The Effectiveness of Simple Experiments in Physics Education Efektivita jednoduchých experimentů ve výuce fyziky František Cáb Abstract: The article presents an approach of students to carry out simple experiments which should develop their constructive skills and understanding of the basic physical phenomena. The research focuses on the effectiveness of these experiments which students have produced and performed by themselves. Keywords: Simple experiment, physics, physics education. Abstrakt: Příspěvek se zabývá přístupem žáků k provádění jednoduchých experimentů, které by měly rozvinout jejich konstruktivní dovednosti a porozumění základním fyzikálním jevům. Výzkum je zaměřen na efektivitu těchto experimentů, které žáci samostatně vyrobili a provedli. Klíčová slova: Jednoduchý experiment, fyzika, výuka fyziky.
1 Úvod K výuce fyziky na základní škole neodmyslitelně patří předvádění experimentů, kterými se ověřuje platnost fyzikálních zákonů popisujících rozmanité přírodní jevy. Experiment ve výuce výrazně napomáhá k pochopení zkoumaných jevů a zároveň motivuje žáky k dalšímu zájmu o fyziku, jak o tom píše doc. Janás: „Každý pokus ve vyučování je upravený fyzikální experiment s určitým záměrem, a to tak, aby sloužil učiteli jako prostředek řízení myšlenkových operací žáků a pronikání do logické stavby učiva. Jednou z hlavních úloh školy je naučit žáky samostatně získávat vědomosti. To lze v hodinách různého typu, zejména však při provádění pokusů a laboratorních prací.“ 1 Není tedy překvapivé, že by se učitel fyziky měl zajímat o co nejefektivnější přístup k využívání experimentů ve výuce i mimo ni. Provedený výzkum se zajímá o vlastní žákovský experiment. Platnost fyzikálních zákonů v přírodě není omezena učitelskou katedrou a školními pomůckami, ale je možné se o ní přesvědčit i ve svém domácím prostředí. Provádění experimentu ve výuce je velmi často z důvodu omezeného množství pomůcek pouze činnost vyučujícího. Žák se pak dostává jen do role pasivního pozorovatele. Jednou z možností, jak z pasivně pozorujícího žáka udělat aktivního experimentátora je jednoduchý experiment v domácím prostředí. Cílem mého výzkumu bylo zjistit, zda tento druh experimentů rozvíjí u žáků znalosti z fyziky a zda jsou žáci motivováni k realizaci experimentů ve svém volném čase.
2 Popis výzkumu V rámci výzkumu byla vytvořena sada čtyř jednoduchých experimentů na téma atmosférický tlak. Tyto experimenty jsou určeny k samostatné (případně skupinové) práci žáků. Úkol je žákům zadán ve výuce před probíráním látky o atmosférickém tlaku. Splnění úkolu je čistě dobrovolné. Po prezentaci látky o atmosférickém tlaku následuje písemná práce. Ta obsahuje otázky a úlohy zkoumající žákovské vědomosti naučené, vědomosti z porozumění, reproduktivní dovednosti a konstruktivní dovednosti. Zkoumaným prvkem je, kolik žáků úkol plnilo, a v jaké míře a zda je možné vypozorovat rozdíl ve výsledcích písemné práce mezi žáky, kteří úkol splnili, a kteří nesplnili. 1 JANÁS, Josef. Kapitoly z didaktiky fyziky. Brno: Masarykova univerzita, 1996. s. 57. XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
1
