie kwiatka w szybie (Ryc. 1) i odbicie w spokojnej powierzchni jeziora, całego jego otoczenia (Ryc. 2). Światło podczas odbicia od powierzchni granicznych zachowuje się zgodnie z prawem odbicia: „Kąt odbicia światła jest równy kątowi padania, promień padający, promień odbity i normalna (prosta prostopadła do powierzchni odbijającej) leżą w jednej płaszczyźnie”. W podobny sposób jak światło, odbija się fala dźwiękowa. Odbity dźwięk nazywa się echem. Sale koncertowe budowane są tak, aby odbijające się od ścian fale dźwiękowe nie zakłócały się nawzajem. Zdarza się jednak, że w zamkniętej, źle zaprojektowanej sali, dźwięk wielokrotnie odbija się od ścian, co prowadzi do przedłużenia jego trwania i wzajemnego nakładania się fal. Taki przedłużony dźwięk nazywa się pogłosem, a nakładanie się fal interferencją i są to zjawiska niekorzystne, psujące akustykę sali. W celu wyeliminowania pogłosu w salach koncertowych, niektóre ściany wykłada się materiałami, które częściowo lub całkowicie pochłaniają dźwięk. Zjawisko echa wykorzystują nietoperze, które wysyłają falę dźwiękową o częstotliwości niesłyszalnej przez człowieka. Uszy nietoperza rejestrują ‒ 58 ‒ odbite fale i na tej podstawie określają odległość od danego obiektu. Na tej samej zasadzie działają na statkach echosondy. Jeżeli fala pada ukośnie na granicę dwóch ośrodków o różnej gęstości, to ulega zjawisku załamania. Zmiana kierunku rozchodzenia się fali spowodowana jest inną jej szybkością w różnych ośrodkach. Na zdjęciach (Ryc. 3 i Ryc. 4) widzimy zjawisko załamania światła (róg serwetki wydaje się być bliżej i naczynie ze świeczką jest przesunięte). Ryc. 3 Ryc. 4 Zjawisko to powstało na granicy dwóch ośrodków przeźroczystych powietrze-szkło. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka, w którym rozchodzi się szybciej (powietrze), do ośrodka w którym rozchodzi się z mniejszą szybkością (woda), to załamuje się zawsze tak, że kąt padania jest większy od kąta załamania. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego (woda) do rzadszego (powietrze), to załamuje się tak, że kąt załamania jest większy od kąta padania. Załamaniem światła tłumaczy się wiele zadziwiających zjawisk np. basen wydaje się płytszy, niż jest w rzeczywistości; ryba widziana z brzegu stawu pływa zawsze głębiej, niż to nam się wydaje. Załamanie światła jest także przyczyną powstawania miraży (Ryc.5). Ryc. 5 ‒ 59 ‒ Istota tego mirażu polega na tym, że w upalne dni promienie świetlne biegnąc od wierzchołka drzewa w dół trafiają na gorące powietrze (rzadsze), więc zwiększają szybkość i odchylają się (załamują) ku górze. Docierające do oczu obserwatora promienie tworzą obraz pozorny drzewa na ziemi (miraż dolny). Miraże dolne można obserwować nie tylko na pustyni ale i w naszym klimacie. W upalne dni wydaje się nam jakby na asfalcie tworzyły się kałuże wody. Ta rzekoma woda to obraz nieba odbity od najniższych warstw powietrza nad drogą. Miraże górne powstają powyżej linii horyzontu. Obserwuje się je najczęściej nad morzem, gdy górna warstwa powietrza jest cieplejsza od dolnej, więc promienie odchylane są ku dołowi. Jeśli występują różnice temperatury powietrza, to również fale dźwiękowe się zaginają. Podczas ciepłego dnia powietrze przy ziemi jest bardziej nagrzane i tam prędkość dźwięku jest większa. Fale dźwiękowe zaginają się wówczas ku górze, wskutek czego mogą nie być słyszane przy ziemi (Ryc. 6). Ryc. 6 Z odwrotnym zjawiskiem mamy do czynienia w chłodny dzień lub w nocy. Wtedy powietrze na większych wysokościach jest cieplejsze niż przy ziemi. Prędkość dźwięku przy ziemi jest mniejsza i fale dźwiękowe zaginają się ku dołowi. Dzięki temu dźwięk może być słyszalny z większej odległości. Załamanie fali dźwiękowej często pojawia się w wodzie, ‒ 60 ‒ gdzie występują obszary o różnej temperaturze. Stwarza to problemy dla łodzi, które sporządzają mapy dna morza posługując się echosondami. Kiedy światło białe ulega załamaniu na granicy dwóch ośrodków, to zostaje jednocześnie rozszczepione na barwne składniki zwane widmem światła białego. Zjawisko rozszczepienia światła białego na jego barwne składniki nazywa się dyspersją. Przykładem tego zjawiska jest powstawanie tęczy (Ryc. 6 i Ryc. 7). Ryc. 7 Ryc. 6 Kolorowa tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła słonecznego, przy jego załamaniu na granicy powietrza i kropel wody (Ryc. 8). Promień świetlny, padając na kroplę wody, najpierw ulega załamaniu i rozszczepieniu, potem całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, a następnie powtórnemu załamaniu. ‒ 61 ‒ Ryc. 8 Zdarza się czasem, że tęczy towarzyszy druga tzw. tęcza wtórna, znacznie słabsza od pierwszej i mająca odwróconą kolejność barw (Ryc. 9). Wyjaśnienie jej powstawania przedstawiono na Ryc.10 Ryc. 9 ‒ 62 ‒ Ryc. 10 Bardzo ciekawym zjawiskiem optycznym jest zjawisko zwane widmem Brockenu (Ryc.11) Ryc. 11 Źródło: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Brocken-tanzawa.JPG Zjawisko to obserwowane jest w wyższych partiach gór, gdy Słonce jest nisko nad horyzontem. Turysta, który znajduje się na linii pomiędzy Słońcem a chmurą położoną poniżej niego, widzi ogromny cień swojej postaci, otoczony białymi lub barwnymi pierścieniami zwanymi glorią. Barwna aureola wokół turysty powstaje w wyniku rozszczepienia się światła w kropelkach wody lub kryształkach lodu znajdujących się w chmurze. ‒ 63 ‒ Innym zjawiskiem falowym jest tzw. zjawisko dyfrakcji (ugięcia). Jest to zjawisko w wyniku którego pierwotny kierunek fali może zostać zmieniony w wyniku jej ugięcia na szczelinie lub przeszkodzie. Na rysunkach poniżej widzimy ugiętą falę na wodzie (Ryc. 12) i ugięcie światła (Ryc. 13). Ryc. 13 Im bardziej zwęża się szczelinę lub im większą ma długość padająca na nią fala, tym silniejsze jest ugięcie tej fali. Fale akustyczne także uginają się na przeszkodach. Dowodem na to jest możliwość rozmowy osób stojących po dwóch stronach muru. Ponieważ stopień ugięcia fali zależy także od jej długości, dlatego długie fale radiowe (od 180m do 550m) silnie uginają się na budynkach i dochodzą do obszarów znajdujących się z ich tyłu (Ryc. 14). Fale długie „nie widzą” małych obiektów. Natomiast krótkie fale radiowe UKF (od 1m do 10m) uginają się słabo (Ryc. 15) dlatego ich odbiór za przeszkodą jest bardzo zły. Ryc.14 Ryc. 15 ‒ 64 ‒ Ugięcie nie zawsze jest zjawiskiem pożądanym, szczególnie gdy chce się obserwować małe obiekty za pomocą mikroskopu. Jeśli rozmiary obiektu są porównywalne z długością fali świetlnej, to dyfrakcja jest na tyle duża, że nie można dostrzec szczegółów badanego obiektu. W celu pokonania tej trudności mikroskopy optyczne zastępuje się mikroskopami elektronowymi. Wykorzystuje się w nich falowe własności elektronów, które mają mniejszą długość niż fale świetlne. Delfiny w sposób naturalny regulują długość wysyłanych fal w celu postrzegania swego otoczenia. Najpierw wysyłają fale dźwiękowe o większej długości, które po odbiciu dają im ogólny obraz otoczenia, następnie wysyłają krótsze fale (ultradźwięki) w celu „zobaczenia” jego szczegółów. Podobnie robią technicy śledczy podczas szukania mikrośladów w miejscu przestępstwa. Oświetlają badane miejsce światłem ultrafioletowym, które jest krótsze od światła widzialnego więc słabiej się ugina i pozwala dostrzec więcej szczegółów. Ze zjawiskiem dyfrakcji często związane jest zjawisko interferencji czyli nakładania się fal (Ryc. 16). Ryc. 16 W przypadku gdy wierzchołki jednej fali spotkają się z wierzchołkami drugiej fali, następuje wzmocnienie, czyli wzrost amplitudy. Gdy wierzchołki jednej fali natrafiają na doliny drugiej, amplituda ulega osłabieniu. Zjawisko interferencji występuje dla wszystkich rodzajów fal. Jeśli znajdujemy się w miejscu jednakowo odległym od dwóch głośników, to słyszymy wzmocniony dźwięk. W salach koncertowych, źle zaprojektowanych, fale odbite od ścian interferując z falami nieodbitymi dają w efekcie wygaszenie dźwięków. Jeśli przesuniemy się o kilka centymetrów zauważamy wyraźną różnicę w ich odbiorze. ‒ 65 ‒ Czasami podczas odbioru audycji radiowych mamy do czynienia ze zjawiskiem zwanym fadingiem. Polega ono na krótkotrwałym zaniku odbioru, który jest właśnie wynikiem interferencji. Wysłane przez ten sam nadajnik dwa ciągi fal docierają do odbiornika różnymi drogami i w wyniku nałożenia się ulegają wygaszeniu. Z interferencją mamy również do czynienia w przypadku fal świetlnych. Jeżeli światło monochromatyczne przepuścimy przez dwie blisko siebie leżące szczeliny, to na ekranie otrzymamy obraz jasnych i ciemnych prążków (Ryc.17). Ryc. 17 Jasne prążki powstają wtedy, gdy fale świetlne dochodzące z obu szczelin spotkają się grzbietami i się dodają. Ciemne prążki powstają w miejscach, w których grzbiety spotkały się z dolinami i fale wygaszają się wzajemnie. Dzięki zjawisku interferencji możemy podziwiać piękne barwy baniek mydlanych (Ryc. 18). Część światła odbita od dolnej powierzchni błony mydlanej interferuje z częścią światła odbitą od jej górnej powierzchni. W wyniku interferencji światło białe traci niektóre swe składniki więc widzimy tylko barwy dopełniające. Każdy punkt bańki mydlanej obserwujemy pod innym kątem, co daje w efekcie inną barwę. Ten efekt optyczny zwany opalizacją spotykamy również obserwując plamy benzyny na jezdni czy oglądając skrzydła ważki. Jednym z najbardziej widowiskowych zastosowań interferencji jest holografia. Hologram to dwuwymiarowa płytka fotograficzna, która po oświetleniu światłem laserowym daje trójwymiarowy obraz przedmiotu (3D). Aby sporządzić hologram należy laserem jednocześnie oświetlić zwierciadło i przedmiot, a odbite od nich fale skierować na płytkę fotograficzną. ‒ 66 ‒ Ryc. 18 Fale te ulegając interferencji utworzą na płytce obraz prążków. Po wywołaniu i utrwaleniu płytki staje się ona hologramem. Jeżeli teraz oświetli się hologram laserem, to uzyska się obraz przestrzenny przedmiotu. Przesuwając głowę można oglądać przedmiot z boku, z góry, czy z dołu. Obrazy holograficzne są bardzo realistyczne. Hologramy wykorzystuje się w procesach przetwarzania, gromadzenia i zabezpieczania informacji. Na Ryc. 19 przedstawiony jest hologram umieszczony na banknocie o nominale 50 euro. Ryc. 19 Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Hologram Jednym ze zjawisk często występującym w przyrodzie jest zjawisko rezonansu. Polega ono na pobudzaniu do silnych drgań jednego ciała przez drugie ciało o takiej samej częstotliwości drgań własnych. Zjawisko rezonansu znane było już dawno. W 1665 r. fizyk holenderski Christian Huygens zauważył, że dwa zegary wahadłowe, których wskazania ‒ 67 ‒ różniły się o kilka sekund, w ciągu doby wyrównały swój bieg, gdy