Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzik´aln´ı fakulta
´ RSK ˇ ´ PRACE ´ BAKALA A
Alice Raz´ımov´a Interaktivn´ı centra ve v´ yuce fyziky – konkr´ etn´ı aplikace Katedra didaktiky fyziky
Vedouc´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace: doc. RNDr. Zdenˇek Drozd, Ph.D. Studijn´ı program: Fyzika Studijn´ı obor: Fyzika zamˇeˇren´a na vzdˇel´av´an´ı
Praha 2012
Na tomto m´ıstˇe bych chtˇela podˇekovat m´emu vedouc´ımu pr´ace doc. RNDr. Zdeˇ nku ˇ Drozdovi, PhD. a konzultantovi RNDr. Zdeˇ nku Sabatkovi za jejich cenn´e rady, n´amˇety a pˇripom´ınky. Tak´e bych r´ada podˇekovala zamˇestnanc˚ um science centra iQpark v Liberci za jejich ochotu a poskytnut´ı potˇrebn´ ych informac´ı pro tuto pr´aci.
Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto bakal´aˇrskou pr´aci vypracovala samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u, literatury a dalˇs´ıch odborn´ ych zdroj˚ u. Beru na vˇedom´ı, ˇze se na moji pr´aci vztahuj´ı pr´ava a povinnosti vypl´ yvaj´ıc´ı ze z´akona ˇc. 121/2000 Sb., autorsk´eho z´akona v platn´em znˇen´ı, zejm´ena skuteˇcnost, ˇze Univerzita Karlova v Praze m´a pr´avo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı t´eto pr´ace jako ˇskoln´ıho d´ıla podle §60 odst. 1 autorsk´eho z´akona.
V Praze dne 24. kvˇetna 2012
Alice Raz´ımov´a
N´azev pr´ace: Interaktivn´ı centra ve v´ yuce fyziky – konkr´etn´ı aplikace Autor: Alice Raz´ımov´a Katedra: Katedra didaktiky fyziky Vedouc´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace: doc. RNDr. Zdenˇek Drozd, Ph.D. Abstrakt: Hlavn´ım c´ılem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace bylo vytvoˇrit strukturovan´ y popis experiment˚ u, spadaj´ıc´ıch do uˇciva stˇredn´ıch ˇskol, instalovan´ ych v science centru iQpark v Liberci. Celkem bylo vybr´ano a pops´ano 84 interaktivn´ıch expon´at˚ u, kter´e byly rozˇclenˇeny do 6 hlavn´ıch t´emat a d´ale 23 podt´emat. Popis kaˇzd´eho z expon´at˚ u doplˇ nuj´ı fotografie, n´amˇety pro diskuzi se studenty, origin´aln´ı ˇza´kovsk´ y popis iQparku, pˇr´ıpadnˇe video proveden´eho experimentu. Pro tento pˇrehled pokus˚ u byly vytvoˇreny webov´e str´anky, na kter´ ych je volnˇe dostupn´ y ˇsirok´e veˇrejnosti. Vytvoˇren´a datab´aze je urˇcena pˇredevˇs´ım uˇcitel˚ um stˇredn´ı ˇskol, kteˇr´ı pl´anuj´ı se sv´ ymi studenty cestu do iQparku. Text bakal´aˇrsk´e pr´ace ˇcten´aˇre tak´e sezn´am´ı s pojmem science centrum. Rovnˇeˇz je zde pops´an i v´ yvoj science ˇ e republice. center v Cesk´ Kl´ıˇcov´a slova: iQpark, mimoˇskoln´ı v´ yuka, interaktivn´ı expon´at, science centra
Title: Interactive Centres in Physics Teaching - Concrete Application Author: Alice Raz´ımov´a Department: Department of Physics Education Supervisor: doc. RNDr. Zdenˇek Drozd, Ph.D. Abstract: The main goal of this bachelor thesis was to create a structured description of experiments installed in the iQpark science centre in Liberec. The target was to choose experiments usable especially on high schools. I described 84 interactive experiments which were categorized in six main topics and 23 subtopics. The description of each experiment is completed by photographs, proposals for discussion with students and an original description for students by iQpark. Short videos were made for selected experiments, too. A new website was made for this survey of experiments. The website is available for free. The database is primarily dedicated to high school physics teachers who plane a trip with students to the iQpark science centre. Reader becomes also familiar with the concept of the science centres and their progress in the Czech Republic. Keywords: iQpark, extra-curricular activities, interactive experiment, science centre
Obsah C´ıle bakal´ aˇ rsk´ e pr´ ace
2
´ Uvod
3
1 Science centrum 1.1 V´ yvoj center u n´as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Vyuˇzit´ı ve v´ yuce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 4 6
2 Datab´ aze fyzik´ aln´ıch expon´ at˚ u v iQparku 2.1 Uˇzivatelsk´e rozhran´ı . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Vyhled´av´an´ı v datab´azi . . . . . . 2.1.2 Popis expon´atu . . . . . . . . . . . 2.1.3 Expon´aty zaˇrazen´e do datab´aze . . 2.2 Administr´atorsk´e rozhran´ı . . . . . . . . . 2.3 Technick´e ˇreˇsen´ı webov´ ych str´anek . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
8 8 9 11 12 13 15
Z´ avˇ er
16
Seznam pouˇ zit´ e literatury
17
Pˇ r´ılohy
18
A Pˇ rehled zaˇ razen´ ych expon´ at˚ u A.1 Mechanika . . . . . . . . . . A.2 Molekulov´a fyzika a termika A.3 Mechanick´e kmit´an´ı a vlnˇen´ı A.4 Elektˇrina a magnetismus . . A.5 Optika . . . . . . . . . . . . A.6 Astrofyzika . . . . . . . . .
19 19 30 31 33 40 47
. . . . . .
. . . . . .
B Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
48
1
C´ıle bakal´ aˇ rsk´ e pr´ ace V zad´an´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace byly stanoveny tyto c´ıle: ˇ 1. Zmapovat situaci ve v´ yvoji interaktivn´ıch center v CR. 2. Vytvoˇrit strukturovan´ y popis experiment˚ u instalovan´ ych v interaktivn´ım science centru iQpark v Liberci, kter´e jsou vhodn´e pro zaˇrazen´ı do t´ematick´ ych exkurz´ı gymnazi´aln´ıch student˚ u do tohoto interaktivn´ıho centra. 3. Vytvoˇrit elektronick´ y podp˚ urn´ y materi´al pro uˇcitele pl´anuj´ıc´ı pro sv´e ˇz´aky exkurzi do iQparku. Materi´al bude obsahovat n´avrh vyuˇzit´ı jednotliv´ ych expon´at˚ u pro podporu v´ yuky konkr´etn´ıch t´emat gymnazi´aln´ı fyziky. Tento podp˚ urn´ y materi´al bude uˇcitel˚ um volnˇe pˇr´ıstupn´ y z www str´anek iQparku. 4. Pˇri pr´aci spolupracovat s iQparkem v Liberci.
2
´ Uvod ˇ a vyHlavn´ım c´ılem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace bylo zmapovat science centra v CR tvoˇrit strukturovan´ y popis experiment˚ u, spadaj´ıc´ıch do uˇciva stˇredn´ıch ˇskol, instalovan´ ych v interaktivn´ım science centru iQpark v Liberci. Tento materi´al bude volnˇe pˇr´ıstupn´ y na webov´ ych str´ank´ach. Vytvoˇren´a datab´aze expon´at˚ u by pak mˇela slouˇzit zejm´ena pro uˇcitele fyziky stˇredn´ıch ˇskol a vyˇsˇs´ıch gymn´azi´ı, kteˇr´ı pl´anuj´ı se sv´ ymi studenty cestu do iQparku. T´ema t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace jsem si vybrala hned z nˇekolika d˚ uvod˚ u. Prvn´ım z nich bylo, ˇze jsem si sama chtˇela udˇelat pˇredstavu, co vˇsechno iQpark pro sv´e n´avˇstˇevn´ıky nab´ız´ı a jak se zmˇenil od doby, kdy jsem jej navˇst´ıvila jeˇstˇe coby studentka stˇredn´ı ˇskoly. Rovnˇeˇz mˇe l´akala moˇznost sezn´amit se s prostˇred´ım science centra a troˇsku pohl´ednout na jeho bˇeˇzn´ y chod nejen jako obyˇcejn´ y n´avˇstˇevn´ık. T´ım hlavn´ım c´ılem vˇsak bylo pomoci uˇcitel˚ um m´ıˇr´ıc´ım do iQparku, tj. vytvoˇrit pˇrehledn´ y seznam expon´at˚ u, kter´ y samotn´ y iQpark na rozd´ıl od jin´ ych evropsk´ ych science center dosud nenab´ızel. Text bakal´aˇrsk´e pr´ace je rozdˇelen do dvou kapitol. Prvn´ı ˇca´st nazvan´a Science centrum uv´ad´ı ˇcten´aˇre do problematiky bakal´aˇrsk´e pr´ace a seznamuje jej s pojmem science centrum. D´ale je pˇribl´ıˇzen dosavadn´ı i pˇredpokl´adan´ y v´ yvoj science center u n´as. V neposledn´ı ˇradˇe jsou zde pops´any z´akladn´ı moˇznosti jejich vyuˇzit´ı v r´amci zpestˇren´ı v´ yuky na z´akladn´ı a stˇredn´ı ˇskole. Druh´a kapitola je vˇenov´ana hlavn´ımu v´ ystupu t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace, tj. vytvoˇren´ ym webov´ ym str´ank´am a na nich dostupn´e datab´azi fyzik´aln´ıch expon´at˚ u v science centru iQpark. Kapitola obsahuje popis jak uˇzivatelsk´e, tak administr´atorsk´e ˇca´sti webu. Tiˇstˇen´a pˇr´ıloha bakal´aˇrsk´e pr´ace obsahuje seznam expon´at˚ u vybran´ ych pro zaˇrazen´ı do datab´aze, kter´e jsou doplnˇeny o jednu jeho fotografii a popis, kter´ y jsem vytvoˇrila. K textu bakal´aˇrsk´e pr´ace je rovnˇeˇz pˇriloˇzeno CD, kter´e obsahuje pdf soubor s textem pr´ace a z´alohu vytvoˇren´e datab´aze a webov´ ych str´anek.
3
1. Science centrum Science centrum je m´ısto, kde je situov´ano vˇetˇsinou velk´e mnoˇzstv´ı interaktivn´ıch expon´at˚ u, kter´e z´abavnou a hern´ı formou seznamuj´ı n´avˇstˇevn´ıka s fyzik´aln´ımi ˇci matematick´ ymi principy, lidsk´ ym tˇelem, pˇr´ırodou, chemi´ı a zemˇepisem. Centra se ˇr´ıd´ı star´ ym ˇc´ınsk´ ym pˇr´ıslov´ım: Slyˇsel jsem a zapomnˇel. Vidˇel jsem a pamatuji. ” Dˇelal jsem a pochopil.“ Vˇetˇsina expon´at˚ u je tedy koncipov´ana tak, ˇze n´avˇstˇevn´ık mus´ı svoj´ı ˇcinnost´ı expon´at rozh´ ybat, nebo alespoˇ n vyuˇz´ıt nˇekter´ y ze sv´ ych smysl˚ u, jednoduˇse ˇreˇceno, do pokusu se zapojit. Za prvn´ı science centrum v˚ ubec je povaˇzov´ana Urania v Berl´ınˇe, kter´a vznikla v roce 1888. Vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı science center vˇsak zaˇcalo vznikat aˇz v 70. letech 20. stolet´ı, a to pˇredevˇs´ım v USA. V souˇcasn´e dobˇe jich po svˇetˇe nalezneme jiˇz pˇres 2000. Inspirac´ı pro ostatn´ı byla napˇr´ıklad velmi u ´spˇeˇsn´a centra Exploratorium v San Franciscu a Ontario Science Centre v Kanadˇe. Mezi evropsk´a centra, kam uˇcitel´e mohou se sv´ ymi studenty vyrazit, patˇr´ı Science Center Spectrum v Berl´ınˇe, ˇ e Centrum Nauki Kopernik ve Varˇsavˇe, Hiˇsa eksperimentov v Ljubljani, . . . V Cesk´ republice jsou v souˇcasnosti dvˇe plnˇe funkˇcn´ı a pro veˇrejnost otevˇren´a science centra - iQpark [1] v Liberci a Techmania [2] v Plzni.
1.1
V´ yvoj center u n´ as
Obr´azek 1.1: Studie nov´e iQlandie. Obr´azek byl z´ısk´an z [1]. Jako prvn´ı sv´eho druhu u n´as vzniklo science centrum iQpark v Liberci. To je provozov´ano obecnˇe prospˇeˇsnou spoleˇcnost´ı Labyrint Bohemia, o.p.s., kter´a ˇ spolupracuje s nadac´ı Skola hrou. Na budov´an´ı a v´ yvoji se d´ale finanˇcnˇe pod´ıleli a pod´ıl´ı (mimo jin´e) Krajsk´ yu ´ˇrad Libereck´eho kraje a Ministerstvo pro m´ıstn´ı rozvoj. Pˇredch˚ udcem iQparku a v jist´em smyslu sondou, zda by se science centrum ˇ setkalo s dobr´ v CR ym ohlasem a bylo navˇstˇevov´ano, bylo Muzeum z´abavn´eho pozn´an´ı. To bylo otevˇreno v roce 2004 na ploˇse pˇribliˇznˇe 400 m2 v dneˇsn´ıch prostor´ach iQparku v n´akupn´ım mˇesteˇcku Centrum Babylon. Protoˇze se tento projekt uk´azal jako ˇzivotaschopn´ y, mohla se zaˇc´ıt naplˇ novat p˚ uvodn´ı myˇslenka o mnohem vˇetˇs´ım centru. V roce 2007 byla zavrˇsena prvn´ı etapa v´ ystavby, kter´a 2 tento prostor rozˇs´ıˇrila na dvˇe podlaˇz´ı s celkovou plochou 1 600 m . Narostl rovnˇeˇz 4
poˇcet expon´at˚ u a n´azev byl zmˇenˇen na iQpark science center. Od stejn´eho roku je iQpark rovnˇeˇz ˇclenem programu neziskov´e spolupr´ace mezi vˇedeck´ ymi centry a muzei Ecsite. V roce 2011 byla dokonˇcena druh´a etapa v´ ystavby a prostory iQparku se rozˇs´ıˇrily na ˇctyˇri podlaˇz´ı o celkov´e ploˇse 3 000 m2 . Vybudov´any byly laboratoˇre pro workshopy a lektorsk´e programy pro ˇskoly a z´azem´ı pro v´ yrobu au ´drˇzbu expon´at˚ u.
