Onderová Ľ.: Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III (Veletrh 15, Praha 2010) / Sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

Klíčová slova

Použití

ZŠ
SŠ/VŠ

Pomůcky

S jednoduchými pomůckami
S běžným vybavením kabinetu

Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III

Onderová Ľ.

Abstrakt

V príspevku je prezentovaných niekoľko jednoduchých experimentov z rôznych oblastí fyziky, ktoré môžu pomôcť učiteľom spestriť vyučovanie fyziky ako na základnej, tak na strednej škole.

Úvod

Experimenty a experimentovanie majú vo vyučovaní fyziky nezastupiteľnú úlohu. Môžu slúžiť na demonštráciu fyzikálnych javov alebo ako vhodná motivácia. Zároveň však môžu vyvolať diskusiu k zaujímavým problémom. Rovnako experimenty uvedené v príspevku môžu byť prezentované formou problémových úloh s otázkou Prečo?, resp. Vysvetlite! a tým viesť žiakov a študentov k tomu, aby rozmýšľali nad fyzikálnym zdôvodnením týchto experimentov.

Ako si vyrobiť dúhu

Na realizáciu pokusu budeme potrebovať: 4 priehľadné poháre, vodu, potravinárske farby – žltú, zelenú, červenú a modrú, priehľadnú slamku a soľ. Na stôl si pripravíme štyri poháre naplnené vodou sýto zafarbenou potravinárskymi farbami – na modro, červeno, žlto a zeleno (dajú sa použiť aj farby na vajíčka). Postupne ponárame priehľadnú slamku do jednotlivých pohárov. Najprv ponoríme slamku asi 2 cm do pohára s modrou farbou. Uzavrieme otvor slamky prstom a prenesieme ju do pohára s vodou červenej farby. Opätovne ponoríme do hĺbky asi 2 cm, následne uvoľníme prst na slamke ponoríme ju 2 cm hlbšie a opäť uzavrieme prstom. Žiakom položíme otázku: Aká farba bude v slamke po jej vytiahnutí? Nakoľko miešanie farieb žiaci ovládajú očakávajú, že výsledná farba bude fialová. Na ich prekvapenie, po vytiahnutí z pohára sa objaví v slamke stĺpček modrej farby a pod ním stĺpček farby červenej, čo znamená, že farby sa nezmiešajú. Ak budeme postupovať popísaným spôsobom ďalej, teda budeme postupne ponárať slamku aj do žltej a zelenej farby po vytiahnutí sa nám v slamke objaví farebná dúha – stĺpce farebnej vody sa nezmiešajú. Žiaci riešia problémovú úlohu: Ako vysvetliť, že kvapaliny sa nezmiešali? Počas diskusie a riešenia problému im môžeme dať realizovať pokus, pri ktorom uvedeným postupom ponoria slamku najskôr do oleja potom do vody. To ich privedie k riešeniu, že zafarbená voda v pohároch musí mať rozdielnu hustotu. Následne im položíme ďalšiu otázku: Ako by sme to mohli jednoducho zrealizovať? Ako pomoc môžeme opätovne použiť ďalší pokus a síce ten, pri ktorom sa to isté vajíčko v zdanlivo rovnakých kvapalinách správa rozdielne. V jednej sa ponorí a v druhej pláva. Tento pokus už väčšina žiakov pozná a vie, že príčinou je pridanie soli do vody. Týmto spôsobom spoločne so žiakmi dospejeme k vysvetleniu pokusu, že zafarbená voda v pohároch má rozdielnu hustotu, čo dosiahneme pridaním soli. Najmenej, jednu lyžicu pridáme do pohára s modro zafarbenou vodou a postupne pridávame po lyžici, čo znamená, že do vody so zelenou farbou pridáme štyri lyžice soli. Uvedený pokus je vhodný pre overenie pochopenia pojmu hustota kvapalín. Na záver ešte môžme položiť ďalšiu otázku: Čo sa stane, keď slamku obrátime? Žiaci by mali vedieť správne odpovedať, že farby sa zmiešajú a voda bude tmavohnedá až čierna. [1]

