SBORNÍK SEMINÁRNÍCH MATERIÁLŮ

TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

SBORNÍK SEMINÁRNÍCH MATERIÁLŮ

Olomouc 2008

Projekt Učíme fyziku moderně Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje Slovanské gymnázium Olomouc

© Slovanské gymnázium Olomouc, 2008 ISBN 987-80-7329-

Obsah O. LEPIL: Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko tvorby školních vzdělávacích programů D. BARÁNKOVÁ: Zkušenosti z tvorby ŠVP J. HUBEŇÁK: Superjasné LED R. HALAŠ: Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta D. MARYŠKOVÁ: Interaktivní tabule M. VODIČKA: E-learning ve výuce fyziky M. BARÁNEK: Pokusy z fyziky V. PAZDERA: USB Interface KV8055 a jeho použití ve fyzice Přílohy

5 20 35 43 71 82 90 111 117

Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko tvorby ŠVP OLDŘICH LEPIL Školský zákon z roku 2004 [1] ukládá školám novou povinnost, vytvářet vlastní Školní vzdělávací programy. Jeho součástí je také tvorba učebních osnov jako jedné z nejdůležitějších složek šířeji pojatého kurikula. To je chápáno jako komplexní program vzdělávání, v němž je zahrnuta představa cílů pedagogického působení, obsahu výuky, metod a organizace vyučovacího procesu, jeho podmínek a hodnocení. Kurikulum tedy zahrnuje komplex problémů vztahujících se k řešení otázek proč, koho, v čem, jak, kdy, za jakých podmínek a s jakými očekávanými efekty vzdělávat [2]. Kurikulární tvorba ovšem nemůže probíhat nezávisle na současném stavu a vývoji didaktického systému jako celku. Proto lze považovat také vývoj didaktického systému fyziky za určité východisko kurikulární tvorby a tedy i vytváření současného Školního vzdělávacího programu. Je to o to důležitější, že fyzika jako vědní disciplína a její praktické aplikace prodělávaly a stále prodělávají významný vývoj, jehož transformace do didaktického systému fyzikálního vzdělávání je stále složitější. Podívejme se alespoň ve stručnosti, jak se výuka fyziky v minulosti vyvíjela. Jestliže nahlédneme do pramenů zachycujících situaci ve školství před sto lety, zjistíme, že problémy, s nimiž se školy potýkaly před sto lety, jsou v podstatě stejné jako ty, na něž narážíme v současnosti. Tehdy stejně jako dnes zaznívala kritika nedostatku vyučovacích hodin, odtrženosti výuky od potřeb praxe i dalšího studia, nedostatečných znalostí studentů přicházejících na vyšší stupeň školy atd. atd. Není ovšem cílem postihnou v tomto příspěvku celou šíři problematiky. Proto se dále zaměříme jen na výuku ve všeobecně vzdělávací střední škole, čili gymnáziu, které v průběhu 20. století prodělalo řadu podob a proměn. Didaktický systém fyziky na střední škole a jeho vývoj Aniž bychom se příliš vraceli do minulosti, můžeme konstatovat, že již v polovině 19. století sílily hlasy volající po rovnoměrném rozdělení klasického a přírodovědného vzdělání na gymnáziu. Přesto však dominovala výuka klasickým jazykům a dokonce v roce 1855 byla ubrána fyzice jedna vyučovací hodina, kterou získala výuka latiny. Nicméně pokrok se nezastavil a projevoval se jak ve struktuře školského systému té doby, tak v obsahu a metodách výuky. Ve

5

školské soustavě se to projevilo tak, že vedle osmiletého gymnázia, jehož hlavním posláním byla příprava pro studium na vysoké škole hlavně univerzitního typu, začaly vznikat také sedmitřídní reálky spíše praktického zaměření. Základní informaci o didaktickém systému fyziky na střední škole nám poskytují učební osnovy pro gymnázium, v jejichž vývoji lze identifikovat několik charakteristických etap, které byly předznamenány určitými výraznějšími změnami učebního plánu daného typu školy, úpravami struktury učiva a inovacemi jeho obsahu. Zvolíme-li jako východisko našich úvah počátek 20. století, je třeba připomenout významnou úpravu zastaralých osnov fyziky, která byla provedena na úrovní vyššího gymnázia a reálky v roce 1899 a následně vydáním nových osnov pro nižší gymnázia v roce 1900. Učební plán, kterým byly v těchto osnovách stanoveny týdenní počty vyučovacích hodin, zůstal v platnosti bez podstatných změn prakticky celou první polovinu 20. století. Na vyšším gymnáziu (5. až 8. ročník) se po celou tuto dobu fyzika vyučovala jen ve dvou nejvyšších třídách – septimě a oktávě. K zásadní změně došlo až v roce 1953, kdy zanikla osmiletá gymnázia a vznikla tzv. jednotná škola v podobě jedenáctileté střední školy (JSŠ). Středoškolskému vzdělávání v JSŠ odpovídala výuka ve třech nejvyšších ročnících a ve všech se také vyučovala fyzika, což se projevilo výrazným nárůstem hodinové dotace fyziky v učebním plánu JSŠ. Samostatným předmětem v té době byla také astronomie s dotací jedné vyučovací hodiny v 11. ročníku JSŠ. V roce 1961 však došlo k oddělení tří nejvyšších tříd JSŠ do samostatné výběrové střední školy s názvem střední všeobecně vzdělávací škola (SVVŠ). To však neznamenalo zásadnější změnu v rozsahu ani v obsahu výuky, kterou přinesla až postupná přeměna SVVŠ na čtyřleté gymnázium v roce 1969. V roce 1976 byl publikován tzv. „Projekt dalšího rozvoje československé výchovně vzdělávací soustavy“. Na jeho základě probíhal v letech 1978 – 1984 postupný přechod na nový vzdělávací systém, ukončený vydáním nového školského zákona o soustavě základních a středních škol. V něm byl vytvořen prostor pro další zvětšení hodinové dotace fyziky, která dosáhla maxima v nových osnovách fyziky vydaných v roce 1983. Společenské změny, které přinesl rok 1989, zahájily novou etapu vývoje školského systému, pro který je charakteristická zejména liberalizace cest vzdělávání. Odrazem těchto tendencí je především možnost jednotlivých škol i učitelů významným způsobem zasahovat jak do učebních plánů školy, tak do obsahu učiva a jeho uspořádání do didaktického systému. Tomu odpovídají i osnovy gymnázia z roku 1999, které již nestanoví jednotný a závazný obsah výuky, ale vymezují jen minimální rozsah učiva. Současně se mění i formy,

6

kterými jsou stanoveny minimální požadavky na obsah vzdělávání (standardy, kmenové učivo, katalog požadavků k maturitní zkoušce). V současnosti se fyzika stává jedním z předmětů širší vzdělávací oblasti Člověk a příroda Rámcového vzdělávacího programu pro gymnázia (RVP G [3]) a minimální učební plán pro všechny předměty této oblasti – fyziku, chemii, biologii, geografii a geologii je RVP stanoven na 24 hodin. Skutečnou hodinovou dotaci jednotlivých předmětů však určuje až učební plán, který je součástí Školního vzdělávacího programu a každá škola si ho připravuje samostatně. V této souvislosti je vhodné, ukázat, jak se učební plán fyziky na gymnáziu měnil v průběhu uplynulého století. Vývoj učebního plánu fyziky na vyšším gymnáziu a jemu odpovídajících ročnících všeobecně vzdělávací školy je přehledně shrnut v tabulce 1 (údaje se týkají rozsahu výuky na úrovni základní větve vzdělávacích programů). Tabulka 1 Rok

Škola

1899 1898 1908 1919 1948 1953 1961 1983 1990 1999 2006

Gymnázium Reálka (sedmiletá) Reálné gymnázium Gymnázium Gymnázium JSŠ SVVŠ Gymnázium Gymnázium Gymnázium Gymnázium (RVP G Člověk a příroda)

Ročník 5 (1) -

6 (2) 4 -

3 3 3 2 2 P3)

3 3 3 2 2 P

7 (3) 3 4 3 4 3 51) 4 3 2 2 V4)

8 (4) 3 4 4 4

4 2 R2) V

Celkem 6 8 7 8 7 11 10 13 8 6 24

1) Včetně astronomie, která byla v učebním plánu jako samostatný předmět s dotací 1 vyučovací hodina. 2) Hodinovou dotaci určuje ředitel školy. 3) Vzdělávací obsah oborů dané vzdělávací oblasti musí být zařazen v příslušném ročníku. 4) Zařazení vzdělávacího obsahu oborů dané vzdělávací oblasti do ročníků stanovuje ŠVP.

Poznámka K tabulce 1 ještě uveďme, že na gymnáziu (na rozdíl od reálky) a později rovněž na reformním reálném gymnáziu byly součástí osnov fyziky také poznatky chemie. V podstatě to byly základy anorganické chemie, které se vyučovaly ve 2. pololetí VII. ročníku. Odtud se odvíjí požadavek, aby učitelská příprava zahrnovala dnes málo využívanou aprobační skupinu předmětů fyzika - chemie.

7

Didaktický systém fyziky v osnovách střední školy Nejúplněji lze sledovat rozvoj fyzikálního vzdělání na vývoji struktury a obsahu osnov fyziky. V této souvislosti je možné konstatovat, že jsou témata středoškolské fyziky, která lze označit za nedílnou součást všech vývojových etap didaktického systému fyziky a jejich obsah jen nepatrně ovlivňuje čas. K těmto tématům patří především Mechanika, kterou se prakticky vždy na našich středních školách začíná. Stejně tak lze hodnotit téma Mechanické vlnění a akustika, které v současnosti, ve světě zhlceném audiovizuální komunikací, nacházíme v osnovách fyziky prakticky ve stejné podobě jako před sto lety, včetně ladičky jako dominantního zdroje zvuku. Podobně je na tom i optika, která rovněž nepřekračuje rámec 19. století. Kromě nejjednodušší informace o vláknovém světlovodu, od něhož se odvíjí významný technický obor - vláknová optika, a základních poznatků o principu holografie v podobě rozšiřujícího učiva se zde setkáváme jen s poznatky s více než stoletou historií. Nejvýrazněji se v průběhu 20. století vyvíjelo učivo elektřiny, jehož základ nejdříve tvořily poznatky elektrostatiky a na ně navazující učivo o elektrickém proudu. Závěr tohoto učiva pak postupně reflektoval nejnovější poznatky fyziky a brzy po ocenění objevu rentgenových paprsků první Nobelovou cenou v historii uzavíraly tyto nejnovější poznatky učivo elektřiny, jak to dokumentuje ukázka výrazně modernizovaných osnov z roku 1933: … Telefon a mikrofon. Výboje v plynech. Záření katodové a paprsky kanálové, elektrony, paprsky Roentgenovy. Ionisace plynu. Elektronové lampy a jejich užití. Elektrické vlny. Kmitavý kruh, kruhy spřažené, resonance. Detektory, radiotelegrafie a radiofonie. Hlavní zjevy radioaktivní.

Celkový vývoj osnov středoškolské fyziky ve druhé polovině 20. století je patrný z následujícího přehledu: Přehled vývoje osnov fyziky na střední všeobecně vzdělávací škole (gymnáziu) ve 2. polovině 20. století Osnovy fyziky z roku 1948 (čtyřleté gymnázium) III. třída Úvod. Mechanika. Astronomie. Vlastnosti kapalin a plynů v klidu. Nauka o proudění tekutin – fyzika letu. Molekulární vlastnosti. Nauka o vlnění. Akustika. Termika. IV. třída Nauka o magnetismu. Nauka o elektřině. Nauka o světle. Nauka o záření a stavbě hmoty. Základy astrofyziky.

8

Osnovy fyziky z roku 1953 (jedenáctiletá střední škola) 9. ročník Úvod. Mechanika. 10. ročník Molekulární fyzika a teplo. Základy nauky o vlnění a akustice. Geometrická optika. 11. ročník Elektřina. Záření a stavba atomu. Samostatný předmět Astronomie. Osnovy z roku 1961 (střední všeobecně vzdělávací škola) 1. ročník Úvod. Mechanika. 2. ročník Molekulová fyzika a termika. Kmity a vlnění, akustika. Elektřina a magnetismus I. 3. ročník Elektřina a magnetismus II. Optika. Stavba atomu. Astronomie. Závěr. Osnovy z roku 1983 (gymnázium) 1. ročník Úvod. Formy a příčiny mechanického pohybu. Gravitační pole. Elektrické pole. 2. ročník Struktura a vlastnosti látek. Elektrický proud v látkách. 3. ročník Magnetické pole. Kmitání a vlnění. 4. ročník Světlo a záření. Stavba atomu. Astrofyzika. Fyzikální obraz světa. Osnovy z roku 1990 (čtyřleté gymnázium) 1. ročník Úvod. Základy mechaniky hmotných bodů. Gravitační pole. Mechanika otáčivého pohybu tuhého tělesa. Mechanika kapalin a plynů. 2. ročník Struktura a vlastnosti látek. Mechanické kmitání a vlnění. 3. ročník Elektrické pole. Elektrický proud v látkách. Magnetické pole. Střídavý proud. Fyzikální základy elektroniky. Elektromagnetické kmitání a vlnění. 4. ročník Světlo a záření. Základy speciální teorie relativity. Základy fyziky mikrosvěta. Astrofyzika. Fyzikální obraz světa.

9

Osnovy z roku 1999 (čtyřleté, popř. osmileté gymnázium) 1. (5.) ročník Fyzikální veličiny a jejich měření. Mechanika. 2. (6.) ročník Molekulová fyzika a termika. Mechanické kmitání a vlnění. 3. (7.) ročník Elektřina a magnetismus. 4. (8.) ročník Optika. Speciální teorie relativity. Fyzika mikrosvěta. Astrofyzika. Fyzika v širších souvislostech.

Jak je patrné z uvedeného přehledu, zásadnější změny ve struktuře didaktického systému fyziky přinesly až osnovy gymnaziální fyziky na počátku druhé poloviny 20. století, v nichž je zakotveno uspořádání jednotlivých témat v posloupnosti, s níž se setkáváme i v současném návrhu didaktického systému, jak ho prezentuje Rámcový vzdělávací program pro gymnázium (RVP G) [3, s. 26]. Určitou výjimku zde tvoří téma Mechanické kmitání a vlnění, které je v RVP G zařazeno do mechaniky, ačkoliv v celé historii vývoje didaktického systému fyziky české střední školy takto řazeno nikdy nebylo a preferována byla spíše vazba na akustiku a optiku, pro které bylo mechanické kmitání a vlnění obecným východiskem. Z učiva elektřiny byly také vyčleněny poznatky z atomové a jaderné fyziky do samostatného tématu, což odráželo pozornost, která byla od 50. let 20. století upřena k technologickému využití štěpné reakce uranu a dalších poznatků fyziky mikrosvěta. V 60. letech 20. století pak didaktický systém začínají ovlivňovat modernizační snahy ve fyzice, což se projevuje např. zařazením základních poznatků speciální teorie relativity nebo větším důrazem na stěžejní poznatky, na nichž je založena kvantová fyzika. V učivu elektromagnetismu naopak dochází k určitým redukcím učiva, které se týkají např. poznatků z elektrostatiky nebo praktických aplikací, jejichž praktický význam s vývojem techniky poklesl (např. poznatky o některých točivých elektrických strojích, jako je dynamo nebo komutátorový elektromotor na stejnosměrný proud). Tyto redukce byly nutné také proto, aby se našel prostor pro zcela nové poznatky o vedení elektrického proudu v polovodičích a jejich praktickém využití. Učivo o polovodičích je také nejvýraznějším zásahem do didaktického systému učiva elektřiny, které bylo poprvé učebnicově zpracováno v r. 1965 a prodělalo značný vývoj, který s ohledem na bouřlivý rozvoj polovodičové elektroniky stále probíhá.

10

Největší odchylku od klasického uspořádání učiva znamenaly osnovy z roku 1983, jejichž příprava začala ve 2. polovině 70. let 20. století v souvislosti s celkovou přestavbou školské soustavy. V tomto období také dosáhla maxima hodinová dotace fyziky na střední škole (viz učební plán z roku 1983 v tabulce 1). Tím byl vytvořen nejen větší prostor pro modernizaci obsahu zařazením nových, popř. prohloubením obsahu tradičních témat učiva, ale došlo i k výrazným změnám ve struktuře didaktické soustavy. To se projevilo např. vytvořením integrovaných poznatkových soustav jednak v učivu o silových polích (gravitační a elektrické pole), jednak v učivu o mechanickém a elektromagnetickém vlnění. Příznivá hodinová dotace umožnila také realizaci systému teoretických a laboratorních cvičení, pro něž byla v učebním plánu vymezena jedna týdenní hodina v dělené třídě. Kromě povinné části výuky fyziky měl žák možnost prohloubit si fyzikální vzdělání ještě v nepovinném předmětu cvičeních ve všech ročnících čtyřletého gymnázia a v posledním roce studia mohl navštěvovat volitelný seminář a cvičení v jednom z pěti zaměření (Vybrané kapitoly z fyziky, Fyzika a technika, Fyzika hvězd a vesmíru, Fyzika pevných látek a Fyzika a filozofie). Učební plán a osnovy z roku 1983 tvořily základ rozsáhlého projektu, který byl postupně realizován až do konce 80. let. I když byl velmi kvalitně připraven a opíral se např. o výzkumem ověřené učební materiály, nesl znaky tehdejší školské politiky, kterou charakterizovala jediná alternativa řešení didaktického systému výuky. To vyvolalo prakticky hned po společenských změnách v roce 1989 značnou kritiku učitelské veřejnosti, která nepřijala zejména některé výraznější zásahy do tradiční struktury učiva v podobě zmíněných integrovaných poznatkových soustav. Současně byl nastoupen trend liberalizace školské soustavy, kterou charakterizuje značná volnost ve volbě vzdělávacích cest. To ve svých důsledcích vedlo nejprve k redukci hodinové dotace fyziky na 2 hodiny týdně (1990) a posléze jen ke stanovení povinného minimálního učebního plánu (1999) a změnám osnov fyziky, které znamenají do značné míry návrat ke klasické struktuře didaktického systému. Možné alternativy učebních plánů a individuální úpravy uspořádání učiva na jednotlivých školách si pak vyžádaly i jinou koncepci učebnic fyziky a vznik souboru tematicky zaměřených učebnic (viz dále), které učiteli poskytují lepší možnost sladit vlastní záměry vzdělávacího programu s žákům dostupnými učebními materiály. Zásadní změny ve vymezování didaktického systému přinášejí Rámcové vzdělávací programy a na ně navazující Školní vzdělávací programy. Projektování výuky se stává věcí samotných učitelů na školách, přičemž pro učitele je tato činnost zcela nová a v pregraduální vysokoškolské přípravě učitelů na vysokých školách se nově objevuje teprve v poslední době. Proto byl pro učite-

11

le připraven tvůrci RVP tzv. Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů [4], v němž se konkrétně učitele fyziky, popř. celého vzdělávacího okruhu Člověk a příroda týká zejména tabulace učebního plánu ([4], s. 77] a příprava učebních osnov ([4] s. 97). Již z ukázek školních vzdělávacích programů tzv. pilotních škol je však patrná značná různorodost takto zpracovaných osnov, které lze v nejednom případě označit i za problematické. Ve snaze dosáhnout určité kompatibility vytvářených osnov se současnými učebnicemi fyziky pro gymnázia vydalo nakladatelství Prometheus Příručku [5]. V ní jsou zpracovány návrhy osnov pro tři různé varianty učebních plánů pro vyšší stupeň gymnázia: O – optimální (učební plán 2 + 2 + 3 + 2), P – přiměřená (2 + 2 + 2 + 2) a S – skromná (2 + 2 + 2 + 0). Učebnice fyziky pro gymnázium a jejich vývoj Samotné osnovy fyziky nepodávají dostatečně úplný pohled na didaktickou soustavu učiva. Ten lze získat spíše z učebnicových textů, z nichž je patrný předpokládaný rozsah a úroveň výkladu jednotlivých poznatků vymezených osnovami jen v podobě tematických celků, dílčích témat a hesel. Proto je pro posouzení vývoje fyzikálního vzdělávání na střední škole vhodné ukázat, jak byly v jednotlivých etapách vývoje didaktického systému konkretizovány osnovy v učebnicích. Zdálo by se, že není možné ve stručnosti prezentovat všechny učebnice, které v průběhu uplynulého století u nás vznikaly. Jestliže se však omezíme na učebnice určené pro povinnou výuku ve všeobecně zaměřené střední škole (gymnáziu), je rozsah učebnicové tvorby za uvedené období až překvapivě stručný. V následujícím přehledu jsou uvedeny učebnice používané na českých gymnáziích od r. 1911. Přehled českých učebnic pro vyšší třídy gymnázia vydaných ve 20. století Jeništa, J. – Mašek, B. – Nachtikal, F.: Fysika pro vyšší gymnasia, díl I. a II. JČMF Praha 1911. *** Mašek, B. - Jeništa, J. – Nachtikal, F. – Štěpánek J. : Fysika pro vyšší třídy středních škol, díl I. a II. JČMF Praha 1936. Devorecký, H. – Šmok, M.: Fysika pro vyšší třídy středních škol, díl I. a II. JČMF Praha 1935 – 36. Herolt, E. – Ryšavý, V.: Fysika pro vyšší třídy středních škol, díl I. a II. Česká grafická unie, Praha 1935. ***

12

Chytilová, M. – Pavlík, B. – Šoler, K. – Vlach, B.: Fysika pro třetí třídu gymnasií, SPN, Praha 1953. Bělař, A. – Hlavička, A. – Lehar, F. – Pavlík, B. – Pírko, Z.: Fysika pro čtvrtou třídu gymnasií, SPN Praha 1953. *** Kašpar, E. – Chytilová, M. – Vlach, B.: Fysika pro devátý ročník, SPN, Praha 1958. Šoler, K. – Fuka, J. – Lehar, F.: Fysika pro desátý ročník, SPN, Praha 1958. Rudolf, V. – Fuka, J. – Hlavička, A.: Fysika pro jedenáctý ročník, SPN, Praha 1958. *** Marek, J. – Chytilová, M. – Kašpar, E. – Vanýsek, V.: Fyzika pro I. ročník střední všeobecně vzdělávací školy, SPN, Praha 1965. Vanovič, J. – Sokol, E. – Thern, L. – Vlach, B.: Fyzika pro II. ročník střední všeobecně vzdělávací školy, SPN, Praha 1965. Fuka, J. – Klimeš. B. – Lepil, O. – Rudolf, V. – Široký, J. – Vanýsek, V.: Fyzika pro III. ročník středních všeobecně vzdělávacích škol, SPN, Praha 1965. *** Chytilová, M.: Doplněk k učivu fyziky pro I. ročník gymnasia, SPN, Praha 1972. Vlach, B.: Doplněk k učivu fyziky pro II. ročník gymnasia, SPN, Praha 1974. Lepil, O. – Chytilová, M.: Doplněk k učivu fyziky pro III. ročník gymnasia, SPN, Praha 1973. Fuka, J.: Doplněk k učivu fyziky pro IV. ročník gymnasia, SPN, Praha 1974. *** Vachek, J. – Bednařík, M. – Klobušický, K. – Maršák, J. – Novák, J. – Šabo. I.: Fyzika pro I. ročník gymnázií, SPN Praha 1984. Svoboda, E. – Bartuška, K. – Baník, I. – Kotleba, J. – Tomanová, E.: Fyzika pro II. ročník gymnázií, SPN, Praha 1985. Lepil, O. – Houdek, V. – Pecho, A.: Fyzika pro II. ročník gymnázií, SPN Praha 1986. Pišút, J. – Frei, V. – Fuka, J. – Lehotský, D. – Široký, J. – Tomanová, E. – Vanýsek, V.: Fyzika pro IV. ročník gymnázií, SPN, Praha 1987. Ukázky obálek učebnic vydávaných od roku 1953 jsou v barevné příloze.

