Metodika pro učitele – Síly v mechanice ZŠ Základní charakteristika výukového programu: Popis: V pěti kapitolách se žáci seznámí s různými druhy sil, jejich velikostí a také s momentem síly. S aplikací je možné pracovat samostatně, nebo s použitím sond Pasco, které jsou k dispozici v rámci projektu, případně jen provádět měření pomocí sond. Získané znalosti si žáci ověří malým testem. Délka: 5 vyučovacích hodin, případně 2–3 vyučovací bez sond Věková kategorie: základní škola Počet žáků: max. 30 Místo: ve třídě Pomůcky: Pro učitele/pro třídu 2 × plastová bednička na pokusy s vodou (např. Samla 11l [1]) 2 × digitální kuchyňské váhy 1 × posilovací pružiny s možností odebrání jednotlivých pružin 2 × silič dlaní – kolečka 1 × silič dlaní – kleště se škálou 2 × (nebo víc) osobní váhy – klasické, ne digitální, na spodní straně vah přilepený suchý zip pro experimenty s akcí a reakcí piezozapalovač a piezomechanizmus ze zapalovače plastová brčka – je potřeba vyzkoušet, jestli se po zelektrování dobře přitahují misky o různé ploše dna s kolmými stěnami (pokus na vztlakovou sílu) izolepa provázek těleso pro určování vztlakové síly – váleček s háčkem, případně sklenička s háčkem na víčku (je potřeba si vyrobit) Doporučeno 2 × klasický pružinový siloměr rozsah 2N zařízení pro bezdrátový přenos obrazu z tabletu do projektoru – např. NETGEAR Push2TV HD PVT3000 nebo Asus Dongle, dataprojektor, promítací plocha Pro každého žáka tablet s aplikací Tárium: Síly v mechanice ZŠ (+ stojánky na tablety) pracovní list Do dvojice PASPORT AirLink 2 (je potřeba dopředu nabít) senzor síly (PS-2104) staré hliníkové mince – 10h, 20h, 50h, případně tenké měděné drátky o délce cca 10–15cm 2 × magnet, jeden z magnetů s nástavcem a šroubkem 3 mm, který pasuje do siloměru. gumičky
V 2.0
1/8
Návaznost na RVP: Fyzika. Aplikace je určena k zopakování a rozšíření znalostí z výuky. Vhodné k zopakování probrané látky k tématu Pohyb a síla. Cíle programu: - Žáci změří síly, které jsou schopni vyvinout. - Žáci změří velikosti sil pomocí sond. - Žáci skládají síly a určují jejich výslednici. Charakteristika aplikace: Aplikace má 5 nezávislých kapitol a jednoduchý test. Úvod Skládání sil Newtonovy zákony Síly v mechanice Moment síly Žáci mají k dispozici papírový pracovní list, do kterého průběžně vyplňují výsledky svých měření. Je možné jej na konci výuky vybrat a ohodnotit. Aplikace je opatřena encyklopedií, kde si žáci mohou vyhledat neznámé pojmy. Výuka je koncipována na 5 vyučovacích hodin při výuce s použitím sond, se kterými se provádí jednoduchá měření a 2–3 vyučovací hodiny pokud se používá pouze aplikace. Z aplikace je také možné vybrat jen určitou kapitolu a na tu se zaměřit – kapitoly jsou na sobě nezávislé. Před výukou: Vyučující připraví tablety a pomůcky zmíněné výše. Hodí se na výuku taktéž připravit projektor a pomůcky pro přenos obrazu z tabletu. Pro výuku je lepší využít bezdrátový přenos obrazu.
Průběh výuky: 1. Zahájení výuky Rozdání pracovních listů, rozdělení do dvojic, pokud je žáků lichý počet, necháme jednoho žáka pracovat samostatně či ve trojici. Tablety rozdáme až těsně předtím, než budou potřeba. 2. Co je to síla? Výuku zahájíme evokačními otázkami. Co je to síla? Jak se projevuje? Podporujeme žáky, aby přicházeli s vlastními formulacemi. Na závěr učitel shrne, co je to síla a jak se projevuje. 3. Příběh o síle Příběh o síle má za cíl ukázat žákům jak funguje vědecké bádání, případně i jak vznikají nástroje pro fyzikální měření.
