stolet. Na druh stran je obdivuhodn, s jakou eleganc se A. Einsteinovi roku 1905 poda ilo (dokonce jen b hem esti t dn ) vytvo it speci ln teorii rela

FYZIKA Jak elektrodynamika vy stila ve speciln teorii relativity BOHUMIL VYB RAL P rodovdeck fakulta Univerzity Hradec Krlov

1. Cesty fyziklnho poznvn nebvaj pm

Proces v deckho poznvn prody lze zaadit do nejvy kategorie intelektuln innosti lov ka. Fyzikln zkony formuluje lov k na zklad objektivnho zkoumn d j , kter v celm komplexu sloitosti probhaj v prod . A rozpoznat pr b h jednotliv ch elementrnch d j neb v prv lehk m kolem. V procesu poznvn se nejlpe osv dil fyzikln experiment, jak jej jako v deckou metodu poznvn formuloval renesann v dec Galileo Galilei (1564 { 1642). Stalet zkuenosti lov ka ukazuj, e experiment m l (a stle m) rozhodujc v znam pro rozvoj fyziky. Dobe je to vid t zejmna na v voji elektrodynamiky. Sledovat historick v voj elektromagnetismu od p vodn zcela samostatn ch obor elektiny a magnetismu (18. stol.) pes experimentln elektrodynamiku, teorii elektromagnetickho pole (19. stol.) a ke vzniku speciln teorie relativity (20. stol.) je velmi poun. Na tomto v voji m eme toti sledovat, jak proda velmi nerada odhaluje sv tajemstv. Sta si uv domit, jak sil a trp livost musel mt po dobu devti let M. Faraday, ne se mu podailo objevit zkon elektromagnetick indukce. Nebo jakou matematickou erudici a intuici musel mt J. C. Maxwell, aby zavedl plnohodnotn posuvn proud, provedl syntzu experimentlnch poznatk a teoreticky dosp l k vlnov m elektromagnetick m jev m. Jak naopak scestn byly terov hypotzy, kter tehdy pely do teorie elektromagnetickho pole z optiky a kter dokzaly zbrzdit v voj oboru tm na tvrt 340

Matematika - fyzika - informatika 20 2010/2011

stolet. Na druh stran je obdivuhodn, s jakou eleganc se A. Einsteinovi roku 1905 podailo (dokonce jen b hem esti t dn ) vytvoit speciln teorii relativity, kter zavrovala 120let v voj oboru a kterou ji nebylo prakticky teba opravovat (po 3 m scch Einstein provedl jen mal dopln n o slavn E = mc2 ). Tato pevratn teorie byla ji zakdovna v elektrodynamice a ekalo to jen na odvnho gnia, aby dostal odvahu a rozhrnul oponu poznn. A tm prv byl mlad Einstein. Na v voji tto sti fyziky lze nejen pozorovat, jak lov k poznv prodn d je a nalz vazbu mezi dosud samostatn mi obory, ale jak nakonec sp n vytv stle dokonalej fyzikln obraz sv ta a vyuv poznan jevy pro ve sv j prosp ch prostednictvm etn ch technick ch aplikac.

2. Experimentln vchodiska elektromagnetismu

Za prvn dva v znamn experimentln pile elektromagnetismu povaujeme Coulombv zkon elektrostatiky (1785), jemu pedchzel Coulombv zkon magnetostatiky. Toto byl tak historicky v znamn zkon, avak jak ukzal dal v voj, byl pon kud zavd jc pro uvn pojmu magnetick mnostv nicmn peel do soustavy Maxwellov ch rovnic jako rovnice o neexistenci magnetick ch monopl . Pozoruhodn je, e autorem t chto fyziklnch zkon je francouzsk vojensk inen r Ch. A. Coulomb, kter nejprve (1784) musel navrhnout torzn vhy a vytvoit teorii krutu (torze) prun ch drt a ty kruhovho pr ezu (pesn platnou dodnes), aby mohl provst kvantitativn m en. Po publikovn Coulombov ch zkon ji matematici S. D. Poisson, P. S. Laplace a G. Green vytvoili matematickou teorii elektrostatiky (a nezvisl, i kdy jevov v mnohm analogick magnetostatiky) s vyuitm teorie potencilu tehdy uvan ji v Newtonov teorii gravitace. V znamn m meznkem v dalm v voji byl rok 1800, kdy Ital A. Volta sestrojil elektrochemick zdroj stejnosm rnho nap t (Volt v sloup), kter teprve umonil provd t experimenty se stejnosm rn m proudem. Pak ji nsleduje rok 1820, kdy dnsk fyzik H. Ch. Oersted objevil schopnost elektrickho proudu budit magnetick pole. Pot poznvn ji akcelerovalo. Kvantitativn m en provedli Francouzi J. B. Biot a F. Savart jet koncem roku 1820 (pstroj viz obr. 1) a vzp t pot (1821) matematik P. S. Laplace podal formulaci diferencilnho zkona. Jeho souasn diferenciln tvar (v soustav SI) pro indukci B je 0 I (dl r 0 ) jr 0 j = 1: dB = 4r 2


(1) 341

Zkon je znm jako Biotv-Savartv-Laplacev zkon a tvo tet experimentln pil elektromagnetismu. Bezprostedn z n j plyne ekvivalentn a pro teorii v znamn zkon celkovho proudu.

