Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra experimentální fyziky
DIPLOMOVÁ PRÁCE Podpůrné elektronické materiály k učebnicím fyziky
Autor:
Petr Cícha, Bc.
Studijní program:
N1701 Fyzika
Studijní obor:
Učitelství fyziky pro střední školy
Forma studia:
Prezenční
Vedoucí práce:
Mgr. Lukáš Richterek, Ph.D.
Termín odevzdání práce: 29. duben 2011
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně pod vedením Mgr. Lukáše Richterka, Ph. D. a že jsem použil zdrojů, které cituji a uvádím v seznamu použité literatury.
V Olomouci 29. dubna 2011
...……………………….......
Bibliografická identifikace: Jméno a příjmení autora Název práce Typ práce Pracoviště Vedoucí práce Rok obhajoby práce Abstrakt
Petr Cícha, Bc. Podpůrné elektronické materiály k učebnicím fyziky Diplomová Katedra experimentální fyziky Mgr. Lukáš Richterek, Ph.D. 2011 Cílem práce bylo vytvořit elektronické materiály (prezentace) podporující výuku části tématu fyziky mikrosvěta na střední škole a doplňující výklad učebnice [24] obrazovým a interaktivním materiálem (animace, applety). Tyto elektronické materiály budou volně k dispozici školám k praktickému použití prostřednictvím internetu. Závěrečná zpráva je komentářem a doplňkem k vytvořenému elektronickému materiálu.
Klíčová slova Počet stran Počet příloh Jazyk
Fyzika mikrosvěta, mikrosvět, učební prezentace 37 16 Český
Bibliographical identification: Autor’s first name and surname Title Type of thesis Department Supervisor The year of presentation Abstract
Keywords Number of pages Number of appendices Language
Petr Cícha, Bc. Supporting electronic materials to the physics texbooks Master Department of Experimental Physics Mgr. Lukáš Richterek, Ph.D. 2011 The aim of this diploma thesis is to create a supporting material (presentations) to the secondary school textbook [24] which concentrates on the particle physics and the physics of micro-world. The presentations include pictures and some interactive material (animations, applets) that could be useful for real lectures. The material will be available via the internet for free usage in schools. Final report is a comment and supplement of the prepared presentations. Particle physics, micro-world, learning material, presentations 37 16 Czech
Obsah 1 2
Úvod ............................................................................................................................... 6 Obecná problematika podpůrných materiálů k učebnicím ...................................... 8 2.1 Podpůrné materiály .................................................................................................... 8 2.1.1 Materiální a nemateriální prostředky .................................................................... 8 2.1.2 Didaktická technika ............................................................................................... 8 2.2 Multimediální didaktické prostředky ......................................................................... 9 2.2.1 Interaktivní tabule ................................................................................................. 9 2.2.2 Výhody a nevýhody moderní didaktické techniky .............................................. 10 2.3 Osobní počítač jako didaktický prostředek .............................................................. 10 2.3.1 Využití počítače................................................................................................... 10 2.3.2 Využití internetu .................................................................................................. 11 2.3.3 Využití MS Office PowerPoint ........................................................................... 11 3 Obecná problematika tématu fyziky mikrosvěta na SŠ .......................................... 12 3.1 Učebnice tématu Fyzika mikrosvěta ........................................................................ 12 3.2 Mikrosvět a makrosvět ............................................................................................. 12 4 Fyzika mikrosvěta v RVP pro jednotlivé typy škol ................................................. 15 4.1 Vymezení Rámcového vzdělávacího programu ...................................................... 15 4.1.1 RVP pro čtyřletá gymnázia ................................................................................. 15 4.1.2 RVP pro odborné školy ....................................................................................... 15 4.2 Úskalí fyziky mikrosvěta v rámci RVP ................................................................... 17 5 ŠVP – návrh probíraného učiva šířkou zpracovaných kapitol .............................. 18 5.1 Návrh ŠVP pro gymnázium ..................................................................................... 18 5.1.1 Základní poznatky kvantové fyziky .................................................................... 18 5.1.2 Atomová fyzika ................................................................................................... 19 5.1.3 Jaderná fyzika ...................................................................................................... 20 5.1.4 Částicová fyzika .................................................................................................. 21 5.2 Školní vzdělávací program Střední průmyslové školy stavební Lipník nad Bečvou21 5.2.1 Učivo a očekávané výstupy žáka ŠVP SPŠS Lipník nad Bečvou ....................... 22 6 Slovníček důležitých pojmů, definic, vzorců a konstant ......................................... 23 6.1 Zdroj slovníčku ........................................................................................................ 23 6.2 Pojmy a definice....................................................................................................... 23 6.3 Vzorce ...................................................................................................................... 25 6.4 Konstanty ................................................................................................................. 26 7 Struktura zpracovaných prezentací .......................................................................... 27 7.1 Použité programy ..................................................................................................... 27 7.1.1 MS Office PowerPoint ........................................................................................ 27 7.1.2 Obrázky ............................................................................................................... 27 7.1.3 GIMP ................................................................................................................... 27 7.1.4 Applety ................................................................................................................ 28 7.1.5 Systémové požadavky ke spuštění prezentací ..................................................... 28 7.2 Grafická struktura .................................................................................................... 28 8 Příklad zpracování vybrané prezentace ................................................................. 34 9 Seznam použité literatury ........................................................................................ 35 10 Přílohy ....................................................................................................................... 37
5
1 Úvod Výuka fyziky, stejně tak jako výuka jakéhokoli jiného předmětu, je náročnou činností, která obzvláště nyní v moderní době potřebuje silnou a kvalitní materiální podporu. S nástupem Rámcových vzdělávacích programů a Školních vzdělávacích programů nebylo možné změnit celou podpůrnou materiálovou základnu (učebnice, didaktické pomůcky atd.). Došlo pouze k přizpůsobení či doplnění původních materiálů. Požadavku přizpůsobení naopak dobře vyhovují elektronické materiály, které lze průběžně aktualizovat a přizpůsobovat podle zkušeností s praktickou výukou. Nelze říci, že elektronické prezentace předkládají látku v heslovité podobě blízké tradičním zápiskům a poznámkám do sešitu nebo že mají nahradit učebnice. Naopak. Ucelený a souvislý výklad v učebnici bude vždy základním podkladem pro samostatnou práci žáků především v rámci domácí přípravy nebo v případě jejich nepřítomnosti ve vyučování. Cílem této diplomové práce bylo vytvořit doprovodný materiál v podobě počítačových prezentací k učebnici [24] s přihlédnutím ke srovnání s jinými učebnicemi [21] a [25] používanými na středoškolské úrovni. Po dohodě s vedoucím práce bylo zvoleno poměrně obtížné a abstraktní téma fyziky mikrosvěta, které učebnice [24] zpracovává do pěti kapitol. Diplomová práce se věnuje prvním dvěma kapitolám v rozsahu deseti prezentací odpovídajících podkapitolám učebnice. Názvy jednotlivých prezentací jsou: pro kapitoly Struktura mikrosvěta
Poznávání mikrosvěta;
Svět molekul a atomů;
Nitro atomu;
Složení jádra;
Vazebná energie a energie reakce,
pro kapitoly Pohyb v mikrosvětě
Kvantová hypotéza;
Fotoelektrický jev;
Foton;
Vlnové vlastnosti částic;
Kvantová mechanika.
6
Téma Fyziky mikrosvěta, jakož i obsah samotných prezentací a jejich stavbu, jsem hojně konzultoval s vedoucím práce Mgr. Lukášem Richterkem, Ph. D., kterému bych chtěl velmi poděkovat za odborné vedení, cenné rady a veškerou pomoc při tvorbě mé práce. Rovněž bych chtěl poděkovat za ochotu a čas věnovaný analýze vytvořených prezentací a konzultaci panu Mgr. Jiřímu Křížovi, učiteli Slovanského gymnázia Olomouc. Jeho spolupráce přispěla ke zlepšení obsahové náplně prezentací a k jejich obohacení zkušenostmi získanými učitelskou praxí. Chci také poděkovat mé manželce Marii Cíchové, která se velkou měrou podílela na grafické stránce a ilustracích. Výhodou při tvorbě diplomové práce byla má vlastní pedagogická praxe tříměsíčního zástupu za nemocného učitele na Střední průmyslové škole stavební Lipník nad Bečvou1. Učil jsem ve druhých ročnících čtyřletých oborů se zaměřením na stavebnictví, kde tematický plán pro druhé pololetí školního roku zahrnoval témata vnějšího a vnitřního fotoelektrického jevu a jejich aplikace, problematiku duální povahy světla, Bohrova modelu atomu, vzniku elektromagnetického vlnění, jeho zdrojů, včetně laserů. Problematika fyziky atomového jádra, bude probírána až ke konci školního roku po termínu odevzdání této práce. Z důvodu velkého vytížení učeben s prezentační technikou nebylo možné otestovat využití prezentací přímo ve výuce, v práci ale byly použity zkušenosti s výukou tohoto obtížného, ale zajímavého a aktuálního okruhu témat. Jak bylo uvedeno výše, výstupem této diplomové práce je deset prezentací. Prezentace budou dále volně dostupné ke stažení na internetu ve formátech ppt (možnost úpravy) a pps (prezentační formát), předložená závěrečná zpráva je komentářem a doplňkem k vytvořenému souboru materiálů. Zaobírá se jak obecnou problematikou technických didaktických prostředků, postavením tematiky Mikrosvěta na různých typech středních škol, jejím začleněním do Rámcově vzdělávacích programů (RVP) a rozpracováním v modelových Školních vzdělávacích programech (ŠVP), tak strukturou zpracovaných prezentací. Text obsahuje jednoduchý slovník základních definic, vzorců a konstant, a konkrétní ukázku jedné z vytvořených prezentací. Všechny prezentace jsou uloženy na přiloženém CD.
