Hračky ve výuce fyziky

Zdeněk Drozd, Jitka Brockmeyerová, Jitka Houfková

Fyzika patří na našich školách stále k jednomu z nejméně oblíbených předmětů. Jedním z důvodů je to, že často probíhá výuka pouze verbálně a že se zřídkakdy ve výuce objevují pokusy a pozorování. Přitom právě to, že můžeme nové poznatky získávat na základě rozboru experimentů, je pro fyziku příznačné. Pokusy, prováděné při výuce, žáky dokáží zaujmout a pokud jde o experiment, k jehož provedení stačí běžně dostupné pomůcky, často si jej sami doma zopakují a samostatně přichází na nové poznatky. Fyzika se tak pro ně stává zajímavou hrou, při níž je možno získat podněty k přemýšlení, a mnohdy teprve při takovémto samostatném bádání žák pořádně pochopí fyzikální principy, o nichž se učil ve škole.

V našich předchozích příspěvcích na Veletrhu nápadů jsme se zabývali různými náměty na jednoduché a pokud možno zajímavé pokusy. Tématem tohoto příspěvku je využití hraček při výuce.

K hračkám má každý z nás dobrý vztah. Každé dítě má hračky rádo a pokud některé z nich použijeme při výuce, jistě budeme mít úspěch. Mnoho hraček pracuje na základě velmi zajímavých fyzikálních principů a jejich odhalování může být zábavné i prospěšné pro naše poznání. Často se jedná o jednoduché problémy. Je ale důležité, abychom své žáky učili přemýšlet nad tím, jak věci fungují. Je to dobrá příležitost k ukázce toho, že fyzikální znalosti je možno uplatnit při popisu chování konkrétních věcí. Je tedy vidět, že fyzika je také praktická věda.

Z množství hraček vybíráme několik ukázek. Uvádíme vždy stručný popis a námět na využití hračky ve výuce. V některých případech přikládáme fotografii. Doufáme, že čtenáři budou inspirováni k hledání dalších zajímavých hraček a jejich využití pro zpestření výuky fyziky.

Kráčející zajíc

Popis:

Dřevěná figurka zajíce s jednou pohyblivou nohou, která je vespod opatřena kouskem brusného papíru. Figurka se pohybuje (kráčí) po dřevěné dráze – nakloněné rovině s jistým sklonem. Chůze je velice věrohodná a pohled na tohoto kráčejícího zajíce je fascinující i pro mnohého dospělého člověka, natož pak pro dítě.

Využití při výuce:

Zajíce můžeme nechat přejít dráhu a žáky postavíme před problém, proč zajíc kráčí. Žákům necháme dostatečný prostor k tomu, aby si hračku pořádně prohlédli. Ukážeme, že velice důležitý je sklon dráhy. Je-li sklon malý, zajíc stojí, je-li trochu větší, spadne na čumák. Jde o velice zajímavý problém spojený s pohybem těžiště zajíce, třením mezi jeho nohami a dráhou atd. Jistě najdeme mnoho způsobů, jak zajíce použít při výuce základů mechaniky, přestože se vlastně jedná o trhavý pohyb, jehož fyzikální rozbor není jednoduchý (můžeme jej srovnat s pohybem pravidelného šestihranu.

Neposedné zvířátko

Popis:

Plastová koule, k níž je čumáčkem přichyceno zvířátko, které snad vzdáleně připomíná kunu. Koule díky své povrchové úpravě připomíná míček. Uvnitř najdeme pevnou osu, na níž je excentricky upevněn elektromotorek. Ten se po vložení jednoho tužkového monočlánku otáčí, čímž se neustále mění těžiště celé koule. Položíme-li zvířátko s koulí na podlahu, míček se nerovnoměrně pohybuje a táhne za sebou zvířátko. Divák má však dojem, že zvířátko pobíhá po zemi a tlačí kouli před sebou.

Využití ve výuce:

Ukážeme žákům hračku v provozu a necháme je odhadnout, jak vše funguje. Je pravděpodobné (stejně jako ve všech ostatních popisovaných příkladech), že děti hračku mají doma, a tedy ji znají. Potom rozebereme míček a ukážeme, jak je to uvnitř zařízeno. Připomeneme žákům poučku, která říká, že vnitřní síly nemohou rozhýbat těleso. Jak je tedy možné, že se zvířátko s koulí pohybuje? To může být vhodná otázka k promyšlení doma, nebo např. v čase, kdy chceme všechny nebo část žáků nějak zaměstnat. Společně potom problém rozebereme. Koule se snaží zaujmout takovou polohu, aby její těžiště bylo co nejníže. Přitom strká do podlahy. Reakcí k této síle, kterou působí koule na podlahu, je síla, kterou působí podlaha na kouli (uplatňuje se zde tření). Tato síla kouli rozhýbává. Je to ovšem síla vnější, takže je vše v pořádku. Můžeme také položit otázku, jaký bude pohyb koule bez zvířete.