;; ; ;

Obr. 1 P stroj Biotv-Savartv (1820), kterm bylo provedeno kvantitativn m en magnetickho pole elektrickho proudu schma a proveden

Zajmav je, e hned po zveejn n Oerstedova objevu se v letech 1820{ 1827 magnetick mi inky elektrickho proudu tak zab val Francouz A. M. Ampere, kter do t doby p sobil pevn jako matematik. V lnku Teorie elektromagnetick ch jev , odvozen v lun z pokus (1826) publikoval diferenciln zkon o magnetick interakci mezi dv ma elementy proudovodi I dl , k n mu dosp l zobecn nm sv ch d mysln ch experiment . Dnes se Amprv zkon uvd ve tvaru dFmg = I dl B

(2)

kde B je indukce magnetickho pole (jeho zdroj nen ble uren) a do n j je vloen elementrn proudovodi. P vodn Amperovo vyjden je obecn j, nebo! souasn v podstat zahrnuje i zkon B-S-L (1). V soustav Maxwellov ch rovnic se v sledek (2) uvd jako vedlej rovnice (ve tvaru Lorentzovy sly pro nboj pohybujc se v elektromagnetickm poli). Anglian M. Faraday se od roku 1822 snail experimentln najt inverzn jev k Oerstedovu objevu, tj. jak pomoc magnetismu vyvolat elektrick proud. I kdy tomu v noval znan sil, podailo se mu to a roku 342


18311), kdy experimentln dosp l ke tem mon m zp sob m elektromagnetick indukce (obr. 2). Faradayv zkon elektromagnetick indukce, kter Faraday pro indukovan nap t vyjdil ve tvaru & = ;@=@t, Maxwell vyuil v hlavn soustav rovnic elektromagnetickho pole jako tvrt experimentln pil nov teorie. Rovn pouil geniln Faradayovu pedstavu o poli (i kdy tehdy jet mechanistickou), zprostedkovvajc elektromagnetickou interakci, a o siloarch, jimi se znzor"uje (a podle Faradye realizuje).

; ; ; ;; ; ;

Obr. 2 Faradayovy t i experimenty o elektromagnetick indukci (1831) a Faradayovy cvky

Obr. 3 Fyzikov 1. obdob elektrodynamiky: Andr Marie Ampere (1775{1836), Michael Faraday (1791{1867), Wilhelm Eduard Weber (1804{1891) a James Clerk Maxwell (1831{1879)

V e uveden skutenosti jsou velmi d leit a dobe znm. Mn asto se pipomn pnos n meckho fyzika W. Webera, kter propojil Coulomb v zkon elektrostatiky se zkonem Amprov m a kter m souhrnn 1)

Zajmav je, e prv v tomto roce se narodil J. C. Maxwell.


343

popsal (nerelativistickou) slu mezi dv ma nerovnom rn se pohybujcmi se elektrick mi nboji. V znamn m Weberov m pnosem z roku 1852 je to, e po nron ch experimentech se mu podailo vyhodnotit vztah mezi konstantami pro vakuum { permitivitou, permeabilitou a zjistil, e jsou vzny rychlost sv tla ve vakuu: "0 0 = c;2 . Tento tehdy pekvapujc v sledek lze povaovat za prvn experimentln mstek mezi elektrodynamikou a tehdy jet dlouho neznmou speciln teori relativity. V znamn fyzikov 1. obdob elektrodynamiky jsou na obr. 3.

; ;

3. Maxwellova syntza

Obr. 4 Tituln strana 1. dlu vhlasn Maxwellovy monograe 9], j byla zaloena teorie elektromagnetickho pole ukzka strnky z 2. dlu

Mezi roky 1855 a 1873 provedl skotsk fyzik J. C. Maxwell geniln syntzu experimentlnch poznatk z elektromagnetismu (souhrnn ve dvoudln monogra$i %9] { tituln strana tohoto spisu je na obr. 4). Intuitivn tehdy doplnil zkon celkovho proudu o posuvn (dnes Maxwell v) proud o hustot @ D =@t, jemu rovn pisoudil magnetick inky a vytvoil geniln soubor rovnic. 'pln soustava hlavnch Maxwellov ch rovnic elektromagnetickho pole pro intenzity a indukce elektrickho a magnetickho 344


pole v pozd jm vektorovm zpisu a v soustav SI m diferenciln tvar rotH ; @@tD = j divD = % rotE + @@tB = 0 divB = 0:

(3)

Prvn z rovnic je vyjdenm zkona celkovho proudu (vychzejcho z experimentlnho Biotova-Savartova-Laplaceova zkona), kter je dopln n o hustotu posuvnho proudu. Druh rovnice bezprostedn plyne z Coulombova zkona elektrostatiky a vyjaduje Gauss v zkon elektrostatiky. Tet rovnice m experimentln zklad ve Faradayov zkon elektromagnetick indukce a tvrt rovnice je Gauss v zkon magnetostatiky a vyjaduje skutenost, e neexistuj magnetick monoply (a mylen magnetick silory jsou tedy uzaven kivky). Tato soustava Maxwellov ch rovnic se dopl"uje soustavou vedlejch rovnic, k nim pat lokln (diferenciln) tvar Ohmova zkona (j = E ), vztahy mezi indukcemi a intenzitami pro elektrick a magnetick pole (tzv. materilov vztahy pro izotropn nebo neizotropn prosted pro izotropn homogenn prosted to jsou jednoduch vztahy D = "E , B = H ). Dle je to vztah pro Lorentzovu slu, p sobc na elektrick nboj, pohybujc se v elektromagnetickm poli: F = q(E + v B ) a vztah pro hustotu elektromagnetick energie: w = (E D + H B )=2. Soustava se jet dopl"uje rovnic kontinuity pro elektrick nboj a proud (divj +@%=@t = 0), je bezprostedn plyne z platnosti 1. a 2. rovnice hlavn soustavy (3). D leitou soust Maxwellovy soustavy parcilnch diferencilnch rovnic jsou okrajov podmnky. Geniln intuitivn dopln n zkona celkovho proudu o posuvn proud pivedlo Maxwella matematickou cestou k vlnov m rovnicm a souasn k poznatku, e elektromagnetick pole se ve vakuu rychlost sv tla o velikosti c, pro ni plat "0 0 = c;2 (vztah mezi t mito konstantami pro vakuum experimentln ji roku 1852 zjistil Weber, jak ji bylo uvedeno) a v prosted rychlost o velikosti v = c=("r r )1=2 < c. Z okrajov podmnky pro ten sloky intenzity elektrickho pole na rozhran dvou prosted Maxwell teoreticky dosp l k poznatku, e zde se rovinn elektromagnetick vlna odr a lme, piem spl"uje zkony znm z optiky (zkon odrazu a Snell v zkon). To Maxwella pivedlo k vypracovn elektromagnetick teorie sv tla. Bohuel od optik (Th. Young, A. J. Fresnel, 1800) pijal tak hypotzu o teru { o jakmsi materilnm prosted, potebnm k jeho en. Maxwell se experimentln veri$kace sv ch genilnch teoretick ch poznatk ji nedoil, protoe roku 18792) ve sv ch 48 letech zemel. 2)

