Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
VČda a hra – to je Kroužek fyziky na MFF UK VOJTċCH ŽÁK Katedra didaktiky fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta UK MARTIN KONEýNÝ Katedra chemické fyziky a optiky, Matematicko-fyzikální fakulta UK Abstrakt Kroužek fyziky na Matematicko-fyzikální fakultČ Univerzity Karlovy (MFF UK) v Praze je již léta otevĜen zejména stĜedoškolákĤm, které zajímá fyzika a kteĜí se jí chtČjí vČnovat ve svém volném þase. V následujícím þlánku, který je urþen zejména uþitelĤm fyziky na základních a stĜedních školách, uvádíme dva námČty do jejich výuky, pĜíp. do fyzikálních semináĜĤ a kroužkĤ. Souþástí þlánku jsou také odkazy na další inspirativní témata, fotografie a videa, která mohou uþitelé využít ve své výuce.
1 StruþnČ o Kroužku fyziky na MFF UK Kroužek fyziky poĜádaný Katedrou didaktiky fyziky (KDF) na Matematickofyzikální fakultČ Univerzity Karlovy v Praze má mnohaletou tradici sahající až do 70. let 20. století. V posledních deseti letech byli jeho vedoucími Mgr. Miroslav Jílek (v letech 2001 až 2004, viz [1]) a RNDr. VojtČch Žák, Ph.D. (od roku 2004). Od roku 2007 se na pĜípravČ kroužku významnČ podílí také Bc. Martin Koneþný. Na kroužek fyziky mohou bezplatnČ chodit studenti stĜedních škol a další zájemci (þasto to jsou jejich kamarádi, nČkdy dokonce rodiþe), které zajímá fyzika. Na kroužku se zabýváme nejrĤznČjšími tématy – od teorií moderní fyziky (napĜ. speciální teorie relativity) až po sestrojování jednoduchých mechanických zaĜízení – jako je napĜ. mechanická housenka, lodiþka na reaktivní pohon atd. Úþastníci mohou pĜijít s vlastním tématem, do kterého se pak mĤžeme spoleþnČ ponoĜit. Experimentujeme, vyrábíme, chodíme na exkurze a vČdecká pracovištČ, zveme si vČdce na pĜednášky, poþítáme, pĜemýšlíme, divíme se... zkrátka dČláme to, co nás baví – fyziku! Kroužky probíhají od Ĝíjna do þervna, tradiþnČ každý þtvrtek. Aktuální informace o organizaci kroužku v daném roce je možné nalézt na webové stránce [2].
2 NámČt na laboratorní práce z mechaniky V této kapitole uvedeme podrobnČ popsaný námČt na laboratorní práce, který byl na kroužku fyziky realizován. Jedná se o systém vhodných aktivit, pĜi kterých žáci provádČjí jak experiment, tak se nad zkoumanými jevy teoreticky zamýšlí. Otázka a úkol: Jak daleko dostĜíkne voda otvorem v boku PET láhve naplnČné vodou? Na þem tato vzdálenost závisí? ěešte: a) na základČ analýzy fyzikálních jednotek,
253
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 b) na základČ experimentu, c) teoreticky. PĜíprava PomĤcky: PET láhev o objemu 2 l, lihový fix, pravítko o délce 30 cm, vČtší miska, špendlík, obyþejná tužka, þajová svíþka, sirky, voda, (písek do akvária) Provedení: Do dvoulitrové PET láhve udČláme v urþité výšce h1 nad dnem otvor. Ten mĤžeme vytvoĜit tak, že bČžný špendlík zabodneme do obyþejné tužky, jeho hlaviþku zahĜejeme nad plamenem svíþky (napĜ. þajové) a potom hlaviþkou protavíme otvor do boku lahve. Otvor bude mít