umieszczono je w tym samym pokoju. W 1739 r. powtórzono doświadczenie z zegarami umieszczonymi w szczelnie zamkniętych oddzielnych pudłach. Następnie wahadło jednego zegara zatrzymano. Okazało się, że po pewnym czasie zostało ono z powrotem rozkołysane, tak, że zegar zaczynał chodzić. Gdy pudła zegarów połączono drewnianym prętem zjawisko rezonansu widoczne było prędzej. Ruch jednego wahadła wywierał więc wpływ na drugie wahadło za pośrednictwem ciał stałych (ściany, pręta). Zjawisko rezonansu odgrywa ważną rolę w procesie słyszenia. W zależności od częstotliwości dźwięku trafiającego do ucha, rezonują odpowiednie zakończenia nerwowe w uchu. Stroiciel fortepianów w swojej pracy także wykorzystuje zjawisko rezonansu. Pobudza on do drgań strunę za pomocą kamertonu (wzorca) o tej samej częstotliwości drgań. Aby instrumenty muzyczne mogły wydawać głośny dźwięk posiadają pudła rezonansowe. Znajdujące się w nim powietrze zostaje zmuszone do drgań z taką samą częstotliwością jak struna. Innym przykładem rezonansu jest huśtawka. Gdy bujamy się w rytmie zgodnym z drganiami własnymi huśtawki, możemy wywołać bardzo duże amplitudy drgań (maksymalne wychylenie z położenia równowagi). Zjawisko rezonansu istotne jest także w procesie mówienia. Inicjatorem głosu są dwa wiązadła głosowe (tzw. struny głosowe) znajdujące się w krtani. Podczas wytwarzania dźwięku układają się one w bardzo wąską szczelinę, przez którą przeciska się powietrze wydychane z płuc i wprawia je w drgania. Jama gardłowa, nosowa oraz jama ustna pełnią rolę pudła rezonansowego wzmacniającego dźwięk. Rezonans jest często niepożądanym zjawiskiem. Jeśli jakaś część samochodu nie jest dobrze przymocowana, to przy pewnych obrotach silnika zgodnych z częstotliwością drgań danej części, zaczyna ona tak mocno drgać, że może się oderwać. W 1831 roku wojsko maszerujące po moście koło Manchesteru (Anglia) spowodowało zawalenie mostu. Przyczyną tego była zgodność tempa marszu z częstotliwością drgań własnych mostu. W 1940 roku nowy wiszący most Tacoma - Narrows w USA został zniszczony przez porywy wiatru wywołane sztormem. Porywy wiatru pojawiały się z częstotliwością zbliżoną do częstotliwości drgań własnych mostu i tak zwiększyły jego amplitudę drgań, że most się zawalił. ‒ 68 ‒ INFRADŹWIĘKI I ULTRADŹWIĘKI Większość dźwięków to fale powstające w wyniku drgań jakiegoś ciała. Drgające ciało przekazuje drgania do otaczającego go ośrodka, którym najczęściej jest powietrze. Słyszymy dźwięki o różnym natężeniu i o różnej wysokości. Dźwięki wysokie cechuje duża częstotliwość drgań (jak np. dźwięk syreny karetki), dźwięki niskie mają małą częstotliwość (jak np. dźwięk syreny okrętowej). Zakres słyszalności ucha ludzkiego zawiera się w granicach częstotliwości od 16 Hz do 20 000 Hz. Z wiekiem górna granica ulega obniżeniu nawet do 16 000 Hz. Istnieją też dźwięki niesłyszalne przez człowieka, są to infradźwięki o częstotliwościach poniżej 16 Hz oraz ultradźwięki o częstotliwościach powyżej 20 000 Hz Sztucznymi źródłami infradźwięków są: ciężkie pojazdy samochodowe, eksplozje, silniki rakietowe, sprężarki, pompy próżniowe, elektrownie wiatrowe, wentylatory przemysłowe, urządzenia chłodzące i ogrzewające powietrze (np. klimatyzatory i lodówki). Naturalnymi źródłami infradźwięków są: fale w dużych zbiornikach wodnych, duże wodospady, silne wiatry, trzęsienia ziemi, wulkany. Niektóre zwierzęta wytwarzają i odbierają infradźwięki. Należą do nich słonie, wieloryby, czy aligatory. Infradźwięki mają długość fali powyżej 17 m, dlatego „nie widzą” nawet dużych obiektów (silnie uginają się) i rozchodzą się na duże odległości. Wywołują one u ludzi wrażenia pozasłuchowe. Pobudzają do drgań mechanoreceptory, które odkształcając błonę komórkową zmieniają jej przepuszczalność dla jonów. Ze względu na to, że infradźwięki powodują u ludzi uczucie: ucisku w uszach, nadmiernego zmęczenia, senności, apatii, a nawet depresji, nie znalazły nigdzie zastosowania. W przeciwieństwie do infradźwięków, ultradźwięki nie są szkodliwe dla człowieka i znalazły liczne zastosowanie w medycynie oraz technice. Za pomocą ultradźwięków przeprowadza się badania organów wewnętrznych. Sygnał ultradźwiękowy wysyłany do wnętrza ciała odbija się na granicy różnego rodzaju tkanek. Odbity sygnał jest analizowany przez komputer i przetwarzany elektronicznie na obraz wnętrza ciała. Ultradźwięki wykorzystywane są też w chirurgii do rozbijania kamieni nerkowych, czy też w stomatologii do rozbijania kamienia nazębnego. Leczniczo ultradźwięki stosuje się w fizjoterapii, gdzie ‒ 69 ‒ wykorzystuje się ich działanie cieplne. Pierwotna mechaniczna energia ultradźwięków zostaje w różnym stopniu zaabsorbowana przez tkanki (zależny on od konsystencji tkanek) i przekształcona w ciepło. Powstające w tkankach ciepło wywołuje: przekrwienie, zwiększenie przemiany materii, zwiększenie rozciągliwości włókien kolagenowych, wzrost aktywności enzymów, zmniejszenie napięcia mięśni, zmiany przewodnictwa nerwowego. Dzięki wywołaniu takich zmian zostaje uśmierzony ból i zmniejsza się sztywność stawów. Ultradźwięki stosuje się też do wykrywania wewnętrznych pęknięć, powstałych w materiałach w wyniku działania naprężeń. Rozwarstwienie np. wewnątrz metalu odbija fale ultradźwiękowe, a analiza echa ultradźwiękowego pozwala dokładnie zlokalizować miejsce pęknięcia. Na statkach (Ryc. 1) wykorzystuje się ultradźwięki w urządzeniach echolokacyjnych, za pomocą których bada się dno morza. Ryc. 1 Wiele zwierząt słyszy i wytwarza ultradźwięki w różnych zakresach częstotliwości. Słyszą je myszy i szczury, dlatego za pomocą ultradźwięków można je przepędzić z ogrodu, czy z domu. Słyszą je psy, dlatego niektórzy hodowcy używają gwizdków o bardzo wysokim natężeniu ultradźwięków w celu przywołania psa z dużej odległości. Delfiny natomiast wysyłają ultradźwięki, dzięki którym identyfikują otaczające je obiekty m. in. ryby. Odległość określają na podstawie czasu, jaki upływa między wysłaniem dźwięku i odbiorem jego echa. Ponieważ ryby słyszą tylko bardzo niskie dźwięki, nie reagują na sygnały wysyłane przez polujące na nie delfiny. Nie tylko delfiny wykształciły umiejętność echolokacji. Nietoperze (latające ssaki) także poruszają się dzięki temu, że posiadają ‒ 70 ‒ umiejętność ustalania położenia względem przedmiotów. Wydają one w locie ciągłą serię ultradźwięków (Ryc. 2) i dzięki echu są w stanie wyczuć i wyminąć każdą przeszkodę, nawet tak drobną jak jedwabna nić. Każdy nietoperz reaguje wyłącznie na echo własnych ultradźwięków i kieruje się tylko nim podczas nocnych lotów. Ryc. 2 ‒ 71 ‒ DLACZEGO W NOCY WSZYSTKIE KOTY SĄ CZARNE? Światło słoneczne i sztuczne oddziałuje na nasz zmysł wzroku i sprawia, że widzimy barwny świat. Oko jest jednym z najdoskonalszych instrumentów optycznych (Ryc. 1). Ryc. 1 Światło dostając się do oka przez przeźroczystą błonę, zwaną rogówką, załamuje się i trafia do źrenicy w tęczówce. Następnie światło przechodzi przez soczewkę, która tak je załamuje, aby pomniejszony i odwrócony obraz przedmiotu powstał na tylnej ścianie oka zwanej siatkówką. Stamtąd nerw wzrokowy „transportuje” powstały obraz do mózgu i odwraca go. Siatkówka pokryta jest pręcikami i czopkami, które odbierają fale świetlne. Za widzenie barw odpowiadają czopki, których największe zagęszczenie znajduje się w plamce żółtej i jej okolicy. Ssaki naczelne i wiewiórki ziemne są jedynymi ssakami, które mają trzy rodzaje czopków. Jedne czopki odbierają fale o niskiej częstotliwości (światło czerwone), inne fale o średniej częstotliwości (światło zielone), a jeszcze inne fale o dużej częstotliwości (światło niebieskie). Gdy natężenie światła jest za małe, to widzenie barw jest niemożliwe. Widzenie w ciemności umożliwiają pręciki, których najwięcej jest na obrzeżach siatkówki i to one reagują na jasność światła, dając obraz czarno-biały. Wiadomo, że w nocy wszystkie koty są czarne, a raczej w różnym stopniu szare, zależnie od natężenia światła. Widzenie pręcikowe nie umożliwia rozróżniania barw, pozwala jedynie na odbieranie ‒ 72 ‒ wrażenia różnych tonów szarych i czarnych. Do pobudzenia czopków niezbędne jest kilkadziesiąt tysięcy razy większe natężenie światła niż do pobudzenia pręcików. Barwa światła zależy od jego częstotliwości. Barwa czerwona ma najniższą częstotliwość, a barwa fioletowa ma najwyższą częstotliwość. Między nimi rozciąga się niezliczona ilość barw i odcieni, tworząc kolorowe widmo tęczy. Po zmieszaniu barwy te dają światło białe. Światło Słońca jest więc złożeniem wszystkich barw, co udowodnił w 1665 roku Newton, przepuszczając światło słoneczne przez pryzmat (Ryc.2). Ryc. 2 Barwnym światłem nazywamy światło wywołujące w oku wrażenie barwy. To w jakim kolorze je postrzegamy zależy zarówno od źródła jak i od ciała, które je odbija. Jeśli światło ze źródła trafia na ciało, to możliwe są trojakie tego skutki - po pierwsze: fale świetlne mogą zostać pochłonięte; po drugie: fale świetlne mogą zostać odbite nie ulegając zmianie; po trzecie, mogą przenikać przez ciało, jeżeli jest ono dla nich przeźroczyste. Zachowanie się fali świetlnej zależy zarówno od rodzaju promieniowania, jak i od właściwości ciała. Dlaczego trawa jest zielona? Gdy światło białe pada na kwiaty (Ryc. 3), wtedy fale o pewnych częstotliwościach są pochłaniane, a inne odbijane. ‒ 73 ‒ Ryc. 3 W świetle białym kwiat róży jest czerwony, a liście zielone, gdyż płatki róży odbijają czerwony składnik światła białego, a liście odbijają jego zielony składnik. Każda żywa komórka roślinna potrzebuje do życia energii. Zielone rośliny przy udziale chlorofilu wytwarzają z prostych, niskoenergetycznych substratów (dwutlenek węgla, woda) wysokoenergetyczne produkty (glukoza). Powyższy proces zwany fotosyntezą, może zachodzić tylko wtedy, gdy roślina pobiera energię promieniowania, ale o określonej częstotliwości. Z padającego na roślinę światła słonecznego, wybiera ona fale tylko o takich częstotliwościach, które są jej potrzebne do fotosyntezy, a odbija nieprzydatne do wegetacji światło zielone. Dlatego trawa i liście są zielone, ponieważ komórki zawierające chlorofil odbijają zbędne im światło zielone. Dlaczego jesienią liście zmieniają kolor? Wraz ze skracaniem się dnia coraz mniej światła dociera do roślin. Wskutek tego produkują one mniej chlorofilu, którego malejące stężenie powoduje, że znika również zielony kolor. Wychodzi wówczas na jaw, że w liściach oprócz chlorofilu znajdują się inne barwniki – karetonoidy. Związki te pochłaniając światło niebieskie i zielone, a odbijają żółte i czerwone, chronią roślinę przed nadmiarem energii słonecznej. Kolory te można podziwiać dopiero jesienią (Ryc. 4) bo duże stężenie chlorofilu