Opt zajmavost: v tomto roce se narodil A. Einstein.


345

4. Postmaxwellovsk obdob 4.1 Pnos Hertz v, Heaviside v, Lorentz v a Poynting v

V znamn m Maxwellov m pokraovatelem byl n meck fyzik H. Hertz. Tomu se v letech 1887 a 1888 pedevm podailo geniln jednoduch mi pokusy s jiskrov mi osciltory, jako vyslai a pijmai, generovat a pijmat elektromagnetick vlny o vlnov dlce asi 4 m. Tm prokzal jejich existenci jako transverslnho vln n, kter se chov stejn jako sv tlo, tj. odr se, lme podle Snellova zkona a je polarizovan. Rovn obohatil Maxwellovu teorii jejm pehledn jm zpisem a pracoval tak na teorii elektromagnetickho zen (Hertzovy vektory, Hertzv dip l). Jeho ivot bohuel skonil jet v nim v ku (37 rok ) ne ivot Maxwell v. Mn znm m, avak v znamn m Maxwellov m pokraovatelem je O. Heaviside (anglick samouk, matematik, fyzik a elektroinen r), kter se pedevm zaslouil o pepis Maxwellov ch rovnic z mlo srozumitelnho kvaternionovho tvaru do souasn uvanho tvaru { pomoc vektorov anal zy, kterou (spolu)vytvoil. Tm v razn pisp l ke srozumitelnosti a rozen Maxwellovy teorie. Velk m Heavisideov m pnosem je vypracovn teorie elektromagnetickho pole rychl ch nboj { jeho vztahy plat pro relativistick rychlosti, i kdy se psala teprve lta 1888, 1889. V deck komunita (zejmna tehdej) jej pli neakceptovala, k emu pispval Heaviside sm tm, e jeho psp vky byly n kdy mlo srozumiteln a rigorzn (bez d kaz ).

;; ; ;

Obr. 5 Fyzikov 2. obdob elektrodynamiky: Heinrich Rudolf Hertz (1857{1894), Oliver Heaviside (1850{1925), Hendrik Antoon Lorentz (1853{1928) a zakladatel teorie relativity Albert Einstein (1879{1955)

Dalm velmi v znamn m Maxwellov m pokraovatelem byl Holan)an H. A. Lorentz, kter roku 1892, krtce po objevu elektronu, pepracoval 346


fenomenologickou Maxwellovu teorii na teorii elektronovou (mikroskopickou). Pi zpasu s terov mi hypotzami (viz l. 5) to byl tak on, kter se dostal a ped prh teorie relativity, avak pedstavu teru pitom nedokzal opustit. Hlavn teoretick pnosy k Maxwellov teorii v 19. stolet uzavraj Anglian J. H. Poynting, je rozpracoval teorii zen (Poyntingv vektor) a A. M. Linard s E. Wiechertem. Linard (1898) a Wiechert (1900) popsali elektromagnetick pole rychl ch nboj uitm retardovan ch Linardovch-Wiechertovch potencil jejich pnos je znm j, ne pnos Heaviside v. Fyzikov 2. obdob rozvoje elektrodynamiky jsou na obr. 5.

4.2 Heavisideovo pole

Elektrodynamikou rychl ch (v dnen terminologii relativistick ch) nabit ch stic se ji v letech 1888 a 1889 zab val O. Heaviside %4]. Za pedpokladu, e Maxwellovy rovnice plat ve stejnm tvaru jak v inerciln soustav klidov, tak pohybliv a e c = konst., Heaviside odvodil elektrodynamickou slu mezi elektrick mi nboji Q (o rychlosti v ) a q (o rychlosti u ). Podle Heavisidea (ve vyjden Z. Horka { %5], %6]) plat

Q r 0 + 1 u (v r 0) = q(E + u B ) F = q; H H 4"0 r2 c2

(4)

kde se pedpokldaj relace u = konst. < c, v = konst. < c. D leitou veliinou ve vztahu (4) je ; = 1 ; (v=c)2 1 ; (jv r 0 j=c)2 ;3=2

(5)

kter se naz v Heavisidev rychlostn faktor (m zeteln relativistick charakter { co op t sv d o tom, e pozd j speciln teorie relativity je konzistentn s Maxwellovou teorii elektromagnetickho pole). Veliiny EH , BH ve vztahu (4) popisuj intenzitu elektrickho pole a indukci magnetickho pole rychlho nboje Q pi jeho setrvanm pohybu v mst druhho rychlho nboje q. Toto pole se na Heavisideovu poest naz v Heavisideovo elektromagnetick pole a zejm pro n plat EH = ;