prĤmČr pĜibližnČ 2 mm. Od otvoru smČrem k hrdlu lahve mĤžeme ještČ fixem udČlat stupnici, napĜ. po 1 cm. Láhev naplníme vodou, hrdlo necháme otevĜené, umístíme ji do vČtší misky a pozorujeme vytékání vody. Pozorování: Je patrné, že s klesající vzdáleností h2 volné hladiny od vytvoĜeného otvoru (vlastnČ hloubka otvoru pod hladinou), klesá vzdálenost d, do které voda dostĜíkne. ěešení A – na základČ analýzy fyzikálních jednotek Na kterých veliþinách mĤže vzdálenost d, kam dostĜíkne voda a kterou mČĜíme vodorovnČ od „paty“ láhve, záviset? Žáky þasto napadne hloubka otvoru pod hladinou, tíhové zrychlení („gravitace“), výška otvoru nad dnem nádoby, atmosférický tlak, teplota vody, … NČkteré veliþiny mĤžeme na základČ analýzy jejich fyzikálních jednotek vylouþit. NapĜ. tíhové zrychlení má jednotku m ⋅ s −2 , ale vzdálenost d musí vyjít v metrech. PotĜebovali bychom tedy ještČ další veliþinu, která by obsahovala jednotku sekunda a která by se pak vhodnČ zkrátila. Žádná taková nás ale nenapadá. ObdobnČ mĤžeme vylouþit další veliþiny s výjimkou dvou, které mČĜíme v metrech: hloubka otvoru pod volnou hladinou vody h2 a výška otvoru nad dnem nádoby h1 . h1 a h2 mĤžeme provést napĜ. tyto matematické operace: h1 h1 + h2 , h1 − h2 , a h1 h2 . Otázkou je, která z tČchto operací mĤže dát požadovanou h2 vzdálenost d. První možnost h1 + h2 vypadá na první pohled logicky, ale napĜ. pro h2 = 0 , tj. situaci, kdy je volná hladina u otvoru, musí vyjít d = 0 (vzdálenost se zmenšila až na 0 cm a voda pĜestane vĤbec stĜíkat), zbývá h1 , což tedy nemĤže být požadovaná vzdálenost d. Druhou možnost h1 − h2 mĤže obdobnČ vylouþit, protože h pro h1 = 0 bychom dostali vzdálenost − h2 , což je „nefyzikální“. TĜetí možnost 1 h2
S veliþinami
také nevyhovuje, protože je bezrozmČrná (nemá jednotku metr). Poslední možnost h1h2 Ĝeší nedostatek první možnosti, ale vychází v jednotce m 2 . Použijeme tedy odmocninu a mĤžeme pĜedpokládat, že d = k h1 h2 , kde k je þíselná konstanta.
254
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 ěešení B – na základČ experimentu PomĤcky a provedení jsme uvedli výše. Pravítko umístíme do vČtší misky a vodu mĤžeme nechat stĜíkat pĜímo na nČj. Tabulku s namČĜenými hodnotami h2 a d (na kroužku fyziky pro h1 = 12 cm ) a dopoþítanou konstantou k exp uvádíme níže: h2 cm
d cm
12 11 10 9 8 7 6
21,5 20,0 19,5 18,0 16,5 15,5 13,5
d
k exp =
h1 h2
1,8 1,7 1,8 1,7 1,7 1,7 1,6
Z tabulky je vidČt, že experiment podporuje Ĝešení A s tím, že konstanta k exp ≈ 1,7. ěešení C – teoretické Z teoretického hlediska se jedná o vodorovný vrh (pohyb složený z rovnomČrného pohybu ve vodorovném smČru a volného pádu) s poþáteþní rychlostí (rychlost výtoku vody z láhve) o velikosti v0 . Pro vzdálenost, kam voda dostĜíkne, bude tedy platit d = v0 t , kde t je doba, za kterou voda dopadne na podložku (doba trvání vodorovného vrhu). Ve vodorovném smČru se totiž jedná o rovnomČrný pohyb. Ve svislém smČru jde o volný pád, tudíž h1 = váme t =
