O příspěvku
Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky IV
Abstrakt
V príspevku bude prezentovaných niekoľko nápadov a experimentov z rôznych oblastí fyziky, ktoré môžu učitelia fyziky jednoducho realizovať na vlastnom vyučovaní a spestriť tak vyučovanie fyziky ako na základnej, tak na strednej škole.
Archimedov zákon v plastových pohároch
Žiaci často neovládajú fyzikálne zákony dostatočne dobre na to, aby ich vedeli správne uplatniť aj v konkrétnej situácii. Jedným z nich je aj Archimedov zákon. Pomocou pokusu s plastovými pohármi, ktorý vzhľadom na dostupnosť pomôcok môžeme realizovať s celou triedou im môžeme pomôcť ho pochopiť[1]. Máme dva priehľadné ľahké plastové poháre – jeden je prázdny, druhý je naplnený vodou centimeter pod okraj. Žiakom položíme otázku, aby predpovedali, čo sa stane, keď položíme prázdny pohár na hladinu vody v druhom pohári. Všetci správne odpovedia, že bude plávať na hladine, čo si môžu hneď aj overiť. Potom nás zaujíma predpoveď, čo sa stane, keď do prázdneho pohára prelejeme asi centimeter vody a opätovne ho položíme na hladinu v druhom pohári. Predpovede žiakov budú opäť správne, čo si následne overia pokusom. Pri tom zistia, že pohár bude plávať, hoci bude viac ponorený v dôsledku množstva vody, ktoré sme naliali dovnútra. Po týchto počiatočných pokusoch žiadame od žiakov predpoveď situácie, čo sa stane, keď z pôvodne plného pohára prelejeme takmer všetku vodu do druhého pohára, pričom v pôvodnom ponecháme len asi centimeter vody na dne. Teraz začnú byť predpovede žiakov váhavé, nie sú presvedčení o tom, že plný pohár bude plávať, niektorí dokonca vyslovia predpoklad, že voda pretečie cez okraj a pohár klesne až na dno. Po realizácii ich predpovedí im dáme uskutočniť pokus, výsledok ktorého viacerých prekvapí. Druhý pohár bude opäť plávať a žiadna voda sa nevyleje. Ak žiakom dáme pokus zopakovať s tým, že ich upozorníme, aby sledovali hladinu vody v obidvoch pohároch, s prekvapením zistia, že tá ostáva pri všetkých pokusoch rovnaká. V súlade s Archimedovým zákonom vztlaková sila pôsobiaca na teleso v kvapaline (teda na vnútorný pohár s vodou) sa rovná tiažovej sile, ktorá by pôsobila na kvapalinu vytlačenú objemom ponorenej časti telesa. Ak vezmeme do úvahy zanedbateľnú hmotnosť samotného pohára (voči hmotnosti naliatej vody) začne byť výsledok experimentu žiakom zrejmý, teda hladina vody v prvom pohári musí byť v rovnakej výške, ako bola pôvodne a rovnako, že hladina vody ako vo vnútornom, tak vo vonkajšom pohári musia byť takmer rovnaké. Uvedomia si tiež, že stačí veľmi malé množstvo vody v prvom pohári na to, aby druhý plával, ak pri jeho ponorení bude možné dosiahnuť vytlačenie potrebného množstva vody (kvapaliny). To znamená, že ak by objem vody z prvého pohára bol naliaty do širšej nádoby, vnútorný pohár by nemohol plávať, ale by dosadol na dno nádoby.
