Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta. Dílny Heuréky Sborník konference projektu Heuréka

Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta

Dílny Heuréky 2015 Sborník konference projektu Heuréka

Jiráskovo gymnázium, Náchod, 2. – 4. 10. 2015

Dílny Heuréky 2015 Sborník konference projektu Heuréka (Náchod, 2. – 4. 10. 2015) Editor sborníku: Mgr. Věra Koudelková Pro katedru didaktiky fyziky MFF UK vydalo Nakladatelství Matfyzpress v Praze v roce 2016 jako svou 516. publikaci. Text neprošel recenzním ani lektorským řízením nakladatelství MatfyzPress. Publikace byla vydána pro potřeby účastníků konference a učitelů fyziky zúčastněných v projektu Heuréka.

Všechny příspěvky byly recenzovány, za jejich obsah však zodpovídají autoři. Projekt Heuréka byl v roce 2015 podpořen v rámci Institucionálního rozvojového plánu pro MŠMT ČR pro Univerzitu Karlovu v Praze a Nadací Depositum Bonum.

1. vydání © Leoš Dvořák za kol., 2016 ISBN 978-80-7378-322-8

2

Obsah

Obsah Obsah ................................................................................................................................ 3 Úvod .................................................................................................................................. 5 Leoš Dvořák: Generátor pomalých (i trochu rychlejších) kmitů – a co se při jeho stavbě naučíme ............................................................................................................................. 7 Michal Hnyk: SEEK! aneb Nová elektronická stavebnice (nejen) pro žáky ...................... 22 Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy a aktivity z geometrickej z optiky................ 32 Rita Chalupníková: Vlastnosti a obrábění kovů ................................................................ 51 Jakub Jermář, Pavel Böhm: To nejlepší z Inspiromatů ..................................................... 61 Miroslav Jílek: Hrátky s Arduinem .................................................................................. 64 Alexander Kazachkov: Physics in the Stationery Department ........................................... 69 Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií vhodné do výuky fyziky ........... 80 Radim Kusák: Algodoo .................................................................................................... 90 Radim Kusák: CanSat a další náměty z ESERO ............................................................... 99 Radim Kusák: Rakety .................................................................................................... 104 Kateřina Lipertová: Papírová geometrie ......................................................................... 107 Jan Pavelka, Vojtěch Procházka: První elektrické stroje ................................................. 110 Václav Pazdera: Výroba pomůcek .................................................................................. 115 Václav Piskač: Žákovské elektrické obvody ................................................................... 122 Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem ........................................................................... 123 Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme ................................................... 152 Jaroslav Reichl: Papírová fyzika a matematika ............................................................... 171 Petr Schnabl: Fyzika Země s nadšením .......................................................................... 172 Jiří Šamaj: Kurz přežití .................................................................................................. 177 Jana Šestáková: Peer Instruction II. ................................................................................ 181

3

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015

4

Úvod

Úvod Počítáme-li i nultý ročník Dílen Heuréky v roce 2002, byl ten v roce 2015 už čtrnáctý. Naše konference tak má už nezanedbatelnou tradici. Samozřejmě, v poměru k trvání vesmíru, tak jak ho známe, se naše tradice zas tak dlouhá nejeví; „všehomír“ je od dob velkého třesku přece jen miliardkrát starší. Na druhou stranu se tenhle poměr bude s přibývajícími ročníky konference snižovat.  Čtrnáct ročníků není přehnaně dlouhou tradicí ani v měřítkách lidské civilizace a kultury. A nemusí jít jen o starý Egypt či Řecko. (Už proto, že si vůbec nejsem jistý, jak to ve starém Egyptě vypadalo s vyučováním, o fyzice ani nemluvě.) Stačí si vzít dnes skoro všude připomínané výročí Karla IV. Sedm set let je přece jen padesátkrát víc, než čtrnáct. Takže v tradicích a dlouhověkosti máme ještě co dohánět. Pokud bychom popustili uzdu fantazii, mohli bychom začít spekulovat, jaká bude Heuréka za sedm set let. (Přesněji řečeno za šest set osmdesát šest.) Obávám se ale, že by to byly spekulace značně divoké a množství smajlíků, které bych musel přidávat ke každému odstavci, by možná převýšilo množství textu. Usuzovat na budoucí vývoj z počátků kterékoli instituce a vůbec kteréhokoli lidského díla je vůbec ošidné. Ona i ta univerzita vypadá dnes o dost jinak, než když ji král Karel, toho jména čtvrtý, v roce 1348 zakládal. Snad jen kolo, jeden z nejpradávnějších lidských vynálezů, zůstává kulaté jako na začátku. I když i v tomto případě by se příslušný pračlověčí vynálezce nejspíš divil, jakých všech podob dnes nabývá. Reálnější je podívat se, jak se Heuréka a to, co s ní souvisí, rozvíjí dnes. Jednoznačně úspěšným projektem je Elixír do škol [1]. Síť regionálních center, která vznikla v roce 2013, funguje už na 21 místech a díky iniciativě Václava Piskače nabízí učitelům fyziky setkávání i v dalších místech formou „létajících center“. Systém center formálně není součástí Heuréky a mohli bychom říci, že ji zejména počtem zapojených učitelů přesahuje. Ovšem asi by jen těžko vznikl bez zázemí a zkušeností Heuréky a většina vedoucích center právě Heurékou prošla. (Navíc je tu „drobná okolnost“, že nápad vytvořit síť regionálních center měla Irena Dvořáková, tedy hlavní hybatel Heuréky.) Netřeba asi dodávat, že Elixír do škol má svou vlastní konferenci a že spolu s Dílnami Heuréky a Veletrhem nápadů učitelů fyziky jde o tři největší každoroční celostátní konference učitelů fyziky. Co stojí za zmínku, je čerstvá zkušenost ze světové konference WCPE 2016 v São Paulu, kde jsme u posteru věnovanému Heuréce a Elixíru do škol odpovídali na řadu velmi podrobných dotazů od lidí, kteří chtějí podobné projekty podporující učitele fyziky rozvinout ve Velké Británii a v Japonsku. Evidentně se naše zkušenosti jeví cenné. Rozvíjí se i samotná Heuréka. Ve školním roce 2015/2016 se pod vedením Stanislava Gottwalda a Věry Koudelkové úspěšně rozběhla druhá řada „školky“ pro nové účastníky projektu. A nejen to: Jaroslav Reichl v témže roce zahájil, rovněž velmi úspěšně, „středoškolskou školku Heuréky“, po níž byla mezi fyzikáři už nějakou dobu poptávka. Nelze samozřejmě očekávat, že další aktivity Heuréky a souvisejících projektů se budou takto množit geometrickou řadou. Nejde jen o to, že by při takovémto tempu brzy došli fyzikáři a fyzikářky, alespoň ti v Česku.  Spíše je podstatné, že Heuréka nikdy nesázela na překotný nárůst, nesnažila se stát „módní“ a pořádat masivní kampaně k získání co největšího počtu účastníků. Vždy šlo o přirozený růst „zdola“, o nabídku učitelům – na inspiraci, získání a sdílení zkušeností a možnost patřit do „party“, která se snaží fyziku učit lépe. 5

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Takovou nabídkou jsou i samotné Dílny Heuréky. V říjnu 2015 si v Náchodě mohli účastníci vybrat z 22 dílen; dvacet jedna z nich prezentují jejich vedoucí v tomto sborníku. Věřím, že budou dobrým zdrojem poučení i všem dalším fyzikářům a fyzikářkám, kteří příslušné dílny v Náchodě nestihli – protože vše se prostě stihnout nedá. A snad také těm, kdo do Náchoda z jakýchkoli důvodů nemohli přijet. Náchodské Dílny Heuréky by samozřejmě nemohly existovat bez řady lidí, kteří jim, jako každoročně, věnovali výrazné úsilí. Na prvním místě je vhodné jmenovat Zdeňka Poláka s jeho týmem studentů. Bez nich bychom mohli v Náchodě jen bloumat ulicemi, protože by nebylo ani kam složit hlavu. Ano, pokud se Vám tento sborník dostal do ruky náhodou a ještě to nevíte, tak ubytování na Dílnách Heuréky je tradičně ve školních třídách ve vlastních spacácích, a jídlo také co si kdo připraví. Druhou stranou mince je skutečnost, že celá konference je zcela zadarmo, a navíc je to báječná příležitost bavit se o fyzice, o radostech a strastech učitelování a o čemkoli dalším i dlouho do noci. Případně do pozdní noci pokusničit. Pro vše tohle máme v náchodském Jiráskově gymnáziu díky Zdeňkovi a jeho týmu báječné prostředí. Dík samozřejmě patří i vedení gymnázia, že strpí, když jejich budovu každoročně obsadí na sto dvacet fyzikářů a fyzikářek, doprovázených v řadě případů i potomky od velmi mladého věku. (Dlužno dodat, že s výjimkou úplných batolat se i omladina účastní řady dílen, to už ke koloritu Dílen Heuréky dlouhodobě patří.) Za přípravu a celkovou organizaci konference, i za to, že ji kdysi vymyslela, patří díky Ireně Dvořákové. Ten nápad opravdu stál za to! Těžko předvídat, zda se na něj bude vzpomínat ještě za několik století jako na založení univerzity Karlem IV, ony to jsou opravdu asi věci maličko nesouměřitelné , ale v současnosti se tenhle nápad jednoznačně prokázal jako velice funkční. Poděkovat je třeba také všem vedoucím dílen za invenci a energii, kterou vložili do jejich přípravy, vedení a následně i přípravu příspěvků do tohoto sborníku. (Zde jsem ovšem já sám v konfliktu zájmů, takže se v případě díků za vlastní příspěvek „zdržuji hlasování“. ) Za to, že z autorů dokázala jejich příspěvky vydobýt, zařídit recenze a následně dát celý tento sborník dohromady, patří samozřejmě díky jeho editorce Věrce Koudelkové. Navíc, abychom nezapomněli, se stará o Wiki Heuréky. Při vyjádření díků nesmíme zapomenout na instituce, které Heuréku podporují. Tedy především na Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, která celý projekt dlouhodobě podporuje formou grantů a poskytuje jeho vedoucím potřebné kvalitní zázemí, a na Nadaci Depositum Bonum, jež svou podporou dává impulzy pro další rozvoj Heuréky a aktivit, které s ní souvisejí. Last but not least: díky všem, kdo se na Dílnách Heuréky 2015 a běhu projektu vůbec jakkoli podíleli. Protože bez účastníků konference a Heuréky vůbec by žádný projekt a žádná konference nebyly. Takže ať pokračují a vzkvétají – a na shledanou na Dílnách Heuréky v roce 2016 i v těch dalších! V Praze, 22. 7. 2016 za organizátory konference a osoby jim blízké, Leoš Dvořák [1] Nadace Depositum Bonum: Elixír do škol. Dostupné online: http://www.nadacedb.cz/elixir-do-skol/o-projektu . (cit. 22. 7. 2016) 6

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů

Generátor pomalých (i trochu rychlejších) kmitů – a co se při jeho stavbě naučíme Leoš Dvořák KDF MFF UK Praha Abstrakt Příspěvek popisuje stavbu jednoduchého generátoru kmitů trojúhelníkového a obdélníkového průběhu. S danými hodnotami součástek generuje kmity v rozsahu frekvencí od 0,25 Hz do asi 18 kHz. Výstup lze zatěžovat pouze malými proudy, pro některé pokusy je proto generátor doplněn obvodem se dvěma tranzistory, který v rytmu generátoru spíná do zátěže (např. žárovky nebo reproduktoru) napětí z vnějšího zdroje. Vlastní generátor využívá dvojitý operační zesilovač TLC272. Cílem dílny, kromě vytvoření jednoduché pomůcky, bylo také seznámit se s dvěma obvody s operačními zesilovači: integrátorem a komparátorem s hysterezí. Navíc je v zapojení využit další zajímavý obvod (tzv. napěťová reference), jehož použití se také může fyzikářům hodit. Obsah 1. Úvod .............................................................................................................. 7 2. Princip generování kmitů – nabíjíme a vybíjíme kondenzátor ......................... 8 3. Jak získat přesné trojúhelníkové kmity, aneb o integrátoru ............................. 9 4. Přepínáme polaritu: komparátor s hysterezí .................................................. 11 5. Celkové zapojení našeho generátoru ............................................................. 12 6. Napájení pro operační zesilovač – seznamujeme se s napěťovou referencí .... 13 7. Pro zájemce: spínáme proud do větší zátěže ................................................. 15 8. Celkové zapojení generátoru se zdrojem a zesilovačem ................................ 16 9. Konstrukce generátoru na destičce s hřebíčky ............................................... 17 10. Několik pokusů s generátorem .................................................................... 19 11. Závěr .......................................................................................................... 20 Literatura a zdroje ............................................................................................ 21 1. Úvod Generovat tón zvolené frekvence dnes umí řada programů na počítačích, tabletech i mobilech. Ale pomalé kmity, s frekvencí třeba 1 Hz nebo nižší, už z počítače tak snadno nedostaneme. Umí je tvořit profesionální generátor pomalých kmitů, ten je ale drahý. Na naší dílně jsme si postavili jednoduchý generátor vlastní. Protože nejde o přístroj za mnoho tisíc, umí generovat pouze kmity trojúhelníkové a obdélníkové. Jejich průběhy vidíme na obrázcích vpravo: u trojúhelníkového průběhu napětí s časem roste a klesá přesně lineárně, u obdélníkového průběhu se velikost napětí (tj. jeho absolutní hodnota) nemění, ale „přepíná se“ jeho polarita. Co v našem generátoru oželíme, bude harmonický průběh napětí, tedy ten, co v závislosti na čase vypadá jako sinusovka. Existují sice zapojení, která z trojúhelníkového průběhu dokážou vytvarovat průběh harmonický 7

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 (ne úplně dokonale, ale s dobrou přesností), ale ta jsou už složitější, náročná na nastavení a v rámci jedné dílny bychom je určitě nestihli dodělat. Samostatný generátor harmonických kmitů si třeba postavíme někdy příště. Konstrukce našeho generátoru je opět co nejnázornější, na dřevěné destičce, kde součástky pájíme na mosazné hřebíčky. Generátor využívá operační zesilovač TLC272 – ale absolvování loňské dílny, kdy jsme se seznamovali se základním chováním operačních zesilovačů, nebylo pro letošní dílnu podmínkou. Žádné zvláštní předběžné znalosti nebude vyžadovat ani následující popis funkce generátoru. Vše se budeme snažit vysvětlit dostatečně jednoduše – a při vlastní stavbě generátoru se leccos zajímavého přiučíme. Ještě poznámku k náročnosti celé dílny. Konstrukce tentokrát byla trochu složitější a až na výjimky všem účastníkům dílny zabrala více času než vymezených devadesát minut. Na druhou stranu všech asi třicet lidí, kteří se dílny účastnili, dotáhli stavbu přístroje do úspěšného závěru a generátor jim fungoval. A parametry zhotoveného výrobku? Na výstupu generátoru je napětí trojúhelníkového a obdélníkového průběhu s amplitudou asi 1,7 V. Frekvenci lze měnit ve třech rozsazích od asi 0,25 Hz (tedy od periody asi 4 s) do asi 18 kHz (což odpovídá periodě asi 55 μs). Bohužel z výstupu našeho generátoru můžeme odebírat jen velmi malý proud, asi do 1 mA. To nestačí např. rozsvítit žárovku nebo nahlas rozezvučet reproduktor. Přistavět ke generátoru „pořádný“ zesilovač by opět přesahovalo možnosti naší dílny. Jako provizorní řešení máme na destičce obvod se dvěma tranzistory, který do zátěže (např. zmíněné žárovky nebo reproduktoru) spíná napětí vnějšího zdroje. Jde tedy nikoli o střídavé, ale o pulzující napětí, pulzuje samozřejmě s frekvencí našeho generátoru. Spínat můžeme proudy řádu stovek mA, vnějším zdrojem může být např. plochá baterie nebo akumulátor. 2. Princip generování kmitů – nabíjíme a vybíjíme kondenzátor Jak jednoduše vytvářet kmity s určitou periodou? Jednoduše to jde pomocí nabíjení a vybíjení kondenzátoru. Princip ukazuje schéma na obr. 1. Kondenzátor se nabíjí přes rezistor ze zdroje. Až napětí na něm dosáhne určité hodnoty, přepnutím přepínače necháme kondenzátor vybíjet. Až napětí poklesne (opět pod nějakou stanovenou hodnotu), dalším přepnutím zas necháme kondenzátor nabíjet … a tak dále, pořád dokola. Rychlost nabíjení a vybíjení záleží na velikosti odporu R a kapacity C, periodu kmitů tak můžeme nastavovat – jemně např. tak, že místo rezistoru použijeme reostat.

Obr. 1. Jak by šlo jednoduše generovat kmity – ale nedalo by to trojúhelníkový průběh Tento princip už jsme využili před několika lety při stavbě bzučáku a stroboskopu, viz [1]. Problémem ovšem je, že nabíjení a vybíjení kondenzátoru v tomto případě není lineární, jak to ukazuje pravá část obr. 1. (Ve skutečnosti jsou části průběhů exponenciály, ale to tu nemusíme řešit.) Abychom dostali skutečně trojúhelníkový průběh napětí, budeme na to muset jít trochu chytřeji. Ale stále půjde o nabíjení a vybíjení kondenzátoru.

8

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů 3. Jak získat přesné trojúhelníkové kmity, aneb o integrátoru V čem je problém zapojení na obrázku 1? Jak napětí na kondenzátoru roste, rozdíl mezi napětím baterie a napětím na kondenzátoru se zmenšuje. To znamená, že se zmenšuje napětí na rezistoru R a tím pádem i proud tekoucí rezistorem – tedy proud, který nabíjí kondenzátor. Kondenzátor se tedy nabíjí pomaleji a pomaleji, proto se průběh napětí s časem zakřivuje. Co bychom potřebovali? Nabíjet kondenzátor konstantním proudem. A to právě zajistí vhodné zapojení s operačním zesilovačem. Ukazuje ho obr. 2.

Obr. 2. Základ našeho generátoru – integrátor s operačním zesilovačem Nemusíme se děsit názvu. Termín „integrátor“ za chvíli vysvětlíme, a k pochopení, jak toto zapojení pracuje, nemusíte umět matematickou analýzu. Funkce obvodu je v zásadě jednoduchá. Abychom ji pochopili, je třeba si uvědomit, že v řadě zapojení platí, že: operační zesilovač se „snaží“ nastavit výstupní napětí tak, aby se napětí na obou jeho vstupech rovnala. (Podrobnější vysvětlení viz [2], s. 48. Zde jenom připomeneme, že operační zesilovač se ve schématu značí trojúhelníkem, jeho vstupy značkami + a –, vývod u hrotu trojúhelníčku je výstup.) Jak tedy zapojení funguje? Na vstupu + je nulové napětí, podle výše uvedeného pravidla tedy operační zesilovač nastavuje výstup tak, že na vstupu – je také nulové napětí.

Obr. 3. K výkladu činnosti integrátoru Situaci detailněji ukazuje obr. 3. Předpokládejme, že napětí u1 je konstantní. Potom je konstantní také proud tekoucí rezistorem R. Kam může tento proud téci dále? Do vstupu operačního zesilovače ne, tam tečou jen zcela zanedbatelné proudy řádu pikoampérů. Takže musí téci dál do kondenzátoru C. A už máme, co jsme chtěli: kondenzátor je nabíjen konstantním proudem! Napětí na něm tedy roste lineárně s časem. Toto napětí je navíc i na výstupu operačního zesilovače. (Až na znaménko, za chvíli to zdůvodníme podrobněji.) 9

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 A teď totéž s trochou vzorečků. Proud rezistorem, a tedy i kondenzátorem, je roven i = Náboj je proud krát čas, za dobu t tedy do kondenzátoru přiteče náboj q = i ⋅ t = Náboj a napětí na kondenzátoru jsou si úměrné, q= C ⋅ uC , takže uC= jak je vidět z obr. 3, je u2 = − uC , takže

u2 =− u1 ⋅

u1 . R

u1 ⋅t . R

q t = u1 ⋅ . Navíc, C RC

t . RC

(1)

(Tohle platí, pokud v čase t = 0 bylo napětí na kondenzátoru nulové, jinak bychom museli na pravou stranu (1) přičíst ještě počáteční napětí.) Takže máme vyhráno a máme základ generátoru! Stačí nastavit u1 konstantní, třeba 1 V. Výstupní napětí pak bude klesat podle vztahu (1). V čase t1 = RC .

(2)

dosáhne výstupní napětí hodnoty –1 V. V tom okamžiku přepneme napětí u1 na zápornou hodnotu –1 V. Proud teď poteče obráceně, kondenzátor se bude vybíjet, a to stejně rychle, jako se předtím nabíjel. V čase t 2 = 2 t1 se tedy napětí na výstupu vrátí na nulu, v čase t3 = 3 t1 dosáhne hodnoty +1 V. V tam okamžiku opět přepneme u1 na hodnotu +1 V, napětí na výstupu začne opět klesat, nuly dosáhne v čase t 4 = 4 t1 , viz obr. 4.

Obr. 4. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru konstantním proudem v zapojení dle obr. 3 V čase t 4 = 4 t1 se vše vrátilo do výchozího stavu, tento čas je tedy roven periodě kmitů T. Protože, t1 = RC (viz (2)), je perioda kmitů T = 4 RC .

(3)

Právě tento vztah bude platit i pro periodu kmitů našeho generátoru. (Sice v něm nebudeme nastavovat napětí u1 na 1 V, ale na asi 1,7 V, ovšem polaritu vstupního napětí budeme přepínat při výstupním napětí také 1,7 V, takže časy t1 i další se nezmění. Můžete si zkusit dokázat, že toto platí obecně, pokud velikost napětí u1 a napětí pro přepnutí je stejná.)

10

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů Zbývá už jen vysvětlit, proč se danému zapojení říká integrátor. Takže, pro zájemce: Pro malé časové intervaly dává vztah (1) přírůstek napětí na výstupu:

∆u2 = − u1 ⋅

1 ⋅ ∆t . RC

(4)

Tento vztah platí, i když se napětí u1 mění s časem. Celkovou změnu výstupního napětí dostaneme sečtením všech přírůstků (4). Takovýto součet mnoha malých přírůstků ale není nic jiného (v limitě ∆t → 0 ), než integrál! Pokud to chcete ještě formálněji, pak (4) vydělíme ∆t a dostaneme ∆u2 1 =− u1 ⋅ RC ∆t

∆t →0

⇒

du2 1 =− u1 ⋅ dt RC

Takže operační zesilovač opravdu umí integrovat!

⇒

u2 =−

1 u1dt . RC ∫

(5)

4. Přepínáme polaritu: komparátor s hysterezí Zbývá už jen zajistit, abychom polaritu vstupního napětí nemuseli přepínat ručně. Obstará to za nás obvod na obr. 5. (V něm je použit druhý operační zesilovač; v praktickém zapojení budou oba operační zesilovače v jednou pouzdře.)

Obr. 5. Zapojení, které „drží“ výstupní napětí na maximální kladné nebo záporné hodnotě, ale umožní přepnout polaritu Opět se nemusíme bát záhadného názvu. Zapojení komparátoru už jsme poznali v [2], tady je ale poněkud modifikované. V tomto zapojení operační zesilovač neudrží na obou vstupech stejné napětí. Představme si situaci, kdy bod B, k ničemu nepřipojíme. Potom bude na vstupu operačního zesilovače (v bodě A) stejné napětí jako na jeho výstupu (v bodě D). Je tomu tak proto, že proud do vstupu operačního zesilovače je nepatrný, takže odpor R mezi body D a A funguje prakticky jako zkrat. Jestliže je v bodě A nějaké kladné napětí, byť třeba malé, zesilovač ho mnohokrát zesílí (zesílení je řádu desítek tisíc!), toto zesílené napětí se přivede zpět na A, zesilovač ho opět zesílí… Výsledkem je stav, kdy na výstupu v bodě D je maximální kladné napětí, jaké může operační zesilovač při daném napájení dát. Nechť je to třeba 5 V. Je tedy u2 = 5 V .

Toto napětí je přitom „stabilní“. I kdybychom bod B spojili se „zemí“ (s bodem 0, bylo by tedy u1 = 0 ), znamenalo by to, že v bodě A by bylo napětí 2,5 V. (Oba rezistory jsou stejné, fungují jako dělič napětí, rozdělují napětí u2 = 5 V v poměru 1:2, takže uA = 2,5 V ). To bohatě stačí na to, aby na výstupu bylo maximální kladné napětí. Totéž bude platit, i když do bodu B přivedeme napětí např. -3 V. (V bodě A pak bude +1 V.) A tak dále – 11

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 ovšem, pokud do bodu B přivedeme napětí např. -5,1 V, bude uA = −0, 05 V a po zesílení bude na výstupu v bodě D maximální záporné napětí, jaké operační zesilovač může dát (např. -5 V). Takže jsme přepnuli polaritu výstupního napětí. To je zase stabilní, dokud na vstup v bodě B nepřivedeme více než +5 V. Obvod má tedy dva stabilní stavy, říkáme, že je bistabilní. A tomu, že se nepřepne hned, když se vstupní napětí přehoupne přes nulu, ale má „výdrž“, říkáme, že má hysterezi. (Tenhle název známe z hysterezní smyčky, můžete si rozmyslet, že ta se chová podobně.) V našem generátoru použijeme trochu upravené zapojení, které ukazuje obr. 6.

Obr. 6. Skutečné zapojení komparátoru v našem generátoru kmitů Výstup operačního zesilovače napájí přes rezistor o odporu 2,7 kΩ dvojici antiparalelně zapojených LED. Ta výstupní napětí omezí na ±1,7 V (jsou použity červené LED). To znamená, že k přepnutí mezi kladným a záporným napětím na výstupu dojde, když vstupní napětí překročí hodnotu +1,7 V nebo klesne pod -1,7 V. Navíc svit jedné nebo druhé LED signalizuje polaritu napětí na výstupu. 5. Celkové zapojení našeho generátoru Teď už stačí spojit dohromady části na obr. 2 a 6 a generátor bude hotov! Výsledek ukazuje schéma na obr. 7. Obsahuje dva operační zesilovače, víc jich pro náš generátor potřebovat nebudeme.

Obr. 7. Celkové zapojení generátorů kmitů Levá část zapojení je integrátor, jehož funkci jsme popsali výše v části 3. Je-li na výstupu komparátoru v bodě D kladné napětí, pak napětí na výstupu integrátoru v bodě B postupně klesá (viz obr. 4). Až se dostane pod hodnotu -1,7 V, komparátor přepne, na jeho výstupu se objeví záporné napětí a napětí na výstupu integrátoru začne růst. Až překročí hodnotu 12

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů +1,7 V, komparátor opět přepne… Pro periodu kmitů přitom platí vztah (3), tj. T = 4 RC . Rozmyslete si, že to platí, i když teď přepínáme při hodnotě napětí 1,7 V a ne jeden volt, jak jsme to uvažovali při odvozování vztahu (3). Kondenzátory C můžeme volit různých hodnot a tím přepínat rozsahy frekvencí. Jemně frekvenci nastavujeme potenciometrem o odporu 500 kΩ, zapojeným jako reostat. Zvolíme-li tzv. logaritmický potenciometr (u něhož se odpor v závislosti na natočení mění nerovnoměrně), budeme moci vcelku pohodlně „přelaďovat“ v rozsahu frekvencí 1:100. 6. Napájení pro operační zesilovač – seznamujeme se s napěťovou referencí Operační zesilovač potřebuje napájet jak kladným, tak záporným napětím „proti zemi“. Používat dvě baterie není zrovna pohodlné. Lepší by bylo například napětí z baterie 9 V rozdělit na dvě napětí. Šlo by to udělat například děličem napětí, viz obr. 8 a), nebo pomocí Zenerovy diody. Obě řešení ale mají své nevýhody, viz text u obrázku.

a)

b)

Obr. 8. Možnosti, jak získat z jedné baterie kladné i záporné napětí (proti svorce 0): a) Děličem napětí – ale pokud bychom odebírali proud, mohla by se napětí výrazně změnit, nebyla by stabilní. b) Pomocí Zenerovy diody – ale aby dioda dobře stabilizovala, musel by jí protékat poměrně značný proud, řádu desítek mA. Naštěstí můžeme použít řešení, které je velmi podobné stabilizátoru se Zenerovou diodou na obr. 8 b), ale vystačí s proudem několika mA. Využijeme součástku, která se jmenuje napěťová reference. Napěťová reference se používá, pokud chceme získat přesné a dostatečně stabilní napětí. (Termín „referenční napětí“ se užívá pro napětí, od něhož se v zapojení odvozují nějaká napětí další, odtud i název součástky.) Napěťové reference obvykle umožňují ovlivnit napětí, které na nich je. Některé jen v rozsahu několik procent, některé více. Konkrétní typ, který využijeme my (TL431), umožňuje stabilizovat napětí dokonce v rozsahu 2,5 V až 36 V! S trochou nadsázky můžeme říci, že napěťová reference je „chytrá Zenerova dioda“. Ve skutečnosti to je malý integrovaný obvod se třemi vývody. Typ TL431 navenek vypadá jako obyčejný tranzistor – pozor, abyste si ho s tranzistorem nespletli! Vývody napěťové reference jsou referenční elektroda (R), anoda (A) a katoda (K), viz obrázky vpravo, které ukazují značku a rozložení vývodů. Pozor, podobně jako u Zenerovy diody se katoda zapojuje směrem ke kladnému pólu zdroje.

13

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Jak tedy napěťovou referenci zapojit a jak nastavit, aby na ní bylo potřebné napětí? Zapojení ukazuje obr. 9.

Obr. 9. Zapojení napěťové reference Napěťová reference TL431 propouští mezi vývody K a A tolik proudu, aby napětí mezi vývody R a A bylo asi 2,5 V. Napětí mezi vývody K a A bude přitom vyšší než 2,5 V, záleží na poměru odporů R1 a R2. Zkuste si sami rozmyslet, jak zapojení funguje. Návodné otázky: 1) Jaké by bylo napětí mezi vývody K a A (a tedy i mezi vývody 0 a -), pokud by bylo R2 = 0 ? (Tedy kdybychom zkratovali vývody R a K.) 2) Jaké by bylo napětí mezi K a A, pokud by bylo R1 = R2 Odpovědi pro kontrolu (zkuste si ale na otázky nejprve odpovědět sami a problém si rozmyslet):

V prvním případě bude napětí dva a půl voltu, ve druhém pět voltů. V prvním případě je totiž napětí na vývodech R a K stejné, a obvod se snaží nastavit vše tak, aby napětí mezi R a A bylo 2,5 V. Ve druhém případě dělí dělič napětí mezi K a A na polovinu – a napěťová reference nastavuje proud tak, aby mezi R a A bylo 2,5 V, mezi K a A tedy musí být dvojnásobek. Pokud by tam bylo více, napěťová reference zvýší proud vývodem K, na rezistoru R3 se zvětší úbytek napětí a napětí mezi K a A poklesne. Pokud by mezi K a A bylo méně než „požadovaných“ 5 V, napěťová reference naopak sníží proud.

Jak je tomu v obecném případě? Protože rezistory R1 a R2 teče stejný proud (proud do elektrody R je zanedbatelný, typicky jen asi 1 μA), platí:

U KR U RA = R2 R1

⇒ U KR =

R  R2 U RA ⇒ U KA = U KR + U RA =  2 + 1 U RA . R1  R1 

V případě zdroje pro náš generátor bude R1 = 10 kΩ, R2 = 4,7 kΩ, napětí mezi vývody K a A, tj. také mezi svorkami 0 a –, pak bude asi 3,7 V. Poznámka pro ty, kdo se podivují, proč jsme nenastavili napětí mezi 0 a – na polovinu napětí baterie, tedy asi na 4,5 V. Vždyť je-li mezi svorkami 0 a – napětí 3,7 V, bude mezi svorkami + a 0 napětí 5,3 V, tedy zdánlivě zbytečně vyšší. Důvodem je skutečnost, že operační zesilovač TLC272, který používáme, dokáže na svém výstupu napětí snížit až velmi těsně k zápornému napětí zdroje (tedy k –3,7 V), ale zvýšit výstupní napětí až ke kladnému napětí zdroje neumí. Maximální kladné napětí, které na výstupu dá, je asi o 1,5 V nižší, v našem případě to bude asi 5,3 V – 1,5 V = +3,8 V. Rozkmit výstupního napětí oproti 0 pak je zhruba symetrický.

Odpor rezistoru R3 v našem zapojení je zvolen 1,8 kΩ; napěťovou referencí pak teče proud asi 3 mA, což baterii příliš nezatěžuje. Současně to ale znamená, že z výstupu našeho generátoru můžeme odebírat jen malý proud. (1 mA potřebuje ke své činnosti samotná napěťová reference, u obdélníkového průběhu napětí je proud navíc omezen odporem 2,7 kΩ.) 14

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů 7. Pro zájemce: spínáme proud do větší zátěže Aby náš generátor mohl dávat větší proudy, a tedy i větší výkon, museli bychom k němu připojit vhodný zesilovač. To by ale samo vydalo na další dílnu. Jako provizorní řešení můžeme ale ke generátoru přidat jednoduché zapojení, které v rytmu frekvence generátoru spíná do zátěže (třeba reproduktoru, žárovičky nebo cívky) proud z vnějšího zdroje – například z ploché baterie nebo z šestivoltového akumulátoru. Zapojení ukazuje obr. 10.

Obr. 10. Jednoduchý zesilovač spínající do zátěže proud z vnějšího zdroje. Na vstup zesilovače je přivedeno napětí z výstupu generátoru, konkrétně z bodu, kde jsou obdélníkové kmity. Není to ovšem napětí „proti zemi“, tedy proti svorce 0, ale proti zápornému pólu zdroje. V jedné půlperiodě je toto napětí tak nízké, že nestačí otevřít dvojici tranzistorů, proud do zátěže tedy prakticky neteče. V druhá půlperiodě teče proud do prvního tranzistoru, je jím zesílen, následně je zesílen druhým tranzistorem – do zátěže pak může téci proud až kolem jednoho ampéru. (Záleží na proudovém zesilovacím činiteli obou tranzistorů.) Napětí na výstupu tedy vlastně není střídavé, ale pulzující, přesto ho pro některé pokusy můžeme využít. Připojme dvě poznámky týkající se odolnosti zde popsané konstrukce. První se týká odolnosti vůči zkratu. Zapojení není určeno pro práci do trvalého zkratu; odpor zátěže by měl být minimálně asi 4 Ω, což je odpor běžného reproduktoru. I ochrana proti krátkodobému zkratu je jen primitivní. (Proud do báze tranzistoru BD139 je omezen odporem 330 Ω, což, pokud nemá tento tranzistor příliš velké proudové zesílení, omezí jeho kolektorový proud pod maximální povolenou hodnotu 1,5 A.) Pokud chceme k zesilovači připojovat zátěž o nízkém odporu, je třeba tranzistor BD139 přišroubovat k chladiči, například ke kusu plechu. Druhá poznámka se týká funkce diody. Ta je v kolektorovém obvodu zapojena v závěrném směru, normálně jí tedy žádný proud neteče. Dioda je ale velice důležitá v případě, že jako zátěž připojíme cívku. Zesilovač pak totiž periodicky zapíná a vypíná proud cívkou. A při vypnutí se v cívce indukuje špička vysokého napětí. Ta by mohla lehce zničit tranzistor – typ BD139 má mezi kolektorem a emitorem povoleno napětí maximálně 80 V. Na cívce se může indukovat výrazně víc. Naštěstí dioda tuto napěťovou špičku spolehlivě zkratuje.

15

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 8. Celkové zapojení generátoru se zdrojem a zesilovačem Poskládáme-li všechny výše popsané části naší konstrukce dohromady, dostaneme výsledek, který ukazuje schéma na obr. 11. Docela působivé, není-liž pravda? Skutečně je to zatím nejsložitější konstrukce, kterou jsme na našich dílnách stavěli.

Obr. 11. Celkové schéma generátoru se zdrojem a zesilovačem. Ve schématu jsou již zakresleny tři kondenzátory, jejichž přepínáním nastavujeme rozsahy frekvencí: •

250 Hz až asi 18 kHz (pro kondenzátor 2,2 nF),

•

5 Hz až 500 Hz (pro kondenzátor 100 nF),

•

0,25 Hz až 25 Hz (pro kondenzátor 2 μF).

