Sborník seminárních materiálů IV
Olomouc 2014
Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji II. Registrační číslo: CZ.1.07/1.3.45/02.0027 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. První vydání Slovanské gymnázium Olomouc, 2014 ISBN 978-80-7329-402-1 (Repronis)
OBSAH R. Kolářová: Fyzika na základní škole po roce 1945 z pohledu vývoje školské soustavy a učebnic fyziky
5
V. Pejčochová (Bdinková): Hračky ve výuce fyziky
24
V. Pazdera: Atomy a záření
58
K. Velmovská: Fyzikálne pojmy v hudobnej akustike
88
P. Horváth, M. Horváthová: Demonštrácie a žiacke aktivity z optiky
3
108
Fyzika na základní škole po roce 1945 z pohledu vývoje školské soustavy a učebnic fyziky RŮŽENA KOLÁŘOVÁ Matematicko-fyzikální fakulta UK Praha V příspěvku ukážeme změny fyzikálního vzdělávání na úrovni základní školy v českých zemích od r. 1945 až po dnešek a jejich souvislost s vývojem školské soustavy a jak se změny rozsahu výuky (učební plány) a obsahu (učební osnovy) fyziky projevovaly v tvorbě učebnic. Podrobněji se budeme věnovat zejména modernizačním snahám ve výuce fyziky na základní škole v 70. letech minulého století, které vyústily ve tvorbu nového pojetí výuky. V závěru uvedeme přehled současně používaných učebnic fyziky pro základní školy a nižší stupeň víceletých gymnázií a dalších materiálů pro žáky a učitele. Základní škola je celosvětově základním článkem vzdělávání nezletilých a docházka do ní je ve všech vyspělých a ve většině rozvojových zemí povinná. V mnoha zemích včetně naší je zpravidla i možnost povolení individuálního domácího vzdělávání na žádost rodičů. Podle Mezinárodní standardní klasifikace vzdělávání (ISCED – International Standard Classification of Education), která byla vypracována a vydána UNESCO poprvé v roce 1976, se u nás základní vzdělávání realizuje ve dvou úrovních: ISCED 1 primární vzdělávání (maximálně 6 let a probíhá často na samostatných primárních školách) – náš první stupeň ZŠ (5 let). Této úrovni odpovídá např. Grundschule – Německo, Volksschule – Rakousko, École primaire – Francie, Primary School – Velká Británie; Elementary School – USA. ISCED 2 nižší sekundární vzdělávání je u nás 2. stupeň základní školy (4letý), 1.–4. ročník 8letých gymnázií a 1.–2. ročník 6letých gymnázií. Této úrovni odpovídá např. Collége – Francie, Secondary School – Velké Británie, Hauptschule, Realschule, Gesamtschule – Německo, Rakousko, Junior High School, Middle School – USA. V Česku a dalších zemích (např. východoevropských, ale nejen tam, bývají stupně ISCED 1 a ISCED 2 spojené organizačně i budovou (a počítáním ročníků).
5
Další stupeň ISCED 3 vyšší sekundární vzdělávání u nás představuje 4letá střední škola – gymnázium, liceum, akademie a konzervatoř a naše víceletá gymnázia. Často jsou stupně ISCED 2 a 3 sloučeny v jedné škole včetně počítání ročníků, např. naše 8letá a 6letá gymnázia. Jak se v našich zemích měnila povinná školní docházka? Na následujícím diagramu a legendě k němu jsou uvedeny hlavní změny:
1774 povinnou školní docházku poprvé zavedla Marie Terezie (6 let): 1869 nový školsky zákon tzv. Hasnerův zákon (8 let) 1922 Malý školský zákon povinně (8 let – bez úlev) 1945 obecné školy (5 let), měšťanské a střední školy (3leté) 1948 zákon o jednotné škole (9 let), škola národní (1.–5. roč.) a střední (6.–9. roč.) 1953 zákona o školské soustavě a vzdělání (8 let) OSŠ, JSŠ (5 a 3 roky výběrové) 1959 v lednu – prodloužení na 9 let a postupný přechod na dvanáctiletou střední školu 1960 zákon o soustavě výchovy a vzdělání v ČSSR (9 let) ZDŠ a školy II. cyklu 1976 Projekt dalšího rozvoje československé výchovně vzdělávací soustavy (1976 – 1984 přechod na novou soustavu) 1984 školský zákon, podle kterého ZŠ 8 ročníků, ale současně povinná školní docházka 10 let 1990 byl vydán zákon, kterým se měnil zákon z r. 1984 (9 let), ZŠ má devět ročníků
6
Z přehledu je patrné, že do roku 1948 se délka povinné školní docházky málo měnila, téměř sto let byla šestiletá a pak téměř 80 let osmiletá. Po roce 1948 docházelo ke změnám velmi často z 8leté na 9letou a dokonce 10letou. Zákon o základní úpravě jednotného školství z dubna 1948 prodloužil povinnou školní docházku na 9 let a skoncoval se školským dualismem: vzdělávání pro celou věkovou skupinu 6 až 15 let bylo společné (proto jednotná škola) a uskutečňovalo se na pětileté národní škole a čtyřleté střední škole. V roce 1953 byla povinná školní docházka zkrácena na osm let. Zákon z roku 1960 ji ale opět prodloužil na 9 let a zakotvil současnou strukturu škol i její terminologii: základní škola (v letech 1960–1978 základní devítiletá škola) se člení na 1. a 2. stupeň. Délka stupňů se v průběhu doby měnila z 5 + 4 (v čase devítileté školy) na 4 + 4 (v době osmileté základní školy v letech 1979–1989), pak na 4 + 5 (v letech 1990–1995), kdy poslední rok povinné devítileté školní docházky bylo možno absolvovat na střední škole, což prakticky znamenalo 4 + 4 + 1 a počínaje školním rokem 1995/96 zpět na 5 + 4. Od roku 1990 lze povinnou školní docházku plnit nejen na základní škole, ale znovu i na gymnáziu. Nejdéle od r. 1948 do dneška byla povinná docházka 9letá a to celkem po dobu 54 let. Jak se měnila a vyvíjela výuka fyziky na našich školách po r. 1948, si ukážeme chronologicky v sedmi etapách to v souvislostech se změnami školské soustavy. Pro každou etapu uvedeme učební plán fyziky, učební osnovy a učebnice.
1945–1948 Po osvobození Československa v roce 1945 byly ihned zahájeny práce na obnově školství, přičemž se vycházelo ze školské soustavy před okupací. Výnosem Ministerstva školství a osvěty byly 30. 11. 1945 vydány Přechodné učební osnovy pro školy obecné, měšťanské a střední platné pro školní rok 1945/46. Tyto školy byly označeny jako školy I., II. a III. stupně. Na pětiletý základ obecné školy navazovaly měšťanská a střední škola, které se obsahově sjednotily. Fyzika na II. stupni Výuka fyziky začínala podobně jako v období před německou okupací ve 3. a 4. ročníku. Učební plán stanovil ve třídách technického směru celkem 7 týdenních hodin, ve studijním směru 5 týdenních hodin. Učební osnovy pro oba směry stejné byly převzaty z učebních osnov z r. 1932 a 1933.
7
Učebnice Používaly se učebnice z r. 1932 až 1937 a jejich dotisky: Langr, J. – Nykl, J.: Fysika pro 3. a 4. třídu, 1948. Petíra, S. – Šmok, M.: Fysika pro nižší školy střední, JČMF, Praha 1933, 7. vydání. Beníšek, E. – Furman, L. – Grác, A. – Pelíšek, R: Přírodou a životem. Fysika pro 3. třídu měšťanských škol, Promberger, Olomouc 1948, 3. dotisk.
1948–1953 Novým školským zákonem z 21. 4. 1948 byla vytvořena tzv. jednotná školská soustava, která měla poskytovat veškeré mládeži ve věku od 6 do 15 let jednotné základní vzdělání a zaručit jí tímto společným základem stejný přístup k dalšímu vzdělání. Povinná školní docházka se prodloužila na 9 let. Podle tohoto nového zákona se členilo československé školství na:
školy mateřské (pro děti od 3 do 6 let) školy I. stupně – školu národní (1.–5. postupný ročník) školy II. stupně – školu střední (6.–9. postupný ročník) školy III. stupně – (čtyřletá gymnázia a školy odborné) vysoké školy
Fyzika na II. stupni (čtyřletá střední devítiletá škola) Učební plán 0 + 2 + 2 + 2 Učební osnovy (r. 1948) I. třída (7. roč.): Úvod do fyziky, měření, míry a váhy. Teplo. Hydrostatika. Aerostatika. Úvod do meteorologie. II. třída (8. roč.): Geomechanika (těžiště, rovnovážná poloha tělesa, skládání a rozklad sil, práce, výkon, pohyby, pohyb po kružnici, pohyb kmitavý), astronomie (sluneční soustava, všeobecná gravitace), akustika, optika. III. třída (9. roč.): Energie a její proměny. Motory. Magnetismus. Elektřina. Nejjednodušší základy radiotechniky. Základní poznatky o stavbě hmoty.
8
Učebnice Hlavička, A. – Langr, J. – Müller, J. – Pírko, Z. – Špaček, M. – Vagner, J.: Fyzika pro 2. třídu středních škol, SPN Praha 1951, 2. vyd. Bělař, A. – Hlavička, A. – Langr, J. – Kahuda, F. – Sklenář, V. – Špaček, M.: Fyzika pro 3. třídu středních škol, SPN Praha 1952, 3. vyd. Hlavička, A. – Kahuda, F. – Langr, J. – Špaček, M. – Vlach, B.: Fyzika pro 4. třídu středních škol, SPN Praha 1950. Ve srovnání s dříve používanými učebnicemi byly tyto učebnice po obsahové stránce značně předimenzované i vzhledem k osnovám. Učební text obsahuje také mnoho rozšiřujícího učiva. Významné je, že výuka fyziky na základním stupni byla rozložena poprvé do tří ročníků. 1953–1959 Jako novou etapu našeho školství, silně ovlivněnou školstvím v bývalém Sovětském svazu, můžeme označit období, které nastalo přijetím zákona o školské soustavě a vzdělání učitelů v dubnu 1953. Na základě nového zákona došlo ke zkrácení povinné školní docházky na 8 let. Školství I. a II. stupně bylo dále sjednoceno. Tímto zákonem byly vytvořeny dva typy všeobecně vzdělávacích škol: Osmiletá střední škola měla poskytovat všeobecné základní vzdělání a měla připravovat pro povolání, odbornou školu nebo pro vyšší všeobecné vzdělání. Jedenáctiletá střední škola měla dávat žákům v prvních osmi ročnících základní všeobecné vzdělání a v posledních třech ročnících vyšší všeobecné vzdělání a připravovat především pro studium na vysokých školách. Tyto poslední 3 ročníky byly výběrové. Mohli být do nich přijímáni žáci, kteří úspěšně dokončili osmiletou střední školu nebo prvních osm postupných ročníků jedenáctileté střední školy. Fyzika na osmileté střední škole Učební plán (6. až 8. ročník): 0 + 3 + 3 Učební osnovy (r. 1954) 7. ročník: Úvod. Fyzikální základy měření. Základy mechaniky (hmota a váha, měrná váha, síla a její měření, tlak, Archimedův zákon a jeho užití, mechanický pohyb, práce a výkon, jednoduché stroje, energie), základní poznatky o zvuku.
9
Nauka o teple (teplota, molekulární složení hmoty, měření tepla, šíření tepla, změna skupenství při zahřívání a ochlazování). 8. ročník: Tepelné motory (tepelná energie, tepelné motory). Elektřina (základní poznatky o elektřině, elektrický proud, intenzita elektrického proudu, výkon elektrického proudu, tepelné a světelné účinky elektrického proudu, magnetické, elektromagnetické jevy, výboj elektřiny v plynech, základy radiotechniky). Optika (přímočaré šíření světla, zatmění Slunce a Měsíce, rychlost světla, odraz světla a jeho zákony, zobrazování v rovinném zrcadle, zrcadlový periskop, kulová zrcadla, světlomet, lom světla, čočky a zobrazování čočkami, optické přístroje, optické vlastnosti oka, rozklad slunečního světla hranolem, spektrum). V každém ročníku se zařazuje 6 – 10 témat laboratorních úloh Učebnice Špaček, M. – Vagner, J.: Fysika pro 7. postupný ročník všeobecně vzdělávacích škol. SPN Praha, 1. vydání 1954. Hlavička, A. – Vlček, V. – Voráček, M.: Fysika1 pro 8. postupný ročník všeobecně vzdělávacích škol. SPN Praha, 1. vydání 1955.
Brzy se však začala projevovat přetíženost žáků v některých předmětech i nižší úroveň absolventů, a proto r. 1956 se poprvé v historii našeho školství měly změnit učební osnovy na základě pedagogického výzkumu. Byl vypracován pokusný učební plán a v r. 1957 pokusné učební osnovy fyziky, počet hodin fyziky v něm byl snížen na 2 hodiny v 7. a 2 hodiny v 8. ročníku. V navržených osnovách bylo v obou ročnících zařazeno učivo z mechaniky, termiky, elektřiny a optiky. Učivo bylo i v pokusných učebnicích vzhledem k mnohosti témat 1
Změnu na Fyzika místo Fysika provedla Pravidla českého pravopisu až v r. 1958.
10
zpracováno heslovitě a popisně, vzhledem k předchozím učebnicím bylo redukováno, zlepšilo se jen zpracování elektřiny v 8. ročníku. Špaček, M. – Lampa, J. – Špánik, A. – Voráček. M.: Fyzika pro 7. ročník. Pokusná učebnice, SPN Praha 1958. Voráček, M. – Hlavička, A. – Lampa, J. – Mlynár, M. – Šucha, J.: Fyzika pro 8 ročník. Pokusná učebnice, SPN Praha 1959. Výzkum měl proběhnout na 80 školách, ale nebyl dokončen, ani o něm nebyla publikována zpráva. V lednu 1959 byla podle Věstníku MŠK prodloužena povinná školní docházka na 9 let. Byla zřízena devítiletá škola povinná pro všechny žáky a dvanáctiletá střední škola s výběrovými posledními třemi ročníky. Přechod byl plánován postupně. V r. 1958/59 bylo zřízeno 15 pokusných dvanáctiletých středních škol a v roce 1960/61 měly být všechny JSŠ přeměněny na DSŠ . Na nepokusných školách byla fyzika zařazena v 9. roč. ve 2 týdenních hodinách, jinak byl plán nezměněn. V pokusných třídách byla fyzika zařazena už od 6. ročníku po 2 hodinách, tedy celkem 8 hodin. Podle pokusných učebních osnov se měli žáci v 6. ročníku na základě pokusů, pozorování a vlastních zkušeností seznamovat se všemi obory fyziky, v 7. ročníku bylo měření, mechanika, termika včetně meteorologických jevů a akustika, v 8. ročníku obtížnější části mechaniky, tepelné stroje a úvod do elektřiny, v 9. ročníku hlavně elektřina, optika, atomová fyzika a astronomie. Učebnice Pro 7. a 8. ročník se používaly učebnice pro JSŠ a pro 6. a 9. ročník byly v roce 1959 zpracovány nové učební texty: Vagner, J. – Rádl, Z. – Špaček, M.: Fyzika. Pokusný učební text pro 6. ročník. Hlavička, A. – Lampa, J.: Fyzika pro 9. ročník. Pokusný učební text. Pokusné vyučování však bylo zcela nedostatečně připraveno a bylo po roce přerušeno. Pro přechodné období nepokusné školy používaly učebnici, ve které byla mechanika, termika, elektřina, základy radiotechniky, stavba hmoty a astronomie:
11
Hlavička, A. – Lampa, J.: Fyzika pro 9. ročník. Přechodný učební text učebnice. SPN Praha 1959 1960–1979 Československé školství v letech 1960–1976 (částečně i v letech dalších) bylo založeno na ustanoveních „Zákona o soustavě výchovy a vzdělání v ČSSR“, který vymezil tyto druhy a stupně škol: mateřskou školu pro děti od 3 do 6 let, základní devítiletou školu pro mládež od 6 do 15 let, soustavu škol tzv. II. cyklu, kam řadí: odborná učiliště, učňovské školy, střední školy pro pracující, odborné školy, střední odborné školy, střední všeobecně vzdělávací školy, vysoké školy Fyzika na základní devítileté střední škole Učební plán (6.–9. ročník): 0 + 2 + 2 + 3 Učební osnovy 7. ročník: Mechanika (měření délek, obsahu a objemu, síla, tíha, hmotnost, látky pevné, kapalné a plynné, stavba látek, tlak v kapalinách a plynech). Tepelné jevy (Zahřívání těles, měření teploty, množství tepla). 8. ročník: Mechanika (mechanický pohyb tělesa, skládání sil, mechanická práce a energie, jednoduché stroje, proudění vody a vzduchu, vodní motory). Tepelná energie (tepelná energie, změny skupenství, tepelné motory). 9. ročník: Elektřina (elektrické pole, elektrický obvod, Ohmův zákon, elektromagnetické jevy, elektrický proud v kapalinách, plynech a ve vakuu, elektrické kmity). Optika. Optické přístroje. Základní poznatky o jaderné energii. V každém ročníku je zařazeno 6 povinných laboratorních prací. V 7.–9. ročníku je zařazen nepovinný předmět Praktikum z fyziky s 2 týdenními hodinami. Učebnice Vachek, J. – Špaček, M.: Fyzika pro 7. ročník. SPN, Praha 1962, 1. vydání. Chytilová, M. – Lehár, F. – Truksa, F.: Fyzika pro 8. ročník. SPN, Praha 1963, 1. vydání. Fuka, J. – Voráček, M.: Fyzika pro 9. ročník. SPN, Praha 1963, 1. vydání.
12
Ke každé z těchto učebnici autoři vypracovali stručnou metodickou příručku. Učebnice i příručky byly v dalších vydáních upravovány, zejména v souvislosti s názvoslovím a zaváděním jednotek SI. Jako pomocná kniha pro žáky byly vypracovány tabulky: Běloun, F. – Klimeš, B. – Schwarz, J. – Škramovský, S.: Matematické, fyzikální a chemické tabulky, SPN, Praha 1965.
Od roku 1963 začaly v souvislosti s prudkým rozvojem fyzikální vědy probíhat v zahraničí i u nás diskuse o modernizaci obsahu a metod školské fyziky. U nás byla takovým prvním podnětem konference JČMF o modernizaci vyučování fyzice, která se uskutečnila v roce 1963 [2]. Modernizací výuky fyziky na základní škole se od roku 1964 začal pod vedením RNDr. Marty Chytilové, CSc. systematicky zabývat Výzkumný ústav pedagogický v Praze v rámci řešení úkolu Modernizace základního vzdělání. Dr. Chytilová a její spolupracovníci provedli nejprve velmi podrobnou analýzu obsahu fyziky v osnovách ZDŠ i jeho zpracování v učebnicích, zpracovali výsledky ankety k návrhu struktury obsahu fyziky, po mnoha konzultacích a diskusích na konferencích JČMF i seminářích VÚP připravili dvě varianty pokusných učebních osnov. V první variantě byla fyzika v učebním plánu zařazena v 6.–9. ročníku po 2 hodinách týdně, v druhé variantě byla fyzika zařazena v 7.–9. ročníku po 3 hodinách týdně s fyzikálním praktikem jako volitelným nebo nepovinným předmětem. 1. etapa pokusného vyučování fyzice v 7.–9. ročníku ZDŠ proběhla v letech 1965/66 až 1968/69. Přípravu, hypotézy, průběh i výsledky výzkumu publikovala dr. Chytilová jak v závěrečné zprávě, tak v mnoha článcích, např. v časo-
13
pise Fyzika ve škole (roč. 8 (1970), s. 606-617) a také na řadě konferencí JČMF i seminářích s učiteli. Podrobně je celý projekt popsán v publikaci [3]. Pro výuku byly vypracovány pokusné učební texty ve třech částech: studijní část A, pracovní část B jako pracovní sešity pro žáky a v části C byly kontrolní laboratorní úlohy. Zvolená forma textů posilovala samostatnou práci žáků včetně provádění pokusů a řešení úloh. Autorsky se na vypracování textů spolu s M. Chytilovou podíleli V. Pilát, J. Janás, J. Fuka a J. Čech. 2. etapa pokusného vyučování fyzice v 6.–9. ročníku ZDŠ proběhla v letech 1967/68 až 1970/71. Náročnost této etapy v přípravné fázi byla ztížena věkovým posunem počátku vyučování fyzice do 6. ročníku. I pro toto vyučování byly vypracovány pokusné učební texty v částech A, B, C. O průběhu a výsledcích pokusného vyučování je např. v článku Chytilová, M.: Zpráva o pokusném vyučování fyzice, Fyzika ve škole, roč. 7 (1968), s. 76-89 a také v článku Chytilová, M.: Návrh učebních osnov z fyziky pro 6.–9. ročník ZDŠ, Fyzika ve škole, roč. 7 (1968), s. 331–354, kde byl návrh předložen k veřejné diskusi. Výsledky pokusného vyučování i návrhy učebních osnov byly jedním z hlavních východisek pro tvorbu nového pojetí výuky fyziky na základní škole v další etapě rozvoje naší školské soustavy a jsou metodologickým vzorem pro přípravu i zpracování pedagogického výzkumu. V r. 1974 dostalo oddělení fyziky VÚP úkol vypracovat návrh nové koncepce výuky fyziky na základní škole pro učební plán po 2 týdenních hodinách v 6.–8. ročníku. S využitím výsledků prvních dvou etap pokusného vyučování, nových zahraničních zkušeností i s přihlédnutím k novému pojetí přírodovědy ve 3. a 4. ročníku základní školy byl vypracován návrh pokusných učebních osnov, pokusné texty pro žáky a metodické příručky pro učitele, v nichž byly i seznamy žákovských a demonstračních pokusů i potřebných pomůcek. Bylo nutno přihlédnout k věku žáků 6. ročníku, nižšímu počtu týdenních hodin (celkem 6). Byl redukován obsah učiva a posíleny aktivizující metody a formy výuky – především žákovské pokusy. Návrh osnov byl upraven podle posouzení odborné komise jmenované při MŠ ČSR: 6. roč.: Látka a těleso. Jevy magnetické a elektrické, 7. roč.: Pohyb a síla. Mechanické vlastnosti kapalin a plynů. Světelné jevy. 8. roč.: Mechanická práce. Energie. Teplo. Jevy elektromagnetické. Jaderná energie. Závěr fyziky
14
3. etapa pokusného vyučování začala v r. 1974/75 na 7 školách (v 15 třídách) Upravené osnovy a texty se pak od r. 1976/77 ověřovaly na 14 školách v ČR a některých školách v SR (4. etapa pokusného vyučování – tzv. krajský experiment). V 5. etapě (tzv. okresní experiment) pokusné vyučování probíhalo na 100 školách v ČR od r. 1977/78. Pro toto vyučování byly vypracovány a vydány pokusné učebnice a metodické příručky: Chytilová, M. – Kolářová, R. – Černá, A.: Fyzika pro 6. ročník základních škol. Pokusná učebnice. Studijní část A, Pracovní část B, SPN Praha 1977. Procházková, E. – Kolářová, R. – Klobušický, K. – Böhmová, E.: Fyzika pro 7. ročník základních škol. Pokusná učebnice. Studijní část A, Pracovní část B, SPN Praha 1978. Chytilová, M. – Kolářová, R. – Kluvanec, D. – Žampa, K.: Fyzika pro 8. ročník základních škol. Pokusná učebnice. Studijní část A, Pracovní část B, SPN Praha 1979.
