No title

FYZIKA M me magnetickou polarizaci permanentnch magnet JI ERHART { LADISLAV IMEK Technick Univerzita, Liberec

Permanentn magnety jsou dnes bn dostupn a pou van pro upevovn pedmt na magnetickou podloku (nap. listy pap ru na magnetick tabuli magnetkami rznch tvar i vt pedmty jako utrky na sporku apod.). Permanentn magnetick vlastnosti tchto ltek jsou projevem existence elementrn ch magnetickch diplovch moment v ltce. Tyto diplov momenty existuj spontnn ve feromagnetick ltce pod ur itou teplotou { tzv. Curieovou teplotou. Peht magnetu nad Curieovu teplotu vede k jejich ztrt a vymizen magnetickch vlastnost . Curieovy teploty jsou v ak pro bn dostupn materily dov nkolik stovek stup Celsia a tak tento jev hroz pouze pi upevnn magnetek na hork podloky jako nap. na spork v bl zkosti zdroj tepla. Pro siln magnetick materily NdFeB vrobci doporu uj teploty pouit v rozmez do 80 C a 200 C podle typu materilu 1] (tabulka 1). Pvodn jsou ov em tyto diplov momenty uspodny nhodn a jejich stedn magnetick polarizace, tj. magnetick diplov moment na jednotku objemu je nulov. Proto jsou permanentn magnety na po tku svho magneticky aktivn ho ivota vystaveny psoben silnho statickho magnetickho pole, kter jednotliv diplov momenty uspod paraleln se smrem magnetick indukce. Elementrn magnetick diply v permanentn m magnetu se makroskopicky projevuj magnetickm diplovm momentem celho magnetu. Matematika - fyzika - informatika 19 2009/2010

595

Projevem magnetick polarizace ltky je schopnost psobit magnetickou silou, hysterezn chovn magnetick ltky zodpovdn nap. za ztrty energie v jdrech transformtor atd. A prv magnetick s ly mohou bt pouity pro jednoduch men magnetick polarizace ltky. Tabulka 1. Fyzik

ln vlastnosti nkterch magnetickch materi l { podle 1]

Typ N42 N52 50M 48H 45SH materi lu Remanentn 1 29; 1 42; 1 40; 1 37; 1 32; magnetizace 1 32 1 47 1 46 1 42 1 37 T] Koercitivn 860 ; 955 860 ; 995 860 ; 995 860 ; 995 860 ; 955 pole kA/m] Maxim ln 80 80 100 120 150 teplota C]

40UH

35EH

1 26; 1 29

1 17; 1 21

860 ; 955 860 ; 915

180

200

Magnetick diplov momenty na sebe navzjem psob magnetickmi silami, kter lze pro speciln tvary permanentn ch magnet vyjdit tak analyticky. Pedpokldejme homogenn magnetizovan permanentn magnety ve tvaru homogenn ch vle k um stnch rovnobn s osami na spole n p mce (obr. 1).

;

Obr. 1 Uspo d n permanentnch magnet na spolen ose s antiparalelnmi magnetickmi polarizacemi { magnetick sly jsou odpudiv

596

Matematika - fyzika - informatika 19 2009/2010

Magnetickou polarizaci spodn ho magnetu ozna me M~ 1 = (0 0 M ), kde m2 1 ~ M= m a2 l1 . Podobn pro horn magnet M2 = (0 0 ;M ), kde M = a2 l2 . Magnetick diplov momenty magnet jsou ozna eny m1 , m2 , magnetick polarizace je pedpokldna homogenn v celm objemu a stejn v obou magnetech. Intenzita magnetickho pole vytvoenho spodn m magnetem na spole n ose ve vzdlenosti z (vzdlenost je mena od stedu magnetu) je dna v soustav SI vztahem 2]

H~ = (0 0 Hz )

9 8 >> >> l l 1 1 = < z; z+ Hz = 2M > s 2 2 ; s 2 2 > 0> : a2 + z + l1 a2 + z ; l1 > 2

(1)

2

Magnetickou s lu psob c v tomto poli na horn magnet spo teme podle vztahu

F~2 = (m ~ 2 grad)H~ 1 = (0 0 Fm )

8> >> < 1 Fm = 2M a2 (M a2 l2 ) > " ; " 1 2 # # 2 0 >: a2 + z + l1 a2 + z ; l21 2 3 2

3 2

9> >> = >: >

(2) Pro p pad, e magnety jsou ve vzdlenosti vt , ne je jejich v ka (z >> >> l1 l2 ), lze pro psob c s lu (2) odvodit piblin vztah

8

9

< = 2 Fm 2M a4 l1 l2 : 2 3z 2 52 : 0 a +z

(3)

Velikost magnetick odpudiv s ly v zvislosti na vzdlenosti magnet lze pi men ur it jej kompenzac t hovou silou zva (nemagnetickch, aby Matematika - fyzika - informatika 19 2009/2010

597

nemnila rozloen magnetickch pol magnetek!) uloench na horn m magnetu. V rovnovze jsou velikosti magnetick s ly Fm a t hov s ly mg rovny, tj. Fm = mg: (4) Hmotnost zte horn ho magnetu m si lze pedstavit sloenou z hmotnosti drku a horn magnetky md a hmotnost samotnch zva mz . Magnetickou polarizaci M potom tedy meme ur it linern regres

9

8

= < 2 mz g = 2M a4 l1 l2 : 2 3z 2 52 ; md g 0 a +z

(5)

z=a pro promnn mz a , kde pro ur en magnetick polarizace 1 + (z=a)2]5=2 ani nen teba znt konkrtn hodnotu hmotnosti drku a horn magnetky md . Ozna me-li linern koe#cient ve vztahu (5) jako k

mz g = k 1 + (z=a z=a)2 ]5=2 ; md g plat

k = 23 l1 l2 M 2 0

r 2 k

M = 3 l0 l 12

(6)

(7)

kde permeabilita vakua m hodnotu 0 = 4 10;7 H/m. Pro udren magnet v osov poloze s magnetickou odpudivou silou pouijeme jednoduch drk konstruovan z plexisklov trubky o nco mlo vt ho prmru, ne jsou pouit vlcov magnetky (obr. 2). Pou van zva ka jsou diskovho tvaru s otvorem a nasazuj se na vod c nemagnetickou ty spojenou s horn magnetkou. Zva ka v ak musej bt vyrobena z materilu, kter nen feromagnetick, aby neovlivovala rozloen magnetickho pole mezi permanentn mi magnetkami { v na em p pad z mdi a mosazi. Vzdlenosti jsou meny m tkem piloenm zvnj ku prhledn plexisklov trubky { pozor na paralaxn chybu! V piloenm vzorovm men pouijeme siln FeNdB magnety tvaru disk a pro vt magnetick s ly slo me vdy ti disky do jedn magnetky. 598


; ; ; ;

Obr. 2 Ppravek pro men magnetick odpudiv sly mezi magnetkami, zobrazeny jsou pouit magnetky a z va.