2.1 Sada experimentů: Atmosférický tlak 2.1.1 Ověření přítomnosti vzduchu: Láhev není prázdná Zadání: Ověřte, že v láhvi je přítomný vzduch, který zabraňuje vodě do láhve proniknout. Pomůcky: Nádoba na vodu (hrnec), PET láhev, nožík, papírový ubrousek Postup: 1. Nožíkem přeřízneme PET láhev asi deset centimetrů pod víčkem. 2. Hrnec naplníme vodou tak, abychom mohli ponořit celý uříznutý vrch láhve a po jeho ponoření nám voda z hrnce nevytékala. 3. Rovnoměrně vrch láhve ponoříme do vody tak, aby z ní voda nevytláčela vzduch. 4. Pokud odstraníme víčko láhve, voda vytlačí vzduch z láhve a ten se v bublinách dostane až na hladinu. 5. Pro kontrolu můžeme dát do láhve zmuchlaný papírový ubrousek, který po ponoření a následném vynoření zůstane suchý. Nákres:
Vysvětlení pozorovaného jevu: Pozorujeme, že ačkoliv byla láhev ponořená ve vodě, voda do ní nenatekla. Všude okolo nás je vzduch, který sice nevidíme, ale o jeho přítomnosti se můžeme různě přesvědčit. Vzduch se nachází také v láhvi. Pokud láhev ponoříme, molekuly vody začnou tlačit na molekuly vzduchu a chtějí se dostat do láhve. Tam jsou ovšem molekuly vzduchu, které vodě brání. Pokud otevřeme víčko, voda vytlačí vzduch na hladinu, protože vzduch má menší hustotu než voda. 2.1.2 Ověření přítomnosti atmosférického tlaku: Pokus s vodou v láhvi Zadání: Dokažte, že okolo nás je atmosférický tlak, který se při působení na kapalinu šíří v této kapalině do všech směrů. Pomůcky: hrnec s vodou, malá PET láhev, nožík Postup: 1. Do PET láhve uděláme na její spodní straně nožíkem dírku, abychom ji mohli zakrýt prstem. 2. PET láhev ponoříme do hrnce s vodou, aby se celá naplnila. 3. Zakryjeme prstem dírku na spodní straně a láhev vynořujeme tak, že otvor zůstává pod hladinou. 4. Vidíme, že voda zůstává v láhvi. 5. Odkryjeme dírku na spodní straně láhve a vidíme, že voda se vrací zpět do hrnce.
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
2
Nákres:
Vysvětlení pozorovaných jevů: Všude okolo nás je atmosféra, která je tvořena vzduchem, který je tvořen různými plyny. Tyto plyny jsou díky gravitaci přitahovány k zemi a vytvářejí tlak. Tomuto tlaku říkáme atmosférický tlak. Ten působí na hladinu vody v hrnci a šíří se celou kapalinou rovnoměrně. Voda v láhvi také způsobuje tlak na vodní hladinu. Tam, kde tlačí na hladinu, se tak setkává shora tlak vody v láhvi a zespoda prostřednictvím vody v hrnci tlak atmosférický. V závislosti na tom, který tlak je větší, voda v láhvi buď zůstane, nebo se vrátí do hrnce. Pokud odkryjeme dírku na spodní straně láhve, seshora začne působit atmosférický tlak a voda se tak vrátí do láhve. Jedinou působící silou v našem případě je síla gravitační, ta způsobuje jak atmosférický tlak, tak hydrostatický tlak. 2.1.3 Sklenice a papírek Zadání: Za pomoci papírku a sklenice s vodou ukažte, jak působí atmosférický tlak. Pomůcky: Sklenice na vodu (průměr alespoň 5 cm), tvrdý papír, voda Postup: 1. Sklenici naplníme vodou až po okraj, aby v ní nebyl žádný vzduch. 2. Na sklenici přitiskneme tvrdý papír takové velikosti, aby co nejmenší část papíru byla mimo okraj sklenice. 3. Sklenici otočíme a pozorujeme, že papír zůstává přilepený na sklenici a nepadá dolů. Nákres:
Vysvětlení pozorovaných jevů: Pro lepší pochopení popíšeme nejdříve jednodušší situaci. Vezmeme prázdnou (to znamená, že v ní bude pouze vzduch, a to stejný jako v jejím okolí) sklenici (viz obr. 1) a položíme na ni papír. Sklenici otočíme a vidíme, že papír padá dolů. Popišme si všechny síly, které na papír působí.