Plynule v uvedených rozsazích nastavujeme frekvenci otáčením potenciometru 500 kΩ. (Písmeno G v jeho označení 500K/G znamená, že jde o logaritmický potenciometr.) Operační zesilovače v zapojení používáme dva, ve skutečnosti jsou však oba v jednom pouzdru, konkrétně jde o integrovaný obvod TLC272. Svítivé diody jsou červené, jak už bylo řečeno, omezují napětí na výstupu na asi ±1,7 V, to je tedy amplituda výstupního napětí obou průběhů. 16

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů 9. Konstrukce generátoru na destičce s hřebíčky Rozložení součástek na dřevěné destičce o rozměrech 6⨯16 cm ukazuje obr. 12. V pravé části je místo na baterii 9 V. Součástky jsou připájeny k mosazným hřebíčkům zatlučeným do destičky. Šablona s rozložením součástek je v příloze; po vytištění ji stačí dát na destičku a hřebíčky tlouci na vyznačená místa.

Obr. 12. Rozložení součástek na destičce. Pro přepínání frekvenčních rozsahů není na destičce žádný přepínač (byl by drahý). Místo toho se kondenzátory C2 o kapacitě 100 nF nebo C3 o kapacitě 2 μF připojují kablíkem s krokodýlkem. Kondenzátor C1 o kapacitě 2,2 nF je připojen stále (zapojíme-li kondenzátor C2 nebo C3, je k nim C1 připojen paralelně, takže o něco zvyšuje celkovou kapacitu). Kondenzátory nesmí být elektrolytické! (Nabíjejí se zde na kladné i záporné napětí, elektrolytické kondenzátory naopak vyžadují jednu polaritu.) Nejlepší jsou tzv. fóliové kondenzátory, lze použít i kondenzátory keramické. Jejich kapacita více závisí na teplotě, což ale v našem jednoduchém generátoru nevadí. V našem zapojení jsou kondenzátory C1 a C2 fóliové, kondenzátor C3 je tvořen dvěma paralelně zapojenými keramickými kondenzátory o kapacitě 1 μF. Výhodnější by bylo využít kondenzátor o větší kapacitě – původním záměrem bylo, aby C3 měl kapacitu 4,7 μF, ale při nákupu součástek pro dílnu nebyl tento typ dostupný v dostatečně malém provedení. Použijeme-li kondenzátor s větší kapacitou, posune se frekvenční rozsah k nižším frekvencím, tedy k delším periodám. S kondenzátorem 4,7 μF by byla perioda až téměř 10 s. Jinou možností, jak prodloužit periodu, by bylo použít na místě potenciometru větší odpor. Změnu napětí s časem bychom pak mohli sledovat i obyčejným multimetrem. Tato možnost je popsána v pracovním listu z dílny, který je v příloze tohoto příspěvku. Svítivé diody jsou červené, s průměrem 5 mm. Je vhodné použít LED, které mají vyšší jas (někdy označované jako vysokosvítivé), abychom jejich svit dobře viděli i při malém proudu, který jimi v našem zapojení prochází (méně než 1 mA). Baterie 9 V je připojena tzv. „klipsem“. V zapojení není vypínač, opět z cenových důvodů, pokud chcete, klidně ho přidejte, zatím se generátor vypne prostě odpojením baterie. Cena všech součástek bez baterie je asi 70 Kč. (To platí při nákupu více kusů součástek, při nákupu po jednotlivých kusech to bude poněkud více, ale ne dramaticky.) Rozložení vývodů integrovaného obvodu TLC272 a to, jak jsou v zapojení připájeny k hřebíčkům a vývodům ostatních součástek, ukazuje obr. 13. Aby se vývody 17

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 integrovaného obvodu méně „navzájem pletly“, jsou dva z nich (vývody 3 a 6) připojeny dosti nestandardně: ohnuty nahoru nad pouzdro, kde je k nim připájen přívodní drát.

Obr. 13. Detail zapojení integrovaného obvodu TLC272. Výslednou podobu prototypu generátoru ukazuje fotografie na obr. 14. Při stavbě je vhodné nejprve zatlouci všechny hřebíčky a pak zapojit a vyzkoušet část s napěťovou referencí, abychom měli jistotu, že operační zesilovače budou napájeny správným napětím. Pak zapojíme hlavní část generátoru (nejprve spoje, pak rezistory, potenciometr a kondenzátory, nakonec polovodiče: LED a integrovaný obvod). Po zapojení by měly LED svítit, resp., při zapojení kondenzátoru C3, blikat. Podrobný popis zapojování je v pracovním listu v příloze.

Obr. 14. Výsledná podoba generátoru.

18

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů 10. Několik pokusů s generátorem Využití generátoru je už věcí každého učitele. Jednou z možností je demonstrovat či proměřovat časový průběh napětí. Průběh pomalých kmitů lze dobře ukázat na zařízeních typu LabQuest nebo podobných, viz obr. 14. Ukáže se, že u trojúhelníkových kmitů napětí opravdu roste a klesá lineárně a u obdélníkových téměř okamžitě přepíná mezi krajními hodnotami.

Obr. 15. Z dílny v Náchodě: Zobrazení časového průběhu kmitů LabQuestem. Zobrazit pomalé kmity pomocí počítače se zvukovou kartou bohužel nelze, protože díky kondenzátoru na vstupu zvukové karty jsou nízké kmitočty (pod 20 Hz) potlačeny. Pomocí programů jako jsou SoundcardScope nebo Audacity však můžeme snadno měřit frekvenci kmitů – a případně ji porovnat s tím, co předpovídá teoretický vztah (3). Také můžeme ukázat frekvenční spektrum kmitů a demonstrovat základní frekvenci a vyšší harmonické. Pulzujícím napětím na „výkonovém výstupu“ (viz výše část 7) lze napájet například žárovičku a sledovat, při jaké frekvenci přestaneme blikání vnímat. (Zkuste si to pro žárovičku v klidu a v případě, kdy se žárovičkou pohybujete.) Výstup lze také připojit na reproduktor. Při nízkých frekvencích slyšíme „lupání“ a u větších reproduktorů můžeme pozorovat, že se membrána při každém lupnutí pohne – ve stejném rytmu přitom svítí LED v našem generátoru. Při vyšších frekvencích slyšíme tón. Díky obdélníkovému průběhu napětí je přitom ostrý, až „řezavý“. Výšku tónu můžeme měnit prakticky v celém rozsahu slyšitelných frekvencí. Na výstup můžeme také připojit cívku – na dílně jsme používali cívku s 1200 závity ze školního rozkladného transformátoru. Držíme-li u cívky v prstech malý neodymový magnet, cítíme, jak na něj magnetické pole působí, při vyšších frekvencích cítíme v prstech chvění. Připevníme-li malé neodymové magnety na konec špejle (nebo na kartičku z tužšího papíru), můžeme demonstrovat rezonanci, viz obr. 16. Dalším nápadům se meze nekladou. Bohužel, vzhledem k tomu, že výkonový výstup dává pouze pulzující napětí, jsou možnosti využití našeho jednoduchého generátoru omezené – ke generátoru harmonických kmitů a zesilovači, na jehož výstupu by bylo střídavé napětí s dostatečným výkonem, se snad dostaneme na některé z příštích dílen či v rámci dalších aktivit Heuréky.

19


Obr. 16. Z dílny v Náchodě: Využití generátoru k demonstraci rezonance. 11. Závěr Co jsme se při stavbě našeho generátoru naučili? Začneme-li od napájení, pak jsme zjistili, že existuje součástka jménem napěťová reference, s jejíž pomocí můžeme stabilizovat napětí leckdy výhodněji než pomocí Zenerovy diody. A také, že použitá napěťová reference na první pohled vypadá naprosto stejně jako tranzistor, ač tranzistorem není. Musíme si tedy dát pozor a číst, co je na pouzdru součástky napsáno (i když je to k přečtení leckdy dost špatně, takže občas je nutné vzít na pomoc lupu). Celkově jsme se tedy naučili: •

stabilizovat napětí a nedat na vnější dojem. 

Za druhé jsme zvládli postavit zapojení zvané integrátor a poučili jsme se, že při něm nejde v podstatě o nic jiného než o nabíjení kondenzátoru. Čili už víme, že: •

operační zesilovač s kondenzátorem umí integrovat a v zásadě na tom není nic těžkého.

Za třetí jsme se naučili zapojení, které se snaží „zuby nehty“ udržet na výstupu maximální možné napětí – ale dá se přepnout a pak zase drží nejvyšší možné záporné napětí. Mezi těmito dvěma stabilními stavy se přepíná (resp. „překlápí“) jen neochotně, má hysterezi. Takže: •

seznámili jsme s bistabilním klopným obvodem a zjistili jsme, že se nám v našem generátoru hodí.

Za čtvrté jsme se ve výstupním zesilovači setkali s „divně zapojenou“ diodou a pochopili jsme, že tam je proto, aby zkratovala špičky indukovaného napětí, pokud na výstup připojíme cívku. Čili jsme se naučili: •

jak ochránit tranzistor, když jím spínáme a vypínáme proud do cívky.

Navíc jsme si vyzkoušeli, že zvládneme postavit i ne úplně jednoduché zapojení – a jeho stavbu jsme opravdu dotáhli do konce! Ještě by to chtělo ten generátor harmonických kmitů a lepší zesilovač. Ale, jak říkal Kipling, to už je jiná povídka… 20

Leoš Dvořák: Generátor pomalých kmitů Literatura a zdroje [1] Dvořák L.: Blikač, bzučák, stroboskop. In: Dílny Heuréky 2012. Sborník konference projektu Heuréka. P3K, Praha, 2012, s. 13-30. Dostupné online na: http://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2012.pdf [2] Dvořák L.: Nebojme se operačních zesilovačů (aneb jak demonstrovat napětí indukované v kousku vodiče). In: Dílny Heuréky 2014. Sborník konference projektu Heuréka. Matfyzpress, Praha, 2015, s. 40-61. Dostupné online na: http://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2014.pdf Odkazy na informace o vlastnostech použitých součástek: Napěťová reference TL431: https://www.gme.cz/img/cache/doc/330/042/tl431-datasheet-1.pdf Dvojitý operační zesilovač TLC272: https://www.gme.cz/img/cache/doc/311/020/tlc272-datasheet-1.pdf

21


SEEK! aneb Nová elektronická stavebnice (nejen) pro žáky Michal Hnyk Gymnázium Broumov Abstrakt V tomto příspěvku naleznete popis krátké detektivní hry využívající prototyp elektronické stavebnice SEEK! včetně průvodních textů a elektronických schémat obvodů, které účastníci museli v rámci hry sestavit. V závěru je uvedena diskuze na téma možného využití podobných her s elektronickou stavebnicí ve výuce. Malým bonusem je recept na to, jak si vyrobit květináč, do něhož lze „zasadit“ LED, která bliká bez jakýchkoli přívodních vodičů. Úvod Prototyp stavebnice SEEK! vznikl v rámci diplomové práce v domácí dílně autora. V době konání dílen Heuréky 2015 existovaly pouze tři kompletní sady stavebnice včetně průvodních materiálů. Každá sada sestávala z 31 modulů se součástkami a dvou napájecích modulů umožňujících napájení z USB či zdroje střídavého nebo stejnosměrného napětí o velikosti 8–35 V. Základem modulu je cuprextit seshora potištěný schematickou značkou součástky a označením modulu s logem stavebnice. Všechny součástky, u nichž to pouzdro dovoluje, jsou uchyceny v pružinových svorkovnicích, které umožňují jejich výměnu bez použití nářadí. Průvodní materiály vedou uživatele stavebnice od naprosto základních poznatků o elektrickém proudu, přes vlastnosti jednotlivých součástek a principy jednoduchých obvodů, až po samostatná jednoduchá zařízení. Práce na stavebnici však neustaly, v plánu je implementace některých postřehů z pilotáže i samotných dílen Heuréky, rozšíření stavebnice a její nabídnutí k výrobě. Tajemství Květiny Na dílně návštěvníky přivítalo ponuré osvětlení ztichlé scény, která nesměle prozrazovala neblahou událost. Na fotografii níže na této straně (obr. 1) může i sám čtenář ochutnat napětí, které viselo ve vzduchu při příchodu do šeré místnosti.

Obr. 1. Místo činu

22

Michal Hnyk: SEEK! Odkudsi z temného koutu se ozval vážný hlas pobočníka, který prořízl hutné ticho: „Vítejte na místě činu!“ Návštěvníci byli rozděleni na dvě připravená pracoviště a seznámeni se stavebnicí. Obě skupiny potom soutěžily o právo jako první odhalit Tajemství květiny. Následující text byl účastníkům předán jako úvod do celé situace: Tajemství Květiny – část první Má šedobílý plnovous a zamračenou tvář, je žádný šprým, jen samá práce, on musí nad městečkem držet stráž. Hle, objevil se detektiv, v celé své kráse!

"Jmenuji se Craft," rozkmital se vzduch, "donesla se ke mně zpráva, že dnes, prý časně z rána, objevil se přízrak, jakýsi duch." "Ale, to jen bába bábě povídala, co by duch, velký zločin, vražda se tu stala! Leží tam, pod tím tmavým keřem, jen tak, halabala, chudinka malá, tak mladá byla, a přesto skonala!" "A jak se jmenovala, kdo ji viděl naposled?" "To nevím, pane. Nevedeme tady odposlech. Včera ji viděli posedávat za oknem, jak se tam tak promenádovala kolem..." "Ale počkat, vždyť tohle není mrtvá dívka! Zdá se mi to, nebo to je jen kousek zeleného dřívka?!" "Přesněji pane, je to pomněnka, jistě to bývala nádherná květinka!" "Vypadá to na zapeklitý případ, co když se něco zvrtne a já si nebudu vědět rady? Potřebuju pár pomocníků, se kterými bych se mohl střídat, ale kde tu najdu chytré hlavy?" "A co je to tady za krabičku, že bych uhodil hřebíček na hlavičku? Asi se na chvilku posadím tady na lavičku a přenechám svým asistentům tuto detektivní hříčku..."

23


Během chvíle, kdy detektivovi pomocníci četli úvodní řádky, byla poblíž jejich pracovišť nepozorovaně umístěna malá krabička, z níž vedly dva vodiče. Úkolem bylo tedy prozkoumat, jak jim krabička může pomoci vyřešit záhadu. Zvenku nebylo vidět nic než papírové stěny krabičky slepené dohromady tak, aby dovnitř neprostupovalo světlo. Pod krabičkou nalezli také malou obálku se vzkazem: Teď Bílý Vlk správně vyslov, Já odhalím Ti svého tajemství příkrov!

Řešení první části Po krátké úvaze nad smyslem vzkazu a krabičky se pomocníci seznámili se stavebnicí – byly jim představeny zdrojové moduly, jimiž potom své obvody napájeli, předveden způsob propojování modulů a také byli upozorněni na vhodnost obezřetného počínání při práci s neznámou součástkou či zařízením, především tedy na nutnost zapojit do série ochranný rezistor. Když připojili správně pólovaný obvod ke zdrojovému modulu, rozsvítila se uvnitř červená LED, součást sady SEEK!, která prosvítila bílé písmo v černém poli a zobrazila na přední stěně krabičky nápis „Gwynbleidd“. Schéma prvního obvodu ukazuje obr. 2.

Obr. 2. Schéma zapojení prvního úkolu Po vyslovení správného hesla byla příslušnému týmu předána další indicie. Její znění opět následuje: Tajemství Květiny – část druhá Jaká já jsem byla krásná, když bydlela jsem v lese, nejsem nikdo, kdo se chvástá blaze se mi žilo, blaze bylo v lese Pak přišel člověk, ten kazisvět, přetrhal mi kořínky a odnesl mě pryč.

24

Michal Hnyk: SEEK! Nevrátil mě na palouček, nevrátil mě zpět, zasypal mě hlínou a vrazil ke mně tyč. Na okně jsem sedávala, přesto bez světla musela jsem žít, tolik slz jsem uronila, kéž by mi sluníčko bylo blíž! Kazisvět se stranil lidí, vždy závěsy měl zatažené, a slunce bylo poražené, o světlo mě můj pán šidí! A přitom to je tak jednoduché! Stačilo by jednoduché čidlo, které by se dalo na bidlo ven, za závěsy světlem neprostupné.

Ve chvíli, kdy tým dočetl druhou indicii, byla představena Stavitelova příručka. Nápověda zněla „Nalezněte v obsahu obvod, který by Květince pomohl.“ Řešení druhé části Po chvíli hledání účastníci odhalili, že tím správným obvodem je detektor osvětlení. Další indicii si tedy tým mohl vysloužit tím, že obvod správně sestavil. Schéma, které měli účastníci k dispozici, ukazuje obr. 3.

Obr. 3. Detektor osvětlení

25

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Po sestavení detektoru osvětlení byla nejen zkontrolována jeho správná funkce, ale také zapředena diskuze na téma „neviditelného“ záření, které používají běžně dostupné dálkové ovladače různých zařízení. Detektor osvětlení pak byl využit pro vizualizaci blikání infračervené LED takového ovladače. Následovala další indicie: Tajemství Květiny – část třetí Také jsem trpěla žízní, jak ráda bych se napila, přesto jsem se jen smutně dívala jak venku cestu kapky třísní. Blahodárný déšť! Přála jsem si ho znovu zažít, jenže on byl hluchý k mým prosbám, nechtěl mi dát napít. Jen drobná kapička by zchladila mi hrdlo, já bych byla šťastná, teď je mi však smutno. Jak mu mám říci: "Dej mě ven, prší!", stačí otevřít okno, copak ho to zdrží?

Jak již pozorný čtenář jistě tuší, následovalo další vyhledávání obvodu, který by Květince mohl pomoci v nastíněné situaci. Řešení třetí části Tentokrát byl správným řešením obvod nazvaný detektor deště. Schéma jeho zapojení, které účastníci nalezli ve Stavitelově příručce, můžete vidět na obr. 4.

Obr. 4. Detektor deště

26

Michal Hnyk: SEEK! Cestou k další indicii byl opět fungující obvod sestavený dle schématu. Než byla indicie předána, vyzkoušeli si účastníci, že obvod detekuje nejen kapku vody mezi vstupními vodiči, ale funguje i tehdy, když se elektrod dotkne člověk, nebo dokonce kroužek sériově zapojených lidí. Frekvence akustického signálu se potom lišila podle síly stisku elektrod. Brzy však následovala čtvrtá indicie: Tajemství Květiny – část čtvrtá A jednou, byla to temná noc, se do domu dobýval cizí chlap, já byla z něho celá paf, a natloukla si nos! Kdyby tenkrát dával větší pozor a spočítal by si to v hlavě, postavil by si zařízení hravě, které by místo něho v noci mělo dozor!

Tentokrát nápověda pro účastníky spočívala v krátkém vyprávění o situaci, kdy se člověk se zlým úmyslem dobývá do budovy skrze okno, které se díky jeho úderům chvěje. Řešení čtvrté části Správnou odpovědí v tomto případě byl obvod nazvaný detektor vibrací. Schéma jeho zapojení z Příručky ukazuje obr. 5.

Obr. 5. Detektor vibrací Při rokování nad správně sestaveným obvodem byla s účastníky probrána témata autoalarmů citlivých na otřes, které ovšem na výstupu místo LED mají hlasitý klakson. Během této diskuze byl mladším účastníkům představen piezoelektrický jev, na jehož 27

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 principu je zařízení postaveno. Vzápětí tým obdržel poslední indicii, která byla doplněna o obrázek Květinky: Tajemství Květiny – finále Byla jsem zoufalá, vždyť takhle se nedá žít, rozhodla jsem se s tím skoncovat, už mě nebude dál peskovat, bude to rychlé, vrazím si do srdce jedový šíp! Sbohem statné duby, sbohem průzračný potůčku, sbohem blankytná obloho - už jenom pár krůčků. Jak ráda jsem žila mezi těmi velikány; a pak mě odřízli od mé životodárné vláhy... Zpěv ptactva mi ještě dlouho potom v hlavě zněl jenže on, můj nový pán, na něj zapomněl. Příroda je mocná žena, královna všech královen, ale i ten největší vládce musí být pokořen. Člověk natropil spoustu chyb, byl nerozvážný, zmařil živůtek jedné bytosti. Ach, můj andílku strážný..! Loučím se, loučím se světem, Amen bude s mým krásným květem… P. S.: Možná, že srdce stále ještě bije, Že Květinka na lepším místě svůj život žije…

Obr. 6. Květinka Po chvíli tíživého ticha, které následovalo přečtení tesknivých řádků posledního rozloučení Květinky, vyvstala mezi účastníky z týmu, který si jako první vysloužil právo na finální indicii, otázka, co znamená ono post skriptum. V tu chvíli byli účastníci postaveni před hrob Květinky. Trocha hlíny s mrzkým pozůstatkem suché Květinky. Nic více, nic méně. Poslední nápovědou bylo „Zkuste sestavit třístupňový tranzistorový zesilovač a zavést jeho vstupní elektrodu do hlíny…“

28

Michal Hnyk: SEEK! Řešení finální části Naposled účastníci vyhledali schéma v Příručce a našli tam obrázek, který můžete vidět níže (obr. 7).

Obr. 7. Třístupňový zesilovač Po zavedení volného vývodu rezistoru R1 prostřednictvím vodiče do hlíny a zapnutí obvodu se LED D1 rozblikala s periodou zhruba dvě sekundy. Toto chování detektivovy pomocníky přirozeně překvapilo, jelikož LED v tomto obvodu by neměla mít důvod blikat, natožpak s nízkou konstantní frekvencí. Vysvětlení ponecháme další části tohoto článku, stejně jako při detektivní hře bylo ponecháno na pozdější čas. Jak se čtenář nejspíše dovtípil, stejně jako se dovtípili účastníci, popsané chování obvodu souviselo s tím, že Květince srdce stále bije. Závěrem bylo účastníkům podáno vysvětlení, že Květinka se chtěla nechat svým trýznitelem vyhodit, aby mohla dál žít jinde, na lepším místě, a proto musela vypadat mrtvá. Tím také skončila detektivní hra a účastníci byli odměněni šťastným koncem. Po této závěrečné promluvě byl ještě předveden jeden malý trik – do hlíny ke Květince byla „zasazena“ samostatná červená LED, která blikala ve stejném rytmu jako před chvílí LED zesilovače, aniž by k ní vedly nějaké vodiče. Zasazení bylo několikrát opakováno na různých místech hlíny – LED však pokaždé po zasazení blikala. Vysvětlení přináší další část tohoto článku. Zasaďte si svoji LED! Původní idea tohoto zapojení vznikla již před lety, kdy autor vykládal svým studentům o nebezpečí hrozícím během bouře od úderu blesku. Pochopit, že když lidským tělem projede výboj, který dokáže rozštěpit strom vedví, je nebezpečí smrtelné, obvykle nečiní potíže. Pro studenty, kteří v několika málo hodinách fyziky musejí vstřebat velké množství informací z mnoha oborů, však bývá pojem „krokové napětí“ velmi exotický, protože (bohudík) se s ním v životě setkávají velmi málo. Proto autor zatoužil udělat studentům praktickou ukázku. Tehdy však nestihl svůj záměr realizovat – podařilo se mu to až na Dílnách Heuréky. Pojďme si tedy představit použitý obvod, jehož schéma vidíte na obr. 8.

29


Obr. 8. Schéma zapojení obvodu pro blikání „zasazené“ LED Obvod sestává ze dvou hlavních částí – z astabilního klopného obvodu s NE555 a tzv. „joule thief“ obvodu, který je ve skutečnosti oscilátorem s cívkou, jehož úkolem je razantně zvýšit vstupní napětí. Klopný obvod má klasické zapojení popsané již nesčetněkrát. Jediný rozdíl oproti obvyklému uspořádání je nahrazení dvojice rezistorů u pinu č. 7 jediným potenciometrickým trimrem o celkovém odporu 1,5 kΩ. Změnou polohy jeho běžce lze do jisté míry regulovat frekvenci překlápění obvodu. Toto řešení nemá žádný zvláštní účel – jednoduše bylo pohodlnější zapájet jednu součástku než dvě. A získat tím navíc alespoň nějakou možnost regulovat frekvenci bylo jen příjemným bonusem. Na výstup klopného obvodu (pin č. 3) a kladné napájecí napětí je potom připojen joule thief. Existuje dlouhá řada zapojení podobných oscilátorů, které kmitají na frekvencích v řádech desítek kilohertz a dokážou z napájecího napětí i pod 1 V vytvořit napětí i několikasetnásobně vyšší. Toto konkrétní zapojení bylo zvoleno pro jednoduchost své konstrukce – většina zapojení totiž vyžaduje ideálně maličkou toroidní cívku s odbočkou, někdy dokonce ještě doplněnou o sekundární cívku se stovkami závitů, jejíž návin je časově náročný. Podobné měniče nalezneme třeba v úsporných zářivkách. Naproti tomu jednoduchou tlumivku s indukčností přes 1 mH lze sehnat velmi snadno. Tento obvod při trvalém připojení na napájecí napětí o velikosti 4,5 V (plochá baterie) dokáže nabít kondenzátor připojený k elektrodám A a B na více než 400 V. Tohoto vysokého napětí potom lze využít k vytvoření spádu potenciálu v půdě. Ve schématu na obr. 8 jsou vyznačeny písmeny A a B výstupní elektrody – odizolované vodiče, které přenášejí výstupní napětí do zeminy. Tyto vodiče jsou zahrabány do hlíny, zhruba 1 cm pod jejím povrchem, a umístěny na protilehlé strany nádoby (květináče). Celé zařízení je potom sestrojeno na univerzální desce plošných spojů a je ukryto v uzavřené krabičce (použito bylo pouzdro staré ploché baterie, z něhož byly odstraněny články a přepážky) pod povrchem hlíny tak, aby žádná jeho část nebyla viditelná. Spínač, jímž se celé zařízení uvádí do chodu, je vyveden mimo krabičku na kabelu tak, aby bylo možné zařízení snadno vypínat při zachování minimálního úsilí na jeho opětovné skrývání. Má-li zemina vhodnou vlhkost, stačí potom „zasadit“ LED s vývody ohnutými tak, aby byly co možná nejdále od sebe, do hlíny a LED začne blikat. Tato velmi efektní podívaná se dá zpestřit pokusy o „přesazení“ LED na jiné místo – experimentátor brzy zjistí, že to, co hraje roli, není sama poloha LED, nýbrž orientace jejích vývodů vzhledem ke gradientu potenciálu na povrchu zeminy. Lze tak snadno pozorovat, že jsou-li vývody LED orientovány rovnoběžně s gradientem, bliká LED intenzivněji, než když se úhel zvětšuje. 30

Michal Hnyk: SEEK! Od jistého úhlu LED přestane blikat úplně (jsou-li vývody „zasazeny“ kolmo na gradient, není mezi nimi takřka žádný rozdíl potenciálů). Také se lze přesvědčit o tom, že když vývody blikající LED obrátíme o 180°, LED blikat nebude, protože je pólována v závěrném směru. S tímto zařízením tedy lze velmi efektně a názorně demonstrovat existenci krokového napětí a ukázat smysl pouček, které žáci slýchávají ohledně vzdalování se od vodičů elektrického vedení na zem spadlých. Kromě toho, peníze prý zasadit nelze, jelikož nerostou na stromech, ale zasadit si vlastní LED, která bliká, je krásnou kompenzací! Využití ve výuce O možnostech využití a přínosech elektronických stavebnic bylo napsáno již mnoho a na mnoha místech. Klasicky lze i stavebnici SEEK! využít nejen k demonstracím, k samotným žákovským experimentům či k měřením při laboratorních pracích, ale nabízí i možnost velmi samostatné práce uživatele díky Příručce, která ze SEEK! činí samostatně funkční jednotku. Tato dílna však nabízí ještě jiný pohled – k vytvoření této detektivní hry, která trvala krátce přes hodinu, nebylo kromě samotné stavebnice potřeba mnoho, pouze trocha kreativity a izolační pásky. Na tomto místě se musím zastavit a poděkovat své snoubence, Barboře Chalupové, která je autorkou všech skvělých průvodních textů, které zpracovala na moji prosbu dle hrubého nástinu příběhu hry. Spatřuji velký motivační potenciál v didaktických hrách, které nejen umožní žákům samotným aktivně se účastnit svého vzdělávání, ale i stát se protagonisty příběhu, do něhož jsou vtaženi. Příprava hry je materiálně nenáročná, dobu jejího trvání lze velmi snadno regulovat dle schopností účastníků a časových možností. Časem se také mohou na webových stránkách stavebnice objevit náměty a podklady pro nové a nové příběhy a hry, které vytvoří sami vyučující či uživatelé stavebnice. SEEK! tak umožní žákům osvojit si základní dovednosti pro sestavování obvodů zábavnou formou. Další možný přínos je přirozeně možnost neposkytnout pokročilejším žákům schémata zapojení a nechat je řešit rébus opravdu od začátku, včetně návrhu zapojení obvodu, jehož funkci hra vyžaduje. Takové možnosti využití se díky podstatě SEEK! coby hybridní stavebnice pro školní i soukromý sektor dají vztáhnout i na samotného domácího uživatele, pro něhož lze spolu se SEEK! dodávat i jakýsi „sborník her“. Budoucnost stavebnice tak zůstává otevřená mnoha možnostem.

Literatura [1] HNYK, Michal. Elektronické stavebnice ve výuce fyziky. 2015. Diplomová práce. Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze. Vedoucí práce RNDr. Peter Žilavý, Ph.D.. [2] CircuitLab - Dual 2222 Joule Thief. CircuitLab [online]. [cit. 2015-10-31]. Dostupné z: https://www.circuitlab.com/circuit/k2zdm3/dual-2222-joule-thief/

31


Pokusy a aktivity z geometrickej z optiky Peter Horváth, Martina Horváthová Univerzita Komenského v Bratislave, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Abstrakt Na dielni sme sa venovali pokusom a žiackym aktivitám, prešli sme postupne obsah vyučovania geometrickej optiky, ako bol realizovaný na gymnáziu. Aktivity sú však vhodné aj pre žiakov základnej školy. V tomto článku sme sa zamerali najmä na pokusy niečím netradičné, pokusy, ktoré boli pre účastníkov dielne neznáme a pokusy s pomôckami, ktoré sú dostupné. Pri učiteľských demonštráciách sme využívali interaktívne demonštrácie, postup uvádzame v úvodnej kapitole. Interaktívne demonštrácie, interaktívne experimenty Interaktívne demonštrácie boli vyvinuté za účelom zefektívniť prednášky pre väčšie skupiny študentov. Autormi metódy sú David Sokoloff z University of Oregon a Ronald Thornton z Tufts University (Sokoloff, Thornton 2004). My sme uplatňovali túto metódu aj v podmienkach gymnázia. Metódou sa zaoberali aj košickí kolegovia (Hanč, Ješková 2008). Pozostáva z nasledujúcich krokov: Metóda interaktívnych demonštrácií 1. Opíšte priebeh demonštrácie, prípadne ju uskutočnite bez toho, aby ste prezradzovali výsledky. 2. Žiaci majú za úlohu individuálne napísať svoje predpovede výsledku do Predpoveďového hárku. 3. Nechajte žiakov diskutovať o svojich predpovediach v malých skupinách. 4. Zistite, aké sú žiacke predpovede (spýtajte sa zástupcov skupín). 5. Žiaci teraz individuálne napíšu svoje finálne predpovede do Predpoveďových hárkov (nakoniec ich vyzbierate). 6. Uskutočnite demonštráciu, experiment, ukážte výsledky. 7. Nechajte niekoľkých žiakov slovne opísať výsledky, diskutujte o nich v súvislosti s demonštráciou (je možné diskutovať aj o prípadných nesprávnych predpovediach – pozn. PH). Žiaci si výsledok zapíšu do Výsledkového hárku, ten im ostáva. 8. Ak je to vhodné, diskutujte so žiakmi o analogických fyzikálnych situáciách pri mierne odlišných podmienkach. (To znamená rôzne fyzikálne situácie založené na tých istých konceptoch, pojmoch). Tento postup sa opakuje pri každej krátkej interaktívnej demonštrácii, demonštrácie nadväzujú na seba. Podobne postupujeme aj v prípade, že experimenty uskutočňujú frontálne žiaci. Za hlavné zásady metódy považujeme neprezrádzať výsledky a nechať žiakov navzájom diskutovať. Pri diskusii majú žiaci možnosť rozvíjať svoje argumentačné schopnosti. Je pravdepodobné, že častejšie budú mať dobré argumenty práve žiaci so správnymi predstavami, a preto pri žiackej diskusii budú vedieť presvedčiť svojich spolužiakov, prípadne odhaliť chyby v ich argumentácii. Podmienkou možnosti využiť metódu 32

Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy z geometrickej optiky interaktívnych demonštrácií alebo interaktívnych experimentov je dobrá a v správnom čase položená otázka. V niekoľkých nasledujúcich častiach sú uvedené návrhy otázok, ktoré sa nám osvedčili s našimi žiakmi, gymnazistami. Priamočiare šírenie svetla, odraz svetla Dierková komora, camera obscura Dierková komora môže byť miestnosť so zatemnenými oknami a menšou dierkou smerom von. Oproti dierke na stenu alebo na tienidlo dopadá svetlo z vonkajšieho priestoru a zobrazuje sa na ňom „vonkajší svet“, budovy, stromy... Menšiu dierkovú komoru si môžeme urobiť aj zo škatule s dierkou a tienidlom (obr. 1).

Obr. 1. Dierková komora z papierovej škatule, pohľad je na stranu s tienidlom. Z druhej strany je dierka s priemerom približne 1 mm. Vnútro škatule je zafarbené čiernou matnou farbou. Ako predmet na zobrazenie sme využili LED lampu svietiacu v tvare trojuholníka. Jej výhodou je, že pokus môžeme realizovať aj v nie úplne zatemnenej miestnosti. Trojuholníkovú lampu umiestnime pred dierku komory (napríklad) jedným vrcholom nahor. V súlade s metódou interaktívnych demonštrácií môžeme žiakom zadať úlohu uhádnuť: „Ako bude orientovaný obraz predmetu, trojuholníka, vytvorený na tienidle?“ Pripomíname, že dierkovú komoru umiestnime pred svietiaci trojuholník (obr. 2) až po tom, čo prebehla medzi žiakmi diskusia o možných orientáciách obrazu.

33


Obr. 2. Pohľad na tienidlo dierkovej komory, pred komorou je umiestnená lampa s červenými LED diódami. Trojuholníková lampa má vrchol hore, obraz na tienidle je prevrátený. Pohybom lampy sa dá ukázať, že obraz je prevrátený aj stranovo. Kútový odrážač Kútový odrážač je tvorený troma rovinnými zrkadlami. Žiakov necháme, nech sa pozrú do odrážača. Iste si všimnú, že sa v ňom vidia, obraz je však prevrátený stranovo aj výškovo.

Obr. 3. Dva pohľady na kútový odrážač. Následne môžeme uskutočniť skupinový pokus. Rozdelíme žiakov do skupín, stačia tri skupiny. Každej skupine dáme svietidlo („baterku“) a rozmienstnime skupiny na rôzne miesta do priestoru pred odrážač, najlepšie jedna skupina sa postaví pred odrážač, druhá napravo a tretia naľavo ale tak, aby všetci videli na zrkadlá kútového odrážača. Jednu skupinu žiakov vyzveme, aby zasvietili do odrážača. Mali by vidieť, že svetlo sa po odraze vracia k nim. Iné skupiny žiakov, ktoré nesvietia by toto osvetlenie zo zrkadiel odrážača nemali vidieť. Následne vyzveme inú skupinu žiakov, aby zasvietila smerom do odrážača a situácia sa opakuje, svetlo sa z kútového odrážača odráža späť ku zdroju. Tento mechanizmus sa využíva v odrazkách na bicykloch, autách, na dopravných značkách.

34

Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy z geometrickej optiky Tieň stromu Na dielni sme predviedli aj pekný experiment, ktorý sme mali možnosť vidieť na konferencii Tvorivý učiteľ fyziky VII – Národný festival fyziky 2014. Pokus predvádzali K. Krišková a V. Timková (Krišková, Timková 2014) a zrejme pochádza od M. Čepic (Čepic, 2006). Podobnou problematikou sa zaoberali na konferencii Hands-on Science 2015 A. Kazachkov a M. Kíreš (Kazachkov, Kires 2015). My navrhujeme experiment zadať ako problémovú úlohu v súlade s metódou interaktívnych experimentov. Na rovinné zrkadlo položené na stole približne do stredu položíme predmet, ktorým môže byť napríklad stojaci stromček vystrihnutý z papiera. Za zrkadlo položíme kolmé tienidlo. K dispozícii budeme mať aj žiarovku – bodový zdroj svetla, ktorú umiestnime pred a nad zrkadlo (obr. 4).