Q r 0 B = ; Q (v r 0) : H 0 4r2 4"0 r2


(6) 347

Heaviside v rychlostn faktor ; popisuje v raznou deformaci pole velmi rychl ch nboj . Snadno to lze posoudit pro dva v znamn zvltn ppady sm ru mezi v a r . Pro = 0 a = =2 je 2

2 ;1=2

(; )=0 = 1 ; vc2 < 1 (; )==2 = 1 ; vc2

> 1:

Z t chto v raz plyne, e v porovnn se statick m polem nebo s klasick m ppadem mal rychlosti v je Heavisideovo pole ve sm ru pohybu nboje mn intenzivn ne ve sm ru kolmm na rychlost v nboje. Vznik tak zplot n pole. V ppad elektrickho pole je tento jev zejm z obr. 6. Dokazuje se (%6], %13]), e v tok vektoru intenzity EH libovolnou uzavenou plochou, obklopujc rychl nboj, je stejn jako pro nboj v klidu. Tedy Gauss v zkon elektrostatiky (resp. druh Maxwellova rovnice) plat i pro elektrick pole rychlho nboje. Heavisideovo pole podrobn rozpracoval Z. Hork (viz %5] a %6] { 1976, s. 576{588).

;

Obr. 6 Elektrick pole pomalho (c c, 0, ; nboje (v = 060c, ; =0 = 064, ; ==2 = 125)

1) a velmi rychlho kladnho

Zajmavou otzkou bylo ov en existence magnetickho pole druhho du, kterou formuloval Z. Hork. Za toto pole oznail relativistick pr stek magnetickho pole rychl ch nboj k poli, kter by vytvoily pomal nboje o stejnm elektrickm proudu. Nech! rychlost rychl ch nboj (nap. elektron ve vakuu) je v a jejich dlkov hustota nboje rychlost pomal ch nboj (nap. elektron ve vodii) je v 0 a jejich dlkov hustota nboje je 0 . Pak stejn proud bude, kdy I = v = 0 v0 (protoe v 0 v , je 0 ). Oekvalo se, e tento relativistick jev bude s v jimkou ultrarelativistick ch nabit ch stic velmi slab (podobn jako nap. relativistick jev kontrakce dlek) a obtn m iteln . 348


Pslun experiment provedl B. Vybral (viz %16] a %18]). K experimentu byla vyuita vakuov aparatura pro sven svazkem rychl ch elektron , piem rychlost elektron (o proudu I = 600 A = konst.) byla prostednictvm zm ny urychlovacho nap t nastavovna v intervalu v 2 (020 041)c. Aby bylo mon vznikajc magnetick pole induktivn detekovat, byl svazek elektron peruovn rotujcm ozuben m m d n m kotouem s frekvenc 121 Hz. Peruovan magnetick pole indukovalo v koncentricky umst nm toroidu m ic sondy nap t, kter $ltrovalo synchronnm detektorem a m ilo se. Elektrony se na konci sondy zabrzdily dopadem na kolektor a vracely se zp t koncentrickou trubkou, a to ji jako kondukn proud. Tm se doshlo toho, e sonda registrovala jen relativistick pr stek Heavisideova magnetickho pole (pole druhho du, kter bylo funkc 2 = (v=c)2 ). Tm, e elektrony byly brzd ny dopadem na kolektor na konci sondy, vznikalo rovn akceleran magnetick pole, kter je funkc = (v=c). Nap t vypoten podle teorie a nap t m en pi experimentu se liilo v mezch m icch chyb. Tm, e celkov proud v oblasti sondy byl nulov (I ; I = 0), m lo b t podle klasickho zkona celkovho proudu magnetick pole tak nulov nicmn nebylo { projevilo se jako zkouman magnetick pole druhho du. Popsan experiment veri koval existenci Heavisideova magnetickho pole a akceleranho magnetickho pole. Jak ukzal Z. Hork (viz nap. %5], %6]), Heavisideovo pole a tak akceleran elektromagnetick pole spl"uj Maxwellovy rovnice elektromagnetickho pole. Relativistick sloka magnetickho pole je tak soust Maxwellov ch rovnic, i kdy je Maxwell intuitivn odvodil zobecn nm jen klasick ch zkon pro elektromagnetismus, formulovan ch zobecn nm experimentlnch poznatk zskan ch pro kondukn proudy. Literatura 1] Einstein, A.: Zur Elektrodynamik bewegter Krper. Annalen der Physik, 17 (1905), s. 891. 2] Einstein, A.: Ist die Trgheit eines Krpers von seinem Energieinhalt abhngig? Annalen der Physik, 18 (1905), s. 639{641. 3] Einstein, A.: !ber die spezielle und die allgemeineRelativittstheorie. Braunschweig: Vieweg, 1921. 4] Heaviside, O.: Electrician, 23 (1888) Phil. Mag. 27 (1889), p.324, Electrical Papers, Vol. II. 5] Hork, Z. { Krupka, F.: Fyzika. Praha: SNTL/Alfa, 1966, 1976, 1981.


349

6] 7] 8] 9] 10] 11] 12] 13] 14] 15] 16] 17] 18]

Hork, Z.: Heaviside Field. Elektrotechnick Obzor, 57 (1968). s.356{362. Laue, M.: Djiny fyziky. Praha: Orbis (MME), 1959. Mal ek, V.: Co vte o djinch fyziky. Praha: Horizont (MME) 1986. Maxwell, J. C.: A Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford: Clarendon Press, 1873. Mayer, D.: Pohledy do minulosti elektrotechniky. #esk Budjovice: Kopp, 1999, 2004. Michelson, A., Morley, E.: Americ. Journ. Sci. 34 (1887), p.333 Phil. Mag.24 (1887), p.449. M/oller, C.: The Theory of Relativity. Oxford: At the Clarendon Press, 1969. Rosser, W. G. V.: Classical Electromagnetism via Relativity. London: Butterworths, 1968. Votruba, V.: Zklady speciln teorie relativity. Praha: Academia, 1969. Vybral, B.: Fyzikln pole z hlediska teorie relativity. Praha: SPN, 1976 Bratislava: 1980. Vybral, B.: M en magnetickho pole 2. du rychlch elektron. Elektrotech. $as., 39 (1988), s. 266. Vybral, B.: Theoretical and Experimental Research of the Second{order Magnetic Field. Journal of Physics D: Appl. Phys. 22 (1988), pp. 1{10. Vybral, B.: Teorie relativity a gravitace. Hradec Krlov: Gaudeamus, 2008.

