Slovo úvodem k pokusům mých studentů

Jaroslav Reichl

Fyzika jako vyučovací předmět se neřadí, bohužel, k těm studenty oblíbeným předmětům. Nechci nyní psát několikastránkovou úvahu, proč tomu tak je – na to zde není prostor. Rád bych pouze uvedl příspěvky svých studentů, které jsem vyučoval ve školním roce 1998–99 fyziku na SPŠST Panská, Praha 1. Abychom si zpestřili hodiny cvičení fyziky, vymyslel jsem pro studenty domácí laboratorní práce. Studenti neměli provádět měření a zpracovávat tolik „oblíbené“ protokoly z měření – měli myslet a pracovat. Dostali seznam témat, která byla postupně probírána (samozřejmě spolu s příslušnými experimenty), a oni si měli sami doma připravit pokus k danému tématu. Zda pouze zopakují, co již viděli, nebo přijdou s něčím novým, bylo jen a jen na nich. Podmínkou pouze bylo, aby to byl experiment co možná nejjednodušší (ale fyzikální OK) s jednoduchými pomůckami (třeba i s odpadem – plastové láhve od nápojů, …).

Sám jsem byl překvapen, jaké nápady studenti dostávali a posléze je i dokázali realizovat ve třídě. Některé z nápadů studentů následují v dalších odstavcích. Vzhledem k tomu, že jsem měl více prvních ročníků, některé nápady se pochopitelně opakovaly. Seznam témat byl pro každou třídu stejný, proto se u jednoho tématu vyskytuje více nápadů na provedení.

Prezentace pokusu ve třídě pak sloužila k zopakování dané látky pro celou třídu. Vzhledem k tomu, že studenti svá zařízení vyráběli samostatně, jednak se manuálně pocvičili, ale také zadanému tématu porozuměli více a mohli tudíž zodpovídat na mé zvídavé otázky, kterých se u každého z experimentů našla celá řada. Ti první byli velice překvapeni a uvědomili si, jak je fyzika ucelená a jak „všechno souvisí se vším“, což je myslím velice dobře. Ostatní ve třídě se zapojili do prezentace pokusu také (radami, otázkami, …), takže mnohdy vznikla dlouhá diskuse nejen mezi mnou a studenty, ale i mezi studenty v lavicích a studentem u tabule. A to se mi líbilo, neboť tak se studenti naučí reagovat na dotazy (někdy i dost „na tělo“) a naučí se hledat pro svoje odpovědi správné argumenty.

Nabídku toho nejzajímavějšího nabízíme spolu s autory ostatním zájemcům o fyziku. Jedná se o jednoduchá zařízení, které si může každý učitel fyziky i jeho studenti zhotovit doma – nejsou zapotřebí žádná složitá zařízení, součástky, …

Pád syrového vajíčka

Jan Černý (1. D), SPŠST Panská, Praha 1

Syrovým vajíčkem lze velice slušně demonstrovat volný pád tělesa, lze jím ukázat přeměnu tíhové potenciální energie na energii kinetickou (a posléze deformační), lze jím demonstrovat zákon setrvačnosti atd. Bohužel, v řadě případů se jedná o experimenty destruktivní, tj. syrové vajíčko pokus nevydrží. S pomůckou popsanou v tomto příspěvku je možné vajíčko spustit na zem z výšky 3 m až 4 m, aniž by došlo k jeho destrukci. Navíc lze tuto pomůcku využít k demonstraci odporových sil.

Jedná se v podstatě o padák, který lze zhotovit z většího lehkého igelitu, balzy, slabých provázků (nití), velké krabičky od sirek a kousku vaty. Rám padáku ve tvaru písmene „H“ (písmeno „H“ má šířku asi 90 cm a výšku asi 60 cm) je zhotoven z balzy, na níž je napnut tenký (lehký) igelit a pomocí izolepy přilepen k rámu. Velká krabička od zápalek vystlaná vatou slouží pro umístění vajíčka. Krabičku připevníme pomocí niti v rozích ke konstrukci padáku a k igelitu uprostřed jeho delších stran. Do rohů krabičky je možné umístit nafouknuté pouťové balónky tak, jak to učinil autor. On sice neměl v úmyslu využívat vztlakovou sílu vzduchu, přesto je to zajímavý námět na diskusi a zopakování dalšího tématického celku.