P klad men : 1. V p pravku zatujeme horn magnetku zva mi se znmou hmotnost a m me vzjemnou vzdlenost mezi magnetkami (vzdlenost sted magnetek). Provedeme alespo 5 men pro vhodn zvolen hmotnosti zva (tabulka 2). 2. Do grafu vyneseme hmotnost zva mz a bezrozmrovou veli inu (z=a) 1 + (z=a)2 52 a linern regres stanov me hodnotu magnetick polarizace M podle vztah (6) a (7). 3. Porovnme kvalitativn ur enou hodnotu magnetick polarizace s hodnotou remanentn magnetick indukce BR 129;132 pro FeNdB magnety typu N42 udvanou vrobcem. Vrobce bohuel neudv p mo hodnotu magnetick polarizace. Magnetick polarizace je obecn o nco vt ne remanentn magnetick indukce { vztah mezi tmito hodnotami lze zjistit nap. z tvaru hysterezn smy ky. Matematika - fyzika - informatika 19 2009/2010

599

Tabulka 2 Namen hodnoty

Hmotnost g] 0 64,19 67,70 69,39 131,89 137,09 172,46 201,28 236,65 275,58 339,77 407,47 448,04 512,23 649,32

pro dv odpuzujc se magnetky (a = 1 00 cm)

Vzd lenost (z=a)=(1 + (z=a)^2)^2,5 ;] magnet z cm] 7,50 0,000302 6,15 0,000654 6,10 0,000676 6,10 0,000676 5,50 0,001007 5,50 0,001007 5,25 0,001204 5,10 0,001345 4,90 0,001566 4,75 0,001763 4,55 0,002074 4,35 0,002455 4,25 0,002679 4,15 0,002928 3,90 0,003686

m g N] 0 0,630 0,664 0,681 1,294 1,345 1,692 1,975 2,322 2,703 3,333 3,997 4,395 5,025 6,370

;

Obr. 3 Graf z vislosti magnetick odpudiv sly mezi dvma permanentnmi magnetkami NdFeB, typ N42.

600


Tabulka 3 Line

rn regrese z vislosti magnetick sly na bezrozmrnm parametru smrnice 1900 odchylka smrnice 11 relativn odchylka 0,0058 magnetick polarizace T] 1,50 odchylka magnetick polarizace T] 0,04 relativn odchylka 0,024

Zm me rozmry magnetek (3 magnetick disky o tlou &ce 5 mm skldaj kadou z nich) l1 = l2 = (150 005) cm a a = (100 005) cm. Magnetickou polarizaci z skme potom z namench dat linern regres M = (150 004)T #r (M ) = 24 %: Relativn pravdpodobn odchylka magnetick polarizace se odvod obvyklm postupem r1 #r (M ) = 4 #2r (l1 ) + 14 #2r (l2 ) + 14 #2r (k): Zdrojem systematickch chyb tohoto men je jednak pouit zanedbn pro vzdlenost magnetek v i jejich vzdlenosti a dle pak skldn magnetek z v ce disk (v na em men byla kad magnetka sloena ze t disk). Bohuel jsme nemli k dispozici magnetky vcelku se stejnm prmrem a rznmi v kami. Men opakovan s rznm po tem disk skldaj c ch jednu magnetku ukazuj , e hodnota magnetick polarizace je zvisl tak na po tu disk skldaj c ch jednotliv magnetky. Je to patrn t m, e povrch magnetickch disk je poniklovn a sloenina ze t magnetickch disk tak nen zcela ekvivalentn homogenn magnetce. Zvrem dleit upozornn : Magnety jsou extrmn siln a dokou svm silnm magnetickm polem zni it elektroniku (mobiln telefony, hodinky i magnetick zznamov media jako diskety, kreditn karty, (ash disky, MP3 pehrva e atd.) i samy sebe mechanicky navzjem pi pitaen se z velk vzdlenosti (jsou velmi kehk)! Manipulujte s magnety extrmn opatrn, pitahuj se navzjem obrovskou silou, kter vs me pekvapit! Literatura 1] Katalog rmy Supermagnete, http://www.supermagnete.com 2] V. Votruba, . Muzik: Teorie elektromagnetickho pole, N!SAV Praha 1958.


601

Sousted n Fyzikln olympidy { historie a souasnost BOHUMIL VYBRAL Pedagogick fakulta Univerzity Hradec Kr lov