13

Tvorba učebnic v 1. polovině 20. století je těsně spjata s Jednotou českých matematiků a fyziků a učebnice vydávané JČMF se na gymnáziích používaly ještě po roce 1945 až do vydání prvních poválečných gymnaziálních učebnic v roce 1953, kdy prakticky po polovině století dochází k zásadní obměně autorských kolektivů. Tyto učebnice však jsou v duchu dřívějších koncepcí určeny jen pro poslední dva ročníky gymnázia, v nichž se na vyšším gymnáziu fyzika vyučovala již od konce 19. století. Od vzniku jedenáctileté střední školy se zvětšuje počet učebnic pro povinnou výuku na tři a po přechodném období, kdy se tříletá SVVŠ mění na čtyřleté gymnázium, se ukázala potřeba vytvořit čtyři samostatné učebnice. Nejprve byly učebnice z roku 1965 upraveny vydáním tzv. Doplňků pro jednotlivé ročníky (1972-1974), v nichž byla nově zpracována vybraná témata. Koncem 70. let byla v souvislosti s tzv. přestavbou československé vzdělávací soustavy zahájena tvorba učebnic (posledních tzv. „federálních“, vydávaných rovněž v jazyce slovenském a maďarském), které vznikaly v rámci rozsáhlého projektu, jehož gestorem byl Výskumný ústav pedagogický v Bratislavě. Za pozornost stojí značný rozsah výukových materiálů pro výuku fyziky ve všech formách (povinná, volitelná, nepovinná). Je to celkem 14 učebnicových textů a nová dvoudílná Sbírka úloh z fyziky pro gymnázia (V. Koubek a kol.). Celý tento rozsáhlý projekt, který ovlivňuje koncepci středoškolských učebnic fyziky až do současnosti, uzavřelo v roce 1991 první vydání Přehledu středoškolské fyziky (E. Svoboda a kol.). Změny osnov v roce 1990 s podstatnou úpravou struktury učiva iniciovaly vytvoření nových souborů učebnic, které vznikaly od roku 1993. Současnost středoškolských učebnic v České republice tedy představují dva ucelené soubory. Je to především osmidílný soubor tematických učebnic pro gymnázium s větší hodinovou dotací fyziky a s náročnějším zpracováním učiva. Obsah jednotlivých učebnic souboru odpovídá tematickým celkům osnov fyziky z roku 1990, resp. 1999 (Mechanika, Molekulová fyzika a termika, Mechanické kmitání a vlnění, Elektřina a magnetismus, Optika, Speciální teorie relativity, Fyzika mikrosvěta, Astrofyzika). Pro výuku na středních školách (nejen gymnáziích) s menší hodinovou dotací a méně náročným zpracováním učiva byl vytvořen dvoudílný soubor učebnic Fyzika pro střední školy I a II. Produkce nových učebnic se ujalo nakladatelství Prometheus, které se již svým názvem hlásí k tradici učebnic vydávaných Jednotou českých matematiků a fyziků v nakladatelství stejného jména. Od prvních vydání středoškolských učebnic fyziky probíhají při jejich reedicích opakovaně dílčí inovace obsahu i formálního zpracování učebnic. Současný stav reprezentují webové stránky nakladatelství [6]. I když v 90. letech došlo k několika dalším editorským akti-

14

vitám v oblasti středoškolských učebnic pro výuku fyziky, jiné ucelené soubory učebních textů v Česku zatím nevznikly. Tím se situace ve středoškolské výuce podstatně liší od vydávání učebnic fyziky pro základní školu, kde již vzniklo několik souborů učebnic v různých nakladatelstvích. Perspektivy vývoje didaktického systému středoškolské fyziky Pro další vývoj didaktického systému středoškolské fyziky lze považovat za klíčové řešení tří hlavních okruhů problémů. Jsou to: 1. Problémy spjaté s postavením přírodovědného vzdělání v soudobé společnosti. 2. Problémy vztahu fyzikálního vzdělávání k současné školské soustavě. 3. Problémy obsahu a metod výuky fyziky. První okruh problémů souvisí s jistým odklonem požadavků společnosti i zájmu mladé generace od přírodovědného a zejména fyzikálního poznávání, které je objektivně velmi náročné. Má-li reflektovat soudobou úroveň fyziky jako vědecké disciplíny, stává se poznávací proces velmi abstraktní, žákovi se jeví z hlediska jeho potřeb jako neužitečný a naše snaha vytvořit v mysli žáka přírodovědný obraz světa konce 20. století se míjí účinkem. Fyzika se řadí mezi vědní obory s vysokým stupněm abstrakce, který je dán přesunem pozornosti fyziků do oblasti mikrosvěta. Obraz světa převážně zprostředkovávaný matematickým aparátem rozhodujícím způsobem determinuje všeobecný způsob přírodovědného myšlení, interpretace reality a její chápání. V obsahu výuky fyziky se zejména v souvislosti s modernizačními snahami akcentoval přístup, který chápe učební předmět fyziku jako jistou transformaci vědní disciplíny. Výrazným projevem této koncepce je důraz na strukturální pojetí učiva, které známe již ze základní školy např. v podobě interpretace řady makroskopických, smyslům dostupných jevů z pozice jejich částicové podstaty na úrovni pohybu molekul a atomů. Modernizační hnutí ve fyzice tedy směřovalo k vytvoření modelu výuky fyziky, který by lépe odrážel současný stav vědeckého poznání a školská fyzika byla pojímána jako zjednodušený obraz fyziky jako vědy. Cílem se stal široce pojatý fyzikální obraz světa, na jehož základě by žák správně chápal děje v přírodě a jejich praktické využití. Nemožnost dosáhnout požadovaného souladu vědeckého poznání s didaktickým systémem středoškolské fyziky vedl k určitému odklonu od tohoto pojetí s tím, že „fyziku na základních a středních školách bychom měli prezentovat ne jako složitý a strohý vědecký systém, ale

15

jako předmět, který popisuje a vysvětluje srozumitelným způsobem jevy okolo nás“ [7]. Důraz kladený v RVP a při tvorbě ŠVP na vytváření kompetencí žáka naznačený pohled na fyzikální vzdělávání žáka dále mění. Vyžaduje se, aby žák získal takové vědomosti, dovednosti a postoje, které potřebuje pro svůj osobní rozvoj, zapojení do společnosti a úspěšnou zaměstnatelnost [8]. To tedy znamená jistý odklon od vytváření vědou vybudovaného fyzikálního obrazu světa i od koncepce „fyziky okolo nás“ k výběru obsahu a metod výuky podřízených potřebám žáka a jeho budoucímu postavení ve společnosti. Problémem tohoto přístupu však je optimální výběr kompetencí a jejich formování výukovým procesem tak, aby naznačené požadavky byly splněny pro široké spektrum společenských zájmů a osobnostních kvalit jednotlivých žáků. To se týká zejména gymnázia jako všeobecně vzdělávací školy, kde je třeba při tvorbě ŠVP a osnov fyziky pečlivě vážit hranici mezi všeobecným vzděláním a odborným vzděláním, které bude dále rozvíjet navazující typ školy. Současně zaznívá také kritika, že fyzika dostatečně nepřispívá k vytvoření integrovaného přírodovědného obrazu světa, že se z výuky vytrácejí vzájemné vazby mezi historicky vzniklými vyučovacími předměty. Zatím co reálný svět se ve své podstatě příliš nemění, mění se naše informace o něm, což vedlo ke vzniku diferencovaných vědních disciplín, z nichž každá má svůj předmět zkoumání. Transformace získaných poznatků do obsahu učiva pak preferuje formování osobnosti žáka jen v dílčím a poměrně úzkém rámci všeobecné, nebo častěji spíše profesionální přípravy, bez těsnějších vazeb s ostatními předměty, tedy bez vytváření mezipředmětových vztahů, které jsou předpokladem vytvoření přírodovědného obrazu světa. Druhý okruh problémů a jejich řešení naznačuje jako jednu z možných cest vývoje didaktického systému integraci přírodovědného vzdělávání. To naznačuje již samotný název vzdělávací oblasti v RVP – Člověk a příroda. Integrační tendence v přírodovědném vzdělávání se uplatňují řadu let v mnoha zemích a mají určitou souvislost se zmíněným modernizačním hnutím v přírodních vědách. První projekty integrované přírodovědy vznikaly již v 60. a 70. letech 20. století a představují přístup, který prezentuje koncepce a principy přírodních věd tak, aby vynikla základní jednota přírodovědného myšlení, pojmů a metod poznávání přírody. Současně mají být potlačovány překonané nebo nevýznamné rozdíly mezi různými oblastmi přírodních věd. Tento netradiční přístup k přírodovědnému vzdělávání však má jak zastánce, tak odpůrce, jejichž argumenty mají svoji váhu a nelze je přehlížet. Některé námitky jsou ryze praktického rázu a souvisejí třeba s tradicí vzdělávání učite-

16

lů, jejichž kvalifikace nejčastěji ve dvou disciplínách (popř. v jedné přírodovědné disciplíně v kombinaci s matematikou) je značnou překážkou realizace projektů integrovaného přírodovědného vzdělávání. V české škole se integrační tendence nejdříve prosadily na elementárním stupni základní školy v předmětu Přírodověda. Ve světě se však integrovaná přírodovědná výuka nejrychleji rozvíjí na úrovni druhého stupně naší základní školy. Výrazný je také trend přizpůsobení přírodovědných kursů společenským potřebám. Jako integrační faktory se objevují např. životní prostředí, výživa a zdraví lidí a technika. Rozšiřuje se oblast integrace a kromě fyziky, chemie a biologie dochází k integraci s vědami o Zemi a vesmíru, s vědecko-technickými disciplínami apod. Důvody pro integraci přírodovědné výuky lze podle Fenclové [9] shrnout do tří oblastí. Do filozofické oblasti spadá skutečnost, že přírodní vědy mají společné cesty poznání a že vytvářejí vědecký obraz přírody, která existuje jako jednotná realita. Do psychologické oblasti patří argumenty pro racionalizaci procesu učení. Pro oblast pedagogicko-praktickou je významné např. zvýšení efektivity výuky a zlepšení jejího spojení s praxí a denním životem. Třetí okruh problémů vyplývá ze samotného vývoje didaktického systému, který dosáhl největší expanze v 80. letech 20. století. Následný prudký pokles počtu povinných výukových hodin však nebyl provázen adekvátní redukcí učiva, což negativně ovlivnilo uplatnění takových metod a forem výuky, jako je problémová výuka, realizace laboratorních cvičení apod. Za těchto okolností je aktuální odpověď na otázku, zda chceme realizovat ucelený soustavný kurs fyziky zahrnující všechny základní poznatkové okruhy učiva, nebo provedeme jen určitý výběr poznatků, které budou zpracovány důkladněji a především s omezeným důrazem na faktografickou stránku učiva, ale s cílem seznámit žáka s vybranými aspekty metodologie poznávání přírodních jevů s jejich uplatněním v praxi a s posílením návaznosti jednotlivých předmětů při vytváření přírodovědného obrazu světa. Disproporce mezi rozsahem učiva středoškolské fyziky a časovými možnostmi učebního plánu nedává příliš prostoru pro inovace obsahu fyzikálního vzdělávání. Na druhé straně je třeba si uvědomit, že řada tradičních poznatků již nepřispívá k vytváření kompetencí odpovídajících současným předpokladům pro další studium nebo praktické zaměstnání. To si žáci často uvědomují a negativní odpověď na otázku „K čemu mi to bude dobré?“ demotivuje jejich zájem o fyzikální vzdělávání. Řešení tohoto problému není snadné a lze k němu přistupovat několika cestami:

17

1. Vymezením určitého minima poznatků tvořícího jádro středoškolské fyziky. 2. Diferencovaným důrazem na jednotlivá témata, zákonitosti a pojmy učiva. 3. Inovacemi tradičních témat s ohledem na současný vědecko-technický rozvoj. 4. Seznámením žáků s novými vědeckými poznatky a s jejich využitím. 5. Vytvářením komplexních témat zahrnujících poznatky z různých tematických okruhů fyziky, popř. dalších přírodovědných disciplín. Vymezení nutného minima poznatků, které by splňovaly cílový požadavek vytvoření fyzikálního (popř. přírodovědného) obrazu světa, je obtížný problém, obvykle řešený stanovením tzv. základního nebo kmenového učiva. V současnosti lze považovat za takto vymezené minimum očekávané výstupy a učivo, jak je stanoveno v obsahu vzdělávacího oboru Fyzika v RVP, který je však poznamenán snahou o maximální redukci obsahu RVP a nastavuje tuto hranici v některých tématech příliš nízko. Jak již bylo konstatováno, obsah a struktura didaktického systému fyziky se po mnoho let zásadním způsobem nemění a převážná většina poznatků představuje základ praktických aplikací, kde se tyto poznatky využívají novým způsobem a v nových souvislostech. Složitost a komplexnost těchto aplikací znesnadňuje inovaci tradičních poznatků a výklad některých tradičních témat fyziky se stává spíše výkladem historie fyziky. Současně s inovacemi tradičních témat učiva fyziky je třeba uvážit, že se ve fyzice utvářejí nové ucelené okruhy poznatků, které jsou významné nejen z hlediska fyziky jako vědecké disciplíny, ale perspektivní jsou i jejich praktické aplikace. Příklady takových okruhů poznatků se zabývá seminární materiál [10]. Literatura [1] Zákon o předškolním, základním, středním, vyšším a jiném vzdělávání (školský zákon), č. 561/2004 Sb. Dostupné na: http://www.msmt.cz/dokumenty/novy-skolsky-zakon [2] Nezvalová, D.: Moduly pro profesní přípravu učitele přírodovědných předmětů a matematiky, UP, Olomouc 2008, 370 s.. ISBN 978-80-244-1912-1. Dostupné na http://esfmoduly.upol.cz/publ.html [3] Rámcový vzdělávací program pro gymnázia, VÚP, Praha 2007, 102 s. Dostupné na: http://www.rvp.cz/

18

[4] Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů na gymnáziích. VÚP, Praha 2007, 140 s. ISBN: 978-80-87000-13-7. Dostupné na: http://www.rvp.cz/soubor/Manual_G.pdf [5] Lepil, O. – Svoboda, E.: Příručka pro učitele fyziky na střední škole. Prometheus, Praha 2007, 280 s. ISBN 978-80-7196-328-8 [6] http://www.prometheus-nakl.cz/ [7] Kluvanec, D.: Súčasné trendy vo vzdelávaní. In: Sborník DIDFYZ 2000, ed. L. Zelenický, JSMF Nitra 2001, s. 5. ISBN 80-8050-387-7 [8] Hučínová, L.: Klíčové kompetence v Lisabonském procesu. VUP Praha, 2004. Dostupné na: http://www.vuppraha.cz/index.php?op=sections&sid=159 [9] Fenclová, J.: Integrace přírodovědného vzdělání. Matematika a fyzika ve škole, 1979, roč. 9, s. 598–603. [10] Lepil, O.: Přírodovědné integrované výukové projekty. In: Konstruktivismus a jeho aplikace v integrovaném pojetí přírodovědného vzdělávání (ed. D. Nezvalová), VUP, Olomouc 2006, s. 7-42. ISBN 80-244-1391-4 Dostupné na: http://www.science.upol.cz/

19

Zkušenosti s tvorbou ŠVP DANA BARÁNKOVÁ Gymnázium Jana Opletala, Litovel se zapojilo do systémového projektu Pilot G/GP, ve kterém vytvářelo své školní vzdělávací programy (ŠVP) 16 pilotních škol za podpory Výzkumného ústavu pedagogického (VÚP) v Praze. Náš ŠVP jsme tvořili přibližně 2 roky. Byly to 2 roky náročné práce, získávání nových zkušeností, častých a někdy i bouřlivých debat a diskusí, a zejména úvah o smyslu a výsledcích naší učitelské práce. Já osobně jsem členkou užšího projektového týmu a garantem tvorby osnov vyučovacího předmětu Fyzika. Ve svém příspěvku tedy uvádím hlavní kroky při práci na našem ŠVP na základě mých vlastních zkušeností a ukázky z našeho ŠVP, o kterých se domnívám, že by mohly zajímat učitele fyziky. Projektový tým Na tvorbě ŠVP se podíleli prakticky všichni vyučující, i když na různých úrovních. Organizace a personální zajištění na našem gymnáziu vypadala takto: • koordinátor ŠVP • užší projektový tým • vedoucí oborů • všichni učitelé. Koordinátorem ŠVP byla a je současná ředitelka školy, která nese za celý ŠVP odpovědnost. Užší projektový tým byl vytvořen z pěti učitelů, kteří zastupovali jednotlivé předmětové komise. Úkolem užšího týmu bylo zejména: • provést rozbor výchozích podmínek školy • vypracovat obecné kapitoly ŠVP • řídit a koordinovat práci vedoucích oborů a učitelů své předmětové komise. Vedoucí oborů („oboráři“) garantovali tvorbu učebních osnov jednotlivých předmětů. Na naší škole jich pracuje celkem 16 a tvoří širší projektový tým. Přípravná fáze tvorby ŠVP V první fázi si měli vyučující pozorně prostudovat RVP ZV a pilotní verzi RVP GV, osvojit si základní pojmy a ujasnit si jejich význam a smysl. A tak jsme se začali potýkat s klíčovými kompetencemi, výchovnými strategiemi či průřezovými tématy.

20

Na jedné straně řadě učitelů připadalo, že jde o „slovíčkaření“ a nové pojmenování již dříve zavedených výchovně vzdělávacích cílů. Na straně druhé většina pedagogického sboru cítila potřebu určité změny. Takže se diskutovalo: „ Jak učit, aby práce bavila nás učitele a také žáky? Jak přitom splnit požadavky na vědomostní úroveň žáků při chystaných státních maturitách a při přijímacích zkouškách na vysoké školy?“ Základními problémy se nám jevily časová náročnost vhodných metod a forem práce a velký rozsah učiva. Tyto názory a námitky jsme řešili jednak s garantem školy z VÚP, jednak na oborových setkáních. Jedním z prvních úkolů byla analýza podmínek školy. K rozboru výchozích podmínek školy jsme využili jednak dotazníkové šetření a také SWOT analýzu. Dotazníky pro žáky, rodiče a učitele vytvořili a statisticky vyhodnotili členové užšího týmu. Dále všichni učitelé zpracovali vlastní SWOT analýzy, které byly užším týmem zkompletovány a tím jsme získali ucelený obraz silných a slabých stránek školy. Cenné informace jsme získali i ze statistických údajů a dokumentů, které na škole tradičně zpracováváme – výroční zprávy, úspěšnost absolventů při přijímání na vysoké školy, volby studijních oborů na VŠ. S výsledky analýzy byl zevrubně seznámen učitelský sbor. Vlastní tvorba ŠVP Při vlastní tvorbě ŠVP pro vyšší stupeň gymnázia a pro čtyřleté gymnázium musí škola povinně vycházet z Rámcového vzdělávacího programu pro gymnázia (RVP G), který mimo jiné: • stanovuje základní vzdělávací úroveň pro všechny absolventy gymnázií • specifikuje úroveň klíčových kompetencí, které by měli žáci na konci vzdělávání na gymnáziu dosáhnout • vymezuje závazný vzdělávací obsah • zařazuje jako závaznou součást vzdělávání průřezová témata • podporuje komplexní přístup k realizaci vzdělávacího obsahu, včetně možnosti jeho vhodného propojování, a předpokládá volbu různých vzdělávacích postupů, různých metod a forem výuky. Za soulad ŠVP s RVP zodpovídá ředitel školy. Úvodní kapitoly zpracovával užší projektový tým. Jako motto školy byl zvolen upravený citát L. A. Senecy „Non scholae, sed vitae discimus.“ („Neučíme se pro školu, ale pro život.“), jenž vystihuje cíle vzdělávání na gymnáziu, tedy zejména podporovat zájem žáků celoživotně se vzdělávat.

21

Na základě prostorových, personálních, materiálních i technických podmínek jsme formulovali všeobecné zaměření školy s důrazem na přírodovědnou a jazykovou oblast. Výchovné a vzdělávací strategie na úrovni školy jsme zpracovali na společném třídenním pracovním víkendu, kterého se zúčastnil prakticky celý učitelský sbor. Zde jsme vytvořili i základní představu o celém ŠVP. Novou povinnou součást vzdělávání tvoří průřezová témata, která mají ovlivňovat hodnotový systém, postoje a jednání žáků a také doplňovat vědomosti a dovednosti z různých vzdělávacích oblastí. Je vhodné, aby se žáci s těmito tématy seznamovali v různých předmětech a setkávali se s nimi opakovaně v různých podobách. V ŠVP musí být uveden přehled začlenění a forem realizace průřezových témat. U každého průřezového tématu a jeho tématického okruhu musí být uvedeno, v jakém ročníku, v jakém předmětu a jakým způsobem je realizován. Obsah průřezových témat je rozpracován do tematických okruhů. Všechny tematické okruhy jsou povinné, ale nemusí být začleněny ve všech ročnících nebo oborech. Práce na zařazení průřezových témat byla náročná. Nejprve učitelé, kteří tvořili učební osnovy jednotlivých předmětů, promysleli, co z průřezových témat začleňují běžně do výuky a které tematické okruhy nově zařadí. Na společném setkání jsme do připravených tabulek vpisovali integraci tématických okruhů PT do jednotlivých předmětů a ročníků. Poté užší tým vyhodnotil, které tematické okruhy zůstaly nezačleněny a hledal, jakými metodami a ve kterých oborech je budeme realizovat. Jako příklad uvádím zpracování průřezového tématu Environmentální výchova. Začlenění průřezových témat do ŠVP Tematické okruhy průřezových témat

Kvinta, Sexta, Septima, 1. ročník 2. ročník 3. ročník

Oktáva, 4. ročník

4.2.4 Environmentální výchova (ENV) Problematika vztahů organismu a prostředí Člověk a životní prostředí

INT/BI INT/F INT/CH INT/Z

Životní prostředí České republiky Použité zkratky:

INT/NJ PRO/CHBI-F INT/BI

INT/AJ,FJ,ŠJ,RJ INT/F, INT/BI INT/CH INT/Z

INT – integrace obsahu, PRO – realizace pomocí projektu, KURZ – kurz, SEM – seminář, beseda, EX – exkurze

22

Učební plán Nejkritičtějším obdobím byla práce na učebním plánu. Celkem bez problémů jsme se shodli na základním modelu, který zvolila řada pilotních škol. Během 1. – 3.ročníku absolvují všichni žáci společný základ. Čtvrtý ročník je určen k profilaci žáků a zaměřen na přípravu k maturitní zkoušce a další studium. V učebním plánu tomu odpovídá vysoká hodinová dotace a široká nabídka volitelných předmětů. S tímto rozhodnutím se ztotožnila většina učitelů na základě zkušeností s žáky maturitních ročníků, kteří se předmětům, jež aktuálně nepotřebují, stejně nevěnují. Nesnažili jsme se o převratné změny a rozhodli se zachovat tradiční vyučovací předměty. Bouřlivé diskuse uvnitř užšího týmu ovšem nastaly při jednání o časových dotacích jednotlivých předmětů. Atmosféra byla v některých momentech velmi vypjatá, vztahy mezi zástupci učitelů jazyků, humanitních a přírodovědných předmětů se vyhrotily. Padala řada protichůdných argumentů, proč je třeba posílit tu nebo onu oblast. Nakonec vstřícnost uvážlivých členů užšího týmu přiměla i „horké hlavy“ slevit ze svých požadavků a konstruktivně jednat. Vytvořili jsme kompromisní návrh, ve kterém jsme zohlednili integraci obsahu vzdělávacích oborů a začlenění průřezových témat do jednotlivých předmětů. S návrhem byli seznámeni všichni učitelé jednotlivých předmětových komisí. Po projednání v předmětových komisích došlo v učebním plánu jen k drobným změnám. Souběžně s vytvářením učebního plánu jsme rozhodovali o začlenění vzdělávacích oborů jako Geologie, Člověk a svět práce a Výchova ke zdraví. Zvolili jsme cestu integrace obsahu těchto vzdělávacích oborů do vybraných vyučovacích předmětů a to takto: Geologie – součást vyučovacího předmětu Zeměpis (Z) Člověk a svět práce – součást vyučovacího předmětu Společenské vědy (SV) Výchova ke zdraví – součást vyučovacích předmětů Český jazyk a literatura (ČJL), Biologie (Bi), Společenské vědy (SV), Tělesná výchova (TV) Informatika a informační a komunikační technologie – součást vyučovacích předmětů Chemie (CH), Biologie (Bi), Fyzika (F), Zeměpis (Z), Společenské vědy (SV) a Výtvarná výchova (VV) A takto vypadá současná verze našeho učebního plánu.

23

Učební plán pro čtyřleté gymnázium a vyšší stupeň osmiletého gymnázia Vyučovací předmět

1.ročník kvinta

2.ročník sexta

3.ročník septima

4.ročník oktáva

Český jazyk a literatura Anglický jazyk Další cizí jazyk Matematika Fyzika Chemie Biologie Zeměpis Společenské vědy Dějepis Tělesná výchova Hudební výchova/ výtvarná výchova Informační a komunikační technologie Volitelný předmět 1 Volitelný předmět 2 Volitelný předmět 3 Volitelný předmět 4

3 3 3 4 3 3 3 2 1 2 2 2/2

4 3 3 4 3 3 3 2 2 2 2 2/2

3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 -

5 3 3 5 3 2 -

Časová dotace celkem 15 12 12 16 9 9 9 6 8 6 8 4

2

INT

-

-

2

-

-

2 2 -

3 3 3 3

5 5 3 3

Celkem předepsaných hodin

33

33

33

33

132

Poznámky k učebnímu plánu pro čtyřleté gymnázium a vyšší stupeň osmiletého gymnázia: ƒ Další cizí jazyk je možné volit z jazyka německého, francouzského, španělského a ruského. ƒ Vzdělávací obsahy oborů Geologie, Člověk a svět práce , Výchova ke zdraví a Informatika a informační a komunikační technologie (ICT) jsou integrovány v rámci vybraných vyučovacích předmětů. ƒ Nabídka volitelných předmětů: Literární seminář, Konverzace v anglickém a dalším cizím jazyce, Seminář z dějepisu, Seminář z matematiky, Seminář z fyziky, Seminář z chemie, Se-

24

minář z biologie, Ekologie, Geologie,Společenskovědní seminář, Ekonomie, Management, Filosofie,Latina, Logika, Umění a kultura. ƒ Nabídka nepovinných předmětů: Sportovní hry, Pěvecký sbor, Keramický kroužek, Latina, Cizí jazyk aj. dle zájmu žáků Oproti stávajícímu učebnímu plánu, podle kterého vyučujeme ve třetím a čtvrtém ročníku, přinesl nový učební plán řadu změn. Posílila se dotace předmětů Český jazyk a literatura, Matematika a Společenské vědy vzhledem k budoucí státní maturitě. Na druhé straně se omezil počet hodin v řadě povinných předmětů. Mezi tyto předměty patří i Fyzika. Učební osnovy Učební osnovy se zpracovávají pro každý vyučovací předmět včetně volitelných předmětů a musí obsahovat: • název vyučovacího předmětu • charakteristiku vyučovacího předmětu • vzdělávací obsah vyučovacího předmětu. Charakteristika vyučovacího předmětu obsahuje podstatné informace o vyučovacím předmětu, které jsou důležité pro jeho realizaci: • obsahové, časové a organizační vymezení vyučovacího předmětu • výchovné a vzdělávací strategie Výchovné a vzdělávací strategie jsou metody a formy výuky, postupy a činnosti, které učitelé užívají k rozvíjení klíčových kompetencí žáků. Klíčové kompetence chápeme jako soubor dovedností, vědomostí, schopností, postojů a hodnot důležitých pro uplatnění v životě. Při vymezování výchovných a vzdělávacích strategií je vhodné klást si otázky, jak a pomocí jakých prostředků chtějí učitelé rozvíjet klíčové kompetence. Důležité je také nezaměňovat strategie s cíli nebo rozpracovanými klíčovými kompetencemi. V naší charakteristice vyučovacího předmětu Fyzika jsme uvedli pouze strategie, na kterých se shodli a které používají všichni vyučující fyziky ve škole. To ovšem neznamená, že by jednotliví vyučující nepoužívali další metody a formy výuky.