Obr´azek 1.2: Studie fin´aln´ı podoby Techmanie. Obr´azek byl z´ısk´an z [2]. V souˇcasn´e dobˇe byl zah´ajen projekt rozˇs´ıˇren´ı iQparku, kter´ y by mˇel b´ yt v roce 2014 nahrazen iQlandi´ı. Bude tak vybudov´ano science centrum, kter´e volnˇe nav´aˇze na st´avaj´ıc´ı. Pro tento u ´ˇcel m´a b´ yt postavena zcela nov´a budova, jej´ıˇz souˇc´ast´ı bude i planet´arium. ˇ bylo vybudov´ano v are´alu pr˚ Druh´e modern´ı interaktivn´ı centrum v CR uˇ ˇ myslov´eho z´avodu SKODA spoleˇcnost´ı SKODA INVESTMENT a. s. a Z´apadoˇceskou univerzitou v Plzni a nese n´azev Techmania science center. Koncepce science centra vznikala od roku 2005. Techmania pak v´ıtala sv´e prvn´ı n´avˇstˇevn´ıky jiˇz v roce 2008. Podle obou inici´ator˚ u bylo a je c´ılem projektu pˇredevˇs´ım zv´ yˇsit z´ajem o technick´e obory a to hlavnˇe u dˇet´ı a ml´adeˇze. Nutno dodat, ˇze Techmania je st´ale ve v´ yvoji a zat´ım bylo toto science centrum otevˇreno jen na ˇc´asti plochy, ˇ kterou dostalo od z´avodu SKODA k dispozici. Se svou budovou o celkov´e ploˇse cca 2 10 000 m , bude Techmania po u ´pln´em uveden´ı do provozu pˇredstavovat nejvˇetˇs´ı interaktivn´ı centrum sv´eho druhu ve stˇredn´ı Evropˇe. Souˇca´st´ı Techmanie m´a b´ yt i 3D planet´arium, kter´e by mˇelo b´ yt otevˇreno v roce 2013, a v n´asleduj´ıc´ım roce by mˇel b´ yt zprovoznˇen cel´ y are´al science centra o celkov´e ploˇse t´emˇeˇr 3 ha1 . Obˇe ˇcesk´a science centra se neust´ale rozv´ıjej´ı a jsou doplˇ nov´ana o dalˇs´ı zaj´ımav´e expon´aty. Kaˇzd´e z nich rovnˇeˇz poˇra´d´a pro n´avˇstˇevn´ıky r˚ uzn´e fyzik´aln´ı ˇci chemick´e show, t´ematick´e v´ ystavy a soutˇeˇze. Napˇr´ıklad jiˇz v roce 2007 zah´ajila ˇ e republice putovn´ı v´ svoji cestu po Cesk´ ystava Hry a klamy“, kterou nab´ız´ı ” ˇ pr´avˇe iQpark ve spolupr´aci s nadac´ı Skola hrou. ˇ kter´e m´a kolaudaci napl´anovanou na rok 2014, Dalˇs´ım science centrem v CR, bude Moravian Science Center Brno [3]. Expozice, na kter´e se n´avˇstˇevn´ıci mohou tˇeˇsit, v tomto centru budou rozdˇeleny do ˇctyˇr hlavn´ıch skupin a to Planeta, ˇ ek a Mikrosvˇet. Tak´e se zde pl´anuje dˇetsk´e science centrum pro Civilizace, Clovˇ ty nejmenˇs´ı a to ve vˇekov´e kategorii 2 aˇz 6 let. 1
Tento u ´daj vˇsak zahrnuje i parkovac´ı plochy.
5
Obr´azek 1.3: Studie budovan´eho Moravian Science Centre Brno. Obr´azek byl z´ısk´an z [3].
1.2
Vyuˇ zit´ı ve v´ yuce
N´avˇstˇeva science centra je v´ yborn´ ym oˇziven´ım ˇskoln´ı v´ yuky. V´ yhodou je pestrost expon´at˚ u a to zejm´ena v oblasti fyziky. Studenti si nenucenou a z´abavnou formou mohou vyzkouˇset a sami ovˇeˇrit nˇekter´e z fyzik´aln´ıch princip˚ u. Rozhodne-li se vyuˇcuj´ıc´ı fyziky se tˇr´ıdou navˇst´ıvit science centrum, m´a na v´ ybˇer nˇekolik sc´en´aˇr˚ u, jak n´avˇstˇeva m˚ uˇze prob´ıhat: Voln´ y pr˚ ubˇ eh Student˚ um d´at voln´ y pohyb po science centru, aby si kaˇzd´ y s´am nalezl, co ho zaujme a chce si vyzkouˇset. U kaˇzd´eho expon´atu je kr´atk´ y text, kter´ y ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u popisuje: • jak experiment prov´est, • co pˇri spr´avn´em proveden´ı pozorujeme, • kr´atk´e fyzik´aln´ı vysvˇetlen´ı experimentu, • ot´azky k zamyˇslen´ı. Nav´ıc v kaˇzd´e m´ıstnosti je vˇzdy ochotn´ y ˇskolen´ y zamˇestnanec, kter´ y je schopen odpovˇedˇet na studentovy pˇr´ıpadn´e dotazy a nejasnosti. Lektorsk´ e programy / show V iQparku i v Techm´anii je moˇzn´e si zarezervovat/objednat nˇekter´e ze science show. iQpark nav´ıc poskytuje moˇznost vyuˇz´ıt nˇekter´eho z lektorsk´ ych program˚ u.
6
Lektorsk´e programy jsou v iQparku koncipov´any sp´ıˇse pro ˇza´ky z´akladn´ıch ˇskol a niˇzˇs´ıch gymn´azi´ı. Vyuˇcuj´ıc´ı m´a na v´ ybˇer programy, jako napˇr´ıklad Voda, S´ıla a pohyb, Lidsk´e smysly, Zelen´a energie, Textil a nanovl´akna a dalˇs´ı. Prvn´ı ˇc´ast´ı programu je z´abavn´a diskuze mezi lektorem a ˇz´aky o jejich povˇedom´ı o dan´em t´ematu. D´ale n´asleduje pracovn´ı cesta po iQparku, pˇri kter´e skupinka spolu s lektorem na expon´atech demonstrativn´ı a soutˇeˇzivou formou ovˇeˇruje poznatky z prvn´ı ˇc´asti. Ve tˇret´ı ˇca´sti ˇz´aci samostatnˇe vyplˇ nuj´ı pracovn´ı list s u ´koly. Posledn´ı ˇc´ast´ı programu je diskuze o v´ ysledc´ıch a z´ıskan´ ych poznatc´ıch, kter´a prob´ıh´a jiˇz ve ˇskole s pedagogem. Zat´ımco lektorsk´e programy jsou stavˇeny pˇrev´aˇznˇe na vlastn´ım pozn´av´an´ı a pr´aci student˚ u a jsou zamˇeˇreny sp´ıˇse na jednoduˇsˇs´ı a z´akladn´ı principy, science show prov´ad´ı s´am lektor a studenti jsou vˇetˇsinou pouh´ ymi pozorovateli, ale zato fantastick´ ych pokus˚ u a jev˚ u, se kter´ ymi se vˇetˇsinou v bˇeˇzn´em ˇzivotˇe nesetkaj´ı tak ˇcasto. Show jsou vhodn´e prakticky pro vˇsechny obory z´akladn´ıch a stˇredn´ıch ˇskol napˇr´ıˇc osnovami. Na v´ ybˇer je nˇekolik zaj´ımav´ ych t´emat: Tekut´ y dus´ık, Zaj´ımav´a atmosf´era, Bal´onkov´a estr´ada, Stolet´ı l´et´an´ı a dalˇs´ı. N´ avˇ stˇ eva organizovan´ a uˇ citelem Dalˇs´ı moˇznost´ı pro uˇcitele je napl´anovat si n´avˇstˇevu a vytvoˇrit student˚ um program samostatnˇe. Techmania k tomu u ´ˇcelu na sv´ ych str´ank´ach nab´ız´ı edutorium, kde nalezneme seznam pokus˚ u, kter´e jsou rozdˇeleny do kapitol (Mechanika; Kmity, vlny, akustika; Elektˇrina a magnetismus; Optika; Termika; Matematika). U kaˇzd´eho expon´atu je fyzik´alnˇe pops´an jeho princip a je pˇriloˇzen obr´azek nebo fotografie. Pl´anuje-li vyuˇcuj´ıc´ı na stˇredn´ı ˇskole nebo vyˇsˇs´ım gymn´aziu se tˇr´ıdou n´avˇstˇevu iQparku, bude moci vyuˇz´ıt webov´e str´anky, kter´e jsou v´ ysledkem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace2 .
2
Str´ anky mohou rovnˇeˇz vyuˇz´ıt uˇcitel´e na z´akladn´ı ˇskole a niˇzˇs´ıch gymn´azi´ıch, nicm´enˇe v souˇcasn´e dobˇe pˇrehled expon´ at˚ u obsahuje kategorizaci podle t´emat, jak jsou vyuˇcov´ana na stˇredn´ı ˇskole, a nejsou zde zahrnuty experimenty/expon´aty urˇcen´e pˇredevˇs´ım pro mladˇs´ı ˇz´aky.
7
2. Datab´ aze fyzik´ aln´ıch expon´ at˚ u v iQparku Webov´e str´anky, kter´e jsou v´ ysledkem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace, jsou urˇceny pˇrev´aˇznˇe pro vyuˇcuj´ıc´ı fyziky na stˇredn´ıch ˇskol´ach a vyˇsˇs´ıch gymn´azi´ıch, kteˇr´ı pl´anuj´ı se sv´ ymi studenty v´ ylet do iQparku a chtˇej´ı n´avˇstˇevu zahrnout do sv´e v´ yuky. Jejich hlavn´ı ˇca´st´ı je datab´aze, kter´a by mˇela uˇcitel˚ um pomoci se na n´avˇstˇevu pˇripravit a zjistit, co vˇse jim iQpark m˚ uˇze nab´ıdnout. Z toho d˚ uvodu byly vybr´any fy1 zik´aln´ı expon´aty, kter´e jsou vhodn´e pro stˇredoˇskol´aky . Z´aznamy v datab´azi jsou rozdˇeleny do roˇcn´ık˚ u, t´emat a podt´emat, podle t´ematick´eho pl´anu pouˇz´ıvan´eho ˇ 2 . Toto tˇr´ıdˇen´ı by mˇelo uˇzivateli uˇsetˇrit ˇcas v hled´an´ı expena vˇetˇsinˇe ˇskol v CR riment˚ u vhodn´ ych pro jeho tˇr´ıdu. Samotn´e webov´e str´anky maj´ı dvˇe ˇc´asti: uˇzivatelskou a administr´atorskou. Uˇzivatelsk´e, veˇrejnosti dostupn´e, rozhran´ı je urˇceno pˇredevˇs´ım jiˇz zm´ınˇen´ ym vyuˇcuj´ıc´ım fyziky. Skryt´a ˇc´ast webu slouˇz´ı k administraci expon´at˚ u a t´emat zaˇrazen´ ych do datab´aze. N´asleduj´ıc´ı podkapitoly Uˇzivatelsk´e rozhran´ı“ a Administr´atorsk´e rozhran´ı“ ” ” popisuj´ı jednotliv´e sekce webu a ukazuj´ı, jak s nimi pracovat.
2.1
Uˇ zivatelsk´ e rozhran´ı
´ Obr´azek 2.1: Uvodn´ ı str´anka uˇzivatelsk´eho rozhran´ı webu. 1
Expon´ aty byly vybr´ any do datab´aze po poradˇe s konzultantem. Nebylo ˇcasovˇe splniteln´e zaˇradit vˇsechny fyzik´ aln´ı expon´ aty iQparku do datab´aze. Nenalezneme zde proto expon´aty pˇr´ıliˇs trivi´ aln´ı, kter´e jsou vhodnˇejˇs´ı sp´ıˇse pro ˇz´aky z´akladn´ı ˇskoly. 2 Bˇeˇzn´ ym t´ematick´ ym pl´ anem rozum´ıme takov´ y, kter´ y vyuˇz´ıv´a ˇradu gymnazi´aln´ıch uˇcebnic [4] - [9] nakladatelstv´ı Prometheus.
8
Pro uˇzivatelsk´e rozhran´ı byl zvolen ˇcist´ y styl bez zbyteˇcn´ ych grafick´ ych efekt˚ u, kter´e by ruˇsily uˇzivatele a dˇelaly tak str´anky nepˇrehledn´e. Neˇz se n´avˇstˇevn´ık webu pust´ı do prohl´ıˇzen´ı informac´ı o expon´atech, m´a moˇznost se na u ´vodn´ı str´ance (viz obr. 2.1) sezn´amit s u ´ˇcelem a funkcemi str´anek.
