Fyzika okolo nás v experimentoch a úlohách

Ľudmila Onderová, Marián Kireš, Zuzana Ješková

Abstrakt

V príspevku na konkrétnom príklade prezentujeme jako priviesť študentov samostatnou poznávacou činnosťou od ich skúsenosti z bežného života a prvotných myšlienkových predstáv k pochopeniu fyzikálnej podstaty sledovaných fyzikálnych javov.

Úvod

V priebehu stredoškolského štúdia sa študenti stretávajú s veľkým počtom fyzikálnych javov a zákonitostí a ako ukazujú výsledky výskumov [1] majú veľmi veľa problémov s ich pochopením a následnou správnou interpretáciou. Výsledkom je skutočnosť, že mnohí z nich opúšťajú školu so základnými nedostatkami v chápaní fyzikálneho sveta. V mysliach študentov častokrát pretrvávajú nesprávne prvotné myšlienkové koncepty [2]. Znamená to, že vyučovanie fyziky na strednej škole malo len veľmi malý vplyv na transformáciu ich prvotných predstáv do fyzikálne správnej podoby. Toto zistenie nás musí burcovať k tomu, aby sme hľadali metódy a prostriedky, ktoré urobia vyučovanie fyziky pre žiakov pútavejšie, prístupnejšie a následne tak umožnia hlbšie ale hlavne správne pochopenie fyzikálnych javov. Musíme si uvedomiť, že prvotnú predstavu si vytvárajú študenti už ako deti na základe každodennej a veľakrát opakovanej skúsenosti. Hoci mnohokrát nie je správna je v ich pamäti veľmi silne fixovaná. Preto pretváranie prvotných myšlienkových predstáv študentov do fyzikálne správnej podoby musí byť podopreté silnou vnútornou motiváciou podporenou systémom postupne sa rozširujúcich a logicky nadväzujúcich poznatkov. Existuje veľmi veľa metód a prostriedkov ako zatraktívniť vyučovanie fyziky a jednou z nich je nepochybne fyzikálny experiment, či už jednoduchý experiment alebo počítačom podporovaný experiment.

Motivácia študentov pre fyzikálne poznávanie

V procese osvojovania fyzikálnych poznatkov zohráva dôležitú úlohu prvotná motivácia, vzbudenie študentovho záujmu o predkladané poznatky a vytvorenie poznávacej potreby. Študent strednej školy už hodnotí predkladané informácie, snaží sa v ich záplave pragmaticky zorientovať a mnohokrát je pod silným vplyvom prvého dojmu. Využívanie kvalitatívnych fyzikálnych úloh, ktorých obsah je zo žiakovi blízkeho prostredia preto predstavuje jednu z vhodných ciest motivácie Pri ich formulovaní využívame bežné vekovo primerané slovné prostriedky, bez priameho použitia fyzikálnej terminológie. Študent v nich má predovšetkým nájsť problémy, s ktorými sa môže bežne stretnúť a riešenie ktorých je pre neho dôležité a prakticky využiteľné. Kvalitatívne úlohy spravidla zaraďujeme do úvodnej časti hodiny. Vyučujúci predkladá skupinu úloh k vybranej téme a vedie heuristický rozhovor, zisťujúc úroveň a mieru pochopenia fyzikálnej podstaty osvojovaného pojmu či javu. Snahou je vzbudiť u študentov záujem, vytvoriť podnetnú atmosféru a do rozhovoru zapojiť aj menej aktívnych študentov. Pri správnom moderovaní a miernom usmernení myšlienkových pochodov vytvoríme vhodnú klímu na následné vlastné pozorovanie a skúmanie osvojovaného poznatku. V tejto fáze sa osvedčilo zaradenie jednoduchého fyzikálneho experimentu. Samotnú poznávaciu činnosť žiakov potom realizujeme v počítačom podporovanom laboratóriu, ktoré im umožní podrobne preskúmať skúmaný fyzikálny jav prostredníctvom presných fyzikálnych meraní.