1. Organizace a mstopis soustedn )lnek pojednv o celosttn ch soustedn ch Fyzikln olympidy (FO), kter jsou ji od roku 1962 vznamnou slokou p e o studenty talentovan na fyziku. Za 48 let existence soustedn FO je absolvovalo asi 1800 student, z nich mnoz reprezentovali n stt na mezinrodn ch sout ch a vt ina se po absolvovn vysok koly velmi dobe uplatuje na poli vdy a vzkumu nebo vzdlvn . Pedloen sta& souhrnn monitoruje tuto vznamnou aktivitu od jej ho po tku a po sou asnost. Po zaloen Fyzikln olympidy v roce 1959 se velmi brzo ukzalo, e bude teba e itele na sout systematiky zvl tn formou pipravovat, protoe koln vzdlvac systm studentm nedokzal poskytovat hlub znalosti z fyziky a matematiky, nezbytn pro e en nro nj ch fyzikln ch problm. Jednou z forem p e o talenty byl nvrh prof. RNDr. Rostislava Ko &la organizovat celosttn soustedn Fyzikln olympidy.1 Pro tuto formu se zvolila podm nka, aby se celosttn ch soustedn z* astovali nej*sp nj e itel FO kat. B jako budouc e itel nejvy

kat. A (v tn byli tak velmi *sp n e itel kat. A z nematuritn ch ro n k). Tato forma p pravy m tedy ji tm plstoletou tradici. Prvn (zku ebn ) soustedn se konalo ji v roce 1962 v Krkono ch (v tehdej m 1 Protoe se celost tn soustedn pro kat. B uk zala jako velmi uiten a o "ast na nich bval ze strany student velik z jem, zaaly se na podnt R. Ko#$ la od r. 1966 organizovat tak intern tn krajsk soustedn pro kat. B a C. Byla tdenn nebo i dvoutdenn, av#ak nedailo se je zorganizovat ve v#ech krajch. Nkter kraje po daly jen vkendov jednodenn soustedn (nkolikr t v podzimnm a zimnm obdob). Tato soustedn v novch podmnk ch po r. 1989 bohuel ustala (jednak pro mal z jem ze strany e#itel, kterch vrazn ubylo, jednak z ekonomickch dvod { cestovn se studentm propl celo a veejn dotace na FO se tenily). Vedle toho probh ji od r. 1967 (zpravidla dvouf zov) soustedn k pprav na Mezin rodn fyzik ln olympi du.

602


kolic m stedisku eskho ministerstva kolstv a kultury)+ v roce 1963 se podobn soustedn konalo na Slovensku. Soustedn v prvn m desetilet byla t tdenn ( lo o posledn dva tdny v ervnu a jeden tden ji przdninov)+ pozdji byla jen dvoutdenn ve druh polovin ervna. Je t pozdji se konn pesunulo na 2. a 3. tden ervna.2 Zkrcen trvn na 2 tdny se kompenzovalo zvt en m po tu dopoledn vuky { zpo tku na 6 vukovch hodin, pozdji na 5 hodin. A do r. 1992 (tedy 30 let) se celosttn soustedn konala pro cel *zem tehdej ho )eskoslovenska, a to zpravidla tak, e dva roky po sob je organizovala esk strana, dal rok pak slovensk st republiky. A do r. 1996 se organizovala soustedn spole n s Matematickou olympidou, a to pro 90 * astn k kategorie B obou sout FO a MO+ od 80tch let byl z ekonomickch dvod po et * astn k sn en na 80. Po r. 1990 se po et e itel obou olympid vrazn zmen il, co tak vedlo k dal mu zmen en po tu * astn k soustedn (ke zmen en tohoto po tu vedla i men sttn dotace). Vuka se organizovala ve 4 paraleln ch t dch: 1 t. F, 2 t. M-F a 1 t. M, pi em sout c se do t d dlili a na m st+ rozhodovala *sp n * ast na sout ch v FO a MO. Nejvt zjem bval o t du M-F a byl nkdy problm t dy sestavit. Nkdy, podle podm nek v m st konn , byly vytvoeny jen ti t dy (zejmna po poklesu po tu * astn k na 80). O * ast na soustedn ch bval ze strany sout c ch velik zjem. Podle po tu *sp nch sout c ch v kategorii B v kraji byla * ast nab dnuta 2 { 5 nejlep m e itelm FO a MO (pitom nebyla prv jednoduch koordinace mezi vbory FO a MO). Dal podm nkou byl p semn zvazek, e se student * astn celho soustedn . Vedle vybranch * astn k byli stanoven za stejnch podm nek i nhradn ci, protoe rozpo tem stanoven po et 90 (pozdji 80) * astn k se dodroval.3 Soustedn byla pro studenty lkav, protoe se uvolnili ze koly a od rodiny, dovdli se spoustu zaj mavch poznatk z matematiky a fyziky a nav c pobyt byl spojen i s jistou 2 Od r. 2009 se soustedn zaalo konat 2. a 3. tden v z , protoe studenti maj v ervnu hodn jinch aktivit. 3 %smvn situace nastala v r. 1967 pro celost tn soustedn v Hranicch na Mor., kdy vybran student "ast nejprve z njakch dvod odmtl, byl pozv n n hradnk, av#ak pvodn student si to pot njak zadil a chtl se z"astnit. Tajemnk %VFO dr. Konr d mu chtl vyhovt a e#il to tm, e n hradnkovi poslal telegram znn: &nejezdete, hranice jsou obsazeny, konrad'. To na doruovac po#t vyvolalo zd#en { tehdy byla pohnut doba.