maskuje obecność tych barwników. ‒ 74 ‒ Ryc. 4 Dlaczego niebo jest niebieskie? Atmosfera to zbiór atomów i cząsteczek, które zachowują się jak dzwonki, tyle że optyczne, i emitują fale elektromagnetyczne o częstotliwości, która pobudziła je do drgań. (Ryc. 5). Małe cząsteczki rozpraszają światło o wysokich częstotliwościach (podobnie jak małe dzwonki wydają wysokie dźwięki, czyli o wysokiej częstotliwości). Duże cząsteczki rozpraszają światło o niskich częstotliwościach (podobnie jak duże dzwony wydają niskie dźwięki, czyli o małej częstotliwości). Ryc. 5 Niebieski kolor nieba zmienia się w zależności od miejsca i warunków atmosferycznych (Ryc. 6). Najważniejszym z nich jest wilgotność powietrza. W suchy dzień niebo jest niebieskie ponieważ cząsteczki azotu i tlenu są małe i rozpraszają fale o wysokich częstotliwościach (niebieskie). Gdy w powietrzu jest dużo pyłu i cząsteczek wody, które są większe od cząsteczek azotu i tlenu, to silniej rozpraszane jest światło o większych ‒ 75 ‒ częstotliwościach. Suma rozproszeń światła pochodzących od małych i dużych cząsteczek powoduje, że niebo przyjmuje kolor niebieski z odcieniem bieli. Ryc. 6 Dlaczego zachodzące Słońce jest czerwone? Gdy światło słoneczne przechodzi przez atmosferę, to najbardziej są w niej rozpraszane fale o wysokich częstotliwościach (niebieskie), a fale o niskich częstotliwościach (czerwone) przechodzą dalej. W południe Słońce ma barwę żółtobiałą, a niebo jest niebieskie, bo światło przechodzi przez najcieńszą warstwę atmosfery. Podczas wschodu i zachodu Słońca światło ma do przejścia grubszą warstwę atmosfery, a więc więcej światła niebieskiego ulega rozproszeniu. Ubytek światła niebieskiego z widma światła białego powoduje, że Słońce wydaje się być coraz bardziej czerwone (Ryc. 7). Ryc. 7 ‒ 76 ‒ Ryc. 8 Obserwator znajdujący się w chwili wschodu albo zachodu Słońca w punkcie A lub C (Ryc. 8) odbiera wrażenie tylko światła czerwonego i żółtego, ponieważ promienie niebieskie zostały rozproszone, zanim do niego dotarły. Obserwator w punkcie B odbiera promieniowanie niebieskie. Niebo wydaje mu się niebieskie a Słońce niemal białe. Dlaczego chmury są białe? Chmury to zbiorowiska unoszących się w atmosferze cząstek w postaci różnej wielkości kropel wody i kryształków lodu. W zależności od wielkości składników chmury występują różnice w rozpraszaniu światła. Na dużych kroplach bądź kryształkach lodu rozprasza się światło o niskich częstotliwościach, a na kropelkach i kryształkach niewiele większych od cząsteczki wody, rozprasza się światło o wysokich częstotliwościach. Suma tych rozproszeń daje wrażenie białej chmury (Ryc. 9). Gdy chmury składają się z dużych kropel wody widzimy je jako szare, gdyż duże krople więcej światła pochłaniają niż rozpraszają. Ryc. 9 ‒ 77 ‒ Dlaczego woda jest turkusowa? Cząsteczki wody z padającego na nie światła słonecznego, pochłaniają fale podczerwone i niewielki zakres światła czerwonego. Im większa głębokość wody, tym bardziej osłabione dociera tam światło czerwone. Woda przybiera wówczas barwę dopełniającą czyli niebieskozieloną (turkusową) (Ryc. 10). Ryc. 10 Pochłanianie przez wodę światła czerwonego powoduje, że czerwone kraby na dużej głębokości mają kolor czarny. Gdy jakieś ciało w świetle słonecznym ma barwę czerwoną to znaczy, że z widma światła białego pochłania wszystkie częstotliwości fal, a odbija tylko światło czerwone. Wiemy już, że barwa czerwona nie dociera na duże głębokości morskie, a więc krab nie może jej odbić, natomiast pozostałe barwy pochłania co jest przyczyną wrażenia, że krab jest czarny. ‒ 78 ‒ ELEKTRYCZNOŚĆ WOKÓŁ NAS Wszystkie ciała materialne zbudowane są z atomów, które składają się z protonów, neutronów i elektronów. Ciała z reguły są elektrycznie obojętne tzn. mają tę samą liczbę protonów, co elektronów. Naruszenie tej równowagi może nastąpić w procesie elektryzowania, które w efekcie prowadzi do przenoszenia elektronów z jednego miejsca na drugie. Elektryzowanie może nastąpić przez kontakt (dotyk, pocieranie) lub przez zbliżenie ciał (indukcja elektrostatyczna). We wszystkich procesach elektryzowania spełniona jest zasada zachowania ładunku, czyli ładunek całkowity układu doświadczalnego nie zmienia się, mimo że ładunki poszczególnych ciał w układzie mogą ulec zmianie. Między naelektryzowanymi ciałami występują siły elektryczne: odpychające, jeśli ciała są naelektryzowane jednoimiennie i przyciągające, jeśli ciała są naelektryzowane różnoimiennie. Siły elektryczne, podobnie jak grawitacyjne, maleją odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości naładowanych ciał. Siły elektryczne zależą również wprost proporcjonalnie od iloczynu wartości ładunków tych ciał. Prawo to zostało odkryte w 1785 roku przez Charlesa Coulomba. Matematyczna postać prawa Coulomba jest bardzo podobna do prawa powszechnego ciążenia. F=k r – odległość między środkami naelektryzowanych ciał Q – ładunek danego ciała k – współczynnik proporcjonalności, który jest równy sile, jaką dwa ładunki o wartości 1 C [kulomba] przyciągają się lub odpychają z odległości 1m. Siła ta jest niezwykle duża i wynosi 9 000 000 000 N (jest to więcej niż waży okręt). Matematycznie stałą k zapisujemy: k = 9 ∙109 ‒ 79 ‒ . Na ładunek o wartości 1C składa się 6,26 ∙ 109 elektronów lub protonów. W naszym otoczeniu oczywiście ciała o tak dużym ładunku normalnie nie występują. Wartość ładunku jednego elektronu (lub protonu) wynosi 1,6 ∙ 10-19 C. Efekty elektryczne związane z tarciem towarzyszą nam na co dzień. Zdejmując wełniany sweter nie tylko słyszymy trzaski, ale możemy też zobaczyć małe iskierki. Podobny efekt zaobserwujemy pocierając nogami o dywan, po czym dotykając klamki od drzwi (wówczas poczujemy „kopnięcie”). W wymienionych przypadkach w wyniku pocierania ciał, nastąpiło przemieszczenie się części elektronów z jednego ciała do drugiego. Elektrony mogą się przenosić również podczas dotyku ciała naelektryzowanego z innym nienaładowanym ciałem. W wyniku takiego kontaktu, część elektronów przejdzie z ciała naładowanego do ciała obojętnego. Jeśli elektryzujemy metal, to elektrony swobodne rozchodzą się po całej jego powierzchni. Jeśli elektryzujemy izolator, to elektrony zostają w miejscu dotyku, ponieważ w izolatorach nie mogą swobodnie poruszać się pomiędzy atomami. Zbliżenie ciała naelektryzowanego do metalu powoduje przemieszczenie się elektronów swobodnych w obrębie metalu w taki sposób, że jedna jego część jest dodatnia, a druga ujemna (Ryc.1a, 1b). Całkowity ładunek ciała nadal pozostaje równy zero. Ryc. 1a Ryc. 1b Elektryzowanie przez indukcję nie ogranicza się tylko do przewodników. Zbliżenie ciała naelektryzowanego do izolatora spowoduje przesunięcie elektronów w obrębie atomów lub cząsteczek (izolator nie ma elektronów swobodnych). Mówimy, że atom lub cząsteczka zostaje spolaryzowany i tworzy dipol (Ryc. 2). Gdy zbliżymy do kartki naelektryzowane ciało, to wpłynie ono na spolaryzowanie i odpowiednie ustawienie się cząsteczek kartki (Ryc. 3). ‒ 80 ‒ Ryc. 3 Ryc.2 Zjawisko elektryzowania przez indukcję występuje podczas burzy. Najpierw w chmurach, w wyniku wzajemnego tarcia kryształków lodu, następuje jej naelektryzowanie. Dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza w chmurze, ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, a dodatnie w górnej. Dolna część chmury odpycha elektrony w głąb Ziemi, przez co obszar Ziemi pod chmurą, w wyniku indukcji, ładuje się dodatnio (Ryc. 4). Ostatecznie ładunek staje się tak skoncentrowany, że następuje jego przepływ między chmurą a Ziemią. Piorunowi często towarzyszy grom dźwiękowy oraz zjawisko świetlne, zwane błyskawicą. Napięcie elektryczne związane z uderzeniem pioruna wynosi około 50 milionów woltów, a natężenie powstającego prądu to około 30 tysięcy amperów, czyli moc wyładowania burzowego ma 1500 milionów kilowatów. Ponieważ przeciętne wyładowanie trwa około 100 mikrosekund, to energia elektryczna pioruna wynosi około 40 kilowatogodzin. Od wielu lat czynione są próby praktycznego wykorzystania energii piorunów, ale występowanie burz i ich przebieg nigdy nie jest przewidywalny. Ryc. 4 ‒ 81 ‒ Badaniem piorunów zajmował się Benjamin Franklin (jeden z 3 autorów Deklaracji Niepodległości USA). W 1752 roku przeprowadził słynne doświadczenie z latawcem. Latawiec sporządził z jedwabnej chustki, do której przymocował zaostrzony metalowy pręt. Pręt ten połączył sznurkiem z masywnym kluczem. W czasie burzy trzymał latawiec za przymocowaną do sznurka długą, jedwabną taśmę (trzymanie go bezpośrednio za sznurek groziłoby porażeniem). Gdy w pobliżu strzelił piorun, Franklin zaobserwował jak pomiędzy przymocowanym do mokrego sznurka kluczem, a zbliżoną do niego butelką lejdejską, przeskoczyła szeroka błękitna iskra. Tym samym potwierdził fakt, że elektryczność pioruna niczym nie różni się od iskry uzyskanej w maszynie elektrostatycznej. Odkrył on również, że rozładowanie elektryczne najłatwiej następuje na metalowych ostrzach. Odkrycie to pozwoliło mu na skonstruowanie pierwszego piorunochronu (odgromnika). Piorunochron to ostrze zainstalowane na dachu i połączone przewodem z ziemią. Podczas burzy na ostrzu w wyniku indukcji (Ryc. 4) gromadzą się ładunki dodatnie. Elektrony z powietrza neutralizują dodatni ładunek co w konsekwencji zabezpiecza budynek przed wyładowaniem między chmurą a budynkiem. Podstawowym zadaniem odgromnika jest więc niedopuszczenie do wyładowania. Jeśli jednak neutralizacja ładunku będzie za wolna i dojdzie do uderzenia pioruna, to trafi on w odgromnik i zostanie odprowadzony do ziemi. W takim przypadku budynek zostanie ochroniony, ale piorunochron ulegnie zniszczeniu. Jak zachować się podczas burzy, gdy znajdujemy się na otwartej przestrzeni? Najbezpieczniej jest schronić się w zagłębieniu terenu z dala od cieków czy zbiorników wodnych i kucnąć ze złączonymi nogami. Jeśli mamy plecak bez stelażu to usiąść na nim i odizolować się od podłoża przed wtórnym porażeniem od prądów powierzchniowych. Należy odrzucić od siebie metalowe przedmioty. Bardzo dobrymi miejscami na schronienie się są samochody czy wagoniki np. kolejki górskiej, gdyż pełnią one funkcję klatki Faradaya (Ryc. 5). Nie wolno jednak dotykać ich metalowych konstrukcji. Pole elektryczne w przeciwieństwie do pola grawitacyjnego można ekranować (odizolować) podobnie jak ekranuje się fale dźwiękowe na autostradach. Służy do tego klatka Faradaya, wymyślona i skonstruowana w 1836 roku przez Michaele Faradaya w celu demonstracji rozkładu ładunku na przewodniku. ‒ 82 ‒ Ryc. 5 Jeśli ciało metalowe ma kształt kulisty, to elektrony swobodne na skutek wzajemnego odpychania rozkładają się równomiernie na jego