Fyzika v pytlíku

Josef Trna

Soubor jednoduchých pokusů s využitím hracích kuliček z různých oblastí fyziky a přírodovědy. Pokusy a metodika jsou aplikovány zejména v oblasti primární přírodovědy.

1 Úvod

Fyzika na prvním stupni základní školy není samostatným předmětem, je ale zařazena do integrovaného předmětu Prvouka (1. až 3. třída) a Přírodověda (4. a 5. třída). Učitelé fyziky na druhém stupni ZŠ a na SŠ si málo uvědomují, jaký význam má tato primární přírodovědná příprava dětí pro jejich budoucí fyzikální a přírodovědné vzdělávání. Právě zde jsou totiž vytvářeny základy vědeckého pozorování a popisu přírodních jevů, pokusnictví, měření veličin, řešení problémů a aplikace poznatků do životní praxe.

Fyzikální část primární přírodovědy sestává z následujících vzdělávacích obsahů:

(1) Zkoumání vlastností těles

(2) Zkoumání vlastností látek

(3) Astronomie

(4) Technické aplikace

Obdobně jako má učitelka/učitel na prvním stupni ZŠ mimořádnou zodpovědnost při tvorbě základů čtení, psaní a počítání, má ji také v přírodovědném vzdělávání. Vždyť např. ze sedmi základních veličin SI se děti v primární přírodovědě učí měřit čtyři (délka, hmotnost, čas, teplota), tedy nadpoloviční většinu!

Základním výukovým prostředkem v primární přírodovědě je jednoduchý pokus s jednoduchými pomůckami. Je tomu tak z řady důvodů, vycházejících především z dosud málo rozvinutého abstraktního myšlení dětí ([1], [2]).

V následující sérii pokusů prezentujeme možnosti efektivní aplikace jednoduchého pokusu s jednoduchými pomůckami v primární přírodovědě. Jednoduché pomůcky vhodné pro primární přírodovědu jsou také hračky. Proto jsme jako ukázku použili hrací kuličky.

Mnohé z těchto pokusů a metodické postupy mohou být přímo nebo v upravené podobě použity i na vyšších stupních škol ve výuce fyziky a dalších předmětů.

2 Rozlišování látek pomocí smyslů

Identifikace různých látek, znalost jejich vlastností a postupy jejich zpracování patří mezi významné vzdělávací cíle primární přírodovědy. Dítě má umět opracovávat např. papír (stříhat, lepit, barvit, skládat), částečně i dřevo, kov, plasty, parafín aj. Velký význam má znalost vlastností látek pro bezpečnost (prevence popálení při hoření papíru a dřeva, pořezání úlomky skla atd.).  Látky se liší svými fyzikálními vlastnostmi, které můžeme zkoumat pomocí smyslů. Těmito vlastnostmi jsou: drsnost, tvrdost, pružnost, tepelná vodivost, barva atd.

2.1 Hmat

Dětem nejdříve dáváme v expoziční fázi výuky do rukou předměty z různých látek: sklo, dřevo, papír, plast, kov, keramika, guma. Vhodné jsou různé předměty z denního života, případně jednoduché stejné tvary jako destičky, kostky. Ve fixační či diagnostické fázi výuky vložíme do pytlíku sadu kuliček z různých látek. Úkolem dětí je pouze hmatem identifikovat kuličku ze zadané látky a z pytlíku ji vytáhnout.

2.2 Sluch

Předměty z různých látek vydávají při jejich rozechvění charakteristický zvuk. Stejnou kuličku děti v expoziční fázi nechávají postupně dopadat na destičku ze dřeva, skla, kovu, plastu. Ve fixační či diagnostické fázi provádíme totéž za jednoduchou zástěnou, aby děti mohly pro identifikaci látky použít jen sluch. Kuličku můžeme pouštět i do nádob (např. hrnečků) z různé látky (porcelán, sklo, kov, plast) a opět sluchem příslušnou látku identifikovat.

2.3 Více smyslů

Pomocí více smyslů (zrak, sluch, hmat) můžeme zkoumat např. pružnost látek, ze kterých jsou kuličky vyrobeny. Ze stejné výšky pouštíme na stůl (podlahu) kuličky z různých látek. Podle druhu látky se kuličky chovají po dopadu různě.

3 Porovnávání jako základ měření

Měření veličin je založeno na porovnávání jejich hodnot u různých objektů. Významné jsou zde tedy pojmy: větší, menší a rovno. Pomocí jednoduchých měřidel děti vzájemně srovnávají určitou veličinu u dvou předmětů (např. jejich objem, hmotnost, teplotu). Složitějším úkolem je srovnání určité veličiny u více předmětů.

