Vlní sa celá trieda
Peter Horváth
Abstract
This article talks about two real parts of Physics’ lessons. Booth of them were realised on the school yard. The first one deals with motion in two dimensions. One of the students was skating with in-line skate and threw away the ball. The other students analysed the motion of the ball. The second part of this article presents one of possibilities how to start the lessons of mechanical waving. The students themselves were modelling mechanical waves.
1. Úvod
V článku sú opísané dve ukážky z vyučovacích hodín fyziky realizované na školskom dvore. Prvá ukážka opisuje prvú hodinu venovanú skladaniu vektorov v prvom ročníku gymnázia. Žiaci sa na konkrétnom príklade skladania rýchlostí korčuliara a ním hodenej tenisovej loptičky oboznamujú s pravidlami skladania vektorov. Druhá ukážka predstavuje časť hodiny, na ktorej sa tretiaci gymnazisti „na vlastnej koži“ oboznámili so základnými pojmami opisujúcimi mechanické vlnenie, pričom sami tvorili častice pružného prostredia.
2. Skladanie rýchlostí
Táto časť hodiny prebieha na školskom dvore. Jeden zo žiakov si prinesie kolieskové korčule a do ruky dostane tenisovú loptičku. Bude ju hádzať v pokoji a najmä v pohybe rôznymi smermi.
Úloha žiakov je pozorovať let loptičky a najmä sledovať, ako smer pohybu korčuliara, ktorý loptičku hádže, ovplyvní výsledný smer letu loptičky. Žiaci majú zakresľovať vektor rýchlosti korčuliara vzhľadom na zem, vektor rýchlosti loptičky vzhľadom na korčuliara, ako aj výsledný vektor rýchlosti loptičky.
Korčuliar najprv hodí loptičku pred seba stojac v pokoji. Na tabuľu nakreslíme vektor rýchlosti loptičky vzhľadom na zem v momente, keď loptička opúšťa jeho ruky.
Potom sa rozbehne a hodí loptičku pred seba. Na tabuľu nakreslíme vektor rýchlosti korčuliara vzhľadom na zem, loptičky vzhľadom na korčuliara v momente, keď loptička opúšťa jeho ruky a výsledok, vektor rýchlosti loptičky vzhľadom na zem.
Pokus opakujeme, korčuliar hádže loptičku za seba. Opäť zakresľujeme príslušné vektory rýchlosti.
Nasleduje hod loptičkou nabok, pričom korčuliar stojí v pokoji. Kriedou môžeme nakresliť na zem čiaru, nad ktorou letela loptička. Potom sa korčuliar rozbehne a presne na tom istom mieste ako predtým hodí loptičku zo svojho pohľadu kolmo na smer svojho pohybu. Výsledný smer pohybu loptičky vzhľadom na zem nie je kolmý na smer pohybu korčuliara. Loptička smeruje šikmo dopredu, v smere pohybu korčuliara. Vektory rýchlosti zakreslíme na tabuľu (obrázok 1).
Obr. 1: Korčuliar hádže loptičku zo svojho pohľadu kolmo na smer svojho pohybu.
Teraz sa korčuliar pokúsi sa hodiť loptičku tak, aby jej výsledný pohyb (z hľadiska pozorovateľov na zemi) bol kolmý na smer jeho pohybu. Je zrejmé, že musí mieriť za seba. (Keď Winetou strieľal šípom na terč z koňa, musel taktiež mieriť za seba). Aj túto situáciu zakreslíme (obrázok 2).
Obr. 2: Korčuliar hádže loptičku kolmo na smer svojho pohybu z hľadiska pozorovateľov na zemi.