Obr. 4. Na obrázku je vodorovne položené zrkadlo, na ňom stojaci papierový stromček, tienidlo a žiarovka. „Ako bude vyzerať obraz na tienidle, ak žiarovku rozsvietime?“ Otázka: „Ako bude vyzerať obraz na tienidle, ak žiarovku rozsvietime?“ Ak bude žiarovka umiestnená vo vhodnej výške a vo vhodnej vzdialenosti, na tienidle by sme mali uvidieť dvojitý tieň stromčeka (obr. 5).

35


Obr. 5. Výsledok experimentu, na tienidle je dvojitý tieň stromčeka, v zrkadle vidíme jeho ďalší obraz. Krasohľad Náš model krasohľadu bol vytvorený z troch podlhovastých zrkadielok obdĺžnikového tvaru, druhý krasohľad bol vytvorený zo zrkadielok v tvare lichobežníka (obr. 6, obr. 7).

Obr. 6. Dva modely krasohľadov.

36

Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy z geometrickej optiky

Obr. 7. Pohľad do krasohľadu. ORL zrkadlo Na dielni sme demonštrovali, akým spôsobom lekári používajú ORL zrkadlo. ORL zrkadlo je parabolické (guľové) zrkadlo s dierkou uprostred. Zdroj svetla svieti nad lekárom vo vhodnej vzdialenosti. Svetelné lúče sa po dopade na zrkadlo odrážajú a zbiehajú sa do miesta, ktoré chce lekár osvetliť, obyčajne do pacientovho ucha. Zároveň lekár dierkou v zrkadle pozoruje osvetlenú dutinu ucha. Aktivitu prezentoval J. Reichl na Konferencii Dílny Heuréky v r. 2005. (Reichl 2006) Reflektor auta Autá využívajú na svietenie dve polohy vlákien žiarovky. Prvé vlákno, určené pre diaľkové svetlá, sa nachádza v ohniskovej rovine parabolického zrkadla reflektoru. Ak je zapnuté, svetlo smeruje priamo dopredu, rovnobežne so zemou. Pri zapnutí druhého vlákna žiarovky, vlákna pre stretávacie svetlá svetlo smeruje nadol pred auto. Otázkou pre žiakov je, kam treba umiestniť druhé vlákno pre stretávacie svetlá. Funkciu reflektoru auta môžeme modelovať pomocou guľového zrkadla a žiarovky – bodového zdroja svetla. Pri modelovaní sme použili kolmo postavené zrkadlo s ohniskovou vzdialenosťou 25 cm. Umiestnime bodový zdroj – žiarovku do ohniska zrkadla. Svetlo zo zrkadla by malo smerovať pred zrkadlo, rovnobežne so zemou. Na tienidle alebo stene sa vytvorí svetlý kruh s rovnakým priemerom ako je priemer zrkadla. Otázka pre žiakov: „Kam treba premiestniť žiarovku, aby svetlo po odraze smerovalo nadol?“ Lom svetla Lom svetla, napríklad na rozhraní voda – vzduch vieme jednoducho demonštrovať napríklad zasvietením laserového svetla do akvária s jemne zamútenou vodou. Pomocou laserového ukazovátka vieme aj merať index lomu vody, pozri napríklad (Polák 2012). V ďalšej časti opisujeme možnosti merania indexu lomu polvalca pomocou špendlíkov a indexu lomu vody pomocou špajlí, teda bez využitia lasera. Meranie indexu lomu polvalca pomocou špendlíkov Na kartón – papier, do ktorého môžeme pichať špendlíky umiestnime papierový kruhový uhlomer alebo milimetrový papier. Naň umiestnime sklenený polvalec. Presne do stredu 37

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 polvalca zapichneme kolmo špendlík. Ďalší špendlík zapichneme na obvod polvalca, pozri obrázok 8. Tretí špendlík zapichneme tak, aby pri pohľade vodorovným smerom cez polvalec sa špendlíky pri pohľade cez sklo prekrývali (obr. 9, 10). Z odmeraných uhlov, alebo z odmeraných vzdialeností na milimetrovom papieri následne určíme index lomu skla. Meranie je vhodné opakovať pre ďalšie uhly.

Obr. 8. Na obrázku je na optickom kruhu, uhlomere, umiestnený sklenený polvalec. Jeden špendlík (červený) označuje stred rozhrania sklo – vzduch, ďalší (zelený) je na obvode a tretí (fialový) bol umiestnený tak, aby pri pohľade cez sklo sa špendlíky prekrývali.

Obr. 9. Ak sa pozriete správnym smerom, zistíte, že pri pohľade cez sklo sa nožičky špendlíkov prekrývajú.

38


Obr. 10. Pohľad na tie isté špendlíky, to isté rozloženie ako na obr. 9. Pozeráme sa však nie v priamke, na ktorej sa nožičky pri pohľade cez sklo prekrývajú, náš pohľad je viac zľava a preto vidíme nožičku zadného zeleného špendlíka úplne vľavo. Ak sa okom presunieme viac doprava, uvidíme prekrývanie sa nožičiek, ako na obr. 9. Meranie indexu lomu vody pomocou špajlí Postup je podobný, ako bol opísaný hore. Väčší (milimetrový) papier položíme na stôl a na jeho polovicu položíme akvárium s vodou. Ceruzkou označíme rozhranie akvárium – vzduch. Na každú z dvoch dlhších stien akvária prilepíme kolmo na zem špajľu a na papier naznačíme polohu špajle. Následne tretiu špajľu umiestnime kolmo na papier tak, aby sa všetky tri špajle pri pohľade cez akvárium prekrývali (obr. 11, 12, 13). Naznačíme polohu aj tejto tretej špajle na papier. Keď potom dáme akvárium preč, môžeme ceruzkou označiť spojnice polôh krajných špajlí so strednou, teda smer chodu svetelného lúča, ktorý by prechádzal všetkými tromi špajľami (obr. 14). Následne odmeriame uhol dopadu a lomu, alebo príslušné vzdialenosti pre výpočet indexu lomu vody. Samozrejme, je vhodné meranie opakovať pre rôzne uhly dopadu a lomu.

Obr. 11. Umiestnime tretiu špajľu kolmo na papier tak, aby pri pohľade z akvária boli všetky tri špajle v zákryte.

39


Obr. 12. Špajle sú pri pohľade cez akvárium v zákryte.

Obr. 13. Pohľad na tie isté špajle, to isté rozloženie ako na obr. 10. Náš pohľad je viac zľava a preto vidíme zadnú špajľu rozdelenú, horná časť je v strede medzi špajľami, spodnú vidíme úplne vľavo vzadu za vodou. Ak sa okom presunieme viac doprava, uvidíme prekrývajúce sa špajle, ako na obr. 12.

40


Obr. 14. Fixkou sme naznačili smer svetelného lúča, ako by išiel, od zadnej špajle cez rozhranie smerom k prednej špajli. Totálny odraz Demonštrácia javu totálny odraz na polvalci, meranie medzného uhla Uvedenú sériu aktivít sme v našich podmienkach realizovali pomocou komerčnej súpravy s polvalcom a čiarovým zdrojom svetla, ktorý elegantným spôsobom zobrazuje smer chodu svetelných lúčov, alebo svetelného lúča. Experimenty je možné uskutočňovať aj pomocou laserového ukazovadla, ktoré svieti vodorovne, ale smer chodu lúča je potrebné hľadať, napríklad pomocou špajle postavenej kolmo na stôl. Na obrázku 15 je plexisklový polvalec, do ktorého svietime laserovým svetlom, svetlo sa odráža na rozhraní plexisklo – vzduch. Laserový lúč na obrázku dopadá na rozhranie práve pod medzným uhlom.

41


Obr. 14. Laserové svetlo dopadá na rovné rozhranie plexisklo – vzduch. Na obrázku je demonštrácia totálneho odrazu pri medznom uhle. Porovnanie medzného uhla na rozhraniach plexisklo – vzduch a plexisklo – voda Nasleduje interaktívny žiacky experiment. Žiaci majú za úlohu porovnať medzné uhly na rozhraní plexisklo – voda s rozhraním plexisklo – vzduch. Úloha pre žiakov: „Porovnaj medzné uhly pre rozhranie sklo – voda a sklo – vzduch. Vyber správnu odpoveď: Medzný uhol pre rozhranie sklo – voda je menší – rovnaký – väčší, ako pre rozhranie sklo – vzduch.“ Po tom, ako žiaci prediskutujú svoje odpovede môžeme pristúpiť k realizácii experimentu. Plexisklový polvalec umiestnime do akvária, pod neho umiestnime uhlomer a odmeriame medzný uhol na rozhraní plexisklo – voda, obr. 16.

Obr. 16. Laserové svetlo dopadá na rovné rozhranie plexisklo – voda. Na obrázku je demonštrácia totálneho odrazu pri medznom uhle.

42


„Strácanie sa“ predmetov v akváriu Pre žiakov nie je úplne jednoduché vysvetliť, prečo nevidíme predmety umiestnené v skúmavke, ktorú ponoríme do vody, ak sa na skúmavku pozeráme šikmo zhora. Keď potom do skúmavky nalejeme vodu, predmety v nej sa objavia (obr. 17).

Obr. 17. Ak ponoríme skúmavku s telesami do vody, telesá nevidíme. Ak do skúmavky nalejeme vodu, telesá sa objavia. Pokus so začadenou lyžičkou Podobne, keď do akvária s vodou umiestnime začadenú lyžičku, táto zmení farbu na striebornú (obr. 18). Po jej vytiahnutí z vody však bude opäť čierna. Kľúč k vysvetleniu spočíva v tom, na začadenej časti, na čiastočkách sadzí ostáva tenká vzduchová vrstva.

Obr. 18. Ponáranie začadenej lyžičky do vody.

43

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Modelovanie fatamorgany Jav totálny odraz pekne vidno aj na modeli fatamorgány. Akvárium s vodou umiestnime na kraj stola, za akvárium postavíme drobné hračky, telesá na pozorovanie (obr. 19). Ich obraz môžeme vidieť, ak sa cez prednú stenu akvária zospodu pozrieme na hladinu vody (obr. 20).

Obr. 19. Za akvárium umiestnime hračky.

Obr. 20. Pri pohľade zospodu na hladinu vody môžeme vidieť obraz hračiek.

44

Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy z geometrickej optiky Pokusy s optickými vláknami Model laparoskopie V súčasnosti nie je problém zakúpiť optické vlákna, napríklad od firmy ktorá vyrába dekoračné lampy (LED Eco Banská Bystrica). My sme pri modelovaní laparoskopie použili optické vlákno s priemerom 3 mm bez obalu. Pomôcku môžeme zostrojiť zo škatule dlhej asi 25 cm (konvenčná vzdialenosť oka), my sme použili škatuľu od Granka. Vnútorné steny sme zafarbili matnou farbou a na jednu z dvoch najmenších stien sme umiestnili obrázok s nápisom. Na stene oproti obrázku sme urobili malý podlhovastý otvor pre oko vysoký asi 2 mm, široký asi 2 cm. V jeho blízkosti zhora sme na najväčšej zo stien ešte urobili malý otvor pre svetlo, priemer asi 3 mm (obr. 21, 22).

otvor pre svetlo otvor pre oči

nápis škatuľa, vo vnútri čierna

Obr. 21. Schéma škatule pre modelovanie laparoskopie.

Obr. 22. Pohľad na škatuľu pre modelovanie laparoskopie, spredu vidno podlhovastý otvor pre oko a hore kruhový pre svetlo alebo neskôr vlákno. Úlohou pre žiakov je zistiť, čo je na zadnej stene škatule. Pozerať sa smú otvorom pre oko a ak chcú, môžu si svietiť lampičkou cez horný otvor. Pokus je vhodné so žiakmi robiť za normálneho osvetlenia v miestnosti, nie v tmavej komore. Ak je škatuľa dobre pripravená, nemali by byť schopní takýmto spôsobom odhaliť, čo je v zadnej časti škatule. Následne necháme žiakov navrhovať, ako by si mohli posvietiť na zadnú stenu a nakoniec im poskytneme pomôcku – optické vlákno, ktorým môžu svetlo zvonka voviesť na požadované miesto (obr. 23). Podrobnejší návod na aktivitu je opísaný v článku autorky (Horváthová 2013). 45


Obr. 23. Pohľad na škatuľu pre modelovanie laparoskopie, do horného otvoru sme umiestnili optické vlákno. Následne do vlákna zhora zasvietime a svetlo si privedieme na zadnú stenu škatule. Modelovanie prenosu dát Ďalšia z možných aktivít je hra, pri ktorej si deti, žiaci, posielajú cez vlákno správy zakódované pomocou morzeovky. Stačí zakrývať a odkrývať jeden koniec vlákna. Ak jeden koniec vlákna zakryjeme napríklad prstom, druhý koniec vlákna bude tmavý. Ak jeden koniec vlákna bude odokrytý, bude druhý koniec vlákna svetlejší. Ak je rozdiel v intenzite svetla malý, môžeme si pomôcť svietiacou lampičkou namierenou do konca vlákna. Pri aktivite sme použili asi 2 metre dlhé vlákna s priemerom 1 mm s čiernym ochranným plášťom. Šošovky Úloha so zakrývaním šošovky Zo všetkých dobre známych pokusov so šošovkami vyberieme iba jeden, a uvedieme ho vo forme asi najznámejšieho konceptuálneho testu z geometrickej optiky. Na tienidle zobrazíme obraz sviečky vytvorenej pomocou spojnej šošovky (obr. 19). Otázka pre žiakov, bez toho, aby sme experiment v tejto fáze urobili znie: „Čo sa stane s obrazom sviečky, keď zakryjeme hornú polovicu šošovky?“

Obr. 19. Obraz sviečky znázornený na tienidle. 46


Obr. 20. Zakrývanie hornej polovice šošovky, čo sa stane s obrazom? Touto otázkou testujeme, či si žiaci uvedomujú, čo vlastne zobrazujeme, keď kreslíme obrázky s význačnými lúčmi. Ak odpovedajú, že sa stratí časť obrazu, majú chybnú predstavu o zobrazovaní. Mali by si uvedomiť, a treba to zdôrazniť, že geometrickými konštrukciami pomocou význačných lúčov zobrazujme vždy iba jeden bod. Pomôcť si to uvedomiť môže napríklad aj applet od W. Fendta (obr. 21, http://www.walterfendt.de/ph14e/imageconvlens.htm). V applete sa dá nastaviť, aby boli zobrazené aj nevýznačné lúče.

Obr. 21. Zobrazenie predmetu aj nevýznačnými lúčmi http://www.walter-fendt.de/ph14e/imageconvlens.htm Na overenie porozumenia nasleduje otázka: „Čo treba urobiť, aby na tienidle zmizla pravá strana obrazu sviečky?“

47

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Model oka Opis pomôcky Jednoducho a lacno si môžeme pripraviť vhodný predmet na zobrazovanie úpravou ručnej lampy (baterky). Pred žiarovku umiestnime krúžok mastného papiera a následne papierový krúžok s vyrezanou jednotkou (obr. 22).

Obr. 22. Pomôcky pre výrobu predmetu, jednotky. Model oka je vytvorený pomocou elektrikárskych líšt, nápad využiť lišty ako optické lavice pochádza od L. Dvořáka (Dvořák 2011). Na optickú lavicu umiestnime šošovku a tienidlo, tienidlo predstavuje sietnicu. Zaostrovanie okom Ak budeme predmet, upravenú ručnú lampu, umiestňovať do rôznych vzdialeností od oka, zaostrovanie modelujeme tak, že vymieňame šošovky oka. Vhodné je uvedomiť si aj nedostatok tohto modelu. K vzniku obrazu v reálnom oku neprispieva výhradne očná šošovka, ale celé oko aj s jeho ostatnými časťami, šošovka svojou akomodáciou iba jemne doostruje obraz.

Obr. 23. Model oka, oko zaostrilo na blízky predmet. Ak predmet, ručnú lampu vzdialime, zmeníme optickú mohutnosť výmenou šošovky. 48

Peter Horváth, Martina Horváthová: Pokusy z geometrickej optiky Krátkozrakosť a ďalekozrakosť Pomocou vhodnej kombinácie šošoviek vieme demonštrovať aj krátkozrakosť a ďalekozrakosť. Modelovať okuliare môžeme aj pomocou ďalšej šošovky, ktorú umiestnime pred model oka.

Obr. 24. Modelujeme ďalekozraké oko. Obraz je rozostrený a posunutím tienidla dozadu by sme mohli demonštrovať vznik obrazu za sietnicou.

Obr. 25. Korekcia ďalekozrakého oka. Namiesto okuliarov by sme mohli použiť aj vhodnú šošovku, ktorú by sme umiestnili pred model oka.

49

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Poďakovanie Náklady spojené s cestou a výrobou niektorých pomôcok boli hradené z grantu KEGA 130UK-4/2013. Šošovky na experimenty sme získali bezplatne z Meopty Přerov, vďaka patrí p. Zuzane Veselej.

Literatura Čepic, M. 2006. Does a virtual image cast a shadow? In: Physics Education, July 2006, vol. 41, no. 4. P. 295-297. ISSN 0031-9120 Dvořák, L. 2011. Co s čočkami – aneb optická lavice pro období finanční krize. In: Dílny Heuréky 2009-2010, Sborník konferencí projektu Heuréka. Praha : Prometheus, 2011. ISBN 978-80-7196-424-7, s. 145-161. Hanč, J., Ješková, Z. 2008. Metóda interaktívnych prednáškových demonštrácií, Metodický materiál [online], datum prístupu 11.11.2015. Dostupné na: http://physedu.science.upjs.sk/metody/files/dutko_ild_2008.pdf Horváthová, M. 2013. Námety na pokusy s optickými vláknami. In: Šoltésove dni 2012 a 2013, zborník príspevkov z odbornej konferencie. Ed. Velmovská, K., Horváth P. Bratislava : FMFI UK 2013, s. 40 – 49. Dostupné aj [online], datum prístupu 11.11.2015. Dostupné na: http://www.ddp.fmph.uniba.sk/soltesovedni/subory/Zbornik_SD_2013.pdf

Kazachkov, A., Kíreš. 2015. M. Light and Shadows of Hand-on Based Education (abstract). In: Hands-on Science, Brightening our future. Ed.: Costa, M. Dorrío, V. The hands-on Science Network, 2015, p. 218. Dostupné aj [online]. Dostupné na: http://www.hsci.info/BrighteningOurFuture_HSCIBook_July2015_.pdf Krišková, K., Timková, V. 2015. Aktívne žiacke bádanie ako prostriedok rozvoja kľúčových kompetencií. In: Tvorivý učiteľ fyziky VII, Národný festival fyziky 2014. Ed. Kíreš, M., Kroupa, D. Slovenská fyzikálna spoločnosť 2015. Polák Z. 2012. Měření indexu lomu, Ukázky a návody laboratorních prací. [online], dátum prístupu 11.11.2015. Dostupné na: fyzika.gymnachod.cz/lab/0514.doc Reichl J. 2006. Fyzika v lékařství. In: Dílny Heuréky 2005. Sborník konferencí projektu Heuréka. Ed.: L. Dvořák. Prometheus, Praha 2006. Sokoloff, D., Thornton, R. 2004: Inteactive Lecture Demonstrations, Active Learning in Introductory Physics. New York : John Wiley and Sons, 2004. ISBN 978-0-47148774-6, 374 s.

50

Rita Chalupníková: Kovy

Vlastnosti a obrábění kovů Rita Chalupníková Základní škola, Seč, okres Chrudim Abstrakt Účastníci dílny si nejprve vyzkouší vytepat náramek z měděného nebo mosazného prutu pomocí měditepeckých kladiv, kleští a babek. Potom roztopíme v keramické pícce oheň a budeme odlévat do připravených opukových forem přívěšek z cínu. Při tepání i odlévání budeme postupovat jednoduchým způsobem našich předků. Aktivity pravidelně provádíme s žáky na konci 6. ročníku. V praktické části si vyzkouší mechanické tvarování mědi a podobně jako naši předkové si vyrobí jednoduchý měděný šperk. Tepelný způsob zpracování kovů prožijí při tavbě cínu a jeho odlévání do vlastnoručně vyrobených opukových forem. Setkají se s nástroji na opracování i tavbu kovu a pomocí těchto dávných technik lépe porozumí, jak fungují dnešní vysoké pece, jak se odlévají kovové výrobky, co je to tvarování kovů, jaké jsou vlastnosti některých kovů, co jsou to slitiny atd. Praktické dovednosti i vynaložené úsilí pomohou žákům probudit zájem o řemeslnou dovednost druhých a úctu i obdiv k dobře odvedené práci.

Úvod Výuka nazvaná Vlastnosti a obrábění kovů je zaměřena na vlastnosti některých kovů a jejich zpracování. Tento program zařazujeme jako slučující element historie, techniky, fyziky a hlavně pracovních činností. Dalším důvodem realizace tohoto tématu je stále se zhoršující manuální zručnost žáků i neúcta k ručním (manuálním) pracím. Prostřednictvím praktických činností žáci důkladně poznají vlastnosti především mědi a cínu (barvu, vůni, přenos tepla, tvárnost i teplotu tání). Navíc si při výrobě šperků uvědomí cenu ruční práce. Téma vyučujeme projektovou metodou. Výuka je rozvržena na celý den, tj. na 6 vyučovacích hodin. Realizujeme ji s žáky v 6. ročníku (využíváme dny mezi květnovými svátky, vzhledem k použití pece venku doporučujeme teplé, nedeštivé počasí). Cílem projektového dne bylo především získání praktických zkušeností a dovedností metodou zážitkové pedagogiky. Žáci se měli seznámit (popř. zopakovat a ujasnit si) s kovovými materiály, jejich vlastnostmi, zpracováním a využitím. Dílčím cílem je i zopakovat jednotlivá období historie. Žáci by měli zdokonalit svou manuální zručnost, naučit se pracovat s některými pracovními nástroji, vyzkoušet si tvarování opuky, pozorovat tání a odlévání cínu, vyzkoušet si tvarování mědi. V projektovém dni jsou integrovány následující předměty: český jazyk (podstatná a přídavná jména, čtenářská gramotnost), dějepis (kamenná, železná a bronzová doba), svět práce (opracování kovů), fyzika (vlastnosti kovů), výtvarná výchova (návrh šperku), zeměpis (naleziště kovů) a anglický jazyk (názvy kovů a dalších materiálů v angličtině). Kromě všech tištěných materiálů je nutné mít k dispozici dílnu s nářadím (babky, měditepecká kladiva, šroubováky, větší hřebíky, pilníky), šátky na oči, keramickou pec, kovářské měchy, dřevěné uhlí, zápalky, silnější provázek, tyglík, opukové kameny,

51

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 měděné dráty a cínové pruty. Žákům jsme doporučovali donést si starší deku, na kterou si budou moci venku sednout. Začátek projektového dne Přestože žáci vědí, že se tento den koná projektová výuka, neznají její téma. V kruhu si se zavázanýma očima předávají několik předmětů (měděnou nádobu, mosazný hudební nástroj, zlatý prstýnek, železný hřebík, hliníkovou lžíci, cínového vojáčka a olověnou diabolku). Snaží se tyto předměty prozkoumat hmatem, ale mohou i čichem, popř. sluchem. Poté si každý žák samostatně zapíše předměty ve správném pořadí. Žáci přemýšlí, jakou vlastnost měly předměty společnou. Po chvilce určitě vysloví hypotézu, že se jednalo o kovy a učitel je seznámí s tématem projektového dne. Pomocí brainstormingu si žáci následně uvědomí vlastnosti a využití vybraných kovů.

Obr. 1. Vlastnosti vybraných kovů (brainstorming) Žáci si poté zopakují historické souvislosti spojené s využíváním kovu. Pomocí živých obrazů se pokusí ukázat na základní rysy historických období (doby kamenné, železné a bronzové). Další (maximálně desetiminutová) aktivita seznámí žáky s cizím slovem metalurgie a zároveň rozdělí žáky do skupin, ve kterých budou kreativně pracovat. Každý žák obdrží barevný lísteček (dvě barvy lístečků), na něm buď je, nebo není napsané písmeno (M, E, T, A, L, U, R, G, I, E). Nejprve se shromáždí na jednom místě žáci, kteří mají stejnou barvu lístečku. Následně z lístečků vyberou ty, které obsahují některé písmeno. Jejich úkolem je sestavit z písmen cizí slovo, které se nějakým způsobem týká kovů. Žáci si mohou vyžádat nápovědu (např. první, čtvrté a poslední písmeno slova). Pomocí Slovníku cizích slov mají po uhodnutí slova určit význam slova metalurgie.

52

Rita Chalupníková: Kovy Workshop Učitel seznámí žáky s následující prací. Pomocí plakátů vysvětlí postup práce a ukáže pracovní nástroje, se kterými budou žáci pracovat. Učitel žáky poučí je o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci s nástroji na opracování kovů, s nástroji na rytí do kamene a bezpečným pohybem poblíž keramické pece (u ohniště). Žáci poté stvrdí podpisem, že byli poučeni. Ideálně by workshop měl probíhat venku. Čas potřebný na následující práci je přibližně 120 minut. Žáci pracují ve dvou skupinách, do kterých je rozdělila aktivita Metalurgie. Jedna skupina pracuje na stanovišti s názvem Zpracování cínu, druhá Zpracování mědi. Poté (po necelé hodině) se obě skupiny vymění. Na konci se obě skupiny sejdou na stanovišti Tavba a odlévání cínu. Pokud je některý z žáků hotov rychleji, pracuje na pracovním listu (příloha č. 1). Žáci jsou předem informováni, že z jejich výrobků bude vytvořena výstava (může být anonymní). Opracování opuky 1. Žáci si vyberou kámen – (opuka, vápenec) a pozorují jeho formu, snaží se vysledovat, jak docházelo usazování jednotlivých vrstev. Ve směru usazování začnou pomocí vyrývání a rozrušování kamene vytvářet drážku asi do hloubky 0,5 cm po obvodu.

2. V místě drážky vede vyučující úder kladivem na kovový klínek nebo jiný pevný a ostrý nástroj tak, aby došlo k rozpůlení kamene.

3. Na rozpůleném kameni je třeba vybrat rovnou plošku, ve které za pomocí vyrývání budou žáci vytvářet formu pro odlitek.

53

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 4. Před vlastním vytvářením formy si žáci vezmou tužku a papíry a nakreslí si vlastní návrhy. 5. Dále pomocí stejné techniky vyrývání začnou žáci vytvářet formu hlubokou a širokou asi 3 mm s otvorem pro nalévání cínu. Hloubka vrypu by měla být na všech místech stejná, tloušťka vrypu bude určovat velikost odlitku.

Obr. 2. Rytí do opukových kamenů 6. Když mají žáci vytvořený otvor pro vlévání kovu a základní formu pro přívěšek, vyryjí ještě malý odtokový kanálek, aby vlévaný kov měl kudy vytlačit vzduch z připravené formy a roztavený kov se dostal do všech míst připravené formy

7. Před samotným odléváním přívěšku se obě půlky kamene spasují přesně dohromady a převážou provázkem co nejpevněji tak, aby při odlévání nedošlo k jejich oddělení.

54

Rita Chalupníková: Kovy Zpracování mědi 1. Na volné listy si žáci nejprve nakreslí návrh svého náramku.

2. Dle svého návrhu si žáci odskřípnou potřebné množství drátku, začistí si konec rašplí. Na kovové babce pomocí měditepeckého kladívka tvarují požadovaný tvar, případné spirály atd.

3. Vytepaný polotovar na dřevěném kopytu nebo kovové kovotepecké kouli ohýbáme a pokračujeme v tepání až do konečné podoby. V případě, že škola nemá tyto pomůcky, lze kovovou kouli nahradit i kovovou tyčí o průměru od 3–7 centimetrů.

4. Hotový výrobek si žáci ještě začistí brusným papírem na kov. Důraz je důležité dát především na zakončení náramků. Ohlazení musí být provedeno tak dobře, aby náramek neškrábal.

55


Obr. 3. Rozklepávání měděného drátu

Obr. 4. Tvorba náušnic

56

Rita Chalupníková: Kovy

Obr. 5. Tvorba náramku Tavba a odlévání cínu 1. V pícce roztopíme oheň a přikládáním dřevěného uhlí se pokusíme vytvořit co největší teplotu. Pomocí měchů vháníme do pícky vzduch, aby hoření bylo co nejintenzivnější.

Obr. 6. Keramická pícka a vhánění vzduchu pomocí měchů

57

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 2. Když mají uhlíky vysokou teplotu, naplníme nádobku na cín – tyglík a opatrně s pomocí kovářských kleští a ochranných rukavic vložíme tyglík do otvoru pícky. 3. Dál vháníme měchem vzduch do pícky tak dlouho, dokud se nezačne měnit pevné skupenství cínu v kapalné.

Obr. 7. Tavba cínu v tyglíku

4. Pokud je cín dostatečně roztavený, vezmeme si kovářské kleště a velmi opatrně začínáme cín odlévat do připravených forem.

Obr. 8. Odlévání šperku v opukové formě 58

Rita Chalupníková: Kovy 5. Po zchladnutí kovu můžou žáci kamenné formy rozdělat a vyndat svůj odlitek.

Obr. 9. Otevření opukové formy

Obr. 10. Otevření opukové formy

59

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 6. Dle časových možností si mohou ti první zabrousit přebytečný kov, tak, aby přívěšek získal potřebný tvar a hladkost. 7. Vzhledem k tomu, že poslední stanoviště je z hlediska bezpečnosti nejnáročnější, je důležité mít na stanovišti zajištěný dostatek vody pro hašení. Poznámky • Snažíme se pracovat co nejvíce venku (i přes případnou nepřízeň počasí). • Skupiny od sebe oddělujeme, tj. aby každý pracoval ve své skupině, na svém stanovišti.(Jednou se nám stalo, že se skupiny promíchaly a pak už je nebavilo jejich druhé stanoviště.) • Někteří žáci nejsou trpěliví. Přesto je nutíme pracovat pečlivě a trpělivě. Žáci dopředu vědí, že hotový výrobek musí odsouhlasit učitel. • Také slíbená výstavka výrobků nutí žáky pracovat co nejpečlivěji. • Každý žák dostane svůj kousek měděného drátu. Nenecháváme jim materiál volně přístupný. Snažíme se žáky vést k šetření materiálu a k zodpovědnosti za svěřené nářadí. • Při tavbě cínu jsou z důvodu bezpečnosti přítomni vždy dva učitelé. • Opukové kameny jsme získali v opravovaném stavení, kde bourali zeď. Zbytky měděných drátů nám shromažďuje a dodává místní elektrikář. Ostatní materiál (cín) kupujeme. Závěr a reflexe Žáci projdou „výstavou“ svých výrobků. V komunitním kruhu se pak mohou, ale nemusí přihlásit k jejich autorství. Nejprve však oceníme výrobky. Žáci jsou následně vyzváni k tomu, aby zhodnotili svoji práci, ale i projektový den jako celek. Závěr Všechny aktivity zde nejsou popsány. Více informací o kompletním projektovém dni naleznete na www.zs-sec.cz (evropské projekty). Literatura Informace k měditepectví [online]. [cit. 2013-03-01]. Dostupné z: http://www.armagedon.cz/stredoveka-remesla/kovar/ http://www.mamuti.cz/experimenty/tepani.aspx Informace k odlévání cínu [online]. [cit. 2013-03-01]. Dostupné z: http://www.armagedon.cz/stredoveka-remesla/kovolitec/ http://www.mamuti.cz/experimenty/kovoliti.aspx Materiál za použití výše uvedených zdrojů vytvořila Mgr. Rita Chalupníková, Mgr. Iva Korberová a Mgr. Monika Žďárová v rámci projektu TechSpo (CZ.1.07/1.1.28/01.0010), jehož realizátorem je ZŠ Seč.

60

Jakub Jermář, Pavel Böhm: To nejlepší z Inspiromatů

To nejlepší z Inspiromatů Jakub Jermář, Pavel Böhm KDF MFF UK v Praze & Edufor s. r. o. Abstrakt Pásmo experimentů se systémem Vernier sestavené z těch nejoblíbenějších, které jsme předváděli v několika minulých sériích Inspiromatů, tedy v představeních určených pro učitele fyziky, chemie a biologie. Co je to Inspiromat a jak jsme to na Dílnách Heuréky pojali tentokrát Přírodovědné Inspiromaty jsou zhruba 90minutová představení určená pro učitele fyziky, chemie a biologie/přírodopisu. Představení jsou pro všechny příchozí zdarma a jezdíme s nimi po různých městech v České republice již pátý rok. Letos jsme pro naši dílnu na Dílnách Heuréky vybrali z uplynulých Inspiromatů divácky nejúspěšnější experimenty s důrazem na využitelnost ve výuce fyziky. Pojďme se na jednotlivé experimenty podívat. Elektrická aktivita svalů (EMG) Senzor EKG lze využít nejen ke sledování srdeční činnosti, ale i ke sledování činnosti libovolného jiného svalu, jehož elektrické signály se nám podaří zachytit. Dobře to lze demonstrovat na svalech předloktí zodpovědných za sevření dlaně. Tento experiment je podrobně popsán na Fyzwebu [1], [2] a je k němu natočeno demonstrační video [3]. Ochrana před UV zářením Pomocí kapesního zdroje UV záření (lze koupit v ceně okolo 100 Kč „tužku“ s UV LED diodou k rozpoznávání padělaných bankovek) a senzoru UVA záření zjišťujeme, jak moc které materiály pohlcují UV záření. Zkoumáme rovněž, jak se změní propustnost průhledné folie, když ji jemně potřeme opalovacím krémem. K tomuto experimentu existuje článek na Fyzwebu [4] a demonstrační video [5]. Motivujeme-li experiment potřebou chránit se před UV zářením kvůli jeho vlivu na lidské zdraví, bylo by lépe zkoumat záření spíše v oblasti UVB, než UVA. Vernier nabízí oba typy senzorů (UVA-BTA i UVB-BTA), v praxi je však problém najít rozumný zdroj UVB záření. Dobrým zdrojem UVB záření pro experiment by bylo přímé sluneční světlo, na to se však kvůli nejistotě bezmračného počasí nedá při přípravě výuky spoléhat. Var vody za sníženého tlaku Jednoduchý experiment, kdy z uzavřené nádoby s horkou vodou odčerpáváme vzduch, čímž voda začne opět vřít, tentokrát však při teplotě znatelně nižší, než očekávaných 100 °C. Teplotu vroucí vody sledujeme bezdrátovým teploměrem Go!Wireless Temp. Experiment je nafilmován [6]. Modelování mechanického kmitání Kmitání závaží na pružině je v ideálním případě velmi jednoduchý děj, který lze snadno modelovat matematickou funkcí sinus. Pomocí měření a převodu naměřených dat do Excelu (nebo rovnou v programu Logger Pro) můžeme snadno ukázat, že funkce sinus 61

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 tento děj skutečně dosti přesně modeluje. Postup experimentu jsme podrobně a návodně popsali v článku na Fyzwebu [7]. Měříme hydrostatický tlak Hydrostatický tlak lze snadno měřit pomocí barometru, což je vlastně citlivý senzor tlaku. Barometr sám není vodotěsný a nesmí se tedy do něj dostat voda. Tlak pod vodní hladinou však snadno změříme tak, že k barometru připojíme gumovou hadičku a její druhý konec noříme do vody do příslušné hloubky. Postup experimentu jsme podrobně a návodně popsali v článku na Fyzwebu [8]. Spektra plynů Tento experiment jsme neukazovali „naživo“, ale využili jsme možnosti, které nabízí technologie Vernier DataShare – na KDF MFF UK běží počítač [9], který vysílá do internetu naměřené hodnoty emisních spekter různých plynů. Na libovolném počítači, tabletu či třeba mobilním telefonu s webovým prohlížečem tak můžete spektra zkoumat. U vysílaných spekter je také spektrum vzduchu (lze porovnávat se spektry N2 a O2) a spektrum zářivky (lze porovnávat se spektrem rtuťových par). Minerální látky ve vodě a jejich vliv na vodivost vody Elektrickou vodivost vody ovlivňují zejména látky v ní rozpuštěné. Ukázali jsme si, že destilovaná voda (obsahující minimum příměsí) vede elektrický proud velmi málo, voda z vodovodu vede proud násobně více a např. minerální voda s vysokým obsahem různých iontů vede proud opět znatelně více. Ukázali jsme také změnu vodivosti způsobenou přidáním několika zrníček soli (NaCl) do kádinky. Zajímavý jev také nastává při oslazení vody větším množstvím cukru (vyzkoušejte si ). K tomuto experimentu existuje článek na Fyzwebu [10] a demonstrační video [11].