powierzchni. W każdym punkcie wnętrza kuli następuje wzajemne znoszenie się sił elektrostatycznych (Ryc. 6). Ryc. 6 Jeżeli przewodnik nie ma kształtu kulistego, to na jego powierzchni następuje nierównomierny rozkład ładunku (na ostrzach gromadzi się go najwięcej) (Ryc. 7). Ładunki rozmieszczają się tak, aby pole w całej objętości wynosiło zero. Tak więc jeśli tylko przez przewodnik nie płynie prąd, to niezależnie od tego jak silne pole elektryczne panuje na zewnątrz, wewnątrz przewodnika pole elektryczne zawsze wynosi zero. Ryc. 7 ‒ 83 ‒ Klatka Faradaya stanowi też ekran dla fal radiowych, ale tylko takich, których długość jest większa niż wielkość oczka w klatce. Dlatego samochód ze względu na to, że posiada okna, nie ekranuje fal ultrakrótkich, natomiast ekranuje fale średnie i długie. Z tego też powodu aby odbierać fale średnie i długie, należy na zewnątrz samochodu zamontować antenę. Istotnym czynnikiem wpływającym na samopoczucie człowieka jest jonizacja powietrza. Powietrze atmosferyczne nie jest gazem elektrycznie obojętnym. W powietrzu znajdują się nośniki ładunku elektrycznego, takie jak: jony dodatnie, jony ujemne oraz elektrony swobodne. Powstają one w procesie zwanym jonizacją, a zanikają w wyniku procesu przeciwnego, czyli rekombinacji. Zupełny brak jakichkolwiek jonów lub duża przewaga jonów dodatnich jest niekorzystna dla organizmu człowieka. Źródłem jonów ujemnych są przede wszystkim burze. Mniejszymi, ale stale działającymi jonizatorami są rośliny (szczególne właściwości wykazują paprocie, geranium, trawa) oraz naturalne zbiorniki wodne (zwłaszcza morza, ale także wodospady). Jony ujemne działają na układ nerwowy, hormonalny i funkcjonowanie narządów wewnętrznych. Zwiększają one aktywność biologiczną tlenu wywołując m.in. pogłębienie oddechów, obniżenie ciśnienia tętniczego krwi, poprawę samopoczucia, zwiększenie zdolności koncentracji, zmniejszenie uczucia bólu po zabiegach chirurgicznych oraz przyspieszenie gojenia się ran. Natomiast jony dodatnie działają niekorzystnie wywołując zaburzenia organizmu. Pod ich wpływem pogarsza się poziom wykonania zadań; wzrasta uczucie pesymizmu; pojawiają się: senność, bóle głowy, apatia. Coraz częściej elektroklimat naszych pomieszczeń jest niekorzystny. Otacza nas powietrze zjonizowane dodatnio pochodzące od monitorów, telewizorów, drukarek, tworzyw sztucznych. Wzrost jonizacji dodatniej powietrza prowadzi do tego, że gazy i aerozole łatwiej przenikają do dróg oddechowych. Kontakt kationów z naszym organizmem, powoduje pobieranie z niego elektronów, co zaburza równowagę elektryczną. Elektryzujące się tworzywa sztuczne przyciągają kurz, co pogarsza warunki higieniczne i zdrowotne (wywołuje alergie). Szczególnie dużą rolę elektryczność odgrywa w życiu ryb. Wśród gatunków posiadających zdolność wytwarzania prądu elektrycznego w celu obrony, ataku lub lokalizowania zdobyczy są tzw. „ryby elektryczne”. Należą do nich m.in. rekiny, płaszczki, piła zwyczajna, drętwa, jesiotry, sum i węgorz elektryczny. Ryby te posiadają zdolność ‒ 84 ‒ wytwarzania pola elektrycznego i odbierania jego zakłóceń dzięki elektroreceptorom. Pozwalają im one na stworzenie elektrycznego „obrazu” otoczenia (elektrolokacja), w którym widoczne mogą być wielkość, kształt i odległość obiektu oraz jego właściwości elektryczne Jedną z ciekawszych ryb elektrycznych jest rekin. Oprócz pięciu podstawowych zmysłów rekin posiada zmysł mechaniczny i zmysł elektryczny. Zmysł mechaniczny pozwala rejestrować drgania otaczającego środowiska, co w połączeniu z doskonałym słuchem pozwala mu reagować na każdy ruch, nawet ze znacznej odległości. Zmysł elektryczny jest narzędziem nawigacyjnym, który pozwala mu wykrywać słabe pola elektryczne, wytwarzane przez bijące serce, oddychające skrzela oraz poruszające się mięśnie potencjalnej ofiary. Za wskazówkę wystarczy mu nawet najsłabsze nawet pole elektryczne wytwarzane przez skórę ryby zagrzebanej głęboko w piasku. Zmysł elektryczny jest też niezwykle przydatnym i sprawnym narzędziem nawigacyjnym, dzięki któremu rekiny potrafią podczas swoich wędrówek precyzyjnie trafiać do miejsc oddalonych o setki kilometrów. Niektóre gatunki ryb elektrycznych są niebezpieczne dla człowieka. Należą do nich węgorz elektryczny (ryba słodkowodna żyjąca w dorzeczach Amazonki i Orinoko - Ryc. 8), sum elektryczny (ryba słodkowodna żyjąca w Nilu i w jeziorze Czad - Ryc. 9) i niektóre drętwy (ryby morskie żyjące w oceanach: Indyjskim, Atlantyckim i Spokojnym - Ryc. 10). Porażenie przez te ryby daje zwykle wrażenie bólu, może oszołomić, ale w skrajnych przypadkach może być śmiertelne. Największe osobniki węgorza elektrycznego są zdolne do wytworzenia prądu o napięciu 600 V i natężeniu 1 A, co może oszołomić nawet duże zwierzę kręgowe. Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Electrophorus_electricus_3.jpg Ryc. 8 Ryc. 9 Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Malapterurus_electricus_1.jpg ‒ 85 ‒ Źródło http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/Torpedo_torpedo_corsica3.jpg Ryc. 9 Już dwa tysiące lat temu Rzymianie wykorzystywali małe drętwy w celach leczniczych. Chorą osobę zawożono na plażę i układano bolącą część ciała na drętwie, która wytwarzając impuls elektryczny uśmierzała ból. W dzisiejszych czasach również wykorzystuje się prąd w celach leczniczych, czyli w tzw. elektroterapii. Pod wpływem prądu stałego zmienia się przepuszczalność błon granicznych w obrębie różnych tkanek: skóry, ścian naczyń i błon komórkowych. Następuje uwolnienie niektórych hormonów tkankowych, dochodzi do pobudzenia w skórze receptorów czuciowych (odczuwamy to jako mrowienie). Naczynia krwionośne ulegają rozszerzeniu, co zwiększa przepływ krwi i limfy dzięki czemu nasileniu ulegają procesy dyfuzji, osmozy i przemiany materii. Znajomość praw rządzących elektrycznością pozwala człowiekowi wykorzystać ją nie tylko w lecznictwie, ale i w technice. Wiele nowoczesnych urządzeń wykorzystuje fakt, że naładowane cząstki przyciągają lub odpychają się nawzajem. Np. w rozpylaczu cieczy kropelki rozpylanej substancji są naładowane jednoimiennie i odpychają się wzajemnie, tworząc bardziej rozpylony obłok. Podobnie pracują rozpylacze do malowania szczególnie siatek i innych ażurowych konstrukcji. Pistolet z farbą ładuje się np. ujemnie, a malowany przedmiot dodatnio, dzięki czemu farba sama trafia tam gdzie trzeba. Do usuwania zanieczyszczeń stosuje się filtry elektrostatyczne, w których cząstki są ładowane i przyciągane przez przeciwnie naładowane płyty. Tego typu filtry instaluje się na kominach fabrycznych, w elektrociepłowniach, kotłowniach itd. Elektryzowanie się ciał jest też często niepożądanym zjawiskiem. Kiedyś w drukarniach często wybuchały pożary z powodu elektryzowania się papieru przesuwanego na taśmie w czasie używania farby drukarskiej. Obecnie stosuje się technologię drukowania ‒ 86 ‒ mokrego, w której wałki drukarskie zwilża się wodą w miejscach, gdzie nie ma być farby. W celu zmniejszenia elektryzowania się tkanin stosujemy płyny antyelektrostatyczne. ‒ 87 ‒ MAGNETYZM WOKÓŁ NAS Ziemia jest olbrzymim magnesem, wytwarzającym własne pole magnetyczne, którego kształt jest analogiczny do pola magnetycznego magnesu sztabkowego (Ryc. 1). Bieguny magnetyczne Ziemi nie pokrywają się z jej biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun południowy znajduje się w kanadyjskim rejonie Arktyki, około1600 km od bieguna geograficznego północnego, a magnetyczny biegun północny leży na Antarktydzie, na Ziemi Adeli, około 2400 km od bieguna geograficznego południowego. Źródło: http://pl.wikipedia.org Ryc. 1 Ziemia nie jest jednak kawałkiem namagnesowanego żelaza, więc skąd się bierze jej pole magnetyczne? Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech podstawowych warstw (Ryc. 2): stałego jądra wewnętrznego, zbudowanego z niemal czystego żelaza; płynnego jądra zewnętrznego również składającego się głównie z żelaza; skalistego płaszcza cienkiej skorupy obejmującej kontynenty i dna oceanów. Źródłem pola magnetycznego Ziemi są prądy (płynny przewodnik – żelazo), które płyną w zewnętrznym jądrze naszej planety (podobnie pole magnetyczne powstaje wokół przewodnika z prądem). Źródłem energii niezbędnej do wprawienia płynnego przewodnika w ruch są: ‒ 88 ‒ a) ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego, które powodują powstawanie prądów konwekcyjnych (w pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze, a schłodzone żelazo stając się gęstsze od otoczenia spływa z powrotem; b) rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi (na płynne żelazo działa siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza). Ryc. 2 Na podstawie namagnesowania starych skał i minerałów, naukowcy stwierdzili, że pole magnetyczne Ziemi zmieniało się na przestrzeni wieków w nieregularnych odstępach. Bieguny ziemskiego pola magnetycznego zamieniały się miejscami - południowy przechodził na miejsce północnego i na odwrót. Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło ok. 780 tys. lat temu. Obecnie naukowcy przypuszczają, że to właśnie zmiana pola magnetycznego Ziemi była powodem wymarcia m.in. dinozaurów. Prawdopodobnie zmiana pola magnetycznego Ziemi występuje wraz ze zmianą jej pola grawitacyjnego. Przyczyn zmian ziemskiego pola grawitacyjnego naukowcy upatrują w: a) ruchu gigantycznych mas wody, jaki dokonuje się za sprawą prądów morskich (wraz z przemieszczaniem się wody słodkiej i słonej zmienia się rozkład mas na naszej planecie); b) efekcie cieplarnianym, który powoduje, że wzrost średniej temperatury atmosfery i wywołuje topnienie lodowców ( północna Kanada i Półwysep Skandynawski uwolnione od części lodu zaczynają się wynurzać co wpływa na kształt pola grawitacyjnego). ‒ 89 ‒ Odkryto, że od lat osiemdziesiątych powstają nowe anomalne obszary, na przykład pod wschodnim wybrzeżem Ameryki Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów (Ryc. 3). Pole magnetyczne Ziemi między odwróceniami. Pole magnetyczne Ziemi podczas odwracania Źródło: http://science.nasa.gov Ryc. 3 Od 1831 roku prowadzone są obserwacje położenia biegunów magnetycznych. Wynika z nich, że biegun południowy magnetyczny „wędrował” po Ameryce Północnej z prędkością 10km/rok (Ryc. 4). Obecnie pole magnetyczne przyspieszyło i obraca się w kierunku Syberii z prędkością dochodzącą nawet do 59 km/rok. Zaobserwowano również zmniejszenie się natężenia ziemskiego pola magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów wykonywanych w XIX wieku. Od czasu ostatniego przebiegunowania takie osłabienia i wzmocnienia pola magnetycznego występowały jednak już wielokrotnie (Ryc. 5). ‒ 90 ‒ Źródło: http://science.nasa.gov Ryc. 4 Zmiany położenia południowego bieguna magnetycznego na terytorium Arktyki kanadyjskiej w latach 1831 - 2001. (Geological Survey of Canada) Ryc. 5 Źródło: http://science.nasa.gov Przebiegunowania w ostatnich 5 mln lat – obszary zaczernione to okresy, w których biegunowość była taka jak obecnie. Pole magnetyczne Ziemi stanowi naturalną tarczę ochronną naszej ekosfery przed zabójczymi skutkami promieniowania kosmicznego. Brak tego pola lub jego znaczące zmniejszenie mogło by mieć katastrofalne skutki dla naszej cywilizacji. Promieniowanie kosmiczne wywołuje bowiem zmiany w kodzie genetycznym komórek oraz prowadzi do utraty jej zdolności reprodukcyjnych. Wszechświat jest przepełniony promieniowaniem kosmicznym, na które składają się głównie protony i jądra atomowe. Niezależnie od swego pochodzenia, cząstki te pędzą z olbrzymimi prędkościami i stanowią poważne niebezpieczeństwo dla życia na Ziemi. Na szczęście większość tych cząstek jest odchylana ‒ 91 ‒ przez pole magnetyczne Ziemi (magnetosferę), część z nich zostaje wychwycona i uwieziona w tzw. pasach radiacyjnych Van Allena (Ryc. 6) i nie dociera do powierzchni Ziemi. Ryc. 6 Pasy radiacyjne składają się z dwóch pierścieni: wewnętrznego, w skład którego wchodzą głównie protony oraz zewnętrznego, w skład którego wchodzą elektrony. Większość tych wysokoenergetycznych cząstek, złapanych w pułapkę przez pole magnetyczne Ziemi, pochodzi prawdopodobnie ze Słońca. W czasie burz słonecznych wyrzucane są wielkie ilości naładowanych cząstek o wysokiej energii (Ryc. 7). Źródło: NASA Ryc. 7 Cząstki te tworzą tzw. wiatr słoneczny, który uderza w magnetosferę i zaburza wartość pola magnetycznego (Ryc. 8). ‒ 92 ‒ Źródło: http://sec.gsfc.nasa.gov Ryc. 8 Magnetosfera ziemska odchyla tory ruchu wielu cząstek. Część z nich dociera jednak do powierzchni Ziemi. Najsilniejsze bombardowanie Ziemi naładowanymi cząsteczkami występuje w pobliżu biegunów. W tych obszarach cząstki nie poruszają się w poprzek pola, lecz wzdłuż pola (Ryc. 9) i dlatego ich tory nie są zakrzywiane. Ryc. 9 Źródło: NASA Wysokoenergetyczne cząsteczki wpadając w atmosferę ziemską, wywołują najbardziej widowiskowe zjawisko zwane zorzą polarną. Zjawisko to powstaje w jonosferze najczęściej na wysokości 100 – 150 kilometrów. Wyrzucane przez Słońce elektrony i protony zderzają się z obecnymi w ziemskiej atmosferze cząsteczkami azotu i tlenu. W wyniku tego zderzenia oba pierwiastki zostają wzbudzone i wypromieniowują energię w postaci światła. Tlen „świeci” w kolorze zielonym i różowym, azot w kolorze purpurowym i niebieskim. ‒ 93 ‒ Czasem obserwowany jest kolor żółty, który powstaje na skutek mieszania barw zielonej i czerwonej. Zorza polarna występuje głównie za kołem podbiegunowym. Cztery poniższe zdjęcia (Ryc. 10) opublikowane przez NASA, przedstawiają zorzę polarną widzianą z kosmosu. Źródło: NASA Ryc. 10 W sprzyjających warunkach, zorza polarna bywa widoczna nawet w okolicach 50-go równoleżnika. Poniższe zdjęcia (Ryc. 11), przedstawiają zorzę polarna widzianą w Polsce 17.03.2013 roku na Pomorzu i Podlasiu. Źródło: http://wiadomosci.wp.pl/ Źródło: http://www.twojapogoda.pl/ Ryc. 11 ‒ 94 ‒ Wszystkie organizmy żyjące na Ziemi podlegają działaniu ziemskiego pola magnetycznego. Przeprowadzone badania naukowe pokazują, że zmniejszenie pola magnetycznego powoduje między innymi u bakterii azotowych rozrost komórek bez otoczki do olbrzymich rozmiarów, u pałeczek E.coli i salmonelli szybszy wzrost, u pałeczek zapalenia płuc zwiększoną intensywność rozmnażania, a u gronkowców zwiększoną odporność na działanie antybiotyków. W przypadku potomstwa myszy zauważono szybsze starzenie się, utratę zdolności reprodukcyjnych, przedwczesną śmiertelność, zmiany torbielowate nerek, macicy i jajników oraz zjawisko uzłośliwiania nowotworów. U królików zaobserwowano zmiany w leukocytach, zwiększoną śmiertelność i zaburzenia wzrostu. Już pierwsze loty kosmiczne pokazały, że brak naturalnego pola magnetycznego Ziemi powoduje u kosmonautów: bezsenność, wyczerpanie, depresję i osteoporozę. W związku z tym w kombinezonach astronautów jak i na statkach kosmicznych stosuje się lekkie ale mocne magnesy. Syndrom osłabienia wpływu pola magnetycznego Ziemi na człowieka jest jedną z chorób cywilizacji. Czynnikami, które zakłócają pole magnetyczne Ziemi są m.in.: długie przebywanie w samochodzie, samolocie, żelbetonowym budynku, w pobliżu urządzeń emitujących zmienne pole magnetyczne (monitory komputerów, telefony komórkowe, odbiorniki radiowe i telewizyjne itd.). Wrodzoną czułość na działanie ziemskiego pola magnetycznego wykazują zwierzęta migracyjne m.in. ptaki, ryby, walenie, żółwie, pszczoły. Posiadają one magnetoreceptory, pełniące funkcje biologicznych kompasów, które umożliwiają im orientację w przestrzeni. W czaszkach gołębi wykryto wielodomenowe magnesy magnetytowe, które są połączone z wieloma nerwami mózgowymi. Dzięki nim gołębie mają zmysł magnetyczny, który nie tylko pozwala im na postrzeganie poziomego kierunku pola magnetycznego, ale umożliwia im także odróżnianie szerokości geograficznej. Wrodzoną czułość na działanie pola magnetycznego posiada również człowiek. W jego kościach sitowych i szyszynce także występują magnetoreceptory. Również w mózgu człowieka wykryto ponad 10000 magnetycznych kryształków (jednodomenowe kryształki odkryto także w bakteriach). Organizm ludzki podobnie więc jak bakterie, gołębie czy pszczoły posiada zmysł magnetyczny (biomagnetyzm). ‒ 95 ‒ Regeneracyjne i lecznicze działanie pola magnetycznego znane było już ponad 2000 lat temu. Początki wykorzystania magnesów sięgają czasów egipskich, Kleopatra używała ich aby przedłużyć swoją młodość. W Chinach ruda magnetytu nazywana była kamieniem zdrowotnym. W Grecji wyrabiano z rudy magnesy, które określano jako kamienie życia. Paracelsus niemiecki lekarz (1493–1541) używał magnesów do leczenia niektórych schorzeń. Przypisywał magnesom dobroczynny wpływ na psychikę i twierdził, że łagodzą trudności z zasypianiem. Najnowsze badania naukowe pozwalają wykorzystać zmienne pole magnetyczne o niskiej częstotliwości, w medycynie (Ryc. 12). Magnetoterapia wspomaga działanie leków, zwiększa dokrwienie i dotlenienie tkanek, powoduje regenerację komórek i przyspiesza procesy gojenia w stanach pourazowych, obniża ciśnienie krwi, regeneruje błony komórkowe zwiększając ich przepuszczalność, regeneruje i wzmacnia chrząstki stawowe zmniejszając bolesność stawów, harmonizuje wegetatywny system nerwowy, wzmacnia system immunologiczny. Wielką zaletą pola magnetycznego jest jego przenikalność, pole magnetyczne przechodzi przez cały organizm wpływając na wszystkie rodzaje tkanek. Ryc.12 Za pomocą pola magnetycznego bada się również skład chemiczny materii, metoda ta nosi nazwę metody rezonansu magnetycznego. Ma ona bardzo szerokie zastosowanie m.in. w medycynie, do diagnostyki wielu chorób (Ryc. 13) oraz w technice, w różnego typu czujnikach. ‒ 96 ‒ Źródło: http://4wsk.pl/pl/radiologia/wyposazenie.html: Ryc. 13 Pomiary pola magnetycznego są wykorzystywane w badaniach kosmosu. Dzięki badaniom magnetosfery Saturna na jednym z jego księżyców – Enceladusie, odkryto po raz pierwszy w kosmosie wodę w stanie ciekłym. Ogromne znaczenie ma zastosowanie pola magnetycznego w technice. Stosuje się je we wszystkich typach silników elektrycznych. W twardych dyskach komputerów dzięki wykorzystaniu materiałów magnetycznych można zapisać setki gigabajtów na powierzchni dysku o średnicy 2,5 cala (patrz zamiana jednostek rozdział „Pomiary”). Badanie anomalii w ziemskim polu magnetycznym pozwala na wstępną lokalizację obszarów, w których mogą występować złoża ropy naftowej. W skorupie ziemskiej tam, gdzie występują złoża ropy czy gazu ziemnego, nie ma namagnesowanych skał, co jest przyczyną odpowiednio zmniejszonego ziemskiego pola magnetycznego (blisko 10% ziemskiego pola magnetycznego pochodzi od namagnesowanych skał). Wojsko natomiast wykorzystuje czujniki pola magnetycznego do wykrywania łodzi podwodnych. Ponieważ łodzie podwodne są w większości zbudowane ze stali, która jest ferromagnetykiem, to w pewnym obszarze wokół nich dochodzi do zaburzeń ziemskiego pola magnetycznego. Dzięki porównaniu mierzonego pola magnetycznego z ziemskim polem magnetycznym naniesionym na mapę magnetyczną, można wykryć łódź nawet wtedy, kiedy leży ona nieruchomo na dnie morza. ‒ 97 ‒ TWORZENIE WYKRESÓW W PROGRAMIE MICROSOFT OFFICE EXCEL W celu wygenerowania raportu trzeba otworzyć narzędzie Excel. Klikamy dwukrotnie na ikonę: znajdującą się na Pulpicie komputera, lub wybieramy z menu „Start” Wszystkie programy Microsoft Office Microsoft Office Excel. MODUŁ A: Wpisywanie danych do Excela 1) Klikamy Lewym Przyciskiem Myszy (LPM) w pierwszą pustą komórkę A1: 2) Wpisujemy pierwszy nagłówek kolumny: 3) Naciskamy ENTER – automatycznie aktywna została komórka poniżej A2: 4) Wpisujemy pierwszą daną: : 5) Klikamy ENTER – wypisujemy w analogiczny sposób pozostałe dane, w ten sposób tworząc połowę tabeli: ‒ 98 ‒ 6) Postępując zgodnie z krokami 1-5 tworzymy drugą część tabeli potrzebnej nam do stworzenia wykresu: Korzystając z tak przygotowanej tabeli możemy utworzyć wykres „Zależności przebytej drogi mierzonej w metrach przez ciało od czasu mierzonego w sekundach”. MODUŁ B: Tworzenie wykresu na podstawie wpisanych danych 1) Klikamy LPM w pierwszą komórkę A1, trzymając przycisk wciśnięty przesuwamy myszką jednocześnie zaznaczając cały zakres – następnie puszczamy przycisk: 2)W górnym Pasku Narzędzi wybieramy: Wstaw Wykres.. ‒ 99 ‒ 3) Po kliknięciu pojawia się nowe okno „Kreator wykresów – Krok 1z 4 – Typ wykresu”, wybieramy „XY (Punktowy)” i podtyp wykresu widoczny na poniższym rysunku: Klikamy „Dalej >” 4) Otwiera się kolejne okno „…krok 2 z 4…” ‒ 100 ‒ Zakres danych: Zakładka Serie: W tym kroku można inaczej pogrupować dane na wykresie wybierając opcję Kolumny lub Wiersze. Zaznaczona opcja Kolumny - dane na wykresie są pogrupowane według nazw z wiersza pierwszego. Na tej zakładce można samodzielnie zdefiniować nazwy serii w polu zaznaczonym kolorem czerwonym (w przykładowym zadaniu posiadamy jedną serię – nazwa wypełniła się automatycznie). Można również dokonać poprawy wybranych wartości na osi X oraz na osi Y w polach zaznaczonych kolorem zielonym. Klikamy „Dalej >” ‒ 101 ‒ 5) Kolejne okno to krok 3: Tytuły: Na tej zakładce można zmieniać liczbę linii siatki, czyli pomocniczych linii ułatwiających odczytywanie wykresu. Możliwe jest również całkowite wyłączenie linii siatki. Legenda: Na tej zakładce można dokonać zmiany Tytułu wykresu oraz opisać osie. Niektóre opcje są nieaktywne ponieważ został wybrany płaski podtyp wykresu. Osie: Umożliwia zmianę położenia legendy na wykresie. Kliknięcie opcji Pokazuj legendę ukrywa legendę na wykresie Można wyłączyć widoczność etykiet na osi X i Y. Linie siatki: Etykiety danych: Na tej zakładce można włączyć widoczność danych na wykresie – w poszczególnych punktach mogą wyświetlać się wartości X oraz / i Y. ‒ 102 ‒ Klikamy „Dalej >” 6) Okno „…Krok 4 z 4…” W tym kroku można wybrać miejsce, w którym ma zostać wygenerowany wykres – czy będzie to nowy Arkusz czy ma zostać stworzony w Arkuszu bieżącym lub innym wskazanym przez nas. Klikamy „Zakończ” Wygenerował się wykres: ‒ 103 ‒ MODUŁ C: Modyfikacja wykresu 1) Modyfikacja obszaru wykresu. Zaznaczmy wykres LPM następnie klikamy Prawy Przycisk Myszy (PPM) wyświetla się menu podręczne: Opcja „Formatuj..” daje nam możliwość zmiany koloru tła oraz zmianę stylu czcionki na wykresie. Wybierając, którąś z tych opcji możemy zmienić ustawienia, które wybieraliśmy i uzupełnialiśmy podczas tworzenia wykresu. 