(Pokraovn)

sticov struktura ltek ab initio I) ALE LACINA P rodovdeck fakulta MU, Brno

Nevesel dosavadn bilance polistopadovho v voje eskho kolstv (nap. %ii{iv]), nut k zamylen jak nad rozumnost zp sobu, tak nad kvalitou ppravy jeho modernizace. *adu nanejv zvan ch zm n s dalekoshl mi d sledky pro koln vzd lvn pinesla u sama politicky prosazen idea vzd lvacch program . Ta nala svoji konkretizaci v rm) #lnek je $st rozshlej%ho textu p ednesenho na konferenci Modern trendy v p prav uitel fyziky 3 (Srn 2007) a publikovanho v #eskoslovenskm $asopisu pro fyziku i].

350


cov ch vzd lvacch programech pro jednotliv rovn a typy kol, kter nov upravily a kodi$kovaly v podstat vechny strnky v chovn vzd lvac innosti. A tak rovn Rmcov vzd lvac program pro gymnzia %v] zavedl jako stedn pojem klov kompetence, pomoc n j stanovil cle vzd lvn, de$noval vzd lvac obsah, vymezil oekvan vstupy a uivo a v neposledn ad pedepsal asov dotace. I kdy pomineme velmi kritizovateln zp sob, jm to uinil %vi], nelze pehldnout skutenost, e tento frzovit dokument postrd ducha, koncepci i jasnou pedstavu o v cnm obsahu a zp sobu realizace toho veho. Tyto nejd leit j, nejkvali$kovan j { a ovem tak nejobtn j { aspekty celho inovanho procesu tak ponechal ad znan nezodpov dn jin m. Tentokrt jednotliv m kolm. Natolik rozshl formln strukturln kolsk reform { kdy u musela b t (?) { m la nezbytn pedchzet poctiv d kladn, v cn i didaktick, anal za konkrtnho obsahu vzd lvn. Nic takovho vak { ani v nznaku { provedeno nebylo. Za tto neut en situace nezb v zejm nic jinho, ne aby se do dodaten npravy v c pustili lid, kte si souasn tristn stav uv domuj. { A posledn zchranou pak budou muset zejm b t v n podce"ovan a znevaovan uitel. Tento psp vek je prvnm z trojice text pinejcch konkrtn pklad rozboru, po n m se na pedchozch dcch vol. Zab v se jednm z tmat, kter jsou ve stedokolsk fyzice dlouhodob odb vna { v kladem zkladnch pedstav o stavb ltek. Je pznan, e v tina lid na tomto mst dn problm nevid. Vichni pece v d, e: ltky se skldaj z molekul, molekuly z atom, atomy z t kch jader a jejich lehkch obal, : : : Sta tedy tyto poznatky vtpit i k m i student m. Zp sob, jm se to tradin d l, je vak alarmujc: V nich roncch zkladn koly se tato fakta { zcela rozumn { prost oznm s tm, e ve bude hloub ji vysv tleno a detailn okomentovno pozd ji. Dal v uka tohoto tmatu se vak u d je metodou kov ch odkaz typu: Jak se dozvte ve fyzice : : : (chemie), Jak ji vte z chemie : : : (fyzika), Na st edn kole se dozvte podrobn ji : : : (zkladn kola), Ji ze zkladn koly vte : : : (stedn kola). Tento zp sob v uky { metodou zjeven ch hotov ch pravd { nezdka pokrauje tak na kolch vysok ch. A tak dokonce i mnoz absolventi jejich prodov dn ch a technick ch obor nikdy neslyeli otzku (nato, aby si ji sami poloili) Pro myslte, : : : ?, Odkud vte, : : : ?, Z eho plyne vae p esv den, e : : : : ltky se skldaj z molekul, molekuly z atom, atomy z t kch jader a jejich lehkch obal, : : : ? Jak by asi vypadala jejich odpov )? Matematika - fyzika - informatika 20 2010/2011