2.1.1
Vyhled´ av´ an´ı v datab´ azi
Jak jiˇz bylo uvedeno v´ yˇse, str´anky by mˇely uˇcitel˚ um pomoci se pˇripravit na n´avˇstˇevu iQparku. Rozhodne-li se tedy uˇcitel tuto datab´azi vyuˇz´ıt, existuje hned nˇekolik zp˚ usob˚ u, jak expon´at nal´ezt: 1. T´ ematick´ e dˇ elen´ı Tento pˇr´ıstup je pouˇziteln´ y pˇredevˇs´ım pro uˇcitele, kteˇr´ı v iQparku zat´ım nebyli a zaj´ım´a je, jak´e expon´aty jsou obsaˇzeny v konkr´etn´ıch t´ematick´ ych celc´ıch. Vyuˇzije-li vyuˇcuj´ıc´ı tohoto dˇelen´ı, bude postupovat pravdˇepodobnˇe v tˇechto kroc´ıch: • Pomoc´ı internetov´ ych str´anek iQparku [1] pˇrejde na internetovou str´anku datab´aze http://fyzweb.cz/materialy/iqpark. • Na u ´vodn´ı str´ance, kde je naps´ano, pro koho jsou str´anky urˇceny a co na nich nalezneme, klikne na odkaz Pˇrehled expon´at˚ u. • Chce-li si uˇcitel vytipovat expon´aty, pˇrejde na odkaz Podle roˇcn´ık˚ u a t´emat. Na zm´ınˇen´e str´ance se zobraz´ı tabulka s roˇcn´ıky a t´ematy, kter´a jim bˇeˇznˇe odpov´ıdaj´ı. • Vybere-li si roˇcn´ık a t´ema, pokraˇcuje na dalˇs´ı dˇelen´ı a to podle podt´emat. V kaˇzd´em podt´ematu je zaˇrazeno nˇekolik expon´at˚ u. To, kter´e expon´aty si uˇcitel do sv´e exkurze v iQparku vybere, je jiˇz jen na nˇem. Pro lepˇs´ı napl´anov´an´ı vlastn´ı cesty je u kaˇzd´eho expon´atu uvedeno jeho um´ıstˇen´ı v iQparku a tak´e odkaz na mapu tohoto science centra. Ukaˇzme tedy konkr´etn´ı pˇr´ıklad hled´an´ı expon´at˚ u v dan´em t´ematick´em celku. Vyhled´an´ı podle roˇcn´ık˚ u a t´emat (pˇr´ıklad pouˇzit´ı) Jsem uˇcitel na gymn´aziu, kter´ y si pl´anuje se sv´ ymi studenty septimy cestu do iQparku a chci ji vyuˇz´ıt co nejefektivnˇeji. V septimˇe prob´ır´ame elektˇrinu a magnetismus. Rozhodnu se tedy vyuˇz´ıt tuto datab´azi pro vyhled´an´ı vˇsech expon´at˚ u, kter´e jsou zaˇrazeny do elektˇriny a magnetismu. Na str´ank´ach vyuˇziji dˇelen´ı Podle roˇcn´ık˚ u a t´emat → roˇcn´ık: septima; t´ema: Elektˇrina a magnetismus → vybrat ze vˇsech expon´at˚ u, kter´e do tohoto t´ematu patˇr´ı, mi pom˚ uˇze rozdˇelen´ı na podt´emata → do m´e v´ yuky mˇe zaujaly expon´aty z podt´emat Stacion´arn´ı magnetick´e pole, Nestacion´arn´ı magnetick´e pole a Elektrick´ y proud v kapalin´ach → Prohl´ednu si expon´aty, kter´e do tˇechto podt´emat zapadaj´ı. Na str´ance kaˇzd´eho expon´atu mi fotografie, popisek ˇci video pom˚ uˇze zjistit, co mˇe u nˇej ˇcek´a. Oznaˇcen´ı polohy expon´at˚ u v iQparku mi pom˚ uˇze expon´aty rychleji nal´ezt. 9
2. V´ ybˇ er podle parametr˚ u Tento zp˚ usob vyhled´av´an´ı je vhodn´ y pˇredevˇs´ım pro uˇcitele, kteˇr´ı jiˇz v iQparku nˇekdy byli, pˇr´ıpadnˇe pro ty, kteˇr´ı hledaj´ı expon´aty, kter´e obsahuj´ı nˇekter´e speci´aln´ı doplˇ nky. Tˇemito mohou b´ yt napˇr´ıklad video, kter´e m˚ uˇze student˚ um pˇri hodnocen´ı exkurze osvˇeˇzit pamˇet’; nebo origin´aln´ı popisek iQparku, kter´ y si m˚ uˇze uˇcitel pˇreˇc´ıst jeˇstˇe pˇred samotnou n´avˇstˇevou, nebo pom˚ uˇze pˇripomenout, co u expon´atu bylo naps´ano. Tato moˇznost je vhodn´a i pro uˇzivatele, kteˇr´ı chtˇej´ı z´ıskat tabulku vˇsech expon´at˚ u, kter´e jsou do datab´aze zaˇrazeny. Pro vyhled´av´an´ı pomoc´ı parametr˚ u uˇzivatel na hlavn´ı str´ance klikne na odkaz u. Pˇri prvn´ım otevˇren´ı Pˇrehled expon´at˚ u a n´aslednˇe na Filtrov´an´ı podle parametr˚ bude zobrazena tabulka se vˇsemi expon´aty. Zobrazovan´a tabulka obsahuje n´azev expon´atu, polohu v iQparku, roˇcn´ık, t´ema a informaci o tom, zda popis expon´atu obsahuje video a materi´aly ke staˇzen´ı3 . Pro v´ ybˇer parametr˚ u slouˇz´ı kratiˇck´ y formul´aˇr ve vrchn´ı ˇca´sti str´anky. Po nastaven´ı parametr˚ u uˇzivatel stiskne tlaˇc´ıtko Zobrazit a do tabulky budou vyps´any odpov´ıdaj´ıc´ı expon´aty. Obr´azek 2.2 ukazuje pˇr´ıklad takov´e jiˇz vyfiltrovan´e tabulky.
Obr´azek 2.2: Uk´azkov´a tabulka expon´at˚ u se zapnut´ ym filtrov´an´ım.
3. Vyhled´ av´ an´ı na mapˇ e Tato forma vyhled´av´an´ı expon´at˚ u je vhodn´a pˇredevˇs´ım pro uˇcitele, kteˇr´ı se vr´atili z exkurze a chtˇej´ı si pˇripomenout, co v jednotliv´ ych patrech a m´ıstnostech vidˇeli. 3
Materi´ aly ke staˇzen´ı rozum´ıme pˇredevˇs´ım origin´aln´ı popisek iQparku, jehoˇz tiˇstˇen´a verze je um´ıstˇena u expon´ atu v iQparku.
10
Jistˇe bude zaj´ımav´a i pro ty, kteˇr´ı jedou do iQparku poprv´e a chtˇej´ı se v nˇem trochu zorientovat. Pro vyhled´av´an´ı na mapˇe uˇzivatel na hlavn´ı str´ance klikne na odkaz Pˇrehled expon´at˚ u a d´ale na Mapa iQparku. Na zobrazen´e str´ance (viz obr´azek 2.3) se uk´aˇze mapa cel´eho iQparku se vˇsemi ˇctyˇrmi patry. Pro vyps´an´ı expon´at˚ u v jednotliv´ ych patrech je tˇreba kliknout na ˇc´ast obr´azku s pˇr´ısluˇsn´ ym patrem, pˇr´ıpadnˇe lze vyuˇz´ıt menu v lev´e ˇca´sti str´anky.
ˇ ast str´anky s mapou iQparku, kter´a slouˇz´ı pro vyhled´av´an´ı exObr´azek 2.3: C´ pon´at˚ u v jednotliv´ ych patrech.
2.1.2
Popis expon´ atu
Pro kaˇzd´ y zaˇrazen´ y expon´at byla vytvoˇrena speci´aln´ı str´anka (viz obr´azek 2.4), kter´a obsahuje pro uˇcitele ty nejpodstatnˇejˇs´ı informace. Nalezneme zde: • N´azev expon´atu. • Hlavn´ı fotografii. • Ve kter´e m´ıstnosti iQparku tento expon´at nalezneme a odkaz na mapu iQparku. 11
• Struˇcn´ y popis expon´atu. (Z ˇceho se skl´ad´a, jak prov´est experiment a co pozorovat?) • N´amˇety a ot´azky pro diskuzi se studenty. • Origin´aln´ı text iQparku, kter´ y je pˇriloˇzen k expon´atu (ke staˇzen´ı). U vybran´ ych expon´at˚ u nalezneme video proveden´ı pokusu s expon´atem a dalˇs´ı fotografie. Autorem fotografi´ı, vide´ı, struˇcn´eho popisu i n´amˇet˚ u na ot´azky je autorka t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace.
Obr´azek 2.4: Typick´ y popis expon´atu jak je zobrazen na webov´ ych str´ank´ach.
2.1.3
Expon´ aty zaˇ razen´ e do datab´ aze
Do datab´aze bylo zaˇrazeno celkem 87 expon´at˚ u, kter´e pokr´ yvaj´ı vˇsechny ˇctyˇri roˇcn´ıky stˇredn´ı ˇskoly, jsou rozˇrazeny do ˇsesti t´emat4 (Mechanika - 35; Molekulov´a fyzika a termika - 4; Mechanick´e kmit´an´ı a vlnˇen´ı - 6; Elektˇrina a magnetismus 18; Optika - 22; Astrofyzika - 2), kter´a byla d´ale rozˇclenˇena na 23 podt´emat. 4
U pˇrehledu t´emat rovnˇeˇz uv´ ad´ım poˇcet expon´at˚ u zaˇrazen´ ych do dan´eho t´ematick´eho celku.
12
Z v´ yˇse uveden´eho souhrnu t´emat a poˇctu expon´at˚ u v nich zaˇrazen´ ych je patrn´e, ˇze vˇetˇsina spad´a do t´emat mechanika, optika, elektˇrina a magnetismus. Nen´ı to tak, ˇze bych se ve sv´e pr´aci zamˇeˇrila v´ yhradnˇe na tato t´emata, ale bohuˇzel zat´ım nab´ıdka expon´at˚ u v iQparku ostatn´ı partie fyziky nepokr´ yv´a v takov´e m´ıˇre a tud´ıˇz nebylo co do datab´aze v tˇechto okruz´ıch zaˇradit. Pˇrehled vˇsech zaˇrazen´ ych expon´at˚ u je obsahem pˇr´ılohy A. Jsou tam uvedeny nejen n´azvy, ale u kaˇzd´eho je i jedna z fotografi´ı, pouˇzit´ ych u dan´eho expon´atu na webu, a pˇredevˇs´ım je u nich uveden text, jehoˇz jsem autorkou (kr´atk´ y popisek expon´atu a ot´azky pro diskuzi se studenty, kter´e mohou b´ yt inspirac´ı pro vyuˇcuj´ıc´ı).
2.2
Administr´ atorsk´ e rozhran´ı
Druhou (skrytou) ˇca´st webu tvoˇr´ı administr´atorsk´e rozhran´ı, kter´e slouˇz´ı k vytv´aˇren´ı a u ´pravˇe dat v datab´azi. Spr´avce m˚ uˇze vytv´aˇret nov´a t´emata, k nim pˇr´ısluˇsn´a podt´emata a zaˇrazovat nov´e expon´aty. Syst´em samozˇrejmˇe umoˇzn ˇuje u ´pravy a maz´an´ı jiˇz vytvoˇren´ ych z´aznam˚ u.
ˇ ast u Obr´azek 2.5: C´ ´vodn´ı str´anky administr´atorsk´eho rozhran´ı obsahuj´ıc´ı tabulku se vˇsemi zaˇrazen´ ymi expon´aty. Po vstupu do t´eto ˇca´sti webu se zobraz´ı pˇrehledn´a tabulka zaˇrazen´ ych expon´at˚ u (viz obr´azek 2.5), kter´a obsahuje identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo (id) expon´atu, n´azev expon´atu, jeho um´ıstˇen´ı, t´ematick´e zaˇrazen´ı, informaci zda je zaˇrazen popis expon´atu, video a materi´aly ke staˇzen´ı. Id kaˇzd´eho expon´atu tvoˇr´ı interaktivn´ı odkaz na str´anku umoˇzn ˇuj´ıc´ı jeho u ´pravy. Nad tabulkou nalezneme odkazy pro vkl´ad´an´ı/´ upravu kategori´ı (ˇskola5 , roˇcn´ık, t´ema a podt´ema). Rovnˇeˇz je zde um´ıstˇen odkaz pro vstup do uˇzivatelsk´eho rozhran´ı a pˇrid´an´ı nov´eho expon´atu. Stisk5
Tato bakal´ aˇrsk´ a pr´ ace se zamˇeˇruje pouze na t´emata stˇredn´ıch ˇskol. Snahou vˇsak bylo vytvoˇrit webov´e str´ anky a pˇr´ısluˇsnou podporu co nejuniverz´alnˇejˇs´ı tak, aby bylo moˇzn´e je v pˇr´ıpadˇe z´ ajmu rozˇs´ıˇrit o expon´aty vhodn´e pro z´akladn´ı ˇskoly a pˇridat pˇr´ısluˇsn´e kategorie.
13
Obr´azek 2.6: Uk´azka vyplnˇen´e tabulky s u ´daji o zaˇrazovan´em expon´atu. neme-li naposledy zm´ınˇeny odkaz, budeme vyzv´ani (viz obr´azek 2.6) k vloˇzen´ı n´asleduj´ıc´ıch u ´daj˚ u o novˇe zaˇrazovan´em expon´atu: ˇ ıslo expon´atu (ˇc´ıslo pˇriˇrazen´e iQparkem). • C´ • N´azev expon´atu. • Um´ıstˇen´ı expon´atu (ˇc´ıslo patra a oznaˇcen´ı m´ıstnosti, napˇr. 2A). • 1. podt´ema (Podt´emata byla vytvoˇrena administr´atorem. Urˇcen´ım podt´ematu syst´em automaticky zaˇrad´ı expon´at do nadˇrazen´ ych kategori´ı - t´ema, roˇcn´ık a ˇskola.) • 2. podt´ema (nepovinn´e) • Text 1. (Prostor pro vlastn´ı popis expon´atu a n´amˇety na ot´azky. Zadan´ y text je nutno form´atovat pomoc´ı html tag˚ u.) • Poˇcet obr´azk˚ u. • Soubory ke staˇzen´ı 1-3. • Encyklopedie fyziky (ˇc´ıslo str´anky pˇr´ısluˇsn´eho t´ematu v Encyklopedii fyziky [10]). • Sb´ırka ˇreˇsen´ ych u ´loh (ˇc´ıslo u ´lohy ve Sb´ırce ˇreˇsen´ ych u ´loh z fyziky [11]).
14
• Text 2. (Jedn´a se o moˇznost pro pˇrid´an´ı dalˇs´ıch zaj´ımav´ ych odkaz˚ u, zobraz´ı se v sekci souvisej´ıc´ı odkazy a materi´aly“. Zadan´ y text je nutno form´atovat ” pomoc´ı html tag˚ u.) • Video (k´od videa nahran´eho na serveru http://youtube.com). ˇ Stejn´ Pro uloˇzen´ı zadan´ ych dat je tˇreba stisknout tlaˇc´ıtko ULOZ“. y formul´aˇr, ” pouze jiˇz s vyplnˇen´ ymi u ´daji, se zobraz´ı tak´e pˇri u ´pravˇe z´aznam˚ u u expon´atu.
2.3
Technick´ eˇ reˇ sen´ı webov´ ych str´ anek
Webov´e str´anky jsou naprogramov´any v PHP4 a spolupracuj´ı s MySQL datab´az´ı. ˇ Program´atorem byl konzultant pr´ace RNDr. Zdenˇek Sabatka. J´a, autorka t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace, jsem vytvoˇrila n´avrh logick´e struktury str´anek, syst´emu tˇr´ıdˇen´ı expon´at˚ u, navrhla jsem parametry zaznamen´avan´e u expon´at˚ u v datab´azi a upravila jsem vzhled webov´ ych str´anek, jehoˇz z´akladem je volnˇe dostupn´ y styl Cor” porate Slave“[12]. O naplnˇen´ı datab´aze daty (vytvoˇren´ı tˇr´ıd´ıc´ıch kategori´ı, n´azvy a popisy expon´at˚ u, . . . ), zpracov´an´ı fotografi´ı, stejnˇe jako vide´ı jsem se starala jiˇz zcela samostatnˇe.