25

Charakteristika vyučovacího předmětu Fyzika Obsahové vymezení předmětu Vyučovací předmět Fyzika vychází ze vzdělávacího oboru Fyzika, který je součástí vzdělávací oblasti Člověk a příroda v RVP GV. Integruje průřezové téma Environmentální výchova a také části vzdělávací oblasti Informatika a informační a komunikační technologie z RVP GV. Fyzika vede žáky ke zkoumání přírody a jejích zákonitostí. Rozvíjí u žáků schopnosti pozorovat, měřit, experimentovat, vytvářet a ověřovat hypotézy. Je základem pro pochopení a využívání současných technologií. Cílem výuky vyučovacího předmětu Fyzika je osvojení základních fyzikálních pojmů a zákonů, rozvíjení přirozené touhy po poznání světa, ve kterém žijeme, pochopení nejobecnějších zákonů přírodovědy, které jsou základem přírodních, technických a lékařských věd. Časové vymezení předmětu: Týdenní časová dotace: • 1.ročník., kvinta: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky) • 2.ročník., sexta: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky) • 3.ročník., septima: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky) Organizační vymezení předmětu: Fyzika je realizována jako povinný předmět pro žáky 1. – 3. ročníku (kvinty – septimy). Při hodinách cvičení je třída dělena na 2 skupiny. Pro žáky s větším zájmem o fyziku, především pro ty, kteří chtějí z Fyziky složit maturitní zkoušku, je určen ve čtvrtém ročníku a oktávě volitelný předmět Seminář z fyziky v časové dotaci 3 hodiny týdně. Předmět Fyzika je převážně vyučován v učebně fyziky. Výuka je doplňována odbornými exkurzemi a přednáškami. Ve druhém ročníku bude část cvičení z fyziky vyučována v odborné učebně ICT. Během studia vyučovacího předmětu Fyzika se mohou žáci zúčastnit těchto aktivit: • fyzikální olympiáda • korespondenční semináře • odborné soutěže • odborné exkurze

26

Výchovné a vzdělávací strategie: Pro utváření a rozvíjení klíčových kompetencí využívají učitelé následující metody a formy práce : Kompetence k učení Učitel: • zadává úkoly a referáty tak, aby žáci využívali různé druhy studijních materiálů ( učebnice, časopisy, internet, sbírky příkladů ) a získané informace dokázali roztřídit a kriticky zhodnotit • zařazuje do výuky pozorování fyzikálních objektů, demonstrační a frontální pokusy a vyžaduje jejich vyhodnocení • při řešení příkladů dbá na správný a přehledný zápis • zařazuje motivační úlohy a reálné příklady z praxe • na konkrétních příkladech ukazuje souvislost fyziky a ostatních přírodních věd Kompetence k řešení problémů Učitel: • vhodnými dotazy podněcuje žáky k odhadování výsledku úloh a experimentů a ke zhodnocení, zda dosažený výsledek je reálný • vyžaduje fyzikální rozbor situace a zdůvodnění zvoleného postupu • diskusí podporuje žáky v hledání různých cest k vyřešení problému • na konkrétních příkladech učí žáky rozlišit fyzikální model od reality a posoudit, kdy lze využitím modelu danou situaci zjednodušit • rozebírá se žáky chybná řešení problémů, využívá chyb žáků k odstranění nesprávných postupů Kompetence komunikativní Učitel: • dbá, aby žáci jasně a srozumitelně formulovali své myšlenky v ústním i písemném projevu • podněcuje žáky, aby se nebáli zeptat a vyslovit svůj názor • zadává úkoly, které vyžadují různé zdroje informací, využití tabulek a grafů Kompetence sociální a personální Učitel: • zařazuje do výuky práci ve dvojicích a malých skupinách • ve cvičeních sleduje a hodnotí vzájemnou spolupráci žáků ve skupině • vyžaduje dodržování stanovených pravidel a zásad bezpečnosti práce

27

Kompetence občanské Učitel: • důsledně kontroluje plnění uložených úkolů • využívá domácí přípravu žáků ve vyučovacích hodinách • kladným hodnocením a povzbuzováním podporuje snahu žáků • orientačním zkoušením a testy ověřuje soustavnou přípravu žáků na výuku • zadává referáty a projekty, týkající se aktuálního dění ve světě, ekologie a ochrany životního prostředí Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu představuje konkrétní rozpracování očekávaných výstupů a učiva ze vzdělávacích oborů uvedených v RVP G a jejich rozdělení do ročníků, případně jiných časových úseků. Očekávané výstupy popisují, co má žák na konci svého studia zvládnout, jaké znalosti, dovednosti a postoje má získat. Očekávané výstupy jsou pro školu závazné a všichni žáci by jich měli dosáhnout. Vymezují profil absolventa. Učivo stanovuje základní okruhy témat, kterým by se měli učitelé věnovat, aby žáci dosáhli očekávaných výstupů. Učivo pouze doplňuje, co není obsaženo ve výstupech. To co je uvedeno ve výstupech se v učivu neopakuje. Vzdělávací obsah uvedený v RVP G je stanoven jako povinné minimum pro všechny žáky. Hloubku a rozsah stanoví ŠVP. Vzdělávací obsah, který škola uvede v ŠVP je pro ni závazný. Učební osnovy musí obsahovat: • rozpracované očekávané výstupy z RVP G – školní výstupy • rozpracované učivo z RVP G • tématické okruhy průřezových témat s konkrétními náměty, jsou-li do předmětu zařazené. Vzdělávací obsah lze rozpracovat 3 způsoby: • zařazení výstupů i učiva do ročníků • zařazení výstupů do delších časových úseků a učiva do ročníků • zařazení učiva do delších časových úseků a výstupů do ročníků. Z hlediska fyziky jsme se rozhodli pro první možnost, tedy zařazení školních výstupů i učiva do ročníků. Omezení počtu hodin fyziky proti stávajícímu učebnímu plánu a také časová náročnost vhodných metod a forem výuky nás

28

vedla k potřebě redukovat dosavadní vzdělávací obsah a zejména jeho hloubku. Všichni učitelé fyziky řešili, které učivo a v jakém rozsahu bude náplní navazujícího volitelného předmětu Seminář z fyziky. Jednalo se samozřejmě o přesuny v souladu s RVP G. Z našeho pohledu dojde k výraznějšímu rozdílu mezi absolventem povinného kurzu a maturantem z fyziky. Dále jsme chtěli ponechat určitou volnost jednotlivým učitelům fyziky na škole, kteří si dle svého zájmu nebo zájmu svých žáků mohou učivo doplnit. Z praktických důvodů jsme se rozhodli nezačleňovat do ŠVP povinně aktivity, které téměř pravidelně realizujeme, ale v některých letech se organizace nezdaří. Příkladem takových akcí jsou exkurze v jaderné elektrárně Dukovany a přečerpávací elektrárně v Dalešicích nebo přednášky a besedy RNDr. Jiřího Prudkého z Lidové hvězdárny v Prostějově. Požadavkem VÚP bylo, aby učební osnovy všech předmětů měly shodný formát a strukturu. Počítačový expert užšího týmu vytvořil jednotnou tabulku pro rozpracování vzdělávacího obsahu společnou pro všechny předměty. Tato příprava se osvědčila a usnadnila tvůrcům učebních osnov jejich práci. Zpracované návrhy učebních osnov jsme zaslali k posouzení oborovým didaktikům z VÚP, kteří nás upozornili na jejich nedostatky. Nevhodná slovesa v očekávaných výstupech, jako např. uvědomí si, chápe, umí, zná jsme nahrazovali slovesy aktivními, jako např. zhodnotí, posoudí, užívá. Po odstranění nedostatků byly učební osnovy našimi konzultanty schváleny. Jako ukázku uvádím rozpracování výchovně vzdělávacího obsahu pro 1.ročník. Vyučovací předmět: Fyzika Ročník: 1. ročník, kvinta Téma: Školní výstup - žák: FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEJICH MĚŘENÍ

Učivo:

o používá fyzikální pojmy, veličiny, jednotky a jejich značky o měří vybrané fyzikální veličiny vhodnými metodami o zpracuje a vyhodnotí výsledky měření o rozliší skalární veličiny od vektorových a využívá je při řešení fyzikálních problémů a úloh

29

o Fyzikální veličiny a jejich jednotky o Mezinárodní soustava jednotek SI o Měření fyzikálních veličin o Chyby měření o Absolutní a relativní odchylka měření o Skalární a vektorové fyzikální veličiny

(PT, TO, INT, PRO)

POHYB TĚLES A JEJICH VZÁJEMNÉ PŮSOBENÍ KINEMATIKA

DYNAMIKA

PRÁCE. VÝKON. MECHANICKÁ ENERGIE

o Operace s vektory o rozpozná, jaký druh o Vztažná soustapohybu koná těleso vzhle- va. dem k jinému tělesu o Poloha a změna o užívá základní kinemapolohy tělesa tické vztahy při řešení o Rychlost problémů a úloh o pohya zrychlení tělesa bech rovnoměrných o Rovnoměrný a rovnoměrně zrychlených přímočarý pohyb ( zpomalených ) o Rovnoměrně sestrojí grafy závislosti zrychlený přímodráhy, rychlosti, zrychlení čarý pohyb na čase pro pohyby rovno- o Rovnoměrný měrné a rovnoměrně zrych- pohyb po kružnici lené ( zpomalené ) o určí v konkrétních situa- o Síla jako fyzikálcích síly působící na těleso ní veličina o sestrojí výslednici sil o Skládání a rozo rozloží sílu na složky klad sil o Newtonovy o využívá Newtonovy pohybové zákony při řešení pohybové zákony úloh a k předvídání pohybu o Inerciální vztažtěles ná soustava o využívá zákon zachování o Hybnost a její hybnosti při řešení úloh změna o posoudí vliv třecích sil o Třecí síla na pohyb tělesa o v konkrétních případech určí práci vykonanou konstantní silou a z ní změnu energie tělesa o využívá zákon zachování mechanické energie při řešení problémů a úloh o v konkrétních případech vypočítá výkon a účinnost zařízení

30

o Mechanická práce o Kinetická a potenciální energie o Souvislost změny mechanické energie s prací o Zákony zachování energie, hmotnosti a hybnosti o Výkon a účinnost

o Newtonův gravitační zákon o Centrální a homogenní gravitační pole o Gravitační a tíhová síla o Kosmické rychlosti o Keplerovy zákony o rozliší posuvný a otáčivý o Posuvný a otáMECHANIKA pohyb tuhého tělesa čivý pohyb tuhého TUHÉHO TĚo určí v konkrétních situa- tělesa LESA cích momenty sil působío Moment síly cích na těleso a vypočítá vzhledem k ose výsledný moment síly otáčení o určí experimentálně o Těžiště tuhého těžiště některých těles tělesa o Rovnovážná poloha tuhého tělesa o uvede společné a rozdíl- o Vlastnosti kapaMECHANIKA né vlastnosti kapalin a lin a plynů TEKUTIN plynů o Tlak v tekutio využívá poznatky o nách. Pascalův zákonitostech tlaku zákon v klidných tekutinách při o Hydraulická řešení praktických úloh zařízení o objasní chování tělesa v o Archimédův klidné tekutině z analýzy zákon sil působících na těleso o Proudění tekutin o využívá rovnici kontinui- o Rovnice spojitosty při řešení úloh ti toku o objasní souvislost mezi o Pohyb a vzájemSTAVBA A vlastnostmi látek různých né působení částic VLASTNOSTI skupenství a jejich vnitřní o Modely struktur LÁTEK strukturou látek různého skuKINETICKÁ TEORIE LÁTEK o převádí Celsiovu teplotu penství TERMODYNA- na termodynamickou a o Celsiova a ternaopak MIKA modynamická o uvede konkrétní příklady teplota změny vnitřní energie o Vnitřní energie

GRAVITAČNÍ POLE

o uvede konkrétní příklady gravitačního působení těles o určí, ve kterých případech lze považovat gravitační pole za homogenní o objasní (kvalitativně) pohyb těles v gravitačním poli Země a pohyb planet v gravitačním poli Slunce

31

PT:Environmentální výchova TO: Člověk a životní prostředí (INT) ( Energie, zdroje energie)

konáním práce a tepelnou výměnou o určí v konkrétních případech teplo přijaté či odevzdané při tepelné výměně

VLASTNOSTI PLYNŮ PRÁCE PLYNU

Vysvětlivky:

a její změna o První termodynamický zákon o Teplo. Kalorimetrická rovnice o Měrná tepelná kapacita o Různé způsoby přenosu vnitřní energie o využívá stavovou rovnici o Stavová rovnice ideálního plynu stálé hmot- ideálního plynu nosti při předvídání stavo- o Jednoduché děje vých změn plynu s ideálním plynem o uvede konkrétní příklady stálé hmotnosti využití práce plynu o Práce plynu. o zhodnotí vliv spalovao Druhý termodycích motorů na životní namický zákon prostředí o Tepelné motory

PT:Environmentální výchova TO: Člověk a životní prostředí (INT) (Spalovací motory)

TOPT – tematické okruhy průřezových témat INT – integrace PRO – projekt

V současné době dolaďujeme učební osnovy volitelných předmětů, které nemusí být přímou součástí ŠVP a budou obsaženy v příloze ŠVP, kde je lze snadněji aktuálně obměňovat. Při tvorbě učebních osnov volitelného předmětu Seminář z fyziky a zejména při formulaci očekávaných výstupů jsme využívali také Katalog požadavků k maturitní zkoušce z fyziky. Do našeho ŠVP jsme zařadili také projekty přírodovědných předmětů. Uvádím zde i projekty realizované na nižším stupni gymnázia, protože zvažujeme jejich zařazení do ŠVP i na vyšším stupni gymnázia, samozřejmě na vyšší úrovni. Projekt Čistá voda realizujeme v sekundě v rámci předmětů Chemie, Biologie a Fyzika. Naplňujeme jím tématický okruh „Vztah člověka k prostředí“ průřezového tématu Environmentální výchova. Hlavní náplní je zjišťování čistoty vody z různých zdrojů ( potok, rybník, dešťová voda, pitná voda ) a porovnávání jejich chemických a fyzikálních vlastností, výskytu mikroorganismů a podobně.

32

První část proběhne v hodinách laboratorních prací v daných předmětech, kdy budou žáci destilovat, filtrovat, měřit hustotu a elektrickou vodivost, pracovat s mikroskopem a zpracovávat výsledky měření. Druhou etapou je exkurze do některého zařízení, kde se voda upravuje (vodárna, čistička odpadních vod, pivovar). V kvartě realizujeme projekt Energie, kterým v chemii naplňujeme TO Základní podmínky života a ve fyzice TO „Vztah člověka k prostředí“ průřezového tématu Environmentální výchova. Žáci se rozdělí do trojic, ve kterých budou provádět dlouhodobější sledování a experimenty, nebo si připraví prezentaci referátů týkajících se energie z různých hledisek. V určený den pak proběhne prezentace připravených prací a vyhodnocení experimentů. Náměty: - zjišťování obsahu živin v potravinářských produktech ve srovnání s jejich energetickou hodnotou, - sestavení vyváženého a zdravého jídelníčku pro různé skupiny obyvatel (věk, zaměstnání apod.), - základní zdroje energie pro člověka – tuky, cukry, bílkoviny, - odlišnosti ve využití těchto zdrojů v různých světadílech, - sledování spotřeby elektrické energie v domácnostech, - negativní dopady různých typů elektráren na životní prostředí, - alternativní zdroje elektrické energie, jejich klady a zápory, - možnosti úspor elektrické energie. Ve druhém ročníku a sextě se uskuteční projekt chemie, biologie a fyziky Biotické a abiotické prostředí, kterým se realizuje TO „Člověk a životní prostředí“ průřezového tématu Environmentální výchova. Každý rok vybereme v jiném směru lokalitu v okolí Litovle. V této lokalitě budou žáci měřit pH a určovat obsah vybraných látek v půdě a přírodních vodních zdrojích, zkoumat výskyt rostlin a živočichů. Pomocí malé meteorologické stanice změří tlak, vlhkost a teplotu vzduchu v různých místech. Pomocí kovových sond a ohmmetru zjistí vodivost půdy a odhadnou její vlhkost. Výsledky se zpracují a příslušný úsek se vyhodnotí. Jedná se o dlouhodobý projekt, jehož výstupem by měla být mapka okolí Litovle, která udává souvislost mezi naměřenými hodnotami pH, hodnotami fyzikálních veličin a výskytem rostlinných a živočišných druhů.

33

Závěr V současnosti probíhá etapa ověřování našeho ŠVP. Dle ŠVP se vyučuje v 1. ročníku a kvintě a ve 2.ročníku a sextě. K dobrému prověření je třeba absolvovat celý čtyřletý cyklus, ale již v průběhu prvního roku jsme provedli drobné změny, opravy a doplnění učebních osnov. Základní problém, který řeší snad všichni vyučující fyziky, je nedostatek času. Důvody tohoto nežádoucího stavu jsou v podstatě dva: 1. V ŠVP je zařazeno velké množství akcí – exkurze, projekty, besedy, prožitkové lekce, divadelní představení apod. To je samozřejmě žádoucí a přínosné, ale na druhé straně nám odpadají výukové hodiny. Tuto potíž lze částečně řešit lepší provázaností a koordinací akcí, ale při zapojení externích organizací a spolupracovníků to není vždy možné. 2. My sami se obtížně zbavujeme zavedených stereotypů a těžko se smiřujeme s nutností omezit rozsah učiva ve společné části studia. Tvorba i ověřování ŠVP jsou pro nás zároveň velmi přínosné. Rozhodně se zlepšila spolupráce mezi učiteli fyziky. V daleko větší míře si sdělujeme, jaké metody se nám osvědčily i co se nám nepovedlo. Předáváme si zpracované materiály, zajímavosti a prezentace a společně se snažíme zkvalitňovat výuku fyziky na naší škole. Literatura Rámcový vzdělávací program pro gymnázia, VÚP v Praze 2007. Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů na gymnáziích, VÚP v Praze. Školní vzdělávací program pro gymnaziální vzdělávání, Gymnázium Jana Opletala, Litovel, Opletalova 189. http://www.gjo.cz http://www.rvp.cz http://www.vuppraha.cz

34

Superjasné LED JOSEF HUBEŇÁK V osmdesátých letech minulého století se v katalogu TESLA objevily první světelné diody československé výroby.. První v řadě byla LQ 100, zářící červeným světlem. V katalogu najdeme údaje: svítivost 0,8 ≥ 0,2 mcd proud 20 mA napětí 1,65 ≤ 2 V vlnová délka λmax 660 nm Jen pamětníci si ještě vzpomenou na rubínově zbarvenou diodu se zlatavým kovovým pouzdrem: Přechod PN schopný emitovat fotony byl vytvořen v GaAs. Ačkoliv dioda svítí červeně, zdaleka nejde o monochromatické světlo. Pološířka spektrální charakteristiky byla 150 až 300 nm [1]. Galium fosfidové diody bez příměsí září zeleně s maximem na vlnové délce 565 nm a žlutého světla lze dosáhnout příměsí teluru, Obr. 1 LED TESLA LQ100 zinku a kyslíku. Modře svítící diody měly PN přechod vytvořen v karbidu křemíku a příměsi dusíku, hliníku a bóru posouvaly dominantní vlnovou délku od 458 nm do 620 nm [1]. Děj, při kterém vznikají fotony, je přechod elektronu z polovodiče N do P a zachycení děrou. Přebytek energie elektron odevzdá mřížce a vzniká teplo; pouze 1 až 10 elektronů ze sta vytvoří při tomto ději foton. Více než třicet let vývoje elektroluminiscenčních diod LED podstatně změnilo parametry a dnes při stejném příkonu mají svítivosti hodnoty o čtyři řády vyšší. Několik příkladů z nabídky dodavatele OSHINO Lamps: typ SUR 50010, InGaAlP červená λmax = 641 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 1,9 V, svítivost 7400 mcd

35

typ SUY 50010, InGaAlP žlutá λmax = 590 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 2,0 V, svítivost 6200 mcd typ SPG 50020, GaN zelená λmax = 523 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 7000 mcd typ SUB 50010, GaN modrá λmax = 470 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 2500 mcd typ SUW 50010, GaN bílá proud I = 20 mA, napětí U = 3,2 V, svítivost 20000 mcd barevné souřadnice x = 0,30, y = 0,30

Konstrukčně jsou si uvedené typy zcela podobné:

Obr. 2 Pouzdro současné LED Na vysoké svítivosti se podílí soustředění světelného toku do malého vyzařovacího úhlu, což je dobře vidět na polárním grafu svítivosti (obr. 3). Uvedené informace a grafy jsou převzaty z webové stránky [2]. Pro pokusy s těmito diodami je třeba znát jejich maximální příkon – není nijak velký a přehřátí vede Obr. 3 Polární graf svítivosti nejprve ke snížení svítivosti a pak ke zničení. Výrobce udává pouze 100 mW. Při doporučeném proudu 20 mA nebezpečí přehřátí nehrozí. Pro napájení diod lze použít stejnosměrný zdroj a vhodný odpor do série. Jednoduché zapojení s tranzistorem umožní nastavit proud v určitém intervalu a napájet diodu z devítivoltové baterie (obr. 4).

36

Obr. 4 Zapojení zdroje pro LED Napětí na Zenerově diodě je prakticky konstantní a potenciometrem P1 můžeme regulovat proud báze a tím také proud kolektoru. Trimr P2 slouží při nastavení zdroje na maximální proud LED. Mezní hodnotu nastavíme na 25 mA. Změny napětí baterie nemají na funkci zdroje velký vliv a úbytek napětí na LED není rozhodující. Zdroj je vestavěn do plastové krabičky, na čelní stěně je vypínač, zdířky pro připojení LED a knoflík potenciometru P1. Barevné LED umožní ukázat skládání barev. Na snímku (viz barevnou přílohu, obr. B-1) jsou tři diody s červeným, zeleným a modrým světlem. V oblastech překrytí najdeme barvu žlutou a fialovou, přesněji řečeno purpurovou. Regulací proudu diod lze docílit vhodné poměry osvětlení a vytvořit i bílé světlo. Světla barevných LED nejsou zdaleka monochromatická. Pro pozorování spektra byl použit objektiv ze starého zvětšovacího přístroje MAGNIFAX a vyrobena optická lavice s držákem pro sondy (obr. 5).

Obr. 5 Optická lavice

37

Červený filtr patřící k vybavení zvětšovacího přístroje byl nahrazen průhledným cédéčkem, které zde slouží jako optická mřížka. Posuv objektivu a poloha sondy dávají možnost měnit velikost obrazu. Spektrum bílé LED je na obr. B-2. Pro fotografování zůstala clona objektivu MAGNIFAXU maximálně otevřena. Při pozorování je vhodné naopak co nejvíce zaclonit objektiv. Ze snímku je přesto patrné, že bílá LED obsahuje vlnové délky z celé viditelné oblast. Spektrum žluté LED je na obr. B-3. Na snímku je viditelná červená i zelená složka světla, které subjektivně vnímáme jako žluté. Pozorování spekter lze doplnit i měřením vlnové délky. Laserový modul s vlnovou délku 650 nm je zabudován do sondy podobné předchozím s LED a pro napájení byl sestaven 3 voltový zdroj ze dvou monočlánků (obr. 6). Mřížkové spektrum 1. řádu pro paprsek laseru je vhodné nastavit tak, aby vzdálenost od nultého byla rovna 65 mm.

Obr. 6 Nastavení velikosti obrazu laserem Pak už stačí vyměnit sondu s laserem za sondu s LED, objektiv ponechat na místě a posouváním sondy nastavit ostrý obraz nultého maxima. Vzdálenost dané části spektra od středu nultého maxima v milimetrech stačí vynásobit deseti a máme vlnovou délku v nanometrech. Odečítání vlnových délek není zcela přesné, jak ukáže jednoduchý rozbor systému (obr. 7).

38

Obr. 7 Poloha prvního maxima Z obrázku je zřejmé, že vzdálenost nultého a prvního maxima je y = L tg α. Pro vlnovou délku λ a mřížku s konstantou a platí podmínka prvního maxima a sin α = λ. Z této podmínky je sin α = λ a pokud jsou úhly malé (pod 5°), lze sinus a

a tangens vzájemně zaměnit. Pak pro výchylku platí y = L λ . V sestavě danéa ho měření jde ale o úhel asi 25° a odchylka tangenty a sinu již není zanedbatelná. Kalkulátor ukáže číselné hodnoty: tg 25° = 0,4663 sin 25° = 0,4226 Hodnoty se liší o 10 % a stejná chyba vznikne při odečítání vlnové délky přímo ze stínítka. Pro informativní zjištění vlnové délky je taková chyba přípustná. Bílá LED se svítivostí 20 cd umožnila sestavit model světlovodu (obr. 8). Hadička z průhledného plastu je naplněna silikonovým olejem, na vstupu je zalisována dioda a výstup je opatřen zátkou z průhledného epoxidu (zde byla použita LED o průměru 3 mm). Podmínka totálního odrazu není splněna pro všechny paprsky vyzářené diodou a na světlovodu je možné pozorovat ztráty. Hadičku lze narovnat i zakřivit a sledovat vliv zakřivení na intenzitu výstupního svazku. Do skupiny experimentů s LED lze zařadit i pozorování luminiscence (obr. B-4).

39

Obr. 8 Model světlovodu Dnešní bezpečnostní předpisy požadují označení východů a únikových cest z objektů i pro případ, kdy není k dispozici elektrické osvětlení a existují firmy, dodávající nápisy, značky a symboly vyrobené z moderních luminiscenčních materiálů s relativně vysokým jasem a dlouhou dobou dosvitu (řádově desítky minut). Zde byl využit terčík o průměru 50 mm. Červená, zelená a modrá LED položené vedle terče ukáží zajímavý efekt: luminiscenční stopu vytvoří pouze dioda modrá. Důkazem jsou obrázky v barevné příloze (B-5 až B-8). Intenzívní luminiscence nastane po zhasnutí modré LED, jak ukazuje obr. B-7. V nabídce LED jsou dnes i diody vyzařující ultrafialové světlo. Díky poměrně velkému intervalu vlnových délek takové LED září i ve viditelné oblasti spektra: Po zhasnutí ultrafialové LED se objeví intenzívní luminiscenční stopa (obr. B-9). Diody s vysokou svítivostí jsou snadno dostupné a experimenty s nimi jsou fyzikálně zajímavé, bezpečné a esteticky působivé. Sonda s laserovou diodou nabízí ještě další využití. Fyzika a optika se podílí i na efektních obalech některého zboží a následující snímek ukazuje odraz laserového paprsku od ústřižku krabičky z kosmetického zboží (obr. 9).

40

Obr. 9 Odraz laserového paprsku Ústřižek vsazený do špejle vrací nulté maximum přímo na laserovou sondu a symetricky rozmístěná další maxima připomínají laueogramy. Tady jde patrně o dvě mřížky navzájem kolmé a vytvořené ve dvou vrstvách nad sebou. Po této ukázce je možné, že studenti s laserovým ukazovátkem budou studovat obaly kosmetického zboží. S výkonnými ledkami se budeme setkávat stále častěji a zadáním dotazu „Power Leds“ do internetového vyhledávače se otevře množství informací o posledním vývoji v této oblasti. Například korejský výrobce Seoul Semiconductor nabízí řadu výkonných ledek Z-Power Led (obr. 10).