603

formou rekreace. Dvod byl nasnad: na soustedn pedn eli zpravidla vysoko kol t u itel, staraj c se o MO a FO a soustedn se asto konalo pi stedn kole s interntem v m stech s pokud mono atraktivn m p rodn m nebo kulturn m prosted m+ nkter soustedn nap. byla tak v rekrea n ch lokalitch { na vt ch chatch, i kolch v p rod { podle podm nek, kter se podailo krajskmu vboru v danm roce zajistit. Na stran druh se od neplnoletch student dsledn vyadovala tak kze (nejen no n klid). V historii soustedn se vyskytly i hrub kzesk pestupky, pro kter museli nkte studenti soustedn opustit (s oznmen m editeli koly a rodi m), nap., kdy student na celou noc tajn opustil ubytovnu (Rajnochovice, 1971). Bouliv situace se e ila na soustedn v Bansk Bystrici (1966), kdy se studenti ve er rozohnili tak, e oknem vyletl i no n stolek. Na soustedn v Hranic ch na Mor. v r. 1967 se nkterm studentm nel bil p sn reim na internt a tak ve kole dokonce v ichni studenti, * astn ci soustedn , uspodali stvku v sed na schodech ped editelnou koly. Byl to jev na tehdej dobu zcela neobvykl a odvn. K vye en situace tehdy editel prmyslovky povolal *stedn ho koln ho inspektora a z Prahy. Vyskytl se i mezn p pad, kdy student ve sloitm obdob r. 1969 ze soustedn dokonce emigroval na Zpad { to byla zvl & pro organiztory, rodi e i kolu velmi sv zeln situace ( lo zejmna o vy etovn STB).4 Kzesk pestupky na soustedn ch v ak byly a jsou sp e vjimkou ne pravidlem. Drtiv vt ina * astn k bere svou * ast na soustedn jako odmnu a dobrou p leitost roz it si svj fyzikln a matematick obzor a seznmit se s vrstevn ky stejnho zjmu. Msta konn spole nch soustedn FO + MO od r. 1964 byla tato: ,-r n. Sz. (1964, 1973, 1984), Vojtchov u N. Msta na Mor. (1965), Bansk Bystrica (1966, 1977), Hranice na Mor. (1967), Marinsk Lzn (1968), Zadov (1969, 1974, 1983), Martin (1970), Rajnochovice, okr. Krom (1971), Tren n (1972), Zvolen (1975), Plze (1976), )esk L pa (1978), )slav (1979), Vysok Mto (1980), Ko ice (1981), Praha { Tebe n (1982), Jev ko (1985, 1987, 1988, 1990, 1991), Zempl nsk . rava (1986), Nov Mesto n. Vhom (1989), Bansk .tiavnica (1992). Po roz4 Celost tn soustedn v r. 1969 zorganizoval Z padoesk krajsk vbor FO v kr snm prosted (umavy na Zadov { ve #kolcm a vzdl vacm stedisku. Student v den celodennho vletu simuloval nemoc, opustil ubytovnu a p#ky nepozorovan pe#el hranici. Asi po pl roce se pak prostednictvm pohlednice ozval z Kanady.

604


;;; ;;; ;;;

Obr. 1 %astnci celost tnho soustedn FO, kter se konalo v z 2009 v Peci pod Snkou na penzionu T )a (foto B. Vybral)

padu federace v r. 1993 se v letech 1993 { 1996 konala jen esk celosttn soustedn FO a MO v Jev ku. Od r. 1997 a dosud se jen fyzikln celosttn soustedn (pro jednu t du od 24 do 28 student) kon v penzionu Ta v Peci p. Snkou. Vyuujcmi jsou zpravidla vysoko kol t u itel { lenov a spolupracovn ci *stedn ch vbor FO a MO anebo krajskch vbor v m st konn . Nej astj mi vyu uj c mi ve fyzice byli: Bohumil Vyb ral (od r. 1964 dosud { s absencemi v letech 1966, 1968, 1969, 1970, 1974, 1975, 1977, 1981 a 1986 pro psoben na soubnch krajskch soustedn ch FO a soustedn ch pro MFO), Zdenk Ungermann (od po tku do r. 1992 { s nktermi absencemi), pedseda FO Rostislav Ko &l (od po tku do r. 1976 { opt s ob asnmi absencemi), Alois Kleveta (v 60. a 70. letech), Miroslav Ouhrabka (zejmna od 90. let), dle nap. Jozef Zme n k, Rastislav Ban k, Ivan Ban k, Ivo )p, Vladim r Ilkovi (jako zstupci slovensk strany). Tento v et nen vy erpvaj c + mezi dal pedn ej c na jednotlivch soustedn ch patili tak nap. Stanislav Zhejbal, Marta Chytilov, Mojm r Simersk, Vladim r Mittwalsk, Vclav Suchnek, Ji Machalick, Ji Dolej , Pemysl .ediv, Josef Hubek, Dag Hrub aj. Na soustedn ch v penzionu Ta psobili tak Jan Hou &ek (od r. 2001 pravideln), Pavel Heman, Jan K , Lenka Zdeborov a nkte doktorandi z MFF UK a UHK. Matematika - fyzika - informatika 19 2009/2010

605

;;; ;;; ;;; Obr. 2 Studenti pi vkladu na T ni v z 2009 (foto B. Vybral)

2. Program a pnos soustedn

Program soustedn se ustlil na tmatech, kter pomhaj sout m pi e en *loh FO, roz iuj jejich fyzikln obzor a motivuj je k dal mu studiu fyziky. Snaha byla fyziku pedn et a procvi ovat na vysok obsahov a metodick *rovni a tak netradi n, aby to studentm nepipom nalo jejich bn koln hodiny fyziky. Pedev m se pi vkladu za al uplatovat vedle vektorovho po tu tak in#nitesimln po et (jak diferenciln , tak integrln ). K tomu si fyzikov udlali pati nou p pravu pro vklad fyzikln ch jev a k vytven jejich matematickch model { uit m limit a sou tu ad (vynikal v tom Z. Ungermann a A. Kleveta).5 To studenty zpravidla velmi zaj malo a pitahovalo, protoe vidli bezprostedn pouit vy

matematiky. Ze soustedn tak odj dli nejen obeznmen se zklady tohoto po tu, ale znali i jeho aplikace ve fyzice+ mnoz si tak kone n na li cestu k matematice. Od poloviny edestch let se pro soustedn vytvoila dv vd n hlavn fyzikln integrovan tmata: Silov pole a jeho energie a Kmity 5 Je pravda, e ptomn matematici za MO postup fyzik nevtali pr v pvtiv, protoe ten podle nich postr dal zait ortodoxn matematick vysoko#kolsk pstup { ten v#ak z mnoha dvod (u asovch av#ak tak z hlediska vysplosti student) nebylo mon uplatnit. Ungermannovo tma mlo n zev: Pou it innitesimln ho po tu ve fyzice, Klevetovo tma: U it limity posloupnosti ve fyzice.