Další experimenty Při jednotlivých dílnách jsme řadili i různé další experimenty v závislosti na poptávce a naladění účastníků té které dílny. Šlo například o možnosti měření průběhu chemických reakcí, vlivu frekvence vzorkování na měřené hodnoty u periodických jevů, fluorimetrická měření olivových olejů a další. Tyto experimenty zatím nemáme podrobněji zpracované, nicméně rádi se s případnými zájemci podělíme o dosavadní zkušenosti.

62

Jakub Jermář, Pavel Böhm: To nejlepší z Inspiromatů Odkazy a literatura [1] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=191 [2] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=208 [3] http://www.vernier.cz/video/elektricka-aktivita-svalu [4] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=218 [5] http://www.vernier.cz/video/ochrana-pred-uv-zarenim [6] http://www.vernier.cz/video/var-za-snizeneho-tlaku [7] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=222 [8] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=139 [9] http://fyzweb.cz/mereni/spektra [10] http://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=172 [11] http://www.vernier.cz/video/elektricky-proud-ve-vode

63


Hrátky s Arduinem Miroslav Jílek Gymnázium, Polička, nábřeží Svobody 306 Abstrakt Dílna je zaměřena na sestavení a naprogramování několika velmi jednoduchých experimentů s využitím mikrokontrolní desky Arduino, elektronických součástek a připojitelných senzorů. Ohled je brán také na to, jak by se daly podobné projekty využít při výuce fyziky, případně jiných předmětů. Součástí dílny je také prezentace počáteční verze vyvíjeného programu pro vizualizaci naměřených dat, díky němuž bude moci Arduino sloužit jako jednoduchý a levný školní měřicí systém. Úvodem Arduino je obvykle definováno jako fyzická open-source počítačová platforma založená na jednoduché mikrokontrolní desce a vývojářském prostředí pro zápis softwaru. Co si pod tímto obecným vyjádřením představit? Základem je mikrokontrolér (ATMega) usazený na desce s napájením, vstupními a výstupními konektory (piny) a ostatními komunikačními prvky. Existuje celá řada typů těchto desek podle velikosti, výkonu mikrokontroléru a osazené konektivity, a protože jde o open-source řešení, mohou si zkušení konstruktéři také navrhnout a sestavit vlastní desku dle svých potřeb. Ke každé takové desce je potom možné připojovat nepřeberné množství různých druhů vstupních a výstupních zařízení, jako jsou jednotlivé elektronické součástky, čidla rozličných fyzikálních veličin, serva a motory, displeje, zvuková a optická zařízení, paměti a bezdrátové komunikační prostředky a další hardware.

Obr. 1. Arduino UNO a vybraná příslušenství Spolu s vhodným programovým prostředím tak lze Arduino využít k tvorbě projektů od nejjednoduššího zkoumání funkce elektronických součástek a základních principů digitálních technologií přes rozmanité monitorující systémy, zabezpečovací zařízení a jiné prvky „inteligentní domácnosti“ k řízení jednoduchých robotických systémů, jako jsou 64

Miroslav Jílek: Hrátky s Arduinem například 3D tiskárny, nebo programovatelné obráběcí stroje. Díky široké komunitě „nadšenců“, kteří sdílí své náměty a hotové projekty na webových portálech, je možné snadno dohledat množství inspirativních příkladů pro vlastní tvorbu. Z hlediska školního prostředí představuje Arduino dobře dostupné, levné a většině nároků dostačující řešení, jak žáky velmi prakticky a konkrétně seznámit se základy digitálních technologií, měřicích a řídicích systémů, které dnes nalézají široké uplatnění v mnoha oborech lidské činnosti a v zařízeních, s nimiž přicházíme každodenně do styku. Více informací o Arduinu a souvisejících problémech včetně popisu úplných základů práce se systémem, zajímavých tutoriálů a ukázek konkrétních projektů je možné nalézt na českých webových stránkách [1], originálních stránkách [2] a samozřejmě na mnoha diskuzních fórech a specializovaných webech věnovaných open-hardware programování. Hardware – s čím začít Pro začátek práce s Arduinem je vhodná například základní univerzální deska Arduino UNO R3, kterou je možné kromě originálních výrobků pořídit za výhodnou cenu i jako plně funkční klon. Dále potřebujeme nějaké elektronické součástky nebo moduly, coby zdroje vstupních dat, a výstupní zařízení. Pokud nechceme shánět jednotlivé prvky systému samostatně, můžeme využít některou ze startovacích sad obsahujících vše potřebné. Pro školní využití jsou originální sady často zbytečně drahé a obsahují součásti, které při prvním seznámení se systémem a jednoduchých školních projektech nevyužijeme. Nákup levnějších neoriginálních výrobků (většinou ze zahraničí) pro vytvoření vlastní vhodné sady je zase komplikován obtížným sháněním daňových dokladů nutných pro možnost oficiálního proplacení zboží a zajištění záručních podmínek. Z těchto důvodů jsme se rozhodli sestavit jednoduchou, levnou výukovou a experimentální sadu představenou na dílně, kterou můžeme případným zájemcům nabídnout i k oficiálnímu prodeji s potřebnými doklady. Kontakty pro více podrobností k této nabídce je možné najít na webových stránkách elektronického časopisu e-Mole [3]. Následující popis sady může samozřejmě sloužit také jako inspirace pro všechny, kdo si chtějí podobnou sadu poshánět z jednotlivých součástí sami.

Obr. 2 a 3. Experimentální a výuková sada Arduino Základem sady je deska Arduino UNO R3 s USB kabelem pro připojení k počítači. Deska je uložena stejně jako nepájivé kontaktní pole v originálně navržené 3D tištěné krabičce, která slouží k ochraně desky a umožňuje její snadnou montáž k jiným zařízením – je kompatibilní s otevřenou konstrukční stavebnicí Bitbeam (volně dostupné soubory pro 3D tisk jednotlivých dílků) nebo se stavebnicí LEGO Technics. Dále sada obsahuje ultrazvukový senzor vzdálenosti, malé servo, piezoelektrický bzučák, RGB diodu, 65

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 5 ks červených, 2 ks zelených a 2 ks žlutých LED, potenciometr 5 kΩ, 15 ks rezistorů (150 Ω, 240 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ), 2 ks termistorů, fotorezistor, 5 ks spínacích tlačítek a propojovací vodiče. Drobné součástky jsou uloženy v malé krabičce, součástí je také tabulka pro rozpoznávání rezistorů podle barevných kódů. Základní sadu je samozřejmě v případě potřeby možné jednoduše doplňovat o další součásti. Do budoucna plánujeme navrhnout a v praxi vyzkoušet také sadu zaměřenou na robotiku nebo sadu využitelnou s vyvíjeným softwarovým prostředím jako jednoduchý školní měřicí systém. Vhodný software K naprogramování potřebných funkcí mikrokontroléru si lze vybrat z mnoha možností existujícího softwaru. Nejčastěji se zřejmě používá oficiální Arduino IDE (integrované vývojové prostředí), které je dostatečně univerzální a multiplatformní (více o programu se lze dočíst na webových stránkách [1]). Pro potřeby školního prostředí a prvotního přiblížení systému Arduino lidem bez programátorských zkušeností se přes některé nedostatky osvědčil nástroj Ardublock, což je grafické rozšíření k Arduino IDE, které umožňuje intuitivní objektové programování skládáním barevně rozlišených bloků s jednotlivými proměnnými, příkazy a funkcemi.

Obr. 3. Prostředí Arduino IDE s grafickým rozšířením Ardublock Ardublock při nahrání vytvořeného objektového programu generuje kód v Arduino IDE, který lze v případě potřeby dále upravovat. Začínající programátor se tak nenásilně seznámí se základní strukturou kódu, ke kterému může později přejít pro efektivnější a obecnější zápis programů. Návod na instalaci a použití rozšíření Ardublock je možné najít v článku [4]. Vhodné je zmínit ještě jeden velmi užitečný volně dostupný program – Fritzing [5]. Tento nástroj umožňuje kromě jiného jednoduché a intuitivní zakreslování návrhů zapojení mikrokontrolérových desek a připojených součástí v realistickém vzhledu. Pro výukové potřeby tak můžeme snadno vytvářet obrázky a schémata zapojení konkrétních projektů.

66

Miroslav Jílek: Hrátky s Arduinem

Obr. 4. Prostředí aplikace Fritzing Možnosti využití ve škole V příloze k tomuto příspěvku je uvedena prezentace nejjednodušších projektů s výše popsanou experimentální a výukovou sadou. Projekty slouží především k prvotnímu seznámení se s možnostmi zapojení a naprogramování jednotlivých prvků a hodí se tak i jako opora při výuce základů práce s Arduinem. Každý projekt obsahuje obrázek konkrétního zapojení desky a součástek a jednoduchý program sestavený v Ardublock s krátkými poznámkami a tipy k danému zapojení a jeho funkci. Program v Ardublock lze podle vzoru jednoduše vytvářet postupným přetahováním jednotlivých barevných bloků myší se stisknutým levým tlačítkem z menu v levém sloupci do hlavního okna a jejich „zacvakáváním“ do sebe. Nepotřebné objekty lze smazat jejich přetažením pryč z hlavního okna Ardublock. Některé funkce a příkazy (bloky) jsou nelogicky zařazeny v barevně jinak označených záložkách menu, takže je může být napoprvé obtížnější najít. Také přesné slovní označení jednotlivých objektů se může oproti vyobrazení mírně lišit v závislosti na jazykovém nastavení v Arduinu IDE (při přepnutí na češtinu zůstávají některé popisky anglické). Při kliknutí na vybraný blok pravým tlačítkem myši se objeví možnost kopírovat daný objekt a všechny další, které jsou „zacvaknuté“ pod ním, což je dobře využitelné při zadávání opakujících se struktur. Jednoduché projekty uvedené v příloze umožní žákům v první řadě získat zkušenosti v práci s různými elektronickými součástkami a přiblíží úplné základy digitálních technologií. Mohou tak být vhodným doplněním výuky témat souvisejících s funkcí elektrických obvodů a polovodičů. Konkrétně lze například nechat žáky po skupinkách zapojovat postupně jednotlivé základní experimenty a rozebrat společně jejich funkci. Každá skupinka si také může připravit a prodiskutovat jedno zapojení a to potom prezentovat ostatním. Náměty na další samostatnou činnost, uvedené v příloze, mohou být následně použity jako příklad úkolů, které mají žáci vymyslet a zrealizovat buď hned ve škole, nebo po předchozí domácí přípravě.

67

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Některé náměty lze podrobněji rozpracovat do podoby samostatné laboratorní práce. Může se jednat například o měření závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje (žárovky) s využitím fotorezistoru a dálkového senzoru, vytvoření funkčního teploměru nakalibrováním termistoru a jiné. Experimentální a výukovou sadu je možné využít také k demonstračním účelům, například pro jednoduché předvádění skládání barev pomocí RGB diody, ukázku principu funkce termostatu, porovnání analogového blikače (viz například námět V. Pazdery [6]) s digitálním ovládáním blikání dvou LED pomocí Arduina, porovnání analogového stmívání LED potenciometrem s digitálním ovládáním LED pomocí pulsní modulace (uvedeno v příloze) a mnoho dalšího. V rámci rozšiřujících seminářů se pak mohou žáci s danými technologiemi seznámit podrobněji formou samostatných komplexnějších projektů, případně lze pro zájemce zorganizovat kroužek robotiky, inspiraci lze nalézt například na stránkách [7]. Připravovanou možností je využití sady Arduino jako levného školního měřicího systému s vyvíjenou Aplikací SeriatToGraph, která by měla fungovat na různých platformách jak pro PC, tak pro mobilní zařízení. Možnosti demonstračního nebo laboratorního využití sady Arduino a připojitelných senzorů tak budou ještě širší. V době psaní tohoto příspěvku jsou testovány a upravovány základní funkce aplikace, po dokončení budou informace o aplikaci dostupné na webu [3]. Mnohé další možnosti využití systému Arduino a návody na práci s tímto systémem je možné nalézt na různých webech. Kromě zmíněných českých oficiálních stránek [1] věnovaných Arduinu jsou například velmi pěkně zpracovány výukové tutoriály včetně videolekcí v angličtině na sránkách [8]. Inspirativní jednoduché náměty pro začátečníky jsou popsány také v příručce [9]. Dostupné návody a tutoriály většinou popisují programování kódu přímo v Arduino IDE. V případě zájmu o bližší seznámení s možnostmi Arduina, robotiky, nebo příbuzných technologií je možné využít také některá z akreditovaných školení nabízených na stránkách [10]. Literatura [1] http://arduino.cz/ [cit. 30. 10. 2015]. [2] https://www.arduino.cc/ [cit. 30. 10. 2015]. [3] http://www.e-mole.cz/ [cit. 30. 10. 2015]. [4] http://arduino.cz/?s=Ardublock [cit. 30. 10. 2015]. [5] http://fritzing.org/home/ [cit. 30. 10. 2015]. [6] Pazdera V.: Blikač. Příspěvek v tomto sborníku. [7] http://policka.evangnet.cz/roboti [cit. 30. 10. 2015]. [8] http://www.toptechboy.com/arduino-lessons/ [cit. 30. 10. 2015]. [9] http://math.hws.edu/vaughn/cpsc/226/docs/askmanual.pdf [cit. 30. 10. 2015]. [10] http://www.interactivelearning.cz/vzdelavani [cit. 30. 10. 2015].

68

Alexander Kazachkov: Physics in the Stationery Department

Physics in the Stationery Department Alexander Kazachkov V.Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine Abstract Stationery like rulers, Scotch tape, glue and paperclips are irreplaceable in many of the hands-on Physics experiments, to say nothing of the paper and scissors. Proposed activities put more focus on those articles making them direct objects of studies or the key materials/instruments of the creative labwork or a demo. Among the presented topics are: Sakai paperclip tops, ‘magic’ glue containers, equilibrium of rulers, individual and stacked, paperclip chaining project, and other entertaining experiments, mostly followed by instructive calculations. Sakai paperclip tops This low-tech apparatus, a true masterpiece of hands-on physics, was designed by Prof. T.Sakai some 30 year ago [1, 2] and represents an excellent problem for the students learning calculus. The challenge is to bend out of a regular paperclip a partially circular top stable in rotation (Fig.1).

Fig. 1. Sakai top bent from the 50 mm flexible paperclip (left) is rotating stably (right) Obviously, the condition to be met when bending is to position the centre of mass of the top onto its axis. Calculation (requires integration) of the proper angle between the radial segments of the top produces a beautiful solution (Fig.2).

Fig. 2. Condition for the top’s centre of mass to be on its axis Another version of the paperclip top suggested in the students’ project [3] considers polygonal designs which make it possible for highschoolers to find the position of the toy’s centre of mass. In particular, it is easy to prove that a hexagon-based top (Fig.3) is also stable when rotated. 69


Fig. 3. Hexagon-based paperclip top viewed from above. Its centre of mass being in the centre O of a hexagon makes the top stable in rotation This nice problem also requires from the students to apply some of their knowledge of geometry. From the practical viewpoint, it should be advised to use paperclips made of the flexible wire, in which case durably rotating Sakai tops are easily produced without any instrument at all, a purely hands-on work indeed. For the better quality of the circular part of the top, the paperclip wire, after its unbending into a straight line, should be wrapped around a cylindrical mould (a piece of a tube or a rod). Stably rotating Sakai top generates an illusion of a levitating ring hovering above the desk, with a seemingly unattached axis inside it. Could be also recommended to estimate or measure by high-speed camera an angular velocity of the top’s rotation. It must be high indeed due to the small radius of the top’s wire: even the relatively slow motion of the fingers starting the top makes it rotate very fast. Linking paperclips Another creative activity with paperclips requires strong ones made of the rigid wire. Although any size goes when it comes to the students’ hands-on work on the topic, for the demonstrations Jumbo paperclips (78 mm) are preferable. The technique of linking paperclips into a chain without directly touching them is explained with entertaining illustrative schemes in Fig.4 by the students who were doing this activity as projects. The scope was to find diverse applications of the original linking technique [4]. Students’ creativity was rewarded by a variety of bright ideas and designs including team effort to produce a long multicolour paperclip loop by simultaneous pulling of the several (one for each participant, practiced up to 16) S-shaped strips of paper to which the earlier linked shorter segments of paperclip chains were attached. Students also cared about the higher productivity of chaining (details in Fig.4), and succeeded in linking sufficiently differently sized (like 20 mm vs. 78 mm) and variously shaped (‘trombone’ vs. ‘butterfly’) paperclips.

70


71


72


Fig. 4. Students’ explanations of the technique of linking paperclips without touching them directly and ideas of the development and applications of the method.

73

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Kinematics of the clips’ motion at linking could be studied more visually with the transparent (e.g. celluloid) films used instead of the folded paper strips or bills. To take differently coloured paperclips would be also helpful for these studies. An ultimate challenge of the project, successfully accomplished, was to unlink two attached paperclips by the relative technique, see [5] for detail. An imperfect equillibrium of glue containers Author was impressed by this amusing Physics trick nicely demonstrated at GIREP 2002 Conference by The Stray Cats Group of educators from Japan. A ‘magic wand’ object like a marker is balanced on the edge of a desk and then asked by the ‘Physics magician’ to fall down. After a while (and a series of hearty persuasions) a ‘wand’ finally does fall, to inevitably please the young students’ audience. Figures 5-7 explain the mechanism of the trick. Ordinary cylindrical glue containers, partly empty, are a simple and cheap solution (should be camouflaged for a trick presentation). Some overdue glues are so viscous that stay balanced on the edge for minutes, until the centre of mass of the slowly flowing liquid moves beyond the edge of a desk. Other viscous liquids, like mineral or organic oil, honey, etc., filling an emptied marker, also work perfectly for this Physics trick.

Fig. 5. ‘Imperfectly balancing magic wands’: containers filled with viscous liquids (left) are put vertically before demonstration, to let the liquid accumulate at the bottom.

Fig. 6. Adjusted horizontally on the edge of some block or a desk, containers lose their balance when the liquid flows towards an empty end.

Container with the more viscous liquid (blue capped) stays in equilibrium longer, Fig.6.

74


Fig. 7. Partially filled liquid glue containers are a cheap and convenient solution for this Physics trick. Once the ‘wand’ is closely watched by spectators, an extra observation could be suggested: one may notice that the falling body performs just enough revolutions to prove the ‘jelly down law of landing’ [6, 7]. Balancing rulers Unlike the liquid-filled glue containers and markers, positions of the centres of gravity of the measuring rulers do not change ‘by itself’ during the below presented hands-on activities. Yet stacking and moving of the rulers may produce a number of spectacular demonstrations and measuring experiments on equilibrium. A stack of shifted rulers A classic demonstration of the position and properties of the center of mass is connected with the building of a stable stack by displacing playing cards [8, pp. 32-33] or other mutually identical flat objects [9, 10]. The front card of the stack as a result extends far beyond the edge of the table.

Fig. 8. Stack of displaced rulers slightly leaning onto the class board.

75

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Wooden rulers available at the stationary departments of supermarkets are often thick up to 4 mm which allows building displacement stacks slightly reclining upon the classroom blackboard and thus perfectly visible by the students (Fig. 8). A variety of scenarios of displacement presented by the author at the Heureka workshop, soon to be published elsewhere, are available at request. Meeting point: centre of mass, or traction vs. friction Also widely known but rarely adequately explained experiment dealing with the centre of mass of a ruler is quintessentially hands-on. The ends of the horizontal ruler are initially resting on the fingers of two hands. When the fingers are moved towards each other, they inevitably meet right under the centre of mass of the ruler [11, p.91]. Problem with the students’ understanding of the mechanisms of the ruler’s behaviour are due to the necessity to observe exceedingly many objects moving simultaneously. But if one of the experimenter’s hands is fixed quiescent (e.g. kept by another person like in Figs. 9, 10), then different phases of motion become obvious.

Fig. 9. Searching for the ruler’s centre of gravity by sliding. 76


Part of the travelled distance the moving finger pushes the ruler while the rest of the way it slides behind the latter. The reason is in the redistribution of the ruler’s weight between the fingers and – equally important – in the sufficient difference between static traction and sliding friction coefficients, up to 1.5 times, as the students’ project [12] revealed. Juggling with rulers Students are generally aware of a somewhat paradoxical fact that the longer the object (e.g. a stick), the easier it is to keep it vertical on a palm of a finger without clutching, Fig.11.

Fig. 11. Juggling with the three linearly attached 50 cm rulers, fixed by Scotch tape. The length itself is not the major factor to matter for juggling: it is rather the distance from the resting point to the centre of mass of a stick, and the value of its moment of inertia (with respect to the resting point). Nevertheless, for homogeneous sticks, well represented by rulers, their length is just the parameter to determine the easiness of juggling. Shorter (homogeneous) rulers in the stack fall faster than longer ones, which is easily demonstrated with an unfolded-fan distribution of the rules during the fall, Fig.12. And it is harder to respond to the fast changes of the centre of mass position by adjusting the position of the resting point to be right under the centre.

Fig. 12. Shorter rulers in the stack with the fixed base fall faster. Qualitative analogy with the oscillation of physical pendulums is helpful for explanation. Both experiments and calculations testify: the longer the ruler, the bigger the period of its oscillations. An additional (or rather a direct) proof is provided by experiments with the inversed order of the rulers in the stack. If the longest ruler ‘leads the pack’, it slows the shorter ones, and

77

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 thus all the items in the stack fall simultaneously, see Fig.13 (there the lengths of the used rulers are 15, 20, 25, 30, 40, 50 cm, as shown in Fig.12, left).

Fig. 13. Falling of a stack of rulers: reversed order changes the scenario.

Contact information Alexander Kazachkov School of Physics V.Karazin Kharkiv National University 4 Svobody Sqr., Kharkiv 61022 Ukraine [email protected]

References [1] Sakai, T. Topics on tops which enable anyone to enjoy himself. Mathematical Sciences, No. 271, January 1986, pp. 18-26 (in Japanese). [2] Ucke, C. Professor Sakai's Paper-Clip Tops. Physics Education (India) v.19, No. 2, July-September 2002, pp. 97-100. [3] Kazachkov, A., Shablenko, V., Konkin, M. Polygonal Sakai tops. Modern problems of physics and their informational support. Proceedings of the students research conference. KhPI, Kharkov, 2015, p. 59-61 (in Russian). [4] Moje, S. Paper Clip Science. Sterling Publishing Co, New York, 1996. [5] Kazachkov, A. Creative Hands-On Activities with Water, Paper and Wire. Proceedings of the 10th International Conference on Hands-on Science. Costa MF, Dorrio BV, Kires M (Eds.); 2013, 1-5 July P.J.Safarik University, Kosice, Slovakia. 2013, pp.281284. [6] Ehrlich, R. Why Toast Lands Jelly-Side Down. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1997.

78

Alexander Kazachkov: Physics in the Stationery Department [7] Koupil, J., Dvořák, L.: Which side up? Falling bread revisited. In: Proceedings of GIREP 2006. AMSTEL Institute, University of Amsterdam, Amsterdam, 2008, p. 794799. [8] Walker, J. The Flying Circus of Physics. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2007. [9] Johnson, P.B. Leaning Tower of Lire. Am.J.Phys. 23(5), 1955, p.240. [10] Eisner, L. Leaning Tower of The Physical Reviews, Am.J.Phys. 27(2), 1959, p.121122. [11] Gardner, M.: Entertaining science experiments with everyday objects. Dover, New York, 1981. [12] Ignatova, O., Mezentsev, R., Kazachkov, A., Harel, G. Practicing DNR-based Instruction in Physics: Sliding a Stick towards Its Center of Gravity. Modern problems of physics and their informational support. Proceedings of the students research conference. KhPI, Kharkov, 2008, p.23-24.

79


Aktivity z nanotechnologií vhodné do výuky fyziky Lucie Kolářová, Tomáš Ingr Katedra experimentální fyziky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci Abstrakt Nanotechnologie jsou fenoménem dnešní doby. Poznatky z této oblasti vědy a výzkumu se již dnes využívají v mnohých výrobcích dostupných každému z nás. Nanotechnologie fascinují nejen vědce, ale také žáky od základních po střední školy. Dnešnímu učiteli fyziky a dalších přírodovědných předmětů tedy hrozí, že se zvídavý žák zeptá, jak to vlastně funguje. Na tyto zvídavé otázky by se měl učitel připravit. Tento příspěvek přináší některé základní poznatky, které lze díky různým vhodným aktivitám zařadit do běžné výuky fyziky. Jelikož jsou nanotechnologie interdisciplinárním oborem a fyzikální a chemické poznatky nelze od sebe oddělit, nabízí se zde příležitost k mezipředmětové spolupráci. Různé aplikace nanotechnologií jsou velmi zajímavé, oblíbené a žádané u žáků a učitelů. Než se však pustíme do jejich odhalování, je potřeba projít úvodem, do kterého řadíme nanohistorii a základní koncepty. Mezi základní koncepty patří vnímání velikosti objektů a poměr povrchové plochy k objemu materiálu. Když poznáme základy, lépe pak pochopíme jednotlivé aplikace. Stručná historie Historie nanotechnologií sahá až do dávné minulosti. Již některé starodávné artefakty obsahují různorodé nanomateriály. Mezi první nanotechnology tak můžeme zařadit dávné mistry a umělce, kteří ve své době netušili, že mimořádné vlastnosti, které jejich díla mají, jsou způsobeny přítomnosti různých nanočástic. Nanotechnologie před Feynmanem Ve starověkém Egyptě vyráběli pigment egyptskou modř, který obsahoval nanočástice křemičitanu měďnato-vápenatého. Z období Římské říše pocházejí známé Lykurgovy poháry, které jsou při osvětlení zvenku zelené a při osvětlení zevnitř červené. Tento jev je projevem přítomnosti nanokrystalků zlata a stříbra o rozměrech okolo 70 nm ve skle pohárů.

Obr. 1. Lykurgovy poháry Další nanočástice najdeme v barevných vitrážích v chrámech a kostelích. Kovové nanočástice interagují se slunečním světlem a v závislosti na jejich velikosti a tvaru 80

Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií vytvářejí odlišné barvy. Za zmínku stojí také rok 1861, ve kterém popsal britský chemik Thomas Graham koloidní roztoky, které obsahují částice o velikosti 1–500 nm. O sedmdesát let později sestrojil Ernst Ruska první elektronový mikroskop, který zobrazil strukturu vzorku pomocí prošlých elektronů. Rozvoj nanotechnologií po Feynmanově přednášce Koncem roku 1959 zazněla na zasedání Americké fyzikální společnosti na CALTECHu přednáška nositele Nobelovy ceny za fyziku Richarda Feynmana „Tam dole je spousta místa“. V této přednášce předpověděl, že jednou dokážeme rozmísťovat atomy podle našeho přání. V roce 1965 vyslovil spoluzakladatel firmy Intel Gorden Moore empirické pravidlo, které zní: „Počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod, se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí.“. Slovo nanotechnologie bylo poprvé použito v roce 1974, kdy Norio Tamaguči navrhl tento termín pro obráběcí technologie s tolerancí menší než 1 nanometr. Důležité je ještě zmínit rok 1981 a 1986, kdy Gerd Binnig a jeho tým sestrojili skenovací tunelový mikroskop a poté mikroskop atomárních sil. Oba typy mikroskopů umožňují pozorování a manipulaci až na úrovni jednotlivých atomů. Od této doby dochází k exponenciálnímu nárůstu objevů, patentů, publikací a praktického využití nanotechnologií ve všech oborech lidské činnosti. [1] Představa miliardy a miliardtiny Jak velký je jeden milión nebo jedna miliarda? Jak malá je jedna miliardtina? Žáci se ve škole i běžném životě setkávají s velmi velkými i malými čísly. Mají však žáci správnou představu o velikosti těchto čísel? Pokud si neumí představit velmi velká čísla, budou mít stejný problém i s velmi malými čísly a tedy i s představou, jak malý je jeden nanometr, což je klíčové pro výuku nanotechnologií. Do výuky můžeme zařadit aktivitu, která žákům s tou představu může pomoci. [2] Aktivita: Mějme listy kancelářského papíru, které budeme skládat na sebe. Jak vysoký by byl sloupec poskládaný z 1 000 000 000 listů papíru? Než se pustíte do počítání, odhadněte výsledek. Nápověda: 10 listů papíru má tloušťku 1 mm. Sloupec poskládaný z 1 000 000 000 listů papíru by byl vysoký 100 000 m = 100 km, což se rovná vzdáleností mezi městy Olomouc a Ostrava. Jeden list z tohoto sloupce reprezentuje jednu miliardtinu. Jednu miliardtinu označuje přepona nano-. Pochází z řeckého slova νανος [nános], což znamená trpaslík. Tato předpona je součástí slova nanotechnologie. Tyto moderní technologie lze definovat jako postupy vedoucí k vytváření funkčních materiálů, zařízení a systémů v nanoškále (tj. s velikostí v rozsahu 1–100 nm), které mají nové fyzikální, chemické a biologické vlastnosti. Nanotechnologie patří mezi interdisciplinární obor zahrnující fyziku, chemii, biologii, vědu o materiálech a různé inženýrské postupy. [4] Základní koncepty nanotechnologií Mezi klíčové pojmy pro výuku nanotechnologií řadíme: a) velikost objektů a škálování, a b) poměr povrchové plochy k objemu. Tyto pojmy jsou důležité pro další výuku a pochopení toho, co se děje v nanosvětě.

81

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Koncept velikosti – Pexeso velikostí Lidský vlas je široký okolo 80 000 nanometrů, červená krvinka má velikost kolem 1 000 nanometrů. Nejmenší objekty, které můžeme vidět pouhým okem, mají velikost přes 10 000 nanometrů (pylové zrnko). V prvních hodinách fyziky se žáci seznamují s fyzikálními veličinami a jejich jednotkami. Učí se převádět jednotky. V případě nanotechnologií se zaměřujeme hlavně na jednotky délky. Různé výzkumné studie ukazují, že správné vnímání velikosti má souvislost s věkem a zkušeností žáků. Objektům, se kterými se žáci setkávají v běžném životě nebo ve škole, dokážou přiřadit správnou velikost. Problém nastává u objektů, které jsou velmi malé a nejdou už vidět pouhým lidským okem, nebo jsou naopak obrovské. Zlepšit toto vnímání můžeme pomocí vhodných aktivit, které lze zařadit do výuky fyziky do učiva o fyzikálních veličinách a jednotkách. Mezi ty nejjednodušší a nejefektivnější patří pexeso velikosti a filmy, které využívají strategii „zoomování“. Aktivita: Mějme dvě sady kartiček. V jedné sadě jsou obrázky různých objektů a vzdáleností od nejmenších (molekula vody) až po největší (vzdálenost Země od Slunce). Druhá sada kartiček obsahuje velikosti od 10-10 m až po 1011 m. Úkolem je přiřadit správnou velikost k objektům a objekty seřadit od nejmenšího k největšímu. [3]

Obr. 2. Ukázka kartiček pexesa Správnost svého výsledku si můžete ověřit při sledování videa Powers of Ten – Ultimate Zoom, dostupného na https://www.youtube.com/watch?v=bhofN1xX6u0. Poměr povrchové plochy k objemu Vlastnosti nanostruktur jsou spojené také s jejich povrchem. Pokud rozdělíme materiál daného objemu až na části o velikosti několik nanometrů, bude narůstat jeho povrchová plocha. Atomy na povrchu nanomateriálu mají neúplné chemické vazby na rozdíl od atomů uvnitř a mají tak ve srovnání s nimi přebytek energie a jsou více chemicky reaktivní. [5] Aktivita: Pomocí dvou jednoduchých experimentů ověříme hypotézu: Pokud materiál o daném objemu rozdělíme na menší částice, zvětší se jeho povrchová plocha a zvýší se reaktivita. Experiment 1: Tímto experimentem ověříme první část hypotézy, tj. zmenšením velikosti částic daného objemu se zvětší jejich povrchová plocha. Mějme ovoce a zeleninu stejné hmotnosti. Jelikož se toto ovoce a zelenina skládají hlavně z vody, lze předpokládat, že mají velmi podobnou hustotu a tedy i objem. Změřte průměr plodů a zjistěte jejich počet. Vypočtěte celkový povrch zmenšujících se plodů daného objemu za předpokladu, že mají tvar koule. Výpočtem zjistíme, že se opravdu bude povrchová plocha zvětšovat a to dokonce exponenciálně. První část hypotézy je tedy potvrzena. 82

Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií Pomůcky: posuvné měřítko; kalkulačka; 0,3 kg grapefruitu; 0,3 kg pomerančů; 0,3 kg limetek; 0,3 kg cherry rajčátek.

průměr, počet povrch celkový povrch

Tab. 1. Výpočet zvětšující se povrchové plochy Experiment 2: Tímto experimentem ověříme druhou část hypotézy, tj. zvětšením povrchové plochy se zvýší reaktivita materiálu. Mějme dvě šumivé tablety v nádobkách. Jednu rozdrtíme na jemný prášek a druhou necháme v celku. Obě zalejeme stejným množstvím vody a pozorujeme reakci v obou nádobkách. Při pozorování nádobek s vodou a šumivými tabletami opravdu vidíme, že reakce v nádobě s rozdrobenou tabletou je rychlejší a bouřlivější. I druhá část hypotézy je ověřena. Pomůcky: dvě šumivé tablety, dvě kádinky se stejným množstvím vody (max. 40 ml), dvě nádobky.

Obr. 3. Reaktivita celé a rozdrcené šumivé tablety Žákům lze ukázat zvýšenou reaktivitu také na hoření ocelové vlny, kterou lze zapálit na rozdíl od masivního kusu oceli. Ocelová brusná vlna je dostupná v různých hobby market a lze jednoduše zapálit i přiložením kontaktů devítivoltové baterie. [1] Nanomateriály Za nanomateriál považujeme materiál, jehož alespoň jeden rozměr dosahuje velikosti v rozmezí 1–100 nm (nanoškály). Podle počtu rozměrů, které jsou menší než 100 nm, můžeme dělit objekty do tří skupin. 2D nanostruktury mají jeden rozměr pod 100 nm a další dva rozměry větší. Do této skupiny patří tenké vrstvy, povlaky, grafen atd. 1D nanostruktury mají dva rozměry pod 100 nm a jeden rozměr větší. Sem můžeme zařadit kvantové dráty, nanodráty a nanotrubičky. 0D nanostruktury mají všechny tři rozměry pod 100 nm a typickými představiteli jsou kvantové tečky a nanočástice. Co je na materiálech v nanosvětě tak výjimečného? Nanomateriály mají nové, často neočekávané vlastnosti, které nejsou pozorovány v makrosvětě – některé lépe vedou elektrický proud nebo teplo, jiné jsou pevnější, mají odlišné magnetické vlastnosti, lépe odrážejí světlo nebo mění barvu. [4] 83

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Nanočástice Nanočástice patří mezi nanoobjekty, které mají všechny tři rozměry v nanoškále. Jednou ze specifických vlastností nanočástic je poměr počtu atomů na jejich povrchu a uvnitř. Se zmenšováním částice roste procentuální zastoupení atomů na jejím povrchu vzhledem k celkovému počtu atomů tvořících tuto částici. [6] Aktivita: Mějme dva modely větší a menší nanočástice. Zjistěte počet vnitřních a vnějších atomů a vypočítejte procentuální zastoupení povrchových atomů. Která z nanočástic má větší zastoupení atomů na povrchu?