Nyní stačí stoupnout si na lavici (katedru, …) a z výšky pustit padák i s vajíčkem na zem.

Pomůcka je vhodná nejen pro demonstraci odporové síly vzduchu a možnosti jejího využití, ale je možné pomocí ní zopakovat řadu věcí (a nechat studenty domýšlet různé nápady) – vztlakovou sílu, pohyb rovnoměrně zrychlený (a zda pohyb padáku je rovnoměrně zrychlený), zrychlení při brždění (dopadu na zem), proč se vajíčko v padáku nerozbije, zatímco bez něho ano, …

Model hydraulického lisu

Pavel Prudký (1. B), Tomáš Mráz (1. D), SPŠST Panská, Praha 1

Oba studenti pracovali na své práci samostatně, nezávisle na sobě.

První z nich demonstroval princip hydraulického lisu velice jednoduše. Potřeboval k tomu dvě čtvrtky, tužku, pravítko, pastelky, nůžky a tenký provázek (nit). Na jednu čtvrtku nakreslil schéma hydraulického lisu tak, jak se běžně objevuje v učebnicích a svislé úsečky částečně nastřihl. Nad oba nakreslené válce pak propíchl dvě dírky, kterými provlékl tenký provázek.

Ze druhé čtvrtky poté vystřihl dva proužky, přičemž délka každého z nich je asi o 1 cm větší než dvojnásobek šířky nakresleného válce lisu na první čtvrtce. Tyto proužky se nyní přehnou na šířku daného válce lisu, zasunou se do nastřihlých otvorů v první čtvrtce a ze zadní strany se slepí. Uprostřed takto zhotoveného pístu se nyní udělá otvor, kterým se provlékne provázek a zajistí uzlíkem. Při určování správné délky provázku je třeba mít jeden píst v horní poloze, druhý píst ve spodní poloze.

Pro zvýraznění směru pohybu (tj. jeden píst se pohybuje nahoru a druhý současně směrem dolů) je možné oba písty „vybavit“ šipkou.

Tímto modelem je možné ilustrovat schematicky činnost hydraulického lisu. Se studenty ve třídě je pak možné diskutovat o řadě jevů, které s danou situací souvisejí – kdy je velikost rychlosti posuvného pohybu jednoho pístu směrem dolů stejná jako velikost rychlosti druhého pístu směrem nahoru, jak model upravit tak, aby v případě nestejných plošných obsahů obou pístů byla tato rychlost různá, … Model lze vyrobit také z průhledné fólie a promítat pomocí Meotaru na stěnu.

Druhý student vyrobil „opravdický“ lis s těmito pomůckami: dvě injekční stříkačky (různé velikosti), čtvrtka, kousek hadičky (asi 25 cm) takového průměru, aby šla poměrně těsně nasadit na konce injekčních stříkaček, kousek drátku (resp. lepidlo), tužku a pravítko. Čtvrtku (resp. ohnutý kus plechu, …) sloužící jako držák upravil přehnutím do pravého úhlu tak, aby na jednom konci zůstalo asi 5 cm. Na delším konci čtvrtky poté narýsoval ve stejné vzdálenosti několik úseček rovnoběžných s přehybem, pomocí nichž lze lépe sledovat pohyb pístu. Do přehnuté části čtvrtky udělal symetricky od středu dva otvory takové velikost, aby jimi prošly injekční stříkačky a zůstaly o čtvrtku „opřeny“. Stříkačky poté spojil hadičkou (buď pomocí lepidla nebo kousku drátu), nasadil píst a model hydraulického lisu je hotov.

Tento model si může vyrobit každý student (nebo alespoň jeden do lavice) a je možné sledovat závislost působící síly (na menší píst působí menší síla), výšku, do níž vystoupí druhý píst po stlačení prvního, …

Vodní mlýnek

Štěpán Sládek (1. F), Petr Poupa (1. B), SPŠST Panská, Praha 1

Pomocí vodního mlýnku lze demonstrovat tlakovou energii proudící tekutiny (vody, resp. vzduchu).

Oba studenti pracovali samostatně, nezávisle jeden na druhém.