„Mikroskop“ z plastovej fľaše
Snaha vidieť menšie objekty ako tie viditeľné voľným okom viedla pred mnohými rokmi k vynálezu mikroskopu. Dnes sa už mikroskopy používajú bežne, ale žiaci ich používajú len na hodinách biológie a neuvažujú nad fyzikálnymi princípmi, na ktorých sú založené. Pomocou dostupných jednoduchých pomôcok si môžu jednoduchý jednošošovkový mikroskop (podobný ako zostavil Holanďan Van Leeuwenhoek už v polovici 17. storočia) zostaviť aj sami [2] . Budú na to potrebovať plastovú fľašu s viečkom, vrták, nožnice, lepiacu pásku a maličkú sklenenú guľôčku (priemer guľôčky asi 2 mm). V strede viečka fľaše pomocou vrtáka vyvŕtame taký veľký otvor, aby doň guľôčka tesne pasovala. Potom sklenenú guľôčku zatlačíme dovnútra otvoru, tak aby tam pevne držala. Odstrihneme hrdlo fľaše aj s uzáverom. Kvôli ochrane voči poraneniu oblepíme odstrihnutý okraj lepiacou páskou. Zo zvyšku fľaše vystrihneme „podložné sklíčko“ tak aby pasovalo na hrdlo fľaše. Preparát, ktorý chceme pozorovať, napr. zrnká kuchynskej soli prilepíme na stred lepiacej pásky, ktorou upevníme kúsok plastu slúžiaci ako podložné sklíčko na hrdlo fľaše. Následne na hrdlo upevníme vrchnák s vloženou guľôčkou. Zaskrutkujeme ho čo najtesnejšie. Keď priložíme takto vytvorený mikroskop, vrchnákom k oku, môžeme pozorovať zväčšené objekty, v našom prípade zväčšené kryštáliky soli. Takto vytvorený „mikroskop“ vlastne pracuje na princípe lupy. Objekt vidíme väčší ako v skutočnosti, pretože pozorujeme jeho neskutočný obraz. Práve čo najtesnejším zaskrutkovaním viečka dostaneme objekt, čo najbližšie ku šošovke, ktorú tvorí sklenená guľôčka. Ohnisková vzdialenosť šošovky – guľôčky je veľmi malá, práve preto sa musíme snažiť, aby predmetová vzdialenosť pozorovaného objektu bola čo najmenšia. Mechanizmus zaostrovania funguje zmenou vzdialenosti pomocou uvoľňovania alebo priťahovania viečka fľaše. Ak si takto vytvorený mikroskop priložíme čo najtesnejšie k oku dosiahneme najväčšie zväčšenie zorného uhla.
Beztiažový stav v plastovej fľaši
S pojmom beztiažový stav sa na základnej škole stretávame napr. v učive o astronómii. Žiaci sa niekedy pýtajú prečo sa predmety v družiciach voľne „vznášajú“. Bez náročných pomôcok môžeme telesá uviesť do beztiažového stavu aj v laboratórnych podmienkach. Viacero príkladov na jeho demonštráciu jednoduchými pomôckami nájdeme aj v literatúre, napr. [3,4]. Nami prezentované riešenie je taktiež ľahko realizovateľné a dostatočne názorné. Do vnútra väčšej plastovej fľaše umiestnime malý balónik tzv. vodnú bombu, ktorý len čiastočne naplníme vodou. Balónik vo fľaši čiastočne nafúkneme a následne ho priviažeme na gumové vlákno. Dĺžku vlákna je dobré si vopred vyskúšať, aby tiažou balónika nebola napnutá veľmi ani málo. Druhý koniec nite upevníme na hrdle fľaše a fľašu uzavrieme uzáverom. Takto upravenú fľašu spustíme z výšky a necháme ju padať voľným pádom na mäkkú podložku. Žiaci sledujú pohyb balónika vo vnútri fľaše počas pádu a spoločne s nimi môžeme dospieť k jeho vysvetleniu. Po spustení sa sústava pohybuje voľným pádom a preto sa nachádza v beztiažovom stave. Na balónik pôsobia len sily pružnosti, gumička prestane byť natiahnutá a balónik sa posunie do stredu fľaše. V dnešnej dobe nie je pre žiakov problém doplniť pozorovanie zhotovením videa napr. prostredníctvom mobilu.