15
Z´ avˇ er ˇ e Tvorba t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace sest´avala z mapov´an´ı v´ yvoje science center v Cesk´ republice, vytvoˇren´ı datab´aze a strukturovan´eho popisu expon´at˚ u vhodn´ ych pro doplnˇen´ı uˇciva stˇredn´ıch ˇskol, kter´e jsou um´ıstˇeny v science centru iQpark v Liberci. Vytvoˇren´a datab´aze je volnˇe pˇr´ıstupn´a na internetov´e adrese http://fyzweb.cz/ materialy/iqpark a jak bylo uvedeno v zad´an´ı pr´ace, bude slouˇzit zejm´ena pro uˇcitele stˇredn´ıch ˇskol a odpov´ıdaj´ıc´ıch roˇcn´ık˚ u v´ıcelet´ ych gymn´azi´ı, kteˇr´ı pl´anuj´ı se sv´ ymi studenty cestu do iQparku v Liberci a chtˇej´ı se na n´ı n´aleˇzitˇe pˇripravit. Celkem jsem pracovala s 85 expon´aty, kter´e jsem zaˇradila do vhodn´ ych roˇcn´ık˚ u, t´emat a podt´emat. D´ale jsem ke kaˇzd´emu expon´atu vytvoˇrila struˇcn´ y text, kter´ y jej popisuje, poˇr´ıdila a zpracovala jsem fotografie, pro nˇekter´e expon´aty navrhla ot´azky vhodn´e na diskuzi se studenty a pro vybran´e expon´aty natoˇcila videa pr˚ ubˇeh˚ u experiment˚ u. Datab´azi bude d´ale spravovat a souˇcasnˇe zaˇrazen´e expon´aty aktualizovat iQpark. Tvorba dalˇs´ıch popis˚ u pˇr´ıpadnˇe jin´ ych materi´al˚ u pro vytvoˇren´e webov´e str´anky m˚ uˇze b´ yt z´akladem dalˇs´ıch bakal´aˇrsk´ ych ˇci diplomov´ ych prac´ı.
16
Seznam pouˇ zit´ e literatury c 2007 [cit. 2012-04-16]. Dostupn´e z: http://www.iqpark.cz [1] IQpark [online]. c 2008 [cit. 2012-04-16]. Dostupn´e z: [2] Techmania [online]. http://www.techmania.cz [3] Moravian Science Centre Brno [online]. [2010] [cit. 2012-04-16]. Dostupn´e z: http://www.mscb.cz ˇ ´IK, Milan, SIROK ˇ ´ Miroslava, BUJOK, Petr. Fyzika pro [4] BEDNAR A, gymn´azia: Mechanika. Praha: Prometheus, 1994, 343 s. ISBN 80-901-6193-6. [5] LEPIL, Oldˇrich. Fyzika pro gymn´azia: Mechanick´e kmit´an´ı a vlnˇen´ı. Praha: Prometheus, 1994, 135 s. ISBN 80-85849-46-1. ˇ [6] BARTUSKA, Karel, SVOBODA, Emanuel. Fyzika pro gymn´azia: Molekulov´a fyzika a termika. 2. vyd. Praha: Prometheus, 1994, 254 s. ISBN 80-8584946-1. ˇ ´ Pˇremysl. Fyzika pro gymn´azia: elektˇrina a mag[7] LEPIL, Oldˇrich, SEDIV Y, netismus. 5. vyd. Praha: Prometheus, 2003, 342 s. Uˇcebnice pro stˇredn´ı ˇskoly (Prometheus). ISBN 80-719-6202-3. [8] LEPIL, Oldˇrich, KUPKA, Zdenˇek. Fyzika pro gymn´azia: Optika. 2. vyd. Praha: Prometheus, 2001, 167 s. ISBN 80-858-4971-2. ´ CEK, ˇ [9] MACHA Martin. Fyzika pro gymn´azia: astrofyzika. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1998, 143 s., [16] s. obr. pˇr´ıloh. ISBN 80-719-6091-8. c 2006 [cit. 2012-05-21]. Dostupn´e z: [10] Encyklopedie fyziky [online]. http://fyzika.jreichl.com [11] Sb´ırka ˇreˇsen´ych u ´loh z fyziky [online]. 2008 [cit. 2012-05-21]. Dostupn´e z: http://www.fyzikalniulohy.cz c 2012 [cit. [12] Preview - Corporate Slave. Open Source Web Design [online]. 2012-05-21]. Dostupn´e z: http://www.oswd.org/design/preview/id/2784
17
Pˇ r´ılohy
18
A. Pˇ rehled zaˇ razen´ ych expon´ at˚ u Text t´eto pˇr´ılohy tvoˇr´ı seznam expon´at˚ u zaˇrazen´ ych do internetov´e datab´aze. Zde jsou ˇclenˇeny jen do hlavn´ıch kategori´ı. U kaˇzd´eho expon´atu je jedna fotografie, popis pro uˇcitele, kter´ y jsem vytvoˇrila, stejnˇe jako n´amˇety na diskuzi se studenty.
A.1
Mechanika
Archim´ ed˚ uv ˇ sroub Jedn´a se o velmi jednoduch´ y, ale u ´ˇcinn´ y druh ˇcerpadla. Ot´aˇcen´ım Archim´edova ˇsroubu, coˇz je ˇsikmo poloˇzen´a ˇsroubovice s dr´aˇzkami, m˚ uˇzeme pˇresunout vodu do vyˇsˇs´ıch v´ yˇsek. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Dobˇre si prohl´ednˇete fungov´an´ı ˇsroubu a n´aslednˇe vysvˇetlete, jak je moˇzn´e, ˇze voda ze ˇsroubovice nesteˇce zpˇet do baz´enu a pˇri ot´aˇcen´ı ˇsroubu naopak stoup´a. • V´ıte, kdy ˇzil Archim´edes?
Bernoulliho bal´ ony Dva plastov´e bal´ony jsou zavˇeˇseny tak, ˇze ve sv´e klidov´e poloze jsou od sebe vzd´aleny jen nˇekolik centimetr˚ u. Foukneme-li do mezery mezi nimi, bal´ony se zaˇcnou k sobˇe pˇribliˇzovat. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se bal´ony pˇribliˇzuj´ı, pokud mezi nˇe foukneme? • Existuje nˇejak´e praktick´e vyuˇzit´ı tohoto jevu?
Bernoulliho fukar Fukar spust´ıme pomoc´ı tlaˇc´ıtka. T´ım vytvoˇr´ıme proud vzduchu, do kter´eho um´ıst´ıme bal´on. K dispozici je nafukovac´ı bal´on a bal´onek z polystyrenu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Co se stane, kdyˇz d´ame oba bal´onky do proudu vzduchu nad sebe?
19
Bubliny Expon´at sest´av´a ze dvou v´alc˚ u, z nichˇz jeden je naplnˇen´ y vodou a druh´ y sirupem. U kaˇzd´eho v´alce m˚ uˇzeme zapumpovat a t´ım vytvoˇrit ve v´alci vzduchov´e bubliny. Nav´ıc je ve v´alci s vodou bal´onek, kter´ y pˇri vytvoˇren´ı bublin, kter´e stoupaj´ı nahoru, kles´a. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc bubliny stoupaj´ı pomaleji v sirupu neˇz ve vodˇe? • Proˇc se v sirupu tvoˇr´ı vˇetˇs´ı bubliny?
Dˇ elo Zvukov´e dˇelo je tvoˇreno v´alcovou plochou, jej´ıˇz jedna podstava je tvoˇrena gumovou membr´anou a ve druh´e je kruhov´ y otvor. Dˇelo je otvorem nam´ıˇreno pˇr´ımo na zed’, na kter´e jsou zavˇeˇseny lehk´e leskl´e kulat´e terˇce. Udeˇr´ıme-li plochou dlanˇe do membr´any, ˇca´st terˇc˚ u se rozechvˇeje.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak souvis´ı bouchnut´ı do membr´any dˇela s rozh´ yb´an´ım terˇc˚ u? • Co je to zvuk? • Jak rozh´ yb´an´ı terˇc˚ u z´avis´ı na s´ıle u ´deru?
Faleˇ sn´ e zlato - Archim´ ed˚ uv z´ akon Expon´at pˇripom´ın´a historku, jak Archim´edes pomohl kr´ali oznaˇcit podvodn´ıka, kter´ y mu vyrobil ko´ runu z faleˇsn´eho zlata. Udajnˇe pr´avˇe pˇri tom pˇriˇsel na sv˚ uj slavn´ y z´akon. Na vah´ach je na jedn´e stranˇe zavˇeˇsena kr´alovsk´a koruna a na druh´e stranˇe pozlacen´ y k´amen. V´ahy jsou v rovnov´aze, neˇz ponoˇr´ıme oba zavˇeˇsen´e pˇredmˇety do vody. Po ponoˇren´ı koruny i protiz´avaˇz´ı, je kr´alovsk´a koruna nadlehˇcov´ana v´ıce, m´a tedy menˇs´ı hustotu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se rovnov´aha po ponoˇren´ı poruˇsila? • Jak t´ım Archim´edes odhalil pro kr´ale podvodn´ıka? • Jak v˚ ubec zn´ı Archim´ed˚ uv z´akon? 20
• Pˇri pomal´em vynoˇrov´an´ı pozlacen´eho kamene m˚ uˇzeme tak´e vidˇet pˇrilnavost vody a mluvit o povrchov´em napˇet´ı.
Gyroskop Tento expon´at je profesion´aln´ı verz´ı vcelku zn´am´eho ˇskoln´ıho pokusu, kdy experiment´ator sed´ı na otoˇcn´e ˇzidli a do rukou si vezme velk´ y seˇ trvaˇcn´ık (bicyklov´e kolo). Zidle je zde nahrazena otoˇcnou ploˇsinou a kolo (setrvaˇcn´ık) je k n´ı pevnˇe pˇripojeno, nemus´ıme ho tak drˇzet v rukou. Na zaˇca´tek experimentu si stoupneme na ploˇsinu a roztoˇc´ıme kolo – a to v situaci, kdy je kolo ve svisl´e poloze. Pomoc´ı ˇr´ıd´ıtek natoˇc´ıme kolo a pozorujeme, ˇze se cel´a ploˇsina d´a do ot´aˇciv´eho pohybu. Pokud kolo vr´at´ıme do svisl´e polohy, ploˇsina se opˇet zastav´ı.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc ploˇsina mˇen´ı sv˚ uj pohybov´ y stav? • Podobn´e zaˇr´ızen´ı (gyroskop) jako je tato otoˇcn´a deska a kolo je souˇca´st´ı nˇekter´ ych pˇr´ıstroj˚ u pouˇz´ıvan´ ych v technick´e praxi. Kde bychom se s jejich vyuˇzit´ım setkali?
Hopsa koule Zde m˚ uˇzeme diskutovat o z´akonu zachov´an´ı mechanick´e energie. K dispozici m´ame 3 r˚ uznˇe velk´e gumov´e m´ıˇcky, kter´e jsou poloˇzeny na sobˇe, a to ve dvou variant´ach vzestupnˇe (nejvˇetˇs´ı m´ıˇcek dole) ˇci sestupnˇe (nejvˇetˇs´ı m´ıˇcek nahoˇre). V tˇechto uspoˇra´d´an´ıch je nech´ame padat a sledujeme, jak se chovaj´ı po dopadu. Kuliˇcky jsou navleˇceny na provazu, coˇz zajist´ı svisl´ y smˇer dopadu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc po dopadu vˇzdy spodn´ı m´ıˇcek z˚ ustane na zemi a vrchn´ı se odraz´ı? • Jak je moˇzn´e, ˇze u vzestupn´eho uspoˇra´d´an´ı m´ıˇck˚ u po dopadu vrchn´ı vyskoˇcil do vˇetˇs´ı v´ yˇsky, neˇz z kter´e jsme vˇsechny pouˇstˇeli? • Proˇc naopak u opaˇcn´eho uspoˇra´d´an´ı vrchn´ı poskoˇc´ı jen o mal´ y kousek?
21
Houpaˇ cka - p´ aka Obyˇcejn´a“ houpaˇcka je zde pouˇzita jako dvoj” zvratn´a p´aka a studenti si tak sami na sobˇe mohou vyzkouˇset, zda ovl´adaj´ı a umˇej´ı v praxi pouˇz´ıt podm´ınku pro rovnov´ahu na p´ace. Pro snadnˇejˇs´ı orientaci a domluvu student˚ u jsou na houpaˇcce nakresleny ˇc´ary, ud´avaj´ıc´ı vzd´alenost od osy ot´aˇcen´ı. Pokusy je vhodn´e prov´adˇet se studenty r˚ uzn´ ych hmotnost´ı, stejnˇe jako stejn´ ych hmotnost´ı – jsou tak pˇeknˇe vidˇet rozd´ıly polohy student˚ u pˇri nastolen´ı rovnov´ahy. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´e podm´ınky mus´ı b´ yt splnˇeny, aby nastala rovnov´aha na p´ace?
Klenba Tento expon´at se skl´ad´a ze sedmi dˇrevˇen´ ych ˇspal´ık˚ u, ze kter´ ych je moˇzn´e sestavit klenbu. C´ılem expon´atu je pˇredv´est jak´ ym zp˚ usobem lze postavit strop, most, okenn´ı pˇredklad, apod. bez pouˇzit´ı dnes bˇeˇzn´ ych traverz. Pr´avˇe t´eto techniky s u ´spˇechem vyuˇz´ıvali naˇsi pˇredkov´e a d´ıv´ame-li se dobˇre kolem sebe, m˚ uˇzeme ˇradu staveb obsahuj´ıc´ıch nˇejakou klenbu pozorovat. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se jednotliv´e kusy udrˇz´ı na m´ıstˇe a stavba se nezhrout´ı? • Jak´e s´ıly p˚ usob´ı na jednotliv´e kostky?
Kuliˇ ckov´ y v´ ytah Jednoduch´ y pokus sest´av´a z dˇrevˇen´e trubiˇcky, kterou je provleˇcen prov´azek, na jehoˇz konc´ıch je z´avaˇz´ı a kuliˇcka. Trubiˇcku drˇz´ıme ve svisl´e poloze. Naˇsim c´ılem je zvednout z´avaˇz´ı k okraji trubiˇcky – toho doc´ıl´ıme t´ım, ˇze roztoˇc´ıme kuliˇcku.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc z´avaˇz´ı mˇen´ı sv˚ uj pohybov´ y stav? • Kdo/co je pachatelem s´ıly zvedaj´ıc´ı z´avaˇz´ı vzh˚ uru? • Jak´e s´ıly p˚ usob´ı na z´avaˇz´ı, kuliˇcku a na prov´azek?
22
Kuliˇ cky od sebe Dˇrevˇen´a deska je postavena na hranˇe a je vyˇr´ıznuta tak, ˇze jej´ı horn´ı ˇca´st tvoˇr´ı U-dr´ahu se ˇzl´abkem, ve kter´em jsou poloˇzeny dvˇe kovov´e kuliˇcky. Dr´aha na obou konc´ıch pˇrech´az´ı do roviny. Aby kuliˇcky nevypadly a nezakut´alely se, je cel´e toto uspoˇra´d´an´ı ´ obklopeno sklem. Ukolem experiment´atora je dostat kaˇzdou z kuliˇcek od sebe - na jedno z vodorovn´ ych stanoviˇst’.
Najdi tˇ eˇ ziˇ stˇ e tyˇ ce K dispozici m´ame dˇrevˇenou tyˇc dlouhou pˇribliˇznˇe 1,5 m. Student pomoc´ı nataˇzen´ ych ukazov´aˇck˚ u, kter´e posouv´a od konc˚ u tyˇce ke stˇredu, najde tˇeˇziˇstˇe tyˇce. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Co n´am pom´ah´a takhle nal´ezt tˇeˇziˇstˇe? • Jak´e druhy tˇren´ı se zde uplatˇ nuj´ı?
