Pokusy z volné ruky

Zdeněk Drozd, Jitka Brockmeyerová

Pokusy z volné ruky, o nichž je řeč v tomto příspěvku, patří k těm pokusům, na jejichž realizaci není zapotřebí žádných složitých nebo drahých pomůcek. Jediné, co potřebujete, je chuť do experimentování. Poněkud nezvyklý název jsme převzali z německé literatury, kde je celkem běžný. Zdá se nám docela výstižný. Proto jsme jej použili i pro název rubriky v časopise Matematika – fyzika – informatika. Rubrika existuje již třetí rok a je otevřená příspěvkům učitelů všech typů škol.

Pokusy z volné ruky mají mnohostranné využití. Mohou sloužit jako klasický doplněk výuky (demonstrační a frontální pokusy), můžete je použít při nečekaném suplování ve třídě, kterou běžně neučíte, využít je jako motivaci pro domácí experimentování žáků nebo pomocí nich testovat výpočty, které jste prováděli v hodině fyziky. Nejdůležitější ale je to, že žáci mohou tyto pokusy kdykoli sami opakovat nebo i vymýšlet. To je umožněno již zmíněnou dostupností pomůcek, kterými jsou běžné předměty denní potřeby, mnohdy i věci končící za jiných okolností na smetišti.

V tomto příspěvku uvádíme několik ukázek pokusů z volné ruky.

1. Aerodynamický paradox

První skupinou pokusů jsou ty, které slouží k demonstraci probíraných jevů. Nemusí to být klasický demonstrační pokus, ale mohou jej provádět sami žáci. Jako příklad uvedeme dva pokusy věnované aerodynamickému paradoxu. Žáci občas nedůvěřují tvrzení, že v rychleji proudícím vzduchu je nižší tlak než ve vzduchu, který proudí pomaleji, nebo vůbec. Je proto dobré tento jev názorně ukázat (Obr. 1).

K prvnímu pokusu použijete skleničku a brčko. Z brčka odstřihněte kousek, jehož délka je srovnatelná s hloubkou připravené skleničky. Skleničku naplňte vodou tak, aby hladina dosahovala asi 1 cm pod její okraj. Brčko ponořte, aby vyčnívalo 1 – 2 cm nad hladinu. Přidržte jej jednou rukou a druhým kusem brčka foukejte nad jeho horním okrajem.Voda stoupá ponořeným brčkem vzhůru a je rozstřikována do okolí. Vysvětlení je jednoduché. V proudícím vzduchu je nižší tlak než nad hladinou. Proto je voda vytlačována brčkem vzhůru a následně rozprášena proudícím vzduchem. Vyrobili jste jednoduchý model rozprašovače. Žáci budou jistě znát nejrůznější zařízení založená na principu právě demonstrovaném.

Aerodynamický paradox můžete ukázat také např. následujícím způsobem. Na stůl položíte desetník a fouknete nad ním. Foukejte mírně shora, ale téměř vodorovně. Desetník vyskočí vzhůru. Je to opět způsobeno rozdílem tlaků nad desetníkem a po ním. V proudícím vzduchu nad horní stranou mince je tlak menší, pod spodní stranou větší.

2. Létající brčko

Pokusy z volné ruky mohou sloužit také jako motivace k domácímu experimentování žáků. Nastíníme určitý problém, nebo předvedeme experiment v nehotové formě a žáci mají za úkol problém vyřešit, nebo dotáhnout experiment zdárně do konce. Příkladem mohou být „létající brčka“.

Žáci si vyzkouší, že brčka sama o sobě příliš dobře nelétají. Potom ukážete, jak je možné letové vlastnosti brčka vylepšit. Na jeho konce přilepíte dva papírové kroužky. Jeden větší, druhý menší (Obr. 2). Kroužky slepíte z proužků kancelářského papíru. Jejich šířka je 1 – 2 cm. Průměr kroužků je několik cm. Hodíte-li takto upravené brčko menším kroužkem dopředu, docela dobře letí. To ale není pravda vždy. Vyrobte několik takto upravených brček a zvolte různé velikosti kroužků. Uvidíte, že brčka létají dost odlišně. To předveďte žákům a zadejte jim jako domácí úkol, aby experimentovali s různými velikostmi nalepených kroužků a vyrobili co nejlépe létající brčko. Z přinesených výrobků pak společně vyberete nejlepší, např. formou soutěže o nejdelší nebo nejelegantnější let. Podle vítězného prototypu žáci vyrobí další létající brčka a ověří jejich letové vlastnosti. Můžete také společně hledat vysvětlení, proč takto upravená brčka létají. Zdůrazněte žákům, že tento problém není podle vašich znalostí nikde vysvětlen a že pracují na něčem zcela novém. To může být pro vaše žáky silně motivující výzva.

