Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

Horvátová D., Rakovská M., Zelenický Ľ.

1. Svet netopýra a delfína I

(modelovanie zmyslového orgánu určeného na priestorovú orientáciu)

Motivácia:

Ako živočíchy počujú? Ako vidia? Existujú živočíchy, ktoré vidia zvukom? To sú niektoré otázky, ktoré by sme si mohli položiť a zároveň zodpovedať.

Všetky živočíchy nevidia tak ako my, napríklad chameleón môže sledovať zároveň korisť aj útočníka bez jediného pohybu, lebo jeho oči sú umiestnené na „výstupkoch“ a môžu sa pohybovať nezávisle od seba. Včely vedia pri videní používať polarizované svetlo a u väčšiny hmyzu sa vyvinuli zložené oči, ktoré vytvárajú mozaikové videnie. Vodné živočíchy majú inak prispôsobené oči kvôli inej refrakcii vo vode, a pod.

Rôzne živočíchy nielen vidia ale aj počujú rôznym spôsobom. Napríklad slony sa môžu dorozumievať svojimi žalúdkami a to tak, že vydávajú hlboké bručivé zvuky, ľudským uchom nepočujúce, ktoré sa šíria veľkými africkými pustatinami. Niektoré živočíchy majú „uši“ na svojich nohách, niektoré pod kolenami. Iné sluchové orgány sa vyvinuli u rýb iné u obojživelníkov, iné u stavovcov a pod. Rozsah počuteľnosti je u živočíchov tiež rôzny, počnúc zvukmi z oblasti infrazvukov a končiac zvukmi v oblasti ultrazvukov.

Existujú živočíchy, ktoré „vidia zvukom“? Aj na túto otázku sa pokúsime odpovedať prostredníctvom niekoľkých úloh (U), pozorovaní (P), doplnkových úloh (DU) a meraní (M).

Analógie:

U1: Z biologickej literatúry preštudujte problematiku zmyslových orgánov (sluch a zrak) u tých živočíchov, ktoré „vidia zvukom“ (využívajú sonar a echolokáciu na orientáciu vo svojom prirodzenom prostredí a na lovenie potravy) a vymenujte ich. Ide najmä o živočíchy, žijúce v tme (v jaskyniach, pod zemou, alebo vo veľkých morských hľbkach).

Netopier, delfín, veľryby, niektoré nočné mory, niektoré vtáky žijúce v jaskyniach apod.

U2: Urobte náčrtok niektorého z „biologických“ ultrazvukových vysielačov a prijímačov a stručne vysvetlite ako pracuje.

U3: Formou tabuľky porovnajte jednotlivé časti technických a „biologických“ ultrazvukových vysielačov a prijímačov.

U4: Vymenujte a zapíšte do tabuľky horné hranice počuteľnosti pre niektoré druhy živočíchov a zdôraznite tie živočíchy u ktorých sa hranica počuteľnosti posúva do oblasti ultrazvuku

U5: Ľudský hlas má vlnovú dľžku okolo 75 cm, ale pre netopiera a delfína by bola táto dľžka nevhodná pri lovení koristi. Na základe vypracovanej tabuľky zistite, aké najmenšie vlnové dľžky môžu tieto živočíchy prijímať resp. vydávať (delfín, netopier) a ako ovplyvňuje vlnovú dľžku prostredie, v ktorom živočíchy žijú ( približne: vzduch v = 331 m/s, voda = 1500 m/s). Uvážte, prečo je pre nich výhodné použitie ultrazvuku a veľký rozsah vlnových dľžok (až po vlnovú dľžku niekoľko metrov)?

Menia vlnovú dľžku podľa potreby, pre skúmanie veľkých priestorov malá frekvencia a veľká vlnová dľžka, pre malé prekážky vysoká frekvencia a malá vlnová dľžka.

DU1: Prečo chvenie vzduchu pri lietaní hmyzu vnímame ako zvuk a pri lietaní vtákov nevnímame ako zvuk? Problematiku preštudujte z vhodnej literatúry a zapísaním do tabuľky porovnajte frekvencie kmitov krídel u rôznych druhov hmyzu.

2. Svet netopiera a delfína II (pozorovanie)

P1: Odraz zvuku

Cieľ: Pozorovaním odrazu zvukových vľn od „rovinného zvukového zrkadla“ modelovať jednu z činností „biologického“ ultrazvukového lokátora.