V 2.0
2/8
Chci změřit, kdo je silnější, jestli Karel nebo Pepa. Jak to poznám/určím ve třídě? Možné odpovědi – dají si páku, zkusí, kdo koho přetlačí, atd. Jak ale určím, kdo je silnější, pokud jsme od sebe hodně daleko a nemáme možnost se potkat? Potřebuji něco, čím mohu porovnat sílu – můžu nechat Karla zvednout třeba kámen, a poté ho poslat Pepovi i s postupem, jak jej Karel zvedal. Když jej Pepa stejným způsobem zvedne, je silnější. Pokud by nebylo možné kámen poslat, pošlu Pepovi alespoň fotografii nebo popis, jak kámen vypadal. Poznámka: Přesně tímto způsobem funguje vědecké bádání – pokud je potřeba ověřit, nebo porovnat výsledky nějakého experimentu, které někdo prováděl, seznámím se s postupem, jak byl experiment proveden a mohu jej následně porovnat se svými výsledky. Co kdybychom použili stejný postup a tentokrát využili posilovací pružiny. Karel by je natáhl např. o 20 cm a Pepa o 30 cm. Ten, který je natáhl o více, je silnější. Můžeme také stanovit jednotky, v jakých budeme sílu měřit, např. 5 cm může odpovídat 10 N. A hle – vyrobili jsme pružinový siloměr. 4. Co měří osobní váhy Než se žáci pustí do měření, je důležité s nimi projít, jakou veličinu ve skutečnosti měří osobní váhy, které se při měření budou používat. Obvykle žáci odpovídají, že měří hmotnost, ale to není úplně pravda. Ve skutečnosti váhy měří výslednou sílu, kterou je působeno na horní desku vah. Tato síla je následně vydělená tíhovým zrychlením. To, že váhy měří sílu, se dá ověřit jednoduchým pokusem, kdy některého z lehčích žáků postavíme na váhy. Pokud ho následně zatlačíme na ramenech směrem dolů, tak „stoupne jeho hmotnost“, obdobně když jej nadzvedneme, tak „jeho hmotnost klesne“. Přitom je jeho hmotnost pořád stejná. Poznámka: Je potřeba dát pozor, aby se žákům nevytvořila miskoncepce, že stačí kdykoliv vynásobit hmotnost „10“ a dostanu sílu. Tento problém se dá zmapovat, případně odstranit při probírání 2. Newtonova zákona v kapitole Newtonových zákonů. 5. Jak jsem silný (Úvod první slide) Námětem pro tato měření byl příspěvek Mechanika lidského těla od Václava Piskače na Konferenci Elixír do škol [2]. Zkoumá se síla stisku ruky síla roztažení rukou tíhová síla síla tlačení do zdi síla přitažení Každý žák provádí měření sám za sebe. Před samotným měřením má žák odhadnout, jak velkou sílu je schopen v dané situaci vyvinout.
V 2.0
3/8
Následně jsou představeny způsoby, jak se budou jednotlivé síly měřit síla stisku ruky – osobní váhy síla roztažení rukou – posilovací pružiny, (příruční váhy, mincíř) tíhová síla – osobní váhy síla tlačení do zdi – osobní váhy síla přitažení – zvednutí aktovky, aktovek, následné zvážení na osobních vahách Je nutné počítat s tím, že měření nějakou dobu zabere. Pro úsporu času je možné vybrat jen některé žáky ze třídy, případně použít více osobních vah a posilovacích pružin (1 váhy a pružiny na 5 žáků). Je důležité žákům zdůraznit, že sílu měříme v newtonech, ne v kilogramech. Poznámka: Pokud se pro měření roztažení rukou použijí příruční váhy, které obvykle fungují na piezoelektrickém jevu, je potřeba žáky upozornit, že přestože se váhy nijak „nenatahují“, tak měří, a měří velmi přesně. 6. Porovnání sil Se silami je možné udělat dvě porovnání – první je porovnání odhadu žáků s následně naměřenými hodnotami. Důležité je zde pracovat s „chybou“. Pokud žáci něco odhadovali, ale netrefili se, jde jen o to, že jejich odhad byl chybný, ne že by nerozuměli fyzice. Druhá možnost porovnání je porovnat síly mezi žáky. Zajímavé je porovnat sílu stisku ruky a sílu roztažení rukou. Pokud si žáci navzájem přidrží ruce podle obrázku níže, tak by se ruce žáka, který se je snaží roztáhnout, neměly pohnout, jelikož síla stisku ruky je větší než síla roztažení rukou.