1
http://www.spsslipnik.cz
7
2 Obecná problematika podpůrných materiálů k učebnicím 2.1 Podpůrné materiály S pojmem podpůrné materiály (didaktické prostředky) se setkáváme napříč oblastí didaktiky a pedagogiky. Jedná se o didaktickou kategorii, kterou nelze ve vyučovacím procesu vynechat. Vždy jde o materiály sloužící k dosažení vytyčených cílů vzdělávání, mezi které patří široký vzdělanostní základ, příprava na budoucnost a hlavně rozvoj klíčových kompetencí (jedná se o soubor požadavků na vzdělání zahrnující vědomosti, dovednosti, postoje a hodnoty důležité pro osobní rozvoj jedince, jeho aktivní zapojení do společnosti a budoucí uplatnění v životě viz [17], [18]).
2.1.1 Materiální a nemateriální prostředky Mezi didaktické prostředky patří nejen materiální, ale i nemateriální prostředky zajišťující, podmiňující a zefektivňující vyučování [5]. Mezi materiální prostředky řadíme i didaktickou techniku, kterou můžeme označit všechna technická zařízení využívaná v průběhu vzdělávacího procesu. Jedná se o přístroje a zařízení, které se využívají k didaktickým účelům, jako je prezentování učebních pomůcek, řízení a kontrola učební činnosti žáků, a zefektivnění výuky vůbec.
2.1.2 Didaktická technika Didaktická technika, stejně jako didaktické prostředky obecně, ovlivňuje proces vyučování, průběh výuky. Je její součástí a bez jejího použití by se dnešní výuka vůbec neobešla. Pomáhá učitelům usnadnit výuku a zatraktivnit ji. Pomocí didaktických prostředků může učitel dávkovat učební informace, organizovat jejich vnímání a zpracování, řídit průběh a sled učebních činností, získávat informace spojené se zpětnou vazbou [16]. Didaktické prostředky pomáhají žákům rychleji probírané učivo pochopit a zvládnout. Mohou učební činnost navozovat, organizovat a regulovat (kompetence k učení), napomáhat v získávání, rozšiřovat a doplňovat kompetence žáků, a tím přispívat k dosažení všech cílů výchovy a vzdělávání. Rozumíme tím schopnost znalosti, vědomosti a poznatky prezentovat (kompetence komunikativní, sociální a interpersonální), řídit 8
proces jejich osvojování a kontroly dosahovaných výsledků (kompetence k řešení problémů). Didaktické prostředky žákům navozují a upevňují praktické a myšlenkové činnosti, jejich prostřednictvím se rozvíjí žákova aktivita, samostatná činnost a tvořivost (kompetence k podnikavosti). Zaměřují se na prezentaci, konkretizaci a znázornění, čímž rozvíjejí představy a vytvářejí pojmy. Přesně podle myšlenek Jana Ámose Komenského o názornosti vyučování, spojování výuky se známou skutečností a její atraktivností. Navíc se uplatňují při získávání informací pro výuku a především jako výukově komunikační prostředky a prostředky umožňující žákům vykonávat aktivity bez učitelovy přímé účasti (testy na počítači, výukové videozáznamy). Dávají rovněž prostor k růstu v dnešní době velmi ceněných ICT dovedností (dovednosti informačních a komunikačních technologií).
2.2 Multimediální didaktické prostředky Technické didaktické prostředky, použité jako součást vyučování, zahrnují multimédia jako jejich nejmodernější pojetí [16]. V současné době se jedná o CD přehrávače, video přehrávače (videokazety, DVD), osobní počítače a notebooky (video, programy, demonstrace různého formátu) včetně jejich přenosových médií – audio CD, flash disky, CD a DVD. Nesmíme opomenout obrazové prezentační přístroje: v dnešní době asi nejpoužívanější datový projektor, a dále meotar, který je před prezentační počítačovou technikou na ústupu.
2.2.1 Interaktivní tabule Velké možnosti dnešních multimediálních prostředků nabízí jednoznačně interaktivní tabule, která je jedinečnou kombinací viděného a slyšeného (někdy i dalších vjemů) najednou. Pokud učitel věnuje výkladu většinu vyučovací hodiny, potom může být množství předávaných poznatků vůči délce vyučovací jednotky neefektivní. Výuka s využitím interaktivní tabule přispívá aktivnějšímu zapojením žáků do učebního procesu a dává učiteli okamžitou zpětnou vazbu. Pokud do této vzájemné interakce učitele a žáka intenzivně vstupuje vizualizace předávaných informací (postupů), výuka jde potom žákům snáze a navíc podporuje růst klíčových kompetencí. K uchování získané informace v dlouhodobé paměti je však nutné těmto přijímaným informacím přiřadit jednoznačný smysl a dostatečnou váhu, což už je jedním z hlavních pedagogických dovedností učitele. (Začleněním interaktivní tabule do fyzikálního vzdělávání se podrobněji věnuje diplomová práce Tomáše Dvorského Interaktivní tabule ve výuce fyziky [4].) 9
2.2.2 Výhody a nevýhody moderní didaktické techniky Vzhledem k větší otevřenosti škol a učitelů vůči technickým inovacím se změnila i žákova funkce ve výuce. Je to hlavně z důvodu jeho větší vstřícnosti a samozřejmosti tyto inovace přijímat. Moderní didaktická technika nepřináší žákovi pouze bohatší prostor pro příjem a zpracování informací, ale zároveň ho aktivizuje a proces příjmu a zpracování informací zefektivňuje (všestranný rozvoj klíčových kompetencí). Vedle výhod tato modernizace přináší samozřejmě i nevýhody v podobě rozptýlení pozornosti, ať už v rámci výuky na velké množství informací různého druhu a kvality, tak na lákavější možnosti dát přednost jiné činnosti před výukou (brouzdání na internetu, chatování a jiná virtuální komunikace apod.).
2.3 Osobní počítač jako didaktický prostředek Zpočátku svého historického nástupu plnily počítače ve vzdělávacím procesu pouze okrajovou roli. Používaly se ve výuce jako doplňkový technický didaktický prostředek. S nástupem modernějších, rychlejších a hlavně programově vybavenějších počítačů získával výraznější pozici nejen pro učitele, ale i pro žáka. Využití počítače se tak přizpůsobovalo individuálním potřebám všech složek vyučovacího procesu jak ve škole, tak při samostudiu.
2.3.1 Využití počítače Použitím počítače ve výuce musí učitel klást důraz na to, aby bylo jeho využití co nejefektivnější. Musí zvážit k čemu bude program sloužit, zda vyhovuje náplni vyučovací hodiny, jak složité jsou instrukce a ovládání programu (jednoduché, výstižné, přehledné), zda-li nastavení odpovídá úrovni znalosti žáků, zda umožňuje hlubší strukturu a tím i individuálnější přístup. Důraz je rovněž nutné klást na podporu vzniku, prohloubení a doplnění klíčových kompetencí žáků. Počítač by neměl sloužit jen k efektivnímu využití strategií učení v získávání a zpracování poznatků a informací, jejich kritické interpretaci při různých postupech řešení problémů, ale i k využití a aplikaci dostupných prostředků komunikace a prezentace žáka a jeho práce. Sociální, interpersonální, občanské kompetence a kompetence k podnikavosti nenecháváme v pozadí.
10
2.3.2 Využití internetu S intenzivnějším nástupem počítačů do škol a domácností je spojeno hlavně využití internetu, který je zdrojem informací různého druhu i odlišného stupně spolehlivosti. Učitel i žák využívají internet jako jejich důležitý, největší a hlavně nejrychlejší zdroj.