Vyparovanie a var

Na úvod preberania tejto problematiky môžeme zaradiť napr. nasledovné kvalitatívne úlohy: 1. Je pre nás príjemným ochladením, že sa po teplom letnom daždi teplota vzduchu zníži. Čím je spôsobené uvedené zníženie teploty vzduchu? 2. Prečo uvaríme jedlo v tlakovom hrnci rýchlejšie ako v obyčajnom? 3. Prečo vo vysokých horách v obyčajnom hrnci ťažko uvaríme fazuľu?

Po vzájomnej diskusii so žiakmi s cieľom hľadať správne odpovede realizujeme niekoľko vybraných jednoduchých experimentov:

Prvý experiment uvedieme otázkou: Ako je možné, že sa v injekčnej striekačke objavia bubliny, keď tam nemohol vniknúť vzduch? Do nádoby nalejeme vodu teploty 85 - 90°C. Injekčnou striekačkou nasajeme vodu asi do polovice. Koniec striekačky vzduchotesne uzatvoríme (napr. zatavenou ihlou). Po potiahnutí piestu sa v striekačke okrem vody objaví aj veľké množstvo bubliniek, čo znamená, že v nej prebehne var. Výsledok pokusu je pre študentov prekvapujúci. Var vody je fyzikálny jav, s ktorým sa stretávajú v každodennom živote a ich skúsenosť ich vedie k presvedčeniu, že var vody nastáva vždy pri 100°C. Preto pre detailnejšie preskúmanie tohto javu a vysvetlenie výsledku uskutočneného pokusu zrealizujeme so študentmi presné meranie v počítačom podporovanom laboratóriu.

Hlavným cieľom je ukázať zmenu teploty varu pri zvýšení či znížení vonkajšieho tlaku. Znamená to, že zrealizujeme meranie teploty varu vody pri zvýšenom príp. zníženom tlaku. Zvýšenie tlaku zrealizujeme pomocou aparatúry na obr. 1. Vodu v nádobe privedieme do pomalého varu. Potom ju uzavrieme zátkou tak, aby teplotná sonda bola umiestnená tesne nad povrchom vody. Zátku poriadne zatlačíme a sklenený valec dvíhame tak, aby sa sklenená rúrka postupne ponorila celkom ku dnu valca, čím zabezpečíme zvýšenie tlaku na povrch vody nad hodnotu atmosférického tlaku. Zistíme, že voda v nádobe prestane vrieť a var opätovne nastane až pri vyššej teplote. Rúrku potom postupne vynárame a zisťujeme odpovedajúce teploty varu. Jednoduchým výpočtom študenti určia hodnoty tlaku a porovnajú odpovedajúce hodnoty teploty varu vody s presnými tabuľkovými hodnotami.

Kvôli lepšiemu pochopeniu tohto fyzikálneho javu zrealizujeme nasledujúci experiment, ktorý uvedieme otázkou: Môže studená voda vyvolať var vody ? Potom zrealizujeme experiment. Banku naplníme asi do polovice vodou a uvedieme vodu v banke do varu. Necháme vodu dobre prevrieť. Banku zložíme zo zdroja tepla a tesne ju uzavrieme zátkou. Potom banku otočíme hore dnom a upevníme ju do stojanu. Voda ešte chvíľu vrie ale čoskoro prestane. Následne polejeme prevrátenú banku studenou vodou.(obr.2) Pozorujeme, že voda v banke začne opäť vrieť. Var v dôsledku polievania studenou vodou sa nám podarí vyvolať aj opakovane. Na základe predchádzajúceho experimentu a merania by mali študenti dôjsť k záveru, že v dôsledku prudkého varu sa banka naplní nasýtenými parami, ktoré vytlačia z banky všetok vzduch. Akonáhle uzavretú banku ochladíme studenou vodou, para v banke kondenzuje a v banke vznikne podtlak. Pri nižšom tlaku voda vrie pri nižšej teplote, preto začne znova vrieť. Správnosť vysvetlenia si môžu rovnako overiť presným meraním v počítačom podporovanom laboratóriu. Pomocou teplotnej sondy zistia teplotu varu v momente, keď voda začne vrieť a zistia, že je nižšia ako očakávaných 100°C, t.j. teplota varu vody za normálneho tlaku.

