Jednoduché pokusy a otázky kolem nich

Jitka Brockmeyerová, Zdeněk Drozd

I jednoduché pokusy mohou být didakticky účinné, mít vliv na učení a myšlení žáků. Pokud jsou takové pokusy i zábavné a žáci si je mohou provádět sami, případně je spojovat s prostředím, které je obklopuje, jsou ještě účinnější [1]. Přinášíme návrh několika takových pokusů pro žáky i pro jejich učitele. Zadání i didaktické zpracování těchto pokusů se poněkud liší od běžného popisu a využití fyzikálních experimentů ve výuce. Jeden z hlavních rozdílů je ten, že jsou doprovázeny celou řadou otázek. Mohou být využívány při výkladu příslušného učiva, mnohem výhodnější však je jejich pozdější zadávání, např. při opakování, při volných hodinách i mimořádných příležitostech.

Využití navržených pokusů by mělo vždy probíhat ve třech krocích.

a) Předpověď

Po velice stručném popisu pokusu, ještě před jeho provedením, ať už učitelem nebo žákem, by se žáci měli pokusit odpovědět na položené otázky. To znamená, že by měli provést předpověď výsledku pokusu i její fyzikální zdůvodnění. Při tom však nebuďme na žáky přísní, pokusme se spíše o jakousi formu hry na otázky a odpovědi, bez tvrdého hodnocení nebo dokonce známkování. Zdůvodnění odpovědí není nikdy zcela dokonalé a úplné, ani to, které uvádíme my.

b) Provedení pokusu

Návrh pokusů je stručný, což znamená, že i jejich provedení je určitým problémem a vyžaduje jistou zručnost, případně i úvahu. Většinu pokusů mohou žáci provádět jako domácí úlohu a pak je opakovat ve škole. Nebo je ve škole provést přímo, namísto učitele. Vůbec neškodí, když pochopí, že demonstrace vyžaduje určité soustředění. K pokusu by měli nakreslit obrázek k jeho uspořádání. Výsledek pokusu ať pak jasně formulují a srovnají s předpovědí. Nakonec by měli uvést doporučení k jeho úspěšnému provedení. Hlavně však by žáci z pokusu sami měli mít radost. A to i v tom případě, když jej provádí učitel.

c) Využití jevu

Ještě před provedením pokusu se žáci mohou pokusit o odpověď na některé otázky ohledně využití demonstrovaného jevu. Některé však zodpoví lépe až po provedení pokusu a příslušné diskusi. Sami potom jistě najdou i další uplatnění jevů ve svém okolí, v přírodě nebo v technice.

Uvaříme vodu v papíru?

Papírovou nádobku, krabičku nebo pevný sáček naplníme vodou a postavíme nad zapálený plynový kahan.

Otázka: Kdy začne papír hořet?

Do zkumavky dáme kousky ledu, v nichž jsou kovové kuličky a doplníme ji vodou. Zkumavku pak podržíme v kleštích, spíše horní částí nad plamenem kahanu.

Otázka: Roztaje led, když se voda vaří?

Odpověď: (Vedení tepla ve vodě)

Když nad kahan dáme prázdnou papírovou krabičku, začne hořet téměř okamžitě. Teplo dodávané papíru kahanem není okolním vzduchem téměř odváděno a teplota papíru rychle vystoupí nad jeho zápalnou teplotu. Jiná situace nastane, když krabičku z papíru naplníme vodou, která je asi 30krát lepší vodič tepla než vzduch. Voda odvádí dodávané teplo, ohřívá se, teplá voda stoupá nahoru, až v celém svém objemu dosáhne teploty varu. Ta leží hluboko pod zápalnou teplotou papíru. Při varu vody zůstává teplota vody i okolního papíru stálá, dodávanou tepelnou energií se voda vypařuje. Teprve po vypaření vody se teplota papíru rychle zvýší a papír začne hořet.

Voda je sice lepší vodič tepla než vzduch, zdaleka však není skutečně dobrým vodičem tepla. Její vodivost je např. 700krát horší než vodivost mědi. Odvádění tepla vodou je podporováno také jejím koloběhem, stoupáním teplé vody nad vodu studenou. V případě ohřívané zkumavky však k tomuto koloběhu nedochází. Ve spodní části zkumavky se voda od kousků ledu ochlazuje a nestoupá nahoru. V horní části ohřeje plamen vodu až k bodu varu. Takže dojde k tomu, že led neroztaje, i když se nad ním voda vaří.