1 2 gt , kde g je velikost tíhového zrychlení. Odtud dostá2
2h1 . Dále mĤžeme použít Bernoulliho rovnici. Porovnáme-li situaci tČsnČ g
pĜed otvorem ve vodČ a tČsnČ za otvorem (ve vzduchu, resp. vakuu), dostaneme 1 2 ρv0 = h2 ρg , odkud v0 = 2h2 g . 2
Nyní
mĤžeme
postupnČ
dosadit
do
vztahu
pro
d
a
obdržíme
2h1 d = v0 t = 2h2 g = 2 h1 h2 . Je zĜejmé, že teoretické Ĝešení je v souladu s Ĝešením g
A a nepopírá zcela ani výsledek Ĝešení B. Diskuze Experimentální Ĝešení B se od teoretického (k exp < 2 ) liší zejména díky tomu, že v teoretickém Ĝešení neuvažujeme odpor vzduchu a považujeme vodu za ideální kapalinu. Neuvažujeme ani tĜení mezi vodou a okrajem otvoru, kterým protéká. JeštČ více vzdálen modelu ideální kapaliny je svými vlastnostmi jemný písek do akvárií, který sice „teþe“, ale v obdobném experimentu bude dopadat do prakticky
255
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 stále stejné vzdálenosti. (Doporuþujeme udČlat pro pokus s pískem do láhve vČtší otvor o prĤmČru asi 3 mm). PozornČjší experimentátoĜi si všimnou, že hladina vody v láhvi neklesne až k otvoru, ale zastaví se nČkolik mm nad jeho úrovní. Tento fakt mĤžeme pĜedložit žákĤm jako problémovou úlohu. (Je to dáno pružností povrchové vrstvy kapaliny a z rovnosti velikostí hydrostatické tlakové síly a povrchové síly mĤžeme urþit povrchové napČtí. Vychází ĜádovČ správnČ.)
3 NámČt1 na jednoduchý experiment z optiky PomĤcky: sklenČná zkumavka nebo odmČrný válec (nejlépe bez stupnice), glycerol, sklenČná tyþinky (na míchání z chemické laboratoĜe) Provedení: Zkumavku naplníme do ¾ glycerolem a ponoĜíme do nČho sklenČnou tyþinku. Pozorujeme proti bílému podkladu. VysvČtlení: Index lomu bČžného skla (n = 1,5 – 1,6) a glycerolu (n = 1,47) jsou velmi podobné. Paprsek prochází soustavou zkumavka-glycerol-sklenČná tyþinky témČĜ bez lomu, a pĜedmČt tudíž není skoro vidČt. Je tĜeba dodat, že pĜi „nevhodném“ natoþení jsou okraje tyþinky více viditelné, jelikož tČsnČ na rozhranní dochází k lomĤm paprskĤ (na povrchu tyþinky mohou být neþistoty, vzduchové bublinky apod.). NámČty: Považujeme za dĤležité se studentĤ zeptat, proþ není sklenČná tyþinky témČĜ vidČt. VČtšinou chybnČ odpovídají, že je to díky hustotČ glycerolu, ... Dalším úkolem mĤže být hledání pĜedmČtĤ, které by mČly index lomu ještČ blíže indexu lomu glycerolu (napĜíklad nČkteré plasty). Uvedený úkol mĤžeme spojit s laboratorní úlohou, kdy studenti mČĜí vhodnou metodou index lomu uvedených látek. Na následujících pár Ĝádcích bychom rádi zmínili nČkteré vlastnosti a použití glycerolu. Rádi bychom po þetných dotazech z Ĝad uþitelĤ uvedli, jak spolu souvisí glycerol a glycerín (jedná se o stejnou látku) a zmínili bychom se o nebezpeþnosti této chemické látky. GLYCEROL - starším názvem glycerín, triviální název glycerol, avšak systematický název propan-1, 2, 3-triol (trojsytný2 alkohol) -
Název glycerol vznikl z názvĤ jeho dvou vlastností. Je sladký (Ĝecky glykys = sladký) a má velkou dynamickou viskozitu3 (latinské cera = vosk).