Naklonˇ en´ a rovina Naklonˇen´a rovina, kter´a m´a nahoˇre z´apadku, d´ıky n´ıˇz m˚ uˇzeme vypouˇstˇet dva v´aleˇcky najednou a porovn´avat tak jejich rychlosti. K dispozici je nˇekolik v´aleˇck˚ u, kter´e maj´ı r˚ uznou hmotnost, pr˚ umˇer a r˚ uznˇe rozloˇzenou hmotu vzhledem k ose ot´aˇcen´ı, tedy r˚ uzn´e momenty setrvaˇcnosti. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Kter´e v´aleˇcky jsou rychlejˇs´ı po sjet´ı z naklonˇen´e roviny? • Na ˇcem toto z´avis´ı?
23
Newton˚ uv voz´ık Na koleˇck´ach je um´ıstˇena konstrukce uvnitˇr s kyvadlem. Je-li voz´ık v klidu a my rozhoupeme pouze kyvadlo, pak i voz´ık se zaˇcne pohybovat a to trhan´ ymi pohyby tam a sem v rytmu kyvadlo. Pohyby kyvadla a voz´ıku jsou v takov´em pˇr´ıpadˇe v protif´azi. Cel´a soustava voz´ık-kyvadlo se pohybuje tak, ˇze jej´ı tˇeˇziˇstˇe z˚ ust´av´a st´ale na m´ıstˇe. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se voz´ık zaˇcne pohybovat, rozhoupeme-li kyvadlo? • Proˇc pohyb kyvadla i voz´ıku po chv´ıli ustane? • Jak se mˇen´ı poloha tˇeˇziˇstˇe cel´e soustavy? • Proved’te dalˇs´ı experiment: Rozhoupejte kyvadlo a do voz´ıku strˇcte. Pokuste se popsat, jak se liˇs´ı pohyb voz´ıku oproti pˇredchoz´ımu pˇr´ıpadu. Jak se v t´eto situaci mˇen´ı poloha tˇeˇziˇstˇe?
Pirueta Expon´at se skl´ad´a pouze“ z otoˇcn´e ploˇsiny. Pokud ” se na t´eto ploˇsinˇe roztoˇc´ıte, m˚ uˇzete demonstrovat, jak z´avis´ı moment setrvaˇcnosti tˇelesa na rozloˇzen´ı hmoty v˚ uˇci ose ot´aˇcen´ı. Jsou-li ruce od tˇela, je moment setrvaˇcnosti vˇetˇs´ı a rychlost ot´aˇcen´ı se sn´ıˇz´ı. Pˇripaˇz´ı-li ˇclovˇek, jeho rychlost ot´aˇcen´ı naopak vzroste. Efekt je markantnˇejˇs´ı, vezme-li si figurant do rukou nˇeco tˇeˇzk´eho (PET lahve s vodou, . . . ) Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Vzpomenete si na vztah pro kinetickou energii ot´aˇcej´ıc´ıho se tuh´eho tˇelesa? • M˚ uˇzeme pomoc´ı tohoto vztahu nˇejak vysvˇetlit pozorovan´ y experiment?
Podtlak Expon´at je tvoˇren plexisklov´ ym kotouˇcem, ve kter´em je uprostˇred otvor a do nˇej je zasazena trubka. Stiskem tlaˇc´ıtka zaˇcneme trubkou vh´anˇet proud vzduchu do otvoru v plexiskle. Pod n´ım je poloˇzena kruhov´a deska z lehk´eho materi´alu. Po puˇstˇen´ı proudu vzduchu se lehk´a deska vznese smˇerem k plexisklu. Na okraji plexiskla jsou f´aborky, d´ıky nimˇz se m˚ uˇzeme pˇresvˇedˇcit, ˇze vzduch proud´ı ven z trubky a ne dovnitˇr.
24
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se lehk´a deska chov´a opaˇcnˇe, neˇz jak bychom mohli na prvn´ı pohled pˇredpokl´adat, tj. ˇze bude proudem odstrkov´ana? • Co popisuje Bernoulliho rovnice?
Pot´ apˇ eˇ c - hydrostat V´alec je naplnˇen kapalinou, jej´ıˇz tlak m˚ uˇzeme zvyˇsovat p´ıstem, kter´ y je ovl´ad´an ped´alem. Ve v´alci je pot´apˇeˇc (postaviˇcka s nafouknut´ ym balonkem), kter´ y se pˇri zmˇenˇe tlaku smrˇst´ı, t´ım se jeho objem zmenˇsuje, roste hustota a on kles´a dol˚ u. Zde se uplatn´ı hned dva d˚ uleˇzit´e z´akony, kter´e m˚ uˇzeme se studenty prodiskutovat, a to Pascal˚ uv z´akon ˇs´ıˇren´ı tlaku v kapalinˇe vˇsemi smˇery a Archim´ed˚ uv z´akon.
Proˇ c teˇ ce voda z kohoutku? Expon´at demonstruje princip spojen´ ych n´adob a jeho vyuˇzit´ı v praxi. Jedna n´adoba pln´ı funkci vodojemu a druh´a potrub´ı nˇekolikapatrov´eho panel´aku. Naplˇ nujeme-li pomoc´ı ruˇcn´ı pumpy vodojem, voda zaˇcne souˇcasnˇe plnit potrub´ı v domˇe a zaˇcne vyt´ekat z otvor˚ u, kter´e mohou pˇredstavovat otevˇren´e kohoutky. Stane se tak vˇsak jen v patrech, kter´e jsou na (nebo pod) u ´rovni hladiny vody ve vodojemu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Co zapˇr´ıˇciˇ nuje vyrovn´av´an´ı hladin ve vodojemu a v domˇe, pˇrestoˇze ve vodojemu je podstatnˇe v´ıce vody? • Proˇc voda v niˇzˇs´ıch patrech dostˇr´ıkne d´al? • Jak se liˇs´ı tlak vody v jednotliv´ ych patrech? • Jakou kˇrivku opisuje vyt´ekaj´ıc´ı voda?
25
R´ azostroj Na r´azostroji, kter´ y zde tvoˇr´ı 5 svisle zavˇeˇsen´ ych stejn´ ych kladiv, m˚ uˇzeme uk´azat a diskutovat v´ ymˇenu kinetick´e energie a z´akon zachov´an´ı energie a hybnosti. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc r´azy po chv´ıli ustanou a nechov´a se r´azostroj jako perpetum mobile? • Co by se stalo, kdyby pouˇzit´a kladiva byla z gumy?
Rotuj´ıc´ı deska Rotuj´ıc´ı kovov´a deska je poh´anˇena ruˇcn´ım pohonem – mus´ıte ot´aˇcet klikou a deska se bude toˇcit. M˚ uˇzeme tak pomˇernˇe snadno ovl´adat rychlost ot´aˇcen´ı. Na desku je moˇzno pokl´adat a kut´alet po n´ı v´alcov´e destiˇcky r˚ uzn´ ych velikost´ı a hmotnost´ı, stejnˇe jako bal´onek.
Rotuj´ıc´ı kapalina Na ot´aˇciv´e desce je pˇripevnˇeno sklenˇen´e ploch´e akv´arium s obarvenou kapalinou. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc pˇri ot´aˇcen´ı zmˇen´ı kapalina tvar hladiny? • Jak´ y tvar kapalina vytvoˇr´ı pˇri rovnomˇern´em ot´aˇcen´ı?
Roztoˇ c vrtuli Na stropˇe je zavˇeˇseno nˇekolik typ˚ u vrtul´ı, kter´e jsou rozt´aˇceny pomoc´ı fukaru. Nad kaˇzdou vrtul´ı je stupnice“ z LEDek, kter´a indikuje rychlost vrtu” le. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´ y typ a poˇcet lopatek je pro vrtuli a pˇrev´adˇen´ı vˇetrn´e energie na elektrickou nejvhodnˇejˇs´ı?
26
Staviteln´ e kyvadlo (nastav tˇ eˇ ziˇ stˇ e) Dvˇe zavˇeˇsen´e tyˇce, kde prvn´ı m´a tˇri ramena a druh´a dvan´act. Na kaˇzd´em rameni je posuvn´e z´avaˇz´ı. C´ılem je nastavit vˇsechna z´avaˇz´ı tak, aby tyˇc byla ve svisl´e poloze. Pro ovˇeˇren´ı, ˇze tyˇc je svisle, slouˇz´ı dva hroty, z nichˇz jeden je na konci tyˇce a druh´ y na podloˇzce. D´ıky tomu, ˇze vˇsechna z´avaˇz´ı nemaj´ı stejnou hmotnost, student mus´ı zkouˇset a pˇrem´ yˇslet. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´ y vliv m´a na tˇeˇziˇstˇe hmotnost z´avaˇz´ı a jak´ y jeho poloha na rameni? • Kde je tˇeˇziˇstˇe tˇelesa (resp. m˚ uˇzeme ˇr´ıci nˇeco o poloze tˇeˇziˇstˇe), jsou-li hroty nam´ıˇreny proti sobˇe a tyˇc je svisle?
Stlaˇ c l´ ahev Expon´at, na kter´em lze uk´azat, ˇze i sklo pruˇz´ı, se skl´ad´a z ov´aln´e l´ahve s kapalinou, kter´a m´a v zaˇspuntovan´em hrdle zasazenou kapil´aru. Pokud l´ahev stlaˇc´ıme, obarven´a kapalina v kapil´aˇre stoupne nebo klesne. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Odhadnete, o kolik se l´ahev prom´aˇckne? • Dok´aˇzete vysvˇetlit, proˇc hladina v kapil´aˇre pˇri jednom typu zm´aˇcknut´ı stoupne a pˇri jin´em klesne? • Co se v dan´e chv´ıli dˇeje s objemem n´adoby a jak toto souvis´ı s maˇck´an´ım l´ahve?
V´ aha (p´ aka dvojzvratn´ a) Expon´at je tvoˇren dˇrevˇenou dvojzvratnou p´akou s kol´ıˇcky pro zavˇeˇsen´ı z´avaˇz´ı – dˇrevˇen´ ych desek r˚ uzn´ ych tvar˚ u a hmotnost´ı. Studenti si zde mohou otestovat, zda znaj´ı a umˇej´ı v praxi pouˇz´ıt podm´ınku pro rovnov´ahu na p´ace. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´e podm´ınky mus´ı b´ yt splnˇeny, aby nastala rovnov´aha na p´ace?
27
V´ır Expon´at se skl´ad´a z v´alce, kter´ y je pˇribliˇznˇe z tˇretiny naplnˇen vodou. Ve v´alci na dnˇe je vrtule, kterou poh´an´ı n´avˇstˇevn´ık klikou. Pokud bude toˇcit dostateˇcnˇe rychle, dojde ve v´alci ke vzniku v´ıru. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se voda tak chov´a? • Bylo by to stejn´e, pokud bychom mˇeli n´adobu ˇctvercov´eho p˚ udorysu? • Jak by se situace zmˇenila, kdybychom nerozt´aˇceli vodu lopatkou uvnitˇr, ale ot´aˇcen´ım n´adoby? (viz expon´at rotuj´ıc´ı kapalina)
Viskozita Na dˇrevˇen´e otoˇcn´e desce je uchyceno pˇet pr˚ uhledn´ ych trubic naplnˇen´ ych kapalinami s r˚ uznou viskozitou – kaˇzd´a z nich je nav´ıc jinak obarvena. v kaˇzd´e z trubic je stejn´a kuliˇcka. Trubice nejsou naplnˇeny zcela – je v nich i mal´a vzduchov´a bublina. Po otoˇcen´ı desky a to tak aby byly trubice svisle, zaˇcnou kuliˇcky v kapalinˇe padat a bubliny vzduchu naopak stoupat. Pozorujeme, ˇze pohyby v kapalin´ach jsou r˚ uznˇe rychl´e. Toto je d´ano pr´avˇe r˚ uznou viskozitou kapalin. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Kterou z fyzik´aln´ıch vlastnost´ı kapaliny popisuje viskozita? ˇ ım se liˇs´ı dvˇe kapaliny s r˚ • C´ uznou viskozitou? • Jak´ y je rozd´ıl mezi viskozitou a hustotou?
Vodn´ı hr´ atky Do umˇele vytvoˇren´e ˇreky lze um´ıst’ovat r˚ uzn´e typy ´ ml´ ynk˚ u a pˇrek´aˇzek. Ukolem student˚ u je rozpohybovat lopatky ml´ ynk˚ u proudem vody, k ˇcemuˇz je nutn´e vhodnˇe um´ıstit zar´aˇzky tak, aby doˇslo ke zv´ yˇsen´ı rychlosti tekouc´ı vody. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak z´avis´ı rychlost proud´ıc´ı kapaliny na ˇs´ıˇrce koryta ˇreky? • Jak´a rovnice tuto z´avislost popisuje?
28
Z´ avod kuliˇ cek Tento expon´at je ztˇelesnˇen´ım zn´am´eho fyzik´aln´ıho probl´emu, tj. jak´ y tvar m´a m´ıt svah, aby z nˇej kuliˇcka sjela v nejkratˇs´ım moˇzn´em ˇcase. K dispozici m´ame ˇctyˇri r˚ uzn´e profily – brachistochronu a tˇri dalˇs´ı pro doplnˇen´ı. Kuliˇcky jsou pouˇstˇeny souˇcasnˇe pomoc´ı z´apadky a jejich dojezd do c´ıle je signalizov´an bouchnut´ım do pl´ıˇsku na konci jejich trajektorie.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Se studenty diskutujeme, jak lze brachistochronu sestrojit, tj. ˇze se jedn´a o cykloidu. ˇ odvodili matematick´ • Jen tˇeˇzko bychom na SS y popis t´eto kˇrivky, ale pˇresto m˚ uˇzeme kvalitativnˇe diskutovat, proˇc nen´ı lepˇs´ı na zaˇca´tku strmˇejˇs´ı kˇrivka, pˇr´ıpadnˇe na zaˇca´tku pozvolnˇejˇs´ı a strmˇejˇs´ı na konci?
29
A.2
Molekulov´ a fyzika a termika
Crookes˚ uv ml´ ynek Crookes˚ uv ml´ ynek je tvoˇren vrtulkou, jeˇz je usazena na jehlov´em loˇzisku a ot´aˇc´ı se v horizont´aln´ı rovinˇe, pˇriˇcemˇz kaˇzd´a jej´ı lopatka je z jedn´e strany ˇcern´a a z druh´e stˇr´ıbrn´a. Ml´ ynek je uzavˇren ve sklenˇen´e baˇ nce, ve kter´e je ˇc´asteˇcnˇe odˇcerp´an vzduch. Zapneme-li zdroj svˇetla, kter´ y sv´ıt´ı na ml´ ynek, lopatky se zaˇcnou ot´aˇcet a to ˇcernou stranou smˇerem od zdroje. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak je moˇzn´e, ˇze svˇetlo roztoˇc´ı ml´ ynek? • Proˇc je vzduch z baˇ nky ˇc´asteˇcnˇe odˇcerp´an? • Jak by se situace zmˇenila, kdyby vzduch v baˇ nce mˇel norm´aln´ı atmosf´erick´ y tlak, pˇr´ıpadnˇe, kdybychom jej vyˇcerpali u ´plnˇe? • Dalo by se nˇejak zajistit, aby se ml´ ynek toˇcil opaˇcnˇe?