Obr. 4. Model nanočástice z bambulek na kreativní tvoření větší nanočástice

menší nanočástice

celkový počet atomů

55

13

povrchové atomy

42

12

vnitřní atomy

13

1

procentuální zastoupení povrchových atomů

76 %

92 %

Tab. 2. Ukázka tabulky pro výpočet procentuálního zastoupení povrchových atomů na nanočástici Místo modelů nanočástic můžeme použít také aplikaci Nanoparticle Builder, která je dostupná na http://www.mcrel.org/nanoleap/nano_final.swf. V této aplikaci si žáci sami sestaví tři částice různé velikosti a následně se jim objeví i požadované výpočty. Tuto aplikaci může učitel využít pro tvorbu svých vlastních modelů. Nanočástice železa Žáci se dnes můžou setkat s nanočásticemi železa ve formě magnetické kapaliny ferrofluidu v science centrech iQLANDIA v Liberci nebo Svět techniky v Ostravě. Ferrofluid je suspenze nanočástic oxidů železa (magnetitu), povrchově aktivních látek a nosné kapaliny. Tato kapalina byla původně v šedesátých letech minulého století vyvinuta v NASA jako kapalina, která se dá ovládat magnetickým polem. Při aplikaci silného magnetu na ferrofluid se částice uspořádají ve směru vnějšího magnetického pole a vytvoří strukturu připomínající ježečka. Bodliny mají směr magnetických indukčních čar aplikovaného magnetického pole. Magnetické pole mění fyzikální vlastnosti tohoto materiálu. S rostoucí intenzitou magnetického pole se například zvyšuje viskozita ferrofluidu. Ferrofluidy se používají k chlazení cívek některých reproduktorů, k mazání a těsnění ložisek hřídelí. Nacházejí se i v inkoustu, který se používá na tisk dolarových bankovek. [2] 84

Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií

Obr. 5. Aplikace magnetického pole na ferrofluid Aktivita 1: Mějme obrázek krtečka, který je vytvořený razítkem namočeným ve ferrofluidu. S využitím magnetu prozkoumejte obrázek krtka. Jak se papír s obrázkem chová v blízkosti magnetu? Díky ferrofluidu, který obsahuje nanočástice železa, je obrázek přitahován k magnetu.

Obr. 6. Pomůcky k aktivitě 1 Aktivita 2: Prozkoumejte tubu s železnými pilinami a ferrofluid v Petriho misce. Magnet se nesmí dostat do přímého kontaktu s ferrofluidem, umístíme ho jen pod misku! Dejte magnet do blízkosti tuby s železnými pilinami a pohybujte s ním. Jak piliny reagují? Odejměte magnet od tuby a položte kompas vedle pilin? Jak reaguje kompas? Zatřepejte s tubou a opět přiložte kompas. Co dělá kompas teď? Vyzkoušejte to samé s ferrofluidem v Petriho misce. Mají železné piliny a ferrofluid stejný účinek na střelku kompasu? [7] V této aktivitě žáci vidí rozdílné chování železných pilin a ferrofluidu. Po přiblížení magnetu se železné piliny zmagnetují a vytvoří „ježečka“, který se pohybuje spolu s magnetem. Po odstranění magnetu a přiložení tuby ke kompasu se střelka otáčí za pilinami se zbytkovou magnetizací. Po zatřepání tubou již střelka na piliny nereaguje. Když přiložíme magnet k misce s ferrofluidem, reagují nanočástice železa na magnet a jako u pilin se vytvoří „ježeček“. Po odstranění magnetu a přiložení kompasu střelka nijak na ferrofluid nereaguje, magnetizace okamžitě mizí. Na rozdíl od ferrofluidu můžeme u železných pilin pozorovat zbytkovou magnetizaci. Ferrofluid i železné piliny jsou vyrobeny z přesně stejného ferromagnetického materiálu – magnetitu (Fe3O4). Rozdíl je ve velikosti částic, která ovlivňuje magnetické chování. Ferrofluid obsahuje nanočástice magnetitu o velikosti okolo 10 nanometrů. Nanočástice magnetitu se za standardních podmínek chovají superparamagneticky, tj. svým chováním nám připomínají látky paramagnetické. V případě aplikace vnějšího magnetického pole se nanočástice dočasně zmagnetizují a zorientují se do směru vnějšího magnetického pole. Po odstranění magnetu částice magnetickou orientaci ztrácejí.

85

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Některé aplikace nanočástic železa Nanočástice železa nejsou nebezpečné pro lidské zdraví ani životní prostředí, proto se zkoumá jejich využití v medicíně a v environmentálních aplikacích. Jednou z aplikací je čištění podzemních vod, které se provádí metodou in-situ (na místě). Ta je založena na vpravení nanočástic železa do malých vrtů přímo ve znečištěné oblasti. Nanočástice se díky své malé velikosti dopraví podzemní vodou z místa vrtu až do kontaminovaného místa, kde reagují se znečišťujícími látkami. Při oxidačně-redukční reakci nanočástic železa se znečištěním dochází ke snížení pohyblivosti a toxicity škodlivých látek nebo jejich přeměně na netoxické oxidy železa, které se běžně nacházejí v přírodě. Ty zůstávají uložené v dané lokalitě a nejsou pro lidské zdraví a životní prostředí nebezpečné. V případě potřeby lze využít magnetických vlastností nanočástic a spolu s nečistotami je separovat pomocí vnějšího magnetického pole. Pilotní testy probíhají v různých oblastech celé České republiky. [8] Aktivita: Princip čištění vody můžeme žákům ukázat pomocí videopokusu, který je dostupný na stránkách Pokusy z fyziky KEF UP. [10] Další aplikace nanočástic se nacházejí v medicíně, kde lze tyto nanočástice použít k cílené dopravě léčiv, jelikož lze s nimi manipulovat pomocí vnějšího magnetického pole. Magnetické nanočástice jsou obaleny biokompatibilní látkou, která chrání jádro před kontaktem s prostředím a umožňuje navázání dalších sloučenin na jejich povrch. Touto sloučeninou může být například léčivo na nádory. Komplex je injekcí vpraven do krevního řečiště a pomocí vnějšího magnetického pole je doručen do cílené oblasti nádoru. Tam se léčivo uvolní z nanočástice a je odebráno nádorovou buňkou. Slitiny s tvarovou pamětí – Nitinol Většinu kovů je těžké zdeformovat a je zapotřebí značné úsilí. Když jsou jednou vytvarovány do určitého tvaru, zůstanou v něm, dokud to jiná síla nezmění. Slitiny s tvarovou pamětí jsou jiné. Mohou být „naprogramovány“ tak, aby si pamatovaly určitý tvar. Drát s tvarovou pamětí má dvě rozdílné krystalické struktury v nanoškále a může mezi nimi „přepínat“. To je zapříčiněno tím, že se slitina snaží udržet v energeticky nejvýhodnějším stavu, a proto se vždy přeorientuje do krystalické mřížky, která je za daných podmínek energeticky nejúspornější. Krystalická struktura, kterou látka zaujímá za nižších teplot, se nazývá martenzit. Struktura, která vznikne zvýšením teploty, se nazývá austenit. Austenit mívá strukturu vysoce symetrické kubické mřížky, martenzit má symetrii nižší. Když drát vytvarujeme za vyšší teploty, bude si tento tvar pamatovat. Když se drát ochladí, jeho krystalická struktura přejde do druhé fáze, martenzitu. Pokud drát zdeformujme, lehké zahřátí vrátí drátu jeho původní tvar. [7]

Obr. 7. Krystalické struktury Nitinolu Zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium 86

Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií Aktivita: Mějme dva drátky z různých materiálů. Jeden z Nitinolu a druhý z jiného známého materiálu, například mědi. Oba drátky zdeformujte a poté vložíte do horké vody. Pozorujte a porovnejte chování obou drátků. Nitinol se vrátí do původního stavu před deformací.

Obr. 8. Zkoumání Nitinolu Inspirace z přírody – lotosový efekt Napodobováním různých přírodních materiálů a struktur se zabývá vědní obor, který vznikl v 80. letech minulého stolení, biomimetika. V současné době nachází uplatnění i v nanotechnologiích. Dnes je již vyvinuto velké množství nanomateriálů inspirovaných přírodou, například různé povrchy vyznačující se superhydrofobicitou a schopností samočištění inspirované strukturou lotosového listu. [4] Proces samouspořádání Všechny přírodní nanomateriály vznikly procesem samouspořádání (self-assembly). Tento proces patří mezi bottom-up (zdola nahoru) postupy přípravy materiálu, kdy se spojováním menších stavebních bloků vytvářejí větší celky. Tento postup si můžeme představit jako stavění domečku z kostiček Lego®. Stavebními bloky v nanoškále jsou atomy, molekuly a jiné nanostruktury a objekty. Ve vhodném prostředí se stavební bloky spontánně shlukují do stabilních uspořádání. Volná energie konečného stavu systému musí být menší než stavu počátečního. [5] Aktivita: Do misky s vodou umístíme několik kostiček lega. Po chvilce se začnou kostičky samy shlukovat – uspořádávat.

Obr. 9. Model procesu samouspořádání Lotosový efekt Lotos je vodní rostlina podobná leknínu, která pochází z Asie. Lotosový list má výjimečnou charakteristiku, protože zcela odpuzuje vodu. Tato vlastnost se nazývá superhydrofobicita. Důsledkem toho se vodní kapky skutálí z povrchu listu a odnesou sebou všechny nečistoty, které uvízly na listu. Tento efekt zanechává listy lotosu čisté a odolné proti špíně. V Asii je lotosový list považovaný za symbol čistoty. Stejný efekt můžeme pozorovat i u jiných listů rostlin jako jsou řeřicha a kapusta. 87


Obr. 10. Lotosový efekt na listu kapusty Povrchové vlastnosti lotosového listu byly poprvé zkoumány Wilhelmem Bartholottem, který v roce 1997 publikoval článek, ve kterém byl popsán lotosový efekt odpovědný za samočistící vlastnosti lotosového listu. List má na sobě mikrostrukturu hrbolků, které jsou na svém povrchu pokryty krystalky vosku. Kapky dopadající na list lotosu se přes strukturu hrbolků s krystalky vosku nedostanou přímo k povrchu listu a tím mají jen minimální kontaktní plochu s povrchem listu. Lotosový list má vysokou hydrofobicitu s kontaktním úhlem 170°. [9]

Obr. 11. Kontaktní úhly pro různé povrchy (první povrch je hydrofobní) Aktivita: Naneste vodu kapátkem na různé povrchy (list kapusty, skleněné sklíčko, hračka Aqua sand - magický písek, plast, textilie s nanoimpregnací) a podle tvaru kapky na povrchu rozhodněte, zda jde o lotosový efekt. Hračka Aqua sand nebo také Magic sand (magický písek) je povrchově upravený písek, který není nikdy mokrý. Jde s ním vytvářet různé tvary pod vodou a po vylovení je opět suchý. Lze jej koupit v několika internetových obchodech, které prodávají hračky. Závěrem Tento příspěvek představuje jen několik málo aktivit, které mohou učitelé přímo zařadit do výuky fyziky a „oživit“ tak své hodiny a představit žákům aktuální témata, kterými se zabývá dnešní věda. Aktuální přírodovědné poznatky mohou žáky zaujmout a motivovat k dalšímu studiu fyziky, chemie nebo biologie. Jelikož jsou nanotechnologie interdisciplinárním oborem a fyzikální a chemické poznatky nelze od sebe oddělit, nabízí se zde příležitost k mezipředmětové spolupráci učitelů přírodovědných předmětů. Literatura [1] Tkáčová, Z., Lavický, T., Základy nanovědy a nanotechnológií pre učitelov, Metodicko-pedagogické centrum v Bratislave 2014. ISBN 978-80-8052-761-7 [2] Jones M.G., Falvo M. R., Taylor A.R. and Broadwell B. P.: Nanoscale Science: Activities for grades 6 – 12, NSTApress 2007, ISBN 978-1-93353-105-2

88

Lucie Kolářová, Tomáš Ingr: Aktivity z nanotechnologií [3] How Big Is It?, Center for probing nanoscale, Standford University, dostupné na: http://teachers.stanford.edu/activities/HowBigIsIt/HowBigIsIt-ActivityGuide.pdf [4] Kolářová, L., Úvod do nanovědy a nanotechnologií, 1. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2014. ISBN 978-80-244-4179-5, dostupné na http://mofychem.upol.cz/KA4/Nanotechnologie.pdf [5] Stevens S. Y., Sutherland L. M., Krajcik J. S., The big ideas of nanoscale science & engineering: a guidebook for secondary teachers, NSTApress 2009. ISBN 978-1935155-07-2 [6] Baláž, P., Baláž, M., Turianicová, E.: Chémia materiálov, VEDA Vydavateľstvo SAV Bratislava, 2014 [7] http://www.timefornano.eu [8] http://www.nanoiron.cz [9] Filipponi L., Sutherland D., Nanotechnologies: Principles, Applications, Implications and Hands-On Activities. A compendium for educators, European Union, 2012, ISBN 978-92-79-21437-0 [10] http://pokusy.upol.cz/videopokusy/

89


Algodoo Radim Kusák Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze Abstrakt V rámci příspěvku se podíváme na základní ovládání Algodoo a poté si ukážeme jednoduché simulace z mechaniky a optiky. Podíváme se např. jak si zobrazit působící síly na těleso, grafy polohy, rychlosti a zrychlení, nebo na chod paprsků spojkou a rozptylkou. Co je to Algodoo Algodoo (dříve známé pod názvem PHUN) je jedno ze simulačních prostředí (viz obr. 1), které se dají využít ve výuce fyziky. Algodoo se nejlépe hodí na mechaniku a optiku, našly by se ale i další zajímavé aplikace – např. astrofyzice. Pro jednoduchou představu, co Algodoo dokáže, doporučuji zhlédnout motivační video [1]. Pokud chce učitel s Algodoo začít, je dobré se podívat na Tutorialy, které jsou přímo součástí programu.

Obr. 1. Simulační prostředí Algodoo s úvodní obrazovkou popisující ovládání tohoto programu/aplikace Algodoo je pro výuku zdarma a je dostupné pro operační systémy Windows, MacOS a iOS. V rámci jazykové podpory je i čeština, ale ne všechny termíny jsou zatím přeloženy správně. Proto také v rámci příspěvku jsou použity anglické výrazy k ovládání Algodoo. Pro výuku je velmi zajímavá část s názvem „Lessons“, ve které je možné nalézt náměty na konkrétní příklady do výuky podle fyzikálních témat a věku dětí (viz obr. 2). Pro přístup k „Lessons“ je potřeba připojení k internetu, k samotným souborům Algodoo už pak nikoliv.

90

Radim Kusák: Algodoo

Obr. 2. Ukázka z části Lessons – princip periskopu. Pro lekci je možné nalézt krátký popis v angličtině a hotové ukázky ke stažení. Základní ovládání Simulace reálného prostředí Při zkoumání fyzikálních dějů je potřeba myslet na to, že v reálném prostředí působí třecí a odporové síly. Stejně tak je tomu i ve výchozím nastavení Algodoo. Důležité je si uvědomit, že pokud by tyto síly, které běžně při výpočtech zanedbáváme, nebyly, choval by se (i simulovaný) svět velmi podivně. Velikost součinitele smykového tření se nastavuje v nastavení daného objektu, velikost odporové síly se nastavuje ve vlastnostech prostředí v dolní liště (viz obr. 3)

Obr. 3. Součinitel smykového tření a odpor vzduchu. Na obrázku vlevo je vidět nastavení součinitele smykového tření na hodnotu 0. Vpravo je vidět zapnutý odpor prostředí a jeho hodnoty. Pokud má ikona v rámečku šedou barvu, je zapnutý odpor prostředí. 91

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Fyzikální veličiny V rámci prostředí je možné pracovat s řadou fyzikálních veličin. Je potřeba žákům zmínit, že vektorové veličiny mohou mít ve svých složkách záporné hodnoty. Specifikum prostředí je plošná hustota, jelikož simulační prostředí je dvourozměrné. Základní ovládání objektů Pro práci v prostředí Algodoo se hodí znát alespoň základní ovládání. Ukážeme si proto pár praktických nástrojů. Než začneme se samotnou prací, zobrazíme si nejprve mřížku (viz obr. 4). Ta má výhodu, že při tvorbě objektů funguje automaticky „přichytit k mřížce“. Tato funkce se běžně používá v grafických programech pro snadnější práci s objekty.

Obr 4. Simulační prostředí Algodoo se zapnutou mřížkou. Mřížku zapneme v dolním menu. Pro práci s objekty slouží hlavně nabídka v levém dolním rohu, jejíž ikony jsou barevně odlišeny. Žluté ikony slouží hlavně pro úpravu objektů, modré k jejich tvorbě a zelené jsou interaktivní součástky – např. tryskový motor, laser, nebo pružina. V pravém horním rohu měníme (fyzikální) vlastnosti objektů a jejich vzhled. Obdobně je možné měnit vlastnosti objektu klepnutím pravým tlačítkem myši. Ovládání simulace Pro spuštění simulace slouží zelené tlačítko v dolní části obrazovky. Pokud myší na toto tlačítko pouze najedeme, můžeme nastavit i rychlost simulace – tato možnost se hodí pro příliš rychlé, nebo pomalé děje. Pokud chceme pohyb v danou chvíli zastavit, stačí jen kliknout na tlačítko „pauza“, které se zobrazí místo tlačítka play. K vrácení simulace na začátek slouží šipka zpět (opět v dolní nabídce). 92

Radim Kusák: Algodoo Algodoo v mechanice Nejsilnější stránkou Algodoo je simulace dějů z mechaniky. Podívejme se nyní na pár ukázek. Odporové a třecí síly Jak již bylo zmíněno výše, v prostředí působí třecí a odporové síly. Chceme-li ale ukázat „ideální pohyb“, je nutné tyto síly „vypnout“. Pohyb po nakloněné rovině Nejprve si nakreslíme nakloněnou rovinu pod úhlem 30° a na ni umístíme dřevěný kvádr. Následně klikneme pravým tlačítkem myši na kvádr a zvolíme Show plot. Na levé straně boxu grafu je možné zvolit veličiny, jež se mají na osách zobrazovat (viz obr. 5). Pro svislou osu je možné zvolit i několik veličin současně. Důležité je mít grafy s potřebnými veličinami připraveny před spuštěním simulace, jinak je nebude Algodoo měřit.

Obr. 5. Kvádr na nakloněné rovině s grafem. Graf na obrázku zůstal z předchozího spuštění simulace. Pomocí ikonky je možné obsah grafu vymazat. „Zuby“ v samotném grafu jsou způsobeny dopadem kvádru na podložku, jelikož se přesně nedotýkal nakloněné roviny. Graf se vykresluje automaticky při běhu simulace. Pokud chceme pohyb v danou chvíli zastavit, stačí jen kliknout na tlačítko „pauza“, které se zobrazí místo tlačítka play. Simulace je možné spouštět opakovaně pomocí tlačítka zpět. Vhodné je této možnosti využít, pokud zkoumáme problém pro různé parametry (viz obr. 6).

93


Obr. 6. Zkoumání pohybu po nakloněné rovině pro různé parametry. Při použití šipky zpět je možné zkoumat děje pro různé parametry – v tomto případně pro různou hodnotu součinitele smykového tření mezi tělesem a nakloněnou rovinou. Srážky těles Nejprve si nakreslíme objekty, které chceme srážet, a následně jim nastavíme počáteční rychlosti (viz obr. 7). Taktéž je potřeba ve vlastnostech objektů nastavit hodnotu koeficientu restituce – pro ideální pružnou srážku na hodnotu 1. Pomocí lupy v pravém horním rohu následně zvolíme možnost „Show values“ (viz obr. 7), abychom viděli hodnoty rychlosti. Ve stejné nabídce pod záložkou „Velocities“ (anglicky rychlost) je možné zobrazit šipky, znázorňující velikost vektoru rychlostí u všech předmětů v simulaci pomocí políčka „View Velocities“. Ve stejné nabídce lze zobrazit i škálu pro velikost vektorů.

Obr. 7. Nastavení počáteční rychlosti a zobrazení jejích hodnot. Počáteční rychlost se nastavuje u každého objektu v jeho vlastnostech, stejně tak i zobrazení šipky symbolizující velikost rychlosti. Pokud chceme zobrazit hodnoty, je nutné využít nabídku Visualization (ikonka lupy) v pravém horním rohu. 94

Radim Kusák: Algodoo Není dobré používat k simulaci kruhy, jelikož kromě translační složky pohybu mají i rotační složku a s ní spojený moment setrvačnosti. Tlumený harmonický oscilátor Názornou simulační ukázkou je harmonický oscilátor (viz obr. 8). Ten se velmi snadno udělá během několika kroků. • • • •

zapneme si mřížku, aby se nám obrazce lépe kreslily nakreslíme obdélník a ten upevníme pomocí ikonky nakreslíme kruh pod obdélníkem ikonou pružiny spojíme střed kruhu a obdélníku

v levém dolním rohu obrazovky

Obr. 8. Simulace harmonického oscilátoru. Není-li prostředí a pružina správně nastavena, budeme vždy vidět tlumené kmitání. Zobrazení výslednice působících sil Chceme-li zobrazit působící síly, stačí opět kliknout na lupu v pravém horním rohu a následně v záložce „Forces“ zatrhnout možnost „View Forces“. Oproti běžnému znázorňování v domácích učebnicích se působiště reakčních sil podložky zobrazují ve „spodních rozích“ (obdélníkového) tělesa (viz obr. 9).

95


Obr. 9. Zobrazení působících sil na těleso. V nabídce „Forces“ je taktéž možnost nastavit poměr pro délku šipek znázorňující velikosti sil („Force arrows scale“). Optika Pro optiku je možné využít předdefinovanou scénu s názvem „Optics“. Na samotné součástky lze využít nabídku „Components“ (horní lištička na levé straně) nebo si je nakreslit – ručně, nebo pomocí práce s objekty (viz obr. 10).

Obr. 10. Vytvoření spojky odříznutím z kruhu. Nejprve vytvoříme kruh, ze kterého chceme spojku vyrobit a následně nakreslíme o něco větší obdélník. Poté zobrazíme nabídku s vlastnostmi obdélníka a v ní zvolíme „Combine shapes/Cut“. 96

Radim Kusák: Algodoo Chod paprsků spojkou a rozptylkou Při chodu paprsků spojkou i rozptylkou se využívá zákonu lomu a ten umí toto prostředí velmi dobře simulovat. Při samotné ukázce žákům je dobré využít několik laserů, které postupně vkládáme. Názorně se pak u obou příkladů ukáže kulová vada (viz obr. 11).

Obr. 11. Zobrazení chodu paprsků spojkou a rozptylkou. U rozptylky je vidět tmavě žlutý paprsek, který se díky totálnímu odrazu láme jiným směrem. Ve skle jsou s menší intenzitou vidět i odrazy paprsků vycházejících ven ze spojky a rozptylky. Chod paprsků dutým a vypuklým zrcadlem Chceme-li zobrazit obraz pomocí dutého nebo vypuklého zrcadla, stačí u spojky a rozptylky z předchozích příkladů nastavit „Refraktive index“ (index lomu) na nekonečno (viz obr. 12).

Obr. 12. Zobrazení dutým a vypuklým zrcadlem.

97

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Chod paprsků optickým hranolem Zkusíme-li v Algodoo poslat bílý paprsek hranolem, budeme pozorovat rozklad světla na barevné spektrum (viz obr. 13).

Obr. 13. Průchod bílého světla hranolem. Při průchodu světla hranolem můžeme pozorovat rozklad světla. Pro kreslení hranolu se hodí zapnout mřížku, která má 3 osy. Nebojte se začít Algodoo je velmi jednoduchý systém, se kterým se dá hodně rychle naučit. Ukázky zmíněné výše jsou součástí sborníku a můžete je rovnou využít ve výuce. Obdobně lze dané téma – např. zobrazení rozptylkou zadat žákům jako projekt. Algobox Na závěr stojí za zmínku již hotová knihovna scén – Algobox [2]. Zde si učitel vybere z příslušného tématu, stáhne si příslušnou simulaci a použije ji ve své výuce. Literatura [1] Algodoo - Science education for a new generation, dostupné on-line na https://youtu.be/xvAVQ6GEv-E [cit. 2015-12-09] [2] Algobox, dostupný on-line na http://www.algodoo.com/algobox/ [cit. 2015-12-05]

98

Radim Kusák: CanSat

CanSat a další náměty z ESERO Radim Kusák ESERO ČR Abstrakt V rámci příspěvku se podíváme na výrobu CanSatu. Podíváme se na fyziku a fyzikální úskalí CanSatu, dále pak na technologie, které budeme využívat - čidlo teploty, tlaku,..., následně sestavení družice a nakonec i na sběr dat. V rámci příspěvku si ukážeme i další náměty, které se dají zařadit do výuky. Co je CanSat? CanSat je soutěž týmů pro žáky od 14 do 19 let. Cílem soutěžících je sestavit CanSat, který po vzletu a během sestupu bude schopen měřit předem vybrané parametry okolního prostředí a s pomocí telemetrie nejméně jednou za sekundu data odesílat do pozemní stanice. Jedná se tedy o vytvoření vlastního malého satelitu, který z části simuluje reálný satelit. Vytvořený satelit se musí vejít do plechovky od nápojů (viz obr. 1), jelikož v rámci mezinárodního finále je vystřelen raketou (cca do výšky 2km). Název CanSat by se dal do češtiny přeložit jako „satelit z plechovky“.

Obr. 1. Jedno z možných provedení CanSatu a přijímací antény. Pro srovnání je vedle satelitu plechovka nápoje. Primární a sekundární mise CanSat se skládá ze dvou misí. Primární, jež je pro všechny týmy stejná a sekundární, ve které si tým může zvolit ze zadané oblasti.

99

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Primární mise Primární misí CanSatu je měření teploty vzduchu a atmosférického tlaku. Tato primární data musí být tým schopen zpracovat a dále interpretovat – např. výpočet výšky z atmosférického tlaku či například znázornit závislost teploty na výšce. Tato primární data bude tým během závěrečné prezentace interpretovat před odbornou porotou. Sekundární mise Ostatní měření, která bude CanSat provádět v rámci sekundární mise, jsou již na uvážení jednotlivých týmů. Při výběru se týmy mohou inspirovat již existujícími satelity a jejich misemi. Vždy však musí být kladen důraz na technickou proveditelnost mise (dodržení požadavků na CanSat) a analyzovatelnost naměřených dat. Náměty na sekundární mise lze nalézt v propozicích CanSatu [1]. Proces výroby CanSatu Samotný proces výroby CanSatu je na soutěžícím týmu. Při výrobě je potřeba myslet nejen na elektroniku (hardware), jenž tvoří jádro satelitu, ale také na software, který vše řídí. Taktéž je potřeba vymyslet způsob, jak se satelit dostane bezpečně na zem – ať už pomocí padáku, nebo nějakého jiného zpomalovacího mechanizmu. V neposlední řadě je potřeba myslet i na příslušná čidla a jejich přesnost. Posledním bodem, který stojí za zmínku, jsou datové toky, jež v satelitu proudí. To vše dělá soutěž CanSat velmi obtížnou, ale přesto velmi zajímavou pro žáky nejen (elektro)průmyslových škol. Proces výroby CanSatu krok za krokem Pokud by se chtěl někdo s procesem výroby CanSatu seznámit, je názorně ukázán pomocí sady videí na stránkách irské kanceláře ESERO [2]. Pravidla soutěže Každá soutěž se neobejde bez pravidel a stejně tak i CanSat. Propozice národního kola soutěže lze nalézt na stránkách ESERO ČR [1]. Obdobně propozice mezinárodního kola na stránkách ESA [3]. Originální součástky a jejich klony Na výrobu CanSatu je možné využít v principu libovolné součástky. Jako hlavní řídící jednotku je možné využít např. Arduino nebo Raspberry Pi. Při použití Arduina je možné využít originální Arduino Nano, nebo Arduino Micro. Stejně tak je možné využít i jejich klony vyrobené v Číně. Obdobně to platí i pro čidla a součástky potřebné k přenosu dat (viz obr. 2). Jak originální součástky, tak jejich klony je možné zakoupit i na českých e-shopech. Je potřeba počítat s tím, že originální součástky jsou dražší, někdy i o řád.

100

Radim Kusák: CanSat

Obr. 2. Oficiální součástky a jejich klony. Vlevo jsou originální součástky Arduino Nano, Arduino Uno, vpravo jejich čínské klony. Zapojení na nečisto Než se tým pustí do samotného sestavení CanSatu a potřebného pájení, je rozumné nejprve využít nepájivé pole k testování jednotlivých součástek (viz obr. 3).

Obr. 3. Zapojení součástek na nepájivém poli. Součástky je možné takto otestovat, jestli jsou funkční. Měření fyzikálních veličin Samotné součástky – originály i klony, se z hlediska použití a přesnosti příliš neliší. Pro obojí je možné nalézt na internetu potřebné návody a knihovny, s nimiž je možné s danou součástkou pracovat.

101

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Pro ilustraci je možné zmínit barometr BMP180 od SparkFun s připojením k Arduinu. Tato součástka umožňuje měřit nejen tlak, ale i teplotu – je tedy ideálním řešením pro primární misi Cansatu. Kompletně celý návod k připojení barometru k Arduinu UNO je popsán na stránce [4]. Přímo z této stránky je rovnou odkaz na knihovny a ukázkový soubor pro práci s barometrem pomocí Arduina [5]. Kalibrace čidel Přestože čidla měří velmi přesně z hlediska rozlišovacích schopností, je potřeba je pro přesné výsledky kalibrovat. Pokud jej nezkalibrujeme, vznikne nám systematická chyba. Sběr dat Samotný sběr dat je buďto možno vypsat na Monitor programu Arduino, případně je možné jej zapsat do souboru (v rámci CanSatu na SD kartu). V rámci CanSatu se data primárně posílají pomocí antén k soutěžnímu týmu. Další náměty z ESERO ČR Aplikace pro tablety Kromě CanSatu dělá ESERO ČR řadu dalších zajímavých aktivit. Jednou z nich je tvorba aplikací pro tablety. Dvě aplikace, na které se učitele mohou těšit na počátku příštího roku, jsou Globální problémy z nadhledu a Satelitní navigace. Malou ochutnávkou těchto aplikací je aplikace ESERO: AR Sentinel, využívající rozšířené reality (viz obr. 4). Aplikace je dostupná na Obchodu Play [6].

Obr. 4. Ukázka rozšířené reality z aplikace ESERO: AR Sentinel. Při pohledu na mapu světa, (případně na žlutou krabičku na obrázku) se zobrazí satelit. Předloha krabičky a mapa je ke stažení u aplikace.

102

Radim Kusák: CanSat Akademie geoinformačních dovedností (AGID) Další zajímavou aktivitou, která je spíše pro zeměpisce, je Akademie geoinformačních dovedností [7]. V rámci ní se učitelé mohou seznámit s dálkovým průzkumem Země, zpracováním satelitních snímků v různých spektrech, nebo s prácí s GSP přijímači.

Literatura [1] Propozice národního kola soutěže CanSat, dostupné on-line na https://drive.google.com/folderview?id=0B11GO87tKtZ0TkxzWkpIS0xtRXM&usp=s haring [cit. 2015-12-06] [2] Soutěž CanSat na stránkách irského ESERO, dostupné on-line na http://esero.ie/project/cansat-201516/ [cit. 2015-12-06] [3] Propozice mezinárodního kola soutěže CanSat (anglicky), dostupné on-line na http://esamultimedia.esa.int/docs/edu/2016_European_CanSat_Competition_Guideli nes.pdf [cit. 2015-12-06] [4] Stránka BMP180 Barometric Pressure Sensor Hookup, dostupná on-line na https://learn.sparkfun.com/tutorials/bmp180-barometric-pressure-sensor-hookup[cit. 2015-12-06] [5] Stránka knihoven čidla BMP180, dostupná on-line na https://github.com/sparkfun/BMP180_Breakout_Arduino_Library. [cit. 2015-12-06] [6] Aplikace ESERO: AR Sentinel, dostupná on-line na https://play.google.com/store/apps/details?id=cz.scientica.demos.sentinel [cit. 2015-12-06] [7] Akademie geoinformačních dovedností, dostupná on-line na http://agid.cz/ [cit. 2015-12-06]

103


Rakety Radim Kusák ESERO ČR Abstrakt Příspěvek je zaměřený na výrobu raket z PET-lahví na bezdušový ventilek TR-415. Součástí je nejen, jak se dají rakety odpalovat a případně vylepšit, ale i seznámení s parametry ovlivňující dolet rakety.

Vodní rakety a bezdušový ventilek TR415 U vodních raket z PET-lahví, je nejtěžší částí vyrobit mechanizmus, kterým je možné rakety tlakovat tak, aby po odpalu měly dostatečný tah. Takovým řešením je bezdušový ventilek TR415, který přesně pasuje do hrdla PET-lahve (viz obr. 1)

Obr. 1. Bezdušový ventilek v hrdle PET-lahve Typy bezdušových ventilků TR415 se nepatrně liší – dají se s různou obtížností natlačit do hrdla PET-lahve. Ideální je koupit ventilek v autoservisu a rovnou si ventilek vyzkoušet.

104

Radim Kusák: Rakety Pomůcky potřebné k odpalům raket Vzduchové rakety je možné odpalovat jak ve třídě/na chodbě školy, tak venku např. na školním hřišti. Pro odpal raket ve třídě je možné využít sadu na obr. 2a.

Obr. 2. 2a – sada na odpal raket ve třídě/na chodbě školy. 2b – Odpal rakety s křídly na Dílnách Heuréky v Náchodě. Pro odpal raket s křídly lze použít dvě odpadní roury a raketu položit mezi ně. Sada obsahuje celkem 4 pomůcky: 1) Auto pumpu s manometrem 2) Bezdušový ventilek TR415 3) Papírovou trubici 4) PET-láhev s papírovou špičkou Pro odpal raket venku je možné použít stejné pomůcky, jen u vodních raket je lepší papírovou trubici vyměnit za plastovou odpadní rouru o průměru 100 mm nebo 125 mm. Pro odpaly raket s křídly je možné využít širší odpadní rouru – 250 mm, nebo je možné spojit dvě odpadní roury a raketu posadit mezi ně (viz obr. 2b). Ve třídě, nebo na chodbě je taktéž možné odpalovat vzduchovou raketu obdobně jako lihové rakety – zavěšením rakety pomocí kancelářských sponek na provázek. Vylepšení raket Rakety je možné odpalovat nejprve jen jako samotné PET-lahve, má ale smysl rakety vylepšit – např. přidáním křídel, špičkou, nebo zátěží ve špičce rakety. V této části se mohou vyjádřit i výtvarně zruční žáci, kterým technická zručnost při výrobě raket až tak moc neříká. Mohou ale raketu nabarvit, případně opatřit logy školy atd. Parametry ovlivňující dolet rakety Pro zkoumání raket pro různé parametry je vhodné si nejprve udělat brainstorming a pak vytvořit myšlenkovou mapu, na čem by mohl záviset dolet raket. Myšlenková mapa může vypadat jako na obr. 3.

105


Obr. 3. Myšlenková mapa parametrů ovlivňující dolet vodní a vzduchové rakety Dolet vzduchových a vodních raket a jejich rychlost Dolet raket se liší v závislosti na parametrech (viz obrázek výše). Pro představu, vzduchová raketa z obr. 2a má dolet cca 5-10 m. Vodní rakety mají dolet mnohem větší, obvykle se pohybuje od 10 m do 50 m. Pokud PET-lahev přidržíme před odpalem rukama (tlakovanou PET-láhev a ventilek tlačíme proti sobě), voda z rakety vytryskne pod větším tlakem (cca 600-800 kPa) a dolet může dosáhnout 100-200 m. Rychlost, kterou získá raketa při startu je v takovém případě mezi 150-200 km/h. Dolet raket, jejich trajektorii i rychlost je možné velmi názorně určit pomocí videoanalýzy. Vhodné je využít aplikaci v iPadu Video Physics, případně volně dostupný program Tracker. Kam dále Tento článek je spíše lehkým úvodem do výroby raket. Na stránkách ESERO ČR je možné nalézt celou část k výrobě raket [1]. Je také možné si rovnou stáhnout metodiku k raketám, která se bude dále rozšiřovat [2], námět na projektový den raket [3], a také myšlenkovou mapu k výrobě raket [4]. Literatura [1] ESERO – výroba raket, dostupné on-line http://esero.scientica.cz/articles/view/21 [2] ESERO – výroba raket, dostupné on-line http://esero.scientica.cz/news/downloadPublic/esero_vodni_rakety/pdf/edu/2016_02_1 5_edu_esero_vyroba_raket [cit. 2016-02-24] [3] Rakety jako projektový den, dostupné on-line http://esero.scientica.cz/news/downloadPublic/esero_rakety_projektovy_den/pdf/edu/2 016_02_15_edu_esero_vyroba_raket [cit. 2016-02-24] [4] Rakety – myšlenková mapa http://esero.scientica.cz/news/downloadPublic/esero_vyroba_raket_myslenkova_mapa/ pdf/edu/2016_02_15_edu_esero_vyroba_raket [cit. 2016-02-24] 106

Kateřina Lipertová: Papírová geometrie

Papírová geometrie Kateřina Lipertová Církevní gymnázium Plzeň Abstrakt Geometrie nemusí být jen rýsování s kružítkem a pravítkem! Zapomeňte na trápení s věčně polámanými tužkami a nekonečným gumováním rovnoběžek, které nejsou ani trochu rovnoběžné. Spoustu geometrické radosti a krásy si můžete užít i s kusem papíru! Jeho skládáním a stříháním se dají vytvořit zajímavá geometrická tělesa a obrazce, kouzelné knihy bez konce i hádanky z proužků papíru. Dozvíte se, jak složit a rozložit mapu jedním tahem, co je to hexaflexagon, jestli může mít kolo místo kol čtverce a mnohé další.