2.3.3 Využití MS Office PowerPoint S vytvářením prezentací a tvorbou elektronických učebních materiálů pomocí osobního počítače je jednoznačně spojen program firmy Microsoft z kancelářského balíku MS Office PowerPoint. Jedná se o nejrozšířenější možnost tvorby a následné prezentace listů s informacemi, tzv. slidů. Existují samozřejmě i programy, které nejsou placené, nicméně nenabízí tak bohaté nástroje vkládání a úpravy textu, obrázků, tvarů, zkvalitnění prezentace pomocí animačních a přechodových prostředků, grafického rozložení a poznámkového aparátu. Pomocí programu PowerPoint lze vytvářet jedinečné učební prezentace, které podpoří, doplní a obohatí výchovně vzdělávací proces. Jeho použití a ovládání je rozšířeno nejen mezi učiteli jako výkladový a prezentační didaktický prostředek, PowerPoint používají i žáci pro prezentaci výsledků samostatných žákovských prací. Propojení MS Office PowerPointu s interaktivní tabulí je již velmi silný a efektivní výchovně vzdělávací nástroj a, ačkoli některé interaktivní tabule nabízí vlastní formáty, je díky školním licencím Microsoft MS Office PowerPoint nejrozšířenější.
11
3 Obecná problematika tématu fyziky mikrosvěta na SŠ 3.1 Učebnice tématu Fyzika mikrosvěta Rozsah a hloubka vyučování fyziky mikrosvěta je na různých oborech středních škol různá, což je rozvedeno dále v textu. Učebnice [24] je pro téma maximalistická, učivo v celém jejím rozsahu se předpokládá pro žáky se zaměřením na matematiku a fyziku (obzvláště pro ty, kteří budou pokračovat v jejich studiu na vysoké škole), stejně tak prezentace jsou provedeny v maximální šíři, vždy je možné zúžit výběr látky. Další učebnice [21] a [25] jsou trochu encyklopedickým shrnutím (se snahou obohatit téma i zajímavostmi a spojitostí s praxí). Učebnice [24] a závěrečné kapitoly učebnic [21] a [25] tématem Fyzika mikrosvěta završují učivo fyziky na středních školách (v učebnicích [21] a [25] tematicky následuje už pouze astrofyzika). Zabývají se aktuálními a zároveň nejobtížnějšími poznatky moderní fyziky, navíc velmi těsně navazují na předchozí znalosti z oblastí mechaniky, molekulové fyziky a termiky, elektřiny a magnetismu, optiky a speciální teorie relativity. Spolu s astrofyzikou přispívají k utváření fyzikálního obrazu světa.
3.2 Mikrosvět a makrosvět Přestože lidé spekulovali o atomu už od starověku, zrodila se oblast fyziky mikrosvěta (atomová, jaderná a kvantová fyzika) teprve počátkem 20. století. A přesto za tak krátkou dobu změnila život lidské společnosti (převratný technický pokrok, ale i lidské utrpení). K pochopení dnešní doby a svých vlastních možností bychom měli mít alespoň základní představu o fyzikálních zákonitostech světa atomů, jader a částic, o možnostech v nich a kolem nich ukrytých [23]. Makrosvětem rozumíme svět naší přímé zkušenosti, jak jej vnímáme svými smysly; popisuje jej klasická fyzika, se kterou se v rámci středoškolského vzdělávání setkáváme v drtivé většině hodin. Mikrosvět je světem jevů probíhajících v tak malém měřítku, že je již svými smysly nevnímáme a musíme je zkoumat fyzikálními přístroji. Vlastnosti mikrosvěta jsou odlišné od našich obvyklých představ. Popisuje je kvantová fyzika. Výlučnost fyziky mikrosvěta spočívá nejen v získávání veškerých informací pouze zprostředkovaně, ale i v jedinečné povaze objektů mikrosvěta, které jsou odlišné od jakékoli naší každodenní zkušenosti. Nemůžeme je vidět, slyšet, cítit, ohmatat, vlastně 12
ani si je představit. Tomuto přístupu, pomocí fyziky mikrosvěta, se středoškolská fyzika věnuje pouze okrajově (v porovnání s ostatními oblastmi fyziky) [24]. Vlastnosti mikrosvěta a obzvláště pohyb v něm popisuje kvantová fyzika. Její zárodek spatřujeme v kvantové hypotéze, s jejíž pomocí Max Planck v roce 1900 vysvětlil průběh spektra rovnovážného záření. Jeho objev, že zářící těleso vyzařuje energii nespojitě a vyzářená energie je celočíselným násobkem kvanta energie E = hf (kde f je frekvence záření a h je Planckova konstanta), podstatným způsobem ovlivnil další rozvoj fyziky. Bylo třeba opustit představu klasické fyziky, podle které všechny fyzikální děje probíhají spojitě. Na příkladu vyzařování a pohlcování kvant záření se poprvé ukázalo, že energie těles se může měnit jen po určitých diskrétních hodnotách [21]. A už tady může být problém tuto představu, nám velmi blízkou, ponechat za zády a vydat se do neznáma zprostředkovaného a úplně odlišného světa. Přidáme-li spojení vlnových a korpuskulárních (částicových) vlastností, které je charakteristické pro všechny částice mikrosvěta, může být půda nabývaných vědomostí velmi vratká. A přitom na vlnových vlastnostech částic jsou založeny konstrukce elektronových mikroskopů a dalších zařízení, částicová povaha se zase projevuje při Comptonově jevu a fotoefektu [24]. Dále vlnové vlastnosti způsobují, že pohyb částic má pravděpodobnostní charakter,
tzn. že
jejich
polohu
a
rychlost
můžeme
předvídat
jen
s určitou
pravděpodobností. Jedním z důsledků takového chování částic je i tunelový jev, který umožňuje částicím proniknout potenciální bariérou i tehdy, nemají-li k tomu dostatečnou energii. To jsou obtížné, ale o to zajímavější oblasti moderní fyziky, které jsou aktuální a ani zdaleka ještě nejsou uzavřené. Vytvořit k nim kvalitní materiál, který je dostatečně obsáhne, žáka vhodně provede a alespoň nastíní, v ideálním případě přiblíží nové zkušenosti, je velmi náročné. Proto jakýkoli doprovodný materiál tuto obtížnou snahu pouze posílí a doplní.
13
Výklad dané problematiky lze obohatit: matematickými simulacemi Stochastic simulation of quantum mechanics2, pokusy, vzdálenými experimenty, simulacemi CERN3; Phet4, e-learningovými materiály Merlot learning materials5, či popularizačními videozáznamy a animacemi Quantum mechanics (Chapter 1a of 6)6 a následujících šest navazujících videí; Quantum mechanics7; Dr Quantum - Double Slit Experiment8; Fyzikální čtvrtky - prof. Exner9; Fyzikální čtvrtky - prof. Exner10. Výše uvedené materiály můžeme nalézt kliknutím na odkaz (v případě elektronické verze), zadáním odkazu uvedeného v poznámce, nebo zadáním hesla, které charakterizuje odkaz v textu, v internetovém vyhledávači. To jsou pouze vybrané návrhy. Další možnosti nabízí vědecky populární weby jako [3] nebo [26].
2
http://iopscience.iop.org/0305-4470/24/17/025 http://public.web.cern.ch/public/ 4 http://phet.colorado.edu/ 5 http://www.merlot.org/merlot/materials.htm?category=2782& 6 http://www.youtube.com/watch?v=s_HEUHyoZWI&feature=relmfu 7 http://www.youtube.com/watch?v=45KGS1Ro-sc 8 http://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc&playnext=1&list=PLCAE934C2A0B7DFA4 9 http://www.avc-cvut.cz/avc.php?id=2470 10 http://www.avc-cvut.cz/avc.php?id=1919 3
14
4 Fyzika mikrosvěta v RVP pro jednotlivé typy škol 4.1 Vymezení Rámcového vzdělávacího programu Pro oblast fyziky mikrosvěta je Rámcový vzdělávací program Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky vymezen velmi úzce, velké rozdíly mezi verzemi pro gymnaziální [17] a odborné vzdělávání [18] nejsou. Rozdíly nastávají prakticky až při aplikaci RVP na Školní vzdělávací program, kdy je nutné zohlednit rozdělení hodinové dotace mezi předměty vzdělávací oblasti Člověk a příroda (6-8 hodin týdně pro gymnázium, 4-6 hodin týdně pro odborné školy).
4.1.1 RVP pro čtyřletá gymnázia Podle Rámcového vzdělávacího programu pro gymnázia [17] jsou očekávanými výstupy žáka využívání poznatků o kvantování energie záření a mikročástic k řešení fyzikálních problémů11, posouzení jaderné přeměny z hlediska vstupních a výstupních částic i energetické bilance, využívání zákona radioaktivní přeměny k předvídání chování radioaktivních látek a navržení možných způsobů ochrany člověka před nebezpečnými druhy záření. Tematický celek je nazván Mikrosvět a učivo, které se k těmto očekávaným výstupům žáka váže, je
kvanta a vlny – foton a jeho energie; korpuskulárně vlnová povaha záření a mikročástic12;
atomy – kvantování energie elektronů v atomu; spontánní a stimulovaná emise, laser; jaderná energie; syntéza a štěpení jader atomů; řetězová reakce, jaderný reaktor.
