Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Další nápady z Malé Hraštice: co s þoþkami LEOŠ DVOěÁK KDF MFF UK Praha Abstrakt V pĜíspČvku jsou prezentovány nČkteré možnosti využití þoþek z Meopty PĜerov. Jde o optické sklo vyĜazené pĜi výrobČ pĜesných optických zaĜízení, které ale mĤže velmi dobĜe posloužit pĜi výuce fyziky. Jednoduché konstrukce zhotovitelné s minimálními náklady jsme vymýšleli a zkoušeli na letošním jarním soustĜedČní na Malé Hraštici.
Úvod: co je Malá Hraštice Malá Hraštice je vesniþka poblíž DobĜíše a Mníšku pod Brdy. (V þase webových map netĜeba dodávat víc, snad jen: 49°48'30"N, 14°16'30"E.) Asi dva kilometry na západ od ní je základna TO PĜátelé borovic, kam již Ĝadu let jezdíme na Jarní soustĜedČní pro budoucí uþitele fyziky a „spĜíznČné duše“. TČmi spĜíznČnými dušemi jsou v posledních letech þím dál þastČji i uþitelé fyziky ze škol, vČtšinou úþastníci projektu Heuréka. Základní informace o soustĜedČní již byly zmínČny na Veletrzích nápadĤ [1-2] i jinde [3-4], proto je zde pĜipomenu jen struþnČ a doplním pár novinek. SoustĜedČní se koná vždy zaþátkem kvČtna, trvá 3-5 dnĤ a úþastní se ho zhruba patnáct až pČtadvacet úþastníkĤ. Jedním z jeho hlavních cílĤ je vyzkoušet si, že fyzika funguje i „mimo školní škamna“ a laboratoĜe, doslova „v polních podmínkách“. Velice neformální odborný program soustĜedČní se realizuje formou miniprojektĤ. Skupinky úþastníkĤ (dvojice, trojice, ale poþet není omezován, kdokoli si mĤže kutit i sám) si vyberou z volnČ formulovaných námČtĤ, nebo pĜijdou s vlastním nápadem, co by chtČli dČlat, pak pokusniþí, mČĜí, vyrábČjí (a vzájemnČ si radí a inspirují se) a každý den odpoledne pak struþnČ prezentují ostatním, co udČlali, k þemu došli, co se povedlo, v þem byly problémy a co by se dalo dČlat dál. PĜirozenČ, ne každému taková až bezbĜehá volnost úplnČ vyhovuje – ale jako doplnČk þi protipól pĜesnČ popsaných školních laboratorních prací þi praktik naše soustĜedČní funguje, úþastníci se na nČj vracejí a pro jeho zachování se vloni vyslovili i v malém dotazníkovém prĤzkumu. OsobnČ chápu toto soustĜedČní jako krásnou pĜíležitost, „dČlat fyziku vlastníma rukama a hlavou“, což je heslo, které jsme si dali již pĜed lety – abychom poté zjistili, že jsme vlastnČ nezávisle pojmenovali to, co se dnes ve svČtČ ve fyzikálním vzdČlávání propaguje jako hands-on, minds-on physics. Na hraštických soustĜedČních si velice cením také toho, že jsou místem, kde vzniká a dá se vyzkoušet spousta pČkných (byĢ tĜeba drobných) nápadĤ, které pak mohou být inspirací pro výuku fyziky [1-4]. Miniprojekty mají každý rok jedno spoleþné obecné téma. V roce 2007 jím bylo „Voda a jiné kapaliny“ (a vČtšina soustĜedČní nám propršela), v následujícím roce „Teplo a teplota“ (viz [2], opravdu tehdy bylo horko a sluneþno), v roce 2009 pak „Vodiþe a polovodiþe“ (na což poþasí nijak nezareagovalo).
47
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Malá Hraštice 2010: co s þoþkami Letos jsme se rozhodli zareagovat na skuteþnost, že spoleþnost Meopta nabízí uþitelĤm fyziky þoþky a další optické prvky, které sice z nČjakých dĤvodĤ nesplĖují pĜísná kritéria pro montáž do pĜesných pĜístrojĤ, ale mohou velmi dobĜe posloužit na školách pĜi výuce fyziky. Jsou pĜitom podstatnČ kvalitnČjší než rĤzné lupy z prodejen s levným zbožím – a navíc, kde v levných prodejnách seženete rozptylku? ýoþky samotné jsou ovšem jen výchozím materiálem. Zaþínajícímu, ale i zkušenému uþiteli jistČ pĜijde vhod nČkolik nápadĤ a námČtĤ co a jak s nimi lze dČlat ve výuce fyziky. Proto jsme pro hraštické soustĜedČní na rok 2010 vyhlásili téma Co s þoþkami. V následujícím pĜehledu uvedu zejména pár námČtĤ, s nimiž jsem si na Hraštici „pohrál“ sám. Uvádím je jako nápady pro inspiraci – nepochybuji, že si je ve své výuce upravíte, vylepšíte a pĜizpĤsobíte, aby vyhovovaly vašim potĜebám.