Rychle nebo pomalu?

Na stůl položíme prkénko, které má uprostřed háček a na ně rozprostřeme dvojlist novin. Háček protáhneme novinami a přivážeme k němu provázek.

Otázky: Co se stane s novinami, když provázkem jednou rychle trhneme vzhůru a podruhé jím prkénko zvedáme pomalu? Co se stane s provázkem, můžeme jej přetrhnout?

Na dva stejně vysoké podstavce postavíme dvě stejné skleničky (např. na víno) a přes ně položíme dřevěnou laťku. Na část laťky mezi skleničkami prudce udeříme zúženou stranou kladiva.

Otázky: Rozbijeme laťku nebo skleničky? Můžeme kladivem rozbít laťku vyhozenou do vzduchu?

Představme si volně stojící skleněnou tabuli otevřeného okna. Okno chceme zavřít a máme si vybrat ze tří možností. Buď přiložíme na tabuli skla jeden prst a mírně ji tlačíme do roviny okna. Nebo ve stejném místě uhodíme do tabule širší částí kladiva. Nebo na tabuli skla vystřelíme.

Otázky: V kterém z uvedených případů okno nejlépe zavřeme? Jaké síly a s jakým výsledkem působí v uvedených případech? Čím se tyto síly liší? Posunete nepojízdné auto lépe, když se do něj zezadu opřete a pomalu je roztlačujete, nebo když do něj velkou silou prudce narážíte?

Odpověď: (Impuls síly, časový přírůstek hybnosti)

Při rychlém trhnutí provázkem směrem vzhůru vznikne změnou hybnosti v krátké době velká nárazová síla, jejíž působení se nemůže rozšířit po celé ploše papíru. Okraje novin zůstanou ležet na stole a pod novinami vznikne podtlak. Na noviny pak působí velká tlaková síla shora (při rozměru novin 50x50 cm, je nad nimi zhruba 2,5 tuny vzduchu). Proto můžeme provázek přetrhnout. Při pomalém tahu za provázek se působení síly rozloží na celé noviny, může pod ně proudit vzduch, dochází k vyrovnání tlaku a my můžeme noviny lehce zvednout. Provázek tak nepřetrhneme.

Při rychlém úderu na tyčku na ní působí velká síla, která se však za krátký časový okamžik nerozšíří až ke skleničkám. Proto rozbijeme pouze laťku. I laťku vyhozenou do vzduchu můžeme kladivem rozbít tak, jako by její konce byly upevněny.

Okno zavřeme nejlépe a bez poškození tlakem prstu. Při ráně kladivem se okno trochu pohne a sklo se celé rozbije. Při výstřelu se okno vůbec nepohne a ve skle zbyde jen malý prostřelený otvor. Rozdíl je hlavně v různé době působení síly. Při výstřelu se působení síly na další části okna vůbec nerozšíří. Nepojízdné auto roztlačíme nejlépe dlouho působící silou.

Tvar tahací harmoniky

Na dvě stejné otevřené krabičky položíme dva stejné kusy papíru, např. kancelářského. Jeden papír necháme rovný, druhý však složíme do tvaru, kterému říkáme tahací harmonika.

Otázky: Jak budou oba papíry reagovat, když na ně položíme dva stejné předměty? Který papír unese větší zatížení? Kde můžeme vídat využití tohoto jevu?

Dvě upevněné dřevěné destičky snadno prorazíme kladivem, cvičení lidé to dokáží i pěstí.

Otázky: Prorazíme tytéž destičky, když mezi ně vlepíme kartón ve tvaru tahací harmoniky? Kde lze takové zpevnění využít?