606


a vlnn. Ta se nasazovala jako hlavn tmata vdy ob rok. Ne lo zde jen o paraleln vklad analogickch jev z rznch obor fyziky, ale i o e en p klady, v nich se prob ran jevy uplatovaly prakticky. Dle se zaazovaly a zadvaly *lohy k e en . To bylo rovn * astn ky pij mno pozitivn. Vedle tchto hlavn ch tmat jsou zaazovan i dal tmata jako Zpracovn dat fyziklnch men, Mechanika tuh ho tlesa, Setrvanky a jejich aplikace, Mechanika idelnch kapalin, Mechanika idelnch plyn, Termodynamika, Obvody stejnosmrn ho proudu, Obvody stdav ho proudu, Geometrick optika, Vlnov optika, Zklady kvantov fyziky, Zkladn poznatky teorie relativity, vod do fyziky pevn ch ltek. Samozejm v e to se nedalo probrat na jedinm soustedn + vychzelo se rovn z osobnosti p tomnho u itele, kter mohl nab dnout dokonal a srozumiteln vklad na pati n *rovni. Mn obl benou st programu bvala zvre n p semn prce, pomoc n se kontrolovalo zvldnut ltky a tak se bl e poznvaly talenty. Aby ji student zvldl, musel se na ni pipravit, co bylo pro vstup soustedn pozitivn . Matematici v ak tuto sloku neuplatovali, co psobilo napt mezi fyziky a matematiky. V dsledku demokratizace po r. 1989 i fyzikov tuto formu kontroly na soustedn opustili { zajist ke kod p nosu pro studenty i * elu soustedn . .kolskou formu p semek do jist m ry nahrazuje dobrovoln sout na e en vypsanch fyzikln ch problm, tzv. Nboj 6 , kterou zavedl r. 2001 J. Hou &ek. Jde o to, e se postupn na nstnce vypisuje nkolik problm nro nch na e en , kter * astn ci samostatn (ve volnm ase) e a sv e en odevzdvaj zadavateli. Ten je oprav a oboduje. Na konci soustedn se vyhla uj nejlep e itel, kterm se udl drobn ceny. Toto je dobr a obl ben pracovn forma. Do fyzikln sti se nkdy zaazovaly i experimenty (podle podm nek m sta konn ). Jednalo se jednak o soubor demonstra n ch experiment z ur itho oboru fyziky (nap. Pokusy z elektiny) a tak o (omezen) men laboratorn ch *loh * astn ky soustedn , kdy byly podle m sta pro to podm nky a dohodlo se to s editelem koly. Prlom do laboratorn ho men na soustedn udlala r. 2001 dvojice mladch lektor { *sp nch mezinrodn ch olympionik { Jan Hou &ek, Lenka Zdeborov, kter pro * astn ky soustedn pipravila soubor mic ch *loh s jednoduchmi 6 Toto oznaen, pod kterm si lze pedstavit oznaen fyzik ln veliiny nebo intelektu ln schopnosti lovka, vzniklo jako zkratka souslov Nst nkov boj.


607

prostedky (ve lo se to v e do vt ho kufru i batohu a dalo se to pivzt i pinst i na horskou chatu). Jde sice o soustavu mn pesnch men , kter se v ak dsledn zpracovvaj podle fyzikln ch laboratorn ch zsad { pedev m se ur uj chyby men a kresl se jednoduch grafy. Tj. dl se to, co se studenti ve kole zpravidla nenau a co se ve Fyzikln olympid a ve fyzikln vd potebuje. Je teba piznat, e experimentln prce je stle slabou strnkou celosttn ch soustedn FO (s vjimkou tch pro MFO, kde je naprosto nezbytn pstovat zbhlost a zru nost pro experimentovn a zpracovn men , protoe na MFO se za experiment udluje 40 % bod z celkovho po tu). Dopoledn vklad a cvi en (ta se nkdy organizuj rovn odpoledne anebo vpodve er) vhodn dopluj veern besedy na rzn odborn tmata, jejich c lem je nejen informovat studenty o rznch zaj mavch oborech fyziky, nbr je pedev m motivovat pro hlub studium fyziky. Tma si asto vol pedn ej c , kter na soustedn vyu uje a zvis pitom na tom o jakou osobnost jde. K obl benm besedm pat nap. Historick v voj teorie relativity, Zkladn poznatky Einsteinovy speciln a obecn teorie relativity 7 , Gravitan a elektrick pole vesmru, O Lobaevsk ho geometrii, Kvantov fyzika a stavba atomu. V vojov stadia hvzd. Je * eln, aby beseda tak vhodn doplovala dopoledn vklad. Tak tomu bylo nap. u besed U it teorie kmitn v technick praxi, Men asu a frekvence. Obl ben jsou rovn besedy O studiu fyziky na univerzit, Mezinrodn fyzikln olympida, O lohch na MFO. Ne kad beseda v minulosti byla o fyzice i matematice { jako nap. O prci horsk zchrann slu by anebo O historick ch pamtkch v okol. V souladu s vvojem se i na soustedn ch mnila technologie vyu ovn { od klasick tabule k dataprojektoru, a to i v podm nkch horsk chaty. V posledn dob mnoz * astn ci pij dj tak s vlastn mi notebooky a na zvr soustedn v ichni * astn ci dostvaj CD, na nm jsou prezentace, studijn texty, fotogra#e a dal materily pro studium a cvi en . Dleitou doplkovou aktivitou na soustedn je sportovn a kulturn poznvac innost a tak spole ensk hry a tbork (s kytarou a p sni kami, vyprvn m ivotn ch p hod a vtip). )as na dvoutdenn m soustedn se organizuje tak, e mimo den p jezdu a odjezdu je 12 dn intenzivn 7 Besedu o teorii relativity na soustedn v Hranicch na Mor. (1967), kter zaala v 19 h, jsme museli ve 23 h ukonit, protoe #kolnk poteboval ji zavt #kolu a jt sp t { takov zde byl z jem o modern fyziku.