Obr. 10 Čip a montážní celek Z-Power Led [3]

41

Parametry jedné ledky z této řady: světelný tok 178 lm, barevná teplota 6300 K, napětí v propustném směru 3,5 V, doporučený proud 1,4 A, úhel vyzařování 110°, barva bílá. Spektrum pokrývá vlnové délky od 400 do 800 nm, dominantní je 450 nm a další maximum leží na 560 nm (obr. 11).

Obr. 11 Rozložení intenzity ve spektru bílé LED X10490 [3] Literatura [1] Svečnikov, S.V.: Základy optoelektroniky SNTL Praha 1975. [2] http://www.oshino-lamps.de/ [3] http://www.acriche.com/en/

42

Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta ROSTISLAV HALAŠ Stále se zrychlující tempo základního výzkumu v oblasti částicové fyziky vytváří poptávku po specializovaných pracovnících z oblasti fyziky, ale také z různých technických oborů. To na jedné straně vyžaduje vychovávat úzké specialisty, na druhé straně se tím veřejnost stále více vzdaluje základním představám o práci vědců ve vědeckých laboratořích a především o výsledcích jejich práce. Lidé dnes běžně užívají nejrůznější elektronické přístroje, počínaje mobilními telefony, přes CD a DVD přehrávače až po nákladné vyšetřovací lékařské přístroje založené na nukleární magnetické rezonanci nebo pozitronové emisní tomografii, přístroje, jejichž činnost je založena na principech kvantové fyziky. Berou tyto věci tak samozřejmě, že je ani nenapadne se zamyslet nad principy jejich činnosti nebo způsobem výroby. Neuvědomují si, že jsou výsledkem dlouhého vývoje fyzikální vědy, spletitými a někdy i slepými cestičkami myšlenkových a experimentálních procesů mnoha známých i méně známých dělníků vědy. Většinu lidí v běžném životě ani tento proces poznání nezajímá, ale začínají se pídit po informacích teprve tehdy, když je ono oblíbené technické zařízení nebo přístroj přestanou poslouchat, případně když přestanou fungovat zcela. Teprve tehdy si člověk uvědomí, jak je závislý na technice a jak jsou pro něj základní fyzikální vědomosti a dovednosti důležité. Bez nich si s nastalým problémem neporadí. V takovém případě je zcela závislý na někom, kdo zná více. Vezmeme-li v úvahu, že počet lidí zajímajících se (nikoliv jako pouzí uživatelé technických zařízení) o fyziku a techniku obecně neustále klesá, je jen otázkou času, kdy budeme mezi tou všemožnou technikou zcela izolováni a neschopní reálného života. Nemluvě o tom, že další rozvoj naší technicky založené civilizace je závislý na dalším výzkumu. Pokud se nezmění priority společnosti, bude se nedostatek mladých přírodovědně a technicky zaměřených lidí nadále prohlubovat. A tak nezbývá nám, fyzikům a technikům, než udělat maximum pro to, abychom obrátili pozornost veřejnosti a především mladé generace k vědě a jejím výsledkům. Současná středoškolská generace je právě ta, která bude v příštím a dalších desetiletích táhnout vědecký a technický výzkum. Každý student, bez ohledu na svoje budoucí zaměření, by měl být informovaný o předních výsledcích výzkumu a jeho aplikace v praxi. Nejen to, poznatky moderní fyziky přinesly a přináší zásadní změnu pohledu na základní filozo-

43

fické otázky. Práce každého filozofa, který by neodrážel tyto nově objevené poznatky, musí být nutně odstavena na vedlejší kolej. Budeme-li schopni oslovit také budoucí „decision-makers“, tedy lidi ve vedoucích funkcích a politiky, můžeme docílit správného směřování finančních prostředků do vědy a výzkumu a tím zvýšit skutečnou přidanou hodnotu, což se nutně projeví ve zvýšení postavení naší republiky v mezinárodním měřítku. Jak už bylo zmíněno výše, kvantová fyzika je právě ta část vědy, která se rozvinula v minulém století a jejíž výstupy se v současné době realizují v každodenním životě každého z nás. Otázkou tedy zůstává, jak tuto velice obtížně uchopitelnou teorii přiblížit studentům a veřejnosti na takové úrovni, abychom je nevystrašili, ale navíc podnítili k vyššímu zájmu o další získávaní informací v tomto oboru. V současné době neexistuje žádná středoškolská učebnice moderní fyziky, která by vysvětlovala poznatky fyziky až k roku 2000, natož do současné doby. V různých časopisech nebo na internetu je možno najít články zabývající se některým úzkým tématem kvantové fyziky, je jen velmi málo článků přehlednějších a téměř žádné články, které by popisovaly způsoby, jak tyto informace zprostředkovat studentům nebo veřejnosti. Cílem tohoto článku je podat základní přehled o vývoji základního výzkumu v oblasti částicové fyziky až do současnosti (počátek roku 2008). Dále je uveden stručný chronologický přehled základních myšlenek a objevů, které přispěly k současnému stavu vědy završenému formulací Standardního modelu. • 4. stol př. Kr. Leukipos, Demokritos – představa o nespojitosti látky-atom. • 1642-1727 Issac Newton – Gravitační zákon, „Principia ...“ Zdůraznit první teorii světla – korpuskulární teorie. • 1690 Christian Huygens – vlnová povaha světla. Ačkoliv byla tato teorie úspěšnější ve vysvětlení mnoha optických jevů, byla korpuskulární teorie díky Newtonově kreditu uznávána ještě téměř 100let. • 1801 Thomas Young – experimentálně prokázal, že světlo je vlnění. Je třeba vyvětlit tzv. Youngův pokus – ohyb na dvouštěrbině (v anglicky psané literatuře se používá spíše název „Two slits experiment“). • 1801 John Dalton – atom.Všechny atomy jednoho prvku (na rozdíl od atomů jiných prvků) mají stejnou hmotnost. • Dmitrij Ivanovič Mendělejev – periodická soustava prvků. První úspěšný pokus, jak dát jednotný řád množství tehdy známých chemických prvků. Podobný úspěšný pokus se uskutečnil přibližně o století později na nižší úrovni – kvarková hypotéza dala jednotný řád přibližně dvěma stovkám tehdy známých částic. 44

• 1873 James Clark Maxwell – teorie elektromagnetických vln. První úspěšná teorie, která logicky skloubila do té doby oddělené teorie elektřiny a magnetismu. Zde je důležité zmínit elektromagnetickou teorii světla. • 1895-1902 Henri Becquerel, Konrad Röntgen, manželé Curieovi – objev a studium radioaktivity. • 1897 Sir Joseph John Thomson – objev elektronu při studiu katodového záření. Atom má vnitřní strukturu! Tento rok se udává jako rok vzniku částicové fyziky. • 1899 Thomsonův první, tzv. „pudinkový“ model atomu. • Studium záření absolutně černého tělesa metodami klasické fyziky vedlo k tzv. ultrafialové katastrofě – těleso by muselo na krátkých vlnových délkách vyzařovat nekonečnou energii. To byl signál, že termodynamika a teorie elektromagnetických vln nemohou být finální fyzikální teorií. • 1900 Max Planck – světlo je vyzařováno ze zdroje po kvantech zvaných fotony. Dále se již šíří jako elektromagnetická vlna. První myšlenka o kvantování energie. • 1905 Albert Einstein – teorie fotoelektrického jevu-dualismus světla. Světlo je nejen vyzařováno ze zdroje po kvantech, ale v kvantech se také šíří. Přitom je možno je považovat také za vlnu elektromagnetického záření. Vysvětlení Brownova pohybu, Speciální teorie relativity. • 1911 Ernest Rutherford – atom má jádro o rozměrech o 4 řády menší, než jsou rozměry atomu. • 1911 Charles Thomson Rees Wilson – vynález mlžné komory. • 1911 Robert Andrews Millikan – stanovení náboje elektronu, kvantování náboje, přesné určení Planckovy konstanty. • 1913 Niels Bohr – „planetární“ model atomu. První matematická teorie atomu, která poskytla ověřitelné výsledky. Bývá uváděna v základních učebnicích fyziky a článcích pro veřejnost. Je však již překonaná a vytváří nesprávné představy o trajektorii bránící pochopení statistického charakteru kvantové fyziky. Bohr má obrovskou zásluhu na rozvoji kvantové mechaniky tím, že založil Institut Nielse Bohra – tzv. kodaňskou školu, do které se sjížděli nejlepší fyzikové předválečné éry. • 1915 Albert Einstein – Obecná teorie relativity. Dosud nepřekonaná univerzální nekvantová teorie gravitace. Všechny pokusy o její kvantování byly zatím neúspěšné. Její předpovědi se potvrdily. Fyzikové zatím neúspěšně hledají jevy, které by byly v rozporu s OTR a ukázaly tak směr dalšího výzkumu.

45

• 1923 Louis de Broglie – vlnově-částicový dualismus platí také pro částice λ = h/mv. Otázkou je, čeho jsou to vlny? • 1924 Wolfgang Pauli – spin elektronu, vylučovací princip. Žádné dvě částice kvantového systému se spinem rovným lichému násobku ½ (fermiony) nemohou být současně ve stejném kvantovém stavu. • 1925 Erwin Schrödinger – vlnová mechanika. Nerelativistická vlnová rovnice pro popis hmotných částic, vlnová funkce ψ. • 1927 Werner Heisenberg – relace neurčitosti. Princip neurčitosti specifikuje jisté teoretické hranice naší schopnosti provádět vědecká měření. Podle principu neurčitosti nám ani sebelepší zdokonalení měřícího přístroje nedovolí získat přesné výsledky jistých dvojic fyzikálních veličin Δx ⋅ Δp ≥ h , 4π ΔE ⋅ Δt ≥ h . Zde se nabízí možnost zmínit chování látek při teplotách 4π blízkých 0 K, tunelový jev, fluktuace vakua. Je to zásadní princip pro vysvětlení teorie výměnných sil. • 1929 Paul Adrien Maurice Dirac – formuloval relativistickou kvantověmechanickou rovnici popisující elektron (a obecněji částice se spinem ½). Skloubení kvantové fyziky a STR, teoretická předpověď pozitronu (objeven 1932), antihmota, nové chápání vakua. • 1930 Wolfgang Pauli – předpověď existence neutrina (elektronového). Záchrana zákona zachování energie při beta rozpadu neutronu na elektron, pozitron elektronové neutrino. Vylučovací princip platný pro částice s poločíselným spinem – fermiony. • 1930 Ernest Lawrence – vynález prvního kruhového urychlovače – synchrotronu 1932 Cockroft a Walton – první urychlovač. • 1932 James Chadwick – objev neutronu. • 1932 Carl Anderson – objev pozitronu v kosmickém záření. • 1934 Enrico Fermi – teorie radioaktivního beta rozpadu Yukava – teorie jaderných sil, předpověď nosiče silné interakce – mezonu pí (pion) – nalezen 1947. • 1936 Carl Anderson – objev mionu (200me, 10–6 s), nadbytečná částice, I. Rabi – „Who ordered that?“ • Konec 40. let Feynman, Schwinger, Tomonaga – kvantová elektrodynamika QED – elmg. teorie + STR. • 1952 Glaser – vynález bublinové komory.

46

• Konec 50. let – „inflace elementárních částic“– přes 200 leptony – interagují slabě (e, μ, νe) hadrony (mezony – 2 kv. a baryony – 3 kv.) – interagují silně (z kvarků). • 1961 Gell-Man, Ne’eman – „Osminásobná cesta“ – kvarková struktura baryonů (oktetový model) Glashow, Salam, Weinberg – teorie elektroslabých sil – spojuje elektromagnetickou a slabou interakci, předpovídá existenci nosičů W+, W– a Z. • 1962 Steinberger, Lederman, Schartz – objev mionového neutrina, narušení CP symetrie Gell-Man předpovědel částice omega minus. • Polovina 60. let – spontánní narušení symetrie v teorii elektroslabých sil, které rozděluje slabou a elektromagnetickou interakci – Higgsovy bozony. • 1971 ‘t Hooft, Veltman – matematický důkaz renormalizovatelnosti obecné třídy Yang-Millsových teorií s Higgsovým mechanismem (jakýsi důkaz matematické bezespornosti teorie elektroslabých sil). • Počátek 70. let – teorie silných interakcí – kvantová chromodynamika QCD. Předpověď gluonů – nosičů silné interakce mezi kvarky. • 1974 Ting, Richter – objev čtvrtého kvarku (charm). • 1975 Pearl – objev leptonu tau. • 1977 objev kvarku t (top) a b (bottom). • 1983 Rubia, van der Meer – objev částic W a Z. • 1992 Nobelova cena - Charpak – vynález drátové komory – elektronického detektoru. Na protonovém synchrotronu v CERNu vyrobeno 9 atomů antivodíku. • 1995 objev kvarku top ve Fermilabu, na rozdíl od ostatních kvarků má neočekávaně vysokou hmotnost 175 GeV. • 2000 experimenty LEP naznačily možnost existence Higgsových bosonů (dosaženo hladiny významnosti 0,5 %, požaduje se 5,7·10–7 = 0,000 057 %). • 2001 přímé pozorování neutrina tau. • 2003 v CERNu vyrobeno asi 50 000 atomů antivodíku (experimenty ATRAP, ATHENA). • 2004 David Gross, David Politzer a Frank Wilczek (všichni USA) – Nobelova cena za objev asymptotické volnosti v teorii silné interakce. Jak je zřejmé z výše uvedeného historického přehledu, ocitla se fyzika na konci 50. let 20. století v situaci, kdy dřívější představa o elementární podstatě základních stavebních částic atomu – protonů, neutronů a elektronů utrpěla vážnou trhlinu a to především díky velkému počtu dalších tehdy nově objevených částic. Bylo zřejmé, že podstatu těchto částic je třeba hledat na jiné úrovni.

47

Obr. 1 Neúnosně velký počet „elementárních“ částic na počátku 60. let 20. století

Obr. 2 Rozdělení částic na fermiony a bozony

48

Obr. 3 Porovnání velikostí částic vzhledem k velikosti atomu Úspěchu v řešení tohoto problému napomohlo studium jistých symetrických vlastností těchto částic. Tak již v roce 1961 přišli Gell-Man a Ne’eman s představou, že proton a neutron, ale také všechny další částice ze skupiny hadronů, jsou složeny z menších částic zvaných kvarky. Tato představa přetrvává do dnešní doby a je součástí dnešní nejlépe prověřené fyzikální teorie mikrosvěta zvané Standardní model (podrobněji dále). V původním Gell-Mannově modelu jsou protony a neutrony tvořeny ze tří kvarků. Kvark „up“ nese elektrický náboj + 2/3e, kde e =1,6 · 10–19 C je velikost náboje elektronu. Naproti tomu kvark „down“ nese náboj –1/3e. Jak je patrno z obr. 4 (viz barevnou přílohu), proton je složen ze dvou kvarků up a jednoho down, zatímco neutron z jednoho kvarku up a dvou kvarků down. Pozorný čtenář si tak může velmi rychle ověřit, že jednoduchým výpočtem je možno dojít ke známým hodnotám elektrického náboje protonu i neutronu. Tak jednoduchá však skutečnost není. Kvarky jsou totiž částice se spinem ½, tedy fermiony, a protože pro ně platí Pauliho vylučovací princip, nemohou být dva totožné v jednom kvantovém systému (protonu, neutronu). Musí tedy mít ještě nějakou jinou vlastnost, kterou by se vzájemně odlišovaly. Tato vlastnost, vlastně kvantové číslo, se nazývá barva, lépe barevný náboj. Ta nemá nic společného s barvou těles, tak jak ji známe v makrosvětě. Kvarky mohou mít jednu ze tří barev – červená, modrá zelená. Kvarky uvnitř částice musí mít vždy takovou kombinaci barev, aby jejich smícháním vznikla bílá barva. Tato základní vlastnost mikrosvěta částic bývá označována jako uvěznění barevného náboje. Jinak řečeno, ačkoliv kvarky, ze kterých se skládají hadrony (takto

49

označujeme všechny částice složené z kvarků), jsou barevné, je výsledná barva hadronu vždy neutrální – bílá. U částic složených ze tří kvarků, zvaných baryony, tak vždy musí být jeden kvark červený, jeden zelený a jeden modrý. Jak již víme z historického přehledu, má každá částice svou antičástici. Antičástice ke kvarkům se nazývají antikvarky. Antikvarky mají opačný elektrický náboj a antibarvu. Barva s antibarvou dávají dohromady bílou barvu. Takto můžeme získat částici složenou ze dvou kvarků - z kvarku a antikvarku. Částice tohoto druhu nazýváme mezony. Mezony nemohou být složeny ze dvou kvarků, neboť by nebyly barevně neutrální. Jediná možná kombinace je kvark – antikvark. V nedávné době se v odborném tisku objevily články o existenci pentakvarku – částice složené z pěti kvarků. Následná měření však existenci takovýchto částic vyloučila. Zdá se tedy být jisté, že se baryony skládají buď z páru kvark – antikvark nebo ze tří kvarků nebo ze tří antikvarků. Jak již bylo uvedeno, jsou všechny baryony, které byly objeveny v 50. letech 20.století, složeny z kvarků nebo antikvarků. Kvarky a antikvarky jsou tedy jejich základní stavební částice. Dle poznatků současné fyziky se jeví kvarky jako bodové částice bez vnitřní struktury. Pokud mají vůbec nějaký rozměr, je určitě menší než 10–18 m. Z tohoto pohledu tedy na ně můžeme pohlížet jako na skutečné elementární částice. Nejsou to však jediné částice, které potřebujeme k výstavbě látky, která se nachází všude kolem nás. Z kvarků jsme již složili proton a neutron. K nim ale potřebujeme ještě elektron, abychom vytvořili nejjednodušší atom – atom vodíku. Z kvarků a elektronů jsme schopni vytvořit atom jakéhokoliv jiného chemického prvku. Aby byl náš seznam kompletní, musíme ještě vzít v úvahu existenci radioaktivních atomů, při jejichž rozpadu vzniká velice obtížně detekovatelná, elektricky neutrální a velice lehká částice – elektronové neutrino. Současnou představu o základních stavebních kamenech Standardního modelu, skutečně elementárních částicích hmoty nejlépe ilustruje obr. 5 (viz barevnou přílohu). Aktuální hodnoty hmotností a dalších charakteristik částic je možno najít na adrese [1]. Jak je v částicové fyzice běžné, uvádějí se klidové hmotnosti částic v jednotkách eV/c2. Nezasvěceného člověka nesmí zmást, že částicoví fyzikové často používají při udávání hmotností částic jednotku eV (bez /c2). Veškerou látku, která se běžně vyskytuje v našem okolí, jsme schopni vytvořit ze čtyřech základních částic (viz první řádek na obr. 5, označený jako 1. rodina). Příroda je však bohatší a nabízí dvě další kopie této rodiny, přičemž

50

každá další rodina obsahuje vždy těžší kopie částic předcházející rodiny. Řekli bychom, že jsou to těžší příbuzní. Tak kupříkladu těžší varianta elektronu se nazývá mion (je 208krát těžší než elektron) a nejtěžší jejich příbuzný je částice tau (je 3 490krát těžší než elektron). Částice těžších rodin se v našem okolí nevyskytují běžně. Objevují se pouze jako produkty spršek kosmického záření, tedy tam, kde je k dispozici vysoká energie. Částice 2. a 3. rodiny se hojně vyskytovaly v raných fázích vesmíru, když byl ještě velice horký a byla k dispozici energie potřebná k jejich produkci. K výše uvedeným 12 elementárním částicím je ještě nutno připočíst stejný počet jejich antičástic. Antičástice mají vždy stejné hmotnosti, ale opačný elektrický náboj a u barevných kvarků i barvu. V případě neutrin, která nenesou elektrický náboj, je situace taková, že neutrino existuje pouze jako levotočivé, zatímco antineutrino je pouze pravotočivé. Výčet částic ještě není konečný. Musíme k nim ještě přidat zprostředkující částice fyzikálních polí, které působí jako přenašeči vzájemných sil působících mezi částicemi. Fyzika zná v současné době čtyři druhy sil, které vládnou našemu vesmíru. Vzájemné silové působení mezi částicemi hmoty se uskutečňuje výměnou tzv. zprostředkujících částic, a proto je správnější používat termín interakce. Jsou to částice s celočíselným spinem, tedy tzv. bozony. Zopakujme, že základní vlastností bozonů je, že ve stejném kvantovém stavu jich může být neomezený počet. Člověk ve svém životě snad nejvíce využívá elektromagnetickou interakci, i když si ji obvykle neuvědomuje. Setkáváme se s ní doslova na každém kroku, neboť veškerá silová působení našich svalů nebo strojů jsou vyvolána vzájemnou interakcí mezi elektronovými obaly atomů na povrchu těles. Podívejme se na tento proces podrobněji z pohledu kvantové fyziky. Vezměme si po jednom elektronu z každého z těchto atomů a pozorujme, co se bude dít při jejich přibližování. Tuto interakci názorně ilustruje tzv. Feynmanův diagram (obr. 6). Pro větší názornost je lépe označit osy, i když Feynmanův diagram není ve skutečnosti diagramem kinematickým, ale jen jakousi názornou pomůckou, která fyzikům umožňuje rychle formulovat příslušný matematický popis daného jevu. Heisenbergovy relace neurčitosti umožňují nezachovat celkovou energii kvantového systému po jistou dobu, danou principem neurčitosti. I když je to nepředstavitelné rouhačství pro člověka dobře obeznámeného se zákony klasické mechaniky založenými na platnosti zákona zachování energie, je situace na úrovni nejmenších částic hmoty odlišná od naší každodenní zkušenosti a nezbývá nám, než se s tímto faktem smířit. Platnost relací neurčitosti byla ostatně prověřena při mnoha experimentech.

51

Obr. 6 Feynmanův diagram interakce dvou elektronů Tady je nutno zdůraznit, že kvantová fyzika nepopírá platnost tohoto zákona v delším časovém měřítku. Přitom to slovo delší je samo o sobě velice relativní. Tak se tedy může stát, že si částice může obrazně řečeno vypůjčit energii ΔE a vygenerovat částici o hmotnosti Δm = ΔE/c2. Takto jeden z uvedených elektronů z obr. 6 vygeneroval foton. Pro tento foton se používá označení virtuální foton. Foton s sebou odnesl určitou hybnost, a proto se podle zákona zachování hybnosti musela změnit hybnost uvedeného elektronu, což vedlo ke vzniku impulsu síly a tím jeho trajektorie. Virtuální foton poté narazil na druhý elektron a způsobil změnu jeho trajektorie. Vnější pozorovatel, který pozoruje tento jev z pohledu klasické elektrodynamiky a který nevidí onen virtuální foton, tento proces popíše jako vzájemné silové odpuzování stejně nabitých elektronů. Z uvedeného vyplývá, že při podrobnějším zkoumání silových účinků mezi částicemi je lépe používat termínu interakce, neboť ta je vždy spojena s výměnou virtuálních částic. Každý dluh se ale musí splatit. To nezachování energie je omezeno časem daným relací neurčitosti nejvýše po dobu h . Čím vyšší energii si elektron vypůjčí, tím větší bude vzájemná Δt = 4 π ⋅ ΔE síla, ale tím kratší je doba, po kterou může vniklý virtuální foton existovat. Je-li tedy doba jeho existence omezena, je omezen jeho dolet a tím také dosah síly. Vzhledem k tomu, že frekvence virtuálního fotonu může být velice malá (až téměř nulová), je také jeho energie malá a tak doba, po kterou může existovat, je velmi velká. Takovýto virtuální foton se tak může dostat do značné vzdálenosti. To koresponduje s faktem, že dosah elektromagnetické interakce je nekonečný. Vrátíme-li se ještě k jevu vypůjčení energie a vygenerování virtuální částice, dojdeme k otázce, odkud se tato částice vezme. Již Dirac ukázal ve své teorii, že z rovnic kvantové mechaniky plyne, že vakuum je medium, které není

52

prázdné, jak se fyzikové dříve domnívali. Vakuum je ve skutečnosti zcela zaplněno částicemi s negativní energií. Tyto částice se za jistých okolností mohou dostat do našeho světa kladných energií. Pokud se taková částice vygeneruje jako virtuální, neplatí pro ni zákon zachování energie. Může zprostředkovat interakci částic, ale má na to jen krátký čas. Poté tato částice zaniká; opět za neplatnosti zákona zachování energie. Existuje však i možnost, kdy se částice vygenerovaná z vakua stane reálnou. Pro takovou částici již musí platit zákon zachování energie. Je tedy nutné, aby experimentální aparatura dodala potřebnou energii k materializaci této částice. Z čistě kinematických důvodů pak takovéto částice musí být vygenerovány alespoň dvě. Typickým příkladem tohoto jevu je materializace fotonu – tzv. kreace elektron –pozitronového páru. Na obr. 7 je jeden z fotografických snímků pořízený v bublinové komoře. Přilétající pozitron anihiloval s elektronem atomu vodíku, jímž je vyplněna bublinová komora, a přeměnil se ve foton tvrdého záření gama, tedy velice energetický. Trajektorie fotonu není v bublinové komoře vidět, zde je vyznačena pro větší názornost. Následně došlo ke kreaci elektron-pozitronového páru, tedy k materializaci fotonu. Protože vniklý elektron a pozitron mají navzájem opačné náboje, zakřivuje se jejich trajektorie v magnetickém poli na opačné strany.

Obr. 7 Fotografický snímek z bublinové komory se zvýrazněním anihilace pozitronu s elektronem (není viditelný, jde o elektron z obalu jednoho z vodíkových atomů, kterými je vyplněna interakční komora) a opětovné kreace elektron – pozitronového páru. Foton v bublinové komoře ve skutečnosti nezanechá žádnou stopu.

53

Tabulka 1 přehledně zobrazuje všechny známé interakce a jejich zprostředkující částice. Interakce jsou seřazeny podle jejich síly. Nám známá elektromagnetická interakce je druhou nejsilnější silou a díky tomu, že foton má nulovou klidovou hmotnost, a jeho energie proto nemá dolní hranici, je to síla s nekonečným dosahem. Tabulka 1 Dnes známé čtyři druhy interakcí Interakce

Relativní síla

Dosah

SILNÁ

1

10–15 m

ELEKTROMAGNETICKÁ

10–2

nekonečný

SLABÁ

10–7

10–18 m

GRAVITAČNÍ

10–38

nekonečný

Působí na všechny kvarky všechny fermiony kromě neutrin všechny fermiony všechny částice

Fyzikální veličina barevný náboj

Zprostředkující částice 8 gluonů

elektrický náboj

foton

slabý náboj

W+, W–, Z0

hmotnost, energie

graviton ?