Nově byly také ověřovány dvouoborové volitelné a nepovinné předměty matematicko-fyzikální praktika a fyzikálně chemická praktika v 7. a 8. ročníku po 2 týdenních hodinách. K oběma předmětům byly v SPN Praha vydány pokusné učebnice a metodické příručky.
15
1980–1984 V roce 1976 byl publikován tzv. „Projekt dalšího rozvoje československé výchovně vzdělávací soustavy“. Postupný přechod na nový vzdělávací systém v tehdejší ČSSR probíhal v letech 1976–1984. V uvedeném období platil jako zákonný podklad Zákon č. 63/1978 Sb., o opatřeních v soustavě základních a středních škol. Přechodné období bylo zakončeno v r. 1984, kdy byl uváděn v platnost Zákon o soustavě základních a středních škol v ČSSR. Realizací uvedeného zákona začíná nová etapa v organizačním zajištění i obsahovém zaměření všech článků tehdejší školské soustavy. Na základě komplexní analýzy pokusného vyučování byly v r. 1978 vydány učební osnovy pro fyziku, která měla v 6.–8. ročníku po 2 týdenních hodinách a pro povinně volitelná a nepovinná fyzikálně chemická a matematicko – fyzikální praktika v 7. a 8. ročníku po 2 hodinách. V osnovách byly explicitně uvedeny u každého tématu i demonstrační pokusy a experimentální činnosti a dovednosti žáků. Podle těchto učebních osnov a s využitím zkušeností a připomínek učitelů k pokusným učebnicím vypracovaly autorské kolektivy učebnice a metodické příručky. V každém autorském kolektivu byli zastoupeni i slovenští autoři a učitelé základních škol.
Janovič, J. – Kolářová, R. – Bejsta, J. – Černá, A.: Fyzika pro 6. ročník. Studijní část A. Pracovní část B. SPN Praha 1980. Procházková, E. – Kolářová, R. – Klobušický, K. – Böhmová, E.: Fyzika pro 7. ročník. Studijní část A. Pracovní část B. SPN Praha 1981.
16
Chytilová, M. – Kluvanec, D. – Žampa, K: Fyzika pro 8. ročník. Studijní část A. Pracovní část B. SPN Praha 1983. Od r. 1981/82 se začalo zavádět nové pojetí vyučování fyzice od 6. ročníku do všech škol podle uvedených učebnic a s využitím podrobných metodických příruček k nim. V tomtéž školním roce se začala experimentálně vyučovat fyzika od 6. ročníku ve třídách s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědným předmětům. Pro tyto třídy také byly postupně od r. 1983 vydávány Doplňky k učivu fyziky, na kterých se autorsky podíleli J. Janovič, M. Rojko, O. Hlad, J. Vachek, I. Volf, D. Kluvanec, Z. Ungermann a v pozdějším vydání J. Bohuněk a O. Lepil.
Učebnice fyziky pro 6.–8. ročník byly současně vydávány i v polském jazyce a v SPN Bratislava ve slovenském a maďarském jazyce. V roce 1984, kdy skončilo první ověření obsahu, metod, učebnic a metodických příruček pro fyziku v 6.–8. ročníku provedli pracovníci VÚP Praha i Bratislava podrobné ověření účinnosti, viz např. článek Schnabl, P. – Voráček, M.: K ověřování účinnosti nového pojetí vyučování fyzice v 6.–8. ročníku ZŠ. MFŠ, roč. 16, 1985/86, s. 464-471. Na základě vyhodnocení zkušeností učitelů, hospitací a písemných zkoušek v jednotlivých ročnících byly provedeny redukce v učebních osnovách i v dalších vydáních učebnic a také byly přepracovány obtížnějších části textů. V r. 1982/83 vyšly učebnice a metodické příručky pro povinně volitelné a nepovinné předměty matematicko-fyzikální praktika a fyzikálně chemická praktika pro 7. a 8. ročník, v nichž fyzikální část zpracovávali V. Vlček, J. Maršák, F. Macháň, P. Liebl, P. Suk, J. Tejkal, R. Kolářová a J. Novotný.
17
1984–2003 V dubnu 1984 byl vydán školský zákon (č. 29/1984), podle kterého měla základní škola 8 ročníků (první stupeň 1.–4. ročník, druhý stupeň 5.–8. ročník), ale současně tento zákon prodloužil povinnou školní docházku na 10 let s tím, že žáci ji mohli plnit i v 1. a 2. ročníku střední školy. V této době probíhala diskuse (podrobně viz článek Úvodní část k diskusi o úpravách učebních osnov MFŠ, roč. 15, č. 7, 1985, s. 433-439) o úpravě osnov, podle kterých se fyzice začínalo učit na všech základních školách od r. 1988/89. Šlo hlavně o zjednodušení a redukci učiva, např. o částicové stavbě látek, vypuštění poměrné odchylky měření, grafického určení výsledné síly a určení práce na nakloněné rovině, pojmu sytá pára, Lenzova zákona, zjednodušení výkladu vnitřní energie, elektrického napětí a učiva o střídavém proudu. Dílčí změny byly provedeny už od 1. 9. 1985. Současně probíhala diskuse k učebnicím, podrobně se jimi zabýval např. seminář pořádaný pro učitele fyziky Odbornou skupinou JČMF pro ZŠ na Božím daru v r. 1986. V r. 1987 byly vydány nové učební osnovy pro fyziku v 6.–8. ročníku, kde byly 2 týdenní hodiny v každém ročníku. V osnovách byly zapracovány výše uvedené úpravy a podle nich byly postupně vydávány učebnice pro 6.–8 ročník od r. 1989 do r. 1992 v SPN a v r. 1994 byly všechny tyto učebnice poprvé vydány v novém nakladatelství Prometheus, které vzniklo v roce 1993 a jehož redaktorský kolektiv vytvořily redaktorky bývalého SPN, z nichž největší podíl na kvalitní přípravě základoškolských učebnic fyziky měly především RNDr. Jana Vlášková a RNDr. Miluše Lachmannová. Stejně jako učebnice z r. 1980–1983 měly studijní část A a pracovní část B, s tím, že v B byly zařazeny i návody a pracovní listy k laboratorním úlohám.
18
Došlo také k menším změnám v autorských kolektivech, v učebnici pro 6. ročník zůstali jen Janovič, J. – Kolářová, R. – Černá, A, pro 7. ročník se novým autorem stal učitel fyziky J. Bohuněk a zůstali v kolektivu Procházková, E. – Kolářová, R. – Klobušický, K a autorský kolektiv učebnice pro 8. ročník (M. Chytilová, D. Kluvanec a K. Žampa) byl doplněn o R. Kolářovou. V květnu 1990 byl vydán zákon (č. 29/1984 Sb.), kterým se doplňoval a měnil zákon z r. 1984, a v něm bylo stanoveno, že základní škola má devět ročníků a povinná školní docházka byla opět zkrácena na devět let, tedy stejně jako tomu bylo od r. 1959 do r. 1984. Žáci, kteří ukončili 8. ročník v r. 1989/90 nebo 1990/91 a nebyli přijati na střední školu, museli pokračovat v plnění školní docházky v 9. ročníku. Nakladatelství Prometheus doplnilo v r. 1996 uvedenou řadu učebnic pro fyziku v 6.–8. ročníku jednodílnou učebnicí pro 9. ročník autorů Bohuněk, J. a Kolářová, R. V této učebnici bylo poprvé od r. 1960 zařazeno učivo o zvukových jevech, které do té doby bylo jen v doplňcích pro třídy s rozšířenou výukou matematiky a přírodních věd. Dále zde bylo také učivo z meteorologie a astronomie a v druhé části pak formou úloh shrnutí celého učiva základní školy. V r. 1990 začaly velké diskuse o standardech vzdělávání. Odborná skupina pro fyziku na základní škole při FPS JČMF vypracovala v r. 1994 Návrh standardů fyzikálního vzdělávání publikovaný v Prometheu jako zvláštní příloha časopisu MFI. S využitím zkušeností mnoha učitelů s tímto návrhem pak autorský kolektiv vedený R. Kolářovou spolu s biology a chemiky připravil a r. 1998 v Prometheu publikoval soubor evaluačních kritérií s konkrétními ukázkami úloh pod názvem Co by měl žák základní školy umět z fyziky, chemie a přírodopisu. V r. 1995 MŠMT schválilo Standard základního vzdělávání, který se stal závaznou normou jak pro učitele, tak pro tvorbu vznikajících vzdělávacích programů. Obsahoval okruhy kmenového učiva bez rozdělení do jednotlivých ročníků. Ve srovnání s osnovami z r. 1987 byly nově zařazeny okruhy Zvukové jevy a Vesmír. Učitelé od r. 1996 mohli vyučovat fyziku buď podle rozvolněných osnov z r. 1987, nebo podle jednoho ze tří schválených vzdělávacích programů: Základní škola, Občanská škola a Národní škola. Učební plán si mohla škola upravit s tím, že fyzika musela mít od 6. do 9. ročníku minimálně 6 hodin. Na základě nové situace, připomínek učitelů i diskusí na seminářích Odborné skupiny pro výuku fyziky na ZŠ se v nakladatelství Prometheus začala vydávat přepracovaná řada učebnic. Rozdělení učebnice na část A studijní a část B
19
pracovní vzniklo v pokusném vyučování s tím, že části B byly používány jako pracovní sešity, do kterých žáci psali řešení úloh. To se později ukázalo jako ekonomicky neúnosné a tak se v diskusích s učiteli zvažovaly výhody a nevýhody obou koncepcí. Nakonec byla větší část učitelů pro spojení do jedné knížky. Nakladatelství kromě toho vydává samostatné pracovní sešity pro jednotlivé ročníky, které autorsky zpracoval J. Bohuněk. V r. 1998 vyšly učebnice pro 6. a 7. ročník (Kolářová, R. – Bohuněk, J.).
Zkušenosti ze škol však ukázaly, že v mnoha školách má fyzika v 6. ročníku jen jednu týdenní hodinu a také bylo třeba redukovat učivo v 7. ročníku. Proto jsme přistoupili k upravenému vydání těchto dvou učebnic po vydání učebnice pro 8. ročník v r. 1999 a pro 9. ročník v r. 2000. Na učebnici pro 9. ročník se kromě Kolářové, R. a. Bohuňka, J. autorsky podílejí Štoll, I., Svoboda, M. a Wolf, M. V učebnici pro 6. ročník bylo graficky označeno učivo o částicové stavbě a elektromagnetických jevech, které se při jednohodinové fyzice může probírat až v 8. nebo 9. ročníku a je v učebnicích 8. a 9. ročníku znovu zopakováno ve stručnější podobě. V 7. ročníku bylo zjednodušeno učivo o světelných jevech a učivo o lomu světla v čočkách a optických přístrojích bylo zařazeno až v učebnici pro 9. ročník. V časopise MFI roč. 13, č. 7 jsme na s. 406 v článku Učebnice fyziky pro 6. až 9. roč. ZŠ navrhli, co lze redukovat i v 9. ročníku při jednohodinové fyzice.
20
Kromě učebnic vydává nakladatelství Prometheus další doplňující publikace pro žáky, především Tabulky pro základní školu F. Běloun a kol. (fyzikální část R. Kolářová) a tři díly Sbírky úloh z fyziky od J. Bohuňka (1992–1994). V r. 2005 byly vydány tematické prověrky z učiva fyziky základní školy (J. Bohuněk, E. Hejnová) doplněné CD, které umožňuje učiteli prověrky upravovat podle svých podmínek a požadavků.
Vývoj školství a vzdělání procházel po roce 1990 procesem transformace, došlo ke značné liberalizaci vzdělávání. Učitelé měli možnost podle svého uvážení vypustit z osnov fyziky až 30% učiva a také si volit učebnice z dalších řad, které postupně vznikaly. Uvedeme jen stručný přehled: v nakladatelství Prometheus jsou to učebnice M. Macháčka, v nakladatelství Scientia M. Rojka a kol.: „Fyzika kolem nás“, v nakladatelství Fortuna učebnice Z. Lustigové, později v nakladatelství SPN akc. spol. učebnice J. Jáchima a J. Tesaře, v nakladatelství Fraus učebnice K. Raunera a kol. a v nakladatelství Prodos R. Holubové a kol.
2004–2014 Další význačnou změnu přinesl rok 2004 vydáním „Rámcového vzdělávacího programu pro základní vzdělávání“ (RVP), podle kterého si školy musely vytvořit svoje „Školních vzdělávací programy“ (ŠVP). Fyzika byla zařazena do přírodovědného bloku „Člověk a příroda“ (fyzika, chemie, přírodopis, zeměpis) s celkovou časovou dotací 22 hodin. Vydaná řada učebnic pro 6.–9. ročník dobře umožňovala realizaci RVP a na pomoc učitelům při tvorbě školních vzdělávacích programů byla vydána příručka, na které se autorsky podíleli kromě R. Kolářové a E. Hejnové i učitelky z praxe E. Lišáková a Z. Kamarádová. V příručce jsou podrobně rozpracovány očekávané výstupy pro jednotlivá témata a také návrhy časového rozvržení
21
učiva při různé hodinové dotaci fyziky v ŠVP. V příručce jsou uvedena podrobná řešení všech úloh z celé řady učebnic fyziky pro 6.–9. ročník.
V dalších vydáních učebnic byly postupně doplněny očekávané výstupy žáků i kompetence, které se mohou rozvíjet při použití dané učebnice. Krom toho jsou v učebnicích zařazeny odvolávky na www stránky doplňující nebo ilustrující dané učivo. Jako doplněk k učebnici 6. ročníku vydalo nakladatelství Prometheus dvě CD, jejichž obsahem je výukový materiál pro práci s interaktivní tabulí k tématům Měření fyzikálních veličin (2009) a Vlastnosti látek a těles (2011). Na této učební pomůcce nového typu se autorsky podílely kromě E. Hejnové a R. Kolářové učitelky z praxe V. Bdinková-Pejčochová a V. Kamenická. Obě CD obsahují řadu úloh využívajících možností interaktivní tabule, náměty na pokusy, zajímavosti a doplňovačky. Závěrem Porovnejme, jak byla fyzika zařazována do učebních plánů základní školy od r. 1938 až po současnost. Z tabulky je patrné, že pokud bereme v úvahu i pokusné učební plány, počet hodin fyziky se pohyboval od minimálních 4 do maximálních 9 týdenních hodin. Nejčastěji měla fyzika na základní škole 6 týdenních hodin. V přehledu více než půl století trvajícího vývoje fyzikálního vzdělávání na základní škole jsme v návaznosti na tvorbu učebnic fyziky ukázali, že zejména od poloviny 60. let minulého století šlo o kontinuální proces, v němž se formovalo jak pojetí, tak obsah i metody výuky fyziky. Tento vývoj se opíral nejen o výzkumné práce, jejichž vůdčí postavou byla RNDr. Marta Chytilová, CSc., ale také o soustavné diskuse s učiteli na konferencích a seminářích pořádaných JČMF a při dalším vzdělávání učitelů. Takový přístup je zárukou, že mohou vznikat kvalitní učební materiály, které povedou ke zlepšení výuky fyziky, a měl by být základním požadavkem i do budoucnosti.
22
Učební plány fyziky od r. 1938
Literatura [1] Lepil, O.: K vývoji učebnic fyziky pro střední školu gymnaziálního typu, MFI 22 (2013), č. 4 (Příloha), s. P-16. [2] Fuka, J.: Konference o modernizaci vyučování fyzice, PMFA, roč. 9 (1964), č. 6, s. 352-358. Dostupné na:
[3] Chytilová, M.: Příspěvek k novému pojetí obsahu a metod vyučování fyzice na základní škole, SPN, Praha 1972. [4] Chytilová, M.: Zpráva o pokusném vyučování fyzice, Fyzika ve škole, roč. 7 (1968), s. 76-89. [5] Chytilová, M.: Návrh učebních osnov fyziky pro 6.–9. ročník ZDŠ, Fyzika ve škole, roč. 7 (1968), s. 331-354. [6] Schnabl, P. – Voráček, M.: K ověřování účinnosti nového pojetí vyučování fyzice v 6.–8. ročníku ZŠ, MFŠ, roč. 16, 1985/86, s. 464-471. [7] Kolářová, R. – Bohuněk, J.: Učebnice fyziky pro 6. až 9. ročník základní školy, MFI roč. 13 (2004), č. 7, s. 406-414.
23
Hračky ve výuce fyziky VĚRA PEJČOCHOVÁ (BDINKOVÁ) Základní škola Brno, Novolíšeňská 10 Hra je radost. Učení při hře jest radostné učení. J. A. Komenský
1. Úvod Hračky jsou přirozenou součástí života dětí. Slouží jako prostředek zábavy, rozptýlení, relaxace, pomáhají učení a poznání reality, přispívají i k všeobecné harmonizaci vztahů. Všeobecně se za hračky považují předměty a materiály vyskytující se v rodinném prostředí a v přírodě už hotové, ale také předměty, které mají původní funkci jinou a do her a hraček byly přeměněné. Hračky jsou i předměty zhotovené se záměrem použít je jako pomůcky dětských her ve škole a školských zařízeních nebo volnočasových aktivitách. Fyzikální hračky nenásilným způsobem přibližují nějakou přírodní zákonitost nebo jev a jsou důležité zejména pro děti ve věku ZŠ.
Jsou vcelku levná pomůcka pro experimentální činnost. Ukazují, že fyzika je všude a co může dělat. Zvyšují zájem a ovlivňují pozornost. Mohou demonstrovat nové poznatky a pojmy a pomáhat je pochopit. Můžeme je použít i při prověřování znalostí a opakování. Pomáhají pochopit techniku. Mohou se stát objektem prvního vědeckého výzkumu. Provokují problémy, pomáhají formulovat otázky a podněcovat diskuzi. Zlepšují vztah učitele a žáka, usnadňují překonávat jazykové bariery. Hračky vlastní výroby přispívají navíc k rozvoji technické tvořivosti i různých manuálních dovedností.
Využíváme-li fyzikální hračky ve výuce k hledání odpovědí v probíhajících dějích, musíme: Nechat procesy dojít do konce a opakovat je znovu. Pozorně sledovat probíhající jevy, popisovat, co se děje, porovnávat probíhající jevy.
24
Pak teprve klást otázky, diskutovat o fyzikálních zdůvodněních (spíše formou hry na otázky a odpovědi bez negativního hodnocení). Dbát na estetiku a bezpečnost.
2. Kde a jak můžeme fyzikální hračky získat? a) Koupit: V technických muzeích, vědeckotechnických centrech, na hvězdárně: Eulerův disk /mechanika, polohová a pohybová energie, jejich přeměna/ Na disk dáme některý kruh nebo kruhové výseče s hologramovými vzory. Pak ho roztočíme ve svislé poloze na mírně dutém zrcadle a sledujeme jeho pohyb až do úplného zastavení. Roztočením získá disk polohovou energii i pohybovou energii. Po roztočení se disk začne pomalu sklápět. Jeho polohová energie se přitom začne přeměňovat na energii pohybovou, disk se otáčí stále rychleji. Téměř ve vodorovné poloze se disk pohybuje velmi rychle a roztáčí pod ním i tenkou vzduchovou vrstvu. Pod diskem vznikne podtlak a okolní vzduch ho prudce přitlačí k zrcadlu. Zajímavé jsou i doprovodné akustické a optické jevy. Keltský kámen /mechanika, moment hybnosti/ a) Těleso roztočíme směrem doprava. Po chvíli se zastaví a začne se otáčet doleva. b) Jeden konec tělesa mírně stlačíme dolů a uvolníme. Těleso se začne otáčet doleva. Naše těleso (loďka) je nesymetrické a při otáčení se proto rozkmitá. V důsledku toho se zastavuje v otáčivém pohybu a po zastavení získává v důsledku svého rozkmitání opačný moment hybnosti.