Termovize Postav´ıme-li se pˇred zed’, na pl´atnˇe se n´am zobraz´ı n´aˇs obraz sn´ıman´ y pomoc´ı termokamery. Zat´ımco bˇeˇzn´a kamera sn´ım´a viditeln´e spektrum vlnov´ ych d´elek, termokamera je stavˇena tak, ˇze sn´ım´a infraˇcerven´e z´aˇren´ı, kter´e m´a niˇzˇs´ı frekvenci a delˇs´ı vlnovou d´elku neˇz viditeln´e spektrum. Teploty na obraze jsou barevnˇe rozliˇsen´e a my tak m˚ uˇzeme porovnat, jak´a ˇca´st naˇseho tˇela je teplejˇs´ı ˇci chladnˇejˇs´ı. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Kde vˇsude se t´eto kamery vyuˇz´ıv´a?
Z´ aˇ zehov´ yˇ ctyˇ rdob´ y motor K dispozici je ˇrez nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıho typu spalovac´ıho motoru. Pomoc´ı kliky pohybujeme p´ısty ve ˇctyˇrech v´alc´ıch a m˚ uˇzeme popsat, jak prob´ıhaj´ı r˚ uzn´e f´aze ˇcinnosti motoru (s´an´ı, stlaˇcen´ı, v´ ybuch a v´ yfuk).
30
A.3
Mechanick´ e kmit´ an´ı a vlnˇ en´ı
Akustick´ y rezon´ ator Expon´at se skl´ad´a z nˇekolika trubek, kter´e se liˇs´ı ˇs´ıˇrkou i d´elkou. Pˇriloˇzen´ım ucha na jejich spodn´ı ˇc´ast slyˇs´ıme r˚ uznˇe zabarven´ y“ okoln´ı ˇsum. ” Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc pˇri poslouch´an´ı pˇres trubku se n´am okoln´ı ˇsum zd´a hlasitˇejˇs´ı? • Jak se liˇs´ı zvuky u jednotliv´ ych trubek?
Kresl´ıc´ı stroj Kresl´ıc´ı stroj sest´av´a z kyvadla, kter´e je tvoˇreno na ˇctyˇrech lanc´ıch vodorovnˇe zavˇeˇsenou deskou. Na tuto desku je moˇzno poloˇzit pap´ır. Mimo kyvadlo je ve stativu tak, aby se dot´ ykala desky, upevnˇena propiska. Takto je moˇzno zaznamenat pohyb kyvadla. Z´avˇesy desky jsou uzp˚ usobeny tak, ˇze v´ ysledn´e kmit´an´ı je sloˇzen´ım dvou na sebe kolm´ ych. Na pap´ıˇre tak m˚ uˇzeme pozorovat lissajousovy obrazce.
Parabola (akustick´ y telefon) Tento expon´at je rozloˇzen pˇres celou m´ıstnost. V protˇejˇs´ıch roz´ıch jsou um´ıstˇeny parabolick´e ant´eny“ (odraˇzeˇce), kter´e ” jsou k sobˇe natoˇcen´e dutou stranou. Kaˇzd´ y paraboloid m´a ˇzlut´ y dˇrevˇen´ y krouˇzek um´ıstˇen´ y v jeho ohnisku. Pokud tedy jeden student mluv´ı do tohoto krouˇzku na jedn´e stranˇe m´ıstnosti, druh´ y na opaˇcn´e stranˇe m´ıstnosti k nˇemu pˇriloˇz´ı ucho a zcela srozumitelnˇe slyˇs´ı, co prvn´ı ˇr´ık´a a opaˇcnˇe.
Ot´ azky na diskuzi se studenty: • Proˇc je d˚ uleˇzit´e um´ıstˇen´ı ˇzlut´eho krouˇzku v ohnisku? • Proˇc ostatn´ı v m´ıstnosti neslyˇs´ı jejich rozhovor? ˇ by takhle pˇren´aˇset i v˚ • Slo uni nebo teplo? • Fungovalo by to i ve vesm´ıru? • Proˇc nevyuˇz´ıv´ame tento telefon“ v bˇeˇzn´em ˇzivotˇe ve mˇestˇe? ”
31
P´ısek Kyvadlo je tvoˇreno kybl´ıkem s d´ırou ve dnˇe, ten je zavˇeˇsen´ y na ˇret´ızk´ach. Pomoc´ı smet´aˇcku a lopatky smeteme p´ısek z podloˇzky a nasypeme jej do kybl´ıku. Vych´ ylen´ y kybl´ık se zaˇcne chovat jako kyvadlo a jeho trajektorii popisuje vysyp´avaj´ıc´ı se p´ısek na podloˇzku.
Seismograf Vibrace vyvolan´e dupnut´ım na vyznaˇcen´em m´ıstˇe jsou mˇeˇreny seismografem, jehoˇz ˇcidlo je um´ıstˇeno ve stojanu s popiskem expon´atu. Aktu´aln´ı mˇeˇren´a data jsou v re´aln´em ˇcase vyn´aˇsen´a do graf˚ u prom´ıtan´ ych na pl´atno.
Spˇ raˇ zen´ e houpaˇ cky Tento expon´at pˇredstavuje spˇraˇzen´a kyvadla. Mezi dvˇema houpaˇckami je pruˇzn´a vazba. Dva studenti se posad´ı na houpaˇcky a jeden z nich se rozhoupe, d´ıky vazbˇe mezi nimi se pomalu zaˇcne rozhoup´avat druh´ y student, pˇriˇcemˇz houp´an´ı prvn´ıho ustane. Cel´ y dˇej se n´aslednˇe opakuje.
Zmˇ eˇ rte si sv˚ uj sluch Horn´ı hranici frekvenˇcn´ıho rozsahu sv´eho sluchu si n´avˇstˇevn´ık m˚ uˇze zmˇeˇrit pomoc´ı sluch´atek, k nimˇz d´a uˇsi a po spuˇstˇen´ı tlaˇc´ıtka start“ si bud’ ” pˇrid´av´a, nebo ub´ır´a frekvenci. Aktu´aln´ı frekvenci pr´avˇe znˇej´ıc´ıho zvuku je moˇzno pozorovat na displeji. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc r˚ uzn´ ym lidem (zvl´aˇstˇe pˇri velk´em vˇekov´em rozd´ılu) vyˇsel frekvenˇcn´ı rozsah jin´ y?
32
A.4
Elektˇ rina a magnetismus
Dynamo-elektromotor Dva motory, kter´e jsou navz´ajem propojen´e, oba maj´ı na hˇr´ıdeli pˇripevnˇenou kliku. Toˇc´ımeli klikou u prvn´ıho motoru, u druh´eho se toˇc´ı tak´e. Prvn´ı motor nyn´ı pln´ı funkci dynama a nap´aj´ı druh´ y motor. D´ıky pˇripojen´emu voltmetru m˚ uˇzeme pozorovat, jak velk´e napˇet´ı je indukov´ano. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Na jak´em principu funguje dynamo a elektromotor? • Proˇc m˚ uˇzeme jejich funkce zamˇenit? • Co ˇr´ık´a Faraday˚ uv z´akon elektromagnetick´e indukce?
Elektromagnetick´ a levitace V c´ıvce je zasazena feromagnetick´a tyˇc. Pˇri zm´aˇcknut´ı tlaˇc´ıtka j´ı zaˇcne proch´azet stˇr´ıdav´ y proud, ten je zdrojem promˇenn´eho magnetick´eho pole. Tato zmˇena indukuje proud v prstenci. Kolem nˇej se tak vytv´aˇr´ı magnetick´e pole a prstenec zaˇcne levitovat. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se tomu tak dˇeje? (Studenty navedeme s´eri´ı ot´azek k Lenzovu z´akonu.) • Co by se stalo, kdybychom c´ıvkou pustili stejnosmˇern´ y proud?
Elektromagnetick´ e dˇ elo V obvodu je zapojen kondenz´ator, kter´ y se pˇri naˇs´ı neˇcinnosti nab´ıj´ı (je z bezpeˇcnostn´ıch d˚ uvod˚ u schov´an pod dˇelem). Do obvodu je d´ale zapojena c´ıvka s j´adrem. Pˇri stisknut´ı tlaˇc´ıtka start se kondenz´ator vybije, t´ım se rychle zmˇen´ı proud v c´ıvce a to zp˚ usob´ı rychlou zmˇenu indukovan´eho magnetick´eho toku v j´adru c´ıvky. D´ame-li na j´adro kovov´ y prstenec a zm´aˇckneme-li zm´ınˇen´e tlaˇc´ıtko, v prstenci se indukuje proud, kter´ y souˇcasnˇe vytv´aˇr´ı magnetick´e pole a to takov´e, ˇze se s magnetick´ ym polem j´adra c´ıvky odpuzuj´ı. Na lehk´ y prstenec tedy zaˇcne p˚ usobit magnetick´a s´ıla a prstenec vylet´ı z j´adra pryˇc. K dispozici jsou kovov´e a plastov´e prstence.
33
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc experiment neprobˇehne stejnˇe s kovov´ ym a plastov´ ym prstencem? • Proˇc se tomu tak dˇeje? Navedeme je k Lenzovu z´akonu.
Elektrostatick´ y cirkus Tento expon´at pˇredstavuje profesion´alnˇe proveden´ y klasick´ y ˇskoln´ı pokus, ve kter´em studenti tˇren´ım o svetr zelektrizuj´ı plastov´e prav´ıtko a pak pozoruj´ı, jak k nˇemu pˇriskakuj´ı mal´e kousky pap´ıru. Prav´ıtko je zde nahrazeno velkou plastovou deskou, kterou tˇreme hlad´ıtkem (na spodn´ı stranˇe filc). Pod deskou jsou ve ˇctyˇrech pˇrihr´adk´ach rozsyp´any mal´e kousky alobalu, polystyr´enu, igelitu a jiˇz zm´ınˇen´eho pap´ıru. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se zaˇcnou nˇekter´e mal´e kousky materi´al˚ u pohybovat a pˇriskakovat k desce? • Pozorujte a diskutujte rozd´ıl v tom, kter´e z materi´al˚ u se l´epe pˇritahuj´ı.
Galvanick´ yˇ cl´ anek Galvanick´ y ˇcl´anek m˚ uˇzeme vytvoˇrit pomoc´ı nˇekolika kovov´ ych desek a naˇseho tˇela. Pro kaˇzdou ruku m´ame k dispozici 5 desek z kovu (Cu, Sn, Ms, Fe, Zn). Pokud pˇriloˇz´ıme obˇe ruce, spoj´ıme tak obvod a na mikroamp´ermetru pozorujeme proch´azej´ıc´ı proud. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Kter´e dva kovy jsou nejvhodnˇejˇs´ı, pokud chceme, aby prot´ekal nejvˇetˇs´ı proud? • Co oˇcek´av´ame pˇri poloˇzen´ı rukou na stejn´ y kov? • Proˇc jsme zvolili jako mˇeˇridlo mikroamp´ermetr a ne tˇreba amp´ermetr? • Pozorovali bychom v´ ychylku amp´ermetru, i kdybychom mˇeli na ruk´ach rukavice?
34
Chaotick´ e kyvadlo Kyvadlo je tvoˇreno tyˇc´ı, kter´a m´a na konci upevnˇen´ y magnet. Pod kyvadlem je um´ıstˇena deska, ve kter´e jsou upevnˇeny a rozm´ıstˇeny celkem 4 magnety. Vych´ yl´ıme-li kyvadlo, zaˇcne se chovat chaoticky - rovina jeho kyvu je n´ahodnˇe ovlivˇ nov´ana r˚ uzn´ ymi magnety. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´ ymi p´oly jsou k sobˇe magnety natoˇceny? • Proˇc se vˇzdy kyvadlo zastav´ı svisle?
Indukovan´ e napˇ et´ı Lev´a ˇca´st experimentu se skl´ad´a z c´ıvky, ke kter´e je pˇripojen citliv´ y voltmetr. K dispozici m´ame nˇekolik tyˇc´ı, kter´e m˚ uˇzeme do prostoru c´ıvky zasouvat. Se studenty diskutujeme, proˇc u urˇcit´ ych tyˇc´ı (tyˇcov´e magnety) voltmetr reaguje a u ostatn´ıch nikoli. Co za v´ ychylku voltmetru vlastnˇe m˚ uˇze a jestli z´avis´ı na rychlosti a smˇeru pohybu tyˇce. V prav´e ˇca´sti experimentu m´ame dvˇe c´ıvky, z nichˇz jedna je opˇet pˇripojena k voltmetru a druhou m˚ uˇzeme pomoc´ı tlaˇc´ıtka nechat proch´azet proud a zasunut´ım tyˇce z n´ı vytvoˇr´ıme elektromagnet. C´ıvky m˚ uˇzeme pˇribliˇzovat ˇci oddalovat. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se ruˇciˇcka voltmetru pˇripojen´eho k jedn´e c´ıvce vych´ yl´ı na jednu stranu, pokud proud zaˇcne proch´azet druhou c´ıvkou a naopak na druhou stranu pokud obvod rozpoj´ıme? • Dostaneme se tak k pojmu nestacion´arn´ı magnetick´e pole, elektromagnetick´a indukce a vyvol´an´ı indukovan´eho elektrick´eho proudu.
Magnetick´ a brzda Dva sloupce bl´ızko sebe, mezi nimiˇz je d´ıky permanentn´ım magnet˚ um magnetick´e pole. K dispozici je nˇekolik kotouˇc˚ u, kter´e se liˇs´ı polomˇery, materi´alem a nˇekter´e kotouˇce maj´ı vyvrtan´e otvory. Kotouˇce pouˇst´ıme do ˇstˇerbiny s magnetick´ ym polem a pozorujeme, jak se r˚ uzn´e kotouˇce chovaj´ı.
35
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc nˇekter´e kotouˇce padaj´ı voln´ ym p´adem a nˇekter´e jsou pˇribrzd’ov´any? • Co se dˇeje pˇri pohybu kovov´eho kotouˇce ve ˇstˇerbinˇe?
Magnetick´ a deska Deska se dvˇema velk´ ymi magnety. K dispozici m´ame nˇekolik r˚ uzn´ ych pˇredmˇet˚ u. Se studenty m˚ uˇzeme porovn´avat, kter´e pˇredmˇety jsou v´ıce ˇci m´enˇe k magnet˚ um pˇritahov´any. D´ale nav´aˇzeme s diskuz´ı o permeabilitˇe r˚ uzn´ ych materi´al˚ u.