351

vod

Fyzika mikrosv ta je zvltn disciplinou. Na rozdl od ostatnch fyziklnch parti, kter j ve kolnm uivu pedchzej a kter v tinou popisuj sv t na kadodenn zkuenosti (makrosv t), se toti zab v studiem chovn a vlastnost objekt , je nelze vnmat lidsk mi smysly. Ani pmo, ani s pomoc jednoduch ch pstroj , jako je napklad lupa nebo optick mikroskop. Mme-li se o emkoli poctiv a zodpov dn vyjadovat, musme b t schopni sv tvrzen podept srozumiteln mi pr kazn mi argumenty. Pi popisu a vysv tlovn jev probhajcch v makrosv t je situace zjednoduena tm, e vyslovovan m zv r m dodv v rohodnosti i pm smyslov zkuenost. Jej absence v ppad mikrosv ta naopak vede k nezbytnosti spolehnout se jen na v sledky experiment . A teprve na zklad jejich pelivho kritickho rozboru si postupn vytvet pedstavu o sloen a vnitnm uspodn smyslov nedostupnho mikrosv ta a nsledn i o vlastnostech a chovn mikroobjekt . Dnes b n vzd lvac postupy se vak bohuel ubraj jinou cestou: s pon kud demagogick m odkazem na iluzorn potebu piblit { i na stedn kole { obsah vyuovn souasnmu stavu v dy zpravidla rychle mjej zklady, na nich je modern fyzika vybudovna a akcentuj spe zajmav j aktuln tmata. Praktick m d sledkem tohoto zp sobu vzd lvn ovem jsou jen povrchn trkovit znalosti pevn deklarativnho charakteru a { co je jet hor { tendence student , nechpajcch pojmy a pedstavy, jimi se v diskusi takov ch problm operuje, uvaovat a mluvit o v cech, jejich skuten podstat nerozum j. Preference vysp l ch tmat k vy vzd lanosti automaticky nevede. A pout t se do nich se studenty, jejich pesv den nap. o diskrtn struktue hmoty spov jen v zapamatovan ch nzvech atom, elektron, jdro, : : : , kter jim byly pedloeny bez jakkoli informace o empirickm materilu a vahch, je k vytvoen t chto pojm vedly, je sice snad na prvn pohled efektn, ale rozhodn intelektuln neestn, pokud sv m sv enc m naped nepom eme vytvoit a d kladn pochopit nezbytn zklady. Je zejm nanejv douc { namsto mluven (do znan mry planho) o efektnch tmatech, na n jejich fyzikln erudice, ani rozumov schopnosti zatm nesta { nechat studenty pohldnout na tmatiku mikrosv ta prizmatem sice mn vzneen ch, zato vak poctiv zvldnuteln ch problm . 'elem a snahou nsledujcch strnek je demonstrovat monost napln n tohoto poadavku pipomenutm logiky (i historie) postupu, kter 352


pivedl k pesv den o existenci atom a k zkladn pedstav o jejich struktue. Tyto fundamentln poznatky, na nich stoj cel modern prodov da, se dnes ve koln v uce prezentuj velmi formln { v podstat informativnm zp sobem %1]. Pitom cesta, j lov k dosp l od n kdej nev domosti k souasnmu porozum n, je zvldnuteln i na gymnaziln

rovni a m nesmrnou jak fyzikln, tak pedagogickou hodnotu. Toto tdln pojednn je mn no jako nrt vodnho v kladu zmn n problematiky provzen roziujcmi poznmkami fyzikln -metodickho charakteru. Ke zv razn n jeho hlavn ideov linie byly n kter komente, kter tento fyzikln pb h prohlubuj a uvd j jej do irch souvislost, pesunuty do pom rn rozshlho poznmkovho apartu. ,ten jich vak zajist m e { podle svho uven { na libovolnm mst libovoln pout k rozen i jin vlastn modi$kaci zkladnho textu.

Od prvn ch atomistickch pedstav k pesvden o existenci vnitn struktury atom

Nejpirozen jm zatkem jakkoli vodn prezentace fyziky mikrosv ta je jist vytvoen zkladn pedstavy o jeho struktue. Prv ona je toti v chodiskem vech dalch vah a proto mus b t nejen jasn formulovna, ale m la by b t tak peliv , pesv div zd vodn na. Zkladn otzkou a prvnm krokem do mikrosv ta je tedy problm jeho struktury. Vichni jsme od tlho v ku vychovvni v pesv den (nebo ve ve?), e

L TKY SE SKL DAJ Z ATOM.

Tento zv r vak nen nijak samozejm . Obvykl konstatovn, e to v d li ji sta *ekov, kriticky uvaujcho lov ka neuspokoj: e d litelnost ltek kon atomy, staroet $lozofov nev d li, n br pouze pedpokldali. A navc jen n kte, zatmco jin zastvali opan nzor. Ani ppadn { rovn asto uvan { odkaz na modern vysp l experimentln techniky nen vhodn m argumentem, pon vad u jenom vysv tlit princip innosti t chto pstroj , nato pak porozum t jejich daj m, je samo o sob podstatn obtn j ne odpov d t na v choz otzku. (Dlouhou historii v voje pedstav o struktue ltek strun popisuje lnek %2].) Pokud ji na existenci atom pistoupme { nen bez zajmavosti pipomenout, e prodov da to bez v hrad ud lala teprve ped sto lety %2] { mme ped sebou dal krok: podrobn ji atomy popsat. Dnes vichni vme, e Matematika - fyzika - informatika 20 2010/2011

353

ATOMY MAJ VNITN STRUKTURU.

Toto tvrzen se vak diametrln li od nzor duchovnch otc atomistick koncepce (Leukippos, 500{450 p. n. l. Dmokritos 460{370, p. n. l.), kte atomy povaovali za nejmen { dle ned liteln { stavebn jednotky ltek. Vlastnosti r zn ch objekt naeho sv ta pak zd vod"ovali r zn m tvarem, velikost, pohybem a spojovnm vnitn nestrukturovan ch atom . Ani zakladatel chemickho atomismu John Dalton (1766{ 1844) o tiadvacet stolet pozd ji o ppadn vnitn struktue atom neuvaoval, kdy vechny svoje vahy zaloil na hypotze, e zkladnmi stavebnmi jednotkami ltek jsou nem nn { nezniiteln a nestvoiteln { atomy, kter jsou v chemick ch reakcch { jako celky { spojovny a rozluovny. Prvn nznak, e se uvnit atom n co d je a e by tedy m ly b t strukturovan mi objekty, pineslo ztoton n optick ch spekter zaht ch zed n ch plyn se spektry atomov mi (tedy zv r, e elektromagnetick zen emitovan zaht mi zed n mi plyny m p vod uvnit atom ), k n mu dolo ve druh polovin devatenctho stolet %P1]. Skutenost, e jednotliv atom vysl (i pohlcuje) sv tlo, toti nen mysliteln bez pr vodnch zm n v jeho nitru. Meznkem v nazrn na atom se vak stal a objev pirozen radioaktivity (1896 Henri Becquerel, 1852{1908) a zejmna nsledn podrobn experimentln prozkoumn tohoto jevu (Ernest Rutherford, 1871{1937). Z pozorovan postupn zm ny chemickho sloen radioaktivnch vzork toti vyplynulo, e souasn s emis radioaktivnho zen dochz k pem n jednoho prvku v prvek druh . Jinak eeno, atomy uritho druhu se m n v atomy jinho druhu, co ovem znamen, e nejsou tak stl a nem nn, jak se doposud v ilo: Atomy radioaktivnch prvk], z chemickho hlediska ned liteln, jsou zde d liteln, pe Marie Curie (1867{ 1934) v roce 1900 a dodv, e vysv tlen radioaktivity vymr!ovnm subatomrnch stic vn podkopv stvajc] chemick principy. Nsledujc vahy o atomech ji spovaly ve spekulacch o vnitnm ustrojen { tedy o stavb { atomu. (Cesta k jednoznan m formulacm uvd n m v dnench uebnicch vak byla jet dlouh a je v mnoha sm rech poun.) Vechny tyto pedstavy m ly { pes vekerou svoji rozdlnost { jeden spolen rys. Kad z nich pedpokldala, e soust atomu jsou mikroobjekty objeven rok po objevu pirozen radioaktivity { elektrony. 354