25
Kinetóny /mechanika, elektromagnetismus, přeměna energií, pohyb vodiče s elektrickým proudem v magnetickém poli/
Pozorujte kinetóny. Pohybují se vytrvale a lehce, tak jako by nebylo nic potřebné pro udržování jejich „věčného“ pohybu. V každém kinetónu je umístěno nějaké „poháněcí zařízení“ – baterie, elektromagnet, elektromotorek, často i generátor impulsů. Síly se přenáší pomocí osek, tyčinek, lana… někdy za pomoci magnetických polí. Difrakční brýle /optika, rozklad světla/
Solární moucha /optika, mechanika, přeměna energií/
Speciální fólie v brýlích slouží k rozkladu světla na barevné spektrum. Fotografie přes brýle zobrazuje spektrum 4 světel s úspornými zářivkami)
Světlem svítíme na plochou destičku na hlavě mouchy. Moucha se začne otáčet. Destička je solární článek, ve kterém se přeměňuje světelná energie na elektrickou. Ta pak roztáčí malý elektromotorek umístěný ve spodní části mouchy.
26
V hračkářství Tančící berušky /mechanika, magnetismus, pohyb, magnetická síla/ Na dané krabičce „natočíme“ klíček. Berušky na krabičce tančí kolem dokola i kolem své osy. Ve spodní části berušek je magnet. V krabičce jsou magnety, které se otáčí. Magnety jsou otočeny nesouhlasnými póly, aby se beruška přitahovala k horní desce krabičky
Fyzikální hlavolam „Lodička se dvěma kuličkami“ /mechanika, otáčivý pohyb, odstředivá síla/ U prostřední přepážky v lodičce jsou dvě kuličky. Našim úkolem je dostat každou ze dvou kuliček do určených míst na opačných koncích lodičky. Hlavolam položíme na stůl a roztočíme ho. Vzniká odstředivá síla, která dopraví kuličky do určených krajních míst lodičky. Vlnící se housenka /mechanika pevného tělesa, pohyb/ Housenku táhneme za provázek. Pohybuje se nejen dopředu, ale také se přitom vlní. Vlnovkovitý pohyb housenky způsobují excentricky připojená kola.
27
Skotačivý mýval /mechanika, pohyb, změna polohy tělesa/ Do míčku dáme elektrický článek 1,5 V, zapneme a míček s mývalem dáme na zem. Zdá se nám, že mýval popostrkuje míček před sebou. Mýval je připevněn ke kouli. Uvnitř koule je elektromotorek s elektrickým článkem, který je excentriky umístěn u povrchu a otáčí se dokola. Tím se mění celé těžiště koule, a ta se zajímavě pohybuje i s připevněným mývalem. Magnetické jo-jo /magnetismus, mechanika, magnetická síla, přeměna energií/ Kolečko dáme na ocelovou dvoulinku a mírně nakloníme, kolečko se pohybuje dolů. Budeme-li naklánět dvojlinku střídavě nahoru a dolů, bude se kolečko nepřetržitě pohybovat. Na koncích osy kolečka jsou ferity, které drží kolečko na ocelových tyčkách. Při pohybu dvou tyček dodáváme vždy soupravě energii polohovou, která se přeměňuje na energii pohybovou. Je to vlastně magnetické jo-jo. Drobné hračky – na přeměnu energií Hračku Prasátko natočíme klíčkem, prasátko se pohybuje dopředu. Vykonali jsme práci, která se uložila jako energie pružnosti. Tato energie se pak mění na pohybovou energii. Hračka „Tučňák v loďce“ je určen do vody. Natáhneme gumu a tučňáka dáme do vody. Vesluje a pohybuje se dopředu. Vykonaná práce se uložila jako energie pružnosti, která se pak mění na pohybovou energii člunu a vesel. Panáčka vmáčkneme do podstavy a pustíme. Panáček za chvíli vyskočí do výšky a pak padá dolů. Vykonaná práce se uložila jako energie pružnosti. V okamžiku výskoku se mění na pohybovou energii, která se při pohybu nahoru
28
mění na polohovou energii. V nejvyšším místě má panáček polohovou energii maximální. Při pádu dolů se tato energie mění opět na pohybovou energii. Hračka Autíčko se pohybuje stejně jako Prasátko. Navíc je „antigravitační“, jede nahoru po tabuli. V autíčku je magnet a daná tabule je zhotovena z feromagnetické látky.
V optice, hodinářství Galileův teploměr /hydromechanika, termika, vztlaková síla, závislost hustoty kapaliny na teplotě/ Každá plovoucí koulička má plombu s určitým údajem teploty. Teplota v místnosti leží mezi teplotami, které odečteme z kouličky, která stoupla k hladině jako poslední a první připravenou ke stoupnutí k hladině. Tento teploměr zhotovil Galileo Galilei (1564–1642). Hustota kapaliny se mění s teplotou. Skleněné kouličky jsou naplněny vodou, přesně vyváženy a uzavřeny (přesnost vyvážení setiny gramu). Kouličky jsou označeny teplotou. Podle změny teploty v kapalině různě klesají a stoupají.
29
V obchodě s gadgets (většinou internetovém) Nádoba se záhadnou kapalinou /mechanika kapalin a plynů / Spodní nádobu vezmeme do rukou. Kapalina stoupá do horní nádoby. Chceme-li dostat kapalinu zpět, necháme ji delší dobu stát nebo chytneme do rukou horní nádobu. Uvnitř nádoby je kapalina. Zahřívám-li spodní nádobu, zahřívá se i vzduch. Dochází ke zvětšení jeho tlaku a ten vytlačí kapalinu do horní nádoby.
Věčný setrvačník /setrvačník, otáčivý pohyb, pohybová energie, elektromagnetismus/ Káču-setrvačník roztočíme na desce podstavce. Bude se točit se po celé ploše a nezastaví se. Aby se setrvačník nezastavil, je třeba udržovat pohybovou energii rotace, která se zmenšuje vlivem tření. V ose setrvačníku je slabý magnet. Podstavec, na kterém se pohybuje setrvačník, má tvar misky. Uprostřed je v oblasti dna této misky umístěn spínavý elektromagnet, který v okamžiku přiblížení setrvačníku začne setrvačník odpuzovat. Tím ho nutí na miskovém podstavci naklonit osu otáčení. V důsledku toho ho více roztočí.
30
Několik hraček stručně s fotografiemi: Pokladnička, která krade mince Uvnitř krabičky je po úhlopříčném řezu umístěné zrcadlo.
Zmenšující pokladnička Uvnitř krabičky je rozptylka
Kouzelná hůlka V kouzelné hůlce je generátor elektrostatického náboje.
V obchodě s porcelánem a sklem Žíznivý kačer /termika, mechanika, vypařování, podtlak, těžiště, .../ Zobák ptáka namočíme do vody v pohárku a ptáka pustíme. Pták se kývá pravidelně a občas se předkloní tak, že se opět napije z pohárku. Zdá se nám, že pták je zdánlivým „perpetuem mobile“. Po namočení zobáčku do vody dochází k odpařování vod, následně k ochlazení a snížení tlaku. V nádobce v těle ptáka je
31
kapalina – éter. Ten začne díky snížení tlaku u zobáku stoupat trubičkou. Až vystoupí nahoru, horní část těla se převáží a pták se skloní až k pohárku. Když je těleso v této poloze, část kapaliny přeteče z hlavičky do břicha ptáka (otevřený konec trubičky je nad hladinou kapaliny v bříšku). Změní se poloha těžiště a kačer se vztyčí. Cyklus se opakuje….. Skleněná termosklenice /termika, tepelný izolant/
Tato sklenice je dvouplášťová. Používá se jako doplněk ke kávovaru. Vzduch mezi skleněnými stěnami je dobrým tepelným izolantem. V obchodě se suvenýry, bižutérií Háček na kabelku /mechanika, těžiště/
32
V obchodě s koly LED světlo na ventilek kola /elektronika, optika, setrvačnost oka/
V obchodě se stavebninami, v kutilských obchodech Držáky na sklo jako magdeburské polokoule /aeromechanika, magdeburské polokoule, atmosférický tlak/
33
V orientálním obchodě Žába /akustika, vznik zvuku, rezonance/ Paličkou přejíždíme po hrbolech na hřbetu žáby. Žába vydává kvákavý zvuk. Palička se na hrbolech zadrhává, žába se „rozechvěje“ a stává se zdrojem zvuku. Celá žába pak působí jako rezonanční skříňka.
Tibetská mísa /akustika, vznik zvuku, odraz zvuku, interference zvuku/
Je vyrobena ze 7 kovů (zlato, stříbro, rtuť, měď, železo, cín, olovo). Každý kov produkuje určitý zvuk, včetně harmonických tónů, a dohromady vytvářejí výjimečně znělý a bohatý zvuk. Když udeříte do mísy, můžete přímo cítit, jak se kolem stěny mísy hýbe vzduch. Úderem paličkou nebo třením obvodu mísy naplněné vodou lze snadno vidět zviditelněné vibrace vodní hladiny. Vibrující vlnky se dokonce setkávají a vznikají fontánky nebo spršky drobných kapek. Palička drhne o okraj mísy a mísu rozkmitá. Mísa vydává zvuk. Kmitání se předává i do vody, různě se od stěn odráží a pak skládá.
34
Ezotérická spirála /termika, optika, vedení tepla prouděním, optický klam/ Spirálu pověsíme v blízkosti dveří. Bude se otáčet. Pokud se otáčí na jednu stranu, zdá se nám, že se vnitřní spirála pohybuje nahoru. Pokud se spirála otáčí na druhou stranu, vnitřní spirála jede dolů. Spirálu roztáčí proudící vzduch mezi místnostmi. Otáčení vnitřní spirály je zajímavý optický klam.
V obchodě s potravinami Láhve od polské vodky /optika, válcové čočky/ V lahvích je kapalina (vodka, voda). Obraz Chopina je na zadní straně. Díváme-li se na něj přes kapalinu, obraz Chopina je větší. Za panem Tadeuszem je na zadní straně obrázek krajiny. Díváme-li se na pana Tadeusze, vidíme za ním zvětšenou krajinu. Láhve s kapalinou jsou válcové čočky.
35
b) Hračky můžeme dostat jako dárky od kamarádů Magnetická levitující tužka /magnetismus, póly magnetu, magnetická síla/ Tužku opřeme o svislou destičku a roztočíme ji. Bude levitovat ve vzduchu a otáčet se. V tužce a podložce jsou magnety otočené souhlasnými póly, působí tedy mezi nimi odpudivá magnetická síla. Tužka je hrotem opřená o destičku a nemůže se tedy přetočit. Hrací skříňka /akustika, zdroj zvuku, rezonance/ Točíme-li kličkou, otáčí se váleček s hrbolky. Pásky kovového hřebenu narážejí na hrbolky na válečku a rozechvívají se. Protože jsou hrbolky v určité sestavě a kovové pásky mají různou délku, slyšíme kousek melodie. Dáme-li skříňku na stůl, tabuli slyšíme melodii hlasitěji. Kovové pásky hřebenu jsou zdroji zvuku. Rozechvívání je pravidelné, vznikají tóny. Délka pásků ovlivňuje výšku tónu, hrbolky na válečku střídání tónů. Stůl nebo tabule slouží jako rezonanční skříňky. Kaleidoskopy /optika, rovinné zrcadlo, odraz světla/ Krasohled je hračka stará více jak 150 let. Má mnoho variant: s drobnými tělísky – korálky se zkumavkou a plovoucími tělísky s otáčejícím se kruhem se vzory s čočkou Podívejte se do krasohledu proti světlu a pomalu jím otáčejte. Uvidíte několikanásobné opakovaní měnícího se výseku obrazu. Prostor uvnitř tvoří 3 zrcadla (vytvářející vnitřek pláště trojbokého hranolu), která opakovaně zobrazují motiv. Některé kaleidoskopy mají i 4 zrcadla.
36
Je-li uvnitř 20 korálků a budeme-li otáčet krasohledem 10× za minutu, museli bychom se dívat 460miliard hodin, abychom viděli všechny možné kombinace.
Optický talíř /optika, odraz světla, parabolické zrcadlo, skutečný obraz/ Dovnitř dáme malou figurku žáby. Podíváme-li se na talíř, vidíme žábu stojící „nahoře“. Talíř tvoří 2 parabolická zrcadla otočená proti sobě. Světelné paprsky dopadají otvorem dovnitř talíře na žábu, odrazí se od ní, pak dopadnou na horní zrcadlo, odrazí se dolů a od spodního zrcadla se odrazí nahoru. U horního otvoru tak vznikne skutečný stejně velký obraz žáby. c) Hračky můžeme vyrobit: Hračky vyrobené rodiči Paradoxní dvojkužel /mechanika, postupný a otáčivý pohyb, těžiště, nakloněná rovina/ Dvojkužel položíme na spodní část nakloněné roviny, Oproti našemu očekávání se začne pohybovat nahoru. Dvojkužel se sice pohybuje nahoru, ale jeho těžiště díky konstrukci kužele a dráhy se pohybuje dolů.
37
Fakirova židle /mechanika, tlaková síla, tlak, rozklad síly na plochu – cca 1 200 hřebíků/
Hračky vyrobené z papíru, z běžně dostupného a odpadového materiálu, který se dobře zpracovává. Drobnější hračky vyrábí žáci přímo na hodině fyziky (výklad učiva, opakování, zkoušení), některé z nich si mohou připravit na hodině matematiky. Ukázky větších hraček byly zhotoveny jednotlivci nebo skupinami žáků ve volitelném předmětu Fyzikální seminář, v ŠOKu (školním odborném klubu) nebo v rámci výjezdního přírodovědného praktika. Vírníček z obdélníku Potřeby: Kancelářský papír, pravítko-trojúhelník s ryskou, tužka, kružítko, nůžky, kancelářská sponka
Provedení: Na kancelářský papír narýsujeme obdélník o rozměrech 12,5 cm a 3 cm. Obdélník rozdělíme na 3 malé obdélníčky o šířce 1 cm a čerchovaně vyznačíme délky dle obrázku. Vystřihneme ho a podle čerchovaných čar rozstřihneme. Obdélník vezmeme za pravý a levý roh, dáme je k sobě a spojíme kancelářskou sponkou. Vznikne vírníček (kancelářská sponka je dole). Vírníček
38
pustíme volně z co největší výšky. Padá dolů a točí se – koná pohyb složený z pohybu posuvného a otáčivého. (Máme-li na horní straně část spirály, vidíme i krásný optický klamy – celou spirálu.)
Vysvětlení: Vírníček padá k zemi, protože na něj působí gravitační síla. Proti tomuto pohybu působí odpor vzduchu. Tato odporová síla tlačí na šikmé části vírníčku (jakési vrtule) a vírníček roztáčí. Poznámka: Doporučení – narýsovat si obdélník na hodině matematiky. Akrobat Potřeby: Výkres, šablona, tužka, pastelky, nůžky, 2 kancelářské sponky (i více)
Provedení: Šablonu akrobata obkreslíme na výkres a vystřihneme. Pastelkami domalujeme klauna. Akrobata dáme na nos na prst, spadne. Na ruce klauna dáme po jedné kancelářské sponce. Akrobata postavíme na nos na prst, špejli,
39
… Akrobat drží a nespadne. (Přidáme-li více sponek, třeba „zavěšením“, bude poloha klauna ještě stabilnější). Vysvětlení: Stabilita akrobata závisí na poloze těžiště. Přidáme-li na ruce zátěž – kancelářské sponky, těžiště se posune dolů ke sponkám až pod nos. Akrobat bude ve stabilní poloze. Větrný mlýnek s brčkem Potřeby: Papírová šablona, drát, izolepa, brčko, vypotřebovaná náplň z propisovačky, nůžky, kleště Provedení: Šablonu větrníčku vystřihneme, prostřihneme čárkované čáry a podle plných čar ohneme lopatky. Uprostřed větrníčku uděláme malý otvor, do kterého dáme kousek trubičky z vypotřebované náplně z propisovačky. Kousek drátu ohneme podle obrázku. Brčko v ohybu ohneme a ke kratší části přilepíme izolepou jeden konec drátu. Druhý konec drátu protáhneme trubičkou ve větrníčku a kousek drátu kleštěmi ohneme, aby větrníček nespadl. Dbáme, aby větrníček byl umístěn tak, aby vzduch z brčka foukal na lopatky větrníčku. Foukáme-li brčkem, větrníček se roztočí.
Vysvětlení: Větrníček roztáčí tlaková síla proudu vzduchu, který foukáme brčkem. Šablonu najdete na fyzikanasbavi.zsnovolisenska.cz Větrný mlýnek z PET lahví Potřeby: Výkres, pravítko – trojúhelník s ryskou, lepidlo, vypotřebovaná náplň z propisovačky, 2 větší zavírací špendlíky, izolepa, kousek brčka, 1 l PET láhev od mléka s širším hrdlem i s víčkem, nůžky
40
Provedení: PET láhev uzavřeme víčkem a doprostřed uděláme otvor, do kterého dáme kousek brčka (musí těsnit). Na bok víčka izolepou upevníme proti sobě 2 zavírací špendlíky (zavíráním dolů). Na výkres narýsujeme obdélník o rozměrech (16 × 2,5) cm a rozdělíme ho na 8 malých obdélníčků (2 × 2,5) cm. Podle čar ohneme jako harmoniku, dva obdélníčky vždy slepíme k sobě, vznikne základ papírového kříže – mlýnku, do kterého vlepíme doprostřed jako osu kus vypotřebované náplně do propisovačky. Papírový mlýnek s osou nasadíme do ok v zavíracích špendlících. Plastovou láhev vezmeme do rukou a mačkáme na ni. Mlýnek se začne točit a bude se točit, pokud budeme mačkat na láhev.
Vysvětlení: V láhvi je vzduch. Mačkáme-li na láhev, vzduch uniká brčkem, dopadá na lopatky mlýnku a tlaková síla vzduchu mlýnek roztáčí. Levitující CD Potřeby: Plastový obal z CD, 2 CD, 30 magnetů, sekundové lepidlo, optický kruh
41
Provedení: Na každé CD na jednu stranu nalepíme dokola magnety stejným pólem nahoru. Obě CD nasadíme na prostřední osu obalu tak, aby byly magnety mezi CD. Druhé CD se vznáší nad prvním CD na „magnetickém polštáři“. Roztočíme-li horní CD, otáčí se velmi dlouho. Proto na něj můžeme dát optické kotouče a sledovat zajímavé optické klamy. Vysvětlení: CD s magnety jsou k sobě otočeny souhlasnými magnetickými póly, proto mezi nimi působí odpudivá magnetická síla. Setrvačník z CD a skleněné kuličky s optickými kotouči Potřeby: CD, skleněná kulička, tavná pistole s náplněmi, šablony různých optických kruhů
Provedení: Setrvačník vyrobíme tak, že skleněnou kuličku dáme díry uprostřed CD a přilepíme ji tavnou pistolí. Šablony kruhů najdete na fyzika nasbavi.zsnovolisenska.cz. Setrvačník roztočíme (menší část kuličky je dole) a můžeme měřit čas otáčení. Setrvačník se točí dlouho. Roztočením (konáme práci) získá kulička velkou pohybovou energii (má větší hmotnost). Skleněná kulička je hladká, tření je tedy mezi ní a stolem malé, proto pohybové energie setrvačníku ubývá pomalu. Na setrvačník budeme dávat postupně kruhy s různými obrazci a roztočíme je: kruh se spirálou: – roztočíme na jednu stranu – spirála se „roztáčí“ – roztočíme na druhou stranu – spirála se „stáčí“ – roztočíme a díváme se na spirálu asi 20 s, pak se podíváme na hřbet ruky ležící na stole – ruka se začne „roztékat“.