Magnetick´ a spojka Prvn´ı ˇc´ast expon´atu je tvoˇrena dvˇema koleˇcky vedle sebe, kter´a se vz´ajemnˇe nedot´ ykaj´ı a maj´ı po obvodech magnety. Toˇc´ıme-li jedn´ım, druh´e se roztoˇc´ı tak´e. Druh´a ˇca´st se liˇs´ı pouze v proveden´ı, nicm´enˇe princip je stejn´ y. Koleˇcka jsou nyn´ı natoˇcena proti sobˇe, s magnety na pˇrilehl´ ych stran´ach. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Kde se tento princip vyuˇz´ıv´a?
Magnetick´ e pole Deska s jehliˇckami, kter´e jsou z feromagnetick´eho materi´alu. Pokud pˇriloˇz´ıme magnet na desku, jehliˇcky reaguj´ı na magnetick´e pole a popisuj´ı tvar magnetick´ ych indukˇcn´ıch ˇcar. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak´e maj´ı vlastnosti indukˇcn´ı ˇc´ary?
36
P´ aky s magnety Expon´at je tvoˇren dvˇema p´akami se siln´ ymi magnety, kter´e jsou k sobˇe natoˇceny souhlasn´ ymi p´oly. Studenti si mohou sami vyzkouˇset, jak velkou s´ılu mus´ı vyvinout, aby ramena p´ak dostali k sobˇe. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc je to tak fyzicky n´aroˇcn´e? • Proˇc nen´ı vhodn´e se k tomuto expon´atu pˇribliˇzovat s mobily?
Plasma disk Plasma disk je tvoˇren sklenˇenou kruhovou deskou. Ve skuteˇcnosti se d´ıv´ame na horn´ı podstavu v´alce, kter´ y je vyplnˇen inertn´ım plynem za sn´ıˇzen´eho tlaku. V jeho stˇredu je vyvedena elektroda zdroje vysok´eho napˇet´ı a frekvence. Na elektrodˇe je tedy velmi vysok´ y potenci´al, ˇra´dovˇe des´ıtky kilovolt. Siln´e elektrick´e pole je pˇr´ıˇcinou u ´niku elektron˚ u z povrchu elektrody, kter´e pak d´ale ionizuj´ı okoln´ı plyn. Ionizovan´ y plyn je excitov´an do stavu s vyˇsˇs´ı energi´ı, pˇri n´avratu na niˇzˇs´ı energetickou hladinu vyz´aˇr´ı pˇrebytek energie v podobˇe fotonu. To je d˚ uvodem z´aˇren´ı, kter´e pozorujeme. K podobn´emu efektu doch´az´ı tak´e v pˇr´ıpadˇe klasick´eho blesku, kter´ y vid´ıme za bouˇrky. Souˇcasnˇe s elektrodou uvnitˇr je nab´ıjen i disk a elektrick´e pole bychom tak nalezli i v jeho okol´ı. Pokud se disku nˇekdo dotkne, uzemn´ı ho, stane se souˇc´ast´ı elektrick´eho obvodu a teˇce j´ım proud. Tento proud je vˇsak velmi mal´ y, nav´ıc se d´ıky vysok´e frekvenci zdroje uplatˇ nuje tzv. skin efekt. Je nutn´e dodat, ˇze sklo disku v tomto pˇr´ıpadˇe proud nevede. M˚ uˇzeme si pˇredstavit, ˇze vnitˇrn´ı elektroda a naˇse ruka se chovaj´ı jako desky kondenz´atoru“, ” mezi nimiˇz je dielektrikum. Dotkneme-li se skla prstem, ovlivn´ıme rozloˇzen´ı n´aboje na disku a t´ım zapˇr´ıˇcin´ıme uhozen´ı pr´avˇe do tohoto m´ısta.
Plasma koule Plasma koule je tvoˇrena sklenˇenou baˇ nkou, kter´a je vyplnˇena inertn´ım plynem za sn´ıˇzen´eho tlaku. Do jej´ıho stˇredu je vyvedena elektroda zdroje vysok´eho napˇet´ı a frekvence. Na elektrodˇe je tedy velmi vysok´ y potenci´al, ˇr´adovˇe des´ıtky kilovolt. Siln´e elektrick´e pole je pˇr´ıˇcinou u ´niku elektron˚ u z povrchu elektrody, kter´e pak d´ale ionizuj´ı okoln´ı plyn. Ionizovan´ y plyn je excitov´an do stavu s vyˇsˇs´ı energi´ı, pˇri n´avratu na niˇzˇs´ı energetickou hladinu vyz´aˇr´ı pˇrebytek energie v podobˇe fotonu. To je d˚ uvodem z´aˇren´ı, kter´e pozorujeme. K podobn´emu efektu doch´az´ı tak´e v pˇr´ıpadˇe klasick´eho blesku, kter´ y vid´ıme za bouˇrky.
37
Souˇcasnˇe s elektrodou uvnitˇr je nab´ıjena i sklenˇen´a koule a elektrick´e pole bychom tak nalezli i v jej´ım okol´ı. Pokud se koule nˇekdo dotkne, uzemn´ı ji, stane se souˇc´ast´ı elektrick´eho obvodu a teˇce j´ım proud. Tento proud je vˇsak velmi mal´ y, nav´ıc se d´ıky vysok´e frekvenci zdroje uplatˇ nuje tzv. skin efekt. Je nutn´e dodat, ˇze sklo koule v tomto pˇr´ıpadˇe proud nevede. M˚ uˇzeme si pˇredstavit, ˇze vnitˇrn´ı elektroda a naˇse ruka se chovaj´ı jako desky kondenz´atoru“, ” mezi nimiˇz je dielektrikum. Dotkneme-li se skla prstem, ovlivn´ıme rozloˇzen´ı n´aboje na kouli a t´ım zapˇr´ıˇcin´ıme uhozen´ı pr´avˇe do tohoto m´ısta.
Plasma v´ alec Jedn´a se o sklenˇen´ y v´alec, kter´ y je naplnˇen inertn´ım plynem za sn´ıˇzen´eho tlaku. V jeho ose je um´ıstˇena elektroda zdroje vysok´eho napˇet´ı a frekvence. Na elektrodˇe je tedy velmi vysok´ y potenci´al, ˇr´adovˇe des´ıtky kilovolt. Siln´e elektrick´e pole je pˇr´ıˇcinou u ´niku elektron˚ u z povrchu elektrody, kter´e pak d´ale ionizuj´ı okoln´ı plyn. Ionizovan´ y plyn je excitov´an do stavu s vyˇsˇs´ı energi´ı, pˇri n´avratu na niˇzˇs´ı energetickou hladinu vyz´aˇr´ı pˇrebytek energie v podobˇe fotonu. To je d˚ uvodem z´aˇren´ı, kter´e pozorujeme. K podobn´emu efektu doch´az´ı tak´e v pˇr´ıpadˇe klasick´eho blesku, kter´ y vid´ıme za bouˇrky. Souˇcasnˇe s elektrodou uvnitˇr je nab´ıjen i sklenˇen´ y v´alec a elektrick´e pole bychom tak nalezli i v jeho okol´ı. Pokud se v´alce nˇekdo dotkne, uzemn´ı ji, stane se souˇc´ast´ı elektrick´eho obvodu a teˇce j´ım proud. Tento proud je vˇsak velmi mal´ y, nav´ıc se d´ıky vysok´e frekvenci zdroje uplatˇ nuje tzv. skin efekt. Je nutn´e dodat, ˇze sklo v tomto pˇr´ıpadˇe proud nevede. M˚ uˇzeme si pˇredstavit, ˇze vnitˇrn´ı elektroda a naˇse ruka se chovaj´ı jako desky kondenz´atoru“, mezi ni” miˇz je dielektrikum. Dotkneme-li se skla prstem, ovlivn´ıme rozloˇzen´ı n´aboje a t´ım zapˇr´ıˇcin´ıme uhozen´ı pr´avˇe do tohoto m´ısta.
Roztoˇ cte magnet Na kruˇznici, v jej´ımˇz stˇredu je otoˇcn´ y permanentn´ı magnet, jsou rovnomˇernˇe rozm´ıstˇeny tˇri c´ıvky. U kaˇzd´e c´ıvky m´ame tlaˇc´ıtko, d´ıky nˇemuˇz m˚ uˇzeme nechat c´ıvkou proch´azet proud. Postupn´ ym maˇck´an´ım tlaˇc´ıtek lze vytvoˇrit mezi c´ıvkami model toˇciv´eho magnetick´eho pole, podle nˇejˇz se bude ot´aˇciv´ y magnet nat´aˇcet. Stejn´eho principu vyuˇz´ıvaj´ı elektromotory. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc je d˚ uleˇzit´e dodrˇzovat spr´avnou frekvenci a poˇrad´ı maˇck´an´ı tlaˇc´ıtek? • Jak je tohoto doc´ıleno u elektromotoru?
38
Siln´ e magnety Jak n´azev napov´ıd´a, jde o dva siln´e magnety, kter´e jsou k sobˇe natoˇceny opaˇcn´ ymi p´oly. Do vznikl´eho magnetick´eho pole mohou n´avˇstˇevn´ıci umist’ovat kovov´e podloˇzky. Z podloˇzek se tak st´avaj´ı doˇcasn´e magnety, coˇz se projev´ı jejich pˇritahov´an´ım k magnet˚ um a k jin´ ym podloˇzk´am.
ˇ Slapej a elektˇ rinu vyr´ abˇ ej Dvˇe ˇslapac´ı kola, na kter´ ych si studenti sami mohou vyzkouˇset vyr´abˇet elektˇrinu. Na tabuli pˇred nimi se zobrazuje aktu´alnˇe vyr´abˇen´e napˇet´ı, proud dod´avan´ y do obvodu, v´ ykon, stejnˇe tak celkov´a doba ˇslap´an´ı a celkov´e mnoˇzstv´ı vyroben´e elektrick´e energie. Pro studenty je pravdˇepodobnˇe nejzaj´ımavˇejˇs´ı, ˇze na monitoru se se zvyˇsuj´ıc´ım v´ ykonem postupnˇe objevuj´ı r˚ uzn´e dom´ac´ı spotˇrebiˇce (i se sv´ ymi pr˚ umˇern´ ymi v´ ykony), kter´e by sv´ ym ˇslap´an´ım mohli poh´anˇet.
Vodn´ı elektr´ arna Pomoc´ı pumpy stˇr´ık´ame proud vody na lopatky ml´ ynku pˇripojen´eho na osu altern´atoru. Ten dod´av´a elektrickou energii sv´ıtiv´ ym diod´am. Vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı vyroben´e energie se projev´ı rozsv´ıcen´ım v´ıce diod. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Popiˇste pˇremˇeny r˚ uzn´ ych typ˚ u energi´ı prob´ıhaj´ıc´ı v tomto experimentu. • Odkud z´ısk´a energii voda dopadaj´ıc´ı na lopatky turb´ıny skuteˇcn´e elektr´arny?
39
A.5
Optika
Difrakˇ cn´ı mˇ r´ıˇ zka C´ılem pokusu je uk´azat, jak vypadaj´ı a v ˇcem se liˇs´ı spektra bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych zdroj˚ u svˇetla (ˇz´arovka, u ´sporn´a ˇz´arovka, . . . ). K rozkladu svˇetla je vyuˇzito difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzky. Proveden´ı pokusu je velmi jednoduch´e – vezmeme r´ameˇcek s mˇr´ıˇzkou a pˇriloˇz´ıme pˇred svˇetlo (viz fotografie). Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Na ˇcem z´avis´ı poˇrad´ı barev? • Jak jsou seˇrazeny barvy podle vlnov´ ych d´elek? Koment´aˇr: Oˇcek´av´ame, ˇze klasick´a ˇza´rovka m´a spektrum spojit´e, kdeˇzto spektrum v´ ybojky spojit´e nen´ı a obsahuje maxima pro nˇekter´e barvy.
D´ıra v ruce N´aˇs mozek m˚ uˇzeme oklamat jednoduˇse pomoc´ı obyˇcejn´e trubky, kterou m´ame u tohoto expon´atu. Jedn´ım okem se d´ıvejte do trubky a druh´ ym na dlaˇ n, kterou drˇzte vedle trubky. Pˇri spr´avn´em nastaven´ı dlanˇe v n´ı vid´ıme d´ıru. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Existuje nˇejak´e poˇskozen´ı oˇc´ı, kter´e by zabraˇ novalo tento experiment prov´est?
Dut´ e zrcadlo Pro experimentov´an´ı je zde pˇripraveno dut´e zrcadlo s velkou kˇrivost´ı. Student˚ um m˚ uˇzeme zadat u ´kol, aby naˇsli kde se pˇribliˇznˇe nach´az´ı stˇred kˇrivosti a ohnisko dan´eho dut´eho zrcadla. Vyuˇzij´ı sv´e znalosti pro vlastnosti obraz˚ u, kter´e z´avis´ı na vzd´alenosti od vrcholu zrcadla.
40
Imagin´ arn´ı pˇ redmˇ et Expon´atem je kouzeln´a“ krabiˇcka, na n´ıˇz vid´ıme ” pˇredmˇet, kter´ y nelze uchopit. Jedn´a se o dvˇe parabolick´a zrcadla natoˇcen´a dutinami proti sobˇe, kde horn´ı m´a ve vrcholu vyvrtanou d´ıru. Pˇredmˇet leˇz´ı ´ na spodn´ım zrcadle a to bl´ızko jeho vrcholu. Ukolem pro studenty m˚ uˇze b´ yt nakreslit chod paprsk˚ u v t´eto soustavˇe a odhalit tak tento optick´ y klam.
Kinematograf Na obvodu ot´aˇciv´e kruhov´e desky je pˇripevnˇena v´alcov´a plocha, kter´a m´a na obvodu v horn´ı ˇc´asti pravidelnˇe vyˇrezan´e ˇsirˇs´ı ˇstˇerbiny. Uvnitˇr v´alcov´e plochy je po obvodu p´as s na sebe navazuj´ıc´ımi obr´azky. Pˇri ot´aˇcen´ı kinematografem se d´ıv´ame do ˇstˇerbin a pozorujeme plynul´ y pohyb nakreslen´eho objektu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: ˇ ım je zp˚ • C´ usoben dojem plynul´eho pohybu? • Jak´a z vlastnost´ı oka zde sehr´av´a d˚ uleˇzitou roli? • Nalezneme nˇejak´e podobnosti mezi t´ımto jednoduch´ ym experimentem a filmem prom´ıtan´ ym v kinˇe?
Krasohled Expon´atem je krasohled v daleko vˇetˇs´ım mˇeˇr´ıtku, neˇz je asi vˇetˇsina z n´as zvykl´a. Tˇri rovinn´a zrcadla tvaru rovnoramenn´eho lichobˇeˇzn´ıku jsou spojena tak, ˇze tvoˇr´ı povrch trojbok´eho komol´eho jehlanu. Za t´ımto trojbok´ ym hranolem je prosv´ıcen´a ot´aˇciv´a deska s barevn´ ymi motivy. D´ıv´ame-li se do krasohledu a nˇekdo ot´aˇc´ı s barevnou deskou, pozorujeme kr´asn´e obrazce vznikl´e odrazem v zrcadlech.
