Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

English translation

Horváth P.

Príspevok opisuje súbor žiackych aktivít, videomeraní brzdných dráh auta z rôznej počiatočnej rýchlosti. Motiváciou k aktivitám je zlá predstava žiakov o závislosti brzdnej dráhy automobilu od jeho počiatočnej rýchlosti a najmä vysoký podiel mladých vodičov na dopravných nehodách. Aktivity je možné realizovať nielen na hodinách fyziky, ale aj na účelovom cvičení zameranom na ochranu človeka.

Videomerania

Videomeraním, videoanalýzou, nazývame také meranie, pri ktorom využívame videozáznam. Z neho zisťujeme časovú závislosť polohy, rýchlosti, prípadne zrýchlenia pohybu zvoleného objektu. Výsledkom videoanalýzy je zvyčajne graf závislosti spomenutých kinematických veličín od času. Videomerania môžeme uskutočňovať buď z vopred pripravených videonahrávok, alebo môžeme priamo na vyučovacej hodine nasnímať vlastné nahrávky a tieto potom analyzovať. Videoanalýzou sa zaoberalo viacero našich kolegov, spomenieme práce Lepila [1], Ješkovej s Kírešom [2], pekné námety nájdeme u Jílka [3], návod na prácu s programom Coach nájdeme napríklad u Demkanina [4]. Návody na videomerania voľného pádu, vrhov a kmitov nájdete aj v [5], alebo [6]. V súčasnosti je populárny program Tracker, námety môžeme nájsť napríklad u Duľu [7].

Predstavy o brzdných dráhach auta u žiakov

Mnohí zo žiakov začínajú šoférovať veľmi mladí. Jednou z častých príčin vážnych dopravných nehôd mladých ľudí je aj vysoká rýchlosť, ktorá nezodpovedá ich vodičským schopnostiam a skúsenostiam. V poisťovniach majú informácie o nehodovosti mladých ľudí, a z toho dôvodu jedna z poisťovní pristúpila k tomu, že neuzatvára poistky s vodičmi mladšími ako 24 rokov [8]. Z našej skúsenosti vyplýva, že u väčšiny našich žiakov absentuje dobrá predstava o vzdialenostiach potrebných na zabrzdenie auta z rôznej rýchlosti. Túto skutočnosť dokladujú aj nami zadané dva krátke testy, ktoré sa týkali zistenia žiackych predstáv o závislosti brzdnej dráhy auta od jeho počiatočnej rýchlosti. Pýtali sme sa 17 – 19 ročných žiakov (štvrtý ročník 5-ročného gymnázia). Žiaci mali do tabuľky vyplniť, aká je brzdná dráha auta z rôznych počiatočných rýchlostí. Zaujímala nás „čistá“ brzdná dráha, bez uváženia reakčného času vodiča.

Zadanie riešilo spolu 17 žiakov, z nich 9 uvádzali výsledky výrazne nižšie, ako sú v skutočnosti. Výrazné odchýlky boli najmä pri brzdných dráhach z vysokých počiatočných rýchlostí. Ich predstava bola, že z rýchlosti 80 km/h zabrzdia na dráhe 10 – 20 metrov.

Druhý zadaný test bol veľmi podobný. Žiakom sme uviedli, že brzdná dráha z rýchlosti 40 km/h je 8 metrov. Úloha žiakov bola doplniť zvyšné brzdné dráhy v tabuľke.

Test opäť vyplnilo tých istých 17 žiakov. Z výsledkov vyplýva, že väčšina z týchto žiakov má o brzdnej dráhe nesprávnu predstavu. Tvrdia, že závisí od počiatočnej rýchlosti lineárne. Takéto odpovede boli identifikované u 14 žiakoch. Z nich trinásti opäť uviedli výrazne kratšie brzdné dráhy z vyšších počiatočných rýchlostí.

Videoanalýzy brzdných dráh auta

Na videoanalýzu využijeme program Tracker. Podmienky inštalácie a spôsob inštalácie programu Tracker, ako aj podrobný návod na videomeranie brzdných dráh v programe Tracker si môžete stiahnuť napríklad zo stránky konferencie „Šoltésove dni 2010“ [9], odkiaľ boli do tohoto textu prevzaté aj niektoré časti návodu a obrázky.

Pri našej konkrétnej aktivite s meraním závislosti brzdnej dráhy automobilu od jeho počiatočnej rýchlosti využijeme videonahrávoky, ktoré boli pripravené ako súčasť diplomovej práce Andreja Karlubíka [10]. Diplomant pripravil nahrávky na vodorovnej ceste na letisku. Nahraté boli brzdenia auta z piatich rôznych počiatočných rýchlostí, od 20 km/h do 100 km/h. Tieto rýchlosti boli odmerané (odhadnuté) tachometrom auta (počiatočné rýchlosti odmerané pomocou videomerania vychádzajú nižšie). Snahou vodiča automobilu bolo začať s brzdením vždy na tom istom mieste, záber kamery začínal práve na tomto mieste. Šírka záberu bola zvolená tak, aby sa do záberu zmestila celá brzdná dráha z najvyššej rýchlosti.

