Webové materiály na podporu výuky fyziky
Miroslav Jílek
Úvod
Příspěvek stručně popisuje obsah a základní charakteristiky připravovaného webového materiálu, který se zabývá především silami a statikou tuhého tělesa. Motivací k přípravě takového materiálu byla především skutečnost, že podobné volně přístupné elektronické materiály, které by mohly být užitečné při výuce fyziky nebo při domácím samostudiu, zatím na internetu (alespoň v češtině) prakticky neexistují.
Snahou autora je nabídnout široké skupině potenciálních zájemců výukový materiál, využívající výhody hypertextového dokumentu. Učitelé základních a středních škol se jím mohou nechat inspirovat při přípravě svých hodin, eventuálně speciálních seminářů a kroužků fyziky. Žákům a studentům může materiál sloužit jako alternativa a doplnění klasického učebnicového textu, jako zdroj námětů k přípravě prakticky zaměřených referátů, nebo jako návod k vlastnímu domácímu experimentování. Konečně je materiál určen všem ostatním zájemcům o fyziku, kteří se chtějí zajímavým způsobem seznámit s daným tématem a to na různých rovinách obtížnosti.
1. Struktura materiálu
Celý dokument je modulárně rozdělen podle jednotlivých témat a podle úrovně obtížnosti. Základní úroveň představuje přibližně náročnost učiva základní školy a je zaměřena především na kvalitativní vysvětlení probíraných jevů a řešení problémů s minimálními nároky na matematiku. V druhé úrovni jsou obdobná témata probírána více do hloubky a řešení problémů a příkladů zde předpokládá základní znalosti z matematiky potřebné v prvním ročníku střední školy. Třetí úroveň nakonec předkládá některé obtížnější problémy související s probíraným tématem, které jsou vhodné pro použití v různých prohlubujících fyzikálních seminářích, kroužcích fyziky nebo jako procvičení v základním kurzu vysokoškolské fyziky.
Témata ve třech jmenovaných úrovních jsou vzájemně propojena hypertextovými odkazy a dále doplněna různými poznámkami, návody na pokusy, řešením dalších předkládaných problémů, komentáři pro vyučující apod. Tato struktura umožňuje lineární průchod materiálem (po jednotlivých volně navazujících kapitolách) s tím, že si každý může vybrat, do jaké hloubky bude dané téma studovat. Popsané uspořádání samozřejmě také umožňuje snadné použití jednotlivých námětů, pokusů a problémů – například pro doplnění klasické výuky na základní nebo střední škole.
Pro snadnější orientaci je materiál doplněn graficky zpracovanou mapou znázorňující hlavní kapitoly a ostatní součásti stránek, které lze zobrazit kliknutím.
2. Zpracovaná témata
Úvod materiálu má motivační charakter a popisuje pokusy Ing. P. Pavla se stěhováním velkých kamenných soch Moai na Velikonočním ostrově (obr. 1). Snahou je ukázat, že ještě i v dnešní době mohou dobré znalosti nejjednodušších zákonů mechaniky vést k novým a zajímavým objevům a také že nám znalost těchto zákonů může pomoci v mnoha praktických problémech každodenního života.
Obr. 1
Kromě úvodu a doplňujících stránek obsahuje materiál pět základních kapitol, které jsou zpracovány ve třech výše zmiňovaných úrovních obtížnosti. První kapitola se zabývá v základní úrovni pojmem síly a její velikosti. Ukazuje, kde se setkáváme s různými druhy sil, co mají společného a jakým způsobem je znázorňovat. Ve vyšších úrovních je potom podrobněji rozebráno, jak počítat se silami a obecně s vektory.
Ve druhé kapitole jsou rozebrány účinky sil na těleso s rozlišením deformačních, posuvných a rotačních účinků. Vyšší úrovně druhé kapitoly jsou věnovány především momentu síly a jejím účinkům.
Třetí kapitola se zabývá účinkem více sil. V základní úrovni se jedná především o jednoduché skládání rovnoběžných sil a kvalitativní posouzení a využití skládání a rozkladu nerovnoběžných sil. Ve vyšších úrovních jsou potom podrobněji vysvětlovány různé možnosti obecného skládání a rozkladu sil a řešeny související problémy.
Čtvrtá kapitola se v základní úrovni věnuje rovnováze na páce a jejímu praktickému využití, vyšší úrovně nabízejí řešení různých problémů s využitím obecných podmínek statické rovnováhy.
Poslední velká kapitola je věnována pojmu těžiště tělesa a souvisejícím problémům. Základní úroveň přibližuje význam těžiště tělesa a různé metody, jak lze určit polohu těžiště v jednoduchých případech. Vyšší úroveň se zabývá početním určením polohy těžiště těles jednoduchého tvaru i experimentálním ověřením výsledků. Nejvyšší úroveň vysvětluje způsob určení polohy těžiště s využitím integrálního počtu v obecných případech.
3. Charakter výkladu – několik příkladů
Kromě úvodní motivace k celému materiálu je také výklad jednotlivých témat v kapitolách uváděn různými zajímavostmi, problémovými úlohami, nebo pokusy. Teorie tedy není sdělována dopředu jako definice, ale je k ní dospíváno rozborem praktických problémů a pokusů.
Kapitola o účincích sil například začíná rozborem toho, co se stane, když do nás někdo omylem strčí, konkrétně potom, jak vypadá srážka hokejistů u mantinelu - jaké síly se zde uplatní a co způsobují. Po objasnění, proč je někdy výhodné zavést pojem tuhého tělesa, je pomocí krátkého videa základních tanečních figur ukázáno, jakým způsobem je potřeba využít sílu v tanci k tomu, abychom partnerku pouze posunuli, nebo roztočili.