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
3
Obr. 1: Ve sklenici je vzduch se stejným tlakem jako v okolí sklenice
Všude okolo nás je vzduch, ve kterém je tlak, tomu říkáme atmosférický. To jsme ukázali v minulém pokusu. Tento tlak je tedy i ve sklenici a působí do všech směrů. Položme tedy papír na sklenici, ve které je pouze vzduch, a otočme ji. Víme, že sílu spočítáme z následujícího vztahu F = p ⋅ S . To znamená, že síla je tím vetší, čím větší je tlak, který působí a čím větší je plocha na kterou působí. Tlak ve sklenici působí silou FA1 na papír shora (viz obr. 2). Proti této síle působí na papír zdola tlak mimo sklenici silou FA2 . Protože tlak ve sklenici i mimo sklenici je stejný a plocha papíru, na kterou tento tlak působí, je také stejná, můžeme říct, že FA1 = FA2 . Pokud by na papír působily jenom dvě stejně velké síly v opačném směru, papír by zůstal na místě. Zde ovšem díky gravitaci působí ještě tíhová síla Fg a díky ní bude papír klesat dolů.
Obr. 2: Sklenice se vzduchem
Co by se stalo, kdybychom ze sklenice vysáli všechen vzduch? Sklenice by byla opravdu prázdná, a tak by v ní nemělo co působit tlak. Ukažme si, jaké síly by tedy působily v tomto případě (viz obr. 3):
Obr. 3: Sklenice bez vzduchu
Ve sklenici už nepůsobí žádný tlak silou na papír, takže jediné dvě síly jsou FA2 , kterou působí atmosférický tlak, a Fg , kterou působí gravitace Země.
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
4
2.1.4 Sestrojení barometru Zadání: S vědomostmi o atmosférickém tlaku z předchozích pokusů sestrojte domácí barometr a sledujte změny tlaku. Pomůcky: Zavařovací sklenice, nafukovací balónek, lepicí páska, brčko, karton Sestrojení barometru: 1. Na zavařovací sklenici napneme nafukovací balónek a vytvoříme tak pružnou blánu. 2. Lepicí páskou balónek upevníme tak, aby vzduch ze sklenice nemohl ven. 3. Na pružnou blánu lepicí páskou připevníme brčko tak, aby bylo s blánou rovnoběžné. 4. Z kartonu uděláme stupnici, na kterou budeme zaznamenávat vychýlení brčka. 5. Barometr umístíme do venkovního prostředí. Nákres:
Vysvětlení: Ve sklenici je stejný tlak jako v okolí. Okolní atmosférický tlak se může měnit, tlak v utěsněné sklenici ovšem ne. Pružná blána může reagovat na změny tlaku v jejím okolí. Pokud se atmosférický tlak zvýší, blána se prohne dovnitř sklenice a brčko se vychýlí na stupnici nahoru. Pokud je atmosférický tlak nižší než tlak ve sklenici, blána se prohne ven ze sklenice a brčko se vychýlí dolů. Pomocí tohoto barometru můžeme například zjišťovat, jestli se mění tlak před bouřkou a po ní nebo jestli se tlak mění s nadmořskou výškou.
2.2 Úlohy Úloha č. 1 Pokud víme, že atmosferický tlak je asi p = 100 000 Pa , spočítejte, jakou maximální hladinu můžeme v láhvi udržet? Úloha č. 2 V 17. století dělal italský fyzik Evangelista Torricelli podobný pokus se rtutí. Ta dosáhla výšky maximálně 75 cm. Pokud víte, že rtuť má hustotu ρ = 13579 kg ⋅ m −3 , zjistěte, jaký atmosférický tlak Torricelli naměřil? Úloha č. 3 Určete velikost sil FA2 a Fg z obr. 3 a odhadněte chování papírku na sklenici. Úloha č. 4 V pokusu se sklenicí a papírkem popište a určete velikost působících sil a vysvětlete, proč papírek drží na sklenici. Úloha č. 5 Určete, jak vysoká by musela být sklenice, aby se na ní papír už neudržel. XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
5
Úloha č. 6 Představte si situaci, kdy papír nepoložíme na sklenici s vodou, ale na dřevěné kuchyňské prkénko. Popište působící síly a rozhodněte o chování papírku.