Silná interakce působící mezi kvarky v atomovém jádru má největší sílu. Její zprostředkující částice zvané gluony (z angl. glue = lepidlo), mají nenulovou klidovou hmotnost. Energie, kterou si může kvark vypůjčit podle relace neurčitosti, má tedy dolní hranici danou klidovou energií gluonu. Z toho plyne, že se dosah této interakce omezuje jen na oblast atomového jádra, tedy 10–15 m. Slabá interakce je zodpovědná za radioaktivní rozpad atomů nebo také za slučování jader vodíku v našem Slunci. Typickým projevem slabé interakce je např. rozpad neutronu n → p+ + e– + νe s poločasem rozpadu kolem 15 minut. Slabá interakce je zprostředkována třemi velice těžkými částicemi, tzv. intermediálními bozony, označovanými písmeny W+, W–, Z0 (z angl. weak = slabý). Její dosah je 1 000krát menší, než je dosah silné interakce, tedy 10–18 m. Tato interakce je také mnohem slabší než elektromagnetická interakce. Gravitační interakce je ze všech interakcí nejslabší. Její zprostředkující částici, graviton, se zatím nepodařilo detekovat. Z tabulky 1 je také patrné, že čím je interakce slabší, tím větší je okruh částic na které působí. Nejslabší gravitační interakce působí na úplně všechny částice. Nejsilnější jen na kvarky.

54

Dosud jsme popisovali interakce z hlediska jejich částicového působení. Princip dualismu platný v kvantové fyzice však umožňuje i jiný pohled na interakce. Ten jiný pohled je založen na zavedení pojmu pole (kvarkového, elektromagnetického, slabého, gravitačního) a jeho využití ke studiu interakcí mezi částicemi. Tento pohled je velice efektivní a je základem moderní kvantové fyziky. Na rozdíl od pojmu pole v klasické fyzice musí být toto pole kvantované. Základním znakem každé kvantové teorie pole je, že síly působí lokálně, a to prostřednictvím přesně určených kvant pole. První úspěšnou kvantovou teorií pole se v 60. letech 20. století stala kvantová teorie elektromagnetického pole – kvantová elektrodynamika (ve zkratce QED). Na jejím rozvoji se významně podílela velká řada teoretiků. Největší zásluhu za rozvoj QED mají Freemann Dyson, Richard Feynman, Julian Schwinger a Sin-itiro Tomonaga. Poslední tři získali za svůj přínos Nobelovu cenu v roce 1965. Tato teorie dosáhla neobyčejné přesnosti. Tak například měření magnetického momentu elektronu se shoduje s výpočty provedenými v QED s přesností na 10 platných číslic! Žádná jiná teorie neumí tak přesně popsat fyzikální realitu jako QED. Kvantová elektrodynamika se stala ideálním modelem pro testování idejí kvantové teorie slabé interakce. Už proto, že na rozdíl od elektromagnetické interakce, jejíž klasický popis známe, nemá slabá interakce žádnou klasickou obdobu, neboť se v makrosvětě přímo neprojevuje. Navíc se ukázalo, že slabá interakce narušuje některé základní symetrie našeho vesmíru (narušení CP symetrie). I když je tento efekt velice slabý, má pravděpodobně podstatný význam pro asymetrii mezi pozorovanou hmotou a antihmotou ve vesmíru. Nápadná podobnost kvantové elektrodynamiky a teorie slabé interakce se staly podnětem pro úvahy o sjednocení obou teorií. To se také podařilo a vzniklá teorie, která jednotně popisuje jak elektromagnetickou, tak i slabou interakci, se nazývá teorie elektroslabé interakce. Na rozvoji této teorie se podílela celá řada teoretických a experimentálních fyziků. Za všechny jmenujme alespoň trojici Glashow – Weinberg – Salam za jejich přínos k rozvoji této teorie a za předpověď existence tzv. neutrálních proudů, jejichž existence byla na počátku 80. let 20. stol. potvrzena experimenty provedenými v CERNu. V 70. letech 20. stol. bylo dosaženo úspěchu při vybudování kvantové teorie silné interakce - kvantová chromodynamika (ve zkratce QCD). Tato teorie se podstatně odlišuje od předchozích dvou teorií. Už proto, že je silná interakce mnohem silnější a nelze v ní použít osvědčené matematické postupy používané v elektroslabé teorii. Problém se podařilo vyřešit trojici David Gross, Franck

55

Wilczek, David Politzer v roce 1973 v souvislosti s objevem asymptotické volnosti. Jak již bylo uvedeno dříve, silná interakce působí mezi kvarky uvnitř atomového jádra prostřednictvím výměny gluonů. Čím více od sebe kvarky vzdalujeme, tím větší silou se kvarky přitahují. To je zcela opačná závislost než vykazuje přitahování opačně nabitých částic při elektromagnetické interakci, při které se přitažlivost vzdalujících se částic zmenšuje. Na druhé straně, a to je podstatou tzv. asymptotické volnosti kvarků, pokud jsou kvarky velice blízko sebe, tak na sebe v podstatě nepůsobí. Pohybují se jako by byly volné. Silové působení mezi kvarky je možno si představit tak, že jsou spojeny gumovým páskem určité délky. Jsou-li kvarky u sebe blíže než je délka pásku, není tento pásek napnutý a silově na kvarky nepůsobí. Když začneme kvarky od sebe vzdalovat, začne se pásek napínat a síla, kterou pásek působí, je tím větší, čím dále kvarky od sebe vzdálíme. Po překonání meze pevnosti se pásek rozletí na dva nebo více kousků, které dají spolu s původními kvarky vznik novým částicím. Základní teorií gravitace je obecná teorie relativity. Ta prošla od roku 1915, kdy ji publikoval Albert Einstein, mnoha experimentálními testy, které ji plně potvrdily. I přes svou neobyčejnou sílu a vnitřní logickou krásu s ní nejsou fyzikové zcela spokojeni. Není to totiž teorie kvantová. Kvantovou teorii gravitačního pole se zatím nepodařilo vytvořit. Aby teoretikové zjistili, do kterého směru namířit své úsilí, uskutečňují se v současné době velice citlivé experimenty, které mají za cíl naměřit odchylky v deformaci časoprostoru v okolí Země od teoretických hodnot vypočítaných pomocí obecné teorie relativity. Veškeré pokusy v tomto směru byly zatím (začátek roku 2008) negativní. Einsteinovy myšlenky jsou tak stále ještě nepřekonané. Podrobnosti o testování mezí platnosti obecné teorie relativity je možno nalézt na [2] nebo [3]. Budeme-li věřit, že je náš vesmír založen na jednotném principu, a v tom se shodují jak fyzikové nábožensky založení, tak i nevěřící, pak nutně dojdeme k názoru, že zde vládne jen jedna jediná síla a že tedy musí existovat nějaký jednotný popis všech sil. O jeho nalezení se ostatně Einstein snažil po celý svůj život, i když neúspěšně. Jak již bylo uvedeno, první úspěšný krok k vytvoření jednotného popisu různých interakcí byl proveden, když se podařilo jednotně vysvětlit elektromagnetickou a slabou interakci ve formě tzv. elektroslabého sjednocení. V současné době se fyzikové snaží o sjednocení teorií elektroslabé a silné interakce, tzv. teorie velkého sjednocení (GUT – Grand Unification Theory). A pokud by se podařilo do tohoto konceptu zahrnout i kvantovou teorii gravitace, dostali bychom teorii všeho (TOE – Theory of Everthing). Rozvoj fyzikálních teorií a jejich postupné spojování je graficky znázorněno na obr. 8 (viz barevnou přílohu).

56

Pokud tedy existuje jednotný popis všech sil, vyvstává zde otázka, proč se tato supersíla projevuje takovýmto čtverým způsobem. Studiem závislosti vazbových konstant jednotlivých interakcí, které charakterizují sílu interakce, se zjistilo, že jejich velikost závisí na energii interagujících částic. Při větších energiích by se měly jejich hodnoty vyrovnat. To by způsobilo, že bychom již tyto interakce od sebe nebyli schopni rozlišit. Situaci znázorňuje obr. 9.

Obr. 9 Sjednocení interakcí Experimenty ukazují, že když zvyšujeme energii interagujících částic, dochází nejdříve ke sjednocení elektromagnetické a slabé interakce. Takovéto sjednocení již bylo experimentálně ověřeno a umíme je popsat teorií elektroslabých sil. Urychlovače částic zatím ještě ale nedosáhly takových energií, aby bylo možno pozorovat sjednocení elektroslabé interakce s interakcí silnou. Vědci se domnívají, že při dosažení ještě vyšší energie by se mohla připojit dosud nejslabší gravitační interakce. Na výše uvedený obrázek se můžeme podívat také z jiného pohledu. Podle teorie velkého třesku se vesmír zrodil při velmi vysokých energiích. V těchto velice raných fázích vesmíru zde působila jediná tzv. supersíla. Tak, jak se vesmír postupně ochlazoval, začaly se postupně vydělovat ostatní interakce. Zmíněné kvantové teorie polí (elektroslabá interakce a kvantová chromodynamika) spolu s uvedenými základními stavebními částicemi hmoty tvoří hlavní součásti dnes nejlepší fyzikální teorie zvané Standardní model. Jeho před-

57

povědi velmi dobře souhlasí s provedenými experimenty, a to v některých případech až 10 platných číslic! Tak například tzv. anomální magnetický moment elektronu (tj. odchylka od Bohrova magnetonu, jemuž přisuzujeme hodnotu 1) má – teoretickou hodnotu 1,001 159 652 46 a – naměřenou hodnotu 1,001 159 652 21. Pro lepší představu to odpovídá měření vzdálenosti z New Yorku do Los Angeles (4 500km) s přesností tloušťky lidského vlasu. Přesto nejsou fyzikové s tímto modelem zcela spokojeni. Na některá jeho omezení se podíváme v následujících odstavcích. Teorie elektroslabých sil byla původně formulována pro částice s nulovou klidovou hmotností. To je však správné pouze v případě fotonu, ale neplatí například pro částice W a Z. Pro ostatní částice se tato hmotnost musí do teorie zavést uměle na základě naměřených hodnot. Tak například ze Standardního modelu nijak nevyplývá velikost klidové hmotnosti elektronu. Ta se musí do teorie dosadit. Existuje ještě dalších asi dvacet tzv. volných parametrů, naměřených hodnot určitých fyzikálních veličin, které musí být do teorie vloženy. O řešení problému s hmotnostmi částic se pokusil Peter Higgs už v roce 1964, kdy navrhl existenci nového pole, které prostupuje celý vesmír. Interakcí původně nehmotných částic s tímto tzv. Higgsovým polem získávají částice svoji hmotnost. Higgsovo pole, pokud existuje, musí mít zprostředkující částice (nosiče pole) tak, jako každé jiné pole. Tyto hypotetické částice zvané Higgsovy částice se zatím nepodařilo najít. Jejich detekce je jedním z úkolů nově budovaného urychlovače LHC v mezinárodní evropské laboratoři CERN. Zde je seznam otázek, na které Standardní model zatím nezná odpověď: • Proč nemůže Standardní model předpovědět hmotnosti částic a proč mají částice právě takovou hmotnost, jakou mají? • Proč existují právě tři generace kvarků a leptonů? • Jsou kvarky a leptony skutečně elementární nebo jsou složeny z nějakých fundamentálnějších částic? • Existují další částice, k jejichž objevu by bylo třeba urychlovačů s většími energiemi? • Existují další síly? • Higgsův mechanismus zůstává zahalen tajemstvím. Je správný? • Jak do Standardního modelu začlenit gravitační interakci? • Jaká je spojitost mezi kvarky a leptony? • Proč je elektrický náboj kvantován v jednotkách 1/3e ? • Jaký mechanismus je zodpovědný za narušení elektroslabé symetrie? Jinými slovy, proč se elektroslabá síla projevuje při nižších energiích dvo-

58

jím způsobem, v některých případech jako elektromagnetická a v jiných jako slabá síla? • Co je zdrojem narušení CP symetrie? • Je CPT symetrie tou určující symetrií našeho vesmíru? • Proč pozorujeme ve vesmíru pouze hmotu a téměř žádnou antihmotu, pokud věříme, že se vesmír zrodil zcela symetrický? • Co je tou tajemnou tzv. temnou hmotou, kterou nemůžeme pozorovat, ale která má viditelné gravitační efekty? • Co způsobuje urychlení rozpínání vesmíru? Jaká je podstata tzv. skryté energie vesmíru? • Existují skryté dimenze vesmíru? Nicméně vědci nečekají se založenýma rukama a snaží se o vytvoření nových teorií, které by navázaly na úspěch Standardního modelu, ale které by jej překonaly a přinesly odpovědi na tyto nezodpovězené otázky. Literatura [1] http://www-pdg.lbl.gov/2007/listings/contents_listings.html [2] http://einstein.stanford.edu/ [3] http://aldebaran.cz/bulletin/2004_17_gpb.html

59

Příklady z částicové fyziky Urychlovače částic Příklad 1 Na urychlovači LHC se budou urychlovat protony na velmi vysoké energie. LHC bude umístěn ve stejném tunelu jako LEP. Jakou největší energii mohou protony získat, má li tunel délku 27 km a magnetická indukce uvnitř vakuové trubice dosáhne nejvyšší hodnoty 8,36 T? Řešení Podle II. Newtonova zákona F = ma za předpokladu, že svazek má kruhový tvar, máme 2

qvB = m v R a hybnost částice svazku je p = mv, kde m je celková hmotnost částice. Odtud dostaneme

p = qRB = 1,6021 ⋅ 10 −19 C ⋅ =

27 000 m ⋅ 8,36 T ≈ 5,756 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s = 2π

5,756 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s ⋅ 3 ⋅ 108 ≈ 10,8 TeV/c. 1,6021 ⋅ 10 −19 J/eV

Efektivní délka kružnice je menší než 27 km, neboť maximální plánovaná energie je 7 TeV. Je-li energie protonů 7 TeV, je dle Einsteinových rovnic hybnost protonů E 2 = E02 + p 2 c 2 , tedy p=

p=

E 2 − E02 = c2

(7 TeV ) 2 − (0,938 ⋅ 10 −3 TeV ) 2 ≈ 7 TeV , nebo c c2

7 ⋅ 1012 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 J ≈ 3,7 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s . 3 ⋅ 108 m/s

Efektivní délka LHC, na které dochází k zakřivení trajektorie, pak je 2πR = 2π

3,738 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s p = 2π ≈ 17,5 km . qB 1,6021 ⋅ 10 −19 C ⋅ 8,36 T

Zbývající délku urychlovače pokrývají jiné části urychlovače, např. urychlovací dutiny, fokusační magnety aj.

60

Přímé části urychlovače zaujímají

27 km − 17,5 km ≈ 35 % celkové délky 27 km

urychlovače. Příklad 2 Na LHC bude ve dvou proti sobě se pohybujících svazcích cirkulovat 2 835 shluků částic v každém svazku, které se budou vzájemně srážet v detektorech. Jaký je počet srážek shluků a) za jednu sekundu, b) během jedné směny, která bude trvat 10 hodin. Řešení Svazky se pohybují téměř rychlostí světla, takže se střetnou každou 27 ⋅ 10 3 m 2 835 = 3,175 ⋅ 10 −8 s 3 ⋅ 108 m/s 1 = 32 MHz . 3,175 ⋅ 10 −8 s Udávána je hodnota 40 MHz, ale ve svazku jsou díry, jinými slovy některé shluky ve svazku chybějí. Tímto způsobem se "pojídá" svazek kousek po kousku, neboť ty shluky, které nekolidují, se chovají podivně a jakýmsi způsobem požírají ostatní shluky a vytvářejí ve svazku více děr. A za 10 hodin nastane přibližně 32 ⋅ 10 6 s −1 ⋅ 10 ⋅ 3 600 s ≈ 1,2 ⋅ 1012 srážek . Množství dat, která budou shromážděna za jednu sekundu, se rovná objemu asi 10 000 svazků Britannica Encyclopedia.

a frekvence srážek je

Příklad 3 Časový interval mezi shluky přicházejícími na detektor je 25 ns. Kolik kolizí nastane za jednu sekundu a jaká je frekvence, se kterou se svazky potkávají v urychlovači? Řešení 1s = 40 milionů kolizí za 1 s. 25 ⋅ 10 −9 s Frekvence, se kterou se svazky setkají, je tedy 40 MHz.

Nastane

61

Příklad 4 Částicový svazek na LHC představuje elektrický proud o hodnotě 0,5 A. Kolik částic obsahuje jeden svazek, je-li v urychlovači 2 835 shluků částic a časový interval mezi shluky je 25 ns? Řešení Proud je I = 0,5 A =

0,5 e / s = 3,1 ⋅ 1018 e/s . 1,6021 ⋅ 10 −19

Časový interval je 25 ns, takže dostáváme 25 ⋅ 10 −9 ⋅ 3,1 ⋅ 1018 ⋅ 1/s = 8 ⋅ 1010 protonů . Příklad 5 Jaká je celková energie protonů v jednom svazku, mají-li protony maximální energii 7 TeV a jeden svazek obsahuje 1011 částic?

Řešení Celková energie svazku je Ecelk = 2 835 ⋅1011 ⋅ 7 ⋅1012 ⋅1,6021 ⋅10 −19 J ≈ 320 MJ . Pokud ji porovnáte například s lodí, která se pohybuje rychlostí 3 m/s, což je 11 km/h, vychází její hmotnost 320 MJ m= 1 E 2 = = 70 000 t , ⋅v 0,5 ⋅ (3 ⋅ m/s) 2 2 což je již docela velká záoceánská loď. Příklad 6 Jak velký elektrický proud představuje jeden shluk částic ve svazku, obsahuje-li 1011 částic?

Řešení Velikost proudu je 1011 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 C I= ≈ 0,64 A 25 ns nebo I = 1011 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 ⋅ 40 MHz ≈ 0,64 A .

62

Příklad 7 Kolik oběhů vykoná protonový svazek, než spadne na dno trubice svazku, pokud se nefokusuje?

Řešení Průměr trubice svazku na LHC je 18 mm. Z kinematických rovnic dostaneme h = 1 gt 2 2 a doba pádu je 2h = 2 ⋅ 0,018 m ≈ 61 ms . g 9,81 m/s 2 Za tento čas proton vykoná 3 ⋅ 108 m/s ⋅ 61 m/s ≈ 670 oběhů . 27 ⋅ 10 3 m Svazek by měl vydržet v urychlovači 10 hodin, během kterých proton vykoná 10 ⋅ 3600 s ⋅ 40 MHz = 1,4 ⋅ 1012 oběhů . Z tohoto důvodu musí být urychlovač doplněn o fokusační zařízení. t=

Příklad 8 Za jak dlouho by Mika Hakkinen urazil stejnou dráhu jako protony v trubici svazku za jednu sekundu?

Řešení Trvalo by to 300 000 km/s ⋅ 1 s = 937,5 h = 39 dní (a nocí) . t = s = ct = 320 km/h v v Příklad 9 Na urychlovači LHC v CERNu může být nárůst proudu v supravodivých magnetech 10 A za sekundu. Jak dlouho bude trvat, než se dosáhne maximálního proudu 11 700 A?

Řešení Doba nárůstu proudu je t = 11 700 A = 1170 s ≈ 19,5 min . 10 A/s

63

Příklad 10 Základní součástí urychlovače LHC jsou supravodivé dipólové magnety, které jsou 15 m dlouhé a jsou vyrobeny z oceli. Jak se změní délka trubice magnetu po ochlazení na 1,9 K, byla-li počáteční teplota 20 °C?

Řešení V matematicko - fyzikálních tabulkách najdeme pro součinitel délkové teplotní roztažnosti železa (není uvedena ocel, neboť hodnota silně závisí na druhu oceli) hodnotu α = 0,012 · 10–3 K–1. Zkrácení dipólového magnetu by činilo Δl = l0 αΔt = 15 ⋅ 0,012 ⋅ 10 −3 ⋅ (293 − 1,9 ) m = 0,0524 m = 5,24 cm . Tak velké zkrácení je nepřijatelné. Speciální ocel musí mít mnohem menší hodnotu součinitele délkové teplotní roztažnosti. Samostatně již určete koeficient délkové teplotní roztažnosti, nemá-li změna délky činit víc než 20 mikrometrů. Reakce částic Teoretický základ Frekvence případů (event rate) poskytuje informaci o počtu čelních srážek, které nastanou v detektoru za jednotku času a definuje se jako N ev n b ⋅ f rev ⋅ N 1 ⋅ N 2 = ⋅σ , t A kde frev udává, kolikrát proběhne jeden shluk celý prstenec N1 a N2 jsou počty částic v navzájem kolidujících shlucích, které se pohybují proti sobě, A je průřez svazku, σ je účinný průřez určitého případu (je mírou pravděpodobnosti, že nastane určitý případ). Poznámka: rev je zkratka revolution = počet oběhů, ev je zkratka events = případů. Pod pojmem případ rozumíme určitou konkrétní skladbu produktů kolize. Např. při srážce elektronu s pozitronem mohou vzniknout v jednom případu dva fotony gama, v jiném případu např. vzniknou dva piony. Celý svazek pohybující se v trubici svazku bude na LHC složen z 2 835 shluků částic, každý shluk bude čítat asi 1011 částic. V částicové fyzice se často používá pro jednotku účinného průřezu 1 barn, zkratkou 1 b. Převodní vztah je 1 b = 10–24 cm2. „Barn“ znamená v angličtině „stodola“. Tato jednotka vznikla historicky tak, že se jednomu experimentálnímu týmu podařilo dosáhnout skutečně velkého účinného průřezu jisté reakce, kterýžto jeden z fyziků označil, že „je velký jako stodola“. Tak se nakonec mezi částicovými fyziky tato jednotka usadila.

64

První část výše uvedeného vztahu se nazývá luminosita L a je definována vztahem n f N N L = b rev 1 2 , A nebo v případě, že N1 = N2 f N2 . L = rev A Takže frekvence případů může být vyjádřena jako N ev = Lσ . t Když známe frekvenci fbunch, se kterou se shluky setkávají, vychází frekvence případů N ev f N N = bunch 1 2 σ . t A Příklad 11 Luminosita na LEPu dosahovala hodnoty 100 · 1030 cm–2 · s–1. Nechť účinný průřez jistého případu je 1,0 · 10–24 cm2, tj. jeden barn (b). Kolik případů nastane za jednu sekundu?

Řešení Frekvence případů na LEPu při účinném průřezu 1 barn byla N ev = Lσ = 100 ⋅ 10 30 cm − 2 s −1 ⋅ 10 − 24 cm 2 = 10 8 případů/s . t Doba jednoho oběhu činila 27 ⋅ 10 3 m ≈ 90 μs 3 ⋅ 10 8 m/s a frekvence oběhů byla 1 ≈ 11 kHz . 90 μs V prstenci LEPu byly čtyři svazky, takže frekvence kolizí byla 4 · 11 kHz = = 44 kHz (srovnej se 40 MHz na LHC) a časový interval mezi srážkami byl 1 = 2,3 ⋅10 −5 s = 23 μs . 44 kHz

65

Příklad 12 Počáteční luminosita LHC je plánována na 1 · 1033 cm–2 · s–1. Odhadovaný účinný průřez pro generaci Higgsova bosonu, který se rozpadá na dva fotony γ je 50 fb. Kolik případů očekáváme detekovat za jednu sekundu?

Řešení Frekvence případů je N ev = Lσ = 1 ⋅ 10 33 cm − 2 s −1 ⋅ 50 ⋅ 10 −15 ⋅ 10 − 24 cm 2 ≈ 5 ⋅ 10 −5 případů/s . t Musíme čekat 1 = 2 ⋅10 4 s = 5,6 h , než se objeví první Higgsův boson. 5 ⋅10 − 5 s Na urychlovači Tevatron v Chicagu dosahuje po provedené rekonstrukci luminosita hodnoty 1030 cm–2 · s–1. Jak dlouho budeme muset čekat na Higgsův boson v procesu, ve kterém se Higgs rozpadá na dva fotony s účinným průřezem stejným jako v příkladě 11? Tevatron dosahuje maximální energie 1 TeV, a protože je účinný průřez funkcí energie, bude výpočet pouze orientační. Poznámka z konce roku 2003: Prozatím se po zkušenostech z prvních 2 let zdá, že Tevatron má problémy dosáhnout plánované luminosity a udržet ji po dostatečně dlouhou dobu, což staví otázku souboje o prioritu v objevu Higgsova bosonu do poněkud jiného světla. Spíše to vypadá, že řešení této otázky bude muset počkat až na experimenty na LHC.

Frekvence případů je N ev = Lσ = 1⋅1030 ⋅ cm −2 ⋅ s −1 ⋅ 50 ⋅10 −15 ⋅10−24 cm 2 = 5 ⋅10−8 případů/s . t Budeme muset čekat 1 = 2 ⋅ 10 7 s = 230 dní na první Higgsův boson a 5 ⋅ 10 −8 s 10 ⋅ 230 = 230 dní = 6,4 roků na 10 Higgsových bosonů, abychom si byli jisti, že je to skutečně Higgsův boson. Tevatron započal s experimentem v roce 2002 a LHC bude dokončen v roce 2008. Takže závod o to, kdo první nalezne Higgsův boson, bude velmi tvrdý. Účinný průřez pro produkci Higgsova bosonu rozpadajícího se na kvarky top a antitop je 20 pb, takže bychom očekávali Lσ = 10 33 ⋅ 20 ⋅ 10 −12 ⋅ 10 −24 = 0,02 případů /s a prvního Higgsova bozonu bychom se na LHC dočkali už za 50 sekund.

66

Příklad 13 Luminosita LHC je 1 · 1034 cm–2 · s–1. Nastane-li 17 000 případů za 100 ms, jaký je účinný průřez tohoto případu vyjádřený v barnech?

Řešení Frekvence případů je

N ev = Lσ takže účinný průřez případu je t

17 000 100 ⋅ 10 −3 s = 1,7 ⋅ 10 −29 = 17 ⋅ 10 −6 ⋅ 10 −24 cm 2 = 17 μb . σ= 34 1 ⋅ 10 cm −2s −1 Příklad 14 Účinný průřez reakce vedoucí k produkci částice Z, jednoho z nosičů slabé interakce, na LEPu, kde se srážely elektrony s pozitrony, byla 32 nb (nanobarn) při energii svazku 91 GeV. Jak dlouho museli čekat na první případ měla-li luminosita hodnotu 23 · 1030 cm–2 · s–1?