2) Modyfikacja Obszaru kreślenia. Najeżdżamy na „szary” obszar na wykresie i klikamy PPM. Pojawia się podręczne menu z takimi samymi możliwościami jak poprzednio: ‒ 104 ‒ 3) Modyfikacja Osi (X) / Osi (Y). Najeżdżamy na wybraną Oś i klikamy PPM. Z podręcznego menu Desenie: wybieramy „Formatuj osie…”: przecięcia osi. Zaznaczenie opcji: Wartości w kolejności odwrotnej spowodują odwrócenie wartości na wykresie. Można również wyświetlić wybraną jednostkę na osi – Excel sam automatycznie dokona przeliczenia na daną wielkość. Czcionka: Umożliwia zmianę wielkości oraz stylu czcionki. Liczby: Na tej zakładce można dokonać zmiany widoczności poszczególnych osi oraz zmienić typ znacznika. Skala: Zakładka Liczby może posłużyć do formatowania liczb na osi wartości poprzez wybranie dostępnych formatów lub napisanie własnych. Na zakładce Skala można ustalić wartości typu: minimum, maksimum, jednostka główna i pomocnicza oraz punkt ‒ 105 ‒ Przedstawianie wyników pomiarów w formie wykresów. Zad.1 Uzupełnij poniższą tabelę pomiarami wykonanymi podczas lekcji „Ciężar ciała, jego jednostka i pomiar” i na jej podstawie sporządź wykres Fc(m) zależności ciężaru Fc od masy ciała m. Odczytaj z wykresu jaki jest ciężar ciała o masie 250g. Lp. Masa Ciężar Arkusz 1 m[kg] Fc [N] 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 Zad.2 Uczniowie pewnej klasy mierzyli objętość jednego, trzech i pięciu odważników 50gramowych wykonanych z tej samej substancji z dokładnością ∆V = 0,1cm3. Wyniki zapisali w tabeli. Na jej podstawie wykonaj wykres m(V) zależności masy m od objętości V odważników. Czy masa i objętość są do siebie wprost proporcjonalne? Odpowiedź uzasadnij. Korzystając z tabeli gęstości odpowiedz z jakiej substancji prawdopodobnie wykonano odważniki. Korzystając z wykresu m(V) odpowiedz jaka byłaby objętość czterech takich odważników. Liczba Masa Objętość odważników m [g] V [cm3] 1 50 6,3 3 150 19 5 250 31,8 Zad. 3 Na podłodze ułożono stos 6 płytek ceramicznych o ciężarze 0,3N każda. Ciśnienie jednej płytki na podłogę wynosi 7,5 Pa. 106 a) uzupełnij poniższą tabelę; b) sporządź wykres p(Fc) zależności ciśnienia p od ciężaru Fc płytek; c) czy ciśnienie i ciężar są do siebie wprost proporcjonalne? odpowiedź uzasadnij; d) oblicz masę jednej płytki; e) oblicz powierzchnię jednej płytki. Liczba Ciężar Ciśnienie płytek Fc [N] 1 0,3 p [Pa] 7,5 2 3 4 5 6 Badanie ruchu jednostajnego prostoliniowego. Zad.1 Do symulacji „Badanie ruchów” ze strony http://www.walter-fendt.de/ph14pl/ a) W ramkach: współrzędna przyspieszenia i położenie początkowe wpisz 0. b) W ramce współrzędna prędkości początkowej wpisz dowolną wartość np. 10m/s c) Ustaw zielony słupek pomiarowy na xz=0m, a czerwony słupek na xcz=10m. Uruchom symulację. Zegar w czerwonej ramce pokaże czas, jaki upłynął od początku ruchu samochodu do chwili mijania czerwonego słupka pomiarowego. Zanotuj go w tabeli. d) Przywróć stan początkowy. Nie zmieniając położenia początkowego i początkowej prędkości samochodu, ustawiaj czerwony słupek pomiarowy np. co 10m i odczytuj na czerwonym zegarze odpowiednie czasy oraz zapisuj je w tabeli. e) Na podstawie tabeli, sporządź wykres x(t) zależności przebytej drogi x przez samochód od czasu jej przebycia t. f) Czy droga przebyta przez samochód zależy wprost proporcjonalnie od czasu? Odpowiedź uzasadnij. 107 g) Z wykresu x(t) odczytaj jaką drogę przebył samochód w czasie 3,5s. Tabela pomiarów. Lp. droga przebyta czas odczytany do czerwonego słupka na czerwonym zegarze xcz [m] tcz [s] 1 2 3 4 5 Arkusz 2 Szybkość ciała w ruchu jednostajnym prostoliniowym. Zad.1 Na poprzedniej lekcji badałeś ruch jednostajny prostoliniowy za pomocą symulacji „Badanie ruchów” ze strony http://www.walter-fendt.de/ph14pl/ . a) Wpisz w tabelę wyniki uzyskane podczas pomiarów i uzupełnij tabelę obliczając iloraz drogi do czasu w każdym przypadku. b) Na podstawie tabeli, sporządź wykres v(t) zależności szybkości v od czasu t. c) Czy szybkość zależy wprost proporcjonalnie od czasu? Odpowiedź uzasadnij. Tabela pomiarów. Lp. droga przebyta czas odczytany =v do czerwonego słupka na czerwonym zegarze [ ] xcz [m] tcz [s] 1 2 3 4 5 Arkusz 3 d) Oblicz drogę przebytą przez samochód w czasie 0,75 całkowitego czasu trwania ruchu. Do obliczeń drogi wykorzystaj pole pod wykresem v(t). e) Oblicz drogę przebytą przez samochód w trzeciej sekundzie ruchu. Do obliczeń drogi wykorzystaj pole pod wykresem v(t). 108 Zad.2 Na podstawie danych w tabeli narysuj wykres s(t) zależności drogi s od czasu t w ruchu jednostajnym prostoliniowym pewnego ciała. Uzupełnij tabelę obliczając wartość prędkości ciała w tym ruchu oraz narysuj wykres v(t) zależności szybkości v od czasu t. t [s] s [m] v [m/s] 0 0 - 2 1 4 2 6 3 8 4 10 5 12 6 14 7 Na podstawie sporządzonego wykresu v(t), oblicz drogę przebytą przez ciało między czwartą a dziesiątą sekundą ruchu (do obliczeń wykorzystaj pole pod wykresem). Badanie ruchu jednostajnie przyspieszonego. Zad.1 Do symulacji „Badanie ruchów” ze strony http://www.walter-fendt.de/ph14pl/ a) W ramkach: współrzędna przyspieszenia wpisz 2 (nie przejmuj się na razie, że nie wiesz co ta wielkość oznacza), natomiast w ramkach: położenie początkowe i współrzędna prędkości początkowej, wpisz 0. b) Ustaw zielony słupek pomiarowy na x=1m, a czerwony słupek na x=4m. Uruchom symulację. Zegary w zielonej i czerwonej ramce pokażą czasy, które upłynęły od początku ruchu samochodu do chwili mijania zielonego i czerwonego słupka pomiarowego. Zanotuj te czasy w tabeli. c) Przywróć stan początkowy. Nie zmieniając wartości: współrzędnej przyspieszenia, położenia początkowego i początkowej prędkości samochodu, ustaw zielony i czerwony słupek pomiarowy na kolejnych wartościach x podanych w tabeli. Odczytane na zegarach odpowiednie czasy zapisuj w tabeli (pamiętaj, że obserwujesz za każdym razem ten sam ruch samochodu, ale w innych miejscach stawiasz słupki pomiarowe). d) Uzupełnij tabelę obliczając: przyrosty drogi ∆x przyrosty czasu ∆t szybkości chwilowe samochodu, dzieląc przyrosty drogi ∆x przez przyrosty czasu ∆t e) Na podstawie tabeli wyciągnij wnioski dotyczące ruchu samochodu. f) Na podstawie tabeli, sporządź wykres x(t) zależności przebytej drogi x przez samochód od czasu jej przebycia t. g) Czy droga przebyta przez samochód zależy wprost proporcjonalnie od czasu? Odpowiedź uzasadnij. 109 h) Z wykresu x(t) odczytaj jaką drogę przebył samochód w czasie 4,5s. i) Na podstawie tabeli, sporządź wykres v(t) zależności szybkości v od czasu t. j) Jak zależy szybkość od czasu w tym ruchu. Arkusz 4 Tabela pomiarów. nr pomiaru x [m] ∆x [m] 1 2 3 4 5 6 7 0 1 4 9 16 25 36 - ∆t [s] t [s] Vch = - [ ] - Przyspieszenie ciał w ruchu prostoliniowym jednostajnie przyspieszonym. Zad.1 Na poprzedniej lekcji badałeś ruch jednostajnie przyspieszony za pomocą symulacji „Badanie ruchów” ze strony http://www.walter-fendt.de/ph14pl/ . a) Wpisz w tabelę wyniki uzyskane podczas pomiarów i uzupełnij tabelę obliczając: przyrosty szybkości ∆v ilorazy przyrostów szybkości ∆v do przyrostów czasu ∆t Tabela pomiarów nr pomiaru x [m] ∆x [m] ∆t [s] t [s] Vch = ∆v [ ] [ ] 1 0 2 1 3 4 4 9 5 16 6 25 7 36 b) Na podstawie tabeli, sporządź wykres a(t) zależności przyspieszenia a od czasu t. 110 - Arkusz 5 c) Czy przyspieszenie zależy wprost proporcjonalnie od czasu? Odpowiedź uzasadnij. d) Oblicz przyrost szybkości ∆v samochodu między drugą a piątą sekundą ruchu. Do obliczeń ∆v wykorzystaj pole pod wykresem a(t). Swobodny spadek ciał. Zad.1 Do symulacji „Ruch pocisku” ze strony http://www.walter-fendt.de/ph14pl/ a) W ramkach wpisz: szybkość początkowa 0 m/s; kąt nachylenia 90 st.; masa np.1 kg; wysokość początkowa np. 5m b) Włącz symulację i odczytaj czas swobodnego spadku, wynik zapisz w tabeli. c) Przywróć stan początkowy. Nie zmieniając szybkości początkowej, kąta nachylenia i masy, zwiększ wysokość np. na 10m. Zmierz czas i zapisz wynik pomiaru w tabeli. d) Powtórz pomiary dla kolejnych wysokości zwiększając je np. co 5m. e) Uzupełnij tabelę pomiarów obliczając przyspieszenie z jakim odbywał się swobodny spadek. f) Na podstawie tabeli wyciągnij wniosek dotyczący przyspieszenia z jakim spadają swobodnie ciała na Ziemię. g) Uzupełnij tabelę obliczając szybkość z jaką uderza ciało w ziemię. h) Na podstawie tabeli sporządź wykres v(t) zależności szybkości v z jaką spada ciało od czasu jego spadku t. i) Na podstawie tabeli sporządź wykres h(t) zależności wysokości h z jakiej spada ciało od czasu jego spadku t. j) Na podstawie wykresów h(t), v(t) i obliczonego przyspieszenia, określ jakim ruchem porusza się ciało spadające swobodnie. 