Vyšší úroveň kapitoly o rotačních účincích síly začíná videoukázkou chování „kouzelné krabičky“ (obr. 2). Navenek obyčejná plastová krabička od kinofilmu je zavěšena na jedné napjaté niti, která prochází skrz krabičku. Při povolení spodního konce niti krabička sjíždí dolů, při zatáhnutí za spodní konec niti naopak stoupá vzhůru. Úkolem je vymyslet, proč se krabička chová popsaným způsobem a případně takovou „kouzelnou krabičku“ vyrobit. Řešení problému je uvedeno pod zvláštním odkazem až na samém konci kapitoly rozebírající na různých příkladech účinky momentu síly. Probírané téma tak může napovědět těm, kteří problém nevyřeší hned na začátku. V krabičce stačí použít na otočné hřídelce pevně naraženou kladku o větším poloměru než má samotná hřídelka. Horní nit je namotána na samotné hřídelce, spodní nit na kladce. Zatažením za spodní nit se začne hřídelka otáčet a namotávat na sebe horní nit, takže krabička šplhá nahoru. Při výuce ve škole může být popsaný problém zadán o hodinu dříve před probíraným tématem momentu sil a pokud někdo přijde na jeho řešení, může vyučující řešení problému využít k zahájení diskuse o momentu síly.
Obr. 2 (vlevo), Obr. 3 (vpravo)
Podobně můžeme začít diskusi o rozkladu sil odpovědí na otázku, jak je možné, že se sloupy vysokého vedení mohou v tuhé zimě zohýbat vlivem obyčejné námrazy, jak to znázorňují fotografie na obr. 3.
Před probíráním tématu těžiště tělesa mohou žáci řešit problém, jak narovnat patnáct hřebíků na hlavičku jediného hřebíku mírně zatlučeného do malé destičky tak, aby se hřebíky nedotýkaly žádné podložky. (Přirozeně je také zakázáno používat lepidla, jiný spojovací materiál, nebo například magnety.) Řešení je opět ukázáno až na konci kapitoly.
Vyšší úroveň věnující se těžišti těles je potom uvedena problémem, jak dlouhý převis lze narovnat ze čtyř kostiček domina na okraji stolu. Zájemci si to mohou vyzkoušet pomocí počítačového apletu nebo reálně pomocí skutečných kostiček a pokusit se vypočítat největší možnou délku převisu také teoreticky (případně vyřešit problém pro obecně n kostiček).
Podobně jako je snahou uvádět jednotlivá témata v celém dokumentu pomocí motivačních problémů a experimentů, jsou také řešené úlohy voleny tak, aby se týkaly reálných situací a také aby nešlo o pouhé dosazování do vzorců, ale aby při jejich řešení bylo potřeba přemýšlet, které veličiny je například potřeba zjistit měřením, které odhadnout apod.
Příkladem může být jednoduchá úloha, kdy se z fotografie nůžek určených ke stříhání plechu má určit, jakou silou přibližně působí čelisti na plech při stříhání.
4. Využití experimentů
Návody k realizaci jednoduchých experimentů tvoří důležitou součást materiálu a mají rozličnou funkci. Mohou sloužit jako motivační pokusy, které navozují dané téma. Příkladem je velmi jednoduchý pokus s plastovou lahví plnou vody uvázanou za hrdlo k dlouhému silnějšímu provazu. Pokud chytí konce provazu dva lidé tak, aby byla láhev uprostřed, nikdy se jim nepodaří natáhnout provaz zcela vodorovně, vždy bude uprostřed trochu prohnutý.
Jiné pokusy mohou sloužit k ověření teorie, jako v případě hledání těžiště tělesa tvořeného špejlí a dvěma plastelínovými kuličkami o známých hmotnostech (obr. 4). Polohu těžiště nejdříve vypočítáme teoreticky a potom ji ověříme vyvážením špejle na ostří nože.
Obr. 4
Některé návody také popisují konstrukci jednoduchých zařízení jako jsou siloměr nebo váhy, které jsou využitelné k různým experimentům.
Elektronický materiál je pro lepší názornost doplněn také několika aplety, které by však neměly nahradit reálný experiment. Proto je například zároveň s apletem demonstrujícím rovnoramennou páku uveden návod na konstrukci a použití velmi jednoduché páky ze špejle, nitě a kancelářských sponek. Lze tak snadno porovnat teoretický model s vyrobeným zařízením a učit se vnímat omezení a různé vedlejší vlivy, se kterými je třeba počítat při řešení a ověřování reálných úloh a problémů.
Právě propojení výhod multimediálního dokumentu s možností reálného (vlastnoručního) ověření teorie pomocí jednoduchých experimentů je jednou z klíčových charakteristik materiálu.
Poznámky
Webový materiál popisovaný v tomto příspěvku by měl být dokončen během letošního školního roku a volně dostupný z odkazu na webových stránkách [1].
Další informace o struktuře a charakteru materiálu jsou popsány například v [2].
Na webových stránkách [3] je popsán program kroužků fyziky organizovaných v letech 2001/2004 na MFF UK v Praze, který obsahuje popis některých realizovaných projektů a pokusů. Zpracování projektů má některé společné charakteristiky s materiálem popisovaným v tomto příspěvku a lze je v případě zájmu volně použít například na doplnění výuky fyziky na střední (případně základní) škole.
Literatura
[2] Jílek M.: Webové materiály na podporu fyzikálních kroužků a výuky fyziky. In: Sborník konference DIDFYZ 2004.