4.1.2 RVP pro odborné školy Podle Rámcového vzdělávacího programu pro odborné vzdělávání [18] existují tři varianty, kdy se každá váže k různým odborným nárokům na fyzikální vzdělávání.
11
Kurzívou je v této kapitole vyznačen tematický okruh (včetně očekávaných výstupů žáka) zpracovaný ve vytvořených prezentacích. 12 Taktéž.
15
Očekávanými výstupy žáka podle nejvíce náročné varianty jsou schopnosti objasnění podstaty fotoelektrického jevu a jeho praktického využití; pochopení základní myšlenky kvantové fyziky, tzn. vlnové a částicové vlastnosti objektů mikrosvěta; charakteristika základních modelů atomu; popis struktury elektronového obalu atomu z hlediska energie elektronu13; popis stavby atomového jádra a základní charakteristiky nukleonů; vysvětlení podstaty radioaktivity a jaderného záření a popis způsobů ochrany před tímto zářením; popis štěpné reakce jader uranu a její praktické využití v energetice; posouzení výhod a nevýhod způsobů, jimiž se získává elektrická energie. Tematický celek je nazván Fyzika mikrosvěta a učivo k těmto výstupům se vázající dělíme do těchto okruhů
základní pojmy kvantové fyziky14;
model atomu, spektrum atomu vodíku, laser;
nukleony, radioaktivita, jaderné záření, elementární a základní částice;
zdroje jaderné energie, jaderný reaktor, bezpečnostní a ekologická hlediska jaderné energetiky.
Očekávanými výstupy žáka podle zbylých dvou variant jsou schopnosti popisu struktury elektronového obalu atomu z hlediska energie elektronu15; popisu stavby atomového jádra a základní charakteristiky nukleonů; vysvětlení podstaty radioaktivity a popis způsoby ochrany před jaderným zářením; popis principu získávání energie v jaderném reaktoru. K tematickému celku Fyzika atomu učivo, které se k očekávaným výstupům žáka váže, je
model atomu, laser;
nukleony, radioaktivita, jaderné záření;
jaderná energie a její využití.
13
Kurzívou je v této kapitole vyznačen tematický okruh (včetně očekávaných výstupů žáka) zpracovaný ve vytvořených prezentacích. 14 Taktéž. 15 Taktéž.
16
4.2 Úskalí fyziky mikrosvěta v rámci RVP Vyučování fyziky mikrosvěta, stejně jako fyziky samotné, je mimořádně náročné. Situaci na středoškolské úrovni komplikuje nedostatečná zralost žáků navyklých konkrétnímu uvažování (spojení znalostí s vlastní zkušeností, nedostatečné abstraktní myšlení). To je v mezích mikrosvěta neaplikovatelné. Přidává se i celková obtížnost tématu fyziky mikrosvěta a časová dotace výuky, která je velmi nízká. Nelze na toto téma prakticky ani navázat s možností dalšího zpřesnění či doplnění výkladu právě z důvodu jeho zařazení až na závěr fyzikálního vzdělávání na střední škole, kterému se pochopitelně většina žáků nehodlá dále věnovat. Také proto se středoškolská výuka fyziky mikrosvěta (nebo výuka atomové, jaderné, částicové či kvantové fyziky) musí vypořádat s problémy snahy zařazení nejmodernějších poznatků, ať už kvantitativně či kvalitativně. Na rozdíl od mechaniky není totiž fyzika mikrosvěta ani zdaleka uzavřenou disciplínou a rychle se rozvíjí. Dochází k situaci, kdy učitel musí volit, které tématům se věnovat (zařadit je do výuky) a které témata je možné nechat v pozadí.
17
5 ŠVP – návrh probíraného učiva šířkou zpracovaných kapitol 5.1 Návrh ŠVP pro gymnázium V knize [8] jsou uvedeny tři možné návrhy obsahující rozpracování tématu do vzdělávacího obsahu fyziky na gymnáziu. Vycházejí z Rámcových vzdělávacích programů. Zde se zaměříme na sledovanou oblast fyziky mikrosvěta. Pro všechny varianty, ať už se jedná o přírodovědně zaměřený vzdělávací program nebo ne, je obsah navržen pro časovou dotaci 2-3 týdenních hodin ve třetím nebo čtvrtém ročníku. Tematický celek je nazván Fyzika mikrosvěta s tematickými poskupinami: Základní poznatky kvantové fyziky, Atomová fyzika, Jaderná fyzika a Částicová fyzika. Dále je uvedeno učivo včetně očekávaných výstupů žáka pro jednotlivé podcelky. Tabulky obsahují podklad i pro nejnáročnější variantu návrhu Školního vzdělávacího programu, která je v tabulkách zvýrazněna tučným písmem.
5.1.1 Základní poznatky kvantové fyziky Tento okruh je zpracován ve vytvořených prezentacích. Ty Tabulka 1 (zpracováno podle [8]) Učivo
Předpokládané výstupy žáka
kvantová hypotéza, Planckova konstanta h;
vypočítá energii kvanta pomocí frekvence
fotoelektrický
jev
(vnější,
a konstanty h;
vnitřní),
Einsteinova rovnice pro fotoefekt;
popíše vnější fotoelektrický jev a zná jeho
foton, vlnové vlastnosti částic, de Broglieho vztah;
základní vlastnosti; řeší
kvantová mechanika.
úlohy
na
Einsteinovu
rovnici
pro fotoefekt; zná vlastnosti fotonu, určí jeho energii a hybnost; řeší úlohy použitím de Broglieho vztahu; objasní
pojmy
stacionární
kvantování
stav,
energetická hladina. 18
kvantové
energie, číslo,
5.1.2 Atomová fyzika Tabulka 2 (zpracováno podle [8]) Učivo
Předpokládané výstupy žáka
kvantování energie elektronu v atomu;
uvede
atom vodíku;
vztahy
mezi
spektrálními
zákonitostmi atomu;
periodická soustava prvku (PSP), Pauliho popíše kvantově mechanický model atomu vylučovací princip;
zná význam kvantových čísel a jejich
chemické vazby;
souvislost
lasery.
popisujícími atom; určí
s
fyzikálními
pomocí
označení
veličinami podslupek
používaných v chemii počet elektronů v dané podslupce; vyhledá elektronovou konfiguraci atomu v PSP; vysvětlí význam Pauliho principu; objasní názorně vznik iontové a kovalentní vazby; objasní
pojmy
excitace,
ionizace
a
disociace; porovná
vznik
a
vlastnosti
záření
luminoforu a laseru; uvede příklady využití laserového záření.
19
5.1.3 Jaderná fyzika Tabulka 3 (zpracováno podle [8]) Učivo vlastnosti
Předpokládané výstupy žáka atomových
jader,
vazbová uvede základní charakteristiky atomového
energie jádra;
jádra;
radioaktivita, záření alfa, beta a gama; popíše vlastnosti jaderných sil; řeší úlohy na vazbovou energii jader;
neutronové záření;
zákon radioaktivních přeměn, poločas uvede typy radioaktivních přeměn a přeměny;
příklady praktického využití radioaktivity;
jaderné reakce, zákony zachování; jaderné
štěpení,
jaderná
zná
energetika,
jaderné elektrárny;
ochrany
člověka
před radioaktivním zářením; řeší
využití radionuklidů a ochrana před zářením.
způsoby úlohy
s
využitím
zákona
radioaktivní přeměny; používá symboliku zápisu jaderných reakcí; řeší úlohy na použití zákonu zachování u jaderných reakcí; objasní
získávání
energie
štěpením
těžkých jader; popíše
princip
činnosti
jaderných
reaktorů a elektráren; porovná energie získané spalováním uhlí a štěpením uranu.
20
5.1.4 Částicová fyzika Tabulka 4 (zpracováno podle [8]) Učivo
Předpokládané výstupy žáka
experimentální metody výzkumu částic;
uvede příklady základních a elementárních
systém částic; interakce mezi částicemi.
částic; zná základní druhy detektorů částic a vysvětlí stručně princip jejich činnosti; zná základní typy urychlovačů a vysvětlí stručně princip jejich činnosti; uvede
konkrétní
příklady
uplatnění
jednotlivých typů interakcí v různých systémech.
Názvy tematických okruhů odpovídají názvům kapitol v učebnici fyziky pro čtyřletá gymnázia [24], ke které jsou tvořeny prezentace v této práci. Neodpovídají tedy názvům uvedených v Rámcovém vzdělávacím programu pro gymnázia.