Řešení Frekvence případů je Lσ = 23 ⋅ 1030 cm −2s −1 ⋅ 32 ⋅ 10 −9 ⋅ 10 −24 cm 2 ≈ 0,736 případů /s ,

takže trvalo přibližně 1/(0,736 1/s) = 1,4 s, než vznikla první částice Z (s nulovou kinetickou energií). Standardní model Teoretický základ Částice složené z kvarků je možno rozdělit do tří skupin. Mezony se skládají z kvarku a antikvarku (q,aq), baryony ze tří kvarků (q,q,q) a antibaryony ze tří antikvarků (aq,aq,aq). Veškeré dosud objevené částice mají právě jednu z uvedených struktur. Aby teoretikové vysvětlili výše zmíněné kombinace kvarků, přiřazují ke každému kvarku určité kvantové číslo zvané barva (červená, modrá nebo zelená) a antikvarku přiřazují antibarvu. Pravidlo zní, že všechny částice musí mít bílou barvu. Částice mají bílou barvu, když kvarky uvnitř částic mají tři různé barvy nebo jednu barvu a k ní jednu antibarvu. Další pravidlo je založeno na tom, že nikdo nepozoroval částici, která by neměla celočíselný náboj (myslíme v násobcích velikosti náboje elektronu). Náboj musí mít hodnotu –1, 0, +1 nebo +2 neboť náboje kvarků mají hodnoty

67

+2/3 nebo –1/3. Například třikrát +2/3 jsou +2 nebo (+2/3) + (–1/3) + (–1/3) je nula nebo třikrát –1/3 je –1. Kvark up down strange charm bottom top

Označení u d s c b t

Náboj [e] +2/3 –1/3 –1/3 +2/3 –1/3 +2/3

Příklad 15 Kolik mezonů a baryonů v základním stavu (spin = 0) může existovat dle Standardního modelu, kdybychom mohli k jejich výstavbě použít a) 4 kvarky (u, d, s, c) nebo b) 6 kvarků.

Návod Až budete počítat náboj částic v části b), bude užitečné si kvarky uspořádat následovně: Kvark Náboj [e] u +2/3 c +2/3 t +2/3 d –1/3 s –1/3 b –1/3 Řešení pro mezony Ad a) Začněme nejprve s kombinacemi kvark a antikvark (q,aq), tedy s mezony. (aq = antikvark, au = anti up, atd.):

u +2/3 au –2/3

d –1/3 ad +1/3

s –1/3 as +1/3

c +2/ 3 ac –2/ 3

Náboj může být buď nula, plus jedna, nebo minus jedna. V případě nulového náboje musí být každý kvark kombinován postupně se dvěma antikvarky, takže je celkem 4 · 2 = 8 možností.

68

V případě náboje +1 nebo –1 jsou dvě možnosti pro každý kvark, takže celkem 8 pro náboj +1 a 8 pro náboj –1. Tedy celkem 16 různých mezonů je možno složit ze čtyř kvarků. Adb) Stejně můžete postupovat se šesti kvarky: u +2/3 au –2/3

d –1/3 ad +1/3

s –1/3 as +1/3

c +2/ 3 ac –2/ 3

b –1/3 ab +1/3

t +2/3 at –2/3

Můžeme kombinovat každý kvark se třemi ostatními, abychom dostali nulový náboj, takže při šesti kvarcích dostanete celkem 6 · 3 = 18 různých částic. Má-li být náboj –1 nebo +1, ke každému kvarku existují tři možné antikvarky, takže je 6 · 3 = 18 různých možností. Existuje tedy 36 různých mezonů, které můžete složit ze 6 kvarků. Existuje jiná možnost řešení úkolu. Umístíme všechny kvarky do následující tabulky: u +2/3 d –1/3 s –1/3 c +2/3 b –1/3 t +2/3

au –2/3 u,au 0 d,au –1 s,au –1 c,au 0 b,au –1 t,au 0

ad +1/3 atd

as +1/3 atd

ac –2/3 atd

ab +1/3

at –2/3

Tímto způsobem dostaneme 6 · 6 = 36 různých mezonů v základním stavu (spin = 0). Řešení pro baryony Nejprve se podívejme na kombinace tří kvarků (qqq). Vezměme nejprve baryony s nulovým nábojem (Q = 0). Každý kvark s nábojem +2/3 může být spojen s dvěma kvarky s nábojem –1/3 šesti způsoby. Například kvark u může být spojen s kvarky dd, ds, ss, st, tt, dt, což lze uskutečnit 6ti způsoby. Stejný počet vychází pro kvarky c a t, které mají rovněž náboj +2/3. Máme tedy celkem 18 různých částic.

69

Kvark u c t d s b

Náboj [e] +2/3 +2/3 +2/3 –1/3 –1/3 –1/3

Dále baryony s nábojem –1: kvarky ze spodní části tabulky se váží navzájem 3 · 3 · 3 = 27mi způsoby a tak dostaneme 27 různých částic. Stejné je to s nábojem +2 (kombinují se kvarky u, c, t). Mohou se vázat navzájem 3 · 3 · 3 = 27mi způsoby, takže dostaneme 27 dalších částic. Nakonec náboj +1, ale způsob výpočtu je podobný výpočtu při náboji nula. Vezmete jednu částici z dolní části tabulky (Q = –1/3) a svážete ji se dvěma částicemi z horní části (Q = +2/3). Dohromady tedy máme 18 + 27 + 27 + 18 = = 90 různých částic zvaných baryony. Existují ale také antičástice – antibaryony, takže dostaneme dalších 90 částic. Celkový počet všech baryonů a antibaryonů je 180. Sečteme-li všechny mezony, baryony a antibaryony (nazýváme je společným názvem hadrony), je jejich celkový počet roven 216. To je v případě, že částice jsou v základním stavu s minimální energií. Nejsou zde započítány smíšené a excitované stavy. Vezmeme-li v úvahu ještě smíšené a excitované stavy, dostaneme počet částic přesahujících hodnotu 250. Proto se nedivme, že takovýto počet částic vyvolával u fyziků na počátku 60. let 20. století oprávněný pocit frustrace z takové inflace počtu tehdy uvažovaných „elementárních částic“. Kvarková představa složení hadronů jednak zmenšila počet základních stavebních částic hmoty a především odhalila řád v takové rozmanitosti různých baryonů.

70

Interaktivní tabule DITA MARYŠKOVÁ „Neruš mé kruhy!“ zněla památná věta Archiméda ze Syrakus z roku 212 př. n. l., když si kreslil jednu ze svých dalších matematických úvah do písku a do světla mu vstoupil římský voják. Tato věta stála Archiméda život. Ukazuje se však, že své nápady si lidé snažily nějakým uměleckým způsobem zachytit již v dávné minulosti. Zásada názornosti se ve vzdělávacím procesu objevuje spolu s mnoha dalšími zásadami v dílech Jana Amose Komenského v 1. polovině 17. století. Tužka a papír, respektive tabule a křída, je nedílnou součástí výchovně vzdělávacího procesu. Původně se psalo prstem do písku, následovaly hliněné destičky a tabulky s křídou. Poslední jmenovaná pomůcka se v českém školství v nejrůznější podobě vyskytuje dodnes. Černá nebo zelená tabule a kousek křídy patří k základnímu vybavení téměř každé České školní třídy. V modernějších školách nahradily černé tabule, tabule bílé, plastové, na které se píše fixami. Méně se práší a tím jsou fixy bezpečnější pro naše zdraví. Bohužel finanční náklady značně rostou. V moderních podnikových školících střediscích šel vývoj ještě dál – k názornosti se používají velké papírové „bloky“, na které se píše opět fixou. Princip výuky ale zůstává stejný. Na tabuli je možné napsat žákům správně jakékoli slovo, které neznají. Nebo nakreslit obrázek a tím situaci přiblížit. Myšlenky je potřeba zaznamenat pro své žáky. Často si ovšem „nápady z tabule“ zachytíme také pro sebe na papír. Když se k nim později vrátíme a dále je rozvíjíme, necháváme tak vzkaz pro další generace. Pokud k přepisu na papír nedojde, po skončení hodiny vše zmizí v nenávratnu… Navíc příprava materiálu na tabuli ještě před hodinou je značně náročná a dnes již tato praxe zůstává snad jen v některých třídách 1. stupně. Opačnou stránku názorného vyučování zastupují filmy. Ve 2. polovině 20. století se žákům promítaly diapozitivy nebo tzv. „smyčky“ kdy film běžel stále dokola. Bylo možné jej za určitých okolností zastavit a znovu rozběhnout. Učitel musel daný problém vysvětlovat sám. Bohužel do hotového filmu není možné nijak zasáhnout. Smyčky byly na své pouti vystřídány filmy na videu a nejnověji na DVD nosičích. Stále však řešíme v hodinách stejný problém – k jakémukoli dalšímu podrobnému vysvětlení se musíme spolehnout na naši starou dobrou tabuli.

71

Když se tedy podíváme na problém z obou stran, máme možnost volby – buď budeme celé zadání psát přímo na tabuli v hodině (a tím ztratíme drahocenný čas) nebo přijdeme do hodiny se zadáním, ale řešení musíme tvořit někam na jiné místo vzhledem k zadání. Nástup informačních a komunikačních technologií umožnil začít využívat v hodinách počítače. Aktivní učitel si může celou svou hodinu nachystat v některém z dostupných programů. Na některé hodiny je vhodný program MS Word, jiné upřednostňují MS Excel a v poslední době se rozšiřují prezentace vytvořené v programu MS PowerPoint. Stále však řešíme problém, jak připravenou prezentaci přímo před očima žáků doplňovat o potřebné další informace. Navíc při práci s počítačem většina učitelů ve třídě sedí u pracovního stroje. Nevidí na žáky a jejich aktivity, nemají zpětnou kontrolu. Jako by se za počítačem „schovávali“. Řešení se objevilo před několika lety v podobě interaktivní tabule. Technologie interaktivní tabule v sobě zahrnuje všechny dosavadní možnosti názorné výuky, doplňuje je však o důležitý prvek interaktivity. Prvek, který učiteli i žákovi umožňuje do názorné výuky aktivně vstupovat, ovlivňovat ji a přizpůsobovat aktuálním potřebám sebe samého i celé třídy. Na rozdíl od frontální práce žáků na pracovních stanicích v počítačové učebně umožňuje společnou práci celé třídy nebo skupiny, kdy všichni žáci mají možnost sledovat výuku na ploše blížící se velikostí klasické tabuli s možností dynamického ovládání včetně on-line přístupu ke všem formám informačních zdrojů. Uživatelé získávají možnost, podobně jako například počítačovou myší, prostřednictvím interaktivní tabule ovlivňovat činnost počítače a v něm aktivovaných programů, a vše v reálném čase díky obrazu promítanému datovým projektorem sledovat přímo na projekční ploše, odkud změny provádějí. Skutečnost, že všechny druhy ve školách používaných interaktivních tabulí mají povrch upravený i pro běžnou práci (například se standardními popisovači), otevírá uživatelům navíc velmi široké možnosti dokreslování přímo do promítaného snímku.

Důležité součásti Interaktivní tabule Počítač má při práci s interaktivní tabulí mimo standardního systémového programového vybavení (operační systém, antivirový software, atd.) aktivně spuštěny dva další základní programy: samotný výukový software, který je prezentován (například malá násobilka, anglická slovíčka a podobně), a ovládací software interaktivní tabule. A právě software interaktivní tabule zajišťuje propojení grafických dat z výukového softwaru s daty přicházejícími

72

z interaktivní tabule a zpracované vstupy předává ve formě digitálních dat již standardním způsobem do datového projektoru k promítnutí. Výukový software tedy poskytuje data stejným způsobem jako při zobrazování na monitoru pracovní stanice a ze samotné interaktivní tabule jsou do pracovní stanice zasílána data o činnosti uživatele stojícího u ní (například zda uživatel pohybuje s objekty zobrazenými na tabuli, zda je označuje, zda provádí operaci klik nebo dvojklik nebo zda například na tabuli píše). Software interaktivní tabule instalovaný na pracovní stanici následně takto získaná data propojí, zpracuje a zašle do projektoru k zobrazení. Současně je schopen reagovat i na data přicházející z jiných částí pracovní stanice, například z počítačové myši. V praxi tedy může nastat situace, kdy jak uživatel u interaktivní tabule, tak i uživatel u pracovní stanice mohou oba pohybovat objekty zobrazenými na ploše interaktivní tabule. Uživatel u počítače je vidí na monitoru a může je ovládat například počítačovou myší, uživatel u tabule je vidí promítnuté a ovládat je může podle druhu tabule například prstem nebo magnetickým perem. Při zaměření se na stejný objekt potom rozhoduje, který z uživatelů jej pro další činnost aktivuje (uchopí, zahájí psaní, klikne, apod.) jako první. Datový projektor zajišťuje promítnutí příslušného obrazu na plochu interaktivní tabule. Datový projektor v podstatě pouze zajišťuje zobrazení (promítnutí) obrazových dat vzniklých interakcí počítače, příslušného softwaru a uživatele u tabule nebo u počítače na plochu interaktivní tabule. Promítnuta by mohla být samozřejmě i na jakoukoliv jinou projekční plochu, například na promítací plátno nebo stěnu s vhodně upraveným povrchem. Pohyb po této klasické promítací ploše však v žádném případě nebude a ani nemůže mít vliv na činnost počítače a v něm aktivovaného softwaru. Datový projektor tedy opravdu plní pouze úkol promítacího zařízení. Interaktivní tabule = aktivní plocha, kam se přenáší obraz z počítače pomocí datového projektoru, a velký tablet v jednom. Interaktivní tabule tedy pouze využívá historicky známých poznatků na poměrně větší ploše. Další prvky sestavy pro interaktivní tabuli – patří k nepovinným pracovním nástrojům. Pokud však jsou součástí vybavení počítače nebo učebny, práci s nimi si velmi rychle osvojíte. Učení je totiž mnohem pohodlnější. Patří sem například externí zdroje obrazového signálu. Ty jsou potřebné pro využití tabule jako televizní obrazovky. Součástí může být TV připojení, možnost zapojení digitální kamery a podobně. S tím souvisí nutnost vylepšení zvuku. Tabuli je možné obohatit o doplňkové ozvučení i mikrofon. To ocení zejména vyučující ve velkých přednáškových místnostech s množstvím studentů. Dálkové ovládání umožňuje nejen přepínání mezi televizními kanály, případně

73

jednotlivými sekcemi prezentace. Kvalitní zařízení umožňuje přesouvat objekty, opravovat chyby žáků a další běžnou práci.

Druhy Interaktivních tabulí Ultrazvukové a infračervené tabule – e-Beam

Ultrazvukové dotykové tabule (tzv. ELOtouch) využívají ke své činnosti povrchovou ultrazvukovou vlnu, která se šíří po čirém skle. Akustické ultrazvukové vlny jsou generovány piezo měniči, které jsou umístěny po obvodu obrazové plochy a slouží jako přijímače a vysílače. Když se uživatel prstem nebo jiným měkkým materiálem dotkne skla, vlny jsou absorbovány a dotek je elektronikou detekován v daném bodě. Protože panel je celý ze skla a nejsou zde žádné vrstvy, které by mohly trpět opotřebením, má tato technologie vysokou trvanlivost a také velmi dobrou světelnou propustnost. Využívá se však zejména pro výrobu interaktivních ploch menších rozměrů vybavených zadní projekcí (například internetové kiosky) a pro rozměrné tabulové systémy umístitelné do tříd není vhodná. Navíc nereaguje například na plastový nebo dřevěný kolík. Na druhou stranu naopak umožňuje snímat i sílu přítlaku a téměř nevyžaduje kalibraci. Provozně je však velmi citlivá na poškrábání nebo na silné znečištění. Prodejci těchto typů tabule přímo píší: Mobilní interaktivní tabule. Použití s jakoukoliv bílou tabulí. Snadná a rychlá instalace, 3 - 5 minut. Možnost pou74

žití libovolného projektoru. Interaktivní pero se třemi tlačítky. Automatické vytváření prezentace - záznamu - během přednášky. 100% náhrada běžných interaktivních tabulí. Přenosné řešení, které není vázáno na konkrétní učebnu. Komunikační rozhraní USB. Česká lokalizace softwaru! EBeam Projection ve spojení s běžným dataprojektorem promění vaši Vaši bílou tabuli na interaktivní plochu pro kompletní interaktivní ovládání Vašeho PC nebo pro vytváření působivých interaktivních prezentací a přednášek. Stačí pouze umístit přijímač na tabuli a zapnout projektor. Interaktivní pero plně nahradí myš počítače nejen pro ovládání všech jeho funkcí ale umožní i popis a anotaci plochy počítače a uložení jako jednotlivých kroků jako listy prezentace. K dispozici je také možnost přímého sledování přednášky po interní síti a dokonce i přes internet. To znamená, že pokud budete chtít, tak obsah Vaši přednášky může sledovat kdokoliv na svém počítači třeba na druhém konci světa... Sada obsahuje Interaktivní pero a interaktivní přijímač s USB kabelem na propojení s počítačem. Baterie jsou součástí dodávky stejně jako instalační SW a česká lokalizace. Přijímač se upevňuje na tabuli nebo flipchart pomocí magnetické destičky, destičky s přísavkami nebo pomocí oboustranné lepící pásky - dle typu použité tabule. Přijímač se propojí s PC pomocí USB kabeláže. Po instalaci SW proběhne krátká kalibrace snímací plochy a zařízení je připraveno k použití. Hotové prezentace lze uložit např. jako PDF soubor, PowerPointovou prezentaci apod. například pro snadné rozeslání účastníkům emailem. Vlastní instalace obsahuje aplikaci na vytváření prezentací – obdoba PowerPointu. Elektromagnetické interaktivní tabule – Activ board

75

Elektromagnetická interaktivní tabule využívá schopnosti permanentního magnetu uloženého v pouzdře připomínající pero narušovat elektromagnetické pole generované vlastní tabulí. Samotná interaktivní tabule připomíná pohledem i povrchem běžnou bílou ocelovou nebo keramickou tabuli. Pod speciální krycí vrstvou, která je obvykle tvořena melaminem, je v těle tabule uložena velmi jemná síť vodičů vytvářející slabé elektromagnetické pole, které vyplňuje prostor několika milimetrů před tabulí. Pro práci s tabulí uživatel musí mít speciální bezbateriové magnetické pero, které tvarem i velikostí připomíná běžný popisovač tabulí. V jeho těle je uložen stálý (permanentní) magnet, který při přiblížení pera k interaktivní tabuli narušuje její elektromagnetické pole. Elektronika interaktivní tabule potom ze změněných hodnot elektromagnetických veličin odečítá polohu pera, kterou předává řídícímu softwaru. Vlastní elektromagnetické pero plně nahrazuje počítačovou myš a simuluje její funkce. Hrot pera představuje levé tlačítko myši, činnost pravého tlačítka myši je simulována tlačítkem na plášti pera. Elektronika tabule je přitom schopna rozlišit, zda se hrot magnetického pera k tabuli pouze přiblížil, tj. zda elektromagnetické pole narušil pouze v jeho okrajové části, nebo zda se hrot tabule přímo dotkl, tj. zda došlo k narušení elektromagnetické zóny v celé její vrstvě. Získaná data software interaktivní tabule vyhodnotí buď pouze jako požadavek na zobrazení kurzoru a pohybu s ním (v podstatě pohyb počítačové myši), nebo jako kliknutí levým tlačítkem myši, případně jako kliknutí a tažení nebo jako dvojklik počítačové myši. Pokud uživatel stiskne a přidrží tlačítko na těle elektromagnetického pera, simuluje systém práci s myší se stisknutým pravým tlačítkem. Povrchová vrstva tabule je vyrobena z velmi tvrdého materiálu odolného proti poškrábání, nárazům a otřesům. Na tabuli tak lze psát i běžnými popisovači určenými pro klasické ocelové nebo keramické tabule, lze na ní pracovat například i se slupovacími barvami, klasickými magnetkami nebo s modelovací hmotou, případně i s kružítkem s přísavkou a s popisovačem místo křídy nebo s klasickými pravítky. Mírná nestálost magnetického pole generovaného tabulí na druhou stranu vyžaduje občasnou kalibraci systému, tedy sladění skutečné polohy magnetického pera s polohou, kterou detekuje elektronika tabule. Kalibrace je však velmi snadná a časově nenáročná. Odporové dotykové – Smart board V případě velkorozměrných interaktivních tabulí, jejichž využití ve školských podmínkách je zcela jistě nejširší, převládají interaktivní membránové tabule využívající odporového principu. Základem takovéto tabule jsou 2 fólie (membrány) pokovené obvykle materiálem ITO s vhodnou separací, kterou

76

může být buď třetí průhledná polovodičová fólie nebo vzduchová vrstva. Při stlačení vznikne kontakt mezi oběma vodivými vrstvami a z poměrů elektrických odporů měřených od rohů nebo od okrajů tabule vypočte její elektronika souřadnice bodu (místa), kde ke kontaktu došlo, neboli místa, které uživatel stlačil. Pro aktivaci bodu na tabuli je tedy třeba určitý, ale nijak velký, tlak. Pravděpodobně největší výhodou tohoto principu je, že k propojení vodivých vrstev lze použít jakýkoliv předmět – holý prst, nehet, prst v rukavici, kolík z jakéhokoliv materiálu, zavřený popisovač nebo zavřenou propisovací tužku. Nevýhodou tohoto systému, která se ale projevuje u většiny dotykových interaktivních tabulí, je skutečnost, že vrstvy jsou náchylné na poškrábání a v případě odporové dotykové tabule v důsledku pružnosti vrstev i k proražení či jinému poškození. Povrch těchto tabulí bývá obvykle ještě opatřen další průhlednou fólií, na kterou se nedá psát běžnými popisovači, ale její kvalita a případně i kvalita jejího nanesení může ovlivnit životnost a použitelnost celé interaktivní tabule. Krycí fólie se časem samovolně nebo i po větším nárazu může začít od podkladu oddělovat a vytvářet nepříjemné „bubliny“. Může navíc začít absorbovat barvy z nekvalitních popisovačů a časem zhoršovat optické vlastnosti tabule. Odporové interaktivní tabule obvykle také neobsahují žádnou feromagnetickou vrstvu a nelze tak na nich pracovat s obyčejnými magnetkami. Z uživatelského hlediska je práce s odporovou dotykovou tabulí velmi komfortní a snadná, neboť žákům a učitelům stačí pouhý dotyk prstem, pružnost vrstev však silně omezuje další činnosti (například používání klasického kružítka, byť vybaveného přísavkou) a je příčinou náchylnosti k poškození (například proseknutí hranou nebo rohem obyčejného plastového pravítka, které po sobě žáci o přestávce mohou hodit). Mírné změny ve vodivosti fólií, ke kterým časem dochází, vyvolávají i u této technologie požadavek na občasnou kalibraci systému. I zde je její provedení velmi snadné a časově nenáročné.

Vlastní práce s tabulí Pro všechny typy a úrovně tabulí je několik prvků společných. Tabule spolu s dalšími technickými doplňky umožňují pracovat s aktivní plochou jako bychom přímo seděli u počítače. Lze využít všechny nainstalované programy. Vyučovací hodina v běžné třídě bez techniky neumožní využít poznatků z internetu. Interaktivní tabule umožňuje využívat všech možností internetu včetně animací, virtuálních laboratoří, fotografií, … Přípravy psané v MS Wordu, MS Excelu, případně v dalších rozšířených programech lze spustit na všech tabulích, kde je potřebný software instalovaný.

77

Speciální software je specifický pro každý typ tabule. Není možné program psaný pro Activ studio využít na tabuli Smart board a naopak. Ve všech těchto programech však lze vkládat text, lze rýsovat rovné čáry, kreslit interaktivním perem libovolné obrázky. Můžeme vkládat geometrické útvary ze speciální nabídky příslušného programu. Mnohé tabule mají ve své galerii i další nabídky speciálních obrázků podobně jako klipart v MS Wordu. Tabule Smart board tak nabízí možnost vložit Sluneční soustavu, některé součástky elektrického obvodu, světadíly a další. V galerii však také najdeme čtverečkovaný papír, soustavu polárních souřadnic nebo i kartézskou soustavu souřadnic (dvou i tří rozměrnou). Práce se nám značně zjednodušuje. Všechny programy rovněž umožňují převést rukou psaný text do „tištěné“ podoby. Práce u tabule s nástrojem nahrazujícím počítačovou myš se však liší. Některé rozdíly u dvou nejrozšířenějších typů tabulí v České republice ukazuje tabulka.

ACTIV Board

SMART Board

levé tlačítko myši dotyk speciálním magnetickým dotyk čímkoli (tedy i prstem) na bezbateriovým perem požadovaném místě tabule na požadovaném místě tabule dvojklik myší

dvojdotyk speciálním perem

dvojdotyk čímkoli

pravé tlačítko myši

sepnou spínač na peru a dotknout se požadovaného místa tabule

pomocí plovoucího panelu nástrojů zvolit ikonu pravého tlačítka, nebo funkcí "gesta", pokud je nainstalovaný systém DViT

psaní do libovolného programu MS Office

vloží se "průhledná blána" programu tabule a píše se do "horní vrstvy"

lze psát přímo do programu MS Office

využití jako magnetické tabule

lze

nelze

využití klasické fixy

lze

nelze

vytvoření vlastní prezentace

lze v programu tabule nebo i v programu MS PowerPoint (nelze však dopisovat při prezentaci)

Lze v libovolném programu včetně programu tabule

78

Konkrétní příklady využití tabule Smart Board Příklad 1 – Převody jednotek v programu MS Word – částečně rozpracované V programu jsme vytvořili několik příkladů na převody fyzikálních jednotek. Program jsme spustili na počítači zapojeném k tabuli obvyklým způsobem. Zprovozníme tabuli (většinou stačí zapnout datový projektor). Na ploše tabule se zobrazí stejné zadání jako na monitoru počítače. Žáci chodí k tabuli a perem dopisují správné výsledky. Ty se zobrazují na tabuli a současně na monitoru počítače. Výsledky lze uložit nebo neuložit podle uvážení vyučujícího. Rozpracovaný úkol je na obr. 1.

Obr. 1 – MS Word Příklad 2 – Převody jednotek v programu Smart Notebook – částečně rozpracované Podobně jsme si připravili převody jednotek v programu tabule. Jediným rozdílem je jiné grafické zobrazení a nemožnost spustit tento program na jiné tabuli, případně na jiném počítači. Ukázka viz obr. 2.