Odpověď: (Pevnost a deformace tělesa)

Můžeme najít závaží nebo jiný předmět, pod nímž se rovný papír výrazně prohne a papír složený asi do 2 cm širokých záhybů je unese. V prvním případě působí stejná síla na menší plochu papíru. Při složení papíru se působení stejné síly rozkládá na několik šikmých podpor, které jsou proti působící síle otočeny úzkou hranou, rozloženy však mají větší plochu. Důkladnější výklad je možno provést na oboustranně upevněném trámu s pravoúhlým průřezem, jehož deformace je závislá na momentech setrvačnosti průřezu trámu vzhledem k jeho neutrální ohybové ose. Zásadně platí, že trám se více prohne, když má velkou základnu a malou výšku, než když je tomu naopak. Položte pružné pravítko částečně přes okraj stolu, na jednom konci jej ke stolu přitlačte a na jeho přečnívající volný konec zatlačte ze shora. Opakujte totéž tak, že pravítko pouze obrátíte na jeho užší stranu. V prvním případě pravítko jistě prohnete, ve druhém se vám to nepodaří.

Tento jev se využívá při všech stavbách. Nejlépe je konstrukce vidět u staveb mostů, zvláště železničních.

Zpevněné destičky neprorazíme. Jevu se využívá při zpevnění mnohých materiálů. Podobně působí např. vlnitá lepenka a vlnitý plech.

Inženýři doporučují, aby uvedené a podobné experimenty byly ve škole často předváděny tak, aby každé dítě získalo jistou představu o působení a rozkládání sil i o pevnosti těles a jejich deformacích. A to i v těch případech, když podstatu fyzikálních jevů neumějí zcela vyložit.

Taje sníh jinak než led?

Na drát navlečeme sněhovou kouli a umístíme ji v teplé místnosti tak, aby byla ohřívána ze všech stran stejně a budeme ji pozorovat.

Otázky: Jak se bude koule sněhu měnit a kdy z ní začne odkapávat voda?

Představte si, že slunce svítí na sníh na stráni a na zamrzlý rybník.

Otázky: Jaký je rozdíl v tání sněhu a ledu? Co to vypovídá o jejich složení?

Kvádr ledu umístíme do mrazivého prostředí a ovineme kolem něj drátěnou smyčku, na níž zavěsíme velké závaží.

Otázky: Kde bude závaží za několik hodin a jak bude vypadat led? Taje led jen při zvýšení teploty? Kdo nejčastěji využívá uvedeného jevu?

Odpověď: (Změna skupenství)

Koule sněhu se bude odpařováním zmenšovat a ve své spodní části, kde se hromadí voda, bude tmavnout. Tmavá část koule poroste. První kapka vody odpadne od koule, až když bude celá nasycena vodou. Pak koule rychle roztaje.

Sníh na stráni taje pod vlivem slunečního záření na povrchu, sněhu ubývá, sníh tmavne a vzniklá voda odtéká pod sněhem pryč. Sníh se skládá z malých krystalických útvarů, ze sněhových vloček. Ty vytvářejí ve sněhu konstrukci, v níž je mnoho volného prostoru a tedy volné průchody pro vodu. Voda vzniklá táním na povrchu sněhu je do těchto průchodů vtahována kapilárními silami. Při zaplnění průchodů začne voda pod sněhem odtékat. Také led taje na povrchu, vzniklá voda však zůstává nad ním. Led v němž nejsou žádné vločky má pevnou krystalickou strukturu. Tato struktura je vlivem tepla na jeho povrchu porušena. Molekuly vody se v ledu pohybují jen kolem pevné polohy v krystalické mřížce, při dodání tepla se z ní začnou uvolňovat a volně se pohybují. Vzniklá voda však strukturou ledu neproniká.

Pod zatíženým drátem led taje a drát se pohybuje stále níže, až z ledu vypadne. Vzniklá voda však zůstává nad drátem a ochlazena okolním ledem opět zmrzne, většinou tak, že průchod drátu není vůbec znatelný. Led tedy taje nejenom vlivem zvýšené teploty, ale i pod tlakem. Také pod tlakem se rozruší krystalická struktura ledu a molekuly se začnou volně pohybovat. Vznikne voda. Jevu využívají všichni bruslaři a mimořádně úspěšně krasobruslaři. Protože ostří bruslí mají malou plochu, je působením těla bruslaře mezi bruslemi a ledem velký tlak. Pod bruslemi proto led taje a vzniklá vrstva vody, tzv. vodní film, zmenšuje odpor proti pohybu bruslaře. Působí jako mazadlo ve stroji.