„Klasické“ pokusy v ruce Díky MeoptČ PĜerov mĤžeme mít (pokud ne okamžitČ, tak þasem) þoþky pro každého z žákĤ. Co s nimi mohou dČlat bez jakýchkoli dalších pomĤcek? Spojky: zobrazení okna þi vlákna žárovky Pokus dávno známý, na který bychom ale nemČli zapomínat: promítnout okno (resp. mraky þi nasvícenou krajinu za oknem) na bílý papír (na sešit, na zeć…). Pro úþastníky VeletrhĤ je jistČ zbyteþné to zdĤrazĖovat, ale vlastní zkušenost žákĤ je zde nezastupitelná – nahradit ji obrázkem v uþebnici, kreslením paprskĤ kĜídou na tabuli nebo poþítaþovým apletem urþitČ nestaþí. V alespoĖ þásteþnČ zatemnČné tĜídČ lze samozĜejmČ promítat plamen svíþky; jako demonstraþní pokus je vhodné promítnout na zeć vlákno žárovky ze stolní lampy. KrásnČ se promítne i jemná spirálka vlákna, je vidČt i barevnou vadu þoþky. Pohneme-li lampou, vidíme, že obraz se hýbá v opaþném smČru. Pak se lze ptát, co se stane, když zakryjeme spodní polovinu þoþky. (SchválnČ, kolik vašich žákĤ Ĝekne, že nebude vidČt horní polovina promítaného obrazu?) Vlákno žárovky lze promítat „silnČjší“ þi „slabší“ spojkou, atd. Se zájemci se mĤžete dostat i na vČci nároþnČjší. NapĜíklad u ploskovypuklé þoþky zkoumat, zda otvorová vada je vČtší þi menší, natoþíme-li ke zdroji svČtla plochou nebo vypuklou stranu spojky. (Opravdu se liší, vyzkoušejte si to.) Rozptylka: jednoduché urþení ohniskové vzdálenosti Urþit pĜibližnČ ohniskovou vzdálenost spojky není problém: staþí promítnout sluníþko na papír. Ale jde nČjak podobnČ jednoduše urþit ohniskovou vzdálenost rozptylky? Ti z nás, kdo jsou krátkozrací, si zĜejmČ už všimli, že když dají brýle do sluneþního svČtla, promítá se na pĜedmČty za nimi cosi jako „stín“ dané þoþky a kolem nČj je svČtlejší oblast. Dáme-li brýle dál od stínítka, je svČtlejší oblast vČtší. Odtud už není
48
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 daleko k jednoduché metodČ mČĜení ohniskové vzdálenosti rozptylky. (Tuhle metodu nezávisle „objevila“ resp. znovuobjevila asi Ĝada lidí. Jak jsem zjistil, už dlouho ji užívá napĜíklad ZdenČk Polák. Tím lépe – zdá se, že je tu pĜíležitost nechat pĜi vhodném vedení danou metodu vymyslet pĜemýšlivČjší žáky.) Princip metody ukazují obrázky 1 a 2.
Obr. 1. Princip jednoduchého urþení ohniskové vzdálenosti rozptylky
Obr. 2. SvČtlo za rozptylkou
Z jednoduché geometrické úvahy je zĜejmé, že má-li svČtlý kruh za rozptylkou dvakrát vČtší prĤmČr než „stín þoþky“ (tj. než prĤmČr rozptylky), je vzdálenost stínítka od þoþky právČ rovna ohniskové vzdálenosti rozptylky. (Pro poĜádek se sluší poznamenat, že pro toto jednoduché mČĜení považujeme þoþku za tenkou a zanedbáváme její optické vady.) MĤžeme samozĜejmČ také mČĜit prĤmČr svČtlejšího kruhu pro rĤzné vzdálenosti stínítka a výsledky zpracovat tĜeba v Excelu, z lineární závislosti prĤmČru kruhu na vzdálenosti stínítka pak ohniskovou vzdálenost urþíme pĜesnČji. Vylepšením se meze nekladou.
Optická lavice pro období finanþní krize Pro pĜesnČjší mČĜení a experimenty je vhodná optická lavice. V období finanþní krize resp. rozpoþtové odpovČdnosti se samozĜejmČ hodí lavice co nejlevnČjší. ýoþky máme prakticky zadarmo – šel by velmi levnČ postavit i zbytek? Jak na to aneb chvála elektrikáĜských lišt a tavného lepidla Dobrým základem pro „optickou lavici nebohatého uþitele“ jsou elektrikáĜské lišty, pĜesnČji Ĝeþeno plastové elektroinstalaþní lišty, oznaþované též jako „plastové lišty vkládací“. Dostanou se v prodejnách s elektromateriálem. My jsme používali lišty s pĜíþným rozmČrem 4x4 cm, stojí zhruba 40 Kþ za metr. (Poznámka po Veletrhu: lištu poloviþní výšky jsem objevil, alespoĖ pĜi objednání na internetu, dokonce za cenu jen 20 Kþ za metr.) Dají se jednoduše Ĝezat pilkou na železo, vrchní þást lišty se dá po nahĜátí pistolovou pájeþkou lehce ohnout, atd. A nakonec to nejlepší, co jsme vyzkoušeli: Pomocí tavné pistole se dají þoþky tavným lepidlem pĜímo lepit na vrchní
49
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 þást plastové lišty! Je-li lepidlo dostateþnČ horké, tak, že viditelnČ teþe, je spoj po ztuhnutí pĜekvapivČ pevný a stabilní. Menší þoþky mĤžeme pĜipevnit pomocí kousku špejle (aby byly v jedné ose s ostatními), opČt pomocí tavného lepidla. Prvky pro optickou lavici, které mĤžeme vytvoĜit, ukazuje obr. 3.