79

Obr. 2 – Aplikace Notebook Příklad 3 – Úprava obrázků používaných v programu MS PowerPoint Tradičním způsobem si připravíme prezentaci a známým způsobem ji také spustíme na počítači připojeném k tabuli. Interaktivní tabule nám však na rozdíl od promítacího plátna umožňuje obrázky doplnit potřebným způsobem. Obrázek 3 ukazuje původní verzi motoru a také upravenou podobu.

Obr. 3 – Fáze motoru: MS Powerpoint vlevo, po zásahu na tabuli vpravo

80

Příklad 4 – Program Smart Notebook – ukázka vložených objektů Na následujícím obrázku je zachycena část obrazovky interaktivní tabule. Můžeme na ní nalézt psaný text, vložený obrázek (skenovaný z učebnice fyziky pro gymnázia) a vložený odkaz na internet spolu s motivační obrazovkou stránky. Vpravo je navíc vidět, že zvolená prezentace obsahuje 4 strany. Ty první 3 jsou značně obsáhlé a odpovídají každá přibližně 3 stránkám v programu MS PowerPoint. Momentálně se nacházíme na 3. straně prezentace v její dolní části.

Obr. 4 – Smart Notebook Literatura [1] http://www.zskrouna.cz/projekt1/technika.htm [2] Wagner, J. Interaktivní tabule: kterou si vybrat? In: Česká škola [on line], Dostupné z: [cit. 2008-3-8] [3] http://www.tabule-flipcharty.cz/interaktivni-tabule-tabule646.html?cPath=130&zenid=16a9bbd74d74ee2f1df1939b94f0d69b [4] http://www.tabule-rychetsky.cz/tabule-flipchartskolni_tabule/?navigace=interaktivni_tabule-activboard

81

E-learning ve výuce fyziky MICHAL VODIČKA E-learningové vzdělávání zaznamenalo díky své přístupnosti mohutný boom zejména v posledních několika letech. Zatímco univerzitní sféra e-learning běžně využívá pro vzdělávání studujících v tzv. kombinovaných formách studia, střední a základní školy využívají potenciálu e-learningového vzdělávání velmi omezeně. V rámci opatření 3.3 Operačního programu Rozvoj lidských zdrojů (OP RLZ) jsme tedy podali projekt, který usiluje o zaplnění této informační mezery a o funkční zapojení e-learningu do vzdělávání jako takového (ať už jako podpora frontální výuky, samostudia či domácí přípravy). Co je ale myšleno e-learningem a jeho zapojením do výuky na střední škole? E-learning lze chápat jako jakékoli využívání informačních technologií multimediálního charakteru ke zlepšení kvality a efektivity vzdělávání. Je možné tedy použití těchto pomůcek rozdělit do tří kategorií: • základní – použití videa, výukových CD-rom, multimediálních encyklopedií, atd., • střední – použití webových stránek, zejména ve spojení se samostatnou prací studentů, • nejvyšší – použití LMS (learning management system), systému který umožňuje samostatné studium účastníků, vedených tutorem. V rámci projektu jsme se zabývali použitím LMS a nainstalovali jsme systém Moodle, který má licenci OpenSource a jeho zdrojový kód je tudíž zdarma k dispozici. Již téměř celý jeden školní rok zkouším využití tohoto systému ve výuce fyziky u vybrané třídy našeho gymnázia. Jedná se o studenty čtvrtého ročníku osmiletého studia (kvarta). Tématicky jsem se zaměřil především na jadernou fyziku. Toto e-learningové studium probíhalo paralelně s běžnou výukou a bylo od začátku koncipováno především jako doplňkové k běžným hodinám fyziky. Instalace systému Moodle

LMS Moodle si můžete stáhnout v anglické jazykové mutaci z webových stránek http://www.moodle.org, nebo z webu http://moodle.cz v české jazykové mutaci.

82

K instalaci budete potřebovat stažený systém a webový prostor s podporou MySQL. Pokud budete instalovat systém stejně jako my na vlastní server, stáhněte si nejnovější verzi LMS Moodle a podle ní instalujte MySQL. Pokud budete systém instalovat na nějaký pronajatý webový prostor, zjistěte si nejprve jaká verze MySQL je na něm v provozu. Při instalaci jsme totiž narazili na problém, že nainstalovaná verze MySQL byla vyšší, než akceptovala nejnovější verze Moodle. Podrobný popis instalace najdete na webu: http://docs.moodle.org/cs/Instalace.

Obr. 1 Úvodní strana LMS Moodle GJW Tvorba e-learningového kurzu

Při tvorbě e-learningového kurzu je možné zvolit rozdělení podle týdnů, podle témat, diskuzní uspořádání nebo uspořádání podle standardu SCORM (Shareable Content Object Reference Model). Při rozdělení podle týdnů si zvolíte začátek a konec kurzu, systém vypočítá počet týdnů a rozdělí kurz na

83

příslušný počet kapitol. Při rozdělení podle témat si volíte počet kapitol sami. Tento postup jsem zvolil já. Na začátku jsem si zvolil rozdělení na 9 témat podle tematického plánu. Po potvrzení je tedy úvodní strana rozdělena na 9 prázdných témat a vy si můžete témata pojmenovat a do každého tématu dosazovat libovolný počet činností.

Obr. 2 Rozdělení kurzu podle témat Při stisknutí tlačítka Zapnout režim úprav se objeví u každého tématu možnosti vložení jednotlivých činností. Studijní materiály je možné vkládat jako webovou stránku, odkaz na soubor, atd. Dále je možné přidat činnost, jako například vložit anketu, úkol, test, atd. Všechny činnosti je samozřejmě možné sledovat podle účtů jednotlivých uživatelů, které může administrátor ručně vložit nebo se mohou sami registrovat. Samozřejmostí je možnost generování protokolů činností učitelů nebo studentů.

84

Obr. 3 Možnosti přidání studijního materiálu

Obr. 4 Protokol činnosti učitele a studentů v kurzu

85

Obr. 5 Jiná forma protokolu Využití LMS Moodle ve výuce jaderné fyziky

Tolik stručné nastínění možností systému a nyní se dostávám k tomu, jak jsem jej použil ve výuce já. Jak jsem předeslal v úvodu článku, e-learningová výuka probíhá u studentů čtvrtého ročníku osmiletého studia, tj. 9. třída ZŠ. Zaměřil jsem se především na jadernou fyziku. Nejprve jsem studentům sdělil, jak systém používat a jak se zaregistrovat a umístil do kurzu dotazník, který obsahoval také otázky týkající se jejich očekávání od distančního vzdělávání. Je možné dotazník zvolit jako anonymní nebo znát jména uživatelů u odpovědí. Studenti se toto vůbec nemusí dozvědět. Dále je možné studenty přinutit, aby dotazník vyplnili. Například tím, že další aktivity v kurzu budou vyplněním dotazníku podmíněné. Já jsem zvolil dobrovolný anonymní dotazník, který vyplnilo 12 z 31 studentů. Zde předkládám analýzu odpovědí na otázky týkající se tohoto kurzu.

86

Obr. 6 Analýza dotazníku Kurz pokračuje vložením několika webových stránek uvozujících učivo. Tyto stránky jsem vytvořil v systému pomocí integrovaného WYSIWYG editoru a obsahují jak učivo, které jsme probrali v hodinách, tak různé aplety, animace a odkazy na webové stránky s rozšiřujícím učivem. Poté jsem do kurzu umístil tři kvízy, které jsou vypůjčené z výukového webu ČEZ, a. s., výukový web téže firmy a prezentace Havárie jaderné elektrárny v Černobylu připravená mnou a jedním ze studentů. Kurzem průběžně prostupovaly činnosti, které studenti museli absolvovat. Opět by se tyto činnosti daly vynutit tím, že studenti nebudou pokračovat v kurzu, dokud je nesplní. Jedná se o odevzdávání protokolů nebo zamyšlení nad tématy, které jsem nadnesl v hodině. Tato zamyšlení odevzdávali jako soubor.

87

Obr. 7 Celková struktura kurzu v tématu Atom a jeho jádro

Obr. 8 Webová stránka s učivem 88

Obr. 9 Kvíz Závěr

Shrnuto, studentů, kterým se tato forma studia líbila, byla více než polovina. Studentů ochotných pravidelně komunikovat s učitelem odpovídáním na otázky, zkoušením si testů a kvízů, prohlížením doplňujících informací, atd. byla také asi polovina. Asi jednu třetinu studentů e-learningový kurz moc nezajímal, ale alespoň povinné činnosti v něm vykonávali. Tedy využití e-learningu ve výuce (především LMS) hodnotili všichni zúčastnění velmi pozitivně nebo pozitivně a shodli jsme se, že tato forma vzdělávání, pokud přináší nové přístupy k výuce a více informací, než je možné probrat v hodinách, je velmi dobře využitelná a že pokud jsou studenti motivováni, je minimálně stejně efektivní jako prezenční výuka. Určitě to byla pro mě i pro studenty cenná zkušenost a zcela jistě budu v elearningové formě výuky pokračovat i nadále. Protože v tomto sborníku nebylo více místa (chtěl jsem pomocí naskenovaných obrazovek co nejvíce přiblížit prostředí LMS Moodle), zájemci o podrobnější informace mě mohou kontaktovat ([email protected]). Rád se s vámi podělím o své dojmy a zkušenosti.

89

Pokusy z fyziky MILAN BARÁNEK 1. Termočlánek

V uvedeném pokusu je prokázána schopnost termočlánku přeměnit tepelnou energii na elektrickou a udržet po určitou dobu elektromagnet v aktivním stavu. Je využit termočlánkový obvod z plynového kotle (karmy). Tento mechanizmus zajišťuje trvání tzv. věčného plamínku, který slouží pro zažehnutí proudu plynu aktivovaného průtokem vody. Podrobnější informace najdete v článku „Technika a fyzika plynového spotřebiče“ [1]. Sestavu pokusu vidíme na obr. 1. Spojení vodičů od termočlánku s ventilem je zajištěno v originální objímce. Detail elektromagnetu – součást těsnícího ventilu – je na obr. 2 (bez těsnícího kroužku). Přiložením zapálené svíčky pod termočlánek jej zahříváme. Asi po 30 sekundách zkoušíme zamáčknout kotvu elektromagnetu a pomalu pouštět. Nemusí sama držet okamžitě, proto zkoušíme v 5 sekundových intervalech zatlačení znovu. Záleží na správném zahřívání svíčkou (plamínek by neměl uhýbat) a tudíž dostatečném zvýšení teploty konce čidla. Zanesení sazemi by nemělo vadit. Když elektromagnet zůstane zamáčknutý, udržuje jej v zapnutém stavu elektrická energie termočlánku. Provedení ukázky obohatíme položením zajímavého předmětu (např. mince) na těsnící kroužek elektromagnetu. Po zhasnutí plamínku po krátké době ventil skokem povolí a lehce vymrští použitý předmět. V reálné praxi tento ventil zastaví přívod plynu. Otázky: Jak se nazývá jev způsobující vznik napětí na zahřívaném termočlánku? Vysvětlete jeho podstatu. Jak se nazývá jev k němu inverzní? Problém: Může termočlánek ovládat libovolný elektromagnet?

Obr. 1 Sestava pokusu

Obr. 2 Detail elektromagnetu

90

2. Alternátor pro bicykl

Alternátor použitý v následujících ukázkách (obr. 3) slouží cyklistům pro získání elektrické energie, kterou napájí svítilny vpředu a vzadu na bicyklu. O tomto zdroji, označovaném jako „dynamo“, informuje článek v časopise MFI [2] a rovněž ukazuje možnosti demonstrace zajímavých vlastností. Mezi nejdůležitější patří charakteristika indukovaného napětí, které je střídavé podobné sinusovému průběhu a má amplitudu kolem 6 V, je-li zatížené. Pro indikaci napětí jsou dále využita různá zapojení s diodami LED a piezoelektrickou sirénou.

Obr. 3 Alternátor pro bicykl Pomůcky: alternátor („dynamo“ pro bicykl), dvoužilový vodič, několik diod LED různých barev, piezoelektrická sirénka (samovybuzující), elektrolytický kondenzátor 100 μF/16 V, usměrňovací můstek ze 4 diod, kontaktové pole. Pro rotaci dynama je možné využít předloktí chráněné oděvem. Výkon dynama je úměrný otáčkám. Zkoušíme různou rychlost otáčení a chování indikátorů. Nejdříve použijeme jednu diodu LED bez usměrňovače. Potom zkusíme dvě v sérii, dvě paralelně a dvě antiparalelně. Můžeme zkoušet různé sestavy a pozorovat světelné efekty. Ochranný odpor není třeba použít. Zapojíme-li dynamo dle obr. 4, máme k použití stejnosměrný proud. Zkusíme opět různá zapojení s LED. Zapojíme také piezoelektrickou sirénu, u které uslyšíme přerušovaný tón připomínající zvukový projev cvrčka. Přidáme-li k siréně paralelně kondenzátor 100 μF, dojde k filtraci stejnosměrného pulsujícího napětí a siréna vydává svůj charakteristický tón. Výrobce piezosirén upozorňuje na možnost zničení, pokud se napájecí napětí zapojí opačně!

91

Obr. 4 Zapojení pro indikaci napětí z alternátoru Otázky: Proč není název „dynamo“ správný? V čem je nevýhoda možnosti zapojit na bicyklu více alternátorů pro získání větší elektrické energie? Problém: Navrhněte způsob, kterým by se napětí na bicyklu vyrábělo bez tření. Na jakém principu fungují otáčkoměry a kilometrovníky pro kola? 3. Motor z disketové mechaniky 5,25“

Pro ukázku je využit motor ze starší mechaniky pro 5,25“ diskety. Je vhodné ho z mechaniky vyjmout a ponechat pouze přívodní 4 či 5 žilový napájecí a řídicí kabel. Dále je třeba uvolnit talíř s permanentním magnetem (obr. 7). Ten je připevněn 2 či 3 šroubky. Často jsou tyto šroubky s levotočivým závitem. Odkryjeme zajímavé uspořádání cívek, v nichž je pomocí elektroniky generováno točivé magnetické pole s konstantními otáčkami. Uspořádání pólů v magnetu rotoru můžeme demonstrovat pomocí několika ocelových kuliček (obr. 8). Na desce plošných spojů bývá označen význam vodičů. U čtyř žil jsou obvykle značky: +5 +12 zem(GND) S(nebo M). Vodič S nesouvisející z napájením připojíme na zem. Podrobností jsou uvedeny např. v knize [3]. K napájení využijeme zdroj z PC. Motor vykazuje většinou 300 ot/min. Volně položený talíř můžeme za chodu odejmout a poté vracet zpět na cívky. V ruce cítíme moment točivého magnetického. pole. U některých typů lze demonstrovat vznik magnetického pole citlivým indikátorem (viz pokusy s tranzistorem). Z obrázků je vidět různý počet cívek a uspořádaných permanentních magnetů na kotouči. Tím je zajištěna dostatečná plynulost otáčení, která je podpořena

92

také setrvačností kotouče. Jinak by se projevovaly skoky podobně jako u krokových motorků. Na rotujícím kotouči ukážeme také vznik a zánik setrvačné síly. Delší šroub pomocí magnetu připevníme na střed kotouče a na konec šroubu uvážeme na niti lehčí kuličku. Počet otáček můžeme bržděním (třením) snižovat a pozorovat zmenšení setrvačné síly. Otázky: Proč je nutné zabránit trhavému pohybu rotoru nesoucímu disketu? Uveďte různé způsoby zajištění konstantních otáček u motorků. Problém: Navrhněte způsob, jak demonstrovat točivé magnetické pole opticky.

Obr. 5 Motor z disketové mechaniky 5,25“

Obr. 6 Magnetické pole rotoru

93

4. „Perpetuum mobile“ jako kyvadlo

Vysvětlíme si elektrické schéma dekoračního předmětu, označovaného jako „perpetuum mobile“. Tvoří jej cívka se dvěma vinutími a železným jádrem, tranzistor NPN a napájecí baterie 6 - 9 V. Odpor cívky v obvodu báze je asi 1,6 kΩ, v obvodu kolektoru asi 160 Ω. Zapojení ukazuje obr. 7. Kývající magnet prolétá nad cívkou dostatečně rychle, indukuje napětí v obvodu báze. Proteče malý proud a otevře se tranzistor. V obvodu kolektoru proteče větší proud, který vyvolá silnější magnetické pole s opačným pólem. Ten působí proti pólu, který indukci vyvolal a magnet je magnetickou silou postrčen ve směru pohybu. Hračka dovede kmitat několik měsíců (než se vybije baterie).

Obr. 7 Schéma kývajícího perpetuum mobile

Obr. 8 Zastavené perpetuum mobile

Pokusem s touto hračkou připomeneme pojem hybnost, zákon akce a reakce, tlumené kmitání a zákon zachování energie. Kývající přístroj položíme na vozík (auto) s malým valivým odporem a ten na hladkou podložku. Pokud auto držíme v klidu, perpetuum spolehlivě kmitá. Pokud jej pustíme, rozhýbe se i auto a po chvíli se kmitání celé soustavy zastaví. Důvodem je zvýšená hmotnost a tlumení kmitající soustavy perpetuum – auto. Soustavu ukazuje obr. 8. Otázky: Jakou největší hodnotu dosahuje proud kolektorem tranzistoru dle schéma? Jak se projeví zvýšení napětí baterie na chování hračky? Problém: Navrhněte a vyzkoušejte velké perpetuum mobile stejného typu. Co lze očekávat při zvětšení délky kyvadla či hmotnosti závaží?

94

5. Laserová závora

Pro následující demonstraci je využita polovodičová laserová dioda s vestavěnou optikou. Můžeme ji získat např. rozebráním laserového ukazovátka. Laser má výkon asi 1 mW, barvu červenou, napájecí napětí 3,5 až 5 V. Modul nemá zabudovaný omezovač proudu, při vyšším napětí hrozí nebezpečí přehřátí a zničení laserové diody. Omezovač proudu má modul, který je možné koupit v obchodech se součástkami. Tento je využit v ukázce. Na červený vodič je zapojen kladný pól zdroje. Na obr. 9 je vidět, že vodiče pro napájení laserové diody jsou zakončeny běžným konektorem pro napájení ze síťového adaptéru.

Obr. 9 Laserová dioda a čidlo laserového paprsku s akustickou signalizací Čidlo pro příjem laserového paprsku obsahuje fototranzistor (např. KP 101, KP 102), nízkofrekvenční NPN tranzistor (např. KC237), piezosirénku a omezovací rezistory. Po zapojení (obr. 10) napětí siréna píská, jelikož tranzistor je otevřený. Běžné světlo nestačí otevřít přechod mírně zastíněného fototranzistoru, který tak vykazuje velký odpor. Až po osvícení laserovým paprskem fototranzistor způsobí zavření tranzistoru. Závora tedy akusticky indikuje přerušení paprsku. Pro snadné zamíření laserového paprsku při sestavování je na fototranzistoru nasazen kousek papíru (viz obr. 9). Laserový paprsek má dalekou působnost a proto jej můžeme pomocí hranolů a zrcátek odrážet a tím prodloužit. Hlídaný prostor se tak pomyslně zvětší. Otázky: Proč je nutno dbát na opatrnost při práci s laserem, byť i malého výkonu 1 mW? Kde v praxi se používá laserového paprsku? Problém: Hledejte největší délku paprsku a sledujte účinnost detekce. Užijte všechny dostupné pomůcky pro odraz svazku paprsků. Které jevy nejvíce limitují toto snažení?

95

Obr. 10 Laserová závora 6. Využití samoblikající LED

Samoblikající dioda LED vzhledem k základnímu typu obsahuje navíc klopný obvod na čipu integrovaný spolu s přechodem PN. Frekvence bývá obvykle kolem 1 Hz. V následujících zapojeních je této diody využito jako přerušovače. Tyto úlohy je vhodné realizovat v rámci laboratorních prací na téma Optika nebo Elektronika. Obě zapojení doplníme diskusí o bezpečnosti v dopravě. Přerušovaná siréna při couvání auta

Následující jednoduchý obvod využívá samovybuzující piezosirénu a samoblikající LED. Po zapojení vydává siréna přerušovaný tón, což s výhodou může využít každý motorista, který nemá vozidlo vybavené zvukovým znamením zařazení zpátečky. Takové využití obvodu určitě zvýší bezpečnost osob v blízkosti couvajícího auta. Velikost rezistoru je možné zkoušet tak, aby vyhovovala hlasitost sirény a zároveň byl dodržen maximální proud diodou (dle typu až 20 mA). Je nutno připomenout, že ve schématu na obr. 11 je napájecí napětí uvedeno 12 V, ovšem napětí autobaterie dosahuje asi 14 V. V automobilu získáme toto napětí z kontaktů žárovky, která signalizuje zařazení zpátečky. Pokud použijete uvedené zapojení jen jako ukázku v hodině fyziky, je možné použít napájecí napětí 5 V a rezistor vynechat. Otázky: Uveďte další příklady elektronických zařízení v autě zvyšující bezpečnost provozu.

96

Obr. 11 Siréna pro indikaci couvání auta

Blikač s vysokosvítivými diodami ke kolu

Elektrické zapojení (obr. 12) předvede v činnosti jednoduchý blikač, kde funkci přerušovače má samoblikající LED v obvodu báze tranzistoru. Diody v kolektorovém obvodu jsou vysokosvítivé, aby vynikl efekt blikače a tím jej předurčil pro bezpečnostní světlo k bicyklu (dle barvy dopředu či dozadu kola). Studenti si u tohoto zapojení upevní představu o funkci tranzistoru. Je nutno podotknout, že nejvýhodnější je použít typ s darlingtonovým vnitřním zapojením opatřeným diodou (např. výkonové BU806, BU807, TIP122). Důvodem je proud tekoucí samoblikajicí LED při jejím zhasnutí.

Obr. 12 Blikač ke kolu se samoblikajicí LED Otázky: Lze diody v kolektoru zapojit sériově? Lze zapojit větší počet LED? Problém: Navrhněte obvod, který využije tento efekt pro 12 LED s napájením 12 V. Lze zapojit paralelně LED různých barev? Vyzkoušejte.

97

7. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru

V této demonstraci jsem využil informací z dokumentu Veletrh nápadů [4]. Známé zapojení pro demonstraci nabíjení a vybíjení kondenzátoru s velkou kapacitou je v mé ukázce provedeno na kontaktním poli (obr. 13). Schéma je na obr. 14. Napětí 5 V je možné přivádět z rozhraní USB libovolného PC nebo notebooku pomocí speciálně upraveného kabelu. Je výhodné využít přepínací tlačítko narozdíl od aretovaného přepínače. Tím je zajištěno klidové rozpojení nabíjecí části obvodu.

Obr. 13 Zapojení obvodu na kontaktním poli

Obr. 14 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru Pro indikaci nabíjení i vybíjení je také možné použít samovybuzující sirénu (je třeba se vyvarovat přepólování – hrozí zničení součástky). Pomocí doby trvání jejího zvuku můžeme demonstrovat různé velikosti kapacit kondenzátorů. U kapacity 8,2 mF je zvuk slyšet několik desítek sekund. Doba se zkrátí, připojíme-li paralelně diodu s omezovacím odporem.

98

Otázky: Jakou největší kapacitu mají dnes již běžně vyráběných kondenzátorů? Podle jaké matematické funkce probíhají uvedené přechodové děje? Problém: V praxi se používají různé typy kondenzátorů. Navrhněte způsoby a metody pro měření jejich kapacit. 8. Demonstrace funkce tranzistoru

Velmi jednoduché zapojení s tranzistorem typu NPN, vysocesvítivou LED a lithiovým článkem 3 V (obr. 15) ukazuje zajímavou formou funkci tranzistoru. Ten se otevře, spojíme-li body 1 a 2 pomocí prstů. Měly by být mírně vlhké, aby se projevil odpor lidského těla. Jeho velikost jednotek megaohmů stačí k otevíracímu proudu báze a LED se rozsvítí. Celá pomůcka je zhotovena na držáku pro 3 V článek (obr. 16). Tento držák lze mimo jiné získat ze starší či nefunkční základní desky počítače. Výhodná je především velká plocha kladného pólu článku (svorka 2) a tudíž snadného doteku prstem. Lze samozřejmě použít libovolné bateriové zdroje od 3 do 6 V a držáky pro jejich uchycení. Obr. 15 Senzor s tranzistorem

Obr. 16 Senzor připájený na držáku pro lithiový článek 3V

99

Další jednoduchá pomůcka s tranzistorem umožňuje indikovat nestacionární magnetické pole svítivou diodou LED nebo piezosirénkou (obr. 17). Zapojení je v podstatě stejné jako senzorový spínač. Do bodů 1 a 2 připojíme cívku z železným jádrem pocházející např. z relé. Vyzkoušené její hodnoty jsou: počet závitů 3000, odpor vinutí 22 kΩ. Klidový proud z baterie je potom asi 0,12 mA.

Obr. 17 Indikátor magnetického pole s tranzistorem Otázky: Jak se změní uvedená zapojení, použijeme-li tranzistory typu PNP? Jakým způsobem se dá zjistit typ PNP či NPN, známe-li u tranzistoru polohu vývodů C, B a E? Problém: Odpor lidského těla je závislý na různých faktorech. Navrhněte způsoby a metody pro jeho měření. Vysvětlete podstatu úrazu stejnosměrným proudem. Navrhněte spolehlivé metody proti úrazům elektrickým proudem. 9. Setrvačník z CD

Vděčnou pomůckou pro žáky jsou různé pohybující se či rotující hračky. Na těchto předmětech lze ukázat působivým pokusem základní zákony mechaniky. Setrvačník sestrojený z CD a šroubku M3 nebo M4 dostatečné délky s většími podložkami samozřejmě snadno roztočíme pomocí prstů ruky. Překvapující vysoké otáčky docílíme použitím upraveného stejnosměrného motorku na 6 až 12 V (obr. 18). Na řemeničce je nalepen kousek gumy s duše kola. Na šikovnosti předvádějícího je závislý úspěch roztočení CD na otáčky srovnatelné s těmi, které dosahuje v mechanice PC. V prstech, pinzetě či kolíčku na prádlo přidržujeme setrvačník rovnoběžně s podložkou a jemně přikládáme gumu z motorku na hlavičku šroubku. Třením gumy o šroub zvyšuje setrvačník otáčky a stává se stabilnější. Držení hřídele pak můžeme odstranit.

100

Podobně můžeme využít malou gramofonovou desku označovanou SP. Pokud má zachovaný otvor o průměru asi 7 mm, vystředění šroubu M6 s dvěma podložkami se podaří snadno. Úkoly: Odhadněte a potom zjistěte počet otáček rotujících zařízení v nejmodernějších přístrojích. Využijte technické časopisy, reklamní materiály a internet.