42
kruh s černobílými vzory Roztočíme – při postupném zpomalování vidíme různé barvy modrou, zelenou, červenou,…). Tento jev je také jen iluzí. Zatím se ho nepodařilo vysvětlit kruh s černobílými kolečky – ve světle zářivky nastane stroboskopický jev kruh s červenými, zelenými a modrými kolečky Ukazuje míchání barev na principu televizní obrazovky. Při dostatečné rychlosti otáčení nerozeznáme jednotlivé kolečka, ale body na jedné kružnici uvidíme jako kruh určité barvy. Odstíny vznikají podle počtu koleček daných 3 barev na kružnici. (Podíváme-li se na obrazovku barevného televizoru lupou, uvidíme, že se skládá z červených, modrých a zelených plošek. Když se na obrazovku díváme z přímé vzdálenosti, plošky splývají a směs 3 základních barev vytváří všechny barvy obrazu.) Mechanická chobotnice Chobotnice je jednodušší obdoba mechanické housenky, kterou jsem představovala na Veletrhu nápadů učitelů fyziky v Plzni v roce 1997. Potřeby: 1,5 l PET láhev, použitý kulatá baterie – monočlánek 1,5V (největší), gumičky, izolepa, provázek, kousek špejle nebo sirky, barevné izolepy a oči na dozdobení, nůžky, malé nůžky, silnější háček na háčkování. Provedení: Odstřihneme horní část PET láhve (asi ¼). Spodní část rozstříháme na 10 pásků (stříhání ukončíme ve výšce asi 5 cm nade dnem). Pásky ohneme a poskládáme z nich chapadla. Spodní nerozstříhaná část láhve tvoří tělo. V něm uděláme pomocí malých nůžek 3 otvory – 2 otvory proti sobě ve výšce si 0,5 cm od ohnutých chapadel, třetí dírka je nahoře asi 1 cm od středu. Poháněcí zařízení vyrobíme z použitého tlustého monočlánku. Navlečeme na něj podélně 2 gumičky, které upevníme vrstvou izolepy po celé délce monočlánku. Pak na oba konce monočlánku asi 1 cm od kraje namotáme také dvě gumičky (pro zvětšení tření při pohybu po podložce). Konec provázku (necelý metr) přilepíme izolepou doprostřed válečku a namotáme asi 10 závitů. Pak druhý konec provlečeme horní dírkou. Oba konce podélné gumičky protáhneme pomocí háčku bočními otvory a provlečeme jimi kousky špejle nebo sirky pro upevnění. Chobotnici položíme na zem, rychle zatáhneme za provázek a pak provázek uvolníme. Chobotnice popoleze dopředu.
43
Vysvětlení: Zatáhneme za provázek směrem nahoru – konáme práci. Chobotnice je těžká a zůstane na zemi, začne se však otáčet poháněcí zařízení (váleček z monočlánku), dojde ke stočení gumičky – práce se uchovala jako polohová energie pružnosti. Uvolníme-li provázek, gumička se rozmotává a polohová energie pružnosti se mění na pohybovou energii válečku a předává se celému tělu chobotnice. Chobotnice se posune dopředu.
44
Válcové vodní čočky Zhotovení této hračky bylo inspirováno láhvemi od polské vodky. Tento námět byl získán od Krystyny Raczkowské-Tomczak z CNP Opole. Potřeby: 2 zavařovací sklenice od dětské výživy (džemu), lepící oboustranná fólie, voda, nůžky Provedení: Na první sklenici nalepíme 2 stejné obrazce (číslici, srdíčko, čtyřlístek, …) vystřižené z oboustranné lepící tapety. Na druhou sklenici nalepíme dopředu 2 stejné obrazce (např. psa), z druhé strany jiný obrázek, který tvoři pozadí (např. keř). Obě sklenice naplníme do poloviny vodou a sledujeme, jak se zadní obrázky zvětšují. Můžeme dobře porovnávat s obrázky, které jsou nad vodní hladinou. Vysvětlení: Voda ve sklenici vytvoří válcovou lupu.
Antigravitační hlavolam – vyrobený z vajíčka Antigravitační hlavolam byl koupen v hračkářství. Váleček z misky lze uvolnit otočením vzhůru nohama, setrvačností nebo fouknutím nad špičku válečku (váleček se „nasává“ do místa podtlaku). Náhradní verzi tohoto hlavolamu si můžeme vyrobit z plastového malého kelímku (odlivka na alkohol) a plastového vajíčka. (Z kelímku je vystrčena jen malá špička vajíčka.)
45
Sluneční hodiny Potřeby: natištěné šablony 1 a 2 (karton do kopírky 160 g), lepidlo na papír, nůžky, pravítko malé nůžky nebo řezák, buzola Provedení: Obě šablony vystřihneme – šablona 1 je ciferník hodin, šablona 2 ukazatel. U šablony 1 vystřihneme tenký černý obdélník (malými nůžkami nebo řezákem). U šablony 2 obtáhneme nůžkami čárkovanou a čerchovanou čáru, aby se nám podle těchto čar dobře ohýbalo. Podle čerchované čáry ohneme dovnitř. Podle čárkovaných čar ohneme ven (dostaneme chlopně). Prostřední část ukazatele (bez chlopní slepíme k sobě). Ukazatel prostrčíme úzkým obdélníkovým otvorem v ciferníku tak, aby špička směřovala ke dvanáctce (XII). Chlopně, které zůstaly na zadní straně, přilepíme k ciferníku.
Práce se slunečními hodinami: pomocí buzoly určíme sever, sluneční hodiny otočíme tak, aby špička ukazatele nad „XII“ směřovala na sever, podle polohy stínu pak určujeme, kolik je hodin. (Pozor na letní čas!) Šablony najdete na www.fyzikahrou.cz
46
Sluneční kompas Potřeby: natištěné šablony 1 a 2, (karton do kopírky 160 g), lepidlo na papír, nůžky, pravítko, malé nůžky nebo řezák. Provedení: Obě šablony vystřihneme. U šablony 1 vystřihneme tenký obdélníček u obdélníkové části (malými nůžkami nebo řezákem). U šablony 2 prostřihneme nebo prořízneme úsečku „50“ (odpovídá asi 50° zeměpisné šířky) a úsečku ve spodní části. Podle naznačených čar šablonu 1 ohneme. Šablonu 2 přilepíme k šabloně 1 (A na A). Horní zúženou část šablony 1 prostrčíme proříznutým otvorem šablony 2.
Použití slunečního kompasu: Sluneční kompas jsou vlastně obrácené sluneční hodiny. Nejdříve si prohlédneme podstavu kompasu, kde jsou napsány jednotlivé směry (N-S-W-E), pak vodorovné čáry označující zeměpisné šířky a šikmé čáry označující čas Složený kompas vezmeme a natočíme ho vystřiženým obdélníkovým okénkem ke slunci. Otáčíme jím tak, aby světelný paprsek procházel průsečíkem čáry 50
47
(odpovídá zeměpisné šířce) a šikmé čáry označující čas (např. 10.30). Pak podle písmen uvedených na podstavě určíme jednotlivé zeměpisné strany. Pozor na letní čas!
Šablony najdete na www.fyzikahrou.cz Horkovzdušný balón Potřeby: mikroténová fólie 4 × 5 m (5 × 12 m), izolepa, nůžky, sešívačka, výkres A 2, provázek (alespoň 30 m), fén, prodlužovací šnůra Provedení: Mikroténovou fólii přehneme a na vyznačených stranách slepíme izolepou k sobě. Nespojenou stranu postupně řasíme a sešíváme sešívačkou, až vznikne otvor o průměru asi 20 cm. Pak z výkresu stočíme trubku o průměru do 20 cm (tak, abychom na ni mohli nasadit balón). Balón ve spodní části přivážeme ke klubku provázku. Pak nasadíme balón na trubku. Balón u trubky předržujeme. Přes trubku foukáme dovnitř horký vzduch 1 až 2 fény. (Balón v horní části předržujeme, aby se horký vzduch přímo s fénu nedostal na mikroténovou fólii.) Když je balón „zvedán“ dostatečnou vztlakovou silou, vysuneme ho z trubky) a pustíme
48
Jednoduchý elektromotor Potřeby: elektrický článek AA 1,5 V, 2 zavírací špendlíky, malý neodymový magnet, tenký izolovaný měděný drát (asi 30 cm), elektrikářská páska nebo izolepa, nůžky Provedení: Na váleček elektrického článku namotáme těsně vedle sebe 3 závity. Sejmeme je z válečku. Jeden konec ovineme kolem závitů a narovnáme ho. Druhý konec ovineme stejným způsobem naproti prvnímu a opět ho narovnáme. Zhotovili jsme cívečku s osou. Cívečku trochu zploštíme. Elektrický článek položíme a k bočním kruhovým kontaktům postupně přilepíme zavírací špendlíky očkem nahoru. Celé pak ještě stáhneme elektrikářskou páskou, aby byl zajištěn dobrý kontakt špendlík – elektrický článek. Koncem drátu očistíme nůžkami. Zajistíme tak vodivý kontakt s očkem špendlíků a zároveň vytvoříme jakýsi „komutátor“. Neodymový magnet dáme na baterii doprostřed mezi zavírací špendlíky. Osu cívečky dáme do oček zavíracích špendlíků. Cívečka je nad neodymovým magnetem. Pokud se cívečka sama neroztočí, opatrně ji roztočíme (překonáme klidové tření). Cívečka se bude stále otáčet. Obrátíme-li magnet opačnými póly, bude se cívečka otáčet na druhou stranu.
49
Poznámky: Pokud se cívečka nebude otáčet, prověříme kontakt zavíracích špendlíků s elektrickým článkem, nebo ještě vice oškrábeme osy (dráty) cívečky, nebo snížením umístění zavíracích špendlíků zvětšíme magnetickou sílu. S baterií pracujeme omezenou dobu, protože ji zkratujeme! (Baterie se zahřívá.) Vysvětlení: Vyrobili jsme jednoduchý elektromotor na stejnosměrný proud. Stator tvoří neodymový magnet a baterie, rotor je cívečka z měděného drátu. Cívečka se otáčí díky otáčivému účinku magnetického pole magnetky na cívečku z drátu, kterým prochází elektrický proud. Komutátor „nahrazuje“ oškrábání drátů osy cívky. Několik nápadů ve fotografiích: Bagr z injekčních stříkaček /mechanika, Pascalův zákon, hydraulické zařízení/
Archimédův šroub na křupky /mechanika, jednoduché stroje/
50
Vysavač z PET láhve /mechanika, podtlak, proudění vzduchu/
Hydraulický zvedák /mechanika, Pascalův zákon, hydraulické zařízení/
Projekty žáků Větrný mlýn s kolotočem
Pískový kolo s dřevorubcem
51
Kuličková dráha
3. Využití hraček ve fyzikálních představeních (Fyzikální cirkus Experimentmánie, Čaroděj ze země AKIZYF,…)
Hračky využívající poznatky o těžišti
52
Magnetické hrátky
53
Bublinoškola
Náš nejoblíbenější recept na velké bubliny 1 šálek = 250 ml 12 šálků vody, 1 šálek jaru, 1 šálek kukuřičného škrobu, 2 lžíce kypřícího prášku Pomocí tohoto roztoku lze dělat velké bubliny i bublinové tunely. Daří se nám s ním i pokus, kdy bublinovou stěnu „vytahujeme“ kolem člověka. Na vytahování bublin a tunelů používáme nejen kruhy, ale i soupravu (obdélník), kterou vytvoříme ze 2 dřevěných tyček a 2 kousků provázků. Výhodou receptu je nejen cena a dostupnost materiálu, ale i snadný úklid po experimentování.
4. Využití hraček na akcích popularizujících vědu a techniku (Škola plná kouzel, Vědohraní, Věda před a pod radnicí, Dny vědy a techniky v Plzni, Hrajeme si i hlavou v Hradci Králové, Dny muzeí, Noc vědců,…) Zrcadlové hračky
54
Velké krasohledy
Krabice s lupou a bludiště (převrácený obraz)
55
Kinetoskop
Rakety na stlačený vzduch (stačí skočit na PET láhev – dolet až 50 m)
Točičky
Hadicový telefon
56
Skupinový rekord „Co vydrží nafukovací míček“
Podrobnější popisy lze najít na webové stránce http://fyzikanasbavi.zsnovolisenska.cz nebo http://www.fyzikahrou.cz
Zdroje: [1] Hra – prostriedok formovania osobnosti. Zborník príspevkov z vedeckej konferencie s medzinárodnou účasťou, UMB, Banská Bystrica, 1999. [2] <www.fyzikahrou.cz> [3] [4] <www.arvindguptatoys.com> [5] <www.vnuf.cz> [6] Kay, K.: Optičeskije illjuzii, edice Junyj master, Timoška 1997.
57
Atomy a záření VÁCLAV PAZDERA Gymnázium, Olomouc, Čajkovského 9 Jak jsem učil toto téma a jak ho učím dnes V 90tých letech jsem kapitolu Jaderná energie učil podle učebnice fyziky pro 9. ročník z nakladatelství PROMETHEUS.
Obr. 1 Učebnice fyziky pro 9. ročník základní školy
Učivo o jaderné energii jsem s dostatečnou kvalitou zvládal učit s touto učebnicí a s barevnými fóliemi (podle mého názoru perfektními a dodnes nepřekonanými) „Atomy a jaderná energie“, které ČEZ v rámci vzdělávacího programu připravil pro školy. Stále je možné tyto fólie zdarma získat [1]. Pro většinu učitelů fyziky asi nemusím připomínat, že koncem 90tých let bylo možno koupit soupravu GAMABETA od akciové společnosti ČEZ v rámci vzdělávacího programu „Energie pro každého“. Je to souprava pro demonstraci vlastností záření gama a beta a způsobů ochrany před ionizujícím zářením (viz obrázek titulní strana časopisu TŘETÍ PÓL, říjen 2006 [2]). Tuto soupravu jsem neměl, a když jsem se rozhodl na podzim roku 2004 si ji koupit, tak už nebyla k sehnání. Byl jsem zklamán.
58
Obr. 2 Soubor 15 fólií „Atomy a jaderná energie“ s doprovodnou brožurou [1]
Obr. 3 Dozimetrická souprava GAMABETA
Dozimetrická souprava GAMABETA (obr. 3) má zdroj ŠDZZ-1 neškodných dávek záření, schválený ministerstvem zdravotnictví, Státním zdravotním ústavem i hlavním hygienikem. Dostanete-li se s detektorem záření z této soupravy do blízkosti zářiče, začíná se ozývat pípání, které s přibližujícím se zářičem nabývá na intenzitě. Současně stále rychleji bliká červené světélko. Indikátor lze napojit také na počítač, který pak graficky ukazuje intenzitu záření. Můžete ho vzít i do přírody a zjišťovat aktivitu třeba hornin nebo stavebních materiálů.
59
K soupravě patří také čítač impulsů a další přídavná zařízení, která umožňují znázornit řadu fyzikálních jevů souvisejících s radioaktivitou. „Člověk radioaktivitu nevidí, neslyší ani necítí. Můžeme ji ale snadno změřit i takovou hračkou, jako je tato,“ s úsměvem dodává autor Ing. Jaroslav Švandelík. Proto jsem si na podzim roku 2004 vyrobil vlastní detektor záření i s připojením k počítači a s programem GABEset jsem mohl pomocí dataprojektoru promítat naměřené hodnoty.
Obr. 4 Detektor záření vlastní konstrukce s připojením k PC
Obr. 5 Program GABEset fungující pod DOSem
60
Bohužel s příchodem Windows XP a USB jsem musel tento program (obr. 5) a jednoduché rozhraní (obr. 4 vpravo) opustit. Začalo nové úsilí, jak připojit detektor záření ze soupravy GAMABETA k počítači přes USB. Jak už to ale v životě chodí: Štěstí přeje připraveným. Objevil jsem na internetu (náhodou) stavebnici belgické firmy Velleman – USB experimentální interface F – KV8055 [3].
Obr. 6 KV8055 USB interface [3]
Tento interfejs je dodáván společně s knihovnou DLL, která umožňuje psát vlastní aplikace v operačních systémech Windows při použití programovacích jazyků Delphi, Visual Basic a C++ Builder. Povzdech: Trochu mi to připomíná dobu minulou (co si neuděláte, to nemáte). Dnes si můžete koupit novější verzi tohoto rozhraní „I/O řídící/měřící deska pro PC VELLEMAN K8055N“ [4]. USB interface KV8055 mi umožnil vytvořit nový program GamaBeta. Program GamaBeta Tento program jsem vytvořil ve Visual Basicu podobně podle programu GABEset. Skladbu jednotlivých úloh jsem přizpůsobil vlastní výuce. Na obr. 7 je náhled na základní nabídku úloh programu GamaBeta.
61
Obr. 7 Náhled menu programu GamaBeta
Obr. 8 Základní měření: Kontrola záření pozadí
Na obr. 8 je vidět celé okno programu GamaBeta po skončení prvního základního nejjednoduššího měření: Kontrola záření pozadí. Měření je programováno v cyklech po 10 sekundách. Výsledky jednotlivých cyklů prokazují, že záření pozadí je statistický děj. V původním programu byl použit pouze jeden indikátor (jeden vstup) – viz obr. 5. Já jsem s výhodou využil připojení dvou indikátorů záření současně. Vstup 1 je vybarven modře a vstup 2 červeně. V tomto měření výhoda dvou vstupů spočívá v tom, že při současném měření záření na dvou různých místech probíhá záření pozadí různě. Výhoda použití dvou indikátorů záření současně vynikne i v dalších úlohách. Například na obr. 9 je ukázka úlohy: Účinek materiálu stínění beta a gama.
62
Obr. 9 Úloha: Účinek materálu stínění záření beta a gama
První dva sloupečky zobrazují současné měření dvou indikátorů se zdroji záření beta a gama bez stínění. Další dva se stíněním Al destičkou atd. (Fe, Sn a Pb viz seznam vpravo v náhledu okna na obr. 9). Je krásně vidět, že záření beta (modré sloupečky) má při stejné destičce menší pronikavost. Tím je ve srovnání s programem GABEset (původní program v DOSu) měření mnohem názornější a zkracuje se na poloviční dobu! Posledním příkladem měření, které bych ještě uvedl je Zákon radioaktivní přeměny (viz obr. 10), který je možné realizovat se školním radionuklidovým generátorem. Zase jsou zde použity dva indikátory. Jeden zaznamenává počet impulzů záření gama radionuklidu 137mBa a druhý zaznamenává počet impulzů záření pozadí. Jednotlivé sloupce grafu jsou měřeny po dobu 100 s. Z obr. 10 je přibližně vidět, že poloviny poklesu nárůstu modrých sloupců nastává po 3 minutách (po odečtení pozadí je přibližně druhý sloupec poloviční vzhledem k prvnímu). Přesně je poločas přeměny 137mBa na 137Ba 2,55 minut. Myslím, že program GamaBeta, který jsem už vyzkoušel při vyučování s počítačem a dataprojektorem mnohokrát, je moderní nástroj k názornému zobrazení naměřených výsledků a velmi zrychluje a zautomatizuje práci učitele (případně i studentů), který je osvobozen od pracného zapisování a následného sestrojování naměřených hodnot.
63
Obr. 10 Zákon radioaktivní přeměny
Dnes ve výuce používám tento program GamaBeta k měření vlastností radioaktivního záření.
Obr. 11 Program GamaBeta s rozhraním KV8055
64
Učivo „Atomy a záření“ dnes učím podle učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia z nakladatelství Fraus.
Obr. 12 Učebnice fyziky z nakladatelství Fraus
Dnes také používám ve výuce měřící systém Vernier a k němu detektory záření. Tyto detektory mají výhodu, že lze s nimi měřit i záření alfa.
Obr. 13 Měřicí systém Vernier s detektory záření [5]
65
Zdroje záření K měření vlastností radioaktivních záření jsou potřeba zdroje záření. Nejjednodušší je školní zdroj záření ze soupravy GAMABETA. Je to zdroj záření beta a gama (viz obr. 3). Tento zdroj záření už dnes nelze koupit. Ing. Peter Žilavý dnes prodává zdroje záření gama – ŠZZ GAMA a DZZ GAMA[6] a alfa – ŠZZ ALFA [7]. Další zdroje záření, které lze použít ve výuce budou níže uvedeny. Pozor! Při všech experimentech s radioaktivními látkami, i když intenzita záření je nepatrná, dodržujte pravidla bezpečnosti práce se zářením. Chraňte se dotyku se zářiči, jejich vdechnutí či požití. Po práci si vždy umyjte ruce. Smolinec – uraninit (UO2 + UO3) Uraninit je oxid uraničitý UO2. V přírodě jsou ovšem uraninity prakticky vždy směsí oxidu uraničitého UO2 a oxidu uranového UO3, vždy také obsahuje příměs thoria, vzácných zemin, olova a dalších produktů rozpadu uranu, mj. radia a polonia. V Česku býval také nazýván smolinec, smolka, nasturan nebo uranin. Tento minerál lze dnes zcela běžně zakoupit v obchodech s minerály, např. [8].
Obr. 14 Uraninit – smolinec a U3O8 lidově jadernými techniky přezdívaný „žlutý koláč“
Síran draselný Síran draselný (K2SO4) je draselná sůl kyseliny sírové. Jedná se o nehořlavou bílou krystalickou látku rozpustnou ve vodě. Často se používá jako umělé hno-
66
jivo (můžete si ho koupit), protože obsahuje jak draslík, tak síru. V přírodě existují tři izotopy draslíku 19K a to: a)
39 19
K v zastoupení 93,26 % (stabilní);
b)
41 19
K v zastoupení 6,73 % (stabilní);
c)
K v zastoupení 0,0117 % (s poločasem rozpadu 1 248 109 r; jde z 89 % o rozpad beta a z 11 % záchyt elektronu z obalu). 40 19
Obr. 15 Síran draselný
Wolframové elektrody WT 40 – (thorium 4 % ThO2) oranžová – obsah thoria způsobuje snížení výstupní práce a zvýšení emise elektronů. Se stoupajícím obsahem thoria se zlepšují: – zapalovací vlastnosti; – trvanlivost; – proudová zatížitelnost. Obr. 16 Wolframová elektroda WT40 oranžová
Hlavní použití těchto elektrod je při svařování vysoce legovaných a nerezových ocelí stejnosměrným proudem, kde vykazují výborné vlastnosti.