Na záver položíme otázku: Ako je možné, že dva rovnaké teplomery ukazujú súčasne rozdielnu teplotu? Dve sklenené banky naplníme rovnakým množstvom tekutiny, jednu vodou, druhú éterom. Konce dvoch rovnakých teplomerov omotáme malým množstvom vaty a teplomery zastrčíme do gumových zátok. Zátkami s teplomermi tesne uzavrieme obidve banky. Odčítame hodnoty na teplomeroch a zistíme, že obidva teplomery ukazujú rovnakú teplotu. Potom vyberieme teplomery z baniek a po chvíli opäť porovnáme údaje na teplomeroch. Zistíme, že teplomery ukazujú rozdielne teploty, jeden o trochu nižšiu ako predtým, zatiaľ čo teplota na druhom je výrazne nižšia, môže klesnúť až pod bod mrazu. Najprv necháme študentov, aby povedali svoje vysvetlenia, resp. hypotézy, ktoré následne necháme overiť v počítačom podporovanom laboratóriu. Pomocou teplotnej sondy môžu zaznamenávať ako sa mení teplota éteru (vody) po jej vytiahnutí z banky (obr. 3). Môžu rýchlo pohybovať sondou prípadne ju ovievať a tak zvýšiť vyparovanie.

Po realizácii uvedených jednoduchých experimentov a meraní v počítačom podporovanom laboratóriu určite študenti dokážu správne zodpovedať zadané kvalitatívne úlohy. Ak nám to čas dovolí, môžeme zadať ďalšie úlohy slúžiace na nešpecifický transfer. Úlohy môžu mať aj charakter integrácie poznatkov z viacerých tematických celkov, čím sa výrazne podporí budovanie logickej štruktúry fyzikálnych poznatkov. Úlohou tohoto typu môže byť fyzikálne zdôvodnenie správania známej hračky „smädného bociana" (obr. 4). Po pozorovaní správania hračky by študenti, prípadne s pomocou učiteľa, mali dôjsť k záveru, že pôvod pohybu hračky spočíva v teplotnom rozdiele vytvorenom medzi nižšou časťou – telom bociana a jeho hornou časťou – hlavou v dôsledku odparovania vody z povrchu hlavy, ktorý je „pitím“ udržiavaný mokrý. Bocian pozostáva z dvoch sklenených baniek guľovitého tvaru. Tieto sú spojené sklenenou trubicou, ktorá siaha ku dnu spodnej banky. Spodná banka je naplnená vysoko prchavou kvapalinou – metylén chlorid (CH2Cl2), ktorého teplota varu pri normálnom tlaku je blízko izbovej teploty. Vo vnútri nie je vzduch len vnútorná kvapalina v rovnovážnom stave so svojou parou. Horná banka, hlava bociana, je pokrytá pórovitou látkou, rovnako ako zobák bociana. Bocian môže kmitať okolo vodorovnej osi upevnenej k sklenenej trubici spájajúcej hlavu a telo. Na začiatku pohybu je bocian vzpriamený s vnútornou kvapalinou v spodnej banke. Aby hračka začala „pracovať“ navlhčíme jej hlavu vodou (mohli by sme použiť aj inú kvapalinu) Voda na hlave je v kontakte so svojou parou pri danej teplote. Ak je parciálny tlak vodnej pary menší ako tlak nasýtenej pary (t.j. keď vlhkosť vzduchu je nižšia ako 100%) vyparovanie vody z hlavy nastáva spontánne. Vyparovanie ochladzuje hlavu zvonku, takže pary CH2Cl2 vo vnútri hlavy sa tiež ochladia. Ako sa teplota znižuje, para v hlave kondenzuje vo veľmi malých kvapôčkach