Náchodská dílna a Science on Stage 2015 Moje náchodská dílna byla lehce upravenou variantou projektu Paper-folding Geometry, se kterým jsem vystupovala na Science on Stage 2015 v Londýně. Mnohé papírové geometrické úkoly jsou jen velmi těžko popsatelné, proto jsem pro větší názornost zvolila formu videa: https://www.youtube.com/watch?v=-H3XeBThlag Video je, myslím, dostatečně názorné i pro neangličtináře. V tomto příspěvku uvádím tedy už jen přehled jednotlivých úkolů (hádanek, skládaček, kouzel atd.) s krátkým českým popisem, který je víceméně překladem anglických popisků ve videu. Číslování odpovídá číslování ve videu. Součástí videa jsou i užitečné odkazy. Papírovou geometrii používám při výuce matematiky moc ráda. Pomáhá žákům nenásilně rozvíjet jejich prostorovou představivost a vede je k přesnosti. Nekonečná kniha nebo hexaflexagon prostě nefungují, pokud si děti nenarýsují přesně potřebné tvary. Předem připravené šablony většinou nepoužívám. Papírovou geometrii používáme s dětmi i na různých dnech otevřených dveří a Dnech vědy a techniky v ulicích Plzně, kde děti učí další děti (i jejich rodiče).

107

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Papírová geometrie (české titulky k výše uvedenému videu) 1) Čtvercová kola Je možné postavit auto se čtvercovými koly tak, aby jelo plynule (obě osy kol stále ve stejné výšce)? Jaký tvar pak musí mít podložka-silnice? Překvapivě je to možné. Ideálním tvarem pro takovou silnici je obrácená řetězovka, respektive opakující se část řetězovky. Vyrábíme-li auto z kartónu, stačí vyrobit silnici z roliček od toaletního papíru. Aby auto jelo plynule, musí být strana čtverce-kola 1,2násobkem průměru roličky. 2) Mapa Miura-ori Mapa Miura-ori je mapa, kterou můžete rozložit a složit jedním tahem. 3) Vystřihni tento tvar z papíru! Vzorového papíru se nesmíš dotknout, jen si ho prohlédni a vystřihni stejný tvar z papíru. 4) Rozdělování dortu Tvým úkolem je rozdělit čtvercový dort mezi sedm dětí. Ale pozor! Každému dítěti musíš dát stejný kus dortu (objem), ale také stejný kus polevy, která je na horní straně dortu i na všech čtyřech bočních stěnách. Řešení: Změř si obvod dortu, pomocí značek rozděl obvod na sedm stejných částí. Dort pak rozřízni vždy od středu ke každé značce. 5) Slož kostku! 6) Hexaflexagon Hexaflexagon je šestiúhelník složený z proužku papíru. Dá se „otevřít“ uprostřed, objeví se pak strana schovaná uvnitř flexagonu. 7) Dvoubarevné kouzlo 8) Nekonečná kniha 9) Vyskakovací kostička Sestav a slep kostku, provlékni skrz ni elastické vlákno (pruženku), vlákno zavaž dvojitým uzlem. Kostku „rozplácni“. Když ji pustíš, vyskočí. Můžeš vyrobit třeba 30 kostiček a zavřít je do krabičky. 10) Sonobe kostka Sonobe jednotka je jednou z jednoduchých origami jednotek, ze kterých se staví modulární origami tělesa. Ze šesti jednotek se staví kostka, ale je možné postavit těleso i ze tří, dvanácti, třiceti, nebo šestatřiceti jednotek.

108

Kateřina Lipertová: Papírová geometrie 11) PHiZZ jednotka PhiZZ jednotka matematika Thomase Hulla vznikla poměrně nedávno. Nabízí velké množství možností ke skládání modulárních těles. I geometrie související s tělesy postavenými pomocí PhiZZ jednotky je velmi zajímavá. Skládají se tělesa z 30, 90, 120, 270 i 360 jednotek. 12) „Čínské násobení“ pozn. Spoustu dalších nápadů z papírové matematiky najdete na webových stránkách Věrky Bdinkové http://www.fyzikahrou.cz.

109


První elektrické stroje Jan Pavelka, Vojtěch Procházka Ústav přístrojové techniky AV ČR, Úžasné Divadlo Fyziky Abstrakt Začátkem 19. století dochází k prudkému rozvoji poznatků v oblasti elektřiny a magnetismu. Velká část prvních experimentů propojujících tyto dvě oblasti vedla k formulaci fyzikálních zákonů, které se dnes učí už na základních školách a pokládají základ ke studiu elektromagnetismu. Tento příspěvek popisuje několik méně známých pokusů s jejich historickým zasazením, které je možné jednoduše předvést ve školním prostředí a jejichž pochopení může vést ke snazšímu porozumění složitějším přístrojům. Ørstedův experiment Dánský fyzik Hans Christian Ørsted si v roce 1820 všiml, že v okolí drátu, kterým prochází elektrický proud, se vychyluje magnetická střelka. Došel k závěru, že se v okolí drátu vytváří kruhově symetrické magnetické pole. Jeho objev je brán jako první prokázaná souvislost magnetického pole a elektřiny. Přestože k podobným závěrům došel už o pár desítek let dříve Ital Romagnoci, většina vědců tehdejší doby navazovala na Ørtsedovu práci.

Obr. 1. Konfigurace Ørtsedova experimentu [1] Ørtsedův pokus patří mezi první ze základoškolských pokusů. Pro úspěšné zvětšení experimentu nutné ke zlepšení viditelnosti je klíčová konstrukce magnetické střelky. Velký magnetický dipól (tvořený neodymovými magnety) je třeba pro zachování nízkého momentu setrvačnosti umístit co nejblíže osy střelky. Dále je důležitá celkově velmi lehká konstrukce, která má současně velký aerodynamický odpor. Tím je zajištěna dobrá odezva na magnetické pole a především rychlé ustálení střelky.

110

Jan Pavelka, Vojtěch Procházka: První elektrické stroje

Obr. 2. Odlehčená polystyrenová konstrukce střelky pro demonstrační pokusy Na tomto experimentu byly po dlouhou založeny elektrické měřicí přístroje. Střelka byla umístěna dovnitř cívky, do nulové polohy se vracela pouze vlivem vnějšího magnetického (geomagnetického) pole. Dnes se tohoto principu používá při měření magnetického pole tangentovou buzolou. Zajímavým žákovským experimentem je vytvoření vlastního ampérmetru z kompasu nebo buzoly omotané několika desítkami závitů drátu. Tato konstrukce umožňuje celou řadu zajímavých způsobů změny citlivosti tohoto měřáku.

Obr. 3. Primitivní ampérmetr připojený k Faradayově generátoru

111

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Faradayovy elektromagnetické experimenty Michael Faraday se snažil ve dvacátých letech 19. století zopakovat a rozvinout Ørstedovy experimenty. V roce 1821 jako první navrhl a postavil homopolární motor – vůbec první elektromotor.

Obr. 4. Původní uspořádání Faradayova elektromotoru [2] Faradayův homopolární motor se skládá z tyčového magnetu umístěného svisle uprostřed nádobky se rtutí a závěsné kovové nemagnetické (tedy např. měděné) tyče, která dosahuje spodním koncem pod hladinu rtuti. Elektrické napětí se přikládá mezi horní konec kovové tyče a nádobu se rtutí, která tvoří druhý kontakt motoru. Magnetické indukční čáry protínající dráhu tyče mají díky osové symetrii stále stejnou orientaci, takže po přivedení elektrického začne na závěsu obíhat magnet směrem daným Ampérovým zákonem. Směr rotace lze snadno změnit přepólováním zdroje proudu nebo otočením magnetu. Demonstrační verze motoru je možné vyrobit podle Faradayova schématu, jen zakázanou rtuť je možné nahradit libovolným dobrým elektrolytem, například roztokem kuchyňské soli. Pro centrální magnet je nejlepší použít tyčový feritový, který na rozdíl od neodymových magnetů v agresivní lázni příliš nekoroduje. V důsledku elektrochemických jevů na povrchu kladné elektrody někdy časem téměř přestane procházet elektrický proud. Tomu lze zabránit, když je kladnou elektrodou dostatečně dlouhý drát stočený v nádobě s elektrolytem a zápornou elektrodou je zavěšená tyč. Zajímavou variací jsou dnes velmi populární homopolární motor z tužkové baterie a neodymového magnetu. Jde o úplně stejný princip, liší se jen provedením kontaktů a integrovaným zdrojem proudu. Druhým významným Faradayovým vynálezem byl homopolární generátor – Faradayův disk. Začátkem 30. let Faraday vytvořil celou sérii pokusů ukazujících možnost generování napětí umístěním drátu nebo smyčky do proměnného magnetického pole. V roce 1831 použil opačný princip, rotující měděný disk umístil do stacionárního magnetického pole a napětí snímal mezi středem disku a jeho obvodem. Přístroj funguje i opačně, po připojení zdroje mezi snímací body se disk začne otáčet (stačí-li jeho výkon na překonání 112

Jan Pavelka, Vojtěch Procházka: První elektrické stroje odporových sil). Na tomto principu je založen motor označovaný jako Barlowovo kolo, které pro snížení tření používalo jako obvodový kontakt nádobku se rtutí.

Obr. 5. Faradayův disk Faradayův generátor, jinak označovaný jako homopolární generátor nebo Faradayův disk, se liší od ostatních do té doby prováděných indukčních experimentů. Na elektrony v unášené diskem v magnetickém poli působí Lorentzova síla, čímž jsou urychlovány v radiálním směru. Směr urychlení elektronů, tedy i polarita generátoru je dána polaritou magnetického pole a směrem otáčení disku. Původní provedení je velmi neúčinné, protože zbytek disku, který není v intenzivním magnetickém poli, působí jako obří zkrat. Proto i předvedená replika generovala napětí pouze několik desítek milivoltů, které muselo pro demonstraci pomocí žárovky mnohonásobně zesíleno. Reálně používané generátory měly celý disk vložený do homogenního magnetického pole, čímž se tento problém odstranil. Disk byl roztočen externím motorem. Po připojení sběrných kartáčů umožňoval krátkodobé generování obrovských výkonů. Zajímavým navazujícím problémem homopolárního generátoru je Faradayův paradox, který se zabývá otázkou relativity pohybu disku a budícího magnetického pole.

Obr. 6. Replika Faradayova generátoru 113

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Literatura [1] Davis D.: Davis's Manual of magnetism, including galvanism, magnetism, electromagnetism, electro-dynamics, magneto-electricity, and thermo-electricity, Boston 1842 [2] Faraday M.: Electro-Magnetical Motion. Quaterly Journal of Science, Literature and the Arts, Vol.XII (1822) [3] Alglave E., Boulard J.: The Electric Light: Its History, Production, and Aplication, New York 1884

114

Václav Pazdera: Výroba pomůcek

Výroba pomůcek Václav Pazdera Gymnázium, Olomouc, Čajkovského 9 Abstrakt V příspěvku je prezentována: A) Výroba soupravy součástek, kterou můžeme použít k sestavení blikače a k dalším jednoduchým pokusům z elektřiny. Podle námětu Mirka Burdy [1]; B) Výroba jednoduchých i složitějších zapojení rezistorů.

Výroba blikače V nejjednodušším zapojení lze blikač postavit jako astabilní klopný obvod (viz obr. 1).

Obr. 1. Astabilní klopný obvod [2] Funkce astabilního klopného obvodu (a dalších klopných obvodů) je vysvětlena v [1] a [2]. Soupravu potřebných součástek si vyrobíme „hřebíčkovou metodou“ (viz obr. 2).

Obr. 2. Součástky upevněné na destičkách 115

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 K výrobě budeme potřebovat následující součástky: • • • •

Ž1, Ž2 – žárovka 3,8 V (nebo LEDka + rezistor 100 Ω) R1, R2 – dvě destičky s třemi rezistory 2200 Ω, 1000 Ω, 470 Ω C1, C2 – elektrolytické kondenzátory 2200 μF nebo 1000 μF T1, T2 – tranzistory BD 139-10

Vyrobené součástky pak propojíme vodiči s krokosvorkami (viz obr. 3).

Obr. 3. Propojení destiček s výše popsanými součástkami – blikač 116

Václav Pazdera: Výroba pomůcek S touto soupravou můžeme zapojit i monostabilní a bistabilní klopný obvod. Schémata a vysvětlení viz [2]. Na „výstupu“ blikače (viz obr. 1), mezi kolektorem a emitorem tranzistoru T2, můžeme měřit a odebírat „obdélníkový průběh napětí“. Ten lze použít k různým pokusům s dalšími elektronickými obvody. Například s číslicovými integrovanými obvody.

Obr. 4. Napětí na „výstupu“ blikače (mezi kolektorem a emitorem) Perioda kmitání blikače závisí na hodnotách rezistorů a kondenzátorů a lze ji spočítat podle vzorce: T = t1 + t2 = ln (2)∙(R1∙C1 + R2∙C2) [2]. Na „destičkách s rezistory R1, R2“ jsou tři různé rezistory. Můžeme tak předvést (případně i naměřit) změnu periody kmitání blikače změnou hodnoty zapojeného rezistoru. Změnu periody můžeme také způsobit změnou hodnoty kapacity kondenzátoru (místo kapacity 2200 μF použijeme kapacitu 1000 μF). S touto soupravou můžeme předvést (měřit) i celou řadu jiných jednoduchých zapojení. Například předvádět funkci rezistoru, kondenzátoru, žárovky, tranzistoru atd.

Výroba jednoduchých i složitějších zapojení rezistorů Rezistor je pasivní elektrotechnická součástka projevující se v elektrickém obvodu v ideálním případě jedinou vlastností – elektrickým odporem. Rezistory jsou nejpoužívanějšími slaboproudými elektronickými součástkami, jejich základní funkcí je omezení protékajícího proudu nebo získání napěťového úbytku. Elektrický odpor rezistoru měříme v ohmech. Hodnoty běžně vyráběných rezistorů se vybírají z řady vyvolených čísel E6, E12 nebo E24. Nejpoužívanější je řada E12, která obsahuje následujících 12 hodnot, které se dále násobí mocninou desítky: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2. Rezistory se rozlišují podle konstrukce, podle velikosti odporu a dovoleného zatížení. Rezistory, jejichž odpor lze měnit, se nazývají reostaty, potenciometry nebo trimry [3]. Rezistory je možné spojovat (neboli řadit) sériově (za sebou) nebo paralelně (vedle sebe). Ve fyzice s oblibou počítáme výsledný odpor složitějších zapojení rezistorů. Je to „nádherný sport“.

117

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Se studenty (tercie, septima) dělám následující laboratorní práci se třemi rezistory. Tyto tři rezistory s různými hodnotami, jsou upevněny „hřebíčkovou metodou“ na jedné dřevěné destičce (viz obr. 5).

Obr. 5. Tři rezistory na jedné destičce Můžeme například použít hodnoty 220 Ω, 330 Ω a 470 Ω. Studenti mají za úkol zapojit, spočítat a změřit (všechna) různá zapojení dvou nebo tří rezistorů. Rezistory propojují vodiči s krokosvorkami a odpor měří multimetrem (ohmmetrem). Netradiční obvody s rezistory Pro doplnění můžeme určovat celkový odpor níže nakreslených obvodů. Všechny vyznačené rezistory mají odpor R. Úkolem studentů je obvod sestavit, spočítat (odvodit vzorec) a změřit výsledný odpor. a)

Rcelk =

3⋅ R 2

Rcelk =

R 2

b)

118

Václav Pazdera: Výroba pomůcek c)

Rcelk= R Zapojení a), b), c) jsem převzal z [4]. d)

R AC =

1 ⋅ R ; R BD = R 2

RHB =

5⋅ R 6

e) Určete odpor drátěné krychle mezi různými dvojicemi vrcholů.

119


REB =

3⋅ R 4

R AB =

7⋅R 12

f) Určete odpor drátěného čtyřstěnu mezi vrcholy

R AB =

R 2

Já jsem si výše uvedené složitější obvody spájel se stejných rezistorů a jako hotové je nosím do vyučovací hodiny pro rychlé ověření teoretických výpočtů.

120

Václav Pazdera: Výroba pomůcek Literatura [1] Burda M.: Blikátko. Publikováno na CD Sborník konferencí projektu Heuréky 20032010: Dílny Heuréky 2005, str. 18–23. [2] https://cs.wikipedia.org/wiki/Klopný_obvod#Astabiln.C3.AD_klopn.C3.BD_obvod_ .28AKO.29

[3] https://cs.wikipedia.org/wiki/Rezistor [4] http://reseneulohy.cz/304/netradicni-obvody-2

121


Žákovské elektrické obvody Václav Piskač Gymnázium tř. Kpt. Jaroše, Brno Abstrakt Dílna bude zaměřená na samostatnou žákovskou práci s elektrickými obvody – od základů zapojení přes měření odporů až po tranzistory. Zaměření dílny V dílně se účastníci seznámili se žákovskými experimenty zaměřenými na elektrické obvody. Stavěli jsme si nejjednodušší elektrické obvody a řešili metodické problémy s nimi spojené. Od základních obvodů jsme překročili k měření elektrického odporu, ke spojování rezistorů, k reostatu a potenciometru. Následovaly experimenty s jednocestným a dvoucestným usměrněním. Vše jsme zakončili experimenty s tranzistory. Všechny sady a experimenty s nimi jsou popsány na mých stránkách Fyzikální šuplík, proto pouze uvádím odkazy v sekci „Literatura“.

Literatura [1] Piskač V.: Žákovské sady pro elektrické obvody, dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/jaknato/zakovske_elektricke_sady.pdf [2] Piskač V.: Hejno rezistorů, dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/elektro/hejno_rezistoru_zakovske.pdf [3] Piskač V.: Žákovské usměrnění, dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/elektro/zakovske_usmerneni.pdf [4] Piskač V.: Zapojení tranzistorů, dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/elektro/zapojeni_tranzistoru.pdf [5] Piskač V.: Zapojení tranzistorů – pracovní listy, dostupné online http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/elektro/zapojeni_tranzistoru_-_pracovni_listy.pdf

122

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem

Hrátky s magnetismem Zdeněk Polák Jiráskovo gymnázium v Náchodě Abstrakt V článku jsou popisovány základní vlastnosti magnetů, porovnávání základních typů magnetů, chování látek v magnetickém poli a hlavně řada námětů na jednoduché experimenty v oblasti magnetismu vhodné do výuky na základní i střední škole. Magnety Magnety, nebo přesněji permanentní magnety je to, co asi fascinuje každého, kdo se s nimi setká poprvé. Působí na sebe silou, přitahují se nebo odpuzují, aniž by se dotýkaly, dokonce i když mezi nimi je nějaká překážka. Jak je to možné? A jak to, že síla se vzdáleností tak rychle ubývá? A na co ještě působí? A je magnetická síla bez magnetů? Tak to všechno můžeme zkoumat a objevovat. Mnohé z toho, co zde je zmíněno, je popsáno a rozvedeno v [1], [2]. Druhy magnetů V běžných předmětech doma, v zaměstnání ale i v přístrojích můžete nalézt v podstatě tři základní druhy magnetů. Feritové, ze železných slitin a neodymové magnety. Každý z těchto typů může být i v plastové matrici, kdy malé kousíčky magneticky tvrdé zmagnetované látky jsou rozptýleny v plastovém základu. Dělají se z nich magnetické folie, magnety těsnění dvířek lednic apod. Feritové magnety jsou levné, černé, velmi křehké, elektricky nevodivé, připomínají keramiku. Jsou chemicky velmi odolné. Nekorodují, často lze v nějaké části rzí úplně rozpadlého přístroje nalézt zcela nepoškozený ferit. Nejširší použití v běžných aplikacích – známe je jako nástěnkové nebo ledničkové magnety, magnetické držáčky, příchytky, statory malých stejnosměrných elektromotorů, magnety v reproduktorech, v magnetronu mikrovlnky, atd. Magneticky dnes nejslabší typ. Magnety ocelové, magnety železných slitin. Také vzhledově ocel připomínají. Vývojově jsou starší než feritové, dnes jsou většinou typu AlNiCo. Mechanicky mnohem odolnější, při nárazu se většinou netříští, ale lámou se. Na lomu mají výraznou charakteristickou hrubou strukturu. Cenově dražší než feritové. Chemicky méně odolné a zvláště typy s vyšším obsahem železa mohou rezivět. Známe je jako válcové, tyčové a podkovové magnety. Dříve vyráběné měly malou koercitivní sílu a snadno se odmagnetovávaly. Dnešní typy mají mnohem lepší vlastnosti a blíží se moderním typům magnetů, jako jsou neodymové. Mají nejvyšší odolnost proti odmagnetování zahřátím – nejvyšší Curieovu teplotu. Neodymové magnety. Přesněji slitina NdFeB (neodym železo bór). Jsou nejběžnějším typem magnetů s příměsí vzácných zemin. Velmi křehké, při vzájemném scvaknutí se často tříští, velmi korozivní. Povrchově se pokrývají obvykle niklem. Bez toho se během poměrně krátké doby rozpadají působením vlhkosti. Nejsilnější a nejstálejší magnety. V těsné blízkosti povrchu hodnoty indukce přesahují jeden tesla. Velmi citlivé na teplotu. Základní magnetické vlastnosti výše uvedených typů shrnuje tabulka. Údaje v ní jsou shrnutím toho, co uvádějí nejdostupnější prodejci na našem internetovém trhu. 123

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Typ

Br (T)

jHc (104A/m)

BHmax (kJ/m3)

Tw/°C)

TCi(°C)

Ferit

0,2–0,4

12–28

6,5–35

250

450

AlNiCo

0,5–1,1

3–14

9–70

450–550

700–850

NdFeB

1,1–1,4

95–240

240–390

80–200

310–340

Br (T) – remanentní indukce je hodnota magnetické indukce, kterou by magnet vytvořil ve zcela uzavřeném magnetickém obvodu. Laicky řečeno je to hustota magnetických indukčních čar při povrchu pólu, jestliže magnet vložíme do uzavřeného magnetického obvodu, tedy póly propojíme magneticky měkkým železem dostatečného průřezu. Čím větší hodnota (a plocha pólů), tím je magnet „silnější“. jHc (A/m) – intenzita magnetického pole, která způsobí odmagnetování magnetu. Čím větší hodnota, tím je magnet stálejší a odolnější vůči přemagnetování. BHmax – tzv. energetický součin, čím větší je jeho hodnota pro daný materiál, tím může mít magnet při dosažení stejného účinku pole menší objem Tw – maximální pracovní teplota TCi – teplota, při níž ztrácí materiál feromagnetické vlastnosti a odmagnetuje se Mnohem více o základních vlastnostech magnetů se lze dočíst např. v diplomové práci [3], nebo na stránkách prodejců [4], [6], [7], [8], [9], [10] [11]. Zvláštní pozornost na stránkách [4] zaslouží dokument [5]. Síla mezi magnety Velikost síly mezi magnety závisí na magnetické indukci pole, kterou magnety vytvářejí, a na jejich vzdálenosti. Můžeme měřit tuto sílu, a to jak přitažlivou, tak odpudivou, když jeden magnet položíme na vysokou distanční podložku spočívající na vahách a druhý ve svislé poloze přibližujeme. Na váze zjišťujme změnu tíhy magnetu a z ní přepočtem F = Δm·g, velikost působící síly. Případně lze použít jednoduchý přípravek, který je pak trvalým pokusem a umožňuje jednoduše zkoumat tuto závislost postupným zatěžováním horního magnetu – viz obr. 1 a 2. Na grafu je vidět, že síla klesala mezi magnety v podstatě s druhou mocninou vzdálenosti.

124


Obr. 1 a 2. Přípravek pro umístění dvou kruhových magnetů z mikrovlnek nad sebou. Skladování magnetů Při skladování je dobré dodržovat pravidlo, že pohromadě mohou být jen magnety stejného typu. Je vhodné tedy skladovat odděleně feritové, AlNiCo i neodymové magnety. Obvykle magnety jednoho druhu nemají dostatečnou hodnotu vnějšího pole k přemagnetování sousedních magnetů. Zvláště ocelové a slitinové magnety s malou koercitivní silou náchylné k odmagnetování je dobré skladovat v uzavřeném magnetickém obvodu – podrobněji viz [1], [2]. Magnetizace a přemagnetovávání magnetů Každý permanentní magnet vznikl zmagnetováním magneticky tvrdé feromagnetické látky. Pokud materiál, ze kterého je vyroben, má malou koercitivní sílu, časem se může odmagnetovat, případně být zmagnetován jinak. Jde především o ocelové nebo slitinové klasické magnety: ocelové magnetky, tyčové a podkovové magnety apod. Ke zmagnetování oceli stačí potírat dostatečně silným magnetem. Tak zmagnetujeme třeba ocelové jehly či žiletky na střelky kompasů, šroubovák, nůžky, vrtáky,… Snadno tak střelky kompasů a buzol přemagnetujeme na opačný směr. Pokud jde o robustnější slitinový magnet, magnetujeme jej v magnetickém obvodu, kde magnetické pole vytvoříme cívkami s proudem. Pro úspěch je rozhodující dobře uzavřený magnetický obvod z robustních jader z měkkého železa a co největší hodnota součinu proudu a počtu závitů v cívkách. Jádra nemusí být složená z plechů, používáme stejnosměrný (nejlépe pulsující) proud. Velmi vhodné cívky jsou ze soupravy rozkladného transformátoru 600 z/2A. Krátkodobě (2–3 s) jim neublíží ani proud desetinásobně větší, pozor ale na napěťové špičky při vypínání proudu. Nejlepší je použít robustní regulovatelný zdroj a proud plynule

125

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 ale rychle navýšit z nuly na maximální hodnotu a pak stejně plynule snížit k nule. Takto lze posílit i menší feritové magnety, případně je namagnetovat zvoleným směrem. Na posilování a přemagnetování malých feritových magnetů stačí ferit vložit těsně mezi dva silné neodymy; jejich pole je dostatečně silné k překonání koercitivní síly feritu. Zmagnetují se tak i na opačnou polarizaci, viz obr. 3.

Obr. 3. Malý feritový magnet mezi dvěma neodymy, které jej bezpečně zmagnetují do zvoleného směru. Barkhausenův jev Jestliže magnetujeme postupně feromagnetickou látku plynulým zvyšováním intenzity magnetického pole, ve kterém se látka nachází, magnetická indukce v látce narůstá nespojitě, po malých krocích, tak jak se překlápějí orientace jednotlivých domén magnetika do směru vnějšího pole. Tento jev můžeme nejjednodušeji pozorovat při magnetizaci snímací magnetofonové hlavy. Ideální je malý kazetový magnetofon – „walkman“. Pokus provádíme při vyjmuté a dostatečně daleko odstraněné kazetě. Magnetofon zapneme na přehrávání, připojíme vnější reproduktory a zesílíme zvuk na maximum. Pak pomalu přibližujeme do míst, kde se nachází hlava, tyčový magnet. Postačí malý ferit nebo slitinový magnet. Z reproduktoru se bude při pohybu magnetu ozývat charakteristický šum. Při každém skokovém zesílení magnetického pole v cívce snímací hlavy se na ni indukuje malý napěťový impuls, který je pak zesílen a sérii impulsů vnímáme jako šum. Odmagnetovávání magnetů Spolehlivě lze magnet odmagnetovat zahřátím na Curieovu teplotu. Pozor, tento děj může být však nevratný. Na znovuobnovení magnetického pole je třeba vystavit materiál dostatečně silnému poli, což může být nad naše možnosti. Neodymové magnety tak nenávratně ztratí sycení. Feritové a některé ocelové magnety se obvykle zmagnetovat podaří. Pro materiály s malou koercitivní silou (málo „tvrdé“) postačí, když je vystavíme postupně slábnoucímu střídavému magnetickému poli. Vhodným zdrojem je cívka na otevřeném jádře, tak, aby se vzniklé pole co nejvíce rozptylovalo do prostoru. Improvizovaně lze použít stejný magnetický obvod jako na magnetizaci, jen do cívek pustit střídavý proud a jeho hodnotu postupně snižovat. Pokud demagnetizujeme častěji, je dobré si postavit odpovídající přípravek. Použít lze cívku s mnoha závity z tlumivky ze starého elektronkového zdroje, nebo cívku s jádrem z mohutnějšího elektromagnetického relé – stykače na síťové napětí. Pak můžeme cívku připojit přímo na síťové napětí do zásuvky (viz obr. 4.). Slábnoucí pole zajistíme oddalováním odmagnetovávaného předmětu. Tento způsob je vhodný pro odmagnetovávání větších předmětů slabě zmagnetovaných, např. pro stínítka CRT monitorů, ale i menší předměty jako nože, nůžky, 126

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem pilníky, šroubováky apod. Demagnetizátor si můžeme také postavit z motoru na střídavý proud např. z pračky, vysavače nebo ventilátoru. Z motoru zachováme pouze stator s vinutím, všechny ostatní části odstraníme. Stator připojíme buď k regulovatelnému zdroji, nebo přes ochranné odpory na síťové napětí. Bez ochranných odporů by se vinutí statoru příliš velkým proudem zničilo. Velikost odporu určíme zkusmo tak, aby procházející proud vinutím vytvářel dostatečně silné pole, ale vinutí se příliš nezahřívalo. Odmagnetovávaný předmět pak vkládáme do dutiny statoru.

Obr. 4. Vlevo dole a vpravo demagnetizéry pro odmagnetovávání předmětů střídavým proudem. Vlevo nahoře ukázka stykače, ze kterého lze získat vhodnou cívku i s jádrem. Curieův motor To, že feromagnetická látka ztratí své magnetické vlastnosti při mezní Curieově teplotě, lze využít k mechanickému pohonu. Na kotouči jsou niklové mince, které zahřátím nad 360 °C ztrácejí svou schopnost přitahovat se k magnetu a tak si magnet přitáhne vždy další a kotouč se pomalu otáčí, viz obr. 5.

127


Obr. 5. Curieův motor. Niklové mince jsou přivařeny na obvodu volně otáčivého disku. AlNiCo magnet přitahuje vždy minci s teplotou pod Curieovým bodem. Nepoužívat neodym, zahřátím se může nevratně odmagnetovat! AlNiCo zahřátí obvykle dobře snáší. Mapování magnetického pole Nepřirozenější metodou je sledovat chování malého volného magnetu – magnetky. Říká nám něco o magnetickém poli v daném bodě. Jejím přemísťováním v prostoru získáme prvotní představu celku. Nejlepší je malá a volně otáčivá magnetka zavěšená v kardanově závěsu, většinou si ale musíme vystačit s klasickou magnetkou otáčivou kolem svislé osy. Pak ale je třeba stále mít na paměti, že ukazuje jen směr horizontální složky magnetického pole. O magnetkách domácí výroby více v [1], [2]. Pro lepší představu o tvaru magnetického pole a o možných působeních zavádíme model magnetických indukčních čar. Ten se poměrně dobře kryje s reálnými obrazci, které vytvoří malinké magnetky z ocelových pilinek na podložce (rovinný obrazec) nebo v prostoru. Pilinový obrazec je tak obvykle základní výchozí zkušeností, pro vytváření navazujících představ celkového tvaru magnetického pole. Bohužel ocelové pilinky se po vysypání dostanou všude, znečišťují magnety a je obtížné se pak jich zbavit. Je dobré, pokud to jde, nechat je v uzavřeném prostoru, odkud na magnety nemůžou. Takovou možností je plastová průhledná krabička. Ta se však brzy zevnitř pokryje železným prachem ulpívajícím na stěnách a dovnitř je špatně vidět. Lepší je plochá skleněná krabička. Okénko pro zkoumání magnetického pole pomocí pilinových obrazců. Budeme potřebovat dvě tenká skla asi tak 9×12 cm, gumové samolepicí těsnění do oken o výšce aspoň 5 mm (čím vyšší tím lepší), textilní lepicí pásku o šířce asi 2 cm a železné piliny – asi jednu malou kávovou lžičku. Velmi dobře poslouží čirá skla, která se prodávají v potřebách pro svářeče jako ochranná skla tmavých svářečských filtrů. Mají vhodný rozměr i přijatelnou cenu. Na jedno sklo nalepíme ke kraji kolem dokola těsnění tak, aby vznikla mělká mistička, nasypeme piliny, přiklopíme druhým sklem, lehce stiskneme a kolem dokola oblepíme lepicí páskou, aby skla držela u sebe a piliny se nesypaly okolo. Okénko umožňuje zkoumat magnetická pole, aniž by se piliny vysypaly, viz obr. 6, 7. Pokud chceme piliny před zkoumáním rovnoměrně rozprostřít, přiblížíme okénko shora

128

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem k většímu magnetu se svisle orientovaným polem a trochu okénkem potřeseme. Pilinky se ve svislém poli oddělí od sebe a rozptýlí se po skle.

Obr. 6. Vlevo okénko pro zkoumání magnetického pole pomocí ocelových pilinek, vpravo detekční folie pro zkoumání magnetického pole – Flux detektor. Obě na neodymovém magnetu z harddisku. Magnetická detekční folie – Flux detektor. Pro zkoumání polí lze zakoupit magnetickou folii, která podle orientace magnetických indukčních čar mění barvu. Obsahuje částečky niklu v gelové hmotě. Je-li magnetické pole ve směru rovnoběžném s rovinou plochy fólie, tak fólie zesvětlá, v místech s orientací magnetických indukčních čar kolmo k ploše fólie ztmavne. Viz obr. 6, 8.

129


Obr. 7, 8, 9. Na všech obrázcích je tentýž feritový magnet z rotoru staré disketové mechaniky, na jehož ploše se střídají čtyři severní a čtyři jižní póly. Jeho pole je zviditelněno pilinkami v okénku (vlevo nahoře), detekční fólií (vpravo) a feromagnetickým tonerem (vlevo dole) Tonerový obrázek. Tonerový prášek pro tisk může být ve většině laserových tiskáren v podstatě dvojího druhu. Buď je jednosložkový, kde jednotlivá zrníčka toneru jsou z plastu obsahujícího barvivo a feromagnetickou látku. Takový se používá především u jednodušších tiskáren pracujících obvykle jen s černým tonerem. Nebo je dvousložkový a ten obsahuje kromě vlastního toneru, který feromagnetický není a jde o malé kousíčky barevného plastu, také nosič (developer), který je tvořen mnohonásobně většími kuličkami feromagnetického materiálu. Ten se v magnetickém poli magnetizuje, vytváří řetízky kuliček a vytváří struktury velmi podobné pilinovým obrazcům. Viz obr. 10, 11, 12. Nosič se dodává do toneru do nové tonerové kazety. Na poměru množství nosiče a toneru závisí sytost nanášené barvy. Nosič je přítomen pouze ve startovacím toneru. Pak se již přidává jen čistý toner. Naopak nosič v kazetě zůstává, a tedy roste jeho koncentrace. Ve vypotřebované kazetě je stále ještě dost nosiče k pokusům. Jestli výsledná vytištěná barva obrázku na papíře je feromagnetická, závisí na tom, jakým tonerem byl vytištěn. Na obrázcích je dvousložkový toner obsahující velké kuličky nosiče – developeru.

130


Obr. 10, 11, 12. Kuličky nosiče (developeru) a malinkaté kousíčky černého toneru, Vlevo nahoře ještě bez magnetického pole. Vpravo a dole pak v magnetickém poli. Jasně je vidět, jak se magnetizují a tvoří oddělené řetízky. Velikost kuliček nosiče je cca 0,05 mm, částice toneru jsou nejméně o řád menší. Velké kuličky se „ochotně“ nabalují částicemi toneru.