Zvláštní oko

Popis:

Koule z průhledného plastu, která je zcela naplněna bezbarvou kapalinou. V kapalině je kulový model oka, jehož průměr je jenom o něco málo menší než vnitřní průměr plastové koule. Když kouli kutálíme po vhodné podložce, oko uvnitř se neustále dívá vzhůru. Neotáčí se společně s koulí.

Využití ve výuce:

Hračku předvedeme a necháme si od žáků vysvětlit, proč se oko dívá stále vzhůru. Vysvětlení je poměrně jednoduché. Tření mezi materiálem oka a koule je malé a navíc oko není homogenní. Jeho těžiště je mimo střed koule. Zůstává tedy při pohybu stále co nejníže.

Maxipružina

Popis:

Plastová pružina s větším průměrem závitů. Závitů je velké množství, takže lze pružinu roztáhnout na délku několika metrů. Hračka mívá různou povrchovou úpravu. Velmi hezká je např. kombinace barev duhy. Někdy je možné tuto pružinu sehnat i v kovovém provedení.

Využití ve výuce:

Pružinu můžeme použít, hovoříme-li o podélném vlnění. Dva žáci pružinu natáhnou a drží ji, každý za jeden konec u podlahy nebo na dlouhém stole. Když jeden žák pružinou cukne, vidíme, jak se pružinou šíří rozruch. Je dobře patrné zhušťování a zřeďování závitů v podélném směru. Vzniká iluze pohybu části pružiny z jednoho konce na druhý, stejně jako je tomu u jiných projevů vlnění v přírodě (vodní hladina, obilí na poli apod.). Na konci pružiny se rozruch odrazí a jde zpět. Pokud oba žáci šikovně pohybují konci pružiny, vznikne stojaté vlnění. Je nutné nacvičit vhodnou synchronizaci pohybů. Pružinu můžeme půjčit zájemcům domů, aby pokus nacvičili a předvedli ho v příští hodině.

Skákající žabák

Popis:

Plastový žabák se sklápěcí hlavou a přísavkou pod bradou. Hlavu je možno sklonit tak, že se přísavka přichytí k žabákovým nohám. Hlava je však vrácena pružným mechanismem uvnitř zpět. Po chvíli přísavka hlavu neudrží, ta se rychle zvedne a žabák udělá salto vzad. Dopadne zpět na nohy.

Využití ve výuce:

Necháme žáky přemýšlet nad tím, proč žabák dělá salto. Důležité je zjištění, že v jeho hlavě je pohyblivá kulička.

Neposedné míčky

Popis:

V prodejnách s hračkami a u různých stánků lze koupit míčky s velmi pružného plastu, tzv. hopíky. Pořídíme si dva s různým průměrem.

Využití ve výuce:

Malý míček položíme na velký a pustíme je společně na podlahu. Pouštění je třeba vhodně nacvičit, aby míčky padaly tak, že se menší z nich při pádu dotýká většího a je nahoře. Po dopadu na zem zůstane větší míček ležet a malý se odrazí do výšky podstatně větší, než z jaké byly oba puštěny.

Pokus můžeme rozebrat např. z hlediska zákona zachování energie. Polohová energie míčků se při pádu měnila v pohybovou. Po dopadu na zem a odrazu si malý míček odnesl i energii, kterou mu předal míček větší. Proto se dostal do větší výšky (vzhledem k tomu, že větší míček zůstal ležet, je celková energie soustavy stále stejná). Zajímavý, ale poněkud složitější problém je vysvětlení mechanismu odrazu míčku při dopadu dvojice na zem.

Šikovná beruška

Popis:

Plechová beruška s pružinovým motorkem (na klíček). Před sebou tlačí beruška široké tykadlo. Pokud hračku pustíme na stole, v okamžiku, kdy dosáhne jeho okraje, sama zatočí a nespadne dolů. To se opakuje při každém dalším dosažení okraje stolu.

Využití ve výuce:

Tato hračka je jednoduchou ukázkou regulačního systému. Žáci uvidí, že chování, které zdánlivě svědčí o jakési umělé inteligenci plechové hračky, se dá ve skutečnosti velmi jednoduše vysvětlit. Upozorníme žáky na to, že mnoho strojů, které jsou na pohled složité a těžko pochopitelné, pracuje ve skutečnosti na jednoduchých principech. Není se proto třeba bát techniky a jejího studia.