5.2 Školní vzdělávací program Střední průmyslové školy stavební Lipník nad Bečvou Aplikací Školního vzdělávacího programu [22], konkrétně tematického celku Kvantová optika, Fyzika elektronového obalu a Fyzika atomového jádra, na předchozí kapitolu 5.1 navážeme díky učitelské praxi na Střední průmyslové škole stavební Lipník nad Bečvou. Počet týdenních vyučovacích hodin v prvním a druhém ročníku vyučovacího předmětu Fyzika jsou dvě a dvě hodiny. Při zodpovědném přístupu k vyučování tato hodinová dotace dává učiteli minimální prostor pro detailnější zaměření na problematické oblasti fyziky. Spíše by se probírání učiva dalo přirovnat encyklopedickému shrnutí. O to větší důraz musí učitel klást na výborně zvládnutou výuku samotnou. Jedná se o důkladnou přípravu na vyučování, vhodnou volbu didaktických prostředků (viz výše), organizační formy a didaktických metod.
21
5.2.1 Učivo a očekávané výstupy žáka ŠVP SPŠS Lipník nad Bečvou Fotoefekt, jeho aplikace a korpuskulárně vlnová povaha světla byla probírána ještě v rámci celku Kvantová optika (odpovídá tematickému plánu, stejně tak v používané učebnici [25]), celek Fyzika elektronového obalu se zaměřil pouze na Bohrův model atomu, Bohrovy postuláty, vznik elektromagnetického záření, jeho zdroje a na lasery. V rámci tematického celku Fyzika atomového jádra je do výuky zařazena problematika základních částic atomu, potažmo jádra atomu, jaderné záření při radioaktivním rozpadu, umělé jaderné reakce a jejich rozdělení, energie atomového jádra, jaderná syntéza, štěpení jader uranu, řetězová reakce a její využití. To vše je shrnuto ve druhém ročníku a v rámci dvouhodinové týdenní dotace vtěsnáno do deseti vyučovacích hodin. Očekávanými výstupy žáka jsou pro tematický celek Kvantová optika
popíše a vysvětlí podstatu fotoefektu a Comptonova jevu;
vymezí základní charakteristické vlastnosti fotonu;
vysvětlí duální podstatu částic.
Dále se pro celek Fyzika elektronového obalu předpokládá, že žák
charakterizuje základní modely;
popíše strukturu elektronového obalu z hlediska energie elektronu;
popíše a vysvětlí vznik elektromagnetického záření, jeho zdroje.
Po absolvování tematického celku Fyzika atomového jádra žák
popíše stavbu atomového jádra;
posoudí výhody a nevýhody způsobů získávání energie (syntéza a štěpení);
vysvětlí štěpnou reakci jader uranu a její praktické využití v energetice (jaderná elektrárna);
rozliší různé druhy radioaktivního záření, uvede příklady praktického využití radioaktivity a její negativní stránky;
zná způsoby ochrany člověka před radioaktivním zářením;
popíše štěpení jader i jadernou syntézu a posoudí jejich využití.
Výuka probíhá podle ŠVP teprve druhým rokem, tudíž je obtížné vyhodnotit naplnění očekávaných výstupů žáků a vyvozovat z nich jakékoli závěry. 22
6 Slovníček důležitých pojmů, definic, vzorců a konstant 6.1 Zdroj slovníčku Níže vypsané pojmy, definice, vzorce a konstanty vychází z učebnice [24]. Jsou použity i ve vytvořených prezentacích.
6.2 Pojmy a definice Makroskopické těleso je tvořeno z látky, která se skládá z molekul (nejmenších částeček sloučenin) a atomů (nejmenších částeček prvků). Atom se skládá z velmi malého kladně nabitého jádra (o rozměru řádově 10-15 m) a elektronového obalu. Elektron je záporně nabitá elementární částice o náboji qe = -e a hmotnosti me = 9,110∙10-31 kg. Atomové jádro tvoří kladně nabité protony o náboji qp = e a elektricky neutrální neutrony. Hmotnost protonu a neutronu je přibližně stejná, pro proton mp = 1,672∙10-27 kg, pro neutron mn = 1,674∙10-27 kg. Protonové číslo Z udává počet protonů v jádře. Neutronové číslo N udává počet neutronů v jádře. Nukleonové číslo A udává součet protonů a neutronů. Nukleon je společný název pro proton a neutron. Jádro atomu (nukleus = řecky jádro) skládá z nukleonů. Podle standardního kvarkového modelu nejsou nukleony elementární částice, jsou složeny z kvarků. Nuklidy jsou látky, jejichž atomy mají stejný počet protonů i neutronů. Hmotnosti atomových jader jednotlivých nuklidů můžeme určovat např. hmotnostními spektrometry. Izotopy jsou nuklidy téhož chemického prvku, které se liší počtem neutronů. Izotopy stejného prvku můžeme vzájemně oddělovat pouze fyzikálními metodami založenými na jejich rozdílné hmotnosti (difuze, odstřeďování, destilace, elektrolýza aj.). Vazebná energie Ev je energie atomového jádra, která by se uvolnila spojením volných nukleonů v jádro atomu; je rovna práci Wv potřebné k překonání vazebných sil při rozložení atomového jádra ve volné nukleony. Charakterizuje složenou soustavu, uvádíme ji v elektronvoltech (1eV = 1,602∙10-19 J). Pokud je soustava stabilní, je její vazebná energie kladná a k jejímu rozložení na části energii dodáváme. Je-li soustava 23
nestabilní, potom je její vazebná energie záporná a při rozpadu soustavy se energie uvolňuje. Podle teorie relativity odpovídá vazebné energii hmotnostní úbytek B (viz další kapitola). Energie reakce Er charakterizuje chemické a jaderné reakce. Může být kladná, pokud se energie při reakci uvolňuje, anebo záporná tehdy, když se energie při reakci váže (viz další kapitola). Planckova kvantová hypotéza říká, že záření je vždy vydáváno i pohlcováno v kvantech (fotony) o energii E hf , kde f je frekvence záření a h je Planckova konstanta (viz další kapitola). Fotoelektrický jev je charakterizován jako uvolňování elektronů v důsledku dopadu fotonů o energii hf na fotokatodu (vnější fotoefekt). K fotoelektrickému jevu dochází pouze tehdy, je-li energie kvant větší, než potřebná výstupní práce Wv. Přebytek této energie pak přejde na kinetickou energii elektronu Ek podle Einsteinovy rovnice fotoelektrického jevu (viz níže). Mezní frekvence f 0 , f f 0 , je minimální frekvence, při které nastává fotoelektrický jev, charakterizuje materiál fotokatody. Mezní vlnová délka 0 ,
0 , je maximálnívlnová délka, při které nastává
fotoelektrický jev, charakterizuje materiál fotokatody. Comptonův jev představuje pružný rozptyl fotonů o vysoké energii (rentgenového, gama) na volných elektronech. Podle zákona zachování energie se po srážce změní frekvence kvanta na f‘ a elektron získá energii Ee‘. Fotony nazýváme kvanta elektromagnetického záření a považujeme je za částice o nulové klidové hmotnosti, které se pohybují ustavičně rychlostí světla. V experimentech s difrakcí (ohybem) a interferencí (skládání vlnění) si záření zachovává své vlnové vlastnosti. Korpuskulárně vlnový dualismus znamená, že hmotu lze popsat buď jako částici nebo jako vlnu, v závislosti na uspořádání experimentu a způsobu pozorování. Vykazuje jej i elektromagnetické vlnění, které má jak částicové, tak vlnové vlastnosti. Podle Luise de Broglie částice s nenulovou hmotností (elektrony, protony, neutrony, atomy atd.) projevují vlnové vlastnosti. Každé částici pohybující se rovnoměrně a přímočaře o energii E a hybnosti p odpovídá frekvence f Vlnová funkce popisuje stav částice nebo systému.
24
E h a vlnová délka . h p
Absolutní hodnota vlnové funkce na druhou
2
udává hustotu pravděpodobnosti
výskytu částice v prostoru v daném okamžiku. Pravděpodobnostní charakter pohybu částic znamená, že se částice pohybují po určitých trajektoriích určitými rychlostmi, ale výsledek jejich pohybu můžeme předvídat jen s určitou pravděpodobností. Kvantový stacionární stav je stav s danou hodnotou energie. V tomto stavu je rozložení hustoty pravděpodobnosti polohy částice v čase neměnné. Vyzáření (emise) nebo pohlcení (absorpce) záření při přechodu ze stavu o energii En do stavu o energii Em. Při E m E n částice vyzáří (odevzdá) kvantum energie, při E n E m částice kvantum energie pohltí.