První mlýnek lze vyrobit ze dvou delších papírových trubiček (např. od roličky papíru do starších typů počítaček), drátu, špejlí, celofánu a několika špendlíků. Do obou papírových trubiček uděláme dva otvory – jeden na konci a druhý uprostřed trubičky. Do těchto otvorů zasuneme (popř. vlepíme) dvě špejle, čímž dostaneme „podstavec“ mlýnku. Na druhý konec trubiček zapíchneme proti sobě šikmo vždy dva špendlíky tak, aby na takto vzniklé opěry bylo možno položit hřídel mlýnku. Tu vyrobíme ze špejle, jejíž délka je asi o 1 cm kratší než vzájemná vzdálenost obou opěr vyrobených ze zkřížených špendlíků. Do obou konců špejle zapíchneme špendlík a tuto hřídel položíme na špendlíkové opěry.

Nyní zbývá vyrobit lopatky mlýnku. Z kousku drátu vytvarujeme kostru lopatky (fantazii se meze nekladou, ale pro rovnoměrný chod mlýnku je dobré vyrobit lopatky stejně velké). Na tuto drátěnou kostru přilepíme celofán a poté lopatku opatrně prohneme tak, abychom zvětšili odporovou sílu proudící vody. Vyrobíme celkem 4–6 lopatek, které pomocí drátku spojíme k sobě a nasuneme na hřídel mlýnku. Na hřídel pak ještě uvážeme nit, na níž zavěsíme břemeno (kryt pera, kousek modelíny, …). Pro vedení nitě s břemenem lze vyrobit drátěná očka.

Mlýnek držíme za podstavec a lopatky umístíme do proudu vody z vodovodního kohoutku. Pozor! Neroztáčejte kohoutek na maximum, neboť by mohlo dojít k poškození mlýnku. Je možné vyrobit si vlastní „zdroj proudící vody“: do uzávěru plastové láhve uděláme žhavým hřebíkem otvor, do něhož vlepíme kousek hadičky. Láhev pak naplníme vodou, zašroubujeme uzávěr a stiskem láhve s hadičkou namířenou na lopatky mlýnky lze uvést mlýnek do pohybu.

Druhý mlýnek je vyroben ze dřeva. K dřevěné desce přibijeme (přišroubujeme) z boku dva stejně vysoké hranolky. Tak získáme podstavec mlýnku. Lopatky vyrobíme z dřevěné tyčky, jejíž základnu na jednom konci nařízneme a do vzniklého zářezu vlepíme destičku z umělé hmoty (tu lze získat např. z umělohmotných zákazových tabulek, …). Tvar lopatky je opět ponechán fantazii. Do dřevěného válečku, který bude součástí hřídele, navrtáme otvory (mělké, ne skrz celý průměr válečku), do nichž zasuneme (popř. vlepíme) lopatku. Šest lopatek umístíme na váleček symetricky.

Do dvou hranolků podstavce uděláme ve stejné výšce otvor. Tím protáhneme větší hřebík (délka asi 10 cm), který pak zatlučeme do dřevěného válečku s lopatkami. Analogicky postupujeme na druhé straně. Na jeden z hřebíků připevníme provázek s břemenem a pod proudem vody z vodovodního kohoutku můžeme mlýnek roztočit.

U obou mlýnků lze při demonstraci diskutovat, na čem závisí rychlost otáčení mlýnku, jak se projeví třecí síla (a jak eventuálně zmenšit její velikost), …

Měření času – výroba hodin

Petr Kramara (1. B), Vojtěch Paska (1. D), Zdeněk Polák (1. D), SPŠST Panská, Praha 1

S problémem přesného měření času se lidstvo potýkalo dlouhá staletí. Lidé se stále snažili nalézt ten správný, optimální a hlavně pokud možno nejjednodušší a nejpřesnější způsob měření času. Dnes, v době atomových hodin, se může proto zdát zbytečné se k uvedeným problémům vracet a pokoušet se sestrojit primitivní hodiny. Přesto se našli tři studenti, kterým se zdařilo vymyslet (a většinou i s použitím jednoduchých pomůcek sestrojit) hodiny, pomocí nichž by bylo možné obstojným způsobem měřit čas (např. na letním táboře daleko od civilizace k uvaření vajíčka, …).

Pánové opět pracovali samostatně nezávisle jeden na druhém, proto se i některé nápady opakovaly. Uvedeme nyní jen typy sestrojených hodin.