2.3 Písemná práce (Vědomosti naučené) 1. Jak označujeme veličinu tlak a v jakých je jednotkách? (2 b.) 2. Jak velký je přibližně tlak u hladiny moře? (1 b.) (Vědomosti z porozumění) 3. Co způsobuje atmosférický tlak? (1 b.) 4. Je vyšší tlak v údolí nebo na vrcholu kopce? (1 b.) (Dovednost reproduktivní) 5. Ve rtuťovém tlakoměru je rtuť ve výšce 74 cm. Určete, jak velký je atmosférický tlak. (3 b.) (Dovednost konstruktivní) 6. Na čem závisí velikost tlaku v tekutinách? Navrhni experimenty, které to dokazují. (4 b.)
3 Průběh výzkumu Úkol byl zadán 42 žákům v sedmé třídě základní školy. Žáci byli rozdělení do skupin po dvou. Na splnění úkolu byly tři týdny. Stav plnění byl kontrolován po dvou týdnech, těsně před probíráním látky atmosférický tlak. V této chvíli začali úkol vypracovávat pouze dvě skupiny a pět skupin přemýšlí, že by mohli začít. Zbývající skupiny plnění úkolu neplánují. V této chvíli byl zaveden motivační prvek. Skupiny měly možnost nafotit se při realizaci úkolu a z fotek vytvořit elektronickou nebo tištěnou prezentaci. Za splnění úkolu byla skupina odměněna jedničkou. Za splnění dílčích částí úkolu jednou nebo dvěma „malými“ jedničkami. Po třech týdnech celý úkol splnilo deset skupin, čtyři skupiny splnily část a sedm skupin s úkolem vůbec nezačalo. Výsledky písemné práce jsou následující (viz tab. 2). Pozorovat vliv plnění úkolu na vědomostní úlohy z tohoto výzkumu bohužel nelze. Mírně vyšší průměrný bodový zisk může být způsoben obecně aktivnějším přístupem k fyzice u žáků, kteří se rozhodli úkol splnit. Podívejme se na průměrný bodový zisk u úloh 5 a 6. Tab. 1: Průměrný bodový zisk
Průměrný bodový zisk úplné částečné žádné
Úloha 5
Úloha 6
2,3 1,5 1,5
2,5 2,0 1,1
Tato tabulka ukazuje výrazně lepší schopnost řešit úlohy u žáků, kteří věnovali svůj čas úkolu. Zajímavým údajem také je, že v úloze 6 se u žáků, kteří úkol neplnili, neobjevuje ani jednou plný počet bodů. Schopnost vymyslet vlastní experiment je výrazně vyšší u žáků, kteří si realizaci experimentů zkusili vlastníma rukama.
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
6
Tab. 2: Výsledky písemné práce
Splnění úkolu
Skupina
úplné
A
úplné
B
úplné
C
úplné
D
úplné
E
úplné
F
úplné
G
úplné
H
úplné
I
úplné
J
částečné
K
částečné
L
částečné
M
částečné
N
žádné
O
žádné
P
žádné
Q
žádné
R
žádné
S
žádné
T
žádné
U
Žák
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
1
Hodnocení úlohy 2 3 4 5
6
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 0 2
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1
2 4 3 2 2 1 3 4 2 1 4 3 2 1 2 1 4 3 4 2 2 3 1 1 3 2 2 2 1 1 0 2 0 1 1 2 2 2 0 1 0 2
0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 2 3 2 2 2 2 3 3 2 3 1 2 2 1 3 3 2 3 1 1 0 2 2 3 1 2 0 2 1 2 2 1 1 2 2 0 0 1 0 3
7
4 Závěr Z výzkumu vyplývá, že vlastní motivace žáků pro vykonávání jednoduchých experimentů v domácím prostředí je velmi malá (9–33 %). Pozitivní motivací ze strany učitele se ovšem dosáhlo výrazného zvýšení počtu zapojených žáků (66 %). Rozšíření výuky o vlastní mimoškolní práci žáků je tedy alespoň z počátku nutné provázet další pozitivní motivací. Výzkum ukázal význam jednoduchých domácích experimentů při plnění reproduktivních a konstruktivních úloh. Zvláště konstruktivní dovednosti jsou těmito experimenty výrazně posíleny.
Bc. et Bc. František Cáb Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání, Pedagogická fakulta, Masarykova univerzita Poříčí 7, 603 00 Brno, Česká republika E-mail:
[email protected] Telefon: +420 739 246 038
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
8