608


zamstnn (jde o 6 h vuky denn a ve er zpravidla beseda nebo spole ensk hry i sout) a as mimo to je vnovn (krom individuln ho studia, i zpracovn soutn ch *kol) pedev m sportovn m aktivitm, krtkm vletm, exkurz m. Z toho tedy plyne, e se vyu uje tak v sobotu (a nkdy i v nedli). Jeden cel den je vnovn aktivn mu odpo inku. V minulosti se zpravidla podaly celodenn autobusov zjezdy. Nap. v lokalit Jev ko to nap. bval zjezd na hrad Bouzov, nkdy spojen s p t*rou k Javoi skm jeskyn m8 a jejich prohl dka. Nebo vlet do Olomouce a na Svat Kope ek. V jinm roce to byl vlet do Moravskho Krasu a na Macochu. Tak exkurze do zvodu Diu Jev ko. Autokarov zjezdy v posledn m patnctilet sice ustaly, av ak v Krkono ch se nab z krsn vlety p mo z Tni. Nejde jen o celodenn t*ru po okoln ch horch, ale obl ben bv tak nro n asn rann v lap na Snku za vchodem slunce, je t ped sn dan a dopoledn vukou. Zvrem je mon shrnout, e celosttn soustedn Fyzikln olympidy je velmi * innou formou p e o talentovan studenty, kter pin * astn km nejen adu fyzikln ch a matematickch poznatk a dovednost , av ak tak ur it sportovn , kulturn a spole ensk vyit (i kdy v napchovanm programu omezen) a v neposledn ad rovn uite n ptelstv mladch lid stejnho zamen . Je jen koda, e v posledn ch letech zjem student o tuto aktivu citeln poklesl. / astn km soustedn pin uitek nejen pro Fyzikln olympidu, nbr tak pro jejich budouc orientaci na hlub studium fyziky a jejich aplikac { ti, kte se soustedn z* astnili bvaj po jeho ukon en nad en . Literatura 1] Ro enky fyzikln olympidy, ro. I. a XXIX. Praha: St tn pedagogick nakladatelstv. 2] Svazky z Knihovniky Fyzik ln olympi dy, nap. . 52: B. Vybral, Zpracovn dat fyzikln ch m en . Hradec Kr lov: MAFY, 2002. 3] Internetov str nka Fyzik ln olympi dy: http://www.uhk.cz/fo nebo http://fo.cuni.cz. 4] Zpr vy o kon n celost tnch soustedn FO (z osobnho archivu). 8 Kdy jsme se od Bouzova mli p#ky dostat k Javoku, zvolili jsme sice turistickou znaku spr vn barvy, av#ak opan smr. Kdy jsme se pak piblili k Mohelnici, vidli jsme, e je zle. A to na n s v Javoku ekal dr. Dag Hrub s autobusem. V dob, kdy nebyly mobily, nebyla snadn domluva a tak se t"ra o 2 h prot hla.


609

Jak zlepit vuku fyziky z motivanho hlediska? MARTINA KEKULE Matematicko-fyzik ln fakulta UK, Praha

vod

Bhem posledn ch nkolika let stle kles zjem k o p rodn vdy a technick obory 1]. Jedn m z dvod me bt neobliba p rodovdnch pedmt, zejmna fyziky a chemie (2]). Jak vn maj sou asn ci vuku fyziky, jak by si ji pli zlep it? Nejen tyto otzky byly podntem k realizaci vzkumu, kter probhl v rmci e en projektu . 2E06020 Fyzikln vzdlvn pro v estrannou p pravu a rozvoj lidskch zdroj na *rovni zkladn ch a stedn ch kol Nrodn ho programu vzkumu II )R. )lnek pin vybran zvry realizovanho vzkumnho eten a zejmna z nich vyplvaj c doporu en pro zlep en vuky fyziky z motiva n ho hlediska. Nen zde pedstavovn dn nov koncept vuky, doporu en se tkaj men ch zmn hlavn ho vukovho proudu a mohou slouit jako nmty na inovaci a zlep en vuky u itelm zkladn ch a stedn ch kol pi tvorb .VP. Doporu en sleduj motiva n hledisko, mla by proto bt brna v *vahu, pokud chceme akcentovat prv tento pohled.

Vzkumn eten

Vzkumnm nstrojem pouitm v tomto eten byl dotazn k taj c zhruba 150 jednotlivch poloek zamench zejmna na tmata a obory zaj mav pro vuku fyziky, innosti, kterm by se ci a kyn rdi vnovali v hodinch fyziky, povoln souvisej c s fyzikou a dal . .eten se z* astnilo celkem 4234 respondent. Po et respondent ze Z. a odpov daj c ch t d v celetch gymnzi byl 1886 (z toho 47 % d vek a 52 % chlapc, 18 neuvedlo pohlav ), respondent ze S. bylo 2348 (42 % d vek a 57 % chlapc, 36 neuvedlo pohlav ). Pi nhodnm vbru kol z cel )R byla zohlednna zempisn poloha a velikost obce s dla koly, vbr meme ozna it za reprezentativn . V ce o vbru vzorku viz nap. 3]. Jednotliv poloky dotazn ku byly nej astji formulovny jako tvrzen , s n m mli 610


respondenti a respondentky vyjdit m ru ne/souhlasu pomoc tystupov Likertovy kly: 1 { velmi souhlas m, 2 { sp e souhlas m, 3 { sp e nesouhlas m, 4 { velmi nesouhlas m. Prezentovan zvry byly z skny na zklad zji tn relativn ch etnost , zda jsou rozd ly statisticky vznamn bylo zji &ovno pomoc Kolmogorovova-Smirnovova testu dobr shody.

Vybran zvry

Zde jsou stru n uvedeny vybran zvry z skan z dotazn kovho eten , kter slouily jako podklad pro formulovn jednotlivch doporu en pro vuku fyziky. Podrobnj koment je uveden v dal m odstavci tkaj c m se doporu en . Detailnj zpracovn eten a vyvozovn zvr lze nalzt nap. v publikaci 4] a 5] i na webovch strnkch projektu 6].