Závod plechoviek
Bežný život nám prináša často prekvapenia, ktoré je nie vždy jednoduché fyzikálne zdôvodniť. Jedným z takých je nasledovný pokus. Vezmime dve plechovky so sýtenými nápojmi a spusťme ich súčasne po naklonenej rovine, Pozorujeme, že „do cieľa“ dorazia prakticky súčasne. Potom jednu z plechoviek dôkladne potrasieme a pokus zopakujeme. Na naše prekvapenie „trénovaná“ – potrasená plechovka tentokrát viditeľne zaostáva. Prečo? Dôvodom je skutočnosť, že pri roztočení plechovky pohybom po naklonenej rovine kvapalina vo vnútri sa neroztočí na rovnakú uhlovú rýchlosť ako obal plechovky, kvapalina „voľne tečie“ po stenách, takže energia vložená do rotačného pohybu náplne je malá. Je viditeľné, že potrasenie spôsobí zmenu vo veľkosti energie potrebnej na vytvorenie rotačného pohybu tekutiny vnútri plechovky. V dôsledku toho ostáva menej energie na posuvný pohyb ťažiska sústavy tvorenej plechovkou s tekutinou. Možno urobiť záver, že bubliny vytvorené potrasením nápoja sa tesnejšie prichytia povrchu plechovky a vytvoria pevnejšie prepojenie medzi obalom a obsahom ako v prípade bez bublín (t.j. nepotrasenej plechovky). Toto tesnejšie prepojenie (spôsobené povrchovým napätím medzi bublinami a plechovkou) prenáša do kvapaliny energiu účinnejšie ako samotná kvapalina, ktorá sa len nepatrne trie o hladké steny nádoby. V snahe vysvetliť tento jav boli realizované viaceré experimenty [5]. Pri experimentoch bol meraný čas pohybu po tej istej naklonenej rovine u rôznych nápojov (napr. Pepsi cola, Coca cola light a ďalšie.). U všetkých nápojov sa preukázal rovnaký efekt, teda kratší čas u nepotraseného a dlhší čas u potraseného nápoja. Následne sa testovali tri iné tekutiny – voda z vodovodu, voda so saponátom a „bezbublinková“ Cola, t.j. Cola ktorá bola otvorená po celý deň. Skutočnosť, že voda z vodovodu prakticky nevykazovala tento efekt viedla k potvrdeniu predpokladu, že pozorované správanie spôsobujú bubliny obsiahnuté v kvapalinách. Rovnaké správanie však preukázala aj „bezbublinková“ Cola, ale po potrasení takejto Coly v plastovej fľaši, zistíme, že sa v nej nachádza ešte viac peny ako pôvodne, keď bola sýtená. Na potvrdenie spomenutého predpokladu boli urobené ešte ďalšie pokusy, pri ktorých boli merané časy pred potrasením a po potrasení, pričom sa následne nechala plechovka odpočívať 15 minút, resp. 2 hodiny. Merania ukázali, že po 15 minútach sa ešte kvapalina nedostala do pôvodného stavu, ale po dvoch hodinách už áno. Túto skutočnosť potvrdil aj pokus s pohybom plastových nádob naplnených vodou so saponátom. Pre jednoduchý školský pokus je vhodné porovnať súčasný pohyb dvoch rozmerom a hmotnosťou zhodných nádob. Pokus je pekným príkladom, ako poskytnúť študentom priestor na ich vlastné bádateľské aktivity. Učiteľ predvedie len samotný pokus, nechá ich pátrať po vysvetlení a realizovať vlastné pokusy. Je vhodné predviesť pokus s dvomi priehľadnými nádobami, z ktorých je jedna naplnená čistou vodou a druhá mydlovou vodou. Názornosť pokusu a správnosť úvahy o vzniku tesnejšieho prepojenia medzi nádobou a tekutinou je možné overiť aj pokusom s nádobou v ktorej by bol vo vode vložený dostatočne veľký molitan, pričom celková hmotnosť nádoby by bola rovnaká ako hmotnosť nádoby s vodou. Nádoba s molitanom výrazne zaostáva nielen voči nádobe s vodou, ale aj voči nádobe so speneným roztokom.