Pomôcky: Sklenný valec, tikajúce hodinky, doska,.

Pozorovanie: Na dno vysokého valca položte hodinky a nad otvorom valca upevnite do držiaku dosku. Potom dosku natáčajte tak, aby pozorovateľ raz počul a raz nepočul zvuk hodiniek.

DU2: Popíšte a podrobne vysvetlite pozorovaný fyzikálny jav z akustiky (obr.2) a na jeho základe vysvetlite obr.3. Na akom princípe pracuje ultrazvukový echolokátor u netopiera pri zameraní koristi?

P2: Pozorovanie Dopplerovho efektu

Cieľ: Jednoduchým fyzikálnym experimentom pozorovať zmenu výšky tónu pohybujúceho sa zdroja zvuku v závislosti od smeru pohybu vzhľadom k pozorovateľovi a tým modelovať princíp lovenia koristi u sledovaných živočíchov.

Pomôcky: zdroj zvuku (píšťalka, ladička, reproduktor pripojený k RC generátoru apod.), pripevnený na vozíčkovej dráhe, pozorovateľ stojaci približne v strede vozíčkovej dráhy, kolmo na ňu.

DU3: Popíšte a podrobne vysvetlite pozorovaný fyzikálny jav z akustiky a na jeho základe vysvetlite obr.4 a obr.5. Na akom princípe pracuje sonar u delfína a ultrazvukový echolokátor u netopiera pri lovení koristi?

DU4: Ako tieto živočíchy vedia či sa korisť k nim približuje alebo sa od nich vzďaľuje?

DU5: Tvrdí sa, že netopier vletí človeku do vlasov. Je toto tvrdenie správne? Môže ovplyvniť klbko vlasov šírenie ultrazvukovej vlny? Navrhnite a realizujte experiment, ktorým by sme overili toto tvrdenie.

DU6: Predstavte si, že počas letnej noci sluchom sledujete bzukot letiaceho komára. Niekedy sa Vám zdá, že komár bzučí vyšším tónom a inokedy, že komár bzučí nižším tónom a najvyšším tónom bzučí tesne pri vašom uchu. Vysvetlite a fyzikálne zdôvodnite toto pozorovanie.

DU7: V rozprávke o červenej čiapočke je takýto dialóg: Prečo máš také veľké uši (vlk)? Aby som ťa dobre počul. A prečo máš také veľké oči? Aby som ťa dobre videl. Platí toto tvrdenie aj o netopierovi, delfínovi, nočných morách, vtákoch žijúcich v jaskyniach a iných živočíchov? Odpoveď dokumentujte obrázkom a potvrďte experimentom, napr. počúvaním tikotu budíka pomocou lievika pri uchu a bez neho, alebo rozhovoru ľudí v susednej miestnosti priložením hrnčeka na stenu.

3. Svět netopiera III (meranie – COACH)

Úvod

Fyzikálny experiment i napriek svojmu nepopierateľnému významu, rôznorodosti a pestrosti si len veľmi ťažko udržuje svoje postavenie vo vyučovaní fyziky. Pozíciu si bez väčších problémov udržuje len na laboratórnych cvičeniach. Našou úlohou je udržať jeho miesto i pri výklade, objavovaní javov a získavaní nových poznatkov. V tejto časti príspevku chceme poukázať na experiment určený pre zaradenie do procesu získavania poznatkov, pri ktorom na jednej strane meriame a získavame kvantitatívne údaje, výsledok, záver a zovšeobecnenie je však skôr v kvalitatívnej rovine.

Súčasne chceme ukázať, ako sa môžeme od javov v prírode dostať k čisto fyzikálnym experimentom a pojmom, hľadať súvislosti javov a fyzikálnych pojmov, a na základe výsledkov fyzikálneho experimentu robiť závery a vysvetlenia v prírode. Obsahovo uvedené experimenty nadväzujú na predchádzajúce časti (modelovanie, motivácia, analógie, pozorovanie).

Netopier to má ťažké

Zaujímavými otázkami sú otázky typu: Ako živočíchy počujú? Ako vidia? Ako sa orientujú vo svojom okolí?

Jedným zo živočíchov, ktoré „vidia zvukom“ vo svojom prirodzenom prostredí je netopier. Žije v tme, v jaskyniach. Na orientáciu v priestore využíva sonar a echolokáciu. K tomu je vybavený „biologickým“ ultrazvukovým vysielačom a prijímačom.Ultrazvukový signál vyslaný netopierom určitým smerom po odraze registruje a vyhodnocuje.