Obr. 13 a 14. Nástěnkový magnet magnetovaný tak, že se střídají severní a jižní póly na jedné straně. Magnetické pole zviditelněno detekční fólií a pak tonerem na papíru. Prostorový model z kancelářských sponek. Je vhodný k demonstraci několika magnetických jevů zároveň. Velký válcový magnet, např. složený z kruhových feritových magnetů z mikrovlnek, postavíme na silný železný plech. Lze použít i několik železných plechů na sobě, aby magnetický odpor vytvářeného pólového nástavce, kterým plech je, byl co nejmenší. Pak na vrchol magnetu i na pólový nástavec nandáme několik (20–30) kancelářských sponek. Sponky se nastaví přibližně ve směru magnetických indukčních čar. Je nutno samozřejmě počítat s deformujícími účinky gravitačního pole, přesto se tu prostorová struktura pole objevuje. Pak vezmeme do ruky jednu sponku, dotkneme se sponky na vrcholu magnetu a pomalu ji z něj zvedneme. Ukazujeme, že sponky se vzájemně přitahují větší silou než sponka k magnetu. I přesto, že sponky se přitahují jen proto, že jsou dočasně magnetem zmagnetovány. Při pohybu ruky v blízkosti magnetu se volná přichycená sponka natáčí do směru magnetického pole.

131


Obr. 15. Sloupec prstencových magnetů z mikrovlnek (6 ks) na silném feromagnetickém podstavci. Celková síla železných plechů je cca 4 mm. Sponky se díky své magnetizaci natáčejí ve směru magnetických indukčních čar. Vpravo je vidět jak se na podstavci vytvořil opačný pól, než je na magnetu nahoře. Plechy tvoří pólový nástavec feritových magnetů. Všimněte si detailu, že sponky drží při sobě jen magnetickou silou – nejsou provlečené. Jakmile je vzdálíme z magnetického pole, přestanou se přitahovat, protože jsou magneticky měkké. Měření magnetické indukce pole teslametrem např. ze systému Vernier nebo jiným. Můžeme získat velmi přesnou představu o parametrech zkoumaného pole. Vhodné jako laboratorní měření, návod je např. v [16]. Byly proměřeny nejběžnější typy magnetů, se kterými se můžeme běžně setkat, viz obr. 17. Ve směru hlavní osy byla měřena magnetická indukce. Teorie říká, že indukce magnetického dipólu klesá se třetí mocninou vzdálenosti. U prstencového feritového magnetu vyšel exponent -2,4, u válcového neodymu -3,0 a u dlouhého tyčového AlNiCo magnetu -3,6 – viz přílohy 2 až 5. Obr. 16. Poloha sondy a magnetu při měření. Obr. 17. Proměřované typy magnetů: neodym krátký válec, AlNiCo tyčový magnet a dva prstencové ferity – vlevo z mikrovlnky, vpravo z reproduktoru.

132

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Jaké jsou nejrůznější tvary magnetického pole vytvořeného kombinací magnetů a feromagnetické látky, si lze představit na základě počítačových modelů, viz [12], [13], [14]. Magnety a feromagnetika To že magnet přitahuje železné předměty je známé věc. Jak velká ale může být síla, kam působí? Odpověď vůbec není jednoduchá a jednoznačná. Třeba tyčový magnet a ocelová kulička. Kam je kulička přitahována? Obvykle se uvádí, že k pólům magnetu. Naopak, že uprostřed je netečné pásmo, které železné předměty nepřitahuje. Proveďme jednoduchý experiment. Na stůl položíme delší tyčový magnet a kousek od něj, nedaleko středu netečného pásma stejně daleko od pólů položíme ocelovou kuličku. Kam se bude pohybovat? Ke středu netečného pásma. Teprve později na jednu stranu k bližšímu z pólů. Je tedy třeba zformulovat přesnější odpověď. Na feromagnetický předmět působí síla ve směru nárůstu hustoty magnetických indukčních čar. Čím více se rozbíhají magnetické indukční čáry, tím větší síla působí. V homogenním magnetickém poli na malou feromagnetickou kuličku nebude působit žádná síla. Magnetické nástavce Magnet vytváří magnetické pole. Silové účinky na látky v jeho okolí závisí na magnetické indukci, která vyjadřuje hustotu magnetických indukčních čar. Ty podle dohody a představy o takto vytvořeném modelu magnetického pole vycházejí ze severního pólu, procházejí okolím magnetu, vnikají do magnetu v oblasti blízké jižnímu pólu a uvnitř se uzavírají. Přiblížíme-li k magnetu feromagnetickou látku, zmagnetuje se, vytvoří se z ní dočasný (ev. trvalý) magnet, který dobře vede magnetické indukční čáry a představuje pro ně prostor s malým odporem. Proto se k takové látce magnetické indukční čáry sbíhají a roste jejich hustota. Chceme-li efektivně využít magnetické pole permanentního magnetu, napojíme na jeho póly feromagnetickou látku, která přivede magnetické pole tam, kam potřebujeme – pólový nástavec. Proto magnet využitý v technické aplikaci je v drtivé většině případů mezi pólovými nástavci.

Obr. 18. Magnetická sklapka a její části.

Obr. 19. Sklapka drží silou větší než 15 N.

Typickým příkladem je magnetická sklapka, která přidržuje dvířka skříněk. Magnet, který je uvnitř, má relativně malou schopnost silově působit. Přiložíme-li však na jeho póly plíšky z magneticky měkkého železa – pólové nástavce, magnetické indukční čáry se zkoncentrují a přídržná síla vzroste nejméně desetinásobně. Podobně se zesilují účinky

133

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 magnetického pole vytvářeného cívkou. Bez jádra a co nejvíce uzavřeného magnetického obvodu by elektromagnety měly jen nepatrnou přídržnou sílu.

Obr. 20, 21. Membrána reproduktoru a magnet s magnetickým obvodem. Vlastní magnet je komolý kužel v centrální části, všechno ostatní je magneticky měkké železo. Cívka reproduktoru se pak pohybuje v kruhové mezeře mezi centrálním pólovým nástavcem zakončujícím magnet a okolní železnou deskou s kuhovým otvorem. Elektromagnety Jde vždy o cívku s jádrem, jejímž vinutím prochází proud. Aby účinky elektromagnetu byly co největší, je nutno mít co nejvíce ampérzávitů na cívce a aspoň trochu uzavřený magnetický obvod. Jinak jsou magnetické účinky elektromagnetů slabé. Ideální jsou cívky a jádra ze soupravy rozkladného transformátoru. Jinak lze použít cívky z nízkonapěťových relé, krokových motorků apod.

Obr. 22, 23. Relé na 12 V poskytne cívku na elektromagnet, který při proudu cca 50 mA z ploché baterie unese několik sponek nebo hřebíčků. Všimněte si dobrého, téměř uzavřeného, magnetického obvodu relé. Elektromagnet na tužkovou baterii Je ukázkou, jak významný má vliv dobře uzavřeného magnetického pole na přídržnou sílu elektromagnetu. Sestava je popsána v [1], [2]. Dvě cívky 1200 závitů na jádře U jsou spojené paralelně tak, aby se magnetická pole sčítala, a jsou dobře uzavřené jhem I. Síla přidržující jho I u jádra U dosahuje až 350 N při proudu cívkami okolo 0,25 A. Hlavně je třeba dbát na bezpečnost, aby padající závaží při odpadnutí jha od jádra nezpůsobila škodu 134

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem na zdraví či majetku. Také při přerušení proudu z baterie do cívek se indukuje značné napětí, které může způsobit přinejmenším šok. Opravdu při pokusu dávejte pozor, nemohou ho dělat děti samy.

Obr. 24. Elektromagnet napájený tužkovou baterií teď nese závaží o hmotnosti 27 kg. V optimálních podmínkách (dobře přiléhající části jádra) dosáhne nosnosti až 35 kg. Předměty v magnetickém poli Pro vznik magnetické síly mezi magnetovanými tělesy v magnetickém poli je důležitá jeho orientace. Budou-li tělesa za sebou vzhledem k magnetickým indukčním čarám, budou se vzájemně přitahovat. Ocelové mince, sponky, piliny, hřebíčky, kuličky,… vytváří řetězce. Budou-li však vedle sebe, zmagnetují se tak, že souhlasné póly budou také vedle sebe a tělesa se budou se odpuzovat. Magnet a mince České mince jsou z povrchově upravované měkké oceli, jsou feromagnetické, magneticky měkké. Spoustu pokusů s mincemi lze najít v [1], [2], viz také obr. 25, 28. Hřebíky na magnetu Tyčový magnet upevníme do stojanu ve svislé poloze a pod něj přichytíme (magnetickou silou) k jednomu pólu dva velké těžké hřebíky, nejlépe hrotem k magnetu. Opačné konce se pak budou odpuzovat. Hřebíky se totiž zmagnetují tak, že u severního pólu magnetu jsou jižní póly hřebíků, na opačném konci jsou severní póly a ty se odpuzují. Viz obr. 27.

135

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Úplně jinak je to nakresleno při magnetování ocelových kuliček a trochu ke zmatení pak vede návod ke stavebnici Geomag (viz [15] a příloha 1).

Obr. 25, 26. Sloupeček všech platných českých mincí a „sněhulák“ z ocelových kuliček – tajemstvím úspěchu je neodymový magnet v plastovém víčku.

Obr. 27, 28. Hřebíky pod magnetem se vzájemně odpuzují (vlevo). Mince zmagnetované v magnetickém poli prstencového magnetu se vzájemně přitahují větší silou, než magnet přitahuje nejbližší minci. Proto řetízek mincí drží pohromadě (vpravo). Stavebnice Geomag To že má na internetu trochu nepřesný návod, neznamená, že jde o špatnou stavebnici. Naopak pro některé pokusy je přímo skvělá. Ať již jde o originál, nebo o více méně zdařilé napodobeniny jako jsou Neomag, Euromag, Supermag, Profi-mag, BORNIMAGO Clasic, Neocomb apod., jde vždy o stejný princip. Ocelové tyčinky zakončené na obou koncích shodně orientovanými malými válcovými niklovanými neodymovými magnety zastříknutými v plastu, které se spojují buď přímo, nebo prostřednictvím ocelových magneticky měkkých kuliček (u Neocombu jsou celé tyčinky z neodymu). Lze sestavit magnetku, oscilátory, vázaná kyvadla,… Pozor na znečištění magnetů a kuliček železnými pilinkami, drobnými odštěpky feritových či neodymových magnetů nebo niklovými 136

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem šupinkami z povrchové úpravy neodymů. Pak již není možné hladké odvalování kuliček po sobě a dynamické objekty nefungují. Viz obr. 29, 30.

Obr. 29 (nahoře). Z dílků stavebnice Geomag sestavená dvojice magneticky vázaných oscilátorů. Při rozkmitání jednoho se postupně rozkmitá druhý a obráceně. Všechny čtyři trojúhelníky musí mít ve volném kmitajícím vrcholu stejný pól, aby se vzájemně odpuzovaly. Obr. 30 (vlevo). Pilinový obrázek vytvořený pomocí okénka. Magnety jsou pod okénkem, pilinky v okénku.

Jazýčkové relé Principem jsou dva tyčinkové kontakty – jazýčky z feromagnetické látky. Při zmagnetování se přitáhnou a elektricky spojí. Jen je třeba přiblížit magnet tak, aby jazýčky byly ve směru magnetických indukčních čar ([1], [2]).

Obr. 31, 32, 33. Jazýčkové relé a magnet. Relé sepne, jen pokud magnetické indukční čáry budou mít v místě jazýčkového kontaktu směr osy jako vlastní kontakty – jazýčky. Tj. v první Gausově poloze – situace uprostřed a ve druhé Gaussově poloze – situace vpravo.

137

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Feromagnetické a neferomagnetické látky Všechny látky se nějak chovají vůči magnetickému poli a na každou látku působí magnetické pole silou. U feromagnetických látek typu železo, nikl, kobalt, gadolinium a magneticky měkkých feritů je silové působení výrazné a tyto látky jsou magnety přitahovány. U ostatních je silové působení mnohem méně znatelné. Těm říkáme neferomagnetické látky a rozdělujeme na ty, které magnet slabě přitahuje – paramagnetické a na ty, které slabě odpuzuje – diamagnetické. Odlišíme je snadno zavěšením na improvizované torzní vážky a přiblížením většího neodymového magnetu (viz [1]). Přitahování a odpuzování je skutečně slabé, ale zjistitelné. Nejvýraznější diamagnetismus vykazuje uhlík, bizmut, cín ale i voda. Naopak paramagnetická je např. modrá skalice nebo hypermangan. Pozor na situaci, kdy v diamagnetické látce je přimíseno velmi malé množství feromagnetika a látka se pak chová jako paramagnetická. Typické třeba pro měď. Kovová měď je diamagnetická, ale měděný drát je obvykle velmi slabě k magnetu přitahován. Změna vlastností látky Feromagnetismus není vlastností atomů, ale jejich uspořádání. Změnou chemického složení – uspořádání jen přítomných atomů v látce se může změnit její magnetické chování. Vezměte zápalku s červenohnědou hlavičkou. Jako barvivo jsou v ní přítomny oxidy železa. Na přiblížení magnetu nijak viditelně nereaguje. Když vyhoří, při vysoké teplotě dojde k chemickým změnám a původně nemagnetická hlavička zápalky se nyní přitahuje k magnetu. Obr. 34. Na nepoužitou zápalku magnetické pole viditelně nepůsobí, vyhořelou přitahuje tak, že zápalku unese.

Magnetická levitace Vznášení předmětů v silovém poli bez hmatatelného kontaktu s věcmi v okolí, to asi fascinuje každého. Magnetické pole to umožňuje hned několika způsoby. Ale samotné statické magnetické pole na to nestačí. Aby se samotný magnet vznášel v poli jiných magnetů, musí se mu pomoci jinou silou. To už objevil a teoreticky zdůvodnil Earnshaw v předminulém století. Statická rovnováha s mechanickou stabilizací Kromě magnetické a gravitační síly působí na levitující těleso další těleso bezprostředním dotykem. Ideální zdroj námětů pro popisy silového působení. Železo na provázku pod magnetem. Ocelový kroužek je přitahován k magnetu nad ním, ale zdola je připoután vláknem tak, aby se dala měnit vzdálenost mezi magnetem a kroužkem. Navíc můžeme soustavu orientovat vodorovně, nebo obrátit magnetem dolů.

138

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Magnety nad sebou. Velmi častá a snad nejjednodušší varianta levitace. Magnety s otvorem navlékneme na plastový či dřevěný kolík souhlasnými póly vždy proti sobě. Mezi magnety můžeme vkládat materiály různých magnetických vlastností a sledovat, co se stane.

Obr. 35 (vlevo). Ocelový kroužek na klíče přitahovaný k magnetu. Jeho vzdálenost od magnetu lze měnit natáčením nitě na dřevěný kolíček. Průhledná nádoba je od tenisových míčků a magnet uvnitř drží magnetickou silou tři korunové mince z druhé strany Obr. 36, 37 (uprostřed a vpravo). Dva prstencové magnety se shodnými póly na plochách proti sobě levitují nad sebou. Jestliže je však přiblížíme těsně k sobě, přitáhnou se!

Obr. 38 (vlevo). Magnet levitující nad úplně Obr. 39 (vpravo). Uspořádání prstencových stejným magnetem pod deskou je udržován magnetů nad sebou umožňuje vkládání ve své poloze připoutáním pomocí čtyř vlasců. různých materiálů mezi magnety. Magnetické ložisko Vzájemné odpuzování magnetů spojené s volným otáčivým pohybem přímo předurčuje takové soustavy k vytváření ložisek s minimálním momentem odporových sil. Magnety se se odpuzují nejen v poloze shodnými póly proti sobě (první Gaussova poloha), ale i tehdy, když jsou jejich osy rovnoběžné (druhá Gaussova poloha). Dokonce v této poloze při přiblížení tolik neuhýbají do stran a odpuzování má širší využití. Pro příklad na obr. 42 jsou vozíky využívající odpuzování magnetů s rovnoběžnými osami k pružnému rázu mezi vozíky. Změna hmotnosti se pak provede přidáváním dalších prstencových magnetů na spodní, které už jsou připevněné k vozíkům. 139


Obr. 40 (vlevo). Levitující propisovačka jako zajímavý předmět. Za ní pak ekvivalentní konstrukce z prstencových feritových magnetů o průměru cca 2 cm. Při pečlivém vyvážení se rotor s magnety po roztočení v prstech vydrží otáčet desítky sekund. Obr. 41 (vpravo). Motor využívající malého tření magnetického ložiska. Studentská konstrukce žáka Martina Součka v kroužku elektroniky při Jiráskově gymnáziu v Náchodě. Oscilátor napájející cívku udržující rotor v otáčení odebírá jen cca 1 mA.

Obr. 42. Vozíky s magnety pro pružný ráz. Vozíky jsou plastové, magnety se odpuzují. Železo nad magnetem Nad magnetem nemusí levitovat jen další magnet, může levitovat i železná trubička. Podmínkou je vhodný tvar magnetického pole. Principem je, že na feromagnetický materiál v magnetickém poli působí síla ve směru největšího nárůstu hustoty magnetických indukčních čar. Je-li zdrojem magnetického pole kruhový magnet s otvorem uprostřed, takové podmínky nastanou. Jde o stejný magnet jako je v mikrovlnkách nebo v reproduktorech.

140


Obr. 43. Trubička z magneticky měkkého železa levitující nad prstencovým magnetem z reproduktoru. V ose magnetu je udržována skleněnou tyčinkou. Dolní konec trubičky je asi 1 cm nad rovinou magnetu. Při otočení trubičkou dolů poklesne trubička asi na vzdálenost 2 cm. V jakékoli poloze po malém vychýlení z rovnovážné polohy a uvolnění vykonává tlumené kmity. Levitron Známá a velmi působivá hračka. Nad velkým plošným magnetem, který uprostřed má opačnou orientaci magnetického pole než po obvodu, se vznáší rotující setrvačník z dalšího magnetu. Orientace magnetických polí antiparalelně zajišťuje odpuzování silou působící proti gravitaci a rotace zabraňuje převrácení. Velmi důležité je, aby v ose dolního magnetu mělo do určité vzdálenosti jeho pole směr např. dolů, se vzdalováním sláblo, v určitém bodě mělo nulovou hodnotu, pak se zesilovalo v opačném směru až na maximum a pak opět postupně klesalo na nulovou hodnotu ve velké vzdálenosti. Toho se dá docílit, když nosný magnet má uprostřed otvor, nebo v centrální části magnetické desky je magnetován opačně než v obvodových částech (viz příloha 5 a obr. 45). Magneticky ekvivalentní uspořádání dolního statoru a horního rotoru odpovídá poloze magnetů na obr. 36 a 37. Podrobný popis viz [1] a mnoho dalších odkazů na internetu po zadání hesla „Levitron“.

Obr. 44 (vlevo). Levitron v pohybu. Malý rotující diskový neodymový magnet nad velkým spodním feritovým magnetem ve výšce cca 4 cm vydrží rotovat až cca 150 sekund. Obr. 45 (vpravo): Pilinkový obrázek magnetického pole magnetu levitronu. Pole je v těsné blízkosti magnetu velmi nehomogenní. V centrální části je oblast zmagnetovaná opačně než v jiných částech plochy. 141

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Diamagnetická levitace To je již skutečná levitace jen při působením gravitační a magnetické síly. Využíváme toho, že diamagnetická látka slabě odpuzuje magnety. Nejsilnější působení je u uhlíku. Na destičku diamagnetického uhlíku položíme maličký neodymový magnetek o objem řádově 10 mm3. Shora přiblížíme mohutný feritový nebo neodymový magnet, který je schopen zvednout a přitáhnout magnetek ze vzdálenosti několika centimetrů. Čím je tato vzdálenost větší, tím lépe. Přiblížíme horní magnet tak, že takřka dosáhneme vyrovnání přitažlivé magnetické síly a tíhy magnetku, ale magnetek stále ještě spočívá na uhlíkové destičce. O zbytek se postará diamagnetické odpuzování a magnetek začne plavat cca 1 mm nad uhlíkovou destičkou. Vhodný uhlík je třeba z uhlíkových elektrod pro elektrolýzu, nebo z uhlíkových kartáčků elektromotorů. To je nutno vyzkoušet. Někdy totiž uhlíky bývají znečištěny feromagnetickými příměsemi a pak magnetky neodpuzují. Obr. 46 (vlevo). Uspořádání pokusu při pozorování diamagnetické levitace. Nahoře je velký válcový neodymový magnet v plastovém pouzdře, dole nad uhlíkem se vznáší malý neodymový magnet. Obr. 47 (dole). Detail. Mezera mezi magnetem a uhlíkem je 0,5–1 mm. Uhlík je z kartáčku elektromotoru, magnetek z hlavičky CD ROM.

Dynamická levitace se zpětnou vazbou Jde v principu o přitahování magnetické látky elektromagnetem. Když se levitující předmět přiblíží příliš blízko k cívce, pod níž visí v jejím magnetickém poli, přeruší se nebo alespoň výrazně poklesne hodnota proudu v cívce a předmět začne padat. Zpětná vazba však způsobí rychlý nárůst proudu v cívce a elektromagnet zase předmět přitáhne zpět. Zpětná vazba může být optická – předmět přerušuje světelný ( infračervený) paprsek dopadající na čidlo, nebo magnetická – vyhodnocovací obvod hlídá přednastavenou hodnotu magnetického pole v závislosti na poloze levitujícího předmětu.

142


Obr. 48 (vlevo). Dekorační předmět levitující globus zavěšený v magnetickém poli je udržován v dané poloze elektromagnetem s magnetickou zpětnou vazbou (Hallův článek).

Obr. 49 (vpravo). Odpovídající náhrada globu – malý neodym, železná tyčka a kulička jako přiměřená zátěž.

Elektromagnetická indukce U pokusu s elektromagnetem napájeným tužkovou baterií o napětí 1,5 V může skutečně dojít k úrazu elektrickým proudem. Elektromagnetem prochází proud okolo čtvrt ampéru. Indukčnost cívky je však několik henry a to představuje již značnou energii magnetického pole. Při jeho zániku v okamžiku přerušení proudu se indukuje napětí řádově tisíců voltů. Připojená zářivka spolehlivě blikne. Pro běžné žákovské pokusy je vhodnější něco bezpečnějšího. Válcová cívka s magnetem Vděčný pokus – k cívce 1200 z. připojíme demonstrační ampérmetr s nulou uprostřed s rozsahem 3-0-3 mA. Zasouváním a vysouváním magnetu z cívky se indukuje proud. Totéž v malém funguje jako stabilní pokus, který se dá posílat po třídě. Obr. 50. Mobilní pokus na elektromagnetickou indukci, který lze poslat po třídě, tak aby si ho každý žák mohl vyzkoušet. Měřicí přístroj má rozměr 4× 4 cm, cívka je z relé (viz obr. 22, 23). Magnet je feritová tyčka magnetovaná podélně – jeden konec N, druhý S. Při pohybech magnetu v dutině cívky se v ní indukuje odpovídající proud.

143

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Spojené reproduktory Vděčný trvalý pokus. Dva reproduktory s gumovým uložením membrány, které jí umožňuje razantnější pohyby s velkou amplitudou. Membrána je pevně spojena s cívkou, která je ve velmi silném magnetickém poli permanentního magnetu. Reproduktory propojíme silnější dvoulinkou. Když na jeden reproduktor poklepeme prstem, na cívce se indukuje napětí a membrána druhého reproduktoru také poskočí. Její pohyb zvýrazníme, když na položený reproduktor naklademe několik kousků lehkého polystyrenu. Také budou poskakovat. Spojené mechaniky Také vděčný trvalý pokus. Dvě cd mechaniky zbavíme veškeré elektroniky a necháme pouze motorek zajišťující vysouvání a zasouvání držáku na disk. Motorky dvou mechanik propojíme slabou dvoulinkou. Když uchopíme držák CD a pomalu jej táhneme, motorek se otáčí a generuje proud napájející druhý motorek a táhlo na druhé mechanice se vysune. Stejně tak při zatahování mechaniky. Posouváme jedním táhlem a druhé se pohybuje synchronně. Elektron v magnetickém poli To že magnet působí na pohybující se náboj, se dá nejsnáze ověřit, pokud máte ještě televizi nebo aspoň monitor s vakuovou obrazovkou, tzv. CRT monitor. Funguje na principu pohybu elektronu uvolněného z katody termoemisí a urychleného vysokým napětím. Po dopadu na stínítko, které je z vnitřní strany pokryté luminoforem, se mění jeho kinetická energie na světlo. Místo, kam elektron dopadne, se řídí magnetickým polem vychylovacích cívek. Když přiblížíme k obrazovce magnet, tak elektrony budou dopadat na úplně jiná místa, obraz se zdeformuje a objeví se barevné vady. Celá obrazovka se pokryje barevnými křivkami. Protože obrazovka obsahuje ocelový plech, může po oddálení magnetu zůstat zmagnetovaná a obraz bude barevně nesprávný. Je nutná demagnetizace stínítka. Dalším a dnes už asi v domácnostech jediným místem, kde se řízeně pohybuje elektron v magnetickém poli, je magnetron v mikrovlnce. Zajímavý je nejen tím, že lze pozorovat uspořádání magnetů nad sebou pro vytvoření axiálního magnetického pole v magnetronu, ale hlavně to, že tyto magnety jsou mimořádně vhodné k pokusům, a dají se z magnetronu poměrně snadno (jen za pomocí šroubováku a kleští) dostat. Naštěstí nejsou lepené.

Obr. 51. Sloupec magnetů před stínítkem vakuové barevné obrazovky, která původně zobrazovala modrou plochu. 144

Obr. 52. Magnetron z mikrovlnky

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Literatura [1] Polák Z.: Hrátky s magnetismem. Vzdělávací program ČEZ, a.s., Svět energie, Ed.: P. Žilavý. http://www.cez.cz/cs/vyzkum-a-vzdelavani/pro-studenty/materialy-kestudiu/tiskoviny/8.html

[2] http://vnuf.cz/sbornik_old/rozsirene/Polak/01_Polak.html [3] https://otik.uk.zcu.cz/bitstream/handle/11025/7487/Diplomova_prace_SERY.pdf?sequence=1 [4] http://www.sinomag.cz [5] http://www.sinomag.cz/sinomag.cz/data/sinomag/downloads/Permanentni_magnety.pdf [6] http://www.abcmagnet.cz/ [7] http://www.elidis.cz/ [8] http://www.magsy.cz/ [9] http://www.unimagnet.cz/ [10] http://www.neomag.cz/ [11] http://www.magnetyeu.cz/ [12] http://www.coolmagnetman.com/magindex.htm [13] http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/visualizations/guidedtour/tour.pdf [14] http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/visualizations/guidedtour/GuidedTour.htm [15] http://www.magnethrou.cz/navody/ [16] http://fyzika.gymnachod.cz/lab/vernier/ukazkyver.htm

145

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Příloha 1: kopie návodu na stavebnici Geomag. (Převzato z [15]) První strana návodu:

146

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Druhá strana návodu:

147

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Příloha 2 Graf závislosti magnetické indukce v podélné ose tyčového magnetu AlNiCo na vzdálenosti od jeho středu. Magnet je válec o průměru 1,5 cm délce 11 cm. Měřeno sondou Vernier na rozsahu sondy do 6,8 mT. Magnetická indukce klesá mocninovou závislostí s exponentem – 3,6.

Závislost magnetické indukce na vzdálenosti pro tyčový magnet - AlNiCo dlouhý válec B (mT) 8,00

7,00

y = 14624x-3,636 6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0

5

10

15

20

25

Vzdálenost od středu magnetu (cm)

148

30

35

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Příloha 3 Graf závislosti magnetické indukce v podélné ose válcového neodymového magnetu NdFeB na vzdálenosti od jeho středu. Magnet je válec o průměru 2,6 cm výšce 1,5 cm. Měřeno sondou Vernier na rozsahu sondy do 6,8 mT. Magnetická indukce klesá mocninovou závislostí s exponentem – 3,0.

B (mT)

Závislost magnetické indukce na vzdálenosti pro válcový magnet - Neodym krátký válec

7,00

y = 1313,3x-2,967 6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0

5

10

15

20

25

Vzdálenost od středu magnetu (cm)

149

30

35

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Příloha 4 Graf závislosti magnetické indukce v podélné ose prstencového magnetu z mikrovlnky na vzdálenosti od jeho středu. Magnet je dutý válec o vnějším průměru 5,6 cm, výšce 1,2 cm a průměru dutiny 2,2 cm. Měřeno sondou Vernier na rozsahu sondy do 6,8 mT. Magnetická indukce klesá mocninovou závislostí s exponentem -2,4. Ve větší vzdálenosti od magnetu se exponent mocninné závislosti zvětšuje a blíží k -3.

Závislost magnetické indukce na vzdálenosti pro magnet z mikrovlnky - kruhový ferit B ( mT) 8 7

y = 365,63x-2,442

6 5 4 3 2 1 0

0

5 10 15 Vzdálenost od středu magnetu (cm)

150

20

Zdeněk Polák: Hrátky s magnetismem Příloha 5 Graf závislosti magnetické indukce v podélné ose prstencového magnetu z reproduktoru na vzdálenosti od jeho středu. Magnet je dutý válec o vnějším průměru 10 cm, výšce 1,5 cm a průměru dutiny 5 cm. Měřeno sondou Vernier na rozsahu sondy do 6,8 mT. Hodnoty nad 7 mT neodpovídají realitě, ve skutečnosti jsou mnohem větší, rozhodně přes 10 mT. Sonda neměla potřebný rozsah.

B(mT)

Graf závislosti magnetické indukce prstencového magnetu na vzdálenosti od středu

10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 -2,0 -4,0 -6,0 -8,0

0

5

10

15

vzdálenost od středu magnetu ( cm)

151

20

25


Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Zdeněk Rakušan Krajská vědecká knihovna v Liberci Abstrakt Od září 2012 se v naší knihovně schází zájmový kroužek „Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme“. Setkání se konají jednou měsíčně a účastní se jich převážně děti mladšího školního věku s rodiči. Každé setkání má jiné téma a klademe důraz na to, aby si děti s připravenými pomůckami samy hrály a aby si odnesly i nějaký vlastní výrobek. Náměty čerpáme hlavně z literatury dostupné v knihovně, kterou pak vystavíme, aby ji děti mohly rozpůjčovat domů, a samozřejmě také z internetu. Mnohé aktivity patří mezi všeobecně známé a platí to i pro následující výběr. Texty proto budou většinou velmi stručné a pouze ty náměty, které jsme oproti jejich zdrojům výrazněji inovovali, popíšeme podrobněji. Elektrické hrátky Vstávající vlasy Zelektrovaná tyč a vlasy se vzájemně přitahují. Když se nenajde dobrovolnice (ani dobrovolník) s čerstvě umytou dlouhou kšticí, poslouží trubička od toaletního papíru s nalepenými plastovými „vlasy“ (což jsou původně ochranné fólie zabezpečovacích pásků, které se vlepují do knih – žádejte ve své knihovně ).

Vstávající vlasy Elektrický kolotoč Obrácená sklenice od okurek se na hřebíku trčícím z lahve může volně otáčet. Když na ni položíme zelektrovanou tyč a k tyči přiblížíme ruku, sklenice s tyčí se roztočí. 152

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme

Elektrický kolotoč Autíčko na dálkové ovládání Když přiblížíme zelektrovanou tyč, autíčko se k ní přitáhne, nabije se souhlasným nábojem a začne se od ní odpuzovat. Autíčko musí mít kovovou korbu izolovanou od podložky, minimální hmotnost a nápravy umožňující otáčení kol s minimálním odporem. Doporučuji proto korbu vyrobit z tuhé hliníkové fólie od margarínu, podvozek z polystyrenového tácku, nápravy z párátek (otáčet se budou uvnitř brčka) a kolečka z krabičky od margarínu (vystřihnout je podle obkreslené korunové mince).

Autíčko na dálkové ovládání

153

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Zkoušečka k testování vodičů a nevodičů Z kapesní svítilny je vymontován spínač a nahrazen dvojicí vodičů vyvedených ven. Když se dotknou, žárovka se rozsvítí. Takto upravenou svítilnu pak můžeme využít k ledasčemu, např. k rozlišování vodičů a nevodičů.

Zkoušečka k testování vodičů a nevodič Voltův článek s různými kovy Na prkénko jsme přilepili vzorky různých kovů (ideálně drobné předměty, které se typicky vyrábějí z příslušných kovů). Když se jednou rukou dotkneme jednoho vzorku a druhou rukou druhého, vznikne mezi nimi (tj. mezi elektrodami Voltova článku) změřitelné napětí (elektrolytem je tělo experimentujícího). Můžeme pak nechat děti zjišťovat, při které kombinaci kovů vzniká největší napětí, a zjištění ověřit pomocí Beketovovy řady kovů.

154


Voltův článek s různými kovy Malá větrná elektrárna Jako generátor napětí postačí elektromotorek, který připevníme např. k dřevěnému hranolu. Turbína je vyrobena z dna plastové lahve: z každé „nožičky“ jsme půlku odřízli a druhá půlka funguje jako lopatka. S motorkem je turbína pevně spojena „čokoládou“, do níž jsme z jedné strany uchytili osu motorku a z druhé strany hřebík trčící z turbíny (rozžhavený jsme jej protlačili středem dna lahve).

Malá větrná elektrárna 155

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Galvanické pokovování jednoduše Do misky nalijeme roztok měděné skalice. Anoda je měděná, katodou bude předmět, který chceme pokovit (na obrázku chybí). Jako zdroj napětí nám dobře poslouží stará nabíječka mobilního telefonu, kterou jsme k tomu účelu opatřili krokosvorkami.

Galvanické pokovování jednoduše Hrátky s teplem Model spalovacího motoru Nápad pochází z jedné učebnice chemie ([3], s. 30), ale my jej realizujeme trochu jinak. Dóza zbavená dna představuje válec, volně položené víčko píst. Když do válce vstříkneme trochu propan-butanu a zažehneme jej zapalovačem k plynovému sporáku, dojde k efektnímu výbuchu.

Model spalovacího motoru 156

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Hrátky se zrakem Stereoskop Levým okem se díváme pouze na obrázek určený levému oku, pravým pouze na obrázek určený pravému. K oddělení obrázků slouží stereoskop, ale někdy postačí i obyčejný kus kartonu  (Podrobněji o stereoskopii: Öveges, 1965, s. 174 nebo Rakušan, Votrubcová a Havlíček, 2014, s. 149)

Stereoskop Zoetrop (Viz např. Yoe, 2003, s. 99.) K roztočení doporučujeme použít spodek z balíčku cédéček posazený na tužku. Výroba je snadná: stačí okopírovat předlohu, vystřihnout oba pásky a slepit je (viz přílohu ZOETROP)

Zoetrop 157

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Zrakové klamy vlastnoručně Mnohé z oblíbených zrakových klamů (viz např. Seckel, 2003 nebo Yoe, 2003) snadno vyrobíme vlastníma rukama z papíru nebo ze dřeva a jsou pak ještě přesvědčivější.

Zrakové klamy vlastnoručně

Náročný odhad délky Ještě přesvědčivější jsou zrakové klamy v interaktivní podobě. V tomto případě má dítě za úkol zasunout levou část pomůcky do pravé tak daleko, aby mu obě úsečky připadaly stejně dlouhé. Když pak ověří svůj odhad pravítkem, ke svému překvapení zjistí až několikacentimetrový rozdíl! Mimochodem, toto je jeden z mála zrakových klamů, které se dají jednoduše vysvětlit. Úsečku vlevo pozorovatelův mozek interpretuje jako hranu nějakého kvádru či hranolu, která trčí směrem k němu, a druhou úsečku právě opačně. A protože je zvyklý, že bližší objekty se mu jeví větší než ve skutečnosti a naopak, bude tendenci délku levé úsečky podceňovat a délku pravé úsečky přeceňovat a nastaví pomůcku tak, jak je vidět na obrázku.

Náročný odhad délky

158

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Kouzlíme a čarujeme Zdánlivě padající destička Tuto oblíbenou hračku snadno zhotovíme z papírových destiček, nařezaných z kartonu dostatečné tuhosti a plošné hustoty, a tkalounu (návod: Barborini, 2007, s. 58).

Zdánlivě padající destička Měříme a vážíme Jak dlouhé máš vedení? Známý pokus: jeden nechá padat pravítko a druhý se je snaží co nejdříve zachytit; snadno se pak určí dráha pravítka a z ní vypočítá doba jeho pádu – resp. reakční doba testované osoby. Místo pravítka můžeme použít kus kartonu se stupnicí přímo v sekundách. Má to ale háček: jen jedna ze stupnic na obrázku má smysl – která a proč? 