67
Obr. 17 Ukázka měření s wolframovou elektrodou WT40
Wolframové elektrody lze zakoupit v prodejnách se svářecí technikou. Uranové sklo Používání uranu přidáváním do skla se získává žlutozelené až zelené barvy skla (je známo a dokumentováno v Čechách již více než 160 let). Svítí pod UV světlem a je mírně radioaktivní. Uranové sklo lze dnes koupit v prodejnách se starožitnostmi.
Obr. 18 Uranové sklo
68
Thoriové punčošky do plynové lucerny Punčoška se nasadí na plynovou lampu, žárem se rozžhaví a jasně svítí. Přidávají se do nich různé žáruvzdorné materiály, které při vysoké teplotě svítí ve viditelném spektru. Tradičně to je oxid thoria, který je mírně radioaktivní. Moderní punčošky mohou místo thoria obsahovat např. yttrium nebo zirkonium, aby se předešlo radioaktivitě. Thorium z tradičních punčošek se totiž může uvolňovat a unikají i produkty radioaktivního rozpadu včetně radonu.
Obr. 19 Thoriové punčošky
Obr. 20 Thoriové punčošky a dnes prodávané neradioaktivní punčošky
69
Ionizační detektor kouře Nevinné kouření cigarety na záchodě ve veřejných budovách může mít za následek požární poplach. Prozradit vás může nenápadná krabička upevněná na stropě – jde o ionizační hlásič požáru. Toto zařízení obsahuje radioaktivní materiál a dokáže signalizovat přítomnost ohně. V požárních hlásičích se používá radioaktivní izotop americia 241Am. Jádra těchto atomů jsou nestabilní a vystřelují tzv. alfa částice (héliová jádra), které jsou poměrně mohutné. Dokážou rozbít atom, který zasáhnou, takže velmi dobře ionizují molekuly vzduchu. Uvnitř detektoru je malé množství americia 241Am a jeho částice udržují vzduch těsně kolem něho neustále ionizovaný. Baterie pak poskytuje slabý elektrický proud, který tak vzduchem prochází. Jakmile se, ale do vzduchu dostane kouř, ionty se s ním srážejí a ztrácejí svůj náboj. Snížení náboje ve vzduchu znamená snížení hodnoty procházejícího proudu. Okruh potom zaznamená pokles proudu a spustí alarm. Množství americia 241 představuje v hlásiči kolem čtvrtiny mikrogramu, která dokáže každou sekundu vystřelovat více než 30 000 alfa částic. Není třeba se radioaktivity obávat, protože tento druh záření je hmotou velmi dobře pohlcován (zastaví jej i list papíru). Protože má americium 241 poločas rozpadu 433 let, není nutno jej po dlouhou dobu vyměňovat či snad doplňovat. Za 433 let bude vysílat pouze asi 15 000 alfa částic, za dalších 433 let asi 7500 alfa částic za sekundu. Teprve za dalších 433 let by bylo nutné jej vyměnit, protože, pak už by byl elektrický proud velmi slabý a alarm by se mohl spustit i bez kouře.
Obr. 21 Ionizační detektor kouře se zdrojem záření alfa (viz níže obr. 28)
Ionizační detektory kouře lze dnes zakoupit v prodejnách se zabezpečovací technikou. Zdroj záření alfa z ionizačního hlásiče požáru lze použít k pokusům s ionizační komorou, jejíž výroba je níže popsána.
70
Radioaktivní hodinky Hodinky obsahující radium ve svítícím ciferníku. Tyto hodinky lze zakoupit v prodejnách se starožitnostmi.
Obr. 22 Radioaktivní hodinky
Výroba ionizační komory Ionizační komora je jednoduchý a názorný detektor záření alpha. Jedná se o kovovou trubici vyrobenou ze dvou plechovek od broskví (průměr 10 cm, výška 11,8 cm) s odizolovaným měděným vodičem, který jí prochází (obr. 23).
Obr. 23 Ionizační komora schéma výroby a zapojení
Kovová trubice (plechovka) je připojena k plus pólu zdroje (18 V) a Cu vodič je připojen k bázi tranzistorového zesilovače vytvořeného ze dvou tranzistorů v Darlingtonově zapojení. Za normálních podmínek nedochází k výměně elektronů mezi různě nabitou komorou a vodičem. Proud v obvodu je téměř nulový. Při přiložení alfa zářiče ke komoře, dojde k ionizaci vzduchu, vzniku iontů
71
a elektronů. Vzniká tak velmi malý proud (řádově pA), který není možné měřit klasickým ampérmetrem. Proto využijeme velkého zesílení tranzistorů v Darlingtonově zapojení (až 30 000 krát). Tím zesílíme proud na desetiny mikroampér. Ani tento proud není možné měřit klasickým ampérmetrem. V zapojení použijeme jako ampérmetr klasický multimetr zapnutý jako milivoltmetr. Jestliže například ukazuje napětí 600 mV (při přiložení zdroje záření alfa), tak při vnitřním odporu multimetru řádově 1 MΩ, jím protéká proud 600 nA. Při vydělení zesílením 30 000 dostaneme proud 20 pA, který protéká vzduchem v prostoru ionizační komory.
Obr. 24 Schéma zapojení ionizační komory
K výrobě budeme potřebovat: Darlingtonův tranzistor BC 517, 4 ks zdířek – dvě červené a dvě černé, rezistor 1 MΩ, 2 ks plechovky od broskví, patronu pro tavné lepení, mřížku na přední stranu, zvonkové vodiče.
Obr. 25 Výroba ionizační komory
Nejdříve do středu dna jedné plechovky vytvoříme otvor o průměru 11 mm. Do něj zastrčíme asi 6 cm patrony (průměr 11 mm) pro tavné lepení, v které je vyvrtán podélně otvor o průměru 3 mm. Do tohoto otvoru patrony (3 mm) 72
zastrčíme Cu vodič (6 cm dlouhý) ke kterému je připájený rezistor 1 MΩ a k němu je připájena báze tranzistoru (obr. 23, obr. 24 a obr. 25). Vše ještě upevníme tavící pistolí. Na emitor a kolektor připájíme zvonkové vodiče (viz obr. 25 vlevo). Druhou plechovku zmenšíme na polovinu a necháme na ní čtyři výstupky. Do dna této „půlplechovky“ vytvoříme čtyři otvory o průměru 8 mm. Do nich namontujeme čtyři zdířky – dvě červené a dvě černé (viz obr. 26).
Obr. 26 Výroba ionizační komory
Červené spojíme vodičem, který připájíme k „půlplechovce“ (obr. 26 vlevo). Vodič od kolektoru (tranzistorů BC 517) napájíme na zdířku označenou C a vodič od emitoru (tranzistorů BC 517) napájíme na zdířku označenou E. Vše ještě upevníme tavící pistolí. Nyní obě části spájíme za výstupky na čtyřech místech plechovky. Po odzkoušení funkce připájíme na přední stranu mřížku a místo spojení omotáme izolepou. Zdroj 18 V získáme zapojením dvou 9 V baterií.
Obr. 27 Odzkoušení funkce a připájení přední mřížky.
73
Multimetr na obr. 5 ukazuje napětí 1,796V = 1 796 mV. Zdroj záření alpha získáme ze starého ionizačního požárního hlásiče (viz výše).
Obr. 28 Dva zdroje záření alpha vymontované z ionizačních požárních hlásičů
S hotovou ionizační komorou můžeme předvádět následující vlastnosti radioaktivního záření: 1. Ionizaci vzduchu (viz obr. 27) zářením alfa; 2. Nelze zářením beta a gama ionizovat vzduch (pokud máte školní zdroj záření beta a gama ŠDZZ-1 ze soupravy GAMABETA); 3. Závislost ionizace na vzdálenosti zdroje záření alfa od ionizační komory – dolet záření alfa; 4. Zadržení záření alfa papírem; 5. Ionizaci vzduchu pomocí kousku smolince (pokud ho máte) nebo pomocí jiných zdrojů záření alfa.
74
Filmy Několik zajímavých filmů, kterými můžeme doplnit učivo o Atomech a záření [10]: a) Atomoví filmaři Dokumentární, USA, 1999, 52 min Režie: Peter Kuran Hrají: William Shatner
Obr. 29 Ukázky z filmu Atomoví filmaři
Jejich jména se v závěrečných titulcích nikdy neobjevila. Pro Armádu Spojených států amerických totiž natáčeli pokusy s jadernými zbraněmi. Průběh atomového bombardování Hirošimy a Nagasaki byl v srpnu 1945 zdokumentován jen několika filmovými záběry a několika fotografiemi. Armádní i vědecké složky projektu Manhattan si uvědomily, že důkladná filmová a fotografická dokumentace výbuchů atomových pum je nutností jak pro vyhodnocování jejich účinnosti, tak pro jejich další zdokonalování. První velká série jaderných zkoušek, známá jako Operace Crossroad, byla proto v následujícím roce už pečlivě sledována kameramany a fotografy. Během testů bylo exponováno neuvěřitelných 450 kilometrů filmového negativu a pořízeno více než milion fotografií. V roce 1947 bylo v Hollywoodu dokonce založeno speciální armádní filmové studio „Lookout Mountain“, které v letech své existence (1947–1969) vyrobilo šest a půl tisíce dokumentačních, instruktážních a propagačních filmů.
75
b) Pokusy v ovzduší Dokumentární USA, 1999, 53 min Režie: Peter Kuran Hrají: William Shatner
Obr. 30 Ukázky z filmu Pokusy v ovzduší
Filmové připomenutí poměrně nedávného období v historii lidstva, kdy odpalování jaderných náloží v atmosféře nebylo ani technickým, ani morálním problémem. „Horká válka“ v roce 1945 skončila. Ale už za historicky krátkou dobu se začaly psát anály „studené války“. Neodmyslitelně do nich patřily atomové a později také vesmírné závody mezi oběma supervelmocemi. Vědci i vojáci chtěli získat co nejvíce informací o účincích jaderných zbraní. Politici těmito „zkouškami“ pak v kritických chvílích zkoušeli chladnokrevnost druhé strany. V průběhu padesátých a počátkem šedesátých let tak došlo ke stovkám pokusných jaderných výbuchů. V dnešní době to zní neuvěřitelně, ale většina těchto testů byla provedena Spojenými státy a SSSR v atmosféře naší planety. Do „jaderného klubu“ vstoupily časem stejným stylem i Velká Británie a Francie. V roce 1963 byla nakonec podepsána mezinárodní dohoda o zákazu atmosférických testů, ale už o rok později vstoupil do „klubu“ další gentleman, který dohodu nepodepsal a neřídil se jí – ČLR. c) Čínská atomová bomba Dokumentární Čína, 2009, 52 min
Obr. 31 Ukázky z filmu Čínská atomová bomba
76
Předseda Mao prohlásil: „Atomová bomba je velká věc. Pokud ji nemáte, ostatní vás neberou vážně.“ A tak se 16. října 1964 ČLR zařadila do „jaderného klubu“. 16. října 1964 proběhla na odlehlém místě v západní Číně přísně tajná operace. Jako pátá země v dějinách lidstva provedla ČLR zkoušku atomové pumy. V průběhu několika následujících let se uskutečnily další testy. Během nich se ověřovaly možnosti vedení konvenčních vojenských operací ve smrtícím radioaktivním spadu a následky jaderných výbuchů se testovaly na zvířatech. d) Občan Kurčatov Dokumentární USA, 1999, 56 min Režie: Brian Kaufman Dramatický život otce sovětské atomové bomby.
Obr. 32 Ukázky z filmu Občan Kurčatov
29. srpna 1949 provedl Sovětský svaz úspěšný pokus s vlastní atomovou bombou. Západ byl zděšen, režim J. V. Stalina triumfoval. Léta nebylo známo, kdo fakticky vývoj a výrobu sovětské atomové bomby řídil. S Igorem Vasiljevičem Kurčatovem (1903–1960) se veřejnost mohla seznámit až po XX. sjezdu KSSS. Talentovaný jaderný fyzik a schopný organizátor se díky svým schopnostem a souhře náhod dostal do čela sovětského atomového projektu během 2. světové války. Zpočátku se „strana a vláda“ stavěla k atomové zbrani bez většího zájmu, ale zprávy špionů z USA a později i svržení první atomové bomby daly podnět k nevídaným závodům. Za mimořádné materiální a zpravodajské podpory šéfa tajné služby P. L. Beriji dohnali sovětští vědci americký náskok. Tajné americké studie jim ušetřily několik let práce. Kurčatov a jeho lidé měli štěstí, nejen vědecké a technologické, ale i lidské. Úspěch byl ve Stalinově říši odměňován řády, dačami a auty, neúspěch byl považována za zradu.
77
e) Začalo to v Los Alamos Dokumentární USA, 2005, 2×51 min V srpnu 1945 byly atomové zbraně použity dvakrát „naostro“. Pak už naštěstí nastalo „jen“ období jaderných zkoušek a atomových závodů mezi USA a SSSR. 16. července 1945 byla pod krycím kódem Trinity odpálena v Novém Mexiku první atomová bomba na světě.
Obr. 32 Ukázky z filmu Začalo to v Los Alamos
6. a 9. srpna 1945 provedly Spojené státy dva atomové útoky na Japonsko a to pochopilo, že další boj je marný. 2. září téhož roku 2. světová válka skončila. Začala ale nová éra vědy a techniky, vojenství a také mezinárodních vztahů. Spojené státy, které zpočátku držely atomový monopol, dále úspěšně vyvíjely a zkoušely účinnější bomby. V roce 1949 byla americká veřejnost šokována, když SSSR provedl výbuch vlastní atomové pumy. Začaly atomové závody a „studená válka“ měla v průběhu padesátých a začátkem šedesátých let několikrát šanci přejít ve „válku horkou“. Do atomového klubu vstoupily ještě Francie a Velká Británie. V roce 1963 se mezinárodní situace zklidnila, když vstoupila v platnost smlouva o zákazu jaderných pokusů v ovzduší. Celých uplynu-
78
lých sedmnáct let se totiž většina jaderných testů odehrávala v atmosféře. To ale málokdo tušil, že v říjnu 1964 vystoupá k oblakům atomový hřib „Made in China“. f) Hirošima – den poté Dokumentární / Historický USA, 2010, 45 min
Obr. 33 Ukázky z filmu Hirošima – den poté
Americký dokument nabízí rekonstrukci událostí 6. srpna 1945, kdy Spojené státy svrhly na Hirošimu atomovou pumu. 80 000 obyvatel tohoto japonského města zahynulo ihned, 80 000 bylo zraněno. Ze dvou set místních lékařů přežily pouhé dvě desítky. Sedmdesát procent budov ve městě bylo zničeno. Ihned
79
po skončení 2. světové války nařídil prezident Truman ustavení komise, jejímž úkolem bylo zkoumat účinky atomového výbuchu na materiálu a lidech. Město bylo na začátku padesátých let zbudováno znovu. Ale osudy přeživších obyvatel Hirošimi poznamenala nemoc z ozáření, jež si po léta vybírala svou daň. g) Černobyl – nultá hodina Dokumentární / Historický Velká Británie, 2010, 50 min Třiadvacet minut po jedné, ráno 26. dubna 1986, dělilo Evropu od nejhorší jaderné katastrofy už jen několik sekund. Čtvrtý reaktor jaderné elektrárny v ukrajinském Černobylu právě explodoval. V Sovětském svazu bylo černobylské trauma tak hluboké, že ho mnozí považují za první krok ke zhroucení komunistického režimu. Tento film vypráví minutu po minutě drama poslední hodiny předcházející této tragédii. Uvidíte příběh očima hlavních protagonistů, pracovníků elektrárny, kteří měli to štěstí a přežili i těch, kteří okamžitě nebo brzy po neštěstí na následky havárie zemřeli. Té noci se v Černobylu protnuly dvě osudové okolnosti. Chybná konstrukce reaktoru a despotická a sebestředná povaha hlavního inženýra Anatolije Ďatlova. Řídící směna nevěděla téměř nic o tom, proč a za jakých podmínek je tento grafitový reaktor při nízkém výkonu tak nestabilní. Druhou riskantní okolností byla nepředvídatelnost chování ing. Ďatlova samotného. Je podoben technologii, kterou chce ovládat. Tuto noc se Ďatlov s reaktorem střetl v souboji síly, který je oba zničil. Jednatřicet minut po půlnoci se hádka kvůli hladině výkonu, při níž může začít bezpečnostní zkouška čtvrtého černobylského reaktoru, vyostřila.
Obr. 34 Ukázky z filmu Černobyl – nultá hodina
80
Ukázky měření vlastností záření Na obr. 7 je vidět jaká základní měření se soupravou GAMABETA můžeme realizovat. a) Kontrola záření pozadí
Obr. 35 Kontrola záření pozadí 10×10 s = 100 s
Na obr. 35 je ukázka kontroly záření pozadí se dvěma detektory s celkovou dobou měření 100 s. Z obrázku je vidět, že počet impulsů není ve stejných časových intervalech stejný a na dvou různých místech probíhá různě (vstup 1 – modrý, vstup 2 – červený). Záření probíhá nepravidelně a nahodile.
Obr. 36 Kontrola záření pozadí 10×100 s = 1 000 s
81
Na obr. 36 je ukázka kontroly záření pozadí se dvěma detektory s celkovou dobou měření 1000 s. Při prodloužení doby měření je vidět, že se zmenšuje nepravidelnost a nahodilost. b) Ochrana před zářením beta a gama
Obr. 37 Ochrana před zářením beta a gama
Na obr. 37 je výsledek měření „Ochrana před zářením …“, při kterém v prvním časovém intervalu (50 s) je změřeno pozadí, ve druhém (50 s) se zdroji záření, ve třetím se zdroji záření, ale s poloviční dobou (25 s), ve čtvrtém (50 s) se stíněním (1 mm Fe) a v posledním (50 s) se vzdálením se od zdrojů záření. Toto měření má ukázat studentům způsoby ochrany před účinky záření: Zkrácení doby expozice, ochrana stíněním a ochrana vzdálením se od zdroje. c) Zdroje záření Při dalším měření můžeme porovnat aktivitu jednotlivých zdrojů záření vzhledem k pozadí. První dva sloupečky ukazují pozadí (20, 25 impulsů – viz obr. 38 údaje vpravo dole). Další dva sloupečky ukazují ŠDZZ-1 – školní zdroje záření gama a beta. Další thoriovou punčošku, další uranové sklo a poslední (nejvyšší) uraninit. Na obr. 17 jsou naměřeny wolframové elektrody.
82
Obr. 38 Zdroje záření beta a gama
d) Účinek vzdálenosti zdroje záření gama a beta Na obr. 39 jsou výsledky měření stanovení účinku vzdalování (po 2 cm) zdroje záření od detektoru. Jednotlivé sloupečky (doba měření 50 s) vznikají vzdálením zdroje na 2, 4, 6, 8, 10, 12 a 14 cm. Z výsledků je vidět, že při dosažení vzdálenosti 14 cm počet impulsů klesá na hodnotu pozadí! Dále je patrné, že pokles má exponenciální průběh.
Obr. 39 Účinek vzdálenosti zdrojů záření beta a gama
83
e) Účinek materiálů stínění záření beta a gama
Obr. 40 Účinek materiálů stínění záření beta a gama
Na obr. 40 jsou výsledky měření účinku stínění různých materiálů zdrojů záření od detektoru. První měření je bez stínění, druhé s Al destičkou, třetí s Fe, pak Sn a nakonec Pb destička. Modré sloupečky jsou záření beta a červené gama. Z výsledků je zřejmé, že materiály s větším protonovým číslem (Sn a Pb) lépe pohlcují záření. Dále je zřejmé, že záření gama je pronikavější než beta.
Obr. 41 Účinek tloušťky Cu stínění záření beta a gama
Podobně můžeme ukázat, že míra absorpce záření beta a gama závisí na tloušťce (bez; 0,5 mm; 1 mm; 1,5 mm; 2 mm) materiálu Cu destičky. Zase je patrné, že záření gama je pronikavější než beta.
84
f) Zákon radioaktivní přeměny Zákon radioaktivní přeměny (viz obr. 10 a obr. 42), který je možné realizovat se školním radionuklidovým generátorem. Zase jsou zde použity dva indikátory. Jeden zaznamenává počet impulzů záření gama radionuklidu 137mBa a druhý zaznamenává počet impulzů záření pozadí. Jednotlivé sloupce grafu jsou měřeny po dobu 100 s. Z obr. 10 je přibližně vidět, že poloviny poklesu nárůstu modrých sloupců nastává po 3 minutách (po odečtení pozadí je přibližně druhý sloupec poloviční vzhledem k prvnímu). Přesně je poločas přeměny 137mBa na 137 Ba 2,55 minut.
Obr. 42 Zákon radioaktivní přeměny
g) Důkaz působení magnetického pole na dráhu částice beta
Obr. 43 Důkaz působení magnetického pole na dráhu částice beta
85
Obr. 44 Důkaz působení magnetického pole na dráhu částice beta
Podle obr. 43 (vlevo nahoře) umístíme vedle sebe dva detektory záření a změříme hodnoty pozadí (viz první dva sloupečky obr. 44). Potom umístíme do vzdálenosti asi 7 cm školní zdroj záření beta (obr. 43 vpravo nahoře) namířený na tyto dva detektory a změříme (viz druhé dva sloupečky obr. 44). Potom provedeme další dvě měření s magnetem umístěným před otvor zdroje záření beta – směr indukčních čar jde dolů a v dalším měření jde nahoru. Výsledek pokusu prokazuje, že magnetické pole dráhu záření beta vychyluje v závislosti na směru siločar.