111 Arkusz 6 Tabela pomiarów Lp. wysokość h [m] 1 2 3 4 5 6 czas t [s] Szybkość końcowa v = a∙t [ ] przyspieszenie a= [ ] 5 10 15 20 25 30 Praca mechaniczna. Zad.1 Podczas wykonywania pracy przez ciało, kierunek siły był zgodny z przesunięciem, a jej wartość zmieniała się w zależności od kolejnego przesunięcia ∆s jak pokazuje tabela. Narysuj wykres F(s) zależności siły F od drogi s. Oblicz całkowitą pracę wykonaną przez ciało wykorzystując pole pod wykresem. Arkusz 7 Tabela do zad.1 Lp. siła F [N] przesunięcie droga s [m] ∆s [m] 1 2 1 1 2 1 2 3 3 6 2 5 4 2 2 7 5 3 1 8 Zad.2 W tabeli przedstawiono pomiary zależności wydłużenia L taśmy gumowej od działającej siły F. Na podstawie tabeli sporządź wykres L (F) zależności wydłużenia L od siły F. Korzystając z pola pod wykresem oblicz jaką pracę wykonano wydłużając taśmę o 5 cm?. Jaką pracę wykonano by wydłużając tę taśmę o 10 cm? Zakładamy, że wydłużenie ma charakter sprężysty i taśma nie ulegnie zerwaniu. Tabela do zad.2 112 wydłużenie L [cm] siła F [N] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Moc. Zad.1 W tabeli przedstawiono zależność mocy P silnika samochodowego od czasu ∆t, czasu jego działania przy różnych biegach I, II, III. Sporządź wykres P(t) zależności mocy P silnika od czasu jego działania t. Wykorzystując pole pod wykresem P(t) oblicz jak dużą pracę wykonał silnik w czasie 25 sekund. Arkusz 8 Tabela do zad.1 moc czas działania silnika czas działania silnika P [kW] na danym biegu t [s] ∆t [s] 60 5 5 40 5 10 20 15 25 Zad.2 Mierzono zależność pracy od czasu dla pewnego urządzenia. Wyniki pomiarów zanotowano w tabeli. Sporządź wykres W(t) zależności pracy W tego urządzenia od czasu jego działania t. Czy praca W i czas t są do siebie wprost proporcjonalne? Odpowiedź uzasadnij. Jaka pracę wykona to urządzenie w czasie 16 godzin? Oblicz moc tego urządzenia? Czy moc tego urządzenia zmienia się w czasie? Odpowiedź uzasadnij. Tabela do zad.2 praca 1 2 3 W [kwh] czas 4 8 12 t [h] 113 DOMOWE LABORATORIUM Doświadczenie 1 Cel: doświadczalne potwierdzenie istnienia ciśnienia atmosferycznego. Materiały: jedna lub dwie świeczki, głęboki talerz, przezroczysty wazon (lub wysoka szklanka), barwnik, woda, zapałki. Wykonanie: Obciąć świeczki, tak aby ich długość była mniejsza od długości wazonu. Przymocować je do talerza i nalać zabarwionej wody (zabarwienie ułatwia obserwacje zjawiska). Zapalić świeczki i nakryć je wazonem. Wyjaśnić zachowanie się wody w wazonie (zdj. 1). zdj. 1 Doświadczenie 2 Cel: badanie wpływu oleju na własności włoskowate papieru. Materiały: trzy szklane talerzyki, zabarwiona woda, papier toaletowy lub bibuła, olej (np. słonecznikowy). Wykonanie: Jeden z talerzyków napełnić zabarwioną wodą (zabarwienie ułatwia obserwację zjawiska), pozostałe dwa ustawić obok w szeregu. Podwójne listki papieru toaletowego zwinąć w rulony i tak umieścić, aby połączyły one talerzyki ze sobą. W celu przyspieszenia eksperymentu delikatnie zwilżyć czystą wodą końce papieru i włożyć je do talerzyków. Na środku jednego z 114 rulonów umieścić kroplę oleju. W ten sposób zostaną utworzone dwa mosty pomiędzy naczyniami (zdj. 2). Obserwować zachowanie się wody. olej zdj. 2 Doświadczenie ilustruje jak działa włoskowatość oraz jaki wpływ na transport wody ma olej. Doświadczenie 3 Cel: badanie wpływu detergentu na napięcie powierzchniowe mleka. Materiały: płaskie naczynie, mleko, płynne barwniki spożywcze – 4 kolory, 4 zakraplacze, mydło w płynie, wacik higieniczny. Wykonanie: Wlać mleko do naczynia i za pomocą zakraplaczy zrobić na mleku kolorowe plamy z barwników (zdj. 3). Nasączyć wacik mydłem w płynie i dotknąć nim mleka w środkowej części naczynia (zdj. 4). Obserwować i wyjaśnić zachowanie się kolorowego tuszu. zdj. 3 zdj. 4 115 Doświadczenie 4 Cel: badanie wpływu detergentu na napięcie powierzchniowe wody. Materiały: płaskie naczynie z wodą, kartonik np. z pudełka po butach, nożyczki, kropla płynu do mycia naczyń. Wykonanie: Z kartonika wyciąć kształt motorówki pokazany na zdjęciu i położyć go na wodzie (zdj. 5 ). Puścić kroplę płynu do mycia naczyń w otwór. Obserwować i wyjaśnić zachowanie się motorówki. zdj.5 Doświadczenie 5 Cel: badanie pochłaniania i odbicia promieniowania. Materiały: śnieg, dwa kawałki materiału: biały i czarny. Wykonanie: W pogodny zimowy dzień położyć na śniegu biały i czarny kawałek materiału. Sprawdzić pod którym z nich śnieg topnieje szybciej i wyjaśnić wynik obserwacji. 116 Doświadczenie 6 Cel: badanie przewodności cieplnej wody i kierunku prądów konwekcyjnych. Materiały: probówka, zimna woda, świeczka. Wykonanie: Napełnić ¾ probówki zimną wodą. Trzymając palcami probówkę za dolny koniec, umieścić górny jej koniec nad płomieniem świecy i doprowadzić znajdującą się tam wodę do wrzenia (zdj. 6). Odpowiedzieć na pytania: a) czy woda jest dobrym przewodnikiem ciepła b) czy prądy konwekcyjne płyną w górę czy w dół? Efekt doświadczenia będzie bardziej wyrazisty, gdy na dnie probówki umieści się kawałki lodu obciążone np. stalowymi nakrętkami. zdj. 6 Doświadczenie 7 Cel: badanie przewodności cieplnej metalu. Materiały: gruby metalowy pręt np. ze statywu, kartka papieru z zeszytu, świeczka, rękawica kuchenna. Wykonanie: Owinąć jeden koniec metalowego pręta papierem. Część pręta owiniętą papierem umieścić nad płomieniem świecy (drugi koniec pręta trzymać w rękawicy kuchennej) (zdj. 7). Czy papier zapala się? Jak wytłumaczyć obserwowane zjawisko? 117 zdj. 7 Doświadczenie 8 Cel: czy można w papierze zagotować wodę ? Materiały: gazeta, woda, sztywny metalowy drut, świeczka, rękawica kuchenna. Wykonanie: Z drutu uformować kółko z uchwytem. Z jednej kartki gazety ukształtować naczynie. Do zamontowanego na drucie naczynia nalać wody. Trzymając w rękawicy uchwyt pręta umieścić papierowe naczynie z wodą nad płomieniem świecy (zdj. 8 i 9). Czy papierowe naczynie zapala się? Jak można wyjaśnić zachowanie się papierowego naczynia z wodą? Czy można w papierowym naczyniu zagotować wodę? zdj. 8 zdj. 9 118 Doświadczenie 9 Cel: badanie od czego zależy wysokość dźwięku. Materiały: kieliszek na nóżce, woda. Wykonanie: Zamoczyć palec w wodzie i pocierać nim delikatnie brzeg kieliszka napełnionego do połowy wodą (zdj. 10). Dolać wody do kieliszka i ponownie pocierać delikatnie jego brzeg. W trakcie doświadczenia obserwować powierzchnię wody w kieliszku i słuchać wysokości uzyskiwanego dźwięku. Jak powstaje słyszany w doświadczeniu dźwięk? Co należy zrobić aby uzyskać wyższy dźwięk „grając” na tym kieliszku? zdj. 10 Doświadczenie 10 Cel: szacowanie wartości siły elektrostatycznej. Materiały: balonik, nitka jedwabna, plastelina, wełniana szmatka, waga elektroniczna, naczynie wypełnione wodą, miska, naczynie litrowe z podziałką. 119 Wykonanie: Nadmuchać balonik i zawiązać go nitką o długości około 1,5m. Drugi koniec nitki pozostawić luźno wiszący. Naelektryzować górną część balonika przez potarcie go wełną. Dotknąć balonikiem sufitu (dobrze naelektryzowany przyczepi się do niego). Do zwisającej nitki doklejać fragmenty plasteliny do momentu aż balonik pod wpływem siły ciężkości oderwie się od sufitu. Zważyć nadmuchany balonik z przyklejoną do nitki plasteliną i obliczyć działającą na niego siłę ciężkości korzystając ze wzoru Fg = m∙ g. Zmierzyć objętość napompowanego balonika (objętość wypartej przez niego wody) wykorzystując naczynie z wodą, miskę i naczynie litrowe z podziałką. Obliczyć siłę wyporu działającą na balonik „zanurzony” w powietrzu korzystając ze wzoru FA = ϱ ∙ g ∙ V. Ponieważ balonik znajduje się w spoczynku, a działają na niego trzy siły: pionowo w górę siła elektrostatyczna i siła wyporu oraz pionowo w dół siła grawitacji, to siłę elektrostatyczną obliczymy ze wzoru Fe = Fg – FA . Doświadczenie 11 Cel: szacowanie wartości siły tarcia. Materiały: nieduża plastikowa butelka po napoju, ryż, drewniany patyk lub długi ołówek, elektroniczna waga kuchenna lub siłomierz. Wykonanie: Wypełnić butelkę ryżem i wbić w niego patyk. Trzymając tylko za patyk podnieść butelkę z ryżem (zdj. 11). Zważyć butelkę z ryżem i obliczyć jej ciężar korzystając ze wzoru Fg = m∙ g (można też ciężar zmierzyć za pomocą siłomierza). Ponieważ butelka z ryżem nie przesuwa się względem patyka, to znaczy, że siła tarcia statycznego działająca na patyk zrównoważona jest przez siłę ciężkości działającą na butelkę z ryżem. zdj.11 120 Doświadczenie 12 Cel: wyjaśnienie odmiennego zachowania się metali w polu elektrostatycznym. Materiały: szklane naczynie z wodą, żyletka, folia aluminiowa, trzy monety dziesięciogroszowe, rura PCV, wełniana szmatka. Wykonanie: Napełnić szklane naczynie wodą, położyć żyletkę na wodzie i zbliżyć do niej naelektryzowaną przez tarcie (wełnianą szmatką) rurkę PCV (zdj. 12). Opisać i wyjaśnić zachowanie się żyletki. Następnie z aluminiowej folii zrobić prostokątną łódeczkę i obciążyć ją monetami. W miejsce żyletki położyć na wodzie łódeczkę i zbliżyć do niej naelektryzowaną rurę PCV (zdj. 13). Opisać i wyjaśnić zachowanie się łódeczki. zdj.12 zdj.13 121 Doświadczenie 13 Cel: sprawdzenie własności optycznych kropli wody. Materiały: zapisana kartka papieru, zakraplacz, woda. Wykonanie: Za pomocą zakraplacza umieścić kroplę wody na zapisanej kartce. Opisać cechy otrzymanego obrazu. Rolę jakiego przyrządu pełni tutaj kropla wody (zdj. 14). zdj. 14 Doświadczenie 14 Cel: wykonanie pompy ssąco-tłoczącej. Materiały: pudełko np. po kliszy fotograficznej, gumowa gruszka, moneta, dwie rurki np. kawałek obudowy długopisu lub gumowego węża, większy pojemnik z wodą, miska lub taca, nożyczki (zdj. 15). zdj. 15 122 Wykonanie: W dnie pojemnika wyciąć otwór, drugi, mniejszy zrobić w górnej części ścianki i w pokrywce. Na dnie pudełka położyć monetę, w pozostałe otwory włożyć rurki. Na rurkę umieszczoną w pokrywce nasunąć gruszkę. Sprawdzić działanie pompy (zdj. 16) i wyjaśnić jej działanie. zdj. 16 Doświadczenie 15 Cel: wykonanie „magicznego” bączka. Materiały: 4 piłeczki pingpongowe (mogą być też kulki szklane lub drewniane), klej. Wykonanie: Skleić 4 piłeczki w kształt piramidy (3 piłeczki jako podstawa, a 1 na górze) (zdj. 17). Chwycić bączek za jedną kulę i zakręcić opuszczając go jednocześnie na podłogę. Obserwować zachowanie się bączka. zdj. 17 123 Komentarz: Początkowo bączek obraca się nierównomiernie na swojej szerszej podstawie (3 piłeczki), po czym nagle robi „fikołka” i zaczyna wirować na jednej piłeczce (zdj. 18). zdj. 18 Podobnie jak nasz „magiczny” bączek, zachowuje się ugotowane na twardo jajko kurze. Kładziemy je na gładkiej dużej powierzchni, tak aby jego oś symetrii była równoległa do podłoża i wprawiamy go w ruch wirowy. Po chwili jajko podniesie się i zacznie wirować na węższym końcu (tak można rozwiązać problem jajka Kolumba). Inny magiczny bączek można zobaczyć pod adresem: http://www.wobsta.de/uni/tippetop/tippetop.mpg. Tajemnicze zachowanie „magicznych” bączków można wyjaśnić korzystając m.in. z zasad dynamiki ruchu obrotowego, które poznasz w szkole ponadgimnazjalnej wybierając fizykę rozszerzoną. 