Onderová Ľ.: Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III - image001.jpg

Farebné mozaiky

Použitím priehľadnej lepiacej pásky a polarizačných filtrov možno vytvoriť nádherné farebné mozaiky pripomínajúce sklenené vitráže v kostoloch. Na realizáciu tohto pokusu budeme potrebovať: 2 polarizačné filtre (poslúžia aj polarizačné filtre zo súpravy pre optiku, v núdzi aj zo starých slnečných okuliarí), kúsok skla alebo plexiskla, priehľadnú lepiacu pásku a nožnice. Nie každá lepiaca páska je vhodná na realizáciu pokusu. Jej vhodnosť otestujeme tak, že nalepíme kúsok pásky na jeden polarizátor a druhým priloženým polarizátorom otáčame. Ak páska mení svoju farbu, je vhodná. Ak farba ostáva stále rovnaká, páska nie je vhodná. Následne polepíme kúsok skla alebo plexiskla lepiacou páskou náhodne krížom krážom tak, aby sme dosiahli miesta, kde sa budú prekrývať a križovať dve až tri vrstvy lepiacej pásky. Potom vložíme takto pripravený kúsok skla medzi polarizačné filtre. Pri otáčaní vrchného polarizátora, sledujeme meniace sa farebné mozaiky. Farby, ktoré pozorujeme sú výsledkom rozdielov v rýchlosti polarizovaného svetla prechádzajúceho vrstvami lepiacej pásky. V lepiacej páske sú dlhé molekuly polyméru natiahnuté rovnobežne so smerom dĺžky pásky. Svetlo polarizované rovnobežne so smerom natiahnutia prechádza páskou pomalšie ako svetlo polarizované kolmo k tomuto smeru. Svetlo teda prechádza páskou v dvoch rozdielnych smeroch (ťahom pri výrobe pásky sa vytvoril umelý dvojlom). Ak polarizované svetlo vstupuje do pásky jeho smer polarizácie nemusí byť rovnobežný s dĺžkou pásky. V tom prípade sa polarizovaný lúč rozdelí do dvoch zložiek, z ktorých jedna je rovnobežná s dĺžkou pásky a druhá je na ňu kolmá. Vlny tvoriace tieto zložky sú spočiatku vo fáze, ale pretože prechádzajú páskou rozdielnou rýchlosťou, fázovo sa posunú a tak ich maximá už nebudú vo fáze. Keď takto posunuté vlny vystupujú z pásky na druhej strane, skladajú sa a vytvoria svetlo s rozdielnou polarizáciou ako malo pôvodné svetlo. Čím hrubšia je vrstva lepiacej pásky, tým viac fázovo posunutých zložiek vznikne a tým väčšia zmena polarizácie nastane. Pretože biele svetlo je zložené zo svetla rozdielnych farieb a vlnových dĺžok a index lomu lepiacej pásky pre každú z týchto farieb je rôzny, znamená to, že každá farba má vlastnú dvojicu rýchlostí prechodu cez pásku. Výsledkom je to, že pre každú farbu bude polarizácia zmenená rôzne v závislosti od hrúbky vrstvy pásky. Ak položíme navrch druhý polarizátor prepúšťa rozdielne farby v rozdielnych smeroch. To je vysvetlením farebných mozaík, ktoré vznikajú pri jeho otáčaní. [2]

Onderová Ľ.: Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III - image002.jpg