Přibližné hodnoty sil, které žákům vycházejí Druh síly Velikost síly (orientačně) Síla stisku ruky 300 N (horolezci až 500–600N) síla roztažení rukou 100–300 N tíhová síla 500–1000 N síla tlačení do zdi 300–500 N síla přitažení 200 N
V 2.0
4/8
7. Rozdání tabletů Žáci si do dvojice rozdají tablety, pokud chtějí, mohou si k nim vzít i stojánek, aby na lavici zabíral méně prostoru. Dá se pracovat ve variantě, že každý žák má svůj tablet, ale výuka ukázala, že druhý tablet dvojice tolik nevyužívá. 8. Kapitola Úvod – Druhy sil Žáci společně rozřadí druhy sil. Následuje diskuse, jak se tyto síly projevují, v jakých situacích je využíváme, i kdy nám v něčem brání. Možné odpovědi do diskuse: gravitace – „neodletíme pryč do vesmíru“ odporová síla – můžeme skákat padákem a ve zdraví přežijeme; když jedeme rychle na kole, vzduch nás brzdí elektrická síla – je zodpovědná za většinu interakcí, se kterými se běžně můžeme setkat – např. to že nepropadneme židlí, že můžeme do něčeho tlačit, atd. vztlaková síla – umožňuje plout lodím po moři, taktéž i vznášení vzducholodí a balónů magnetická síla – různé druhy magnetů, magnetické pole Země, které nás chrání před slunečním zářením třecí síla – v zimě brání uklouznutí na ledu, když jej posypeme pískem; u strojů může způsobit zadření povrchová síla – umožňuje živočichům (př. vodoměrka, bruslařka) žít na vodní hladině aniž by se potopili, na druhou stranu není tak silná, aby udržela na hladině člověka tíhová síla – zde je dobré rozlišit mezi tíhovou a gravitační silou 9. Kapitola Skládání sil Kapitolu skládání sil mohou žáci projít více méně sami. Je dobré zopakovat pokus s osobními vahami, kdy žák stojí na vahách, spolužák mu zatlačí do ramen a „vzroste jeho váha“. Přesněji váhy ukazují výslednici tíhové síly a síly, kterou tlačím do ramen. Skládání sil se žáci prakticky naučí (slide 4 v kapitole Skládání sil) a následně procvičí (slide 5 v kapitole Skládání sil). Pro skládání sil se používají dvě metody – doplnění na rovnoběžník a postupné skládání sil za sebe. 10. Kapitola Newtonovy zákony 1 N. Z. – Zavádí inerciální a neinerciální vztažnou soustavu. V uzavřené inerciální vztažné soustavě žádným experimentem nelze zjistit, zda se soustava pohybuje, nebo je v klidu. 2. N. Z. – Na druhý Newtonův zákon se dá dívat z několika pohledů – jako na pohybovou rovnici – „sečtu všechny síly působící na těleso a jejich výslednice způsobí pohyb tělesa“, nebo jako na definici síly, znám-li zrychlení a hmotnost tělesa. Oproti kinematice se dynamika zabývá tím, co pohyb způsobilo, ne jen jeho popisem. 3. N. Z. – Na demonstraci zákona je možné využít klasické siloměry jako na obrázku v aplikaci, případně dvoje osobní váhy spojené suchým zipem. Není dobré, aby žáci měřili akci a reakci pomocí
V 2.0
5/8
sond, které využívají piezoelektrický jev, jelikož nevidí na siloměru téměř žádnou změnu a snadno jej můžou zničit. 11. Příprava na měření – rozdání sond Před rozdáním sond je potřeba zdůraznit piezoelektrický princip sond – i když nevidím na čidle očividnou změnu, tak čidlo měří a je snadné jej zničit. Žákům je doporučeno používat čidlo v rozsahu od - 25 N do + 25 N. Samotné čidlo má rozsah od - 50 N do + 50 N, při překročení 63 N se zničí. Pokud čidlo ukazuje při měření nenulovou hodnotu, je potřeba na siloměru stisknout tlačítko ZERO. Následně žáci dostanou do dvojice siloměr a AirLink2. AirLink2 je potřeba spárovat pomocí Bluetooth s daným tabletem. Taktéž je potřeba AirLink2 spárovat i v aplikaci Sparkvue a následně připojit siloměr. Pro samotné měření je možné zvolit ze dvou možností – Síla tah a Síla tlak. To co se bude lišit, bude jen znaménko síly, podle toho jestli taháme, nebo tlačíme na siloměr – jde o konkrétní důsledek toho, že síla je vektorová veličina. Pokud žáci prošli aplikací Tabletárium Pohyb ZŠ, mají stejné zkušenosti i s rychlostí, která taktéž měnila své znaménko v závislosti na směru pohybu.
12. Kapitola Síly v mechanice – měření Tíhová síla Na siloměr si nejdříve našroubujeme háček a následně budeme určovat tíhovou sílu. Nejjednodušší variantou je pověsit na siloměr obal od tabletu, případně lze využít penál žáků. Jelikož se siloměr nijak neprotahuje, je vhodné přidat na háček gumičky, díky nimž je „vidět nějaká změna“.