6.3
Vzorce
Hmotnostní úbytek B a vztah vůči vazebné energii Ev
Ev Bc 2 , B (m1 m2 mn ) m , kde m je klidová hmotnost soustavy a mi klidové hmotnosti částí. Energie reakce Er
E r m1 m2 m3 m1 'm2 ' m3 'c 2 , kde mi jsou klidové hmotnosti částic do reakce vstupujících a mi‘ klidové hmotnosti částic z reakce vystupujících. Energie fotonu
E hf , kde h je Plankova konstanta, f je frekvence elektromagnetického záření. Hybnost fotonu
p
E hf h , c c
kde E je energie fotonu, c je rychlost světla. Einsteinova rovnice fotoefektu
hf Wv E k , kde hf je energie fotonu, Wv potřebná výstupní práce a Ek kinetická energie elektronu. Mezní frekvence
f0 =
Wv , f f0 , h 25
kde Wv výstupní práce a h Planckova konstanta. Mezní vlnová délka
0
hc , 0 , Wv
kde Wv výstupní práce a h Planckova konstanta. Kvantování energie při pohybu částice hmotnosti m na omezené úsečce délky L
En
h2 n2 , 2 8mL
kde n = 1, 2, 3, ..., h je Planckova konstanta. Stavu s danou hodnotou energie říkáme kvantový stacionární stav. V tomto stavu je rozložení hustoty pravděpodobnosti polohy částice v čase neměnné. Přechodu ze stavu o energii En do stavu o energii Em, E m E n , částice vyzáří kvantum energie
hf nm E n E m .
6.4
Konstanty
Atomová hmotností konstanta mu = 1,66.10-27 kg je hmotnost jedné dvanáctiny klidové 12 hmotnosti nuklidu uhlíku 6 C . Avogadrova konstanta NA = 6,022∙1023 mol-1 udává počet částic v jednom molu látky. S její pomocí můžeme určovat rozměry molekul a atomů (řádově 10-10 m), jejich hmotnost (řádově 10-27 kg) a energie vazeb mezi atomy (řádově 10-19 J). Elementární náboj e = 1,602∙10-19 C. S její pomocí definujeme jednotku vazebné energie elektronvolt 1eV = 1,602∙10-19 J. Faradayova konstanta F = 9,648∙104 C∙ mol-1 je konstanta úměrnosti mezi prošlým elektrickým nábojem a množstvím látky vyloučeným při elektrolýze. Planckova konstanta h = 6,626∙10-34 J∙s. Rychlost světla ve vakuu c = 2,99792458∙108 m∙s-1. Boltzmannova konstanta k = 1,380∙10-23 J∙K-1.
26
7 Struktura zpracovaných prezentací 7.1 Použité programy V kapitole jsou popsány programové a obrázkové prostředky, kterých bylo použito při tvorbě prezentací. Jsou zmíněny i systémové požadavky ke spuštění a plnému využití možností prezentací.
7.1.1 MS Office PowerPoint Prezentace, které jsou hlavním dílem této diplomové práce, byly vypracovány v programu MS Office PowerPoint [15]. Jedná se o nástroj na tvorbu počítačových prezentací z kancelářského balíku Microsoft Office od společnosti Microsoft, který je nejrozšířenější a nejpoužívanější.
7.1.2 Obrázky Obrázky použité z internetu jsou pod licencí Creative Commons. Tato licence se snaží omezit potíže, které kladou autorské zákony sdílení informací, a rozšířit autorská díla dostupná veřejnosti k legálnímu používání a sdílení [27]. Je používaná i na portále Wikipedia.
7.1.3 GIMP K vytváření vlastních obrázků bylo použito grafického počítačového programu GIMP (GNU Image Manipulation Program, v překladu „GNU program pro úpravy grafiky“ [6]), což je multiplatformní aplikace pro úpravu a vytváření rastrové (též bitmapové, která je založena na popisu obrázku pomocí jednotlivých bodů – pixelů) a vektorové (založena na popisu obrázku pomocí základních geometrických útvarů) grafiky založená na svobodné licenci GNU [27]. Tato licence dává práva ke kopírování, redistribuci a modifikaci díla; vyžaduje však, aby všechny kopie a odvozeniny byly k dispozici pod stejnou licencí. GIMP obsahuje širokou škálu rastrových nástrojů, bylo využito i vektorových možností. Program je dostupný zdarma včetně zdrojových kódů16.
16
http://www.gimp.cz
27
7.1.4 Applety Dále jsou v prezentacích použity tzv. applety, což jsou softwarové (programové) komponenty běžící pod jiným programem (webový prohlížeč aj.) [27]. Jsou většinou orientovány na plnění konkrétní funkce v kontextu daného programu a nepředpokládá se, že budou používány jako samostatná aplikace. Na rozdíl od programu nemůže applet fungovat samostatně. Musí být spuštěn v kontejneru (obálka datového toku obsahující více datových stop, např. obraz i zvuk) poskytovaném hostitelským programem, obvykle za pomoci pluginu – zásuvného modulu. Je to software, který nepracuje samostatně, ale jako doplňkový modul jiné aplikace a rozšiřuje tak její funkčnost [27]. Z bezpečnostních důvodů applet disponuje omezenými možnostmi. Applety použité v práci jsou postaveny na jazyku java, k jejich funkčnosti je potřeba mít na počítači nainstalovánu platformu JAVA SE (java platforma pro osobní počítače)17.
7.1.5 Systémové požadavky ke spuštění prezentací Na počítači je třeba mít nainstalován operační systém MS Windows XP nebo vyšší. Prezentace lze spustit i v jiném operačním systému, nebude ale zaručena kompatibilita. Dále je vyžadována instalace MS Office 2003 nebo vyšší. Lze spustit i v jeho nekomerčních alternativách, kompatibilita ale není opět zaručena. Pro správnou funkci appletů je nutný webový prohlížeč (IE, Firefox, Opera, Google Chrome, aj.) a platforma JAVA SE (J2SE, Java (TM) Platform SE).
7.2 Grafická struktura Grafická stránka prezentací byla tvořena ve spolupráci s Marií Cíchovou, která vystudovala Výtvarnou tvorbu na Pedagogické fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. Na pozadí jsme zvolili světle modrou barvu, která zklidňuje, vyvolává důvěru a působí konzervativně, v kombinaci se žlutou, která je energická, povzbuzující, obojí v pastelové škále, aby celá prezentace nepůsobila agresivně už pouze barevným provedením. Písmo jsme zvolili černé pouze v kombinaci s tučným, podtrženým stylem a kurzívou, nikoli v kombinaci s jinak barevným písmem.
17
http://www.java.com
28
Obrázek 1: Pozadí úvodního slidu (vlevo) a výukových slidů (vpravo)
Obrázek 2: Příklad slidu s výukovými informacemi Ilustrace a ilustrační obrázky v jednotném stylu vytvořila Marie Cíchová v grafickém počítačovém programu GIMP. Prezentace jsou doplněny četnými obrázky a fotografiemi, přičemž bylo použito internetových serverů, které poskytují obrázky s licencí Creative Commons, tzn. včetně možností úpravy. Grafickou stránku práce doplňuje použití appletů, které může učitel spustit přes internetový odkaz. Je to z důvodu jednak licenčního použití, jednak MS Office PowerPoint neumožňuje funkčně vkládat takto komplikované objekty. Z účelu práce podpořit vybranou učebnici [24] výkladovým nástrojem mají v práci oproti textu výkladu výjimečné postavení definice a fakta k zapamatování. Jejich text je oproti učebnici nezměněn, jedná se většinou o text v učebnici psaný KAPITÁLKAMI, v prezentaci je zvýrazněn modrým podkladem a tmavě modrým 29
rámečkem. Toto uspořádání může v některých případech ještě doplňovat červený vykřičník. Ten je použit i u důležitých faktů, které jsou zásadní, ať už ve spojitosti fyziky jako takové, nebo v rámci výkladu.
Obrázek 3: Definice z učebnice [24] včetně zvýrazňujícího červeného vykřičníku Pro tvorbu vzorců byl použit aparát MS Office Editor rovnic 3.0, který dává možnosti zpracování zlomků, použití řeckých písmen, práci s horními a dolními indexy. Slidy s příkladem k propočítání a opakovací slidy jsou taktéž označeny vlastní ikonkou. Všechny slidy jsou v levém dolním zápatí číslovány.
Obrázek 4: Příklad rovnice
30
Obrázek 5: Záhlaví slidu s příkladem
Obrázek 6: Opakovací slide
Obrázek 7: Číslování slidů Prezentace jsou doplněny poznámkami, které obsahují výkladové komentáře k jednotlivým slidům, důležitá doplňující fakta (Nobelovy ceny apod.) a některé analogie k lepší představě prezentovaného tématu. Celá prezentace je pak postavena na decentním animovaném základu, tzn. jednoduché nabíhání textu, obrázků a animovaných simulací. Grafická struktura je vidět na příkladu zpracování vybrané prezentace v následující kapitole a v příloze. Vytvořené prezentace jsou na přiloženém CD. Jejich využití podléhá výše zmíněné licenci Creative Commons (podmíněné použitými materiály).