124 INTERPRETACJA FIZYCZNA WYBRANYCH DOŚWIADCZEŃ Doświadczenie 1 Aby świeczki mogły się palić potrzebny jest tlen. Nakrywając je wazonem, odcinamy dopływ powietrza. W procesie spalania tlen zostaje zużyty, dlatego świeczki gasną. Ciśnienie powietrza w wazonie obniża się i powstaje podciśnienie. Na zewnątrz wazonu ciśnienie jest większe i to właśnie ono powoduje wepchnięcie wody do środka wazonu. Doświadczenie 3 Na powierzchni cieczy występują siły międzycząsteczkowe, dzięki którym tworzy się błona powierzchniowa. To zjawisko nosi nazwę napięcia powierzchniowego. Po dodaniu mydła napięcie powierzchniowe zmniejszyło się i cząsteczki tuszu rozsunęły się, pozostawiając plamę czystego mleka. W miejscu zetknięcia się mleka z mydłem cząsteczki mleka oddalają się od siebie i odpychają cząsteczki tuszu ku brzegom naczynia. Doświadczenie 4 Płyn do mycia naczyń osłabia napięcie powierzchniowe wody. Cząsteczki wody zaczynają oddalać się od siebie, a te które poruszają się w stronę motorówki popychają ją. Doświadczenie 7 Pręt metalowy jest dobrym przewodnikiem ciepła. Odbiera on ciepło od płomienia świecy i dzięki temu papier nie uzyskuje temperatury wystarczającej do jego zapalenia się (temperatura zapłonu papieru wynosi ok. 2300C). Doświadczenie 8 Woda ma bardzo duże ciepło właściwe i dzięki temu potrafi pochłonąć znaczną ilość ciepła, niewiele zmieniając swoją temperaturę. Mokry papier nie chce się palić, ponieważ woda, ogrzewając się, pobiera z niego energię i nie pozwala na ogrzanie się papieru do temperatury zapłonu (temperatura wrzenia wody wynosi 1000C, a temperatura zapłonu papieru 2300C). O wykorzystaniu papierowych naczyń do gotowania obiadu na gazowej kuchence turystycznej czy ognisku, przeczytasz na stronie: http://www.geekweek.pl/aktualnosci/157/hexapot---garnek-z-papieru 125 Doświadczenie 12 Kierunek ruchu żyletki i aluminiowej łódeczki, po zbliżeniu do nich naelektryzowanej rury PCV, przedstawiają strzałki na poniższych zdjęciach. Żyletkę na wodzie utrzymuje napięcie powierzchniowe. Przy zbliżaniu naelektryzowanej rurki osłabiamy napięcie powierzchniowe poprzez przyciąganie dipolów wody (woda zbliża się do rurki). Rurka ma ładunek ujemny, więc przyciąga biegun dodatni dipola. Dipol obraca się, co powoduje zmniejszenie się napięcia powierzchniowego. Żyletka porusza się w stronę, gdzie znajduje się większe napięcie powierzchniowe. Aluminiową łódeczkę utrzymuje na wodzie siła wyporu. Przy zbliżaniu do niej naelektryzowanej rurki PCV, w metalu zachodzi zjawisko indukcji elektrostatycznej (Ryc.1), które powoduje, że łódka jest przyciągana. Ryc. 1 126 materii w chwili początkowej t = 0, N – liczba jąder materii w chwili t, λ – stała rozpadu (prawdopodobieństwo rozpadu jądra w ciągu 1 s). Rozpad promieniotwórczy – przekształcanie się trwałych izotopów jednego pierwiastka chemicznego w izotopy innego pierwiastka, czemu towarzyszy emisja pewnych dodatkowych cząstek (promieniowania), takich jak cząstki alfa (układu połączonych dwóch protonów i dwóch neutronów) lub cząstki β (elektrony). Zwykle promieniotwórczości towarzyszy emisja promieniowania gamma γ (niosącego dużą energię, krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego). Zasada zachowania pędu – pęd p układu zamkniętego nie zmienia się w czasie (p=mv=const.). Widmo emisyjne światła białego – powstaje w wyniku przejścia atomów danego pierwiastka (elektronu) ze stanu wzbudzonego do stanu stacjonarnego (dany pierwiastek oddaje energię w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego). W przypadku odwrotnym, mówimy o widmie absorpcyjnym. Widmo światła białego stanowi mieszaninę fal elektromagnetycznych o różnych długościach (energiach): od 300 nm do 800 nm. Okazuje się że, rozkład energii światła białego, słonecznego, jest niemal identyczny z rozkładem energii promieniowania ciała doskonale czarnego – jest nierównomierny: prawie wcale nie występuje promieniowanie o bardzo dużej i bardzo małej energii. Fale elektromagnetyczne – fale, a więc zaburzenie przemieszczające się w przestrzeni z pewną prędkością. Fale elektromagnetyczne przemieszczają się z prędkością światła. Należą do grupy fal poprzecznych (zaburzenie zachodzi w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji fali). Nie potrzebują ośrodka sprężystego do tego żeby się rozchodzić, SŁOWNICZEK Ruch jednostajny po okręgu (11) – ruch obrotowy punktu materialnego (elementu bryły sztywnej) wokół nieruchomej osi obrotu, ze stałą prędkością kątową ω = const. (ω=Δφ/Δt, gdzie Δφ – zmiana kąta w czasie Δt). Natężenie dźwięku – miara energii fali akustycznej źródła dźwięku, której jednostką jest W/m2. Wyznacza się pośrednio, na podstawie pomiaru ciśnienia akustycznego p – chwilowego skoku ciśnienia od ciśnienia równowagi (atmosferycznego p0). Natężenie dźwięku wyznacza się na podstawie zależności: p2 W I m 2 gdzie: v – prędkość dźwięku w powietrzu; ρ – gęstość powietrza. Najmniejsza wartość natężenia fali dźwiękowej o częstotliwości 1 kHz, rejestrowana przez dany organizm, nazywana jest progiem słyszenia. W przypadku organizmu ludzkiego jest to wartość 10-12 W/m2 (0 dB). Atom – najmniejsza cząstka materii, mająca wszystkie własności chemiczne danego pierwiastka chemicznego. W skład atomu wchodzi dodatnio naładowane jądro oraz poruszające się w polu elektrycznym jądra elektrony. Ładunek jądra równy jest co do wartości bezwzględnej sumarycznemu ładunkowi wszystkich elektronów w atomie. Jon – elektrycznie naładowana cząstka, która powstaje w wyniku utraty lub przyłączenia elektronów przez atom lub cząsteczkę. Wodór - najprostszy atom (jest złożony z jednego protonu w jądrze i jednego elektronu poruszającego się w polu elektrycznym jądra). Prawo rozpadu promieniotwórczego – spontaniczny rozpad jąder atomowych można opisać zależnością N N0et , gdzie: N0 – liczba początkowa jąder 127 częstotliwości rotacji dodatkowe pole oddziałuje z magnetyzacją próbki – powoduje precesję magnetyzacji próbki wokół kierunku głównego pola magnetycznego. Można rejestrować ilość energii pochłoniętej, potrzebnej do wymuszenia rotacji magnetyzacji próbki. Pochłanianie to jest analizowane i na jego podstawie buduje się obrazy MRI. Jądrem rezonansowym najczęściej wykorzystywanym w obrazowaniu MR jest proton – jądro atomu wodoru mające spin połówkowy i występujące powszechnie w obiektach biologicznych w cząsteczkach wody. jak to jest w przypadku fal mechanicznych (np. dźwięku). Ogniwo słoneczne – element półprzewodnikowy (złącze p-n), w którym następuje przemiana energii słonecznej w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. W zjawisku tym fotony są pochłaniane przez elektrony półprzewodnika w wyniku czego, powstaje swobodny elektron i dziura elektronowa. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n kieruje te nośniki ładunku: elektrony do obszaru n a dziury do obszaru p złącza. Na oświetlonym złączu p-n pojawię się napięcie elektryczne, spowodowane nagromadzonym ładunkiem elektrycznym a złącze działa jak ogniwo elektryczne. Ogniwa słoneczne wykonuje się z krzemu, germanu, selenu. Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma napięcie nominalne 0,5V. Dlatego aby uzyskać wyższe napięcia zasilające łączy się je szeregowo. Prawo Archimedesa – na każde ciało zanurzone w cieczy (lub gazie) działa siła wyporu o kierunku pionowym i zwrocie w górę, równa co do wartości ciężarowi wypartej cieczy Fw=Vzρcg gdzie: Vz – objętość zanurzonego ciała lub jego zanurzonej części; ρc – gęstość cieczy, w której zanurzono ciało. Metoda rezonansu magnetycznego MRI – nieinwazyjana metoda obrazowania wnętrza obiektów. Opiera się na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego MR. Zjawisko to zachodzi w próbce jąder o niezerowym spinie, umieszczonych w silnym polu magnetycznym. W takim polu próbka ulega częściowej polaryzacji opisanej wektorem magnetyzacji. Jeśli tak spolaryzowana próbka zostanie poddana działaniu innego pola magnetycznego, które rotuje w płaszczyźnie prostopadłej do pola głównego, przy pewnej określonej 128 SKOROWIDZ ultradźwięków fale elektromagnetyczne fale radiowe gęstościomierz gęstość gęstość cieczy grawitacja gwiazda Gwiazdy neutronowe holografia Huygens hydratacja I zasada dynamiki II zasada dynamiki III zasada dynamiki indukcja elektrostatyczna infradźwięki interferencja inwersja temperatury izolator jednostki jonizacja powietrza jonosfera kapilarność kation klatka Faradaya kondensacja konwekcja lód magnes magnetosfera masa menisk mezosfera micela mieszaniny oziębiające mydło naczynia połączone napięcie powierzchniowe 29, 115, 116, 125, 126 natężenie dźwięku Newton niepewność pomiarowa nieważkość nośniki ładunku anion 31 anomalna rozszerzalność temperaturowa 21 Archimedes 43 areometr 14 asocjacja 20 atmosfera 33 atom 79 barwa światła 73 Bernoulli 39 bezwładność 8, 47, 48 Biały karzeł 13 błony 50 budowa polarna 20, 27 całkowite wewnętrzne odbicie 61 centra kondensacji 37 chinook 38 chlor 31 chlorek sodu 30, 31, 32 ciepło właściwe 22, 23, 36, 125 ciężar Patrz siła grawitacji ciśnienie atmosferyczne 34, 35, 114 ciśnienie hydrostatyczne 42 ciśnienie osmotyczne 51 czarne dziury 13 częstotliwość drgań 12, 69, 73 częstotliwość drgań własnych 68 detergent 27, 28 dipol 20, 31, 80, 126 dyfrakcja światła 64 dyfuzja 50 prosta 50 dysocjacja 31 dyspersja 61 dźwięk 12, 58, 60, 65, 68, 69, 70, 119 echo 58 egzosfera 34 elektrolit 31 elektrolokacja 85 elektrony swobodne 80 elektrownie jądrowe 57 elektryzowanie 79, 86 energia 27, 53, 54, 55, 56, 57 elektryczna pioruna 81 kinetyczna 53 potencjalna 53 129 70 75 34 Patrz areometr 11 44 15, 18 13, 16 13 66 67 24, 31 47 48 48 79 69 58, 65, 66 40 80 3, 5, 8 84 34 23, 26 31 82, 84 37 36, 37 20 88 93 8, 16, 47 26 34 28 32 28 42 23, 26, 27, 28, 69 15, 47, 48, 73 6 17 31 odbicie światła 58, 116 odrzut 49 opalizacja 66 osmoza 51 pasy radiacyjne Van Allena 92 piorun 81 pływy magnetyczne 19 morskie 18 syzygijne 18 pochłanianie światła 116 pogłos 58 pole elektrostatyczne 82, 121 pole elektryczne Patrz pole elektrostatyczne pole magnetyczne 88, 89, 92, 95, 96 pomiar 3, 4 prawo Archimedesa 14, 43, 46 prawo Coulomba 79 prawo odbicia 58 prawo powszechnego ciążenia 15 prawo zachowania energii 53 prądy konwekcyjne 36, 89, 117 prędkość dźwięku 12, 60 promieniowanie kosmiczne 19, 91 promieniowanie nadfioletowe 34 promieniowanie X 34 przeciążenie 17 przewodność cieplna 117 przyspieszenie 49 pudło rezonansowe 68 reakcje biochemiczne 23 regelacja 24 rekombinacja 84 rezonans 67, 68 rezonans magnetyczny 96 rozpraszanie 76 rozszczepienie światła 61 roztwór hipertoniczny 51 roztwór hipotoniczny 51 ruch jednostajny prostoliniowy 47 siła bezwładności 16, 17 Coriolisa 16, 89 elektrostatyczna 79, 119 grawitacji 15, 16 nośna 39 odśrodkowa 16, 17 spójności 26, 27 tarcia 120 wyporu 43 sód 31 sól 30, 31, 32 stała grawitacji 15 stany skupienia 35 stratosfera 34 substancje hydrofilowe 27 substancje hydrofobowe 27 światło białe 61 temperatura topnienia 35 wrzenia 35 zera bezwzględnego 34 termale 37 termosfera 34 transport substancji 50 troposfera 33 ultradźwięki 69, 70 wiatr słoneczny 34, 92 widmo Brockenu 63 widmo światła 61 włoskowatość Patrz kapilarność woda 8, 11, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 36, 78, 116, 117, 118, 122, 125, 126 wysokość dźwięku 69 załamanie 59, 61 zasada zachowania ładunku 79 Ziemia 8, 13, 15, 16, 18, 21, 88, 91, 92, 93, 95 zjawiska falowe 58 zorza polarna 34, 93 źródła energii 54 130