Glycerol se bČžnČ používá v kosmetických pĜípravcích, zubních pastách a v potravinách jako aditivum (E422, tzv. modifikované škroby a zahušĢovadla). Je dĤležitou biogenní slouþeninou, jelikož ve formČ esterĤ je souþástí tukĤ. Jeho slouþenina nitroglycerin je složkou výbušnin (dynamit, ...). 1
NámČt byl získán od Mgr. ZdeĖka Poláka, Gymnázium Náchod.
2
obsahuje 3 skupiny -OH
3
Dynamická viskozita glycerolu je asi 1000krát vČtší než viskozita vody (pĜi 20 °C). [3]
256
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Glycerol je slabČ jedovatý (nejnižší toxická dávka je pĜibližnČ 90 g), v nízkých koncentracích je prakticky neškodný. BČžnČ jej seženete v drogeriích, lékárnách, þi u svých kolegĤ uþitelĤ chemie, kteĜí jej používají jako mazadlo na gumové hadiþky.
4 Další námČty využitelné ve výuce V následujícím bychom chtČli poskytnout výbČr materiálĤ, které lze využít pĜi výuce fyziky. Jedná se o fotografie, videa þi námČty na pokusy, které v kroužku provádíme. O fungování webu se starají studenti a není recenzován. • Výroba gramofonu [http://krouzek-fyziky.ic.cz/2008-2009/#gramofon] • Mikrovlnná trouba [http://krouzek-fyziky.ic.cz/2005-2006/#Mikrovlnka] • Jak jednoduše spoþítat rychlost svČtla, co udČlá hroznové víno, vejce v mikrovlnné troubČ apod. • Zimní fyzika [http://krouzek-fyziky.ic.cz/2008-2009/#zima] Tání ledu, vznik rampouchĤ, cirkulace vzduchu nejen v místnosti. • Hologramy [http://krouzek-fyziky.ic.cz/2008-2009/#hologramy] Výroba vlastních hologramĤ. • PĜedvánoþní show s kapalným dusíkem [http://krouzek-fyziky.ic.cz/20082009/#vanoce] Stalo se již tradicí, že poslední kroužek pĜed Vánoci je show s kapalným dusíkem. MĤžete zhlédnout zajímavé experimenty a nahlédnout, jak se vyrábí zmrzlina. Na stránkách Kroužku fyziky [2] je samozĜejmČ i další spousta zajímavých námČtĤ. Pokud nČkteré z nich využijete, budeme rádi.
5 ZávČr Kroužek fyziky na KDF MFF UK byl a doufáme, že i nadále bude. Letošní rok 2010/2011 bychom chtČli pojmout trochu netradiþnČ, a to zejména prací na dlouhodobČjších projektech. Studenti tak více proniknou do daného tématu, nauþí se ovČĜovat své hypotézy, prezentovat výsledky své práce, což je i v reálném životČ velmi dĤležité. Tyto práce budou stĜídány s kroužky, kde si budeme hrát a pozorovat tak, jak tomu bylo doposud. Veškeré materiály, které vzniknou (listy pro laboratorní práce, fotografie, videa, ...), budeme uveĜejĖovat na webových stránkách Kroužku fyziky [2] a jsou vám plnČ k dispozici. Pokud je nČjakým zpĤsobem využijete, budeme rádi za zpČtnou vazbu. TČšíme se na vaše studenty v Kroužku fyziky!
Literatura [1] http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/uvod/uvodni.htm [2] http://www.krouzek-fyziky.ic.cz/ [3] Mikulþák J., Charvát J., Macháþek M., Zemánek F.: Matematické, fyzikální a chemické tabulky a vzorce pro stĜední školy. Prometheus, Praha 2003.
257