Literatura i] Lacina, A.: Deset krok do mikrosvta. #s. $as. fyz. 57, $. 4 (2007) 243. ii] Lacina, A.: Aktuln problmy $eskho fyziklnho vzdlvn. #s. $as. fyz. 54, $. 2 (2004) 92. http://www.physics.muni.cz/kof/clanky/aktprobl.pdf iii] Piha, P.: Velk iluze $eskho %kolstv. P edn%ka na Pedagogickch dnech na Univerzit Hradec Krlov, duben 2008. http://www.stolzova.cz/stolzova/view.php?cisloclanku=2008041701 iv] Lacina, A.: TIMSS 2007 { pou$en z krizovho vvoje? http://www.physics.muni.cz/kof/clanky/TIMSS 2007 pouceni.pdf v] Rmcov vzdlvac program pro gymnzia. Vzkumn &stav pedagogick, Praha 2007. vi] Bev , J.: Na%e hav sou$asnost. P edn%ka na konferenci 'Matematika zklad vzdlanosti(. (Hradec Krlov, z 2007). http://schol-methodicus.eu/Apel-k-verejnosti.htm 1] Lacina, A.: Postrecenze u$ebnice 'Fyzika pro gymnzia { Fyzika mikrosvta(. )kolsk fyzika VI, $.3 (2000) 72. http://www.physics.muni.cz/kof/recenze/post7.pdf 2] Lacina, A.: Atom { od hypotzy k jistot . #s. $as. fyz. 48, $. 5 (1998) 282. http://www.physics.muni.cz/kof/clanky/atom.pdf

Poznmky

%P1] Emise elektromagnetickho zen souborem navzjem neinteragujcch stic (zed n m plynem) se realizuje navzjem nesouvisejcmi procesy emise zen jednotliv mi leny tohoto souboru. Zen emitovan plynov m t lesem je tedy prostou sumou psp vk od t chto elementrnch zdroj . Jsou-li jimi stice (nap. atomy) tho druhu, jsou jejich psp vky stejn. Zen emitovan atomrnm plynem m tud stejn jak spektrln sloen, tak relativn intenzity jednotliv ch vlnov ch dlek jako zen emitovan jednotliv m atomem a li se od n j jen celkovou intenzitou, kter je m rn potu atom v zcm plynu. (Zcela analogick vahy lze formulovat i pro absorpci zen.) Na spektra atomrnch plyn { jak emisn, tak absorpn { se pak b n odkazuje jako na spektra atomov. Vlastnosti t chto spekter { zejmna jejich rov charakter, ale i intenzity spektrlnch ar { byly znmy ji hluboko v devatenctm stolet.


355

Vzdlen ovldan experimenty na internetu FRANTIEK LTAL P rodovdeck fakulta UP, Olomouc

vod

Experimentovn je jednou z velmi d leit ch soust v uky fyziky na vech stupnch vzd lvn. Z n kter ch pr zkum , kter byly v MFI dve publikovny (nap. v %1]), vak vypl v, e podl kovsk ch pokus nebo pokus uitel zabr v pr m ru na zkladnch a stednch kolch velmi mal procento vyuovac hodiny fyziky. Clem tohoto psp vku je pedstavit nikoliv nov , ale v dnen dob ne zcela vyuvan druh fyziklnho experimentovn, a to prci s tzv. vzdlen ovldan mi experimenty. Mnoz uitel vyuvaj ve sv v uce fyzikln aplety (resp. physlety), kter ch lze na webov ch strnkch najt obrovsk mnostv. Pomoc t chto aplet je mono namodeloval libovoln fyzikln d j, co v reln ch face to face kolnch fyziklnch laboratoch nen mon nikdy dokzat.

; Obr. 1

356


Na rozdl od t chto virtulnch simulac, jsou vzdlen ovldan experimenty sestaveny z reln ch (skuten ch) fyziklnch pstroj , kter lze prostednictvm internetu vzdlen ovldat z libovolnho msta na sv t v libovolnou denn dobu. Prostednictvm webov kamery maj uivatel internetu monost on-line sledovat zm ny na vzdlenm experimentu, nam en data stahovat do sv ch pota a dle s nimi dle libosti pracovat. Zkladn schma vzdlen ovldanho experimentu je zobrazeno na obr. 1.