S úpravou brček, která je zde popsána, se autoři příspěvku seznámili na jedné z mnoha zajímavých prezentací Asociace malých debrujárů. Jde tedy o převzatý nápad. To ale platí pro většinu jednoduchých pokusů, s kterými se setkáte v různých publikacích, časopisech nebo na Veletrhu nápadů učitelů fyziky. Nejde nám o to, abychom prezentovali původní, zcela nové pokusy. V tomto oboru se již dnes dá vymyslet málo nového. Důležité je, aby se učitelé seznámili s co největším počtem zajímavých nápadů a aby je mohli použít ve své práci. Mnohé jednoduché fyzikální pokusy bychom mohli považovat za jistou formu folklóru. Nikdo asi nezjistí, kdo je jejich autorem, to ale v tomto případě vůbec není důležité. Podstatné je, aby pokusy tohoto typu oslovily co nejvíce dětí a ukázaly jim, jakým dobrodružstvím může být studium fyziky.

3. Neposedný plíšek

Další skupinou pokusů z volné ruky jsou různé problémové experimenty. Máme na mysli experimenty, které navozují určitý problém a žáci jej mají vysvětlit. Může to být problém z libovolné partie fyziky i takové, která byla probírána před dost dlouhou dobou. Tím si žáci připomínají různé poznatky a odhalují souvislosti v probraném učivu. Uvádíme ukázku takového problémového pokusu.

K jeho provedení budete potřebovat vařič, nebo kahan, vhodnou rukavici, kousek plechu (měď, mosaz, apod.) a větší kovovou podložku (silný plech, kovadlinu, …). Poslední pomůckou bude plátek slídy. Ta se poněkud hůře shání. Můžete ji získat např. ze starého kočárku, který odpočívá zapomenutý na půdě u někoho z příbuzenstva. Jeho vypátráním můžete popřípadě pověřit žáky.

Plechový pásek o rozměrech např. 3 cm x 10 cm ohněte do půlkruhu. Ze slídy vystřihněte obdélník o rozměrech asi 3 cm x 4 cm. Slídová destička musí být tenká. Ztenčíte ji loupáním. Tloušťku je zapotřebí vyzkoušet v průběhu pokusu. Na stůl položte kovovou podložku s rovným povrchem, na ni dejte slídovou destičku. Plechový pásek ohnutý do půlkruhu nechejte nahřát na plotýnce vařiče, nebo jej nahřejte nad kahanem. Horký plechový díl položte pomocí rukavice na slídu a snažte se, abyste jej nerozkývali (Obr. 3). Pozorujte, co se bude dít. Ohnutý plech se sám od sebe rozhoupe a dost dlouho vydrží vykonávat houpavý pohyb. Toto podivné chování neposedného plíšku si nechejte vysvětlit od žáků.

Vysvětlení je následující. Od teplého plechu se ohřeje horní lístek slídy. Slída je složena z několika tenkých vrstviček, které drží pohromadě. Teplotní roztažnost slídy způsobí, že se vrchní vrstvička, která je přímo ve styku s horkým plechem, roztáhne více než vrstvičky pod ní. Díky tomu se slídová destička vyboulí, strčí do ohnutého plíšku, který se začne pohybovat. Slída se v místě, kde byla plíškem ohřátá, po jeho odvalení ochladí od kovové podložky a vše se opakuje kousek vedle. Tímto mechanismem je neposedný plíšek udržován v houpavém pohybu. Slídová destička se chová podobně jako ohřívaný bimetalový pásek.

4. Prst ve vařící vodě

Další pokus patří do skupiny experimentů s překvapivým výsledkem. Takové pokusy můžete zařadit do výuky v okamžiku, kdy potřebujete žáky „duševně občerstvit“, odlehčit hodinu (např. po písemné práci) nebo při jiných vhodných situacích.