31
Obrázek 8: Poznámky ke slidům
32
Obrázek 9: Každá z prezentací je ukončena závěrečným slidem s použitými materiály
33
8 Příklad zpracování vybrané prezentace Za reprezentanta zpracovaných prezentací byla vybrána prezentace na téma Foton, což je třetí část kapitoly Pohyby v mikrosvětě. Obsahuje všechny důležité prvky aplikované v prezentacích od zvýraznění definic a důležitých faktů modrým rámečkem a zvýrazňujícím vykřičníkem, přes poznámkovou strukturu, doplňující fakta k tématu, obrázky a applety. Prezentace začíná úvodním slidem s názvem tématu, jménem autora a logem Univerzity Palackého v Olomouci (v důsledku zpracování prezentace jako výstupu diplomové práce). Následují slidy s výukovou látkou, ke konci prezentace nechybí příklad, závěrečné opakování a slide s použitými materiály. Jak bylo zmíněno výše, vybraná prezentace je obsažena v příloze.
34
9 Seznam použité literatury [1]
Bartuška K.: Sbírka řešených úloh z fyziky pro střední školy IV – Optika, Fyzika mikrosvěta, Speciální teorie relativity, Astrofyzika, Prometheus, Praha 2001.
[2]
Compadre: Physics and Astronomy Education Communities. [online]. Dostupné z WWW:
.
[3]
RNDr. Dolejší Jiří, CSc. Ústav částicové fyziky. [online]. Dostupné z WWW: .
[4]
Dvorský
T.:
Interaktivní
tabule
ve
výuce
fyziky,
Diplomová
práce,
PřF UP, Olomouc 2009. [5]
Geschwinder J. a kol: Technické prostředky ve výuce, Univerzita Palackého, Olomouc 1995.
[6]
GIMP, GNU Image Manipulation Program. [http://www.gimp.cz/]. Ver. 2.6.11. Počítačový program pro úpravu a vytváření rastrové a vektorové grafiky. 19,4 MB. Multiplatformní. GNU licence.
[7]
Lepil O. a kol.: Fyzika aktuálně, Prometheus, Praha 2009.
[8]
Lepil O. a kol.: Příručka pro učitele fyziky na střední škole, Prometheus, Praha 2007.
[9]
Lepil O. a kol.: Sbírka úloh pro střední školy Fyzika, Prometheus, Praha 1995.
[10] Lepil O.: Teorie a praxe tvorby výukových materiálů: zvyšování kvality vzdělávání učitelů přírodovědných předmětů, Univerzita Palackého, Olomouc 2010. Dostupné z WWW: [11] Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů na gymnáziích. [online]. Výzkumný ústav pedagogický, Praha 2007. Dostupné z WWW: . [12] Mašek J.: Audiovizuální komunikace výukových médií, Západočeská univerzita, Plzeň 2002. [13] Mošna F.: Výukové programy pro didaktickou techniku v přípravě budoucích učitelů, Univerzita Karlova, Praha 1990. [14] PhET: Free online physics, chemistry, biology, earth science and math simulations. [online]. Dostupné z WWW: . [15] PowerPoint, MS Office PowerPoint. [program na CD]. Ver. 2007 Program ke tvorbě a úpravě počítačových prezentací. Microsoft Windows, studentská licence. 35
[16] Rambousek V.: Technické výukové prostředky, Státní pedagogické nakladatelství, Praha 1989. [17] Rámcový vzdělávací program pro gymnázia. [online]. Výzkumný ústav pedagogický, Praha 2007. Dostupné z WWW: . [18] Rámcový vzdělávací program pro odborné vzdělávání. [online]. Národní ústav odborného vzdělávání, Praha 2007. Dostupné z WWW: . [19] Reichl Jaroslav. Multimediální encyklopedie fyziky. [online]. Dostupné z WWW: . [20] Svoboda E., Houdek V., Svoboda M.: Pokusy z fyziky na střední škole 4 (Optika, Kvantová fyzika, Atomová a jaderná fyzika), Prometheus, Praha 2001. [21] Svoboda E. a kol: Přehled středoškolské fyziky, Prometheus, Praha 1998. [22] Školní vzdělávací program Střední průmyslové školy stavební Lipník nad Bečvou, SPŠS Lipník nad Bečvou, 2009. [23] Štoll I.: Dějiny fyziky, Prometheus, Praha 2009. [24] Štoll I.: Fyzika pro gymnázia – Fyzika mikrosvěta, Prometheus, Praha 2008. [25] Tarábek P., Červinková P. a kol.: Odmaturuj z fyziky, Didaktis, Brno 2004. [26] Wagner Vladimír, Popularizace a přednášky. [online]. Dostupné z WWW: [27] Wikipedia. [online]. Dostupné z WWW: .
36
10 Přílohy Příloha č. 1: Prezentace na téma Foton
1
Albert Einstein začal považovat jako první kvanta elektromagnetického záření za skutečné částice. Přímý a přesvědčivý důkaz této částicové povahy fotonů (kvant elektromagnetického záření) podal až v roce 1922 americký fyzik Arthur Holly Compton (1892 - 1962, Nobelova cena v roce 1927), který experimentoval s tvrdým rentgenovým zářením o vlnové délce 0,07 nm, jehož kvanta mají vysokou energii: E = hf = 17,8 keV. Rovnoběžný svazek tohoto záření nechal dopadat na uhlíkovou destičku a měřil frekvenci záření rozptýleného pod různými úhly. Kvanta záření se přitom chovala jako malé pružné kuličky, které se srážely s elektrony v uhlíkové destičce. Protože energie kvant elektromagnetického záření vysoko převyšovala vazebnou energii elektronů v uhlíku, bylo možné považovat elektrony za volné nehybné částice. Jinými slovy ve výpočtu není nutné brát v úvahu vazebnou energii elektronu, kterou je nutné překonat. Její hodnota je totiž řádově mnohem menší než je energie použitého elektromagnetického záření. Analogie pro snadnější pochopení: Máme rybářský vlasec, který má nosnost jeden kilogram. Tento vlasec přivážeme za nárazník auta a jeho druhý konec ke skobě ve zdi tak, že vlasec je mezi autem a zdí velmi volný. Když se auto začne rozjíždět, řidič v autě nezaznamená přetržení vlasce – síla (resp. práce) nutná k jeho přetržení je výrazně menší, než je síla (práce) vyvinutá motorem auta (naopak kdybychom připevnili mezi auto a zeď silné tažné lano, řidič si napnutí lana a jeho přetržení při rozjíždění automobilu jistě všimne). Na fotografii vyobrazeni Albert Einstein a A. H. Compton
2
Při pružných srážkách musí být splněny zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti. Frekvence záření rozptýleného pod určitým úhlem pak splňuje rovnici(1). f – frekvence původního záření f‘ – frekvence rozptýleného záření E‘e – kinetická energie elektronu po srážce Podle této rovnice je f‘ < f a λ‘ > λ. Tento rozptyl záření na volných elektronech byl nazván Comptonův jev.
Na světlo a ostatní druhy elektromagnetického záření lze tedy pohlížet jako na proud částic - proud fotonů. Jedná se o nový druh částic s nulovou klidovou hmotností, které v sobě spojují chování vln i částic, neustále se pohybují rychlostí světla a jejich energie je dána vztahy (2) známými z předchozí kapitoly. ZZE: Při všech dějích v soustavě těles se mění jedna forma energie v jinou, nebo přechází energie z jednoho tělesa na druhé; celková energie soustavy těles se však nemění.
ZZH: Celková hybnost všech těles v izolované soustavě (na niž nepůsobí vnější síla) se zachovává, tj. zachovává se směr i velikost celkové hybnosti. Tzn. součet hybností všech těles izolované soustavy je stálý. Na obrázku ilustrativní obrázek Comptonova jevu.
3
S fotony se člověk setkává již odpradávna, měl je neustále na „očích“. Fyzikálně se je podařilo objevit až ve 20. století. Jejich objev souvisí s historií výzkumu podstaty světla. Od 17. do 19. století spolu soupeřily dvě teorie vysvětlující vlastnosti světla: 1. Newtonova (korpuskulární) teorie - chápe světlo jako proud částic 2. Huygensova (vlnová) teorie - světlo chápe jako vlnění světového éteru Některé jevy (odraz, lom) bylo možné vysvětlit z hlediska obou teorií. Z hlediska Newtonovy teorie se jednalo o částice, které se prostě při dopadu na rozhranní dvou prostředí odráží nebo jím procházejí (jsou natolik malé, že projdou). Analogicky bylo možné pomocí Newtonovy teorie vysvětlit disperzi světla: bílé světlo je složeno z částic („kuliček“) různých druhů (barev), které vnímáme spolu dohromady jako barvu bílou. Při disperzi se pak částice jednotlivých barev od sebe oddělí proto, že mají nepatrně jiné vlastnosti (např. hmotnost). V 19. století však došlo k zásadnímu zvratu a byla všeobecně přijata teorie vlnová. Young a Fresnel prováděli pokusy s difrakcí světla (ohybem světla) viz další slide. Maxwellův vztah pro rychlost c z permitivity a permeability. Na obrázku částicové schéma Comptonova jevu.