Literatura [1] http://www.cez.cz/cs/vyzkum-a-vzdelavani/pro-pedagogy/materialy-provyuku/tiskoviny/12.html#aje [2] http://3pol.cz/3pol/rijen-2006 [3] http://www.velleman.be/be/en/product/view/?id=351346 [4] http://www.gme.cz/i-o-ridici-merici-deska-pro-pc-velleman-k8055n-p764003 [5] http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/vrm-btd/ [6] http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/17-41-Zilavy.html
86
[7] http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/18-33-Vicha.html [8] http://www.minerals.cz/rejstrik/?rejstrik=URANINIT&filtr=Hledat [9] Polák Z.: Pokusy z radioaktivity na střední škole. In: Veletrh nápadů učitelů fyziky 18, s. 218 nebo Polák Z.: Pokusy z radioaktivity na střední škole. In: Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/18-25-Polak.html [10] http://www.csfd.cz/
87
Fyzikálne pojmy v hudobnej akustike KLÁRA VELMOVSKÁ Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave V príspevku sa budeme zaoberať fyzikálnymi pojmami v hudobnej akustike. Popíšeme niekoľko jednoduchých experimentov so zvukom. Predstavíme aktivitu, ktorej výsledkom je zostrojenie hudobného nástroja z plastovej odtokovej trubice. Pri aktivite využijeme program Audacity, ktorý je vhodný na záznam a analýzu zvuku. Uvedieme jeho možné využitie pri nami navrhovanej aktivite. Opíšeme, ako zhotoviť jednoduchý hudobný nástroj z PET fliaš a kalimbu. Navrhneme i ďalšiu aktivitu, pri ktorej je možné program Audacity využiť. V príspevku uvedieme notový prepis pesničiek, ktoré je možné zostrojenými hudobnými nástrojmi zahrať. Úvod Hudobná akustika skúma fyzikálne základy hudby a hudobných nástrojov. Okrem iného umožňuje rozvíjať medzipredmetové vzťahy medzi fyzikou a hudobnou výchovou. Táto časť fyziky dáva možnosť zvýšiť záujem o štúdium u študentov, ktorí sú skôr umelecky zameraní. Na Slovensku v súčasnom štátnom vzdelávacom programe pre fyziku pre základnú školu (ŠPÚ, 2009a) absentuje téma zvuk. Na gymnáziu sa podľa štátneho vzdelávacieho programu (ŠPÚ, 2009b) študenti v téme „Stojaté vlnenie na strune, kmitňa, uzol, vlnová dĺžka“ oboznamujú s týmito pojmami a ich súvislosťami pri konštrukcii strunových hudobných nástrojov. Merajú rýchlosť zvuku vo vzduchu a zaoberajú sa vlastnosťami zvuku ako sú hlasitosť, farba, výška tónu. Tejto téme sa venuje učebnica fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom (Demkanin a kol., 2010, s. 54–72). V tomto príspevku chceme poskytnúť alternatívny prístup k zavedeniu niektorých pojmov z hudobnej akustiky. Tejto téme sme sa venovali na konferencii Šoltesove dni 2012 (Velmovská, Vanyová, 2013) a na konferencii Veletrh nápadů učitelů fyziky 18 (Velmovská, 2013a). Predstavíme aktivity, ktoré je vhodné uskutočniť v rámci skupinovej práce žiakov. Tiež je možné ich realizovať ako žiacky plánovací experiment. Pri aktivitách môžeme na zisťovanie frekvencie zvuku využiť voľne dostupný a pomerne jednoducho ovládateľný program Audacity. Využitím programu Audacity je možné uskutočniť aj ďalšie aktivity, ktoré v príspevku spomenieme.
88
1. Ako sa to začalo? „Keď sa raz Pythagoras (obr. 1) prechádzal po trhu, kde trhovníci ponúkali na predaj okrem iného zvončeky, všimol si, že čím je zvonček väčší, tým nižší zvuk vydáva. Podobnú vec si všimol idúc okolo kováčskej dielne. Menšia nákova vydávala pri úderoch kladiva vyššie tóny a väčšia nákova zas nižšie tóny. V hlave starovekého matematika a fyzika sa začali črtať prvé myšlienky Obr. 1 Pythagoras zo Samu – vzťah medzi hudbou a matemati(okolo 570 pr. n. l. po 495 pr. n. l.) kou. Nelenil ani chvíľu. Požičal si od (http://www.discovery.com/tv-shows/ curiosity/ kováča dve nákovy, u ktorých si topics/famous-educators-pictures.htm) všimol, že ich tóny sú od seba vzdialené o jednu oktávu. Odvážil ich a zistil, že pomer ich hmotností je 2 : 1. Od iného kováča si požičal nákovy, u ktorých boli tóny od seba vzdialené o kvintu. Tu bol pomer hmotností 3 : 2. Pythagoras si uvedomil, že ak sa pomer hmotností, dĺžok alebo hrúbok dvoch predmetov dá vyjadriť malými celými číslami, tóny, ktoré počujeme, tvoria najkrajšie čisté intervaly: oktávy, kvinty a kvarty. Frekvencia kmitania dvojnásobne ťažšieho telesa je dvojnásobne nižšia a takéto teleso vydáva o oktávu nižší zvuk. Podobne je to aj s dĺžkou struny. Dvojnásobne dlhšia struna kmitá dvakrát pomalšie a jej tón znie o oktávu nižšie.“ (Hudobná akustika, 2002) 2. Čo je oktáva Oktáva je hudobný interval, medzi prvým a ôsmym tónom. Jednotlivé tóny sú c, d, e, f, g, a, h, c’, pričom c’ je už tón z ďalšej oktávy. Tón a sa nazýva aj komorné a. Je to základný tón v hudobnej akustike. Ak sa na oktávu pozrieme z fyzikálneho hľadiska, musíme uviesť frekvenciu jednotlivých tónov (tabuľka 1). Tón
c
d
e
f
g
a
h
c’
Frekvencia / Hz
262
294
330
349
392
440
493
524
Tab. 1 Tóny oktávy a ich frekvencie
89
Odkiaľ sa vzali tieto tóny? Prečo sú im priradené práve tieto frekvencie? Ak sa pozrieme na pomer frekvencií tónov c a c’, vidíme, že ich pomer je presne 2. Rozdeľme tento interval na 12 frekvencií v rovnakom pomere. Teda v pomere . Hodnoty po zaokrúhlení uvádzame v tabuľke 2. 262
278
294
312
330
350
370
392
416
441
467
494
524
c
cis
d
dis
e
f
fis
g
gis
a
ais
h
c’
Tab. 2 Frekvencie po rozdelení oktávy na 12 rovnakých častí. Niektoré frekvencie zodpovedajú frekvenciám tónov oktávy
Ak sa pozrieme na frekvencie po rozdelení intervalu, zistíme, že niektoré z nich zodpovedajú frekvenciám tónov oktávy. Nie je to celkom presné pre tóny f, a, h. Medzi c a d je celý tón, kým medzi e a f je len poltón. Presne toto sa odráža na klaviatúre klavíra (obr. 2), na ktorej sú biele aj čierne klávesy. V rámci jednej oktávy je ich 15, tón c’ už patrí do ďalšej oktávy. Medzi c a d je poltón, ktorému zodpovedá čierny kláves. Medzi e a f poltón nie je, preto na klaviatúre nie je medzi klávesmi zodpovedajúcimi tónom e a f čierny kláves.
Obr. 2 Klaviatúra klavíra (http://sl.wikipedia.org/wiki/Slika:Klaviatura_osnovna.svg)
3. Ako vzniká zvuk Zvuk je pozdĺžne mechanické vlnenie. Aby vznikol, musí „niečo“ kmitať. Keď buchneme do stola, počujeme úder. To ale znamená, že stôl kmitá? Keď buchneme do ladičky, počujeme zvuk. Naozaj ladička kmitá? Presvedčiť sa o tom môžeme niekoľkými experimentmi. Uvedieme dva z nich. Udrieme kladivkom do ladičky a koniec ladičky opatrne priblížime k voľnej hladine vody v širokej nádobe. Pozorujeme, že voda bude prskať (obr. 3). Znamená to, že ladička sa pohybuje – kmitá. Dôležité je, aby ladička nebola umiestená na drevenom stojane.
90
K rozozvučanej ladičke pomaly priblížime ping-pongovú loptičku upevnenú na nitke (obr. 4). Pozorujeme, že loptička od ladičky odskakuje. Je to preto, lebo ladička kmitá, hoci je to voľným okom nepozorovateľné.
Obr. 3 Ladička rozpráši vodu
Obr. 4 Loptička od ladičky odskakuje
Podľa toho ako, t.j. s akou frekvenciou „niečo“ kmitá, závisí, aká bude frekvencia zvuku. Na to aby zvuk vznikol, musí niečo kmitať. Ako sa však zvuk „dostane“ do nášho ucha? Prenáša sa toto kmitanie vzduchom? Ako dôkaz nám poslúži jednoduchý experiment. Na nejakú nádobu natiahneme balón, tak aby sme dostali napnutú blanu (obr. 5). Na blanu nasypeme cukor, krupicu alebo iné drobné zrnká. Ak potom zoberieme hrniec a v blízkosti zrniek buchneme varechou na jeho dno, môžeme pozorovať ako zrnká poskakujú. Je to dôsledok toho, že kmitanie dna hrnca spôsobené úderom, sa prenáša vzduchom na drobné zrnká. Teda nutná podmienka prenosu vzduchu je pružné prostredie, ako je napr. vzduch alebo voda.
Obr. 5 Dôkaz prenosu kmitania vo vzduchu
91
Už vieme, že na to, aby vznikol zvuk, musí niečo kmitať. Veľmi dobrá úloha pre študentov je, „rozozvučať“ slamku. Učiteľ do vopred pripravenej slamky fúkne a tá vydá zvuk. Úlohou študentov je zopakovať to na slamke, ktorú si vytiahnu z balíčka. Samozrejme, študentom sa to nepodarí. Podarí sa im to až po tom, ako im prezradíme trik – jeden koniec slamky nastrihneme nožnicami tak, ako je znázornené na obrázku 6.
Obr. 6 Slamka zastrihnutá tak, aby sa na nej dalo trúbiť
V každom dychovom hudobnom nástroji je jazýček, ktorý sa pri fúknutí do nástroja rozochveje. V našom prípade túto funkciu preberá zostrihnutý koniec slamky. Aby sa ľahšie rozkmital, je dobré zostrihnuté konce trochu pohrýzť (a tým zmäkčiť). V slamke potom vznikne stojaté vlnenie, ktorého frekvencia závisí nepriamo úmerne od dĺžky slamky. Presvedčiť sa o tom môžeme tak, že po dlhom nádychu trúbime na slamke a pritom ju nožnicami postupne skracujeme. 4. Zvuk a trochu z biológie Ľudský hlas vzniká, keď vydýchnutý vzduch rozkmitáva hlasivky. Frekvencia hlasu závisí od dĺžky a hrúbky hlasiviek. Preto deti s kratšími a tenšími hlasivkami ako majú „tenší“ hlas ako muži. Pod „tenším“ treba rozumieť hlas s vyššou frekvenciou. Frekvencia hlasu závisí aj od hustoty okolitého prostredia. Ak človek vydýchne maximálne množstvo vzduchu z pľúc a nasaje hélium z jarmočného balóna, hlas bude mať zmenený na nepoznanie – bude oveľa vyšší ako jeho skutočný hlas. Je to preto, lebo jeho hlasivky môžu v prostredí obsahujúcom hélium (má menšiu hustotu ako vzduch), kmitať oveľa rýchlejšie. Zvuk, ktorý vznikne chvením hlasiviek, sa vzduchom prenáša až k ľudskému uchu, kde rozkmitáva bubienok a pomocou kostičiek v strednom uchu vzniká nervový vzruch, ktorý spracúva náš mozog (obr. 7). Bližšie sa s hudobnej akustike venuje publikácia Ďurčeka a kol. (2011).
92
Obr. 7 Schéma ľudského ucha (http://hnonline.sk/2-22321115-k00000_d-79)
5. Program Audacity ako didaktický prostriedok Zistiť frekvenciu zvuku nie je triviálne. Uľahčiť nám to môžu rôzne softvéry, napr. Cool Edit Pro, Audacity, atď. My sme použili program Audacity, ktorý je voľne šíriteľný. „Audacity je freewarový editor audio súborov. Pomocou tohto programu môžete nahrávať zvuky, prehrávať zvuky, importovať a exportovať WAV (Waveform Audio File Format), AIFF (Audio Interchange File Format), Ogg Vorbis a MP3 súbory. Audacity môžete použiť na editovanie zvukov (kopírovanie, strihanie a vkladanie s neobmedzenou možnosťou spätného kroku v prípade akejkoľvek chyby), mixovať zvuky dokopy poprípade aplikovať rôzne efekty do zvukov. Taktiež obsahuje vstavaný amplitúdový editor a nastaviteľný hlasový identifikátor a samozrejme okno s analýzou frekvencie. Vstavané efekty obsahujú Echo, Change Tempo, a Noise Removal. Program ďalej podporuje VST (Virtual Studio Technology) a LADSPA pluginy (Linux Audio Developers Simple Plugin API).“ (Audacity, 2013). Na zaznamenávanie zvuku stačí použiť notebook so zabudovaným mikrofónom, prípadne stolový počítač, ku ktorému dokúpime externý mikrofón (do 3 €). Pre využitie programu na hodinách fyziky je najvhodnejšie využiť verziu programu Audacity 1.2.6. Ide o staršiu verziu programu, momentálne najnovšia je verzia 2.0.6. Jej výhoda spočíva v udávaní časových intervalov s presnosťou na 10–6 s, čo umožňuje určiť s pomerne veľkou presnosťou napríklad frekvenciu zvuku ladičky.
93
6. Zvuk ladičky Zvuk ladičky je periodický zvuk. Je to jednoduchý tón, ktorý má harmonický priebeh. Presvedčiť sa o tom môžeme tak, že zaznamenáme jeho časový priebeh, t.j. závislosť amplitúdy od času (obr. 8). A
B
Obr. 8 Záznam zvuku ladičky pomocou programu Audacity: A po zázname, B po zväčšení
Zistiť frekvenciu zvuku môžeme dvoma spôsobmi. Jeden spôsob spočíva v určení veľkosti periódy. Práve táto verzia programu Audacity má dostatočne jemné delenie x-ovej osi a umožní nám pri správnom výbere priamo určiť jednu periódu.
94
Obr. 9 Určenie frekvencie tónu pomocou výberu (aj detailný výrez)
Z detailného výrezu na obr. 9 je zrejmé, že T = 0,002 279 s. Z toho Môžeme konštatovať, že náš výsledok je dostatočne presný, lebo sme pracovali s ladičkou, ktorá má frekvenciu kmitania 440 Hz.
Obr. 10 Určenie frekvencie tónu pomocou frekvenčnej analýzy Takýto postup si môžeme dovoliť, ak je priebeh záznamu periodický (v našom prípade je zvuk ladičky opísateľný funkciou sínus). Ak však priebeh nie je harmonický, nie je jednoduché určiť frekvenciu. Program Audacity je schopný vykonať Fourierovu analýzu – urobíme na grafe výber a zvolíme v menu „Analyzovať“ možnosť „Vykresliť spektrum“. Program vykoná frekvenčnú analýzu,
95
ktorú môžeme pomocou kurzora prezerať. Na obr. 10 uvádzame príklad takejto analýzy. Nájdeme prvé maximum, ktoré zodpovedá základnej frekvencii tónu. V našom prípade je to 443 Hz. Ak zoberieme ladičku s meniteľnou frekvenciou, vidíme, že v prípade nižšieho zvuku, je frekvencia zvuku menšia, ako v prípade zvuku vyššieho. Ako sa záznam zmení, ak ladička vydá hlasnejší zvuk? Priebeh bude mať väčšie výchylky, t.j. bude väčšia amplitúda. Teda výška tónu súvisí s jeho frekvenciou a hlasitosť s amplitúdou. 7. Zvuk hudobných nástrojov Zamyslime sa, prečo sa tón s rovnakou frekvenciou zahraný na husliach a na flaute, prípadne na iných hudobných nástrojoch, líši. Hovorí sa, že má inú farbu. Čím sa dá rozdiel vo farbe zvuku zdôvodniť?
A
B
Obr. 11 Frekvenčná analýza tónu zahraného: A na husliach, B na flaute
Pomocou programu Audacity sme urobili záznam tónu zahraného na flaute a na husliach, oba s frekvenciou 882 Hz. Následne sme vykonali frekvenčnú analýzu, ktorá je znázornená na obrázku 11. Z obrázkov 11 A a B vidíme, že napriek tomu, že frekvencia oboch tónov je rovnaká (882 Hz), frekvenčná analýza je iná. Maximá na oboch obrázkoch zodpovedajú rovnakým frekvenciám, avšak sú zastúpené v rôznej miere. 8. Výroba hudobného nástroja z rúry V ďalšom navrhneme aktivitu, výsledkom ktorej je zostrojenie hudobného nástroja z plastovej rúry. Aktivitu môžeme so študentmi riešiť ako žiacky plánovací experiment, pri ktorej študentom poskytneme potrebné pomôcky a ich úlohou je navrhnúť a uskutočniť meranie, na základe ktorého majú hudobný
96
nástroj vyhotoviť (Velmovská, 2013b). Druhá možnosť, ako aktivitu uskutočniť je s využitím skupinovej práce – študentov rozdelíme do ôsmich skupín, pričom každá skupina hľadá správnu dĺžku trubice zodpovedajúcu jednému tónu oktávy. Výsledkom je osem trubíc, ktoré sú naladené na osem tónov oktávy. Hudobný nástroj vyrobíme z plastovej odtokovej vodovodnej rúry s priemerom 32 mm (obr. 12), ktorú možno zakúpiť za cenu približne 2,50 €.
Obr. 12 Plastová odtoková rúra
Ak jeden koniec rúry zachytíme rukou a do druhého konca fúkneme v smere kolmom na rúru, tak budeme počuť zvuk. Ide o zvuk v trubici s jedným koncom uzavretým. Pri fúknutí v nej vzniká štvrťvlna, ako je znázornené na obrázku 13.
Obr. 13 Zvuk v rúre s jedným koncom uzavretým
Frekvencia zvuku by mala byť f
v , 4l
(1)
kde v je rýchlosť zvuku vo vzduchu a l dĺžka trubice. Na výrobu hudobného nástroja potrebujeme vyhotoviť 8 trubíc, ktoré budú po fúknutí vydávať zvuk správnych frekvencií – frekvencie 8 tónov oktávy. Aké dlhé majú byť tieto trubice? Ak chceme určiť, akú frekvenciu vydáva trubica, využijeme program Audacity. Meraním pre rôzne dĺžky trubíc získame závislosť frekvencie od dĺžky trubice. Ak vieme, akú frekvenciu má mať daný tón, z tejto závislosti vieme určiť správnu dĺžku trubice.
97
Meranie sme mohli uskutočniť tak, že by sme trubicu postupne skracovali. Vyžadovalo by to však pomerne veľa času, ktorý by si vyžiadalo pílenie trubice. Preto sme volili inú možnosť – koniec trubice sme postupne ponárali do vody vo vysokom odmernom valci, čím sme v podstate skracovali jej dĺžku. Po spracovaní záznamu v programe Audacity sme stanovili frekvenciu zvuku a dáta sme spracovali v Exceli. Získali sme tabuľku 3 a graf 1. l / cm
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
f / Hz
256
267
273
280
281
289
294
304
316
338
344
363
372
l / cm
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
f / Hz
386
402
417
427
456
478
507
541
574
603
647
692
Tab. 3 Namerané frekvencie pre danú dĺžku trubice
Graf 1 Závislosť frekvencie zvuku od dĺžky trubice
Keďže očakávame závislosť
, graf linearizujeme a aproximujeme lineárnou
funkciou. Výsledok je zobrazený na grafe 2.
98
Graf 2 Linearizácia grafu závislosť frekvencie zvuku od dĺžky trubice
Frekvencia f je , kde v je rýchlosť zvuku vo vzduchu a l dĺžka trubice. Z grafu a aproximácie vyplýva, že smernica priamky je 6 339,4 cm/s. Preto rýchlosť zvuku by mala byť v = 253,58 m/s. Tento výsledok nekorešponduje so skutočnosťou. Vypočítali sme preto hodnoty pre rýchlosť zvuku pre všetky nami namerané údaje. Zistili sme, že „dobré výsledky“ (okolo 340 m/s) dostávame, len pre veľké dĺžky trubice (29–34 cm). Čím je trubica kratšia, tým je výsledok „horší“. Prečo je to tak? Pretože vzťah (1) predpokladá, že keď trubica vydáva zvuk, na konci jej otvoreného konca je atmosférický tlak. Ale nie je to celkom tak. Je potrebné urobiť korekciu, ktorá spočíva v tom, že dĺžku trubice predĺžime o jej priemeru. Experimentálne zistená frekvencia sa potom do väčšej miery zhoduje s vypočítanou. Avšak opäť je to len približné – presná korekcia si vyžaduje zložitý matematický aparát. Pri kratšej trubici je vzhľadom na jej dĺžku už priemer podstatný, kým pri dlhej trubici je vzhľadom na túto dĺžku priemer zanedbateľný. Pôvodný zámer, určiť pre danú frekvenciu príslušnú dĺžku trubice z rovnice, sme teda nemohli využiť. Mali sme dve možnosti, ako zistiť správne dĺžky trubíc – nájsť také dĺžky, ktoré pre dané frekvencie ležia na nami získanom grafe alebo približné dĺžky
99
určiť z rovnice, a potom pokračovať v experimentálnom ladení. To spočívalo v postupnom skracovaní trubice pomocou pilníka a mnohonásobnom zisťovaní frekvencie v programe Audacity. Výsledkom bolo 8 trubíc rôznych dĺžok s frekvenciami tónov oktávy (tabuľka 4). Všetky trubice sú na obrázku 14. Tón
c
d
e
f
g
a
h
c’
l / cm
32,6
29,1
25,1
24,2
21,0
18,3
16,5
15,8
Tab. 4 Dĺžky trubíc pre jednotlivé tóny
Zdôrazňujeme, že tieto dĺžky trubíc sú vhodné len pre plastovú odtokovú rúru s vnútorným priemerom 32 mm (obr. 12).