I pes opakovan zji &ovanou neoblibu fyziky v porovnn s ostan mi

pedmty, zvry popisovanho eten jsou vcelku pozitivn . S tvrzen mi Fyzika m hodn bav i docela bav souhlasilo 72 % chlapc a 58 % d vek Z.. Druh dv alternativy (Fyzika m sp e nebav , i vbec nebav ) vybralo 28 % chlapc a 42 % d vek. Pestoe v ce chlapc ne d vek hodnot fyziku jako zbavnou, stejn tak ji vn m i v ce ne polovina d vek Z.! Situace na S. je mn pozitivn . Celkov se studenti astji piklnli k negativn mu hodnocen , tj. e fyzika je sp e i vbec nebav . Takto ji hodnotilo 65 % d vek a 47 % chlapc. Rozloen etnost vbru alternativ, zda ky fyzika hodn, docela i sp e a vbec nebav se u k s rozd lnmi znmkami li . Se zhor uj c se znmkou po et k a ky, kter fyzika bav , nepekvapiv kles. Nicmn, fyzika nebav tm tvrtinu k Z., kte mli na pedchoz m vysvd en jedni ku. Naopak fyzika hodn i docela bav v ce jak polovinu trojka. V p pad k S. fyzika nebav tm tetinu jedni k, naopak fyzika hodn i docela bav 37 % trojka. Obecn byli v hodnocen poloek ci Z. a ni ho stupn v celetho gymnzia pozitivnj ne stedo kol t ci (fyzika je bav , innostem by se vnovali radji, v ce by je zaj mala dan tmata a obory apod.) ,ci Z. hodnotili v echny nab zen obory jako zaj mav. D vky by v ce ne chlapce zaj mala tmata: teplo+ svtlo+ zvuk+ Zem a vesmr. Stedo kol t ci preferuj pedev m obory optika a astrofyzika. Tyto dva obory jsou jako jedin pro d vky zaj mavj ne pro chlapce. ,ci preferuj pedev m tmata, kter se tkaj modern ch technologi


611

i obecn vesm ru. D vky nav c v ce upednostuj tmata s mezipedmtovmi vazbami, zejmna s biologi , hudebn vchovou, apod. Jak ci Z., tak S. by se ve fyzice chtli zamit pedev m na z skvn dovednost uite nch pro ivot. Nejmn by je zaj maly ivoty vdc a historick souvislosti. Nejobl benj innost (z nab dnutho seznamu, kter zahrnoval laboratorn *lohy, men s po ta em i bez, odhadovn , t dn informac , e en *loh, odvozovn vzore k atd.), kter by se nejradji bhem vyu ovac ch hodin fyziky vnovali jak ci zkladn ch, tak i stedn ch kol, je provdn pokus vlastn ma rukama. Naopak za nejneobl benj innost povauj e en po etn ch *loh a odvozovn vzore k. Fyzika je ky vn mna sp e jako pedmt ur en chlapcm, pestoe je hodnocena jako potebn i vyuiteln v ivot i pro d vky. Vt ina S. k nepreferuje pohlav vyu uj c ho. ,ci Z. jsou v ce diferencovan (piblin 1/3 preferuje u itele, necel 1/5 u itelku a 1/2 nepreferuje vyu uj c ho dle pohlav ). V ce ne 60 % k Z. a v ce ne polovina k S. se domn v, e fyziku budou potebovat ve svm ivot. Povoln inenra (rozumj technick povoln tkaj c se fyzikln ch obor) vn maj ci S. pedev m jako vhodn pro talentovan na F, pro ne-normln a lze se s n m dobe uplatnit. Povoln fyzika vn maj pedev m jako pro ne-normln lidi, tvr a snadn. U itelsk povoln je S. ky vn mno pedev m jako dobe placen, asov nro n a pro talentovan na fyziku. Faktory, kter by ky S. v ce motivovaly k vbru povoln u itel/ka, fyzik/fyzi ka i inenr/ka v ce ne polovina dotzanch k neum posoudit.

Doporuen pro vuku fyziky z motivanho hlediska

Zde jsou stru n uvedena obecn doporu en , kter by mla bt brna v *vahu, pokud chceme ve vuce pos lit motiva n hledisko. Nejedn se tedy o doporu en platn vdy a za v ech okolnost . Doporu en jsou ur ena stedo kolskm u itelm, nkter, tkaj c se zejmna tmat, innost ve vuce fyzice, i u itelm na zkladn ch kolch. Bylo by vhodn zmnit poad obor v rmci cel vuky. Pedev m v *vodu celho kurzu fyziky doporu ujeme vnovat st hodin optice 612


a leh m {popisnm{ parti m z astrofyziky. A naopak zejmna abstraktn partie z molekulov fyziky by bylo vhodn zaadit do vuky ve vy

ch ro n c ch. I samotn nzev, stru n pibl en tmatu me m t vliv na to, zda ky tma zaujme i ne. Na *vod njakho tmatu by bylo vhodn formulovat zaj mavou otzku i problm, kter ci po probrn p slu nho tmatu budou schopni objasnit. Nap. problm jak nejdle dohodit m em nebo kamenem ci hodnotili jako sp e zaj mav, kdeto tma jak popsat ikm vrh matematicky jako zcela nezaj mav. D vky a chlapci hodnotili zaj mavost vt iny tmat a obor rozd ln. Co se t e obor, panovala shoda pouze u optiky. Z nab zench tmat ohodnotili shodn d vky i chlapci tmata tkaj c se obecn vesm ru (nap. jakm zpsobem se pohybuj planety+ kdy vznikl a jak se vyv jel vesm r), modern ch technologi (nap. jak funguje digitln fo&k) i nastiuj c pekvapiv zvry (nap. jak za dit, aby se voda vaila pi 30 C+ jak to, e nespadne letadlo pi letu). Tato tmata tak byla hodnocena pozitivn, tj. jako zaj mav. Tedy nejen z motiva n ho, ale tak z gender hlediska, lze doporu it zaazen i pos len podobnch tmat ve vuce fyziky. Vcelku nepekvapiv ci preferuj bhem vuky fyziky rozv jen dovednost , kter uplatn v ivot. Dle se chtj vnovat tmatm, kter jsou potebn pi pij mac ch zkou kch na V.. V praxi se ukazuje, e ci asto a ve vy

ch ro n c ch gymnzia zjist , e fyzika je ek v pij mac ch zkou kch na medic nu, architekturu i dal populrn obory. Pro zv en motivace je tedy mon pou t i tuto pragmatickou strnku poadavk k a ji od za tku kurzu fyziky ky odkazovat na vyuit z skanch znalost a dovednost v dal m studiu zdnliv nesouvisej c m s fyzikou. Z hlediska preference innost lze jednozna n doporu it astj zaazen praktickch innost k do vuky, a to i na stedn ch kolch. A& u formou provdn pokus ky, sestrojovn jednoduchch za zen apod. Dle by ml bt z motiva n ho hlediska kladen draz na kvalitativn pozorovn , vysvtlovn jev apod. Naopak pesn men a e en po etn ch *loh, tj. kvantitativn p stup, nen ky p li obl ben. Zcela jist nen vhodn vuku koncipovat dle pn k a kvantitativn operace k fyzice jist pat . Nicmn nap. od 80. let minulho stolet se zejmna v USA prosazuje konceptuln styl vuky fyziky. Zde je zd-