4
Difrakce (ohyb) vlnění označuje jevy, které vznikají při průchodu vlnění otvorem nebo kolem překážky způsobující narušení vlnění. Příkladem ohybového jevu je průchod vlnění otvorem v překážce. Předpokládejme, že na překážku s otvorem dopadá rovinná vlnoplocha. Pokud jsou rozměry otvoru dostatečně velké vzhledem k vlnové délce vlnění, šíří se za překážkou vlnění téměř přímočaře a difrakce se uplatňuje jen velmi málo. Má-li však otvor rozměry srovnatelné s vlnovou délkou vlnění, pak vlnění proniká i za okraje překážky do tzv. geometrického stínu, a vzniká tak ohybový jev.
Ohybový jev nastává nejen na otvoru v překážce, ale i na překážce, jsou-li její rozměry opět srovnatelné s vlnovou délkou vlnění. Je-li překážka velká ve srovnání s vlnovou délkou vzniká za ní stín. Je-li rozměr překážky srovnatelný s vlnovou délkou vlnění, nastává ohyb vlnění a vlnění se projevuje i za překážkou [4]. Young a Fresnel prováděli pokusy s difrakcí světla (ohybem světla). Ohyb nastává na malých překážkách či otvorech (srovnatelných s vlnovou délkou světla), na hraně, vlasu, tenkém drátku, jedné či více štěrbinách, na mřížce. Ve všech těchto případech procházející světelné vlny vzájemně interferují, v některých směrech se vzájemně zesilují, v jiných se zase zeslabují a vytvářejí tak na stínítku charakteristický ohybový obrazec. Tyto experimenty není možné vysvětlit z hlediska korpuskulární teorie – ta dává výsledný obrazec s maximální intenzitou přímo naproti otvoru bez typického opakování světlých a tmavých míst (resp. barevného spektra). Na obrázku ilustrativní schéma Youngova pokusu včetně rozložení difrakčního maxima a minima.
5
Pokus se dvěma štěrbinami je vlastně jednoduchý experiment, při němž postupně vysíláme velké množství fyzikálních objektů téhož druhu proti přepážce, v níž jsou dva podélné otvory – štěrbiny. Ty objekty, které štěrbinami projdou, jsou jimi ovlivněny a následně dopadají na stínítko. Zde je dopad každého objektu zaznamenán. Získáme tak rozložení pravděpodobnosti, se kterou objekty na to které místo stínítka dopadají. Provedeme-li pokus s klasickými částicemi (např. s broky), získáme rozložení pravděpodobnosti naznačené křivkou P12 v situaci a). Její tvar nepřekvapuje - je "hladký'' s jediným maximem na ose a je prostým součtem obou jednoštěrbinových pravděpodobností P1 a P2 popisujících situaci, kdy vždy jednu z obou štěrbin zakryjeme. Provedeme-li naopak tentýž pokus s klasickými vlnami (např. v nádobě s vodou, jejíž hladinu na jedné straně od přepážky rozvlníme a na druhé straně v místě stínítka její maximální výšku v každém bodě proměřujeme), dostaneme naprosto odlišný výsledek naznačený křivkou P'12 na situaci b). Křivka není v tomto případě prostým součtem obou jednoštěrbinových rozložení P'1 a P'2 . Má více maxim a minim. Jedná se o tzv. interferenci – vzájemném "ovlivňování'' či "rušení''. Interference (skládání) je způsobena tím, že se v daném místě stínítka setkávají dvě vlny od obou štěrbin v různé fázi: maximum vzniká tam, kde se setkají dva "vrcholy" vln a minimum tam, kde se setká "vrchol'' a "údolí''. Je to právě tento interferenční efekt, který ve dvojštěrbinovém experimentu odlišuje vlny od částic. Video: Dr Quantum - Double Slit Experiment [8]
6
Éter byl ve fyzice byl považován za látku, která je médiem pro šíření elektromagnetického vlněníní. J. C. Maxwell později dokázal, že světlo není vlněním éteru, jak se do té doby soudilo, ale že se jedná o zvláštní případ vlnění elektromagnetického. Na základě toho vypracoval celou teorii elektromagnetického pole, která velice dobře souhlasila s již zjištěnými (a ověřenými) fakty a zákony (Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony, …). Zároveň umožnila rozvoj poznatků „novým“ směrem.
Na druhé straně Planckova kvantová hypotéza vysvětlující spektrum rovnovážného záření, Einsteinova teorie fotoefektu a Comptonův jev nás přesvědčují o tom, že světlo má také částicový (korpuskulární) charakter. Tím ale vzniká rozpor neřešitelný v rámci klasické makroskopické fyziky: Je-li světlo proud částic (fotonů), jak je možné vysvětlit jeho difrakci na dvou štěrbinách? Částice přece může projít jen jednou štěrbinou a přítomnost druhé štěrbiny nemůže mít na průběh experimentu žádný vliv. A přesto, jestliže zakryjeme jednu štěrbinu, difrakční obrazec se změní. Na fotografii J. C. Maxwell.
7
Bylo by možné si představit, že vlnění nastává, pohybuje-li se současně velké množství fotonů, podobně jako vznikají vlny v plynech nebo kapalinách. Proto byly prováděny pokusy s velmi slabým zářením a dlouhými expozičními dobami, kdy do difrakčního systému vstupoval jeden foton po druhém. Každý takový foton vyvolal samozřejmě zčernání jen jednoho bodu fotografické desky v místě, kam náhodně dopadl. Po delší době však zčernalé body začaly opět vytvářet difrakční obrazec jako v případě vlny dopadající současně na obě štěrbiny. Na některá místa fotografické desky dopadlo fotonů méně, na některé více a pravděpodobnost dopadu se řídila přesně chováním vlny při difrakci na dvou štěrbinách. Ilustrativní obrázek.
8
Proto je nutné připustit, že foton se chová jako částice a zároveň jako vlna. Interferenčními metodami je možné měřit jeho frekvenci a vlnovou délku, pozorujeme-li jeho ohyb na překážkách a štěrbinách. Popisujeme tedy chování fotonu jako vlnu. Na druhé straně při fotoefektu a Comptonově jevu se chová foton jako částice - sráží se s elektrony a předává jim část své energie analogicky jako jedna kulečníková koule předává energii jiné kouli při vzájemné srážce. Při dopadu na fotografickou desku vyvolá každý foton zčernání v určitém místě jako důsledek chemické reakce. Chová se tedy jako částice. Na obrázku [7] kvantový vtip o existenčních problémech fotonu (volný překlad: Kde to jsem? Jaká je moje hybnost? Nebo kde to jsem? Do… Proč se tím zase zabývám, vždyť si ani nejsem jist, zda jsem vlna nebo částice!)
9
Uvedený rozpor se nazývá korpuskulárně vlnový dualismus (částicově vlnový dualismus). Mnoho fyziků již vedlo spory o tom, jak si představit částici, která se chová jako vlna, a vlnu, která se chová jako částice. Je to ale nesprávně položená otázka. Z naší běžné makroskopické zkušenosti jsme zvyklí buď na pohyb částic, těles (letící kulka, jedoucí automobil, pohybující se planeta, …) a nebo na pohyb vlny (zvukové vlnění, vlna na vodní hladině, …). Částice má v klasické fyzice v každém okamžiku určitou polohu na své trajektorii a určitou rychlost, kterou se pohybuje, vlna má zase vlnovou délku a frekvenci a zasahuje současně do celého prostoru. Foton je objekt mikrosvěta a pohybuje se prostě jinak, než jak jsme zvyklí si představovat. Není možné prostě určit jeho trajektorii a stanovit místo jeho dopadu např. na fotografické desce. Je možné stanovit pouze pravděpodobnost, s níž dopadne do daného místa. Podle druhu experimentu, který s fotonem provádíme, může foton projevit buď svou částicovou nebo vlnovou povahu, i když se samozřejmě jedná o tentýž objekt. Na ilustrativním obrázku opět Taylorův pokus. V experimentu G. I. Taylora s ohybem světla na dvojštěrbině je zdroj světla natolik slabý, že další foton je emitován až poté, co předcházející foton dopadl na stínítko. Přesto se na stínítku stále vytvářejí interferenční proužky pokud pokus probíhal dostatečně dlouho (až několik měsíců).
10
Definice dle [1].
11
Příklad podle *2+.
12
13
14
15
16