Obr. 14 Jednoduchý hudobný nástroj z plastovej trubice
Výhodou takto zhotoveného „hudobného nástoja“ je, že trubice zvuk vydajú nielen, keď do nich zboku fúkneme, ako sme to robili pri ladení, ale i vtedy, keď dlaňou udrieme na jeden ich koniec. Frekvencia zvuku bude rovnaká ako v prípade fúknutia. Preto môžeme tento nástroj považovať za pomerne hygienický, na ktorom môžu hrať po sebe niekoľkí „hudobníci“.
100
9. Na ľudovú nôtu Na záver aktivity je vhodné využiť vytvorený hudobný nástroj na zahratie jednoduchej hudobnej skladby, napr. Pokapala na salaši, Holka modrooká. Noty k nim sú zobrazené na obrázku 15 a 16.
Obr. 15 Noty k ľudovej pesničke Pokapala na salaši
Obr. 16 Noty k ľudovej pesničke Holka modrooká
10. Možné aktivity s programom Audacity 10.1 Zostrojenie hudobného nástroja z PET fľašiek Ďalšou možnou aktivitou s programom Audacity realizovateľnou v podmienkach školy je vyhotovenie hudobného nástroja z PET fľašiek. Študenti sú rozdelení do 8 skupín, pričom každá skupina má za úlohu naladiť 0,5 l PET fľašu na učiteľom zvolený tón. Každá skupina musí mať k dispozícii notebook s nainštalovaným programom Audacity. Výsledkom bude 8 fliaš naladených na tóny oktávy (obr. 17). Vhodnejšie na aktivitu by boli sklenené fľaše, ale z hľadiska bezpečnosti sme volili PET fľaše. V čom je ich nevýhoda? Tá spočíva v tom, že sú stlačiteľné. Najmä pri tónoch a, h, c’, kedy je vo fľaške pomerne veľa vody. Ak fľašu chy-
101
tíme do rúk, nechtiac ju stlačíme a zmeníme výšku vodného a teda i vzduchového stĺpca – frekvencia tónu sa zmení. Preto je dôležité, aby sme mali fľašu položenú na stole, keď do nej fúkame alebo ju zdvíhali za hrdlo.
Obr. 17 PET fľašky naladené na tóny oktávy
10.2 Určenie rýchlosti zvuku pomocou odmerného valca
Obr. 18 Odmerný valec vhodný na určenie rýchlosti zvuku vo vzduchu
Pomocou programu Audacity je možné určiť rýchlosť zvuku. Potrebujeme k tomu odmerný valec (obr. 18) a pravítko. Ak do tenkého a malého odmerného valca zboku fúkneme, podobne ako do PET fľaše, vydá zvuk. Frekvenciu zvuku vieme zistiť pomocou programu Audacity. Vieme, že vo valci, ktorého dĺžku l odmeriame pravítkom, vzniká štvrťvlna, preto poznáme vlnovú dĺžku zvuku . Zo vzťahu (1) vieme určiť rýchlosť zvuku vo vzduchu v. V tomto prípade je nutné počítať s korekciou dĺžky valca lkorekcia na jeho priemer. Ak do odmerného valca budeme postupne prilievať vodu, prípadne použijeme viacero druhov odmerných valcov, môžeme počítať priemernú hodnotu rýchlosti zvuku ako aj presnosť merania.
Príklad nameraných hodnôt s odmerným valcom (obr. 18) s objemom 10 ml, s priemerom 10 mm a maximálnou dĺžkou vzduchového stĺpca 150 mm je uvedený v tabuľke 5.
102
l / mm
lkorekcia / mm
= 4lkorekcia / m
f / Hz
v / m/s
150
153,3
0,6132
557
341,55
140
143,3
0,5732
600
343,92
130
133,3
0,5332
634
338,05
120
123,3
0,4932
700
345,24
110
113,3
0,4532
759
343,98
100
103,3
0,4132
823
340,06
90
93,3
0,3732
938
350,06
80
83,3
0,3332
1003
334,20
70
73,3
0,2932
1146
336,01
60
63,3
0,2532
1320
334,22
50
53,3
0,2132
1618
344,96
vpriemer
341,114
Tab. 5 Namerané hodnoty pri zisťovaní rýchlosti zvuku pomocou odmerného valca
Meraním sme zistili pomerne dobrú hodnotu rýchlosti zvuku vo vzduchu (341,114 4,187) m/s. 10.3 Zostrojenie kalimby Kalimba je výborný nástroj na relax, ale aj na rozvoj jemnej motoriky u detí. Jej konštrukcia je taká jednoduchá, že si ju študenti môžu vyrobiť sami. Kalimba je starý africký hudobný nástroj s viac ako tisícročnou históriou. Hranie spočíva v brnkaní prstami po kovových lamelách, ktoré sa dajú vyrobiť z akéhokoľvek materiálu. Inšpiráciu možno nájsť na (Geschwandtner, n. d.). Pokúsime sa opísať spôsob výroby kalimby zo špíc na koleso bicykla, ktorá má 8 lamiel ako 8 tónov oktávy. Potrebujeme k tomu dosku s rozmermi 100 mm × 200 mm × 10 mm (smreková doska s dĺžkou 2 m stojí okolo 10 € – získame 20 dosiek s príslušnými rozmermi), drevenú latku s rozmermi 100 mm × 10 mm × 20 mm (2 m dlhá smre-
103
ková latka stojí približne 3 € a získame z nej 20 ks), rozbočovací (nulový) mostík s 12 dierkami (jeden mostík stojí 0,58 €), 8 ks špicov na bicykel (jeden špic stojí 0,19 €), 2 samorezné skrutky do dreva (4 × 350) mm, skrutkovač, kliešte na drôt. Odhadom nás jedna nami zostrojená kalimba vyjde na približne 2,75 €. V obchodoch predávajú rozbočovacie mostíky so 7 alebo 12 dierkami. Keďže máme prichytiť 8 lamiel, potrebujeme 12 dierok na mostíku. Mostík musíme vopred pripraviť – prevŕtať dve krajné dierky mostíka, aby sa dal samoreznými skrutkami prichytiť na drevo. Samorezné skrutky by mali byť dlhšie, aby nimi bola zároveň latka prichytená na dosku (obr. 19).
Obr. 19 Pomôcky pri výrobe kalimby zo špíc z bicykla
Lamely kalimby tvoria špice z bicykla. Najvhodnejšie sú tvrdé nerezové špice s priemerom 2 mm. Tieto upevňujeme pomocou skrutiek na rozbočovacom mostíku. Ladenie kalimby spočíva v nastavení správnej dĺžky špíc tak, aby po ich rozozvučaní vydávali tóny správnych frekvencií. Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že frekvencia kmitania bude nepriamoúmerná dĺžke lamely. Je to však oveľa zložitejšie. Ohybové kmity homogénnej tyče sú opísané parciálnou diferenciálnou rovnicou 4 y( x, t ) 2 y ( x, t ) EI 0, 4 x t 2
104
kde EI je súčin Youngovho modulu pružnosti materiálu tyče a tzv. plošného momentu zotrvačnosti prierezu tyče, λ je dĺžková hustota tyče (v kg/m), x je poloha pozdĺž tyče a y je priečna výchylka. Túto parciálnu diferenciálnu rovnicu je možné riešiť aj analyticky, hoci aplikovanie okrajových podmienok vyžaduje numericky vyriešiť transcendentnú sústavu rovníc obsahujúcich sin(x), cos(x), sinh(x) a cosh(x). Zdrojom pre podrobnejšie štúdium takýchto spojitých systémov môže byť napríklad stránka z univerzity v Indiane (Purdue University, 2010). Pre naše potreby je možné kalimbu naladiť aj experimentálne, t.j. pomocou programu Audacity zisťovať frekvenciu pre rôzne dĺžky lamiel. Namerané hodnoty závislosti frekvencie kmitania špice od jej dĺžky sú uvedené v tabuľke 6 a závislosť je znázornená na grafe 3. l / cm
11
12
13
14
15
16
17
18
f / Hz
583
500
440
378
338
304
272
243
Tab. 6 Namerané hodnoty pri zisťovaní závislosti frekvencie kmitania špicu od jeho dĺžky
Graf 3 Závislosť frekvencie kmitania špicu od jeho dĺžky
Pi hľadaní dĺžky špice, ktorá by vydala niektorý tón oktávy sme postupovali tak, že pomocou grafu získaného z nameraných dát (graf 3) sme správne dĺžky
105
odhadli. Potom sme ich dĺžku overovali pomocou programu Audacity. V tabuľke 7 uvádzame dĺžky jednotlivých špíc zodpovedajúcim jednotlivým tónom oktávy. Tón
c
d
e
f
G
a
h
c’
l / cm
17,1
16,1
15,3
14,7
13,9
13,0
12,1
11,7
Tab. 7 Dĺžky špíc pre jednotlivé tóny
Výsledkom je kalimba (obr. 20), na ktorej sa dá pomerne pekne zahrať jednoduchá pesnička.
Obr. 20 Kalimba z bicyklových špíc
Záver V tomto príspevku sme sa zamerali na priblíženie základných fyzikálnych pojmov v hudobnej akustike. Uviedli sme niekoľko experimentov na dôkaz toho, že zvuk je mechanické vlnenie, ktoré sa prenáša vzduchom. Zaoberali sme sa voľne šíriteľným programom Audacity, ktorý je využiteľný aj v podmienkach školy. Objasnili sme, ako sme pomocou tohto programu zhotovili „hudobný nástroj“ z odtokovej rúry. Navrhli sme ďalšie možné aktivity realizovateľné pomocou programu Audacity, ako je určenie rýchlosti zvuku pomocou odmerného valca a zhotovenie dvoch jednoduchých hudobných nástrojov z PET fliaš a kalimby – afrického hudobného nástroja. Poďakovanie Tento príspevok vznikol s podporou projektu KEGA 130UK-4/2013 Podpora kvality vyučovania tvorbou materiálov prepojených na učebnice fyziky.
106
Zoznam bibliografických odkazov Audacity. 2013. [online] sme.sk [cit. 25.1.2013]. Dostupné na http://tahaj.sme.sk/software/269# DEMKANIN, P. a kol. 2006. Počítačom podporované prírodovedné laboratórium. Bratislava : FMFI UK,: 2006, s.140. ISBN: 80-89186-10-6. ĎURČEK, J., ČIČMANEC, P., SLABYCIUS, J. 2011. Základy hudobnej akustiky pre učiteľov, hudobníkov a lektorov. Ružomberok : VERBUM, 2011. s. 100. ISBN 978-808084-712-8. GESCHWANDTNER, R. Kalimba. Vytvor si vlastný hudobný nástroj. [n.d.] [online] KreoLab [cit. 25.10.2014]. Dostupné na http://www.kreolab.sk/kalimba-vyrobte-si-s-detmi-jednoduchy-hudobny-nastroj/ Hudobná akustika – ladenie. 2002. [online] referaty.sk [cit. 25.1.2013]. Dostupné na http://referaty.atlas.sk/prirodne-vedy/fyzika-a-astronomia/7668/?page=0 OVAE. 2005-06. Basic of Adult Literacy Education – Critical Thinking and Graphic Literacy Skills [online]. 2005-06. [cit. 04.03.2013]. Dostupné na http://www.c-pal.net/course/module3/m3_critical_thinking_skills.html PURDUE UNIVERSITY. 2010. [online] ME 563 Course Website 2010. [cit. 25.10.2014]. Dostupné na https://engineering.purdue.edu/~deadams/ME563/index.html ŠPÚ (Štátny pedagogický ústav). 2009a. Štátny vzdelávací program pre základné školy v slovenskej republike ISCED 2 nižšie sekundárne vzdelávanie [online]. Bratislava, 2009 [cit. 04.03.2013]. Dostupné na http://www.statpedu.sk/files/documents/svp/2stzs/isced2/isced2_spu_uprava.pdf ŠPÚ (Štátny pedagogický ústav). 2009b. Štátny vzdelávací program pre základné školy v slovenskej republike ISCED 3A nižšie sekundárne vzdelávanie [online]. Bratislava, 2009 [cit. 04.03.2013]. Dostupné na: http://www.statpedu.sk/files/documents/svp/gymnazia/vzdelavacie_oblasti/fyzika_isced 3.pdf VELMOVSKÁ, K. 2013a. Experimenty so zvukom. In Zborník konferencie Veletrh nápadů učitelů fyziky 18. Hradec Králové: Gaudeamus, UHK. s. 274-279. ISBN 978807435-372-7. VELMOVSKÁ, K. 2013b. Žiacky plánovací experiment – jednoduchý hudobný nástroj z plastovej trubice. In Tvorivý učiteľ fyziky VI. Bratislava : Slovenská fyzikálna spoločnosť, 2013. s. 281-288. ISBN 978-80-971450-0-2. VELMOVSKÁ, K., VANYOVÁ, M. 2013. „Hlasné“ experimenty. In Zborník príspevkov z odbornej konferencie Šoltésove dni 2012 a 2013. ISBN 978-80-8147-015-8. s. 65-73.
107
Demonštrácie a žiacke aktivity z optiky PETER HORVÁTH – MARTINA HORVÁTHOVÁ Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave V článku uvádzame niekoľko námetov na experimenty a aktivity, ktoré je možné so žiakmi uskutočňovať metódou interaktívnych demonštrácií alebo interaktívnych experimentov. Prvá časť je venovaná indexu lomu a totálnemu odrazu svetla, v ďalšej časti uvádzame návod na zostrojenie modelu oka, pomocou šošoviek pripevnených na elektrikárske lišty podľa námetu od L. Dvořáka. Postupne prejdeme k žiackym aktivitám a experimentom potvrdzujúcim vlnové vlastnosti svetla. Aktivity boli pripravené aj pre učiteľov na konferenciách Šoltésove dni 2012 a Šoltésove dni 2013 v Bratislave, časť článku je preto takmer identická s článkami zo zborníka z uvedenej konferencie (P. Horváth, M. Horváthová 2013a, 2013b). Metóda interaktívnych prednáškových demonštrácií Autormi metódy interaktívnych prednáškových demonštrácií sú David Sokoloff z University of Oregon a Ronald Thornton z Tufts University (Sokoloff, Thornton, 2004). Autori metódy niekoľkoročným výskumom preukázali úžasnú efektívnosť tejto metódy. V našich podmienkach sa metódou zaoberali kolegovia z UPJŠ Košice, v ich publikáciách a na ich stránkach môžete nájsť podrobnejšie informácie (Hanč, Dutko, 2008 a Hanč, Ješková, 2008). Metódu autori opisujú v týchto bodoch: Metóda interaktívnych demonštrácií: 1. Opíšte priebeh demonštrácie, prípadne ju uskutočnite bez toho, aby ste prezradzovali výsledky. 2. Žiaci majú za úlohu individuálne napísať svoje predpovede výsledku do Predpoveďového hárku. 3. Nechajte žiakov diskutovať o svojich predpovediach v malých skupinách. 4. Zistite, aké sú žiacke predpovede (spýtajte sa zástupcov skupín).
108
5. Žiaci teraz individuálne napíšu svoje finálne predpovede do Predpoveďových hárkov (nakoniec ich vyzbierate). 6. Uskutočnite demonštráciu, experiment, ukážte výsledky. 7. Nechajte niekoľkých žiakov slovne opísať výsledky, diskutujte o nich v súvislosti s demonštráciou (je možné diskutovať aj o prípadných nesprávnych predpovediach – pozn. PH). Žiaci si výsledok zapíšu do Výsledkového hárku, ten im ostáva. 8. Ak je to vhodné, diskutujte so žiakmi o analogických fyzikálnych situáciách pri mierne odlišných podmienkach. (To znamená rôzne fyzikálne situácie založené na tých istých konceptoch, pojmoch.) (Ide o utvrdenie poznatku – pozn. PH.) Tento postup sa opakuje pri každej krátkej interaktívnej demonštrácii, demonštrácie nadväzujú na seba. Dodávame, že podobným spôsobom je možné postupovať so žiakmi aj pri interaktívnych experimentoch, ktoré sa od demonštrácií líšia tým, že ich realizujú žiaci. Dôležité je nechať žiakov predpovedať výsledky a nechať rozvinúť diskusiu medzi žiakmi. Aby sme mohli postupovať metódou interaktívnych demonštrácií alebo metódou interaktívnych žiackych experimentov, potrebujeme mať premyslenú vhodnú demonštráciu alebo experiment, teda mať k dispozícii pomôcky a vedieť, čo s nimi. Druhou nutnou podmienkou je mať pre žiakov formulovanú vhodnú úlohu alebo otázku, súvisiacu s predvádzaným experimentom. Úlohou môže byť napríklad načrtnúť priebeh grafu, chod svetelných lúčov. Pokúsili sme sa pripraviť niekoľko takýchto demonštrácií a experimentov, aj s formulovanými otázkami. V nasledujúcich častiach poskytujeme popis žiackych aktivít, experimentov a demonštrácií, ako sme ich v školskej praxi realizovali so žiakmi gymnázia (Gymnázium C. S. Lewisa, Bratislava). Model laparoskopie Úplný odraz je z hľadiska členenia fyziky veľmi úzka téma, ale ak sa na problematiku pozrieme v kontexte využiteľnosti v praxi (optické vlákna v medicíne, v priemysle ako senzory, v telekomunikácií na prenos informácií), stanú sa, témou pomerne bohatou, širokou a modernou. Pekný model laparoskopu si môžeme vyrobiť veľmi jednoducho. Využijeme 20–25 cm dlhé škatule (kvôli
109
konvenčnej vzdialenosti oka). Škatuľu zvnútra oblepíme čiernym papierom. Do takto pripravenej škatule umiestnime na jednu stenu obrázok, oproti nemu vystrihneme do škatule malý otvor pre oči a na kolmú stenu otvor s priemerom do 0,5 cm pre optické vlákna (obr. 1,2). otvor pre svetlo otvor pre oči
nápis škatuľa, vo vnútri čierna
Obr. 1 Schéma pripravenej škatule pre modelovanie laparoskopie
Obr. 2 Pripravené pomôcky pre modelovanie laparoskopie
Úlohou žiakov je zistiť, čo je na obrázku vo vnútri škatule, ale bez toho, aby zasvietili otvorom pre oči priamo na obrázok. Postupne ich dovedieme k tomu, že si môžu pomôcť optickými vláknami prevlečnými cez otvor v hornej stene a „ohnúť“ svetlo smerom k obrázku. Podrobný metodický návod s opisom priebehu vyučovacích hodín zameraných na využitie optických vlákien nájdete v časopise Fyzikálne listy (M. Horváthová 2013a, online http://goo.gl/upyb3M, M. Horváthová 2013b, online http://goo.gl/Q0UPpC).
110
Odraz a lom svetla Pre utvrdenie poznatkov týkajúcich sa odrazu svetla a lomu svetla navrhujeme sériu experimentov, kde by žiaci mali možnosť porovnať odraz a lom svetla na rozhraní plexisklo – vzduch s rozhraním plexisklo – voda. Navrhujeme všetky známe pokusy na odraz, lom, úplný odraz pomocou polvalca vo vzduchu urobiť ešte raz vo vode. Cieľom je utvrdiť pojem relatívny index lomu a dôsledok rôzneho indexu lomu pri totálnom odraze. Uvádzame otázky pre žiakov v jednotlivých cykloch interaktívnej demonštrácie. 1. Porovnaj uhol dopadu a odrazu na rozhraní vzduch – sklo a voda – sklo. (vyber správnu odpoveď). Pri rovnakom dopadajúcom uhle je uhol odrazu na rozhraní sklo – voda je menší – rovnaký – väčší, ako na rozhraní sklo – vzduch. 2. Porovnaj uhol dopadu a lomu pre rozhranie voda – sklo a vzduch – sklo. (vyber správnu odpoveď). Pri rovnakom dopadajúcom uhle je uhol lomu na rozhraní sklo – voda je menší – rovnaký – väčší, ako na rozhraní sklo – vzduch. Pri rovnakom dopadajúcom uhle je uhol lomu na rozhraní voda – sklo je menší – rovnaký – väčší, ako na rozhraní vzduch – sklo. 3. Porovnaj medzné uhly pre rozhranie sklo – vzduch a sklo – voda. (vyber správnu odpoveď). Medzný uhol pre rozhranie sklo – voda je menší – rovnaký – väčší, ako pre rozhranie sklo – vzduch. Pre predstavu čitateľa podrobnejšie rozoberieme tretiu úlohu, ktorá je zameraná na medzný uhol. Žiaci nájdu medzný uhol pre rozhranie plexisklo – vzduch (obrázok 3).