Obr. 3. Prvky jednoduché optické lavice z plastové elektroinstalaþní lišty Kousek papíru (ze þtvrtky nebo papírového tácku) pĜilepený na ohnutou þást lišty mĤže hrát roli stínítka, tvrdší þerný papír s vystĜiženým otvorem zase roli clony. Jako zobrazovaný pĜedmČt, který je zároveĖ zdrojem jasného svČtla, mĤžeme využít „vysokosvítivé“ LED (nejbČžnČjší velikosti, tedy prĤmČru 5 mm), z nichž vytvoĜíme nČjaký obrázek, napĜíklad jedniþku. (Diody stojí pár korun, do série s každou dáme rezistor o odporu 100 až 120 Ω a mĤžeme je napájet z ploché baterie.) PĜíklady využití ukazují obrázky 4 a 5.
Obr. 4. Promítání „jedniþky“ z LED
Obr. 5. Galileiho dalekohled na krátké optické lavici
Výhodou je, že lavici z plastové lišty lze lehce vzít do ruky a napĜíklad dalekohledem, který na ní postavíme, se dívat do dálky. Vynalézavosti a dalším doplĖkĤm se pĜitom meze nekladou. PĜíkladem je krásný nápad, který na soustĜedČní mČly studentky Petra Váchová, Naća Vogalová a Zuzana Zdražilová: Na držáky þoþek pĜilepily ještČ špejle, jejichž zabarvený konec ukazoval polohu ohniska. NázornČjší
50
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 demonstraci toho, že v Galileiho a KeplerovČ dalekohledu pĜi pohledu do dálky ohniska objektivu a okuláru splývají, si snad ani neumím pĜedstavit.
Další námČty Pro zhotovení dalekohledĤ jsme samozĜejmČ užívali i plastových trubek – podobné konstrukce se bČžnČ užívají v kroužcích astronomie. Vzhledem k nedostatku místa zde proto nebudeme výsledky ukazovat. Poznamenejme jen, že tavné lepidlo se i pro tyto konstrukce osvČdþilo. Tak již jen snad poslední drobnost. Zkuste rozptylku nebo spojku pĜiložit na zrcátko a podívat se na svČt. V pĜípadČ spojky se podívejte na vlastní oko, pČknČ zblízka. Je-li þoþka z jedné strany plochá, mĤžeme ji na zrcátko pĜilepit tavným lepidlem, samozĜejmČ na obvodu, ne uprostĜed :-) . V pĜípadČ rozptylky tím získáme pohled typu „rybí oko“, jak ukazuje obr. 6. V pĜípadČ spojky si své vlastní oko mĤžeme prohlédnout pČknČ podrobnČ. Je to hezké a zájemci mohou diskutovat, jak je to s chodem paprskĤ a vlastnosti výsledného „zrcátka“. Co když tĜeba zrcátko se spojkou namíĜíme na sluníþko? Kde se soustĜedí paprsky?
Obr. 6. Rozptylka na zrcátku
ZávČr VýrobČ optických lavic z plastových lišt budeme zhruba mČsíc po Veletrhu vČnovat jednu z dílen na konferenci „Dílny Heuréky 2010“ (viz odkaz z [5]). Ve sborníku dané konference budou jak zhotovení lavice, tak námČty na experimenty popsány podrobnČji. A v budoucnu se urþitČ objeví Ĝada dalších úprav a vylepšení, protože nápaditost þeských uþitelĤ fyziky je povČstná. O další nápady co s þoþkami tak urþitČ nebude nouze.
Literatura [1] DvoĜák L.: Trocha heuristiky z Malé Hraštice. In: Sborník konference Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 5. Ed.: Rauner K., ZýU PlzeĖ 2001, s.143-146. [2] DvoĜák L.: Pokusy na Malé Hraštici – tentokrát s teplem. In: Sborník konference Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 13. Ed. K. Rauner K., ZýU PlzeĖ 2007, s. 63-67. [3] DvoĜák L.: Fyzikální miniprojekty na jarních soustĜedČních pro budoucí uþitele fyziky. In: Sborník konference 50 let didaktiky fyziky v ýR. Brno, 13.-14.9.2007. Ed.: Lepil O. UP Olomouc 2007. s. 80-87. [4] DvoĜák L.: Labs outside labs: miniprojects at a spring camp for future physics teachers. Eur.J.Phys. 28 (2007), S95-S104. [5] http://kdf.mff.cuni.cz/heureka/ (cit. 12. 9. 2010)
51