Diamagnetické hrozno

Študenti sa vo fyzike na strednej škole učia o diamagnetických látkach, ale ostávajú pri konštatovaní, že sa skladajú u diamagnetických atómov, t.j. atómov, ktorých výsledný magnetický moment je nulový a že nepatrne zoslabujú magnetické pole. Nestretávajú sa však so žiadnym pokusom, ktorý by demonštroval toto tvrdenie. Dostupnosť veľmi silných neodýmových magnetov nám umožňuje demonštrovať aj diamagnetizmus. Na pokus budeme potrebovať: prázdnu krabičku od filmu aj s viečkom, špendlík prípadne pripináčik, žiletku, slamku na pitie, dve veľké bobuľky hrozna. Prepichneme viečko krabičky od filmu zvnútra v strede špendlíkom tak, že hrot špendlíka bude vyčnievať kolmo von. Potom krabičku takto upraveným viečkom uzavrieme. Presne v strede plastovej slamky na pitie vyrežeme opatrne žiletkou, prípadne nožíkom malý otvor (asi 1x3 mm). Na každú stranu takto upravenej slamky nasunieme po jednej veľkej bobuľke hrozna. Slamku s bobuľkami hrozna položíme otvorom na hrot špendlíka vyčnievajúceho z viečka krabičky. Posúvaním bobuliek hrozna celú zostavu vyvážime do rovnováhy. Priblížime jeden pól silného neodýmového magnetu blízko k hroznu, bez toho aby sme sa ho dotkli. Pozorujeme, že hrozno sa bude odpudzovať od magnetu a pomaly sa bude od neho vzďaľovať. Ak póly magnetu vymeníme, pozorujeme, odpudzovanie a pohyb rovnako ako predtým. Teda hrozno je odpudzované obidvomi pólmi magnetu. Ak študentom položíme otázku Prečo?, v rámci spoločnej diskusie o správaní sa látok v magnetickom poli, môžeme dôjsť k správnemu vysvetleniu. Diamagnetické látky sú odpudzované obidvomi pólmi magnetu. Veľkosť tejto sily je však veľmi malá (rádovo stotisíckrát menšia v porovnaní s príťažlivou silou medzi magnetom a feromagnetickou látkou). Voda, ktorá tvorí podstatnú časť hrozna, je diamagnetická a preto pozorujeme odpudzovanie hrozna. Ešte presnejšie môžeme konštatovať, že ak je diamagnetická látka umiestnená do vonkajšieho magnetického poľa, vyvolá sa v nej magnetický dipólový moment proti tomuto poľu. Pokiaľ vonkajšie pole nie je homogénne, je diamagnetická látka vytlačovaná „von z poľa“, t.j. z oblasti s väčšou magnetickou indukciou do oblasti s menšou indukciou [3], [5].

Onderová Ľ.: Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III - image003.jpg

Je hliník predsa magnetický?

Rovnako ako diamagnetické aj paramagnetické pôsobenie je v porovnaní s feromagnetickým veľmi slabé a preto jeho demonštrovanie si vyžaduje optimálne podmienky. Vzorky by mali byť čo najčistejšie, magnetické pole čo najsilnejšie a trecie sily sa snažíme minimalizovať. Na jeho demonštráciu budeme potrebovať: krabičku od filmu aj s vrchnákom, špendlík, krátku sklenenú tyčinku, drievko z nanuka, alobal. Stojan na balansujúce rameno si vyrobíme rovnako ako v predchádzajúcom pokuse z krabičky od filmu a špendlíka. Ložisko, na ktorom sa bude rameno váh otáčať si vyrobíme z úzkej sklenenej trubičky (2-3 mm), ktorú zatavíme nad plameňom, čím sa na nej vytvorí polguľovitý tvar. Trubičku skrátime na 1-2 cm a zasunieme do otvoru vyvŕtaného v strede drievka od nanuka. Na obidva konce drievka namotáme rovnaký pásik hliníkovej fólie. Jej miernym posunutím, v prípade potreby, rameno váh vyvážime. Keď priblížime silný neodýmový magnet blízko k jednému koncu, bez toho, aby sme sa ho dotkli, pozorujeme, že hliník bude priťahovaný obidvomi pólmi magnetu. Tak dokumentujeme, že ak je paramagnetická látka umiestnená do vonkajšieho magnetického poľa, vytvorí sa v nej magnetický dipólový moment v smere tohto poľa. Ak je vonkajšie magnetické pole nehomogénne, je paramagnetická látka vťahovaná „do poľa”, teda z oblasti s menšou magnetickou indukciou do oblasti s väčšou indukciou. [4], [5]. Študentom môžeme dať za úlohu vyhľadať iné paramagnetické, príp. diamagnetické látky a pokúsiť sa zrealizovať experiment s nimi.