Modelujme takéhoto netopiera jednoduchým technickým zariadením pozostávajúcim

z ultrazvukového vysielača a prijímača. Na realizáciu všetkých experimentov použijeme ultrazvukový senzor polohy TI CBR a hardvér a softvér COACH 5.

Jednoduchým experimentom získame informáciu o vzdialenosti určitého objektu. Schéma zariadenia je na obrázku. Hoci zariadenie ukazuje vzdialenosť objektu, v skutočnosti zariadenie registruje čas medzi vyslaným ultrazvukovým impulzom a odrazeným impulzom.

V princípe sme pri takomto meraní obmedzení vlastnosťami použitého zariadenia. Ale i netopiera charakterizujú určité vlastnosti, ktoré predstavujú konkrétne obmedzenia.

Urobme experiment, pri ktorom do priestoru pred čidlom vsunieme predmet veľkosti cca 2 cm. Výsledkom je, že zariadenie predmet a jeho polohu zaregistruje, netopier „vidí predmet“. Ak dáme do cesty malý predmet veľkosti cca 2 mm zistíme, že zariadenie predmet už nezaregistruje. Čím je to dané? Môže to byť intenzitou odrazeného signálu alebo trochu komplikovanejšie vzťahom veľkosti objektu a vlnovej dľžky použitého signálu. Pri frekvencii použitého signálu 40 kHz vychádza vlnová dľžka približne 8 mm. Použitým signálom môžeme registrovať objekty s rozmermi porovnateľnými s vlnovou dľžkou použitého signálu (rádové centimetrové rozmery). Netopier vysiela signál s frekvenciou do 160 kHz, z čoho vyplýva, že môže registrovať objekty rádové s milimetrovou veľkosťou. V prírode sa zrejme živočíchy evolúciou prispôsobili životným podmienkam.

Tak ako človek získava zrakom komplexnú informáciu (farba, intenzita) o okolitom prostredí, podobne získava i netopier prostredníctvom ultrazvukového signálu informáciu o prostredí, v ktorom sa nachádza.

Akú informáciu získa netopier pri vyslaní signálu na rovnú stenu? Ak zjednodušíme situácia a scanujeme stenu len v jednej vodorovnej rovine, získaná informácia je znázornená na obrázku, vidíme, že graf nie je ideálny. Ako si v danej situácii poradí netopier a prečo je to tak?

Zrejme do procesu vyhodnocovania získaných informácii musia vstúpiť ďalšie fyzikálne javy (odraz, intenzita, zmena frekvencie, …).

Urobme zložitejší experiment, keď sa v priestore pred netopierom objaví väčší pohybujúci sa objekt. Zachytený signál bude mať priebeh ako na obrázku. Aké informácie môžeme z takéhoto grafu získať? (čas, vzdialenosť, rýchlosť objektu).

Experimentom overme situáciu, keď sa objekt pred netopierom pohybuje smerom od netopiera. Zo získaného grafu vieme určiť vzdialenosť a rýchlosť v konkrétnom čase.

Netopier v skutočnosti v prípade určenia rýchlosti objektu využíva ďalší jav - Dopplerov efekt. , resp . Ukážeme výsledky experimentu s použitím ladičky. Grafy zodpovedajú ladičke v pokoji a v pohybe smerom k snímaču a od snímača.

Predstavme si netopiera v miestnosti. Je jeho orientácia jednoduchá? Urobme experiment, pri ktorom súčasne zaznamenávame polohu objektu a jeho smer.

Vidíme, že získaný obraz nie je až taký jednoduchý a je ovplyvnený odrazom, intenzitou odrazu, veľkosťou odrazovej plochu a jej sklonu ako i smerovosťou.

Záver

Vzájomné porovnávanie reality zo života netopiera a fyzikálnych meraní, javov a pojmov by viedlo k ďalším analógiám. Výsledky a zosumarizovanie predložených poznatkov uvádzame v tabuľke.

Literatura

[1] Kantorek, J., Řehoř, F., Sobotková, V.: Tajemství přírody. Blesk, Ostrava, 1993.

[2] Kolektív: Encyklopedie vědy a techniky. Albatros Praha, 1986.