Třecí síla Jelikož již žáci mají určenu tíhovou sílu, mohou následně porovnat tuto sílu se silou třecí, tím, že budou rovnoměrně posouvat obal s různou zátěží po lavici. Krásně je na této aktivitě vidět, že hodnota třecí síly není konstantní, ale v závislosti na nerovnosti povrchu a molekulovém působení se
V 2.0
6/8
nepatrně mění i při rovnoměrném pohybu. Pečlivější žáci jsou také schopni na počátku schopni naměřit „skok síly“, který je způsobený rozdílem mezi statickým a dynamickým třením. Z naměřených hodnot se dá následně určit součinitel smykového tření mezi lavicí a obalem tabletu, hodnota součinitele je cca 0,3, ale může se lišit v závislosti na povrchu. Důležité je, že siloměr je tak přesný, že je možné naměřit závislost tření na velikosti styčné plochy, případně rychlosti pohybu tělesa. Tyto jevy se dříve zanedbávaly, jelikož je nebylo klasickým siloměrem možné změřit. Pro měření třecí síly je taktéž možné vyžít i přímo sadu na tření a valivý odpor, kterou lze nalézt ve většině školních kabinetů z dřívějších let. Valivý odpor Výhoda valivého odporu oproti třecí síle je jeho menší velikost. To je důvod, proč se používají kuličková nebo válcová ložiska, jelikož snižují tření mezi povrchy. Valivý odpor je také možné měřit, ale není součástí pracovního listu, jelikož obecně nemusí být k dispozici potřebné pomůcky. Vztlaková síla Vztlaková síla v aplikaci záměrně chybí, protože její měření je koncipováno jako badatelská aktivita. Žáci přicházejí s nápady, na jakých parametrech závisí vztlaková síla (v této fázi nápady nehodnotíme, pouze zapisujeme) a poté následuje debata, jestli jsou tyto parametry reálné, případně jestli jsme schopni na hodině tyto parametry změřit. Dva parametry zmíněné v pracovním listu, které se následně proměřují, jsou hloubka ponoření předmětu a plocha dna. Na druhou stranu jsou žáci schopni vymyslet i řadu dalších parametrů, které by bylo zajímavé zkoumat. Důležité je pro demonstraci vztlakové síly mít těleso, které je možné celé ponořit a ukázat tím, že po úplném ponoření tělesa se vztlaková síla nemění (zanedbáme-li deformace tlakem, který roste s hloubkou, a vztlakovou sílu provázku nebo gumičky, na které je těleso zavěšeno).
V 2.0
7/8
Magnetická síla Poslední síla, která se v rámci sil v mechanice měří, je magnetická síla, která taktéž není v aplikaci obsažena. Hlavním smyslem měření magnetické síly je pro žáky vytvoření představy, jak jsou různé síly „velké“. Obvykle totiž žáci o této základní veličině nemají moc představu. Pro naše magnety (klasické černé magnety) – cca 15 mm průměr a 4 mm výška, vycházela magnetická síla odpuzování cca 1 N, pokud byly magnety v těsné blízkosti. V rámci aktivit se dá také naměřit závislost poklesu magnetické síly na vzdálenosti od magnetu.
13. Kapitola Moment síly Co měří/porovnávají rovnoramenné váhy Opět v analogii s osobními váhami se dá ukázat, že váhy porovnávají momenty sil působící na misky vah. Jelikož ramena vah jsou stejně dlouhá, porovnávají se působící síly a pokud na misky působí jen tíhová síla závaží na nich, porovnávají hmotnost těles. Použití momentu v praxi Pěknou ukázkou použití momentu v praxi jsou např. kleště (nebo nůžky). U kleští nám stačí malá síla, abychom přestřihli i pevný drát. 14. Test Samotný test je koncipován jako shrnutí základních faktů, které by si žáci měli z výuky s aplikací odnést. 15. Úklid pomůcek a zpětná vazba Na konci výuky je třeba počítat s úklidem pomůcek, do kterého jsou zapojeni i žáci – zabere cca 10 min. Pomůcky je potřeba přepočítat, jestli nic nechybí. V tabletech žáci vypnou všechny spuštěné aplikace a následně je odevzdají. Během úklidu si již žáci mohou rozmýšlet, které tři konkrétní postřehy/poznatky/zjištění si z výuky odnášejí. Může se jednat i o něco zajímavého, co se při hodině dozvěděli, nebo je překvapilo. Po úklidu dáme všem žákům prostor, aby se vyjádřili (5–10 min). Také se osvědčilo udělat s žáky „teploměr“, jak se jim výuka líbila – podle výšky zvednutí ruky hodnotí výuku. Zdroje [1] Krabice Samla, http://www.ikea.com/cz/cs/catalog/products/40102978/ [cit. 2015-04-02] [2] Václav Piskač: Mechanika lidského těla (přednáška), dostupná on-line https://youtu.be/QTSUbL_My58 [2015-06-11]
V 2.0
8/8