159


Jak dlouhé máš vedení?

Odhady objemu Ve všech sklenicích sahá voda do stejné výšky. Ne ve všech je ale stejný objem vody . Roztřiď sklenice do 3 skupin: kde je stejný objem vody jako v nulté sklenici, kde je jí míň a kde víc. Své odhady ověř. (Sklenice s vodou doporučujeme očíslovat. Nultou sklenici je výhodné nechat prázdnou – výšku hladiny na ni jen vyznačit.)

Odhady objemu

160

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Kolik korun potřebuješ k vyvážení jedné desetikoruny? Deset, napadne asi každého během první sekundy. A i když mu záhy dojde, že to tak nejspíš nebude, stejně ta prvotní myšlenka ovlivní jeho odhad. (Ona totiž není úplně scestná: kdyby byly mince zhotoveny z příslušných množství určitého drahého kovu, jako tomu bylo kdysi, tak bychom skutečně desetikorunu vyvážili přesně deseti korunami.) K ověřování odhadů mohou děti použít běžné váhy anebo vahadlo opatřené magnety (navíc tak zjistí, že mince – včetně zdánlivě „měděné“ desetikoruny! – obsahují feromagnetickou látku).

Kolik korun potřebuješ k vyvážení jedné desetikoruny?

Hrátky s čísly Logaritmické pravítko Se zjednodušeným logaritmickým pravítkem si mohou pohrát i menší děti – viz následující návod. Vlastní „logáro“ si jednoduše vystřihnou z nakopírované předlohy (viz přílohu LOGARO).

161


Logaritmické pravítko

162

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Hlavolamy Trojúhelník

Trojúhelník

Padáme, vznášíme se, létáme Vrtulka Nápad jsme kdysi našli v nějaké knížce nebo na internetu (přesný zdroj už se nám bohužel nepodařilo dohledat), ale předloha k výrobě (viz přílohu VRTULKA) je naše vlastní. Podle plných čar se stříhá, podle čárkovaných ohýbá, tečkované jsou jen informativní. Zatížíme kancelářskou sponkou. Když hračku necháme padat, pěkně se roztočí.

Vrtulka Zrušení gravitace  Okénkem vyříznutým do papírové krabice diváci vidí kancelářskou sponku, která visí na niti směrem vzhůru. Samozřejmě tvrdíme, že jsme sponku očarovali. Skutečnou příčinou je ale silný (např. neodymový) magnet, schovaný za horním okrajem okénka.

163


Zrušení gravitace Vzduchová raketka Když láhev stiskneme, papírová raketka posazená na hrdlo láhve prudce vystartuje. Nápad jsme převzali od J. Pachlové (viz [7]), ale vyrábíme hračku z papíru a předloha k vyrábění (viz přílohy RAKETKA1 a RAKETKA2) je naše vlastní.

Vzduchová raketka

164

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Vyrábíme všelicos z trubiček od toaletního papíru Periskop se skládá z jedné či dvou spojených trubiček a dvou úzkých obdélníkových zrcátek, která jsme vyrobili z vyřazeného CD. Kaleidoskop (krasohled) tvoří trubička, tři zrcátka a kousíčky barevných papírů, které se přesýpají mezi průhlednou fólií a průsvitným svačinovým papírem. Famfrnoch je lidový hudební nástroj. Jeho znějící papírovou maketu rozezvučíme tak, že po provázku připevněném ke svačinovému papíru (tvořícímu dno nástroje) přejíždíme namočeným papírovým kapesníkem, který svíráme mezi prsty.

Zleva: periskop (delší a kratší), kaleidoskop a famfrnoch

Vzduchchch… Krabice k pozorování proudění vzduchu (Podrobně je pomůcka popsána v knize [12], s. 90). Pod levým komínem hoří svíčka, v pravém komínu držíme doutnající svitek filtračního papíru (po zapálení a sfouknutí ještě dlouho doutná). Dým vidíme vystupovat pouze levým komínem.

165


Krabice k pozorování proudění vzduchu Závodíme!!! Natahovací autíčko z krabičky od margarínu Jak je patrné z pravého obrázku, k zadní nápravě autíčka je přivázána gumička, jejíž opačný konec je provlečen otvorem v krabičce a uchycen kouskem brčka (viz levý obrázek). „Natočené“ autíčko doporučujeme pustit po koberci, nikoli po hladké podlaze. Pokud i na koberci budou kolečka podkluzovat, můžeme zkusit zatížit autíčko pomocí plastelíny.

Natahovací autíčko z krabičky od margarínu Autíčko s „raketovým“ motorem Vyrábíme-li hračku z papíru, musíme ji zatížit např. plastelínou, abychom dosáhli dostatečného tření mezi kolečky a podložkou. 166


Autíčko s „raketovým“ motorem Slalom „Notoricky“ známá aktivita: dítě se snaží dostat karabinku co nejrychleji na opačný konec zohýbaného drátu, aniž by se ho při tom dotkla. Při dotyku se rozsvítí upravená svítilna (viz text Zkoušečka vodičů a nevodičů).

Slalom S přemetem a bez přemetu Úkoly: dostaň trubičku do hrnku, aniž se jí dotkneš, a to tak, aby při tom… 167

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 a) udělala přemet, b) neudělala přemet. (Řešení úkolu b): když do tácku cvrnkneme, odletí tak rychle, že nestačí strhnout trubičku k přemetu.)

S přemetem a bez přemetu Pokusy na prázdniny Napínání bubliny K demonstraci povrchových jevů se běžně užívá rámeček s pohyblivou příčkou. Pro menší děti jej můžeme nahradit čtvercem z nitě, z jehož rohů vycházejí nitky přivázané ke špejlím. Čtverec vytažený z roztoku saponátu se prudce smrští, ale působením proti povrchovým silám jej můžeme znovu roztáhnout do původní velikosti.

Napínání bubliny

168

Zdeněk Rakušan: Hrajeme si, přemýšlíme a vyrábíme Pupek Česka Kde zhruba leží „pupek“ České republiky, to děti snadno zjistí, když najdou těžiště jejího tvaru vystřiženého z papíru a na mapě určí polohu tohoto bodu. Obrysovou mapu ČR snadno vytiskneme z internetu, vystřihneme ji a obkreslíme na karton; podle této šablony si ji děti obkreslí na kancelářský papír atd.

Pupek Česka

Literatura [1] BARBORINI, Robert. Největší kniha aktivit: [pro děti od 7 let. Vyd. 1. Brno: Computer Press, 2006, 191 s. ISBN 80-251-1231-4. [2] BARBORINI, Robert. Největší kniha hlavolamů: pro děti od 9 let. Vyd. 1. Brno: Computer Press, 2007, 155 s. ISBN 978-80-251-1464-3 [3] BÍLEK, Martin a Jiří RYCHTERA. Chemie na každém kroku. 1. vyd. Praha: Moby Dick, 2001, 190 s. ISBN 80-86237-05-2 [4] CITA, Jaroslav. Velká kuchařka bavičů a kouzelníků: kouzla, skládačky, hry a chytačky. Vyd. 1. Ostrava: Librex, 2001, 128 s. ISBN 80-7228-309-x. [5] HOWARTH, Ian a Patrick GREEN. Skvělé hry a hádanky pro zvídavé děti: poznej tajemství svého myšlení. České vyd. 1. Praha: Svojtka & Co., 2001, 80 s. ISBN 807237-373-0. [6] ÖVEGES, József. Fyzikální kratochvíle. 1. vyd. v SNDK. Praha: SNDK, 1965, 290 s.

169

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 [7] PACHLOVÁ, Jaroslava. Vzduchová raketka. Metodický portál RVP.CZ: inspirace a zkušenosti učitelů [online]. [cit. 2015-11-01]. Dostupné z: http://wiki.rvp.cz/Knihovna/Tvorive_pokusohrani/Vzduchov%C3%A1_raketka [8] RAKUŠAN, Zdeněk, Šárka VOTRUBCOVÁ a Jan HAVLÍČEK. Experimentář. 2. vyd. Liberec: IQlandia, 2014, 274 s. ISBN 978-80-260-5292-0. [9] SECKEL, Al. Velká kniha optických iluzí. 1. vyd. Praha: Albatros, 2003, 160 s. ISBN 80-00-01236-7 [10] SENĆANSKI, Tomislav. Malý vědec: experimenty, které můžete provádět i doma. Vyd. 1. [11] YOE, Craig. Optické triky a iluze. 1. vyd. Praha: Albatros, 2003, 143 s. ISBN 80-0001175-1. [12] Základy přírodních věd v pokusech. 1. vyd. Praha: SPN, 1971, 230 s..

170

Jaroslav Reichl: Papírová fyzika a matematika

Papírová fyzika a matematika Jaroslav Reichl SPŠST Panská Praha Abstrakt Příspěvek obsahuje popis aktivit, kterými lze obohatit výuku fyziky i matematiky, případně je použít na suplované hodiny, předvánoční hodiny, na školy v přírodě a podobně. Náklady na popsané aktivity jsou velmi malé: ve většině z nich vystačíme s papírem formátu A4, případně s předpřipravenými šablonami vytištěnými na tyto papíry. Úvod Hodiny fyziky a matematiky je vhodné obohatit také jednoduchými experimenty, které mohou provádět žáci samostatně. Případně je možné nechat žáky vyrobit vlastní modely, se kterými poté budou pracovat. Aby byly tyto aktivity cenově dostupné, je potřeba využívat co nejběžnější a nejjednodušší pomůcky. V textu v příloze jsou popsané experimenty a připravené návody na výrobu pomůcek, ke kterým ve většině případů postačuje kancelářský papír. V řadě případů je nutné využít předpřipravené šablony, sítě nebo schémata, se kterými budou později žáci samostatně pracovat. Pro některé popsané experimenty jsou nutné další běžně dostupné pomůcky (roličky od toaletního papíru, provázek, lepidlo, …). Kromě prohlubování fyzikálních a matematických znalostí či rozvíjení geometrických představ a logického myšlení mohou popsané náměty sloužit také k rozvoji motorických dovedností. V řadě případů je nutné vystřihnout připravenou síť tělesa nebo obrázek a s vystřiženými obrazci dále pracovat. Už sama činnost, která předchází vlastní práci s vyrobenou pomůckou, je pro žáky velmi cenná. Učí se přesně vystřihovat nakreslené „obrázky“; přesnost vystřižení předlohy je přitom v některých popsaných případech velmi podstatná pro správné sestavení daného modelu. Aktivity popsané v textu jsou vhodné jak pro žáky základních škol, tak pro žáky středních škol. Na různém stupni vzdělání lze materiál přizpůsobit věku žáků (zjednodušit, vynechat některé úlohy, nebo naopak některé úlohy doplněné případně i o výpočty do zadání žákům přidat). Všechny popsané aktivity ve své pedagogické činnosti používám; různé materiály přitom využívám různě – motivace žáků, ukázka konkrétní situace nebo modelu při probírání daného fyzikálního nebo matematického jevu, samostatná práce žáků během vyučovací hodiny nebo v rámci domácí přípravy na další hodinu. Všechny materiály a šablony jsou v samostatné příloze.

171


Fyzika Země s nadšením Petr Schnabl Geologický ústav AV ČR, v. v. i. Scientica agency, s.r.o.

Abstrakt Fyzika Země je velice zajímavá věda, která zkoumá fyzikální vlastnosti planety Země. Tato věda se původně zabývala klasickými fyzikálními jevy, jako jsou gravitace, elektřina, magnetizmus nebo například šíření zemětřesných vln. V klasickém věku fyziky Země se aplikované metody používaly při vyhledávání ropy, zemního plynu, rud a dalšího nerostného bohatství. Magnetometrie byla první metodou, která prokázala pohyb kontinentů a předpověděla existenci výronů žhavé lávy v oblasti středooceánských hřbetů, které pravidelně přepalovaly telefonní spojení mezi Evropou a Severní Amerikou. Fyzika Země ale postupně rozšiřuje pole působnosti a pomáhá velkému spektru oborů od oceánografie a klimatologie, přes geografii či archeologii, až po vojenství. Mnohé metody aplikované na Zemi se začínají používat i při studiu ostatních planet naší sluneční soustavy. V současné době se také velké množství geofyziků zabývá tvorbou varovných systémů, které se snaží minimalizovat dopad přírodních katastrof, jako například vln tsunami, sesuvů, vulkanických erupcí či zemětřesení. Fyziku Země můžeme žákům přiblížit několika jednoduchými pokusy. Jedním z nich je průchod světla přes tenký plátek horniny. Další pokusy ukazují, jak funguje konvekce v zemském plášti nebo magnetické vlastnosti nejběžnějších hornin na Zemi. Poslední pokus nabízí názornější představu o poločasu rozpadu, který se používá při určování stáří hornin. Světlo v kameni Světelný paprsek může procházet skoro všemi nerosty zemské kůry. Tato vlastnost se v praxi používá při mikroskopickém určování hornin a při studiu jejich struktury. Abychom si to ukázali, stačí někde získat tenký plátek horniny silný mezi 80 a 300 mikrony. Takový vzorek horniny nalepený na sklíčku dokáže připravit jakýkoliv brusič skla či drahých kamenů. Případně můžeme použít originální horninový výbrus 40 mikrometrů tenký, který si můžete objednat ve většině ústavů zabývajících se vědami o Zemi. Jako nejlepší hornina pro tento experiment se jeví hrubozrnná žula nebo pegmatit. Během experimentování si žáci mohou vložit vzorek mezi dvě polarizační fólie a podívat se proti světlu. Roviny polarizace fólií musí být na sebe kolmé. Po vložení vzorku mezi fólie pozorujeme, že jednotlivé minerály jsou světlé, zatímco místo, kde není vzorek, je tmavé (obr. 1). Tento jev je dán tím, že polarizované světlo, které propustí první fólie (polarizátor) je beze zbytku zachyceno druhou fólií (analyzátor). Krystalická mřížka anizotropních minerálů polarizované světlo stáčí, takže má část světelného spektra šanci projít analyzátorem. Tím se hornina jeví jako by svítila. Křemen a živec, kterých je ve výše zmiňovaných horninách nejvíce, bude mít, v závislosti na své tloušťce, bílou či žlutou barvu. Nakloníme-li výbrus tak, aby s procházejícím paprskem svíral úhel jiný než pravý, můžeme zahlédnout záblesky růžové či bleděmodré barvy, podobné jako mají olejové skvrny na vodě.

172

Petr Schnabl: Fyzika Země s nadšením Při tomto pokusu také můžeme pozorovat zhášení jednotlivých minerálů. Soustředíme se na jeden samostatný krystal a vzorkem rotujeme podle osy kolmé k jeho rovině. Když vzorek natočíme správným směrem, tj. kdy hlavní optická osa minerálu je rovnoběžná se směrem polarizace analyzátoru či polarizátoru, dojde ke ztmavnutí minerálu. Toto ztmavnutí nazýváme zhášení. Zkušení pozorovatelé mohou při tomto pokusu identifikovat karlovarská dvojčata u draselného živce (ortoklasu) nebo laminaci u skupiny živců sodnovápenatých (plagioklasů). U křemene zase můžeme pozorovat zhášení ve vlnách (undulózní zhášení), což znamená, že část krystalu ztmavne dříve než část jiná. Tyto opticky odlišné oblasti u křemene do sebe postupně přecházejí a nikdy netvoří ostré hranice.

Obr. 1. pozorování horninových výbrusů mezi dvěma polarizačními foliemi Lávová lampa Vznik žulových masívů či cirkulaci hmot v zemském plášti si můžeme přiblížit pomocí lávové lampy. Tato lampa se skládá ze skleněné láhve obsahující dvě nemísitelné kapaliny o velice blízké hustotě a ze zdroje tepla. Jako zdroj tepla se nejčastěji používá klasická 40 až 60 wattová žárovka, kterou přikládáme vždy zespodu tak, aby se zahřívala kapalina s vyšší hustotou. Ta vlivem dodání energie zvětší svůj objem, tím se jí sníží hustota do té míry, že tato kapalina začne stoupat a prodírat se k povrchu skrz kapalinu nad ní. Při tomto pohybu dojde k předání energie a kapalina, která původně ležela na dně, se opět ochladí, tím zvýší svou hustotu a začne klesat zpět ke dnu. Jako nejvhodnější kapaliny k pokusu lze doporučit řepný olej a směs vody a lihu v přibližném poměru 1:7 až 1:10. Poměr záleží na kvalitě lihu, množství solí ve vodě a hustotě oleje. Směs vody a lihu připravíme v samostatné skleněné nádobě tak, že do nádoby nalijeme cca 1cm vody a přidáme kapku oleje, která plave na povrchu. Poté do vody postupně přiléváme technický líh a směs zamícháme. Snažíme se dosáhnout toho, aby se kapka oleje začala vznášet ve směsi vody a lihu. Poté dolijeme trochu oleje a zjišťujeme, zda se vznáší i větší objem oleje. Olej by se měl vznášet v horní polovině sklenice. Směs vody a lihu můžeme obarvit červeným potravinářským barvivem, tak aby 173

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 připomínal rozžhavenou kapalinu. Namíchanou směs přelejeme do průhledné půllitrové sklenice se šroubovacím víčkem tak, aby jí bylo cca 3 až 4 cm. Dolijeme olej tak, aby láhev byla skoro plná, poté ji zavíčkujeme a umístíme nad stolní lampičku tak, aby se dno láhve dotýkalo žárovky (obr. 2). Během několika desítek minut se směs vody s lihem začne vydouvat, přičemž mohou vznikat kulovitá tělesa, která stoupají k povrchu, kde se ochladí, a pak začnou padat dolů. Nakonec je zapotřebí se zmínit, že funkčnost lávové lampy je závislá na mnoha podmínkách, obzvláště venkovní teplotě, zdroji tepla atd. To znamená, že lávová lampa, která funguje v chladné místnosti, nemusí fungovat v místnosti přetopené či naopak. Z bezpečnostního hlediska je nutno používat proudový chránič nebo oddělovací transformátor pro případ, že by směs natekla do elektrického zařízení. Lávová lampa obsahuje hořlaviny, tudíž ji nenecháváme bez dozoru.

Obr. 2. jednoduchá lávová lampa

174

Petr Schnabl: Fyzika Země s nadšením Magnetické vlastnosti hornin Málokdo ví, že v přírodě můžeme najít “pravé” magnety a různé magnetické anomálie. Asi nejznámější je řídce se vyskytující železná ruda zvaná magnetovec, která je tvořena skoro výhradně magnetitem (Fe3O4). Z této horniny se v minulosti vyráběly střelky kompasů. U nás se tato ruda nachází pouze v okolí Měděnce v Krušných horách, u Kutné hory a na několika místech Českomoravské Vrchoviny. Méně známý, ale pro lidi mnohem důležitější, je obsah titanomagnetitů v sopečných horninách, např. čedičích. V těchto horninách dosahuje obsah magnetických minerálů takového množství, že v jejich okolí nelze používat kompasy reagující na magnetické pole. Nejznámějším místem u nás, kde nefunguje kompas, je vrchol hory Říp. Pokud zde přiblížíme kompas ke skále a pak jej oddalujeme na 1 m, pozorujeme, že střelka kompasu se může otočit až třikrát. Počet otáček závisí na místě, kde pokus provádíme. To znamená, že magnetické pole v okolí horniny je zde velice silné a anizotropní. Orientace pomocí kompasu je zde zhola nemožná.

Obr. 3. magnetické pole v okolí čedičového bloku zasaženého bleskem Největší lokalitou v České republice, kde nefunguje kompas, je celý vojenský prostor Doupovské Hory. Na mnoha místech je zde odchylka střelky kompasu (deklinace) kolem 30°. Vzhledem k tomu, že území se stejnou deklinací jsou veliká v řádu tisíců metrů čtverečních, nebývá snadné tuto anomálii identifikovat. To, že něco není v pořádku, zjistíte obvykle až ve chvíli, kdy zabloudíte.

175

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Podobná místa najdeme i v Českém Středohoří, Krušných horách nebo na Jičínsku či Bruntálsku. Nejvíce zmagnetované horniny najdeme vždy v nejvyšších partiích hor, kde na horninu působí účinek elektrických výbojů při bouřkách. Pokud si z těchto míst vezmeme domů úlomky hornin o průměru 10 až 15 cm, můžeme pozorovat, že ovlivňují střelku kompasu (obr. 3). Pokud se nám nechce nosit vzorky tak daleko, anebo je lokalita chráněná, můžeme skoro jakémukoliv čediči pomoci elektromagnetem o intenzitě 1 T. Takto silné magnety lze najít v kabinetech některých škol či na jeřábech určených k nakládání železného šrotu. Poločas rozpadu Poločas rozpadu je jedním ze základních principů pro pravděpodobnostně se chovající systémy v přírodě jako například radioaktivní rozpad. Každý radioaktivní izotop má svůj poločas rozpadu, během něhož se vždy polovina jeho množství změní na prvek (či izotop) dceřiný. Těchto vlastností radioaktivních prvků se používá při určování stáří hornin nebo archeologických artefaktů. Nejdůležitější metodami jsou uran238(235)-olovo206(207), thorium233-olovo208, samarium147-neodym143, rubídium87-stroncium87, draslík40-argon40 a uhlík14-uhlík13. Nejdelší poločas rozpadu má samarium (cca 1,6×1011 let) a nejkratší uhlík (5,7 tisíc let). Pro pochopení poločasu rozpadu je zažita metoda s čočkou, kde každé zrnko má vždy jednu stranu postříkánu barvou. Při tomto pokusu se opakovaně vyhazuje čočka do vzduchu, a ta zrnka, co dopadnou barevnou stranou nahoru, jsou vždy odstraněna. Tato klasická metoda věrně zachycuje pravděpodobnostní vlastnosti poločasu rozpadu. Na druhou stanu nově navržená metoda zapojuje u žáků více smyslů, a to především chutě. Na začátku se rozkrájí čokoláda (nebo jiná pochutina) na malé kousíčky a učitel vždy po určitém časovém intervalu nechá žáky sníst polovinu. Na začátku žáci nestačí čokoládu jíst, avšak po cca desátém časovém intervalu je porce malá jako špendlíková hlavička. Tím žáci pochopí, jak velké množství původní látky zůstane po době odpovídající několikanásobku poločasu rozpadu. Poděkování Nové experimenty byly připraveny za finanční podpory projektu Heuréka MFF UK, jako popularizace výsledků podpory RVO 67985831. Proveditelnost uvedených pokusů byla otestována díky pilotní výuce v Didaktickém Centru Geologie Muzea Říčany. Článek je v souladu s cíli ESERO Česká Republika a Nadace Depositum Bonum České spořitelny. Mgr. Kristýně Schnablové děkuji za metodickou pomoc a Mgr. Kristýně Čížkové za úpravy rukopisu.

176

Jiří Šamaj: Kurz přežití

Kurz přežití Jiří Šamaj Gymnázium Olgy Havlové, Ostrava-Poruba Abstrakt Na dílně jsme si ukázali, z čeho lze vyrobit nouzové svíčky, jak otevřít konzervu bez otvíráku a další zajímavé věci, které se mohou hodit v divočině (nebo ve vyučování). Oheň Na začátku je třeba si uvědomit, že oheň není hmota (nedá se chytit ani zavřít do nádoby), je ho však vidět. A to proto, že je součástí chemické reakce přeměny hmoty, při které vzniká světlo a teplo. Základní látky potřebné k průběhu této reakce jsou kyslík a nějaký druh paliva (dřevo, benzín…). Produktem hoření je obecně popel, během reakce se do ovzduší uvolňuje CO2, CO a množství dalších plynů v závislosti na tom, co pálíme. Jak na hašení Pokud bychom měli stručně vysvětlit, jak oheň bezpečně uhasit, tak teoreticky je třeba odstranit alespoň jednu složku, která je nutná na průběh reakce – snížit teplotu, zamezit přístupu kyslíku nebo odebrat palivo. Běžné hořící dřevo zaléváme vodou. Tento způsob ochlazuje hořící dřevo, které pak již nedosahuje teploty vznícení. Jak ale uhasit hořící pánev plnou oleje? V tomto případě se nesnažíme odebrat látce teplo, ale izolovat ji od kyslíku (např. mokrým hadrem, pokličkou). Když oheň nebude mít žádný kyslík, tak samovolně zhasne. Zamezení přístupu kyslíku lze realizovat např. zakrytím svíčky skleněným pohárem, „zalitím“ pomocí CO2 vzniklého ze sody a octa. Každý asi zná některé ze způsobů, které umožňují rozdělat oheň. Nejčastějším způsob je pomocí zápalek nebo zapalovače. V dílnách se účastníci seznámili s několika způsoby, jak lze oheň udržovat ve formě svíčky. Některé typy svíček viz níže. Vodní svíčka Pomůcky: skleněná nádoba, lampový olej, voda, knot, krycí fólie z vonných svíček Postup výroby: Do skleněné nádoby nalijeme vodu, poté lampový olej. Po ustálení oleje na vodní hladině vložíme do sklenice knot uchycený na kousku folie, která bude plavat na rozhraní olej – voda. K odlišení vody od oleje, je vhodný obarvený (parfémovaný) olej, v jiném případě, lze vodní svíčku použít jako problémovou úlohu „Jak je možné, že knot ve vodě hoři?“

177


Citrusová svíčka Pomůcky: pomeranč (nebo limetka, citrón), lampový olej, papírový ubrousek Postup výroby: Po rozkrojení pomeranče opatrně vydlabat vnitřní dužinu. Pozor na to, aby zůstala vnitřní vláknitá část. Po nalití oleje do vydlabané dužiny budou vlákna plnit funkce knotu. V případě, že se vlákna poškodí, lze vytvořit knot pomocí kousku papírového kapesníku, připevněného pomocí vosku.

Babybel svíčka Pomůcky: voskový obal ze sýru Babybel, papírový ubousek Postup výroby: Voskovým obalem ze sýru Babybel stačí obalit kousek papírového ubrousku. Papírový ubrousek plní funkci knotu.

178

Jiří Šamaj: Kurz přežití

Kešu svíčka Pomůcky: kešu ořechy Postup výroby: Kešu ořechy obsahují přibližně 45 % tuku. Ořech stačí na jednom konci seříznout (vytvoří se podstava, na které ořech stojí), na druhém konci pro snazší zapálení seříznout do špičky.

Žárovková svíčka Pomůcky: žárovka, podložka velkoplošná pro dřevěné konstrukce, kousek hadru Postup výroby: Z žárovky s prasklým vláknem odstraníme přes závit pro objímku vnitřní části žárovky (kontaktní a podpůrné vlákna, skleněný držák). Odstranění vnitřních části provedeme opakováním poklepáním kladívkem na elektrický kontakt fáze, přitom držíme skleněnou baňku v rukavicích. Z bezpečnostních důvodů se doporučuje vše provádět s ochrannými brýlemi. Přes vzniklý otvor nalejeme do skleněné baňky lampový olej a na závit pro objímku položíme podložku, ve které je prostrčen kousek hadříku. Hadřík plní funkci knotu. Aby žárovková svíčka samostatně stála, položíme ji na plastový kroužek od izolepy.

179


Jak otevřít konzervu bez otvíráku? Pomůcky: konzerva, dlažební kámen nebo beton Postup práce: Přejíždějte vyvýšeným okrajem po kameni tak dlouho, dokud se okraj konzervy neotevře. V tom okamžiku začne případná tekutina z konzervy vytékat. Po otočení konzervy ji opatrně mačkejte a uvolněte víčko.

Literatura [1] Oheň přinesl lidem svobodu, počátky ale byly únavné i výbušné. [online]. 2011 [cit. 2015-07-04]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/ohen-prinesl-lidem-svobodupocatky-ale-byly-unavne-i-vybusne-p5m/tec_technika.aspx?c=A080208_002642_tec_technika_pka [2] Oheň z pohľadu fyziky [online]. 2011 [cit. 2015-07-04]. Dostupné z: http://skaut.sk/tema/715/ohen-z-pohladu-fyziky/ 180

Jana Šestáková: Peer Instruction II.

Peer Instruction II. Jana Šestáková MFF UK Praha, ZŠ Lingua Universal Litoměřice Abstrakt Každá z dílen byla přizpůsobena požadavkům účastníků a rozsahu jejich informací o metodě Peer Instuction. V některé dílně jsme probírali základní principy metody, v jiné pokročilé zkušenosti z praxe včetně konkrétních doporučení o použití metody ve výuce. Dále se účastníci seznamovali se zdroji otázek vytvořených pro metodu a se způsobem výběru vhodných otázek z běžně používaných sbírek úloh. Učitelé si také opět mohli zkusit metodu v roli žáků, odpovídat pomocí hlasovacích karet a diskutovat řešení se „spolužáky“. Žákovské představy o elektrickém proudu Prvním úkolem účastníků dílny bylo navrhnout, jakým způsobem je možné využít ve výuce fyziky schéma elektrického obvodu z obrázku 1. Účastníci viděli v zadání pouze schéma, ne doprovodný text. Návrhy použití z řad učitelů byly například sestavit obvod podle schématu, při známých hodnotách jednotlivých odporů dopočítat celkový odpor rezistorů a při známém napětí dopočítat velikost proudu. Účastníci dříve seznámeni s obvyklými žákovskými miskoncepcemi navrhovali zeptat se žáků, zda je elektrický proud v různých místech obvodu stejný. Některé účastníky tento návrh spíše překvapil, argumentovali, že v nerozvětveném obvodu je proud vždy ve všech místech stejný a je to jedna z prvních informací, kterou žáci o tomto obvodu získávají a měli by ji tedy znát. Po zobrazení zadání otázky a možností odpovědí se rozproudila diskuze o tom, proč by žáci mohli mít v hlavách špatné představy, jak a kdy je vhodné tuto otázku použít ve výuce a jaký přínos může mít nejprve položení otázky, diskuze řešení mezi spolužáky a teprve následné ověření odpovědi pokusem. Zde jsou některé argumenty, které se mohou objevit mezi žáky pro podporu tvrzení, že elektrický proud nebude ve všech místech obvodu stejný: V obvodu jsou zapojeny rezistory, to jsou spotřebiče. Každý spotřebič spotřebovává elektrický proud, za spotřebičem tedy musí být proud menší. Pokud by se cestou proud nezmenšoval, baterie by se nevybíjela a to není pravda. Některé ampérmetry jsou dál od zdroje, i vodiče mají odpor, tedy i jen průchodem proudu skrz vodič se proud zmenšuje. Tyto argumenty pocházejí ze skutečných diskuzí nad touto otázkou z výuky fyziky. Některé z argumentů vymysleli i účastníci poté, co se vžili do role studentů a pokusili se opustit správné představy a najít „věrohodné argumenty“ z běžného života pro podporu těchto špatných představ. Tento myšlenkový krok učitele je velmi důležitý. Je velmi přínosné, když si učitel dokáže uvědomit, že i po perfektním a jasném výkladu nové látky mohou zůstávat v hlavách žáků představy z mimoškolního prostředí, které mohou dokonce výkladu odporovat. A že je pro správné porozumění látce velmi důležité, aby byl žákům poskytnut čas a prostor pro tuto „srážku“ jejich představ. Díky metodě Peer Instruction mohou žáci v bezpečném prostředí skupiny spolužáků zformulovat své myšlenky a nahlas je vyslovit. Zároveň je při tomto procesu přítomný učitel, který může k ověření správné odpovědi žákům nabídnout například vhodný pokus. Úloha o proudu procházejícím jednotlivými ampérmetry byla vytvořena na základě výzkumů žákovských představ publikovaných v knize Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky [1]. Zkratka ŽP v rohu otázky odkazuje na tento zdroj.

181


Obr. 1. Konceptuální otázka na téma elektrický proud Metoda Peer Instruction Někteří účastníci se s metodou setkali poprvé, pro jiné byla druhá část dílny spíše připomenutím. S pomocí kresleného schématu, které znázorňuje jednotlivé fáze metody, jsme diskutovali význam jednotlivých kroků, pravidla, která učitel i žáci musí pro chod metody dodržovat a výhody, které jednotlivé kroky přinášejí. Podrobný popis jednotlivých kroků metody najdete na českých stránkách metody Peer Instruction [2].

Obr. 2. Kroky v metodě Peer Instruction

182

Jana Šestáková: Peer Instruction II. Učitelé v roli žáků Velmi důležitým krokem pro seznámení se s metodou je zažít metodu „na vlastní kůži“. Účastníci dílny měli možnost vžít se do role žáků, vyzkoušet si jednotlivé kroky metody a posoudit, zda by právě jejich žákům tato metoda vyhovovala. Praxe ukazuje, že učitelům ve výuce pro sbírání odpovědí více vyhovují papírové hlasovací karty, než elektronická hlasovací zařízení. Proto si učitelé vyzkoušeli práci s kartami. Konceptuální otázky byly tentokrát na téma teplotní roztažnost a kmitání na pružině (viz obrázek 3). Otázka na roztažnost byla již použita na přednášce profesora Erica Mazura v Praze v září 2014 a v Dílnách Heuréky v Náchodě v říjnu 2014. Účastníci, kteří tyto akce navštívili, si mohli ověřit, zda si po roce pamatují správnou odpověď i s odůvodněním. Otázka o závaží kmitajícím na vejci byla nová, nabízela ale více možných správných odpovědí, což ne všichni účastníci na první pohled odhalili.

Obr. 3. Úlohy pro účastníky v rolích žáků Na závěr této části dílny účastníci shrnuli, jaké výhody a nevýhody spatřují v tomto způsobu práce. Často zmiňovanou výhodou byla možnost promluvit si o řešení s kamarádem – neslyší to učitel ani celá třída, a také použití jednoduššího jazyka, než jakým by řešení vysvětlil učitel. Zmiňovanou nevýhodou bývá čas, protože tento způsob práce s otázkou zabere přibližně 12 minut. Na druhou stranu se objevují i názory, že pokud díky tomuto času žáci látce lépe porozumí, pak čas není špatně využitý. Zdroje úloh Pro metodu Peer Instruction je vhodné používat konceptuální otázky, které pomáhají u žáků odhalit chybné představy. Takové otázky jsou například v již zmiňované knížce Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky [1]. Další vhodné úlohy naleznete v knize Peer Instruction: A User’s Manual [3], tyto otázky jsou anglicky. Kapitola otázek z oblasti kinematiky z této knihy je přeložena a připravena v listech prezentace na internetových stránkách Peer Instruction [2]. Na těchto stránkách také najdete otázky z elektřiny a termiky, vypracované podle výzkumu v knize [1], opět připravené pro použití v prezentaci. Některé vhodné otázky je možné nalézt také v běžně používaných sbírkách úloh. Pro sbírání odpovědí jsou vhodné uzavřené otázky s možnostmi odpovědí. Ne každá uzavřená otázka je ale vhodná. Otázky, u kterých k odpovědi stačí definice, vzorec nebo jednoduchý výpočet, vhodné nejsou. Je dobré si položit otázku, zda může být v dané úloze žákům přínosná diskuze či nikoli. Pokud by v diskuzi žáci pouze zmínili „je to A, protože jsme si to říkali v hodině“, pak úloha nebyla zvolena správně. 183

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2015 Závěr Účastníci každé dílny nejprve zmínili své zkušenosti s metodou a také formulovali svá očekávání ohledně dílny. Každé dvě dílny se od sebe v závislosti na účastnících velmi lišily. Účastníci měli možnost vyzkoušet na dvou otázkách metodu na vlastní kůži. Na otázce o elektrickém proudu si uvědomit, jaké špatné představy mohou navzdory vhodnému výkladu přetrvávat v myslích žáků. Dále si účastníci připomínali pravidla práce v metodě Peer Instruction a výhody a nevýhody s metodou spojené. Na závěr byly diskutovány otázky z běžně používaných sbírek úloh a vhodnost jejich použití, případně úpravy otázek pro tuto metodu. Dílny byly prokládány zkušenostmi s použitím metody v praxi české školy. S těmito dílnami se účastníci mohli setkat v letošním roce také na semináři „Jak získat žáky pro fyziku?“ ve Vlachovicích nebo na setkávání učitelů v Regionálních centrech.

Literatura [1] Mandíková, D, Trna, J. Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky. Brno: Paido, 245 s. ISBN 978-807-3152-260, 2011. [2] FyzWeb, Peer Instruction. [online]. [cit. 2015-12-03]. Dostupné z: [3] Mazur, E. Peer Instruction: A User’s Manual, Prentice Hall, 2015, ISBN: 978-1292039701

184

Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta. Dílny Heuréky Sborník konference projektu Heuréka

Recommend Documents