K dispozícii máme päť nahrávok, na každej z nich je iná počiatočná rýchlosť automobilu. Úlohou žiakov je (v skupinách), pre každú z piatich pripravených nahrávok zvlášť uskutočniť, videomeranie a zobraziť grafy závislostí polohy a rýchlosti od času.

Pri kalibrácii vzdialeností pre videoanalýzu využijeme, že automobil má dĺžku 4,5 metra.

Z grafu závislosti polohy od času potom majú vyčítať celkovú brzdnú dráhu auta, z grafu závislosti rýchlosti od času majú vyčítať počiatočnú rýchlosť auta.

Z jednotlivých čiastkových výsledkov majú žiaci za úlohu zostaviť tabuľku závislosti brzdnej dráhy od počiatočnej rýchlosti. V prvom stĺpci tabuľky je počiatočná rýchlosť v m.s^–1, do druhého stĺpca zapisujú rýchlosť v jednotke zaužívanej v doprave, teda v km.h^–1, do tretieho stĺpca zaznamenávajú hodnoty brzdných dráh v metroch. Z takto pripravených hodnôt majú zostrojiť graf závislosti brzdnej dráhy auta od jeho počiatočnej rýchlosti.

Pri diskusii so žiakmi sa zameriame na nelineárnu, kvadratickú závislosť brzdnej dráhy od počiatočnej rýchlosti. Výsledok, kvadratickú závislosť, sme mohli očakávať. Vyplýva zo vzťahu pre kinetickú energiu. Ak predpokladáme konštantnú brzdnú silu, vychádza nám, že závislosť brzdnej dráhy od počiatočnej rýchlosti by mala byť kvadratická.

Takisto zdôrazníme hodnoty brzdných dráh auta z rôznych rýchlostí. Upozorníme, že namerané máme čisté brzdné dráhy, bez uváženia reakčného času vodiča. Najväčší dôraz kladieme na dôležitosť dodržiavať bezpečnú povolenú rýchlosť. Aj z grafu krásne vidno, že ak ideme na úseku kde je povolená rýchlosť 40 km.h^–1 rýchlosťou 60 km.h^–1, naša (čistá) brzdná dráha je viac než dvojnásobná oproti brzdnej dráhe z povolenej rýchlosti.

Záver

Aktivita je navrhnutá ako žiacky experiment. Pri jej realizácii sú žiaci nútení hľadať informácie z textu, zaoberajú sa získavaním a spracovaním dát z meraní, analyzujú dáta z priebehu grafov, nasleduje syntéza dát a vysvetlenie priebehu závislosti brzdnej dráhy od počiatočnej rýchlosti.

Aktivitu je možné realizovať nielen na hodinách fyziky, ale môže byť súčasťou kurzu ochrany človeka a prírody. Podobnú aktivitu by bolo možné realizovať aj s bicyklom, keď môžeme závislosť brzdnej dráhy bicykla od počiatočnej rýchlosti realizovať priamo v teréne.

Poďakovanie

Príspevok vznikol ako súčasť riešenia projektu APVV LPP 0251-09 „Prírodné vedy v školských vzdelávacích programoch“, z ktorého boli hradené aj náklady spojené s účasťou na Veletrhu napadů učitelů fyziky v Olomouci. Ďakujem taktiež Miroslavovi Šedivému za technickú pomoc pri príprave uvedených aktivít.

Literatura

[1] Lepil O.:K vývoji didaktické komunikace ve výuce fyziky. In: Zelenický Ľ. (ed.): Zborník z konferencie Didfyz 2004. Nitra, FPV UKF a JSMF, 2005, s. 5-10.

[2] Ješková Z., Kíreš M.: Videomerania fyzikálnych javov v prostredí IP COACH. In: Zelenický, Ľ. (ed.): Zborník z konferencie DIDFYZ 2004 Nitra, FPV UKF a JSMF, 2005, s. 202-207.

[3] Jilek, M.: Několik nápadu nejen z kroužku fyziky. In Svododová, J., Sládek, P. (ed.): Sborník z konference Veletrh nápadu učitelu fyziky 9, sv. 2. Brno, Paido, 2004, s. 50-51.

[4] Demkanin, P. 2006. Počítačom podporované prírodovedné laboratórium. Bratislava: FMFI UK, 2006.

[5] Horváth P., Šedivý M.: Analýza mechanického pohybu videomeraním. In: Horváth, P. (ed.): Zborník príspevkov „Aktivity vo vyučovaní fyziky“, Smrekovica. Bratislava, FMFI UK, 2006. s. 69-77.

[6] Horváth P., Šedivý M.: Videomeranie tiažového zrýchlenia. In: Horváth, P. (ed.): Zborník príspevkov „Šoltésove dni 2006“,  Bratislava, FMFI UK, 2007, s. 31-38.

[7] Duľa I. Možnosti využitia programu Tracker na hodinách fyziky. In: Zborník z konferencie Tvorivý učiteľ fyziky, Smolenice 2009. s. 35-39, dostupné na http://sfs.sav.sk/smolenice/prispevky.htm

[8] https://poistenie.csob.sk/pzp/Strana2a.aspx

[9] http://fyzikus.fmph.uniba.sk/typo/index.php?id=575

[10] Karlubík A.: Videomerania vo vyučovaní fyziky, diplomová práca. Bratislava, FMFI UK 2010