Onderová Ľ.: Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III - image004.jpg

Nebezpečná fľaša

Žiakom predložíme na prvý pohľad obyčajnú vodou naplnenú uzavretú plastovú fľašu polepenú nápismi: Neotvárať!, Pozor, nebezpečie! apod. Vyzveme odvážneho dobrovoľníka, aby fľašu otvoril. Na prekvapenie všetkých po odtočení uzáveru fľaša začne striekať. Z výsledku pokusu je zrejmé, že v spodnej časti fľaše sú dierky. Úlohou žiakov je vysvetliť: Prečo voda nevyteká a nestrieka, pokiaľ je fľaša uzavretá?. Pri hľadaní správneho vysvetlenia im môžeme pomôcť ďalším pokusom. Ukážeme žiakom nádobu (napr. od kávy), ktorá má na viacerých miestach prederavené dno. Nádobu ponorením do väčšej nádoby (napr. akvária) naplníme vodou. Je prirodzené, že po zdvihnutí naplnenej nádoby s vodou, voda z nej vyteká. Potom nádobu opäť naplníme vodou, hermeticky uzavrieme vrchnákom, ktorý pridržíme palcom. Voda po zdvihnutí nádoby nevyteká. Keď palec z vrchnáka oddialime, voda začne vytekať. Po priložení prsta na vrchnák sa vytekanie vody zakrátko zastaví.

Pokiaľ žiaci nenájdu vysvetlenie dáme im prezrieť vrchnák nádoby. Zistia, že v jeho strede je ihlou urobený malý otvor, ktorý pri predvádzaní pokusu prikrývame, resp. odkrývame palcom. Potom už obvykle nájdu správne vysvetlenie pokusu, teda že správanie plechovky spôsobuje atmosférický tlak vzduchu. Ak je otvor na vrchnáku zakrytý, pôsobí atmosférický tlak na dolné otvory nádoby a zabráni vytekaniu vody. Ak otvor na viečku nádoby odkryjeme, prenikne do nádoby vzduch a z vrchnej aj zo spodnej strany pôsobí na kvapalinu približne rovnaký tlak – atmosférický tlak. Ak otvor na vrchnáku prekryjeme palcom, pôsobí atmosférický tlak vzduchu len zo spodnej strany nádoby a vytečením vody z nádoby v nej klesne tlak vzduchu - vznikne podtlak. Keď rozdiel atmosférického tlaku vzduchu a tlaku vzduchu vo fľaši narastie na hodnotu hydrostatického tlaku kvapaliny v nádobe, vytekanie kvapaliny z nádoby sa zastaví.

Rovnako môžeme vysvetliť správanie „nebezpečnej fľaše“. Pokiaľ je fľaša uzavretá, tlak vzduchu vnútri a zvonka fľaše je rozdielny. Vonkajší tlak je vyšší, ako tlak vzduchu uzavretého vo fľaši. Rozdiel atmosférického tlaku a tlaku vo fľaši teda zabraňuje vytekaniu vody z fľaše. Akonáhle fľašu otvoríme, tlak vzduchu vo vnútri aj zvonka fľaše sa vyrovná a pôsobením hydrostatického tlaku vody voda z fľaše vyteká. [6]

Záver

Uvedené námety dokumentujú, že mnohé zaujímavé pokusy je jednoduché zrealizovať a verím, že poslúžia učiteľom nielen ako námety pre spestrenie vyučovania, ale aj ako inšpirácia pre vlastné experimentovanie, teda čo by sa dalo skúsiť, vylepšiť, upraviť...