Beruška má kromě dvou koleček, které ji pohánějí, ještě jedno menší, které se otáčí kolmo ke směru pohybu. Je ale nadzvednuto nad stolem a nedotýká se jej. To proto, že před sebou hračka tlačí tykadlo, díky němuž je vpředu nadzvednuta. Po dosažení okraje stolu tykadlo klesne (je již mimo stůl), a příčné kolečko způsobí zatáčení berušky. Tykadlo má oblé konce, a snadno se dostane při zatáčení zpět na stůl, nadzvedne přední kolečko a pohyb po stole pokračuje

Merkur

Popis:

Stavebnice Merkur patří k velmi zdařilým hračkám. Vyrábí se již dlouhou dobu, je stále zdokonalována a doplňována novým příslušenstvím. Umožňuje uplatnit a rozvíjet technickou představivost a tvořivost. V našem případě je z Merkuru vyrobena jednoduchá siréna pro výuku akustiky. Pomocí kliky otáčíme s použitím převodu ze dvou různě velkých koleček ozubeným kolem. Převod umožňuje zvětšení úhlové rychlosti ozubeného kolečka v porovnání s otáčením klikou. Jednou rukou otáčíme klikou a ve druhé držíme kousek plastové fólie pro zpětný projektor, nebo např. starou pohlednici, kterou se dotýkáme otáčejících se zoubků kola. Ozývá se zvuk, jehož výška závisí na rychlosti otáčení kola.

Využití ve výuce:

S pomocí této pomůcky můžeme ukázat, jak závisí výška zvuku na frekvenci. Zvuk vzniká rozkmitáním fólie, do které narážejí zoubky. Čím je větší rychlost otáčení, tím je větší frekvence kmitů. Přitom slyšíme, že se zvětšuje výška zvuku.

Ze stavebnice Merkur je možné sestrojit mnoho zajímavých zařízení, která uplatníme při výuce fyziky. Mnoho zajímavých sestav nám při vhodné motivaci sestrojí žáci sami.

Váhy

Popis:

V prodejnách s hračkami lze koupit různé dětské váhy. Bývají plastové a jedná se o napodobeniny miskových vah. Je možno s takovými váhami na hraní skutečně vážit? Jak je takové vážení přesné? To jsou otázky, které položíme našim žákům.

Využití ve výuce:

Žáci dostanou za úkol najít způsob, jak vážit pomocí dětských vah, nemají-li navíc žádná závaží. Problém se dá řešit např. tak, že odměříme jistý objem vody pomocí odměrky. Toto známé množství nalijeme na jednu misku vah (nesmí to být mnoho, aby se voda do misky vešla). Na druhou misku přidáváme plastelínu, až vodu vyvážíme. Podobným postupem můžeme získat sadu plastelínových závaží a vážit s jejich pomocí. Takováto hravá úloha je vhodná např. při výuce ve škole v přírodě apod.

Autíčko s pružinovým pohybem

Popis:

Mnoho autíček, která se dnes prodávají, je poháněno pružinovým motorkem, který se natahuje před rozjezdem zpětným pohybem autíčka po zemi. Takovouto hračku jistě děti doma mají.

Využití ve výuce:

Dětem můžeme formou dobrovolné domácí úlohy zadat problém objasnění funkce pohonu autíčka. V rámci bádání můžeme jedno takové autíčko v hodině rozebrat. Pomocí této hračky můžeme demonstrovat následující fyzikální principy.

Při pohybu autíčkem zpět konáme práci, která se „ukládá“ ve formě potenciální energie pružnosti v pružině autíčka. Po vypuštění autíčka se snaží pružina zbavit nadbytečné energie. Přitom pohání soustrojí motorku a koná práci. Potenciální energie pružnosti pružiny se změní v pohybovou energii autíčka. Můžeme tedy demonstrovat přeměny různých forem energie, vztah práce a energie, popř. rozebrat příčiny pohybu autíčka apod.

Vlček

Popis:

Velké oblibě se dnes těší jednoduché dřevěné hračky. V době, kdy nás obklopuje stále více složitých elektronických přístrojů, se člověk rád vrací ke kráse jednoduchých věcí. (I když principy zdánlivě složitých přístrojů nejsou vždy tak nepochopitelné a i ony mají své kouzlo.) Jednoduchou a starou dětskou hračkou je vlček, nebo chcete-li káča.

Využití ve výuce:

Pomocí vlčka můžeme ukázat některé principy, jimiž se řídí setrvačník. Teorie pohybu setrvačníku je složitá a dělá problémy i vysokoškolským studentům. Nebudeme ji tedy se žáky rozebírat, ale ukážeme prostě, co setrvačník dělá, a zmíníme se o tom, k čemu se to dá využít (např. gyroskopy, gyrokompasy, …). Učitel jistě najde vhodné využití této hračky ve výuce. Zajímavý a hezký je také princip roztáčení vlčka provázkem a technické problémy s tím spojené. Ty bývají u jednotlivých vlčků řešeny různě.

Závěrem

Lidé si rádi hrají, děti pak obzvlášť. Umožněme jim tedy, aby si mohly hrát s fyzikou, a poznávat tak krásy této vědy a hlavně, ukažme svým žákům, že je možné bavit se myšlením, řešením problémů a tvůrčí činností. Je to mnohem lepší, než sedět u televize a videa, nebo hrát bezduché počítačové hry. Možná, že v dětech probudíme radost z objevování a ukážeme jim cestu ke smysluplnému vyplnění volného času.