Obr. 3 Žiaci majú nájsť medzný uhol pre rozhranie plexisklo – vzduch
111
Následne postupujeme metódou interaktívnej demonštrácie alebo interaktívneho žiackeho experimentu. Otázka pre žiakov je: Porovnaj medzné uhly pre rozhranie sklo – voda a sklo – vzduch. (Vyber správnu odpoveď): Medzný uhol pre rozhranie sklo – voda je menší – rovnaký – väčší, ako pre rozhranie sklo – vzduch. Žiaci samostatne do Predpoveďového hárku vyznačia svoju odpoveď. Následne v menších skupinách diskutujú o svojich odpovediach. Učiteľ vyzve niekoľko skupín, aby formulovali svoje predpovede. Potom žiaci do svojich Predpoveďových hárkov zaznačia svoju (definitívnu) predpoveď. Nasleduje experiment, žiaci nájdu medzný uhol rozhranie sklo – voda (obrázok 4).
Obr. 4 Experiment v akváriu s vodou demonštrujúci medzný uhol na rozhraní plexisklo – voda
Teraz môžeme pristúpiť k formulovaniu výsledku a diskusii so žiakmi o tom, čo ovplyvňuje medzný uhol. Rozobrať môžeme aj o to, ako by experiment dopadol, keby plexisklo malo väčší index lomu. Sklenené šošovky a žiarovka V ďalšej časti navrhujeme porovnať chod svetelných lúčov cez šošovku vo vode a chod svetelných lúčov cez sklenenú banku, žiarovku vo vode. Učitelia možno poznajú druhý uvedený pokus pod názvom „vzduchová šošovka“ (obrázok 5).
112
Otázka pre žiakov: Ako sa budú lámať svetelné lúče vo vode, ak im do cesty umiestnime sklenenú banku – žiarovku? Svetelné lúče sa budú rozbiehať – zbiehať – pôjdu ďalej bez lomu.
Obr. 5 Svetelné lúče prechádzajúce cez žiarovku vo vode sa rozbiehajú
Zobrazenie predmetu šošovkou Námet pripevniť šošovky na elektrikárske lišty pochádza od L. Dvořáka (Dvořák, 2011a, Dvořák 2011b). Na obrázku 6 je demonštrovaný vznik obrazu sviečky pomocou šošovky. Žiakom môžeme napríklad zadať problémovú konceptuálnu úlohu: Čo sa stane s obrazom sviečky, ak zakryjeme hornú časť šošovky (obr. 7)?
Obr. 6 Optická lavica so sviečkou a šošovkou, obraz sviečky znázornený na tienidle
113
Obr. 7 Čo sa stane s obrazom sviečky, ak zakryjeme hornú časť šošovky?
Druhá úloha: Čo sa stane s obrazom sviečky, ak zakryjeme hornú časť svetla z plameňa sviečky (obr. 8)?
Obr. 8 Čo sa stane s obrazom sviečky, ak zakryjeme hornú časť sviečky?
Týmito otázkami je možné zistiť, nakoľko žiaci rozumejú geometrickej, lúčovej optike. Konkrétne, či si uvedomujú, že konkrétny bod obrazu na tienidle vznikne pomocou nekonečného množstva lúčov, ktoré vychádzajú z jedného konkrétneho bodu predmetu. Model oka a modelovanie krátkozrakého a ďalekozrakého oka Predmet na zobrazovanie šošovkami si môžeme zostrojiť upravením ručného svietidla. Do jeho prednej časti vložíme krúžok hrubšieho tmavého papiera, do
114
ktorého orezávačkou vyrežeme otvor v tvare jednotky. Ďalej pred našu jednotku umiestnime ešte matnicu, v našom prípade krúžok „mastného“ papiera (pauzák, papier na pečenie), ktorý rozptýli svetlo (obr. 9).
Obr. 9 Pomôcky na výrobu zdroja svetla – jednotky
Model oka Model oka pripravíme pomocou optickej lavice, tienidla, a vhodných šošoviek. Zdrojom svetla pre tieto experimenty bude upravené svietidlo s jednotkou. Samotný model oka pozostáva zo šošovky a tienidla, ktoré reprezentuje sietnicu oka (obr. 10). Zaostrovanie oka pri rôznej vzdialenosti predmetu od oka (šošovky) demonštrujeme výmenou šošoviek.
Obr. 10 Model oka, rôzne šošovky slúžia na modelovanie zaostrovania zmenou optickej mohutnosti oka
Pomocou vhodného výberu šošoviek môžeme modelovať aj chyby oka, krátkozrakosť a ďalekozrakosť (obr. 11), ktoré korigujeme okuliarmi. Ak nemáme
115
vhodné okuliare, môžeme ich funkciu modelovať aj použitím ďalšej šošovky, ktorú umiestnime pred šošovku modelujúcu oko (obr. 12).
Obr. 11 Model ďalekozrakého oka, obraz je rozostrený. Posunutím tienidla by sme mohli demonštrovať, že obraz vzniká za sietnicou
Obr. 12 Modelujeme korekciu chyby ďalekozrakého oka
Ohyb svetla Vlas Prvým školským experimentom, ktorý jasne potvrdzuje, že svetlo má vlnové vlastnosti môže byť ohyb svetla na vlase. Môžeme ho uskutočniť pomocou laserovej diódy, z ktorej odstránime šošovku. Získame tak bodový zdroj svetla. Nápad využiť laserovú diódu ako bodový zdroj svetla pochádza od J. Pavelku (Pavelka, 2011).
116
Otázka pre žiakov: Rozptýleným svetlom budeme presvecovať vlas. Ako by mal vyzerať tieň vlasu na tienidle, ak predpokladáme, že svetlo je súbor častíc? Ako by mal podľa Teba vyzerať tieň vlasu na tienidle, ak predpokladáme, že svetlo je vlna? Ako si myslíš Ty, že bude vyzerať tieň vlasu na tienidle? Experiment je veľmi jednoduchý, medzi bodový laser a tienidlo umiestnime do rámčeka vlas. Na tienidle pozorujeme ohybový obraz (obr. 13).
Obr. 13 Ohybový obraz vlasu na tienidle. Všimnite si svetlú stopu v strede, kde by podľa časticovej teórie svetla mal byť najväčší tieň
Mriežka Biele svetlo putujúce z meotaru môžeme rozložiť okrem hranola aj mriežkou. V tejto súvislosti je vhodné so žiakmi diskutovať o poradí farieb, ktoré vzniknú v prvom ráde maxima a diskutovať o príčinách tohto poradia. CD ako mriežka, porovnanie ohybového obrazu lasera rôznej farby Aj CD nosič, zbavený odrazovej plochy, nám môže slúžiť ako veľmi kvalitná mriežka. Odrazovú fóliu z CD-čka nožíkom alebo nožnicami na malej ploche zoškriabeme. Následne na odrazovú fóliu CD nalepíme lepiacu pásku a pásku strhneme. Spolu s páskou sa nám uvoľní aj odrazová fólia a máme holé CD bez odrazovej vrstvy. Najlepšie sa nám strhávala fólia z prepisovateľného CD.
117
Cez mriežku – CD presvietime červené laserové svetlo. Na tienidle vidíme ohybové obrazce. Žiakom povieme, že za chvíľu presvietime cez CD zelené laserové svetlo. Zadáme im nasledujúcu úlohu: Porovnaj vzájomnú vzdialenosť maxím, ktoré vzniknú na tienidle po ohybe červeného laserového svetla so vzdialenosťami maxím, ktoré vzniknú na tienidle po ohybe zeleného laserového svetla. Vyber správnu odpoveď. Vzdialenosti maxím pre zelené svetlo sú väčšie – rovnaké – menšie, ako pre červené svetlo. So žiakmi môžeme ďalej pomocou CD urobiť všetky známe laboratórne merania, ktoré sme zvykli robiť s mriežkami, môžeme napríklad zo známej vlnovej dĺžky lasera merať mriežkovú konštantu (vzdialenosť vrypov na CD je 1,59 µm), alebo naopak, zo známej mriežkovej konštanty určiť vlnovú dĺžku použitého lasera. Návod na výrobu jednoduchého spektroskopu Ďalšia možnosť, ako sa pohrať s CD, je pozorovať na ňom rozklad bieleho svetla. Normálne CD (s neodlepenou odrazovou fóliou) prekryjeme takmer celé papierom, necháme na ňom asi 2 cm hrubý poloblúk. CD umiestnime odrazovou plochou nahor na zem (obr. 14) a kolmo naň svietime bielym svetlom zo vzdialenosti asi 1 meter. Keď sa teraz žiaci budú pohybovať smerom od CD – čka kolmo na jeho štrbiny, budú postupne vidieť všetky farby dúhy. Uvidia svetlo z bieleho zdroja, ktoré sa v prvom (a následne druhom) ráde maxima v príslušných smeroch rozloží postupne na farby dúhy (obr. 15).
Obr. 14 Čiastočné prekryté CD pre pozorovanie spektra
118
Obr. 15 Pozorovanie svetelného spektra, postupne vidíme, na CD všetky farby dúhy
Z horeuvedeného experimentu vyplýva návod na výrobu spektroskopu z CD po odraze svetla od CD. Prierez spektroskopom je na obrázku 16. Spektroskop sa skladá z kúska CD nosiča nalepeného na tmavý matný papier. Na spektroskope vpravo hore môžeme vidieť otvor, ktorým môžeme okom sledovať rozložené spektrum, na druhej strane vľavo je otvor pre zdroj svetla, ktorý chceme sledovať. Spektroskop na obrázku nie je dokončený, prilepiť treba ešte bočné steny.
Obr. 16 Prierez spektroskopom
Porovanie ohybu svetla vo vzduchu a vo vode Overiť pochopenie vzniku ohybu svetla na mriežke (CD) môžeme nasledujúcim interaktívnym experimentom. Na vnútornú stenu akvária umiestnime CD bez fólie, na protiľahlú stenu akvária umiestnime tienidlo. Kolmo na CD zasvietime laserovým svetlom, môžeme pozorovať maximá nultého a prvého (prípadne druhého) rádu na tienidle, obr. 17.
119
Obr. 17 CD je na prednej vnútornej stene akvária, na milimetrovom papieri pozorujeme maximá nultého a prvého rádu
Otázka pre žiakov: Ako sa zmení vzájomná vzdialenosť pozorovaných maxím, ak do akvária nalejeme vodu? Vyber správne riešenie. Po naliatí vody sa maximá od seba vzdialia – priblížia sa – ostanú v rovnakej vzájomnej vzdialenosti. Meranie indexu lomu svetla vo vode Pomocou CD nosiča môžeme odmerať aj index lomu svetla vo vode. Uvedenú metódu sme prezentovali na „Veletrhu nápadů učitelů fyziky“ v auguste 2013 v Hradci Králové a jej podrobný opis bol uverejnený v zborníku z Veletrhu (P. Horváth 2013). Na tomto mieste prinášame stručný rozbor a postup merania. Experiment uskutočníme podľa usporiadania na obrázku 17. Na vnútornú stranu jednej steny prázdneho akvária umiestnime CD, na protiľahlú stenu zvonka nalepíme milimetrový papier. CD presvietime laserovým ukazovadlom tak, aby maximá pozorované na tienidle boli navzájom vo vodorovnej rovine a aby obe maximá prvého rádu boli rovnako ďaleko od maxima nultého rádu. Odmeriame šírku akvária l a vzdialenosť maxím prvého rádu od nultého rádu y, obr. 18.
120
Obr. 18. Náčrt pre meranie vzdialeností, akvárium je prázdne, bez vody
Následne do akvária nalejeme vodu, maximá prvého rádu sa priblížia k sebe. Odmeriame vzdialenosť maxima prvého rádu od maxima nultého rádu y1, obr. 19.
Obr. 19 Náčrt pre meranie vzdialeností, akvárium naplnené vodou
Ak uvážime, že maximum prvého rádu vzniklo vďaka dráhovému posunu rovnému vlnovej dĺžke, ktorý vznikol pri ohybe svetla na mriežke (obr. 20), môžeme odvodiť index lomu vody pomocou nameraných vzdialeností.
Obr. 20 Dráhový rozdiel svetelných vĺn smerujúcich do maxima prvého rádu z dvoch vedľajších štrbín je rovný vlnovej dĺžke svetla
121
Sledovanie rôznych zdrojov svetla pomocou CD Kúsky CD zbavené odrazovej fólie môžeme využiť aj na priame sledovanie rôznych svetelných zdrojov. My sme sa zamerali na niektoré v súčasnosti bežne dostupné zdroje a porovnali sme ich spektrum zo spektrom žiarovky. Svetelný zdroj (žiarovku, žiarivku) pred pozorovaním prekryjeme tienidlom so štrbinou, tienidlo sme pripravili z tmavého papiera. Na nasledujúcich obrázkoch sú spektrá žiarovky a dvoch rôznych žiariviek, ako ich môžeme pozorovať pomocou mriežky z CD. Otázka pre žiakov: Aké predpokladáte rozdiely v spektre medzi „studeným“ a „teplým“ svetlom zo žiarivky?
Obr. 21 Pozorujeme spektrum svetla pomocou mriežky z CD. Žiarovka je prekrytá tienidlom so štrbinou
Obr. 22 Pozorujeme spektrum svetla žiarivky – teplé svetlo pomocou mriežky z CD
122
Obr. 23 Pozorujeme spektrum svetla žiarivky – studené denné svetlo pomocou mriežky z CD
Bonus – demonštrácia momentu zotrvačnosti pomocou CD nosičov Ako bonus uvádzame experimenty s využitím CD nosičov, pomocou ktorých demonštrujeme moment zotrvačnosti. Podrobný opis a zaradenie do vyučovania môžete nájsť v zborníku z konferencie „Jak učím fyziku“, Vlachovice 2011 (P. Horváth 2011), téme využitia CD sa venujeme aj v článku z konferencie „Tvorivý učiteľ fyziky“ v Smoleniciach 2010 (P. Horváth 2010, dostupné online: http://sfs.sav.sk/smolenice/pdf_10/03_Horvath.pdf). Pomocou troch skrutiek s priemerom asi 1 cm a dĺžkou 5 cm a dvoch CD-čok vytvoríme kolesá. Tieto sa líšia miestom, kde ich spojíme. Prvé koleso má skrutky v blízkosti osi, druhé blízko pri obvode. Kolesá môžeme odlíšiť aj farebne. Prevažnú časť hmotnosti kolies tvoria skrutky s maticami (obr. 24).
Obr. 24 Kolesá vytvorené z CD-čok a skrutiek, obe kolesá majú rovnakú hmotnosť
123
Takto pripravené kolieska navlečieme na (kovovú) palicu. Žiakom oznámime, že obe kolesá navlečené na palici roztočíme rovnakou rýchlosťou (zatiaľ experiement nerobíme, iba diskutujeme). Žiakov sa opýtame: „Ktoré z kolies sa po roztočení rovnakou rýchlosťou zastaví skôr?“ Necháme im čas na rozmyslenie a potom ich odpovede rozdelíme: „Kto si myslí, že sa skôr zastaví červené koleso?“ Podobne: „Kto si myslí, že sa skôr zastaví modré koleso?“ „Kto si myslí, že zastavia naraz?“ Vyzveme z každej skupiny niekoho, aby vysvetlil, čo ho k jeho tipu viedlo.
Obr. 25 Roztáčanie koliesok. Ktoré z nich sa bude po roztočení pohybovať dlhšie?
Obr. 26 Kolieska na otáčavej oske, rozbiehať sa budú 100 g závažiami. Ktoré príde dolu skôr?
124
Teraz pristúpime k samotnému experimentu. Naraz roztočíme rukou obe kolesá a počkáme, kým zastavia. Pokus môžeme zopakovať, prípadne si vymeníme ruky, ktorými roztáčame kolesá. Nasleduje diskusia s odôvodnením výsledku pokusu. Experiment s CD nosičmi môžeme variovať. Kolesá môžeme mať napríklad upevnené pevne na otáčavých osiach a rozbiehame ich pomocou rovnakého závažia (obr. 26). Porovnávame, ktoré z kolies sa skôr roztočí. Ďalší zo série pokusov, pri ktorých sa využívajú CD-čka, je súťaž kolies. Súťažiť budú kolesá tvorené dvomi CD-čkami a tromi skrutkami. Kolesá majú rovnaký polomer a aj rovnakú hmotnosť. Líšia sa opäť umiestnením skrutiek. Jedno CD-čko ich má pri osi, druhé približne v strede medzi osou a obvodom a tretie má skrutky v blízkosti obvodu. Kolesá postavíme na vrch naklonenej roviny, s uhlom skonu do 5 stupňov (obr. 27). Pred pustením CD-čok necháme žiakov hádať, ktoré z kolies sa bude rozbiehať najľahšie a ktoré najťažšie. Potom CD-čka naraz pustíme z naklonenej roviny, sledujeme, a následne výsledok prediskutujeme so žiakmi. Pozor, nechajte žiakov pred koncom naklonenej roviny chytať CD-čka, aby sa nerozbili.
Obr. 27 Kolieska na naklonenej rovine pripravené na štart. Ktoré bude dolu prvé?
Poďakovanie Aktivity vznikli aj ako súčasť riešenia grantov KEGA 035ŽU-4/2012 a KEGA 130UK-4/2013 z ktorých boli hradené náklady na výrobu pomôcok. Šošovky na experimenty sme získali z Meopty Přerov, vďaka patrí p. Zuzane Veselej.
125
Zoznam bibliografických odkazov DVOŘÁK, L. 2011a: Co s čočkami – aneb optická lavice pro období finanční krize. In Dílny Heuréky 2009-2010, Sborník konferencí projektu Heuréka. Praha : Prometheus, 2011. ISBN 978-80-7196-424-7, s. 145-161. DVOŘÁK, L. 2011b: Další nápady z malé Hraštice: co s čočkami. In Veletrh nápadů učitelů fyziky 15, Sborník z konference. Praha : Prometheus, 2011. ISBN 978-80-7196-417-9, s. 47-51. Dostupné na internete: HANČ, J., DUTKO, M. 2008: Interaktívne prednáškové demonštrcie, Aktivity a úlohy z kinematiky [online]. [cit. 2013-11-30]. < http://physedu.science.upjs.sk/metody/files/hanc_ild_2008.pdf>. HANČ, J., JEŠKOVÁ, Z. 2008: Metóda interaktívnych prednáškových demonštrácií, Metodický materiál [online]. [cit. 2013-11-30]. . HORVÁTH, P. 2010: Dve úrovne vyučovania fyziky na strednej škole – energia rotačného pohybu. In: Tvorivý učiteľ fyziky III : Národný festival fyziky 2010, Bratislava: Slovenská fyzikálna spoločnosť, 2010 s. 24-38, dostupné online: HORVÁTH, P. 2011: Experimenty s využitím CD. In: Jak učím fyziku, Sborník příspěvku ze semináře. Praha : Jednota českých matematiku a fyziku, 2011. ISBN 978-80-7015-010-8, DVD. s. 71-78. HORVÁTH, P. 2013: Meranie indexu lomu svetla pomocou CD. In: Veletrh nápadů učitelů fyziky 18, Sborník z konference. Hradec Králové : Gaudeamus, Univerzita Hradec Králové 2013. ISBN 978-80-7435-372-7, s. 58-61. HORVÁTH, P., HORVÁTHOVÁ, M. 2013a: Optika s dostupnými pomôckami. In: Šoltésove dni 2012 a 2013, zborník príspevkov z odbornej konferencie. Bratislava : FMFI UK, 2013. ISBN: 978-80-8147-015-8, s.36-39. Dostupné online: HORVÁTH, P., HORVÁTHOVÁ, M. 2013b: Vlnová optika interaktívne. In: Šoltésove dni 2012 a 2013, zborník príspevkov z odbornej konferencie. Bratislava : FMFI UK, 2013. ISBN: 978-80-8147-015-8, s.93-103. Dostupné online:
126
HORVÁTHOVÁ, M. 2013a: Od modelu laparoskopického prístroja k jeho fyzikálnej podstate – úplnému odrazu. In : Fyzikálne listy. Bratislava, Univerzita Komenského, FMFI, 2013. ISSN 1337-7795, 2/2013, s. 6-9. Dostupné online: HORVÁTHOVÁ, M. 2013b: Od modelu laparoskopického prístroja k jeho fyzikálnej podstate – úplnému odrazu (časť 2). In : Fyzikálne listy. Bratislava, Univerzita Komenského, FMFI, 2013. ISSN 1337-7795, 4/2013, s. 3-6. Dostupné online: PAVELKA, J. 2011: Laserová ukazovátka a co s nimi ve škole. In Dílny Heuréky 2011, Sborník konference projektu Heuréka. Praha : Prometheus, 2011. ISBN: 978-80-7196-426-1, s. 103 – 107. CD SOKOLOFF, D., THORNTON, R. 2004: Inteactive Lecture Demonstrations, Active Learning in Introductory Physics. New York : John Wiley and Sons, 2004. ISBN 978-0-471-48774-6, 374 s.
127
Sborník seminárních materiálů IV projektu Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji II Slovanské gymnázium Olomouc Vydal: Repronis v Ostravě roku 2014 Technická úprava textu: Oldřich Lepil Návrh obálky: Vít Stanovský Tisk: Repronis s. r. o., Ostrava Počet stran: 128 Náklad: 50 ks Vydání: první ISBN 978-80-7329-402-1 Publikace je neprodejná