V ďalšom pokuse dostane korčuliar úlohu hodiť loptičku nad seba tak, aby ju znova chytil. Najprv nech korčuliar stojí. Rozvinieme diskusiu o tom, kam ju má hodiť, keď sa bude pohybovať. Malo by byť jasné, že opäť nad seba, nemusí ju hádzať dopredu. Po rozbehnutí má totiž loptička takú istú rýchlosť ako korčuliar. To, že má loptička naozaj rýchlosť korčuliara, demonštrujeme tak, že rozbehnutý korčuliar položí alebo hodí loptičku z malej výšky vedľa seba. Táto ide za ním. Pokusom demonštrujeme Galileiho princíp relativity. Aj korčuliar môže považovať svoju sústavu za sústavu v pokoji.
Ďalšia úloha je pre korčuliara náročná. Má hodiť loptičku dozadu tak, aby ostala stáť na zemi. Aby úlohu splnil, musí ju hodiť dozadu takou rýchlosťou, akou sa sám pohybuje dopredu. Zo skúsenosti viem, že aj táto úloha sa dá splniť.
Touto sériou pokusov je možné ozrejmiť pravidlá skladania vektorov a upozorniť na dôležitosť voľby súradnicovej sústavy pri opise pohybu. Prvýkrát rozoberáme aj Galileiho princíp relativity.
3. Vlní sa celá trieda
Cvičenie prebieha na školskom dvore.
Hlavným cieľom cvičenia je modelovať vlastnosti postupného mechanického vlnenia, najmä postupného vlnenia v rade bodov. Demonštrujeme fakt, že pri mechanickom vlnení sa šíri rozruch bez toho, aby museli častice prostredia prejsť od zdroja až k detektoru. Trajektóriu, ktorú prejde vlna nemožno stotožniť s trajektóriou, po ktorej sa pohybujú častice prostredia. Sami žiaci tvoria častice pružného prostredia. Demonštrujeme aj rozdiel medzi postupným pozdľžnym a priečnym vlnením.
Cvičenie spľňa aj motivačnú a psychohygienickú funkciu. Žiaci sa potešia, keď počas hodiny môžu opustiť triedu a ísť von na školský dvor.
Žiaci sa postavia vedľa seba do radu. Najprv sme demonštrovali mexické vlny. Mexické vlny boli sprevádzané pokrikom „olé, Slovenskóóó“ - bolo tesne po hokejových majstrovstvách sveta (obr.3).
Obr. 3: Žiaci 3.B predvádzajú priečne mexické vlny za výkriku „Oléééé“.
Pri tomto cvičení však chýba priame vzájomné silové pôsobenie jednotlivých častíc pružného prostredia. Tento nedostatok už nemá priečne vlnenie, pri ktorom sa žiaci držali za ruky a postupne ich dvíhali nahor, robili mexické vlny držiac sa za ruky. Ďalšie cvičenie na priečne vlnenie bolo, keď sa držali za ruky a postupne vybiehali dopredu a späť dozadu (obr.4). Takýto pohyb možno robiť aj opakovane. Keď potom opatrne zastavili, ostala vlna „vykreslená“ telami žiakov, čo možno využiť na zavedenie pojmov opisujúcich vlnenie.
Obr. 4: Žiaci 3.B predvádzajú priečne vlnenie vybiehaním dopredu a dozadu.
Postupné pozdľžne vlnenie sme demonštrovali v zástupe. Žiaci stáli asi 1/2 metra od seba. Pravidlo je jednoduché, ten, kto zacíti zozadu impulz, urobí krok dopredu k svojmu spolužiakovi, ktorý stojí pred ním, mierne ho posotí a vráti sa na pôvodné miesto. Vlnenie začína posledný v zástupe miernym sotením do spolužiaka pred sebou. Impulz môže byť opakovaný.
Po každom z cvičení sme si vysvetlili význam fyzikálnych pojmov, pomocou ktorých sa dané vlnenie opisuje. Zaviedli sme si pojmy postupné priečne vlnenie, postupné pozdľžne vlnenie, vlnová dľžka, perióda vlnenia, frekvencia, rýchlosť šírenia sa vlny, amplitúda.