Môžeme určiť gravitačné zrýchlenie na Mesiaci?
Určenie gravitačného zrýchlenia voľne padajúceho telesa patrí k štandardným školským experimentom. V priebehu rokov boli vymyslené a zdokonaľované metódy na jeho čo najpresnenejšie určenie. V poslednej dobe sa často využíva aj videomeranie. Práve použitie videa nám umožní spolu so študentmi odpovedať na otázku v nadpise. V priebehu spoločnej diskusie ohľadne možnosti jeho určenia určite prídeme aj k nápadu, že by sme mohli využiť vhodné video. Dáme študentom za úlohu pokúsiť sa vyhľadať takéto video. [6, 7] Na web stránke NASA nájdu video, ktoré bolo zrealizované počas missie Apollo 15 na Mesiaci. Na tomto videu je zachytený experiment, ktorý zrealizoval astronaut David Scott. Na videu je zachytené ako z rovnakej výšky púšťa ťažké geologické kladivko a ľahké pierko. Hoci video nie je veľmi kvalitné, dá sa z neho potvrdiť fakt, že obidva predmety dopadnú na povrch Mesiaca súčasne, čo potvrdzuje fakt, ktorý predpovedal Galileo Galilei už dávno pred tým a síce že vo vákuu všetky telesá spustené súčasne aj dopadnú súčasne. Video však môžeme súčasne použiť aj na určenie gravitačného zrýchlenia na Mesiaci. Kvalita videa je pomerne slabá a je pomerne zložité rozlíšiť obidva objekty na pozadí. Navyše kamera nie je v úplne horizontálnej polohe. My sme realizovali videoanalýzu pomocou programu Coach 6. Klikaním na padajúce objekty sme zaznamenali polohu kladiva a pierka v závislosti od času. Namerané výsledky sme spracovali pomocou funkcie fitovanie a gravitačné zrýchlenie sme určili z fitovaného grafu pomocou funkcie derivácia. Presnosť určenia gravitačného zrýchlenia sa u jednotlivých študentov líšila, čo bolo spôsobené obtiažnosťou presného určenia pozície padajúcich objektov ako aj skúsenosťami študentov s videomeraním. Najlepšie hodnoty, ktoré sme získali udávali pre kladivo hodnotu 1,64 ms-2 a pre pierko 1,87 ms-2. Tieto hodnoty sú v celkom dobrej zhode s hodnotou udávanou v tabuľkách 1,62 ms-2. Nepresnosť bola zapríčinená zlou kvalitou obrazu a teda aj nepresným zaznamenaním polohy kladiva a pierka v čase. Kladivo, ktoré bolo viditeľné lepšie, má aj určenú hodnotu bližšie k realite. Pokiaľ učiteľ nemá k dispozícii nami použitý softvér na videoanalýzu, môže použiť aj voľne dostupný softvér na videoanalýzu Tracker [8].
Literatúra
[1] Featonby, D: Do floating beakers displace water? In: The Physics Education, Vol. 46, September 2011, pg. 630
[2] Haruka Onishi, Masako Tanemura, Kyoko Ishii, Fumiko Okiharu, Masaaki Taniguchi, Junichiro Yasuda, Mika Yokoe, Hiroshi Kawakatsu: Simple and Beautiful Experiments V by LADY CATS and Science teachers groups. In: 08.09 Workshop, WCPE, July 1-6, 2012
[3] Svoboda, E.: Pokusy z fyziky s jednoduchými pomůckami. Prometheus, Praha, 1995
[4] Sliško, J., Planišič, G: Hands-on experiences with buoyant-less water. In: The Physics Education, Vol. 45, May 2010, pg. 290 - 295
[5] Kagan, D: The Shaken-Soda Syndrome. In: The Physics Teacher, Vol. 39, May 2001, pg. 290–292
[6] Persson, J.R., Hagen, J. E: Videos determine the Moon’s g. In: The Physics Education, Vol. 46, January 2011, pg. 12 – 13
[7] http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html
[8] http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP-0124-09.