Hodiny pískové a vodní

K sestrojení tohoto typu hodin postačí dvě půllitrové plastové láhve od nápojů, lepidlo a hřebík. Uzávěry obou plastových láhví slepíme k sobě. Poté v takto spojených uzávěrech uděláme otvor (nejlépe nažhaveným hřebíkem). Do jedné z láhví umístíme „médium“, které bude odměřovat čas, láhev uzavřeme spojenými uzávěry, na něž našroubujeme druhou láhev. Nyní stačí láhve jen obrátit, okalibrovat a máme hodiny hotové.

Při použití písku (hrubé mouky, …) fungují hodiny takto sestrojené bezchybně. Chceme-li použít jako odměřovač času vodu, je nutné do spodní láhve udělat ještě u hrdla malý otvor, aby se zamezilo vzniku přetlaku ve spodní láhvi a tím i k zastavení toku vody. Jiný, praktičtější způsob, který dovoluje po přetečení vody do spodní láhve hodiny obrátit, spočívá v jiném postupu při úpravě spojených uzávěrů. V tomto případě do nich uděláme totiž otvory dva a do každého z nich vlepíme brčko, ale každé z opačné strany.

Další možná konstrukce vodních hodin je ještě jednodušší: do velké plastové láhve uděláme v její dolní části (asi 3 cm od dna) otvor a láhev naplníme vodou. Voda z láhve bude vytékat a tím bude klesat výška hladiny v láhvi. Pro kalibraci na láhev přilepíme proužek papíru, na který budeme zaznamenávat časové údaje, tj. za jak dlouho hladina o danou výšku poklesne.

Zajímavý nápad je jen doplňkem případu předešlého: láhev s vodou postavíme na stojánek, o nějž opřeme korýtko. Korýtko lze zhotovit opět z plastové láhve (musí být rovná), které uřízneme zužující se část u hrdla a u dna a poté láhev podélně rozpůlíme. Slepíme-li obě poloviny k sobě, získáme dostatečně dlouhé korýtko. Na něj necháme z láhve s vodou dopadat proud vytékající vody a časovou stupnici umístíme na nakloněné korýtko. Opět tedy určujeme čas na základě vzdálenosti – tentokráte ale pomocí vzdálenosti dopadu proudu vody. Je nutné si uvědomit, že v obou posledně zmiňovaných případech je časová škála nerovnoměrná.

Hodiny svíčkové

Pomocí svíčky lze vyrobit hodiny velice jednoduše. Potřebujeme pouze svíčku (eventuálně několik špendlíků ke kalibraci hodin). Svíčku zapálíme a odměříme délku svíčky, která uhoří např. za jednu minutu. Poté je možné pomocí této vzdálenosti okalibrovat celou svíčku. Možností je více: pomocí barevných proužků papíru, pomocí zapíchnutých špendlíků, … Použijeme ke kalibraci špendlíky, je možné umístit svíčku na kovový tác a každou minutu tak zřetelně uslyšíme dopad špendlíku na tác. Nevýhodou je, že takto sestrojené hodiny jsou na jedno použití.

Hodiny sluneční

Další z možností, jak měřit čas, je určovat jej podle slunečního stínu, který vrhá např. tyč zapíchnutá do země. Tento způsob lze převést i do laboratorních podmínek, ovšem je zde řada problémů. Většina z nich souvisí se zdánlivým pohybem Slunce po obloze (nerovnoměrný pohyb, různá výška Slunce nad obzorem v různém ročním období, …). Doma (v laboratoři) si můžeme jednoduché sluneční hodiny vyrobit pomocí dřevěné desky, do níž navrtáme otvor pro umístění jehly na pletení. Nyní stačí hodiny umístit na místo, kam svítí delší část dne Slunce a např. každou hodinu si zaznamenat polohu stínu jehly. Druhý den se můžeme pomocí těchto hodin již řídit. Analogickou variantu vytvoříme tak, že dřevěnou desku spolu s pletací jehlicí zavěsíme na zeď. Dírku pro umístění jehlice nyní vrtáme šikmo, abychom prodloužili stín jehlice.

Podrobný popis konstrukce přesnějších slunečních hodin včetně možnosti, jak se pokusit eliminovat problémy zmíněné výše, které jsou zdrojem nepřesností, lze nalézt v publikaci od pana Šímy: „Sluneční hodiny“ nebo v edici Vesmírné miniatury (č. 5) vydávané Hvězdárnou a planetáriem hl. m. Prahy – Oldřich Hlad: „Sluneční hodiny snadno a rychle“.