Oblíbeným předmětem se mezi sportovci stává tzv. POWERBALL. Zjistěte jeho princip nejdříve ve vlastních rukou a potom ověřte z materiálů v návodu a z internetu.

Obr. 18 Setrvačník z CD a motorek pro roztočení 10. Hallova sonda v integrovaném obvodu

Integrované obvody pro bezkontaktní spínače ovládané magnetickým polem se nejčastěji používaly ve starších typech klávesnic. V moderních zařízeních je najdeme především v podobě malých snímačů otáček motorků. Každý integrovaný obvod obsahuje Hallovu sondu. Pro demonstraci Hallova jevu stačí sestavit zapojení podle obr. 19. Je použit typ MH1SS1 nebo MH3SS2. Upozorňuji na jiné zapojení vývodů u těchto dvou typů použitých IO. Indikaci sepnutí provedeme buď pomocí LED či samovybuzující sirénky, nebo zapojíme indikaci obojí. Výstupy 2 a 3 jsou rovnocenné, dodávají v sepnutém stavu kladné napětí přibližně velikosti 4 V a nejsou chráněny proti zkratu. Maximální proud by celkem neměl překročit 20 mA. Velikost napájecího napětí IO je v katalogu uvedena 5 V s tolerancí 0,5 V.

101

Magnetické pole přikládáme buď pomocí malého permanentního magnetu s dostatečnou magnetickou indukcí nebo použijeme původní klávesy, které v sobě magnety obsahují (obr. 20).

Obr. 19 Zapojení IO s Hallovou sondou

Obr. 20 Klávesy s Hallovými sondami Otázky: Uveďte principy spínání kláves u moderních klávesnic u PC. Které nevýhody kláves s Hallovými sondami nové klávesnice odstranily? Problém: Navrhněte jiné zajímavé zapojení a použití IO s Hallovou sondou. Kterou hlavní výhodu tyto spínače stále mají? Vyrábějí se i obvody, které reagují na magnetické pole pouze vysláním impulsu šířky asi 1 ms. Jak se dá využít této možnosti?

102

11. Pokusy s infračerveným zářením

K uvedenému zapojení a pokusům s vysílačem a přijímačem infračerveného záření mě inspirovaly články z časopisu MFI [5] a [6]. V mém zapojení je použit infračervený přijímač SFH5110-36, v němž je integrován i zesilovač a demodulátor (obr. 21). Je běžně k dostání a cena je asi 30 Kč. Pro vysílání záření použijeme libovolný dálkový ovladač z domácnosti. Pro indikaci příjmu je zapojena vysokosvítivá LED a piezosirénka. Čím větší je svit LED a hlasitost sirény, tím je signál intenzivnější. Schéma zapojení je na obr. 22. Pro stejné účely lze použít i vymontovaný přijímač infrazáření z vyřazeného televizoru či jiného přístroje na DO. Zjištění typu a zapojení vývodů však vyžaduje zkušenosti.

Obr. 21 Zapojení vývodů infrasenzoru Obr. 22 Zapojení pro příjem infrazáření Během pokusu můžeme demonstrovat některé vlastnosti záření (odraz, lom, rozptyl) a propustnost materiálů v infračerveném oboru. Vyzkoušíme běžné látky jako sklo, papír, dřevo, umělou hmotu, vodu. Pro rozptyl využijeme pauzovací papír, vodu s mlékem nebo matnou fólii. Zapojení může v domácnosti a ve škole sloužit také k testování funkčnosti používaných dálkových ovladačů. Lze infrazáření vidět? Kladnou odpověď dokáže libovolná kamera. Působivou ukázku umožní zobrazení vysílajícího dálkového ovladače webovou minikamerou na obrazovce počítače. CCD prvek v kameře nereaguje přesně pouze na viditelné záření. Detekuje i infračervené vlny a elektronika kamery přiřadí těmto vlnám téměř bílou barvu (jako by nás šidila). Rovněž u tohoto pokusu je vhodné ověřit propustnost záření některými materiály. Můžeme ukázat i zvětšení či zmenšení vyzařovací diody (nebo dvou diod – podle typu ovladače) pomocí čočky. Vhodné je vše demonstrovat přes dataprojektor.

103

Infračervená závora

Z vyřazených počítačových zařízení lze získat zajímavý obvod, který obsahuje infradiodu a infratranzistor. Infrazávora s vlastní clonkou sloužící pro snímaní polohy je na obr. 23. Pro demonstraci činnosti zapojíme schéma dle obr. 24. Společný pól je kladný, zvlášť je vyvedena katoda infradiody a kolektor infratranzistoru. Opět ověříme, že tenký bílý papír závoru téměř neovlivní, naopak černý předmět závoru aktivuje.

Obr. 23 Infrazávora s pohyblivou clonkou k indikaci polohy

Obr. 24 Zapojení infrazávory

Otázky: V čem tkví výhoda užívat v závorách infračervené diody oproti LED? Uveďte další využití infrazáření a popište jeho chování a účinky. Jakým způsobem se na jednom ovladači zajistí schopnost vysílat až několik desítek různých povelů? Proč se pro podobné účely nevyužívají vlnové délky ultrafialového záření? Problém: Navrhněte způsob, jakým by infračervené dálkové ovládání mohlo ovládat zařízení ve větší vzdálenosti, kde přímý paprsek již nemá dostatečnou intenzitu a čidlo by reagovalo nespolehlivě. 12. Skládání barev s trojbarevnou LED

Zapojení vývodů a základní charakteristiky diody L5R3G6B2 jsou na obr. 25. Písmenem „k“ je označena společná katoda. Má nejdelší vývod. Proud každé barvy by neměl překročit 20 mA. Podle uvedených údajů je zřejmé, že nejjasněji svítí barva zelená a nejméně modrá (pokud testujeme jas vyvolaný stejným proudem). Pro skládání barev zapojíme do obvodu katody

104

ochranný odpor 220 Ω a u každé barvy proměnný rezistor. Tím docílíme plynulého nastavení jasu. Poutavé zobrazování různých jasů a složení barev předvedeme podle obr. 26, nejlépe v zatemněné místnosti. Nádobka pochází od léku ve formě kapek a je téměř průhledná. Je naplněna vodou s kapkou mléka a způsobuje tak dostatečný rozptyl světla. Pouzdro diody je vodotěsně zasazeno do víčka nádobky.

(G - green: 6 cd ; 525 nm; B - blue: 2,5 cd ; 470 nm; R - red: 3 cd ; 626 nm) Obr. 25 Tříbarevná LED

Obr. 26 Tříbarevná LED a skládání barev Otázky: Popište rozdíl mezi substraktivním a aditivním skládáním barev. Prohlédněte lupou vnitřní strukturu LED. Co je na vnitřním uspořádání zajímavé? Problém: V obchodní síti se dá pořídit lampa, která plynule automaticky mění barvy a její součástí jsou výkonné barevné LED. Vysvětlete její princip. Jaké vlastnosti by mělo mít osvětlovací sklo?

105

13. Pokusy s bimetalem

Některé pomůcky z technické praxe jsou na obr. 27.

Obr. 27 Různé provedení součástek s bimetalem Startér pro zářivky obsahuje bimetalový kontakt umístěný na jedné z elektrod doutnavky a kondenzátor. Z funkce startéru připomenu, že kontakt sepne po zahřátí od doutnavého výboje. Po sepnutí výboj ustane a bimetal ochlazením rozepne. Tento opakující se děj můžeme demonstrovat, zapojíme-li do série se startérem žárovku 220 V/ 40 W. Žárovka zajímavě bliká. Dbáme přitom na bezpečnost práce se síťovým napětím 220 V a s horkou žárovkou. Termostat v žehličce je opatřen regulačním šroubem, který mění mechanické předpětí mžikového bimetalového kontaktu a tím také teplotu potřebnou pro jeho reakci. V demonstraci zapojíme na kontakt indikaci sepnutí (např. LED nebo piezosirénu) a bimetal zahříváme plamenem z ručního plynového zapalovače. Nastavením regulátoru na vyšší teplotu vyžaduje delší dobu zahřívání. Varná konvice je vybavena několika bimetalovými plíšky, které neobsahují kontakt, ale přes nevodivé tělísko kontakt ovládají. Jeden z těchto mechanismů je prodloužen tak, aby jej bylo možno ručně vrátit do výchozí polohy. V ukázce je použita odmontovaná část konvice s táhlem, které spolu s bimetalem ovládá kontakt. Ohřevem bimetal vymrští vhodně nastavené táhlo.

106

Tepelné relé se užívalo dříve např. v ústřednách pro potřebu pomalejší reakce na přetížení. Při demonstraci jeho činnosti zapojíme na přepínací kontakt dva indikační obvody. Pro zahřívaní bimetalu slouží odporové vinutí 300 ohmů, které je nutno napájet aspoň 30 V. K tomu vhodně poslouží síťový adaptér pro tiskárny (např. řady HP). Zapojení je na obr. 28.

Obr. 28 Tepelné relé s bimetalem Pojistka s bimetalem je použita v ukázce, ve které dosáhneme dostatečného proudu použitím halogenové žárovky 12 V/ 50 W. Napětí 12 V využijeme ze zdroje PC, který má dostatečnou proudovou rezervu (až 10 A). Správně seřízená pojistka pomocí stavěcího šroubku by měla asi po 20 sekundách obvod přerušit. Ten obnovíme stisknutím tlačítka na pojistce až po chvíli, kdy necháme bimetal vychladnout. Je zde zajímavá především skutečnost, že proud prochází přímo bimetalovou smyčkou. Dbáme opatrnosti vzhledem k vysoké teplotě žárovky. V takto sestaveném obvodu využijeme velké hodnoty proudu ještě k důkazu Ampérova zákona. Některý spojovací vodič zavěsíme těsně nad silný permanentní magnet a pozorujeme silové účinky na vodič při zapnutí a vypnutí proudu (Flamingovo pravidlo levé ruky). Bimetalový plíšek se předvede jako skákající žabka. Položíme-li jej správnou stranou na drátěnou síťku (např. z kráječe vajec) a plynovým zapalovačem zahříváme, mžikové překmitnutí plíšku způsobí skok připomínající chráněného živočicha. Pinzetou položíme zahřátý plíšek opačnou stranou už na libovolný povrch a skok se pochvíli zopakuje. Bimetal se vrátil do původní polohy. Přerušovač ukazatelů směru v automobilu rovněž využívá vlastnosti bimetalu. U starších typů přerušovače lze snadno odstranit kryt a sledovat činnost při zapojení žárovky 12V/ 21W. Perioda přerušování lze doladit stavěcím šroubkem.

107

Teplotní pojistka proti přehřátí svými malými rozměry umožňuje upevnit ji přímo na korpus elektronické součástky. V obchodech ji najdete např. pod označením SM4045 – termostat vratný. Bimetalem je ovládán rozpínací kontakt, který rozpojí elektrický obvod. Demonstrovat činnost pojistky můžeme např. jejím umístěním na halogenovou žárovkou 12V/ 50W, na jejímž povrchu teplota vzroste nad 100 °C. V obvodu kontaktu pojistky zapojíme samostatný obvod s indikační LED, ochranným odporem 220 Ω a vlastním zdrojem 5 V. Otázky: Které kovy se nejčastěji používají pro výrobu bimetalových pásků či plíšků? Uveďte přístroje a oblasti užití, které zde nebyly uvedeny. Úkol: Najděte v dostupné literatuře nebo na internetu informace a zapojení proudových jističů používaných v domovních elektrických rozvaděčích. Obsahují bimetaly? 14. Pokusy s transformátorovou páječkou

Při všech pokusech dejte pozor na zahřátí pájecí smyčky, cívky či vodiče! Běžné vybavení fyzikální laboratoře obsahuje transformátorovou páječku, která může být elegantní demonstrační pomůckou. Na obr. 29 je pokus s kovovým kroužkem na klíče, který setrvává v prostoru pájecí smyčky, pokud je stisknuto tlačítko trafopájky. Dokazuje se tím existence magnetického pole smyčky, kterou prochází střídavý proud velké hodnoty (přes 100 A). Smyčka drží i jiné menší kovové předměty. Nepříjemně se tato skutečnost projevuje např. silovým působením na vývody některých elektronických součástek, které pájíme. Elektromagnetické pole se nachází kolem celého tělesa páječky. Uvnitř je transformátor s jádrem a jeho výkon kolem 75 - 130 W způsobuje dostatečně silné pole, které lze indikovat. Lze také provést ukázku, kdy pájecí smyčku nahradíme spojovacím vodičem připevněným krokosvorkami a tvořícím kruhový závit o průměru asi 20 cm. Magnetické pole tohoto závitu stačí vybudit např. indikátor zmíněný v odstavci o tranzistoru. Uvedených vlastností páječky můžeme využít k odmagnetování menších kovových předmětů (jehly, šroubováčky, pinzety ap.), jestliže pájecí smyčku nahradíme válcovou cívkou asi o 10 závitech drátu o průměru 1,5 mm. Její střídavé magnetické pole po několikerém zapnutí a vypnutí odmagnetuje předměty vložené do ní.

108

Obr. 29 Kroužek ve smyčce trafopájky Otázky: V elektrotechnické praxi se užívají i jiné typy páječek. Jaký je jejich princip a užití? Problém: Transformátorová páječka má velkou nevýhodu v měnící se teplotě pájecí smyčky v závislosti na době sepnutí. Vyšší teplota pak znehodnotí pájku (cín) nebo dokonce přehřátím zničí pájenou součástku. Navrhněte způsoby a možnosti odstranění těchto neduhů. 15. Kabel pro optický přenos

Pro demonstraci přenosu informace pomocí optického kabelu (vlnovodu) použijeme libovolný typ s délkou od 1 do 50 m. V rámci možností upravíme konce kabelu tak, aby byl zajištěn stín a optický přenos mezi součástkou a koncem kabelu. Vhodné jsou např. různé kousky tmavé izolace z drátů a bužírky. Jako vysílač světla použijeme laserové ukazovátko nebo vysokosvítivou LED. Na přijímací straně je obvod s fototranzistorem (např. KP101). Zesílení signálu pro indikaci LED a piezosirénkou zajistí tranzitor BC517 (darlington). Pokud není k dispozici, zapojíme běžné tranzistory NPN dva v darlingtonově zapojení. Schéma zapojení je na obr. 30. Můžeme rovněž ukázat, že úhel naklonění vysílacího laserového paprsku má svou mez. Musí být menší než je mezní úhel pro úplný odraz v trubici z optického média. Názorně je tato situace řešena v příkladu č. 25 sbírky [7]. Otázky: Které informace lze šířit po optickém kabelu? Je optický kabel obousměrný? Existují infračervené či ultrafialové kabely? Problém: Délka kabelu ovlivňuje kvalitu přenášené informace. Jak se v praxi řeší tento problém s tzv. útlumem? Navrhněte zapojení, které „zesílí optickou informaci“.

109

Obr. 30 Závěr

Ve většině těchto ukázek s velkými výhodami požívám kontaktní pole pro snadné a rychlé spojování elektronických součástek. Pole lze zakoupit s různými rozměry a přídavnými doplňky. Studenti je využívají v laboratoři fyziky. Nemalou výhodu mají ve snadném odzkoušení nových a složitějších zapojení. Naprostá většina součástek respektuje standardní rozteče vývodů, takže není problém je na desku kontaktů umístit. Pokud využijete napájení z PC, máte k dispozici zkušební pracoviště s informacemi přímo z obrazovky počítače. Pokud Vám některá ukázka nebude fungovat na první zapojení, neztrácejte chuť a experimentujte. Tento postup často vede k zajímavým objevům a vlastnostem zkoumaného jevu či objektu. Jsem ochoten kdykoliv poradit a předat zkušenosti. Email: [email protected] Literatura

[1] Hubeňák, J. – Hubeňák, Ji.: Aplikovaná fyzika a moderní elektronika, Repronis, Ostrava 2007. [2] Lepil, O.: Fyzika okolo dynama na kolo, MFI, roč. 7 (1997), č. 3, s. 158. [3] Šedý, V.: Rozeberte si PC, BEN, Praha 2001. [4] Lepil, O.: Pokusy s piezoměničem, MFI, roč. 6 (1996), č. 2, s. 91. [5] Brockmeyerová, J. - Drozd, Z.: Pokusy z volné ruky, MFI roč. 11 (2002), č. 7, s. 424. [6] Goldová, K.: Pokusy s infračerveným zářením, MFI roč. 11 (2002), č. 8, s. 484. [7] Bartuška, K.: Sbírka řešených úloh z fyziky IV, Prometheus, Praha 1997.

110

USB Interface KV8055 a jeho použití ve fyzice VÁCLAV PAZDERA Při různých fyzikálních experimentech ve škole často potřebujeme měřit či naopak řídit různé elektrické veličiny. V dnešní době je možné pro tuto činnost využít řadu systémů podporovaných počítačem (ISES, Go! Link [1] atd.). Jednou z možností je také použití USB Interface KV8055. USB Interface KV8055 V nabídce firmy GM ELECTRONIC je k dispozici stavebnice USB experimentální vývojové desky (USB Experiment Interface Board) F - KV8055 [2]. Tuto stavebnici vyrábí belgická firma Velleman [3]. Je dodávána firmou GM ELECTRONIC pod označením F-KV8055, skladové číslo 764-367 za atraktivní cenu 779,- včetně DPH (cena aktuální v srpnu 2007). Sestavený interface, společně s dodávanou knihovnou DLL, umožňuje psát a odzkoušet vlastní 32 bitové aplikace v operačních systémech Windows 98SE, 2000, Me a XP při použití programovacích jazyků Delphi, Visual Basic a C++ Builder.

Obr.1 K8055 USB Interface Obr. 1 ukazuje plně osazenou experimentální desku, připojitelnou k USB rozhraní počítače. Experimentální deska je interface, který obsahuje: • 5 digitálních vstupů, které jsou vyvedeny na svorkovnici společně s vývodem GND. K těmto digitálním vstupům je též připojeno 5 testovacích

111

spínacích tlačítek umístěných na plošném spoji zkušební desky. V klidovém stavu je na vstupech logická 1 (High), sepnutím tlačítka se vstup připojí ke společnému vodiči – GND, tzn. připojí se logická 0 (Low). Externě je možno ke svorkovnici připojit také spínací tlačítka, kontakty relé, spínací tranzistory atd. Takto můžeme například počítat impulsy, měřit dobu, testovat logické hodnoty apod. • 8 digitálních spínacích výstupů s otevřeným kolektorem. Lze je zatížit maximálně napětím 50 V a proudem 100 mA. Stav každého z těchto výstupů je indikován červenou LED umístěnou na desce vedle šroubovací svorkovnice, na kterou jsou digitální výstupy vyvedeny. Těmito výstupy lze ovládat stroje, hračky, motory, žárovky, roboty atd. • 2 analogové vstupy s 8-mi bitovým rozlišením, u kterých je možno volit zesílení vstupního signálu. Na analogové vstupy je povoleno přivést vstupní napětí o velikosti POUZE 0 až 5 V! Jsou vyvedeny na šroubovací svorkovnici vedle svorkovnice digitálních vstupů a je možno na ně externě připojit např. senzor teploty, potenciometr, měřit napětí atd. Interně je možno na analogové vstupy připojit testovací napětí 5 V. • 2 analogové výstupy s 8-mi bitovým rozlišením, které pracují s výstupním napětím 0 až 5 V. Výstupní odpor DAC1 nebo DAC2 je 1,5 kΩ. Na výstupech, které jsou realizovány paralelně k DAC1 a DAC2 pomocí tranzistorů s otevřenými kolektory, lze generovat PWM signál (PWM – pulsně šířková modulace – používá se pro optický přenos informací, řízení výkonu atd.) v rozsahu 0 až 100 %. Výstupy generující PWM je možno zatížit napětím maximálně 40 V a proudem do 100 mA. Stav analogových výstupů je indikován na dvou LED označených PWM1 a PWM2. Všechny 4 výstupy: DAC1 a DAC2, PWM1 a PWM2, jsou vyvedeny na šroubovací svorkovnici umístěnou vedle svorkovnice digitálních výstupů. • Všeobecný čas konverze, je 20 ms/příkaz. • Napájení interface je přes USB rozhraní. Proudový odběr je přibližně 70 mA. • Součástí stavebnice je diagnostický software a komunikační DLL knihovna. Nainstalovaný demo software ulehčuje první experimenty se zkonstruovanou deskou. Na obr. 2 je vidět okno tohoto programu. Tento program je dodán i ve zdrojovém kódu a je možno ho v programovacích jazycích Delphi, Visual Basic a C++ Builder dále upravit pro aplikaci. Tohoto postupu jsem využil i při tvorbě následující aplikace.

112

Obr. 2 Diagnostický software "K8055_Demo.exe" Měření se soupravou GAMABETA Didaktická souprava GAMABETA je určena k demonstraci vlastností záření gama a beta a způsobů ochrany před ionizujícím zářením. Podrobný popis této soupravy je uveden v [4] nebo [5]. K této soupravě byl dodáván program GABESET [6], který fungoval pod operačním systémem DOS. Indikátor záření ze soupravy GAMABETA se připojoval do volného sériového (COM) portu počítače. Tento program povyšoval didaktickou účinnost soupravy GAMABETA. Program jsem několik let používal při výuce fyziky a byl jsem s ním velmi spokojen (viz obr. 3). Program GABESET nefunguje pod Windows 2000, Me, XP a další. Navíc připojení přes COM port je zastaralé. USB Interface KV8055 mi umožnil vytvořit nový program GamaBeta.

Obr. 3 Kontrola záření pozadí v programu GABESET

113

Program GamaBeta Tento program jsem vytvořil ve Visual Basicu podle programu GABESET. Skladbu jednotlivých úloh jsem přizpůsobil vlastní výuce. Na obr. 4 je náhled na základní nabídku úloh programu GamaBeta.

Obr. 4 Náhled menu programu GamaBeta

Obr. 5 Základní měření: Kontrola záření pozadí Na obr. 5 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. 3. Já jsem s výhodou využil připojení dvou indikátorů záření současně. Vstup 1 je vybarven modře (tmavší sloupečky grafu) a vstup 2 červeně. Výhoda použití dvou indikátorů současně vynikne hlavně

114

v dalších úlohách. Například na obr. 6 je ukázka úlohy „Účinek materiálu stínění na záření beta a gama“.

Obr. 6 Úloha: Účinek materálu stínění na 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 v náhledu okna na obr. 6). Je krásně vidět, že záření beta (tmavší sloupečky vlevo) má při stejné destičce menší pronikavost. Tím je ve srovnání s programem GABESET měření mnohem názornější a zkracuje se na poloviční dobu!

Obr. 7 Zákon radioaktivní přeměny

115

Posledním příkladem měření uvedeného v tomto příspěvku je Zákon radioaktivní přeměny (viz obr. 7), který je možné realizovat se školním radionuklidovým generátorem. I zde byly použity dva indikátory. Jeden zaznamenává počet impulzů záření gama radionuklidu 137mBa a druhý zaznamenává počet impulzů záření pozadí. Z obr. 7 je vidět, že přibližně polovina poklesu nárůstu modrých (tmavších) sloupců nastává před 3. minutou (po odečtení pozadí je přibližně polovina mezi druhým a třetím sloupečkem). Přesná hodnota poločasu přeměny 137mBa na 137Ba je 2,55 minuty. Závěr Zkušenosti s programem GamaBeta ve spojení s počítačem a dataprojektorem ukazují, že je to moderní nástroj k názornému zobrazení naměřených výsledků a velmi zrychluje a automatizuje práci učitele, který je osvobozen od pracného zapisování a následného sestrojování grafu z naměřených hodnot. USB Interface KV8055 lze využít i v hodinách informatiky, kde by mohl sloužit jako prostředek k výuce programování, která by se tím dala velmi dobře oživit a zkonkretizovat. Na naší škole ho využívám k měření se soupravou GAMABETA. Příkladem jiného vyzkoušeného použití je teslametr vyrobený z Hallovy sondy, který jsem připojil k analogovému vstupu interface (vyrobit si ho mohli účastníci mé dílny, která byla součástí setkání v Náchodě 2006 a v Kyjově 2007). V tomto případě se na displeji počítače zobrazují hodnoty magnetické indukce v jednotkách mT. Zájemci o další informace mi mohou napsat na adresu: [email protected] Literatura [1] http://www.vernier.com/mbl/ [2] http://www.gme.cz/index.php?action=detail&sklcis=764367&lk=&sk=&pict=&jaz= [3] http://www.velleman.be/be/en/product/view/?id=351346 [4] Svoboda E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 4. díl. Prometheus, Praha 2001. s. 215-221. [5] Souprava GAMABETA. Popis a návod k použití. Praha, ČEZ 1998. [6] PC program GABESET verze 1.1. Popis a návod k použití. Praha, ČEZ 1998.

116

Příloha 1: O. Lepil, Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko tvorby ŠVP (s. 5) – K vývoji učebnic fyziky pro gymnázia 1953

1958

1965

117

1972-1974

1984-1987

118

Příloha 2: J. Hubeňák, Superjasné diody (s. 35)

Obr. B-1 Skládání barev

Obr. B-2 Spektrum bílé LED

Obr. B-3 Spektrum žluté LED

119

Obr. B-4 Luminiscenční terč osvětlený třemi LED

Obr. B-5 Po zhasnutí červené LED nenastává luminiscence

Obr. B-6 Po zhasnutí zelené LED nenastává luminiscence

120

Obr. B-7 Luminiscence po zhasnutí modré LED

Obr. B-8 Luminiscenční terč ozářený UV LED

Obr. B-9 Luminiscenční stopa po ultrafialové LED

121

Příloha 3: R. Halaš, Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta (s. 43)

Obr. 5 Stavba látek z pohledu částicové fyziky

Obr. 8 Rozvoj fyzikální teorie 122

Obr. 4 Kvarkové složení baryonů a mezonů

123

SBORNÍK SEMINÁRNÍCH MATERIÁLŮ Projekt Učíme fyziku moderně Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje Slovanské gymnázium Olomouc Autoři:

doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., Mgr. Dana Baránková, doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc., RNDr. Ing. Rostislav Halaš, Mgr. Dita Maryšková, Mgr. Michal Vodička, Mgr. Milan Baránek, Mgr. Václav Pazdera Počet stran: 124 Náklad: 60 ks Vydání: první Tisk: REPRONIS Ostrava ISBN 987-80-7329 Publikace je neprodejná