Vhody vzdlen ovldanch experiment

Kad typ experiment m sv v hody, ale i nev hody. Zkladn v hody tradinch kolnch experiment spovaj v tom, e ci: pracuj v pmm kontaktu s m icmi pstroji zskaj okamitou zp tnou vazbu od svho vyuujcho mohou t mov spolupracovat v kolektivu tdy. Mezi hlavn v hody virtulnch aplet pat: tvorba experiment je zcela zdarma a lze namodelovat libovoln fyzikln d j na internetu lze nalzt obrovsk mnostv t chto experiment lze nzorn zobrazit dan fyzikln jev. Vzdlen ovldan experimenty maj oproti tradinm a virtulnm experiment m tyto zkladn v hody: ci pracuj s reln mi fyziklnmi pom ckami v libovolnm ase z libovolnho msta na sv t , co umon pstup k reln m experiment m i k m, kte nap. ze zdravotnch d vod nemohou navt vovat svou kolu nehroz nebezpe razu pi prci s nebezpen mi pstroji zapojen internetu do fyziklnho experimentovn m e zv it zjem mlad ch lid o studium tto prodn v dy.

Vzdlen ovldan experimenty na internetu

Na internetu se m eme setkat s dv ma typy vzdlen ovldan ch experiment . Prvn druh reprezentuj experimenty, k jejich ovldn je poteba sthnout do potae dodaten program, kter zprostedkuje komunikaci mezi potaem a m icmi pstroji. Tento pstup vyuv systm LabVIEW, kter je vytven $rmou National Instruments. Pro uitele nebo studenty, kte prostednictvm internetu experimentuj jen zdka, nen Matematika - fyzika - informatika 20 2010/2011

357

zcela ideln instalovat speciln software do svho potae. Druh m typem jsou experimenty, kter lze pes internet ovldat pmo z webovho prohlee bez nutnosti instalovn specilnch ovldacch program . Jedinou podmnkou pro sput n vybranho experimentu z webovho prohlee je nainstalovn zcela standardnho programu JAVA. V tomto psp vku uvedeme n kolik zajmav ch webov ch strnek, kter obsahuj prv tento druh typ vzdlen ovldan ch experiment .

1. http://rcl.physik.uni-kl.de/

Na webov strnce %2] se nachz cca 15 funknch vzdlen ovldan ch experiment , kter lze vyut pi v uce fyziky na zkladn nebo stedn kole. Tyto webov strnky jsou v n meckm nebo anglickm jazyce. Pokud si nap. zvolme anglick jazyk, je teba na tituln webov strnce kliknout na npis RCLs, kter oteve strnku se vzdlen mi experimenty. Kad experiment obsahuje vodn informace, teorii k experimentu, koly a anal zu nam en ch dat. Pod npisem Laboratory se oteve okno s ovldacm prostedm vzdlenho experimentu a obraz z webov kamery, kter zobrazuje aktuln d n v laboratoi. Mezi velmi zajmav experimenty z tto webov adresy pat: pozorovn elektronov difrakce (obr. 2) uren rychlosti sv tla prozkoumn fotoelektrickho jevu uren thovho zrychlen z doby kyvu n kolika matematick ch kyvadel studium radioaktivnho zen pokusy ve vzduchovm tunelu { aerodynamika.

2. http://www.ises.info/

Na esk ch webov ch strnkch %3] lze v souasn dob nalzt sedm vzdlen ovldan ch experiment . Kad experiment obsahuje fyzikln zklad, nvod k experimentu a zadn lohy. Zajmav vzdlen ovldan experimenty z tto webov adresy nap. jsou: ohyb elektromagnetickho zen pem na solrn energie elektromagnetick indukce. 358


; ; ; Obr. 2

3. http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab/

Na webov strnce %4] je uivatel m internetu k dispozici vzdlen ovldan experiment na urovn voltamprov ch charakteristik esti r zn ch zdroj sv tla (obr. 3). K tomuto experimentu je vytvoen nvod m en a protokol, kter lze pout pro laboratorn m en na stedn kole.

;; ; ; ; Obr. 3


359

4. Dal webov strnky se vzdlenmi experimenty

Mezi dal vzdlen ovldan experimenty je vhodn zaadit eskou strnku http://ises.tym.cz/ %5], kter obsahuje nap. vzdlen m en na fotovoltaickm panelu, nebo zznamy m en z meteorologick stanice. Zznamy z meteorologick ch stanic nabzej nap. tak webov strnky Z. v .umperku %6] a strnky ,esk zem d lsk univerzity v Praze %7].

Zvr

Vzdlen ovldan experimenty nabzej zajmavou a modern formu experimentovn na zkladnch a stednch kolch a maj potencil zv it zjem student o studium fyziky. Tento druh experimentovn nem e nahradit reln pokusy ve vyuovacch hodinch, ale poskytuje novou alternativu ve v uce fyziky a ostatnch prodnch v dch. Doufme, e vm tento lnek ozejm zkladn charakteristiky vzdlen ovldan ch experiment a webov adresy poskytnou zajmav nm t do v uky fyziky. Tento psp vek vznikl za podpory projektu Modern prostedky ICT v prodov dn ch a ekonomick ch oborech a jejich prezentaci, reg. . CZ.1.07/2.2.00/07.0062. Tento projekt je spolu$nancovn Evropsk m socilnm fondem a sttnm rozpotem ,esk republiky. Literatura 1] Svoboda, E. { Hfer, G.: Postoje u$itel zkladnch a st ednch %kol k vuce fyziky. MFI, r. 19 (2009/2010), $. 2, str. 84{97 & $. 3, str. 157{162. 2] 3] 4] 5] 6] 7]

360


stolet. Na druh stran je obdivuhodn, s jakou eleganc se A. Einsteinovi roku 1905 poda ilo (dokonce jen b hem esti t dn ) vytvo it speci ln teorii rela

Recommend Documents