ostávajúc v rovnováhe s vnútornou kvapalinou. Tlak pary CH2Cl2 vnútri hlavy nadobúda (podľa Clausius-Clapeyronovej rovnice) nižšiu hodnotu ako v tele a tento rozdiel tlakov spôsobuje stúpanie vnútornej kvapaliny do trubice. Následkom premiestňovania kvapaliny sa postupne mení poloha ťažiska bociana, hlava sa nakláňa stále viac k vodnej hladine v pohári až napokon bocian ponorí zobák do vody v pohári, čím sa udržiava hlava bociana mokrá. Vtedy je bocian takmer vo vodorovnej polohe a spodný koniec trubice sa vynorí nad hladinu vnútornej kvapaliny pričom časť pary prejde z tela do hlavy. Počas „pitia“, ako vidíme na obrázku 4, zostáva bocian krátky čas v tejto polohe a kvapalina z trubice odtečie do tela bociana. Ťažisko bociana sa dostáva do pôvodnej polohy a jeho postava sa narovnáva do vzpriamenej polohy. Ako pokračuje vyparovanie vody z hlavy, vnútorná kvapalina opäť vystúpi hore, čím sa spustí nový cyklus. Po takomto vysvetlení neuhasiteľného smädu bociana, môžeme z hľadiska termodynamiky konštatovať, že bocian vlastne predstavuje tepelný stroj. Pomocou procesu vyparovania sa realizuje ochladenie hlavy bociana pod teplotu okolitého vzduchu. Týmto vyvolaný teplotný rozdiel medzi studenou hlavou a teplejším trupom bociana sa podobne ako v tepelnom stroji využíva na „výrobu“ mechanickej energie pomocou popísaných mechanizmov. Táto sa prejavuje v pozorovaných pohyboch bociana. Túto skutočnosť môžeme dokázať aj tak, že budeme ohrievať trup bociana napr. infražiaričom. Zistíme, že bocian bude vykonávať svoje pohyby, hoci jeho hlava zostane suchá. Naopak, keď začneme ohrievať hlavu bociana, chladivý efekt navlhčenej látky sa neuplatní a zložitý mechanizmus zlyhá – bocian prestane mať smäd. Na záver môžeme položiť študentom otázku ako sa zmení správanie bociana, ak mu do pohára namiesto vody nalejeme lieh alebo keď bociana zakryjeme skleneným zvonom?

Literatúra

[1] R., K. Thornton, Using results of research in science education to improve science learning, International conference on Science Education, Nicosia, 1999

[2] H. Haertel, M. Kires, Z. Jeskova, J. Degro, J. Senichenkov, and J. Zamarro, Aristotle still wins over Newton, Proceedings of the IEEE Region 8 EUROCON 2003 Computer as a tool, 22-24.Sept.2003, Ljubljana, Volume I, 7-11

[3] J. D. Cutnell, K. W. Johnson, Physics, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998

[4] H., J. Schlichting, Der trinkende Storch – eine Verdunstungskraftmaschine, PdN –Physik,2/41, 1992, str.22 –26

[5] J. Güémez, r. Valiente, C. Fiolhais, M. Fiolhais, Experiments with the drinking bird American Journal of Physics, Volume 71, No.12, 2003, 1257 – 1263

[6] J. Güémez, r. Valiente, C. Fiolhais, M. Fiolhais, Experiments with the sunbird, American Journal of Physics, Volume 71, No.12, 2003, 1264– 1267

[7] J. Güémez, r. Valiente, C. Fiolhais, M. Fiolhais, A Big Sunbird, The Physics Teacher, Volume 42, No. 5, 2004, 307 - 309