Letadlo Pokus vyuˇz´ıv´a fotovoltaick´eho ˇcl´anku, kter´ y pˇremˇen´ı svˇetelnou energii na elektrickou, a nap´aj´ı motorek letad´elka um´ıstˇen´eho na ot´aˇciv´em rameni.
41
Lom svˇ etla v kapalinˇ e Experiment sest´av´a z akv´aria, na jehoˇz zadn´ı stranˇe je nalepena ˇsachovnice. V akv´ariu je dvojzvratn´a p´aka, na jej´ıchˇz konc´ıch je zavˇeˇsen v´alec a pˇredmˇet, jehoˇz tvar bychom s trochou fantazie mohli popsat jako tvar ˇcoˇcky (luˇstˇenina) s v´ yraznˇe obrouˇsen´ ymi hranami. Obˇe tato tˇelesa jsou dut´a a napuˇstˇen´a stej´ nou vodou jako je v akv´ariu. Ukolem n´avˇstˇevn´ıka je pozorovat, jak se zmˇen´ı tvar ˇsachovnice pˇri pozorov´an´ı pouh´ ym okem, pˇres tˇelesa a pˇres tˇelesa ponoˇren´a v akv´ariu. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se liˇs´ı obrazy ˇsachovnice vidˇen´e pˇres v´alec (resp. druh´ y pˇredmˇet) v r˚ uzn´ ych situac´ıch (ne/ponoˇren´ y)? • Proˇc se liˇs´ı obrazy ˇsachovnice vidˇen´e pˇres v´alec a druh´ y pˇredmˇet? • Jak by se obrazy zmˇenily, kdybychom vymˇenili vodu v pˇredmˇetech, nebo v akv´ariu za jinou kapalinu, pˇr´ıpadnˇe plyn?
Periskop Asi kaˇzd´ y student vidˇel v nˇejak´em filmu periskop. Na tomto expon´atu si mohou rovnˇeˇz vyzkouˇset jeho fungov´an´ı. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak tento vyn´alez funguje? (Vˇetˇsinou se skl´ad´a jen ze dvou zrcadel, kter´a s vodorovnou rovinou sv´ıraj´ı u ´hel 45◦ a navz´ajem jsou rovnobˇeˇzn´a.)
Polarizace svˇ etla Nad zdrojem svˇetla jsou um´ıstˇeny dva polarizaˇcn´ı filtry. Prvn´ı je pˇr´ımo v desce stolu, pod n´ımˇz je ˇza´rovka a druh´ y nad n´ım pˇribliˇznˇe 15 cm, ten je um´ıstˇen mezi dvˇema plexiskly. Do prostoru mezi tyto filtry lze um´ıstit destiˇcky z r˚ uzn´ ych materi´al˚ u. Deformujeme-li destiˇcky, pak polarizovan´e svˇetlo, kter´e jimi proch´az´ı, mˇen´ı rovinu polarizace a to se projev´ı barevn´ ymi efekty v m´ıstech, kter´a jsou takto nam´ah´ana. Kromˇe destiˇcek urˇcen´ ych ke zkoum´an´ı deformace jsou k dispozici polariz´atory. M˚ uˇzeme tak
42
uk´azat, ˇze svˇetlo proˇsl´e deskami um´ıstˇen´ ymi nad zdrojem svˇetla je skuteˇcnˇe polarizov´ano. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc nedoch´az´ı pouze ke ztmavnut´ı deformovan´ ych m´ıst a pozorujeme barevn´e efekty? • Zkuste navrhnout, kde by se pozorovan´eho jevu (barevn´e efekty v m´ıstech deformace) dalo vyuˇz´ıt? • Rozliˇs´ıme polarizovan´e a nepolarizovan´e svˇetlo pouh´ ym okem?
Porovn´ an´ı sv´ıtivosti M˚ uˇzeme zde porovnat sv´ıtivost bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych ˇza´rovek. Na tomto m´ıstˇe je vhodn´e zm´ınit jednotku sv´ıtivosti kandelu (cd). Slovo kandela vzniklo z lat. candela - sv´ıˇcka. Jednotkov´a sv´ıtivost odpov´ıd´a pˇribliˇznˇe sv´ıtivosti obyˇcejn´e sv´ıˇcky.
Prostorov´ e vidˇ en´ı Na tomto jednoduch´em expon´atu si m˚ uˇzeme uk´azat, jak n´aˇs mozek potˇrebuje k porovn´an´ı vzd´alenosti pohledy obou oˇc´ı. Na sloupku s d´ırou ´ je zavˇeˇsen´a tyˇcka. Ukolem je zakr´ yt si jedno oko a tyˇcku otvorem provl´eknou. Pokud m´a n´aˇs mozek vjem pouze z jednoho oka, nedok´aˇze rozeznat vzd´alenosti.
Pr˚ uchod tunelem ´ Ukolem n´avˇstˇevn´ıka je proj´ıt tunelem, skrz nˇejˇz vede l´avka. Toto je zt´ıˇzeno optick´ ym klamem, kter´ y je vyvol´an ot´aˇcen´ım tunelu. Po chv´ıli se n´am zd´a, ˇze se netoˇc´ı tunel, ale l´avka se houpe.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Diskutujte, ˇc´ım je tento optick´ y klam vyvol´an a proˇc n´as naˇse smysly klamou?
43
Pˇ revracec´ı zrcadlo Experiment sest´av´a z dvou na sebe kolm´ ych zrcadel. Soustava je um´ıstˇena tak, ˇze obˇe zrcadla jsou kolm´a k vodorovn´e rovinˇe. Soustava tˇechto zrcadel pˇrevrac´ı obraz stranovˇe. Pro porovn´an´ı je k dispozici i klasick´e rovinn´e zrcadlo.
Rentgen Zde si m˚ uˇzeme prohl´ednout nˇekolik sn´ımk˚ u lidsk´eho tˇela z rentgenu. I kdyˇz se jedn´a sp´ıˇse o biologick´ y expon´at a studenti se zab´ yvaj´ı t´ım, jak vypadaj´ı lidsk´e kosti, my m˚ uˇzeme zabrousit do naˇseho oboru a prodiskutovat, jak takov´e sn´ımky vznikaj´ı.
Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se pouˇz´ıv´a pr´avˇe rentgenov´e z´aˇren´ı? • Proˇc vid´ıme na sn´ımc´ıch jen kosti bez tk´anˇe? • Proˇc nen´ı vhodn´e chodit ˇcasto na rentgen?
RGB Na stˇenu sv´ıt´ı svˇetla tˇr´ı z´akladn´ıch barev (ˇcerven´a, zelen´a, modr´a) a t´ım vytv´aˇr´ı svˇeteln´e kruhy“, ” kter´e se navz´ajem prot´ınaj´ı. Na ploch´ach, kter´e jsou pr˚ unikem zm´ınˇen´ ych tˇr´ı kruh˚ u, doch´az´ı ke skl´ad´an´ı barev. Prostˇredn´ı u ´tvar m´a tak barvu b´ılou. Postaven´ım pˇred stˇenu mohou studenti vytv´aˇret sv´ ym tˇelem r˚ uznˇe barevn´e st´ıny. M˚ uˇzeme zm´ınit, ˇze vˇsechny barvy viditeln´eho spektra je moˇzn´e sloˇzit z tˇechto tˇr´ı z´akladn´ıch barev, kter´e jsou vˇzdy zastoupen´e v r˚ uzn´ ych intenzit´ach. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Jak vznik´a b´ıl´a a ˇcern´a barva?
44
Rozjed’ vl´ aˇ cek Vl´aˇcek stoj´ı na kolej´ıch ov´aln´eho tvaru a uprostˇred nich jsou sol´arn´ı panely. Pomoc´ı tlaˇc´ıtka zapneme zdroj infraˇcerven´eho svˇetla a vl´aˇcek se rozjede. U expon´atu je i zabudovan´ y amp´ermetr, kter´ y ukazuje, jak´ y proud teˇce ze sol´arn´ıch panel˚ u do vl´aˇcku. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc se vl´aˇcek rozjede? • Co by se stalo, kdybychom vymˇenili zdroj svˇetla (tˇreba za obyˇcejnou ˇza´rovku)? • Proˇc zde jsou panely poloˇzeny rovnou na zemi, oproti re´aln´ ym situac´ım, kter´e m˚ uˇzeme vidˇet kolem silnic, kde jsou panely nˇejak naklonˇeny?
Skl´ ad´ an´ı barev M˚ uˇzeme jednoduˇse uk´azat, ˇze b´ıl´e svˇetlo se skl´ad´a z jednotliv´ ych barev a to nejen klasicky rozkladem, ale tak´e sloˇzen´ım. Samozˇrejmˇe se n´am rychl´ ym toˇcen´ım ve skuteˇcnosti barvy na kotouˇci nesm´ıs´ı, to ˇze vid´ıme b´ıl´e svˇetlo, zp˚ usobuje n´aˇs nedostateˇcnˇe rychl´ y zrak.
Subtraktivn´ı m´ısen´ı barev Pokus objasˇ nuje princip m´ısen´ı barev, kter´ y je vyuˇz´ıv´an pˇri barevn´em tisku. Tisk´arny vyuˇz´ıvaj´ı tˇri barvy (cyan - azurov´a, magenta - purpurov´a, yellow – ˇzlut´a), vytisknut´ım tˇechto tˇr´ı barev pˇres sebe, vznik´a ˇcern´a barva. Nicm´enˇe pro ˇsetˇren´ı zm´ınˇen´ ych tˇr´ı barev je do tisk´aren pˇrid´av´ana jeˇstˇe ˇcern´a (black). Tento tiskov´ y syst´em je naz´ yv´an CMYK.
Svˇ eteln´ y obtisk B´ılou stˇenu pokr´ yv´a fluorescenˇcn´ı barva s pamˇet’ov´ ym efektem, kter´a pohlcuje svˇetlo a pot´e ho postupnˇe po ˇca´stech vyzaˇruje. Stˇena je osvˇetlov´ana v´ ykonn´ ym bleskem. M˚ uˇzeme zm´ınit, ˇze barva se d´a vyuˇz´ıt napˇr. na v´ yrobu cedulek s oznaˇcen´ım nouzov´eho v´ ychodu.
45
Vzn´ aˇ sej´ıc´ı se postava Jednoduchou soustavou dvou zrcadel a optick´ ym klamem m˚ uˇzeme doc´ılit vjemu levitace. Stoupneme si na stup´ınek tak, abychom mˇeli polovinu tˇela zakrytou za stˇenou zrcadla. Potom jiˇz staˇc´ı zvednout nohu, kter´a se zobrazuje v zrcadle.
Z´ ahada Na desce jsou dva sloupeˇcky se slovy, kter´a ˇcteme pˇres sklenˇen´ y v´alec. Jeden sloupeˇcek se zd´a v´ yˇskovˇe pˇrevr´acen´ y a naopak druh´ y se jev´ı nepˇrevr´acen´ y. Pokud se pod´ıv´ame na typy slov a na pouˇzit´a p´ısmena v nich, z´ahada je vyˇreˇsena, ale nech´ame studenty, at’ si na to pˇrijdou sami.
Zobrazen´ı v´ alcov´ ym zrcadlem V naˇs´ı ˇskole se studenti uˇc´ı pˇredevˇs´ım zobrazen´ı na kulov´ ych zrcadlech. Tento experiment ukazuje a seznamuje n´as s t´ım, jak funguje zobrazen´ı na vypukl´ ych v´alcov´ ych ploch´ach. K dispozici m´ame nˇekolik obr´azk˚ u, na nichˇz jsou pˇredmˇety na prvn´ı pohled zdeformovan´e. Po zobrazen´ı na zm´ınˇen´e v´alcov´e ploˇse vˇsak vznikaj´ı obrazy pˇredmˇet˚ u, tak jak je zn´ame ve skuteˇcnosti (kostka, ˇclovˇek, auto).
46
A.6
Astrofyzika
ˇ Cern´ a d´ıra Z´akladem expon´atu je velk´ y trycht´ yˇr. Druhou nezbytnou souˇca´st´ı experimentu je libovoln´a mince z kapsy experiment´atora. Minci poloˇzte na okraj trycht´ yˇre a rozkut´alejte ji po obvodu. Mince krouˇz´ı po spir´ale, postupnˇe se zvˇetˇsuje velikost jej´ı rychlosti a bl´ıˇz´ı se k otvoru ( ˇcern´e d´ıˇre“). Tento expon´at ” je zjednoduˇsen´ ym modelem gravitaˇcn´ıho pˇritahov´an´ı v okol´ı ˇcern´e d´ıry. Podobnˇe jako kosmick´ y objekt, kter´ y se pˇribliˇzuje k ˇcern´e d´ıˇre, i mince zde, m´a-li vyˇsˇs´ı poˇca´teˇcn´ı rychlost, bude krouˇzit d´ele a do ˇcern´e d´ıry“ ” spadne pozdˇeji.
Kosmick´ e v´ ahy Stoupneme-li na Kosmickou v´ahu, zobraz´ı se n´am, kolik v´aˇz´ıme na naˇs´ı planetˇe (´ udaj v kg). Stiskem pˇr´ısluˇsn´ ych tlaˇc´ıtek zobrazujeme u ´daje, kter´e by n´am uk´azala v´aha zkalibrovan´a pro Zemi na jin´ ych planet´ach (Merkur, Venuˇse, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun) i na Slunci a Mˇes´ıci. Je d˚ uleˇzit´e studenty upozornit, ˇze hmotnost objektu (ˇclovˇeka) je na jin´ ych planet´ach st´ale stejn´a, pouze se liˇs´ı s´ıla, kterou je pˇritahov´an k povrchu planety. Ot´ azky pro diskuzi se studenty: • Proˇc by v´ahy jinde ukazovaly r˚ uzn´e u ´daje? Znamen´a to, ˇze by se n´am snad na jin´ ych planet´ach zmˇenila naˇse hmotnost? • Dok´azal by se kosmonaut zv´aˇzit v bezt´ıˇzn´em stavu?
47
B. Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD Souˇc´ast´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace je i CD, kter´e obsahuje: • Text bakal´aˇrsk´e pr´ace ve form´atu pdf, s jeho zdrojov´ ym k´odem pro LATEX. • Z´alohu vytvoˇren´ ych webov´ ych str´anek (vˇcetnˇe obr´azk˚ u a dokument˚ u ke staˇzen´ı). • Z´alohu vytvoˇren´e datab´aze fyzik´aln´ıch expon´at˚ u. • Z´alohu natoˇcen´ ych vide´ı, kter´a byla pro pouˇzit´ı na webov´ ych str´ank´ach um´ıstˇena na server www.youtube.com.
48