K pokusu si připravíte dostatečné množství studené vody, ledové kostky, varnou konvici a skleničku, popřípadě hrneček. Studenou vodu, kterou jste nechali dostatečně dlouho v chladničce, nalijte do termosky a přidejte do ní větší množství kostek ledu. Tuto chladící směs přenesete do třídy. Ve varné konvici uveďte do varu vodu. Po dobu, kterou trvá ohřev, nechejte svůj ukazováček ponořen do ledové vody v termosce, aby se dostatečně prochladil. Někoho ze žáků pověřte tím, aby vařící vodu z konvice opatrně přelil do připraveného hrnečku, nebo sklenice (samozřejmě takové, která po naplnění horkou vodou nepraskne). Potom rychle strčte prochlazený prst do horké vody. Dotkněte se dna hrnečku a vyndejte jej. Prst může zůstat ve vodě asi 1 sekundu, aniž byste si ublížili. Rychlost a dobu ponoření prstu je nutné vyzkoušet. Žáci budou jistě vaším představením překvapeni. Společně potom hledejte důvody, proč jste se nespálili.

5. Jak stříká voda

Součástí hodin fyziky je počítání příkladů. Při výpočtech si často zjednodušujeme situaci tím, že zanedbáváme některé vlivy (odpor vzduchu, kapilární jevy atd.). Málokdy ale žáci ověřují, zda vypočtený výsledek odpovídá realitě. Při výpočtu téměř vždy dochází k idealizaci zkoumaného jevu, a tím k vytváření přibližného modelu skutečnosti. To je ve fyzice docela běžné. Běžné je ale také to, že je použitelnost modelu ověřována porovnáváním s výsledky experimentů. Právě takovémuto ověřování je věnována další skupina pokusů z volné ruky. Názorně si tuto situaci ukážeme na následujícím příkladu.

Máme spočítat, v jaké výšce nade dnem válcové nahoře otevřené nádoby mají být v její stěně proraženy dva malé otvory (např. vpichy provedené hřebíkem), aby voda z těchto otvorů stříkala do stejné vzdálenosti od nádoby. Přitom víme, jaká je hloubka vody v nádobě. Otvory musí být v různých výškách nade dnem. Při výpočtu zanedbáme vliv vzduchu na stříkající vodu a případné jevy „kapilární povahy“, vznikající na rozhraní stěny nádoby a vodního paprsku.

K výpočtu použijeme vztah pro rychlost výtoku kapaliny z nádoby

kde v je rychlost vytékající kapaliny, h hloubka otvoru pod hladinou a g velikost gravitačního zrychlení. Tento vztah je odvozen pro případ, kdy průřez otvoru je velmi malý v porovnáním s průřezem nádoby.

Rychlost vytékající vody roste s hloubkou otvoru pod hladinou. To někdy vede žáky k domněnce, že úloha nemůže být úspěšně vyřešena. Zapomínají na to, že otvorem ve větší hloubce sice voda stříká ven větší rychlostí, ale otvor je níž nad stolem, nebo podložkou, na níž nádoba stojí, a voda má proto méně času na svůj pohyb vzduchem.

Použijeme-li dále vztah pro dobu t volného pádu z výšky h

vypočítáme nakonec, že pro hloubku vody h v nádobě a výšky otvorů nade dnem h₁, h₂ platí

Tento výsledek se dá snadno ověřit pokusem (Obr. 4). Nádobu vyrobíte z dvoulitrové plastové lahve od limonády, coly apod. Odřízněte její horní část, a tím získáte zhruba takovou nádobu, o níž se v příkladu jedná. Označte si na ni výšku vodní hladiny a hřebíkem prorazte v její stěně dva otvory tak, aby byla splněna podmínka (3). Nádobu naplňte a pozorujte, kam bude voda z obou otvorů stříkat, až hladina poklesne k naznačené rysce, tedy až bude splněna vypočtená podmínka h = h₁ + h₂. Výsledek vás asi neuspokojí. Voda stříká do různých vzdáleností, a děj neprobíhá ani přibližně podle našeho výpočtu.

Je tedy vidět, že náš model situace byl špatný. Nelze jen tak jednoduše zanedbat všechny vlivy, které na stříkající vodu působí. Největší podíl na nesprávném výsledku mají právě asi ony zanedbané „kapilární jevy“.

Pokud budete s žáky provádět takováto ověření výpočtů, stane se pro ně jejich řešení zajímavým a smysluplným. Naučí se totiž posuzovat, zda počítají daný problém dostatečně přesně a jestli je jejich výsledek použitelný v konkrétním případě. Zároveň si uvědomí, že svět kolem nás se sice chová podle fyzikálních pravidel, kterým se učí v hodinách fyziky, ale náš náhled je mnohdy zjednodušený, a přesný popis mnoha jevů kolem nás je často velmi komplikovaný.