613

razovno zejmna kvalitativn vysvtlovn a porozumn fyzikln m jevm. Ukazuje se toti, e pestoe jsou nkte ci schopni dan p klad vypo tat, fyzikln podstat ji nerozum . Odklon od matematickho pojet fyziky me pomoci nejen zv en motivace, ale tak celkovmu lep mu pochopen prob ranho u iva. V )R podobn koncept vuky prezentuje nap. ryze esk projekt pro Z. Heurka 7]. Podobn i laboratorn *lohy by mly zpo tku pivst ky k experimentovn , pozdji k uit vdeckch metod kvalitativn m zpsobem a teprve posledn m stupnm je vuka zamen na vpo et chyb men . Pestoe vuka na S. navazuje na vuku na Z., bylo by i zde vhodn zaadit precizn vpo et chyb men bhem laboratorn ch prac v prbhu prvn ho ro n ku, nikoliv na jeho za tku, jak je bnou prax . Charakteristika povoln fyzika i fyzi ky ky stedn ch kol pipom n sp e pedstavu lenho vdce. Zejm se ci o tom, kdo to vdec je a co dl, dozv daj ze zbavnch #lm. Ve vuce fyziky je proto vhodn zamit se nejen na samotn obsah u iva, na prezentaci vdeckch poznatk, ale tak na to, jak se k nim dosplo a jac jsou lid, kte se fyzikou zabvaj . Tato st vt inou ve vuce zcela chyb . Pesto by mohla bt pro ky atraktivn . Pokud by se nkter u itel domn val, e t mto okrajovm tmatem ztrc drahocenn as, je mon ho zaadit v prbhu roku bhem nkterch neproduktivn ch hodin, nap. ped Vnoci, na samm konci koln ho roku apod. Nmt na konkrtn aktivitu { zejmna diskuzi { se ky tkaj c se povoln ch souvisej c ch s fyzikou lze nalzt nap. v 4].

Zvr

)lnek uvd vybran zvry rozshlho dotazn kovho eten zabvaj c ho se zlep en m vuky fyziky z motiva n ho hlediska. Jsou zde formulovna doporu en pro vuku fyziky s akcentem na motivaci. Nkter doporu en jsou v souladu s obecn pij manmi nzory. Pesto je vhodn je opt pipomenout, a to zejmna jsou-li podloena relnmi daty. Pestoe jsou v tomto lnku nab zena doporu en na zlep en vuky, jak ukzalo eten , zejmna na zkladn kole ky a kyn pedmt fyzika bav . Stav se tedy oproti pedchoz m letm zlep uje a lze pedpokldat, e se tak dje zejmna d ky dobr prci u itel. Samotnm zvrem meme zdraznit, jak u itele fyziky vn maj ci stedn ch kol: U itelsk povoln je zejmna dobe placen, asov nro n a pro talentovan na fyziku. 614


Literatura 1] European Commission. Europe needs more scientists. Report by the High Level Group on Increasing Human Resources for ST in Europe. 1. vyd. Luxembourg: O*ce for O*cial Publications of the European Communities, 2004. 2] Svoboda, E., Hfer, G.: Nzory a postoje k k vuce fyziky, MFI (2006/2007), . 4, str. 212. 3] Kekule, M., k V.: Projekt zji#$ov n faktor (ne)oblbenosti fyziky. In Modern trendy v pprav uitel fyziky 3/ R mcov vzdl vac programy, Srn 2007. ISBN 978-80-7043-603-5. 4] Dvok, L a kol.: Lze uit fyziku zajmavji a lpe? Praha: Matfyzpress, 2008, s. 13. 5] k, V., Kekule, M.: Preference tmat ve fyzice z hlediska genderu. In Sbornk pspvk XV. konference !APV. !esk Budjovice: J!U, 2007. ISBN 978-80-7040991-6. 6] Webov str nky projektu. Dostupn on-line: http://kdf.m,.cuni.cz/vyzkum/NP VII/, cit. 14. 9. 2009. 7] Webov str nky projektu. Dostupn on-line: http://kdf.m,.cuni.cz/heureka/, cit. 14. 9. 2009.

LITERATURA Joan Spicciov: A za hranice. Sen So#e Kovalevsk Nakladatelstv Academia ji njakou dobu vyd v knihy o vznamnch en ch ve vd (manelce A. Einsteina, astronomce K. Herschelov, fyzice L. Meitnerov). Nejde v#ak o vdeckou publikace z oblasti historie matematiky, ale rom n. Autorka je matematika, kter vystudovala i historii a kvli z jmu o Kovalevskou se zaala uit rusky. Peloila do anglitiny korespondenci Kovalevsk. Pr v tyto dopisy a osobn vzpomnky Kovalev-

sk asi byly hlavnmi prameny k seps n knihy. Kniha zahrnuje ivot Soe a jej sestry. Zan rokem 1865, kdy ob sestry sn o vzdl n, kter nebylo v carskm Rusku pro eny pstupn, a kon 1874, kdy Soa a jej mu obh jili doktor t. Aby mohla se sestrou vycestovat do zahrani, musela Soe uzavt ktivn s)atek s Vladim rem Kovalevskm. Ten mimo jin vyd val v Rusku pr ce Ch. Darwina. Nem cenu popisovat dj rom nu, nicmn autorka prok zala, e je nejen matematikou, ale tak nadjnou spisovatelkou. Kniha vy#la v roce 2009 v edici -ena a vda, peloil ji Ondej Nov k a doslov napsal Ivo Kraus, profesor fyziky !VUT.


Karel Va ek

615

No title

Recommend Documents