3.1 Hmotnost

Úkolem je srovnat sadu různě hmotných kuliček přibližně stejného průměru z různých látek do řady podle jejich hmotnosti. Použijeme jednoduché dětské rovnoramenné váhy bez závaží. Postup srovnávání kuliček by měl být produktem samotných dětí. Nepřijdou-li na něj samostatně, pak jim jej nabídneme. Dítě vybere kuličku, kterou považuje za nejtěžší. Položí ji na jednu misku vah a na druhou postupně klade všechny další kuličky. Objeví-li hmotnější, pak ji vymění za nejtěžší a srovnává dále. Nejtěžší kuličku pak vloží do sady jako první. Takto postupuje dále se zbývajícími kuličkami, až je všechny seřadí podle hmotnosti. Může postupovat také od nejlehčí kuličky. Jde o náročnou problémovou úlohu, jejíž strategie řešení je používána např. v informatice. Řešení této úlohy je vhodné jako propedeutika před zavedením pojmu hustota látek.

3.2 Průměr

Obdobně jako u hmotnosti můžeme srovnávat kuličky podle jejich průměru s využitím otvorů v papíru nebo měnitelné vzdálenosti mezi dvěma předměty (např. dřevěné kostky).

4 Vlastní jednotka

K zavedení jednotky veličiny se využívá tzv. vlastní jednotka, kterou si zvolí děti. Důvodem použití vlastní jednotky je porozumění skutečnosti, že jednotka je dohodou lidí stanovená část veličiny. Nejde tedy o přírodní zákonitost. Následným krokem je samozřejmě zavedení mezinárodní jednotky SI.

4.1 Jednotka hmotnosti

Vybraná kulička podle určitého kritéria může sloužit jako vlastní jednotka hmotnosti, pomocí které vážíme jiné předměty – např. jiné kuličky. Diskutujeme s dětmi o významu kritérií pro volbu jednotky.

4.2 Jednotka objemu

Kulička může obdobně sloužit jako vlastní jednotka objemu, pomocí které měříme objem jiných předmětů – např. jiné kuličky. Využíváme přitom nádobku s vodou.

5 Vlastní měřidlo

S vlastní jednotkou je spjato zavedení vlastního měřidla, které ocejchujeme ve vlastních jednotkách. Výhodnost měřidla děti oceňují při opakovaném měření předmětů. Jde opět o předstupeň oficiálnímu měřidlu. Na tomto místě je vhodné připomenout dětem historii vzniku a používání jednotek.

5.1 Měřidlo objemu

Pomocí vlastní jednotky objemu – vybrané kuličky – vyrobíme vlastní měřidlo objemu. Využíváme přitom nádobku s vodou, ze které vyrobíme ocejchované měřidlo objemu opakovaným vkládáním kuličky do vody a označováním dílků na vnějším povrchu nádobky.

6 Měření veličin

Závěrečnou fází osvojování měření veličin v primární přírodovědě je fixace a aplikace této významné dovednosti na řešení úloh obsahujících měření veličiny. V první etapě jde o jednoduché reproduktivní úlohy, na kterých si zdokonalí a návykově zautomatizují dílčí kroky měření. Pak můžeme řešit úlohy problémové nebo dokonce jednoduché projekty. Při měření procvičujeme také početní dovednosti dětí.

6.1 Měření průměru kuličky

Průměr jedné kuličky určíme pomocí měřítka a dvou kvádříků, které se z protilehlých stran dotýkají kuličky a společně s ní leží na měřítku. U malých kuliček měříme jejich větší počet (10, 20, 50) srovnaných do řady ve žlábku pro zmenšení chyby měření. Pro ověření přesnosti měření lze použít i posuvné měřítko a mikrometr.

6.2 Měření délky předmětu pomocí kuliček

Vedle měřeného rozměru předmětu narovnáme do řady kuličky známého průměru tak, aby byla řada kuliček měla stejnou délku jako měřený rozměr předmětu. Součet průměrů kuliček určuje přibližně délku předmětu.

6.3 Měření objemu kuličky

Objem jedné kuličky zjistíme pomocí odměrného válce. U malých kuliček měříme jejich větší počet (10, 20, 50) pro zmenšení chyby měření.

6.4 Měření objemu předmětu pomocí kuliček

Do nádoby s vodou ponoříme předmět a označíme výšku vody v nádobě. Pak jej vyjmeme tak, aby na něm ulpělo minimum vody. Místo předmětu pak do nádoby vkládáme kuličky známého objemu tak dlouho, dokud hladina v nádobě nedosáhne označené výšky s ponořeným předmětem. Součet objemů kuliček určuje přibližně objem předmětu.

6.5 Měření hmotnosti kuličky

Hmotnost jedné kuličky zjistíme jejím zvážením. U malých kuliček měříme jejich větší počet (10, 20, 50) pro zmenšení chyby měření.

6.6 Měření hmotnosti předmětu pomocí kuliček

Předmět na rovnoramenných váhách vyvážíme kuličkami známé hmotnosti. Součet hmotností kuliček určuje přibližnou hmotnost předmětu.

7 Demonstrace jevů

Hrací kuličky mohou být využity při demonstraci i simulaci řady fyzikálních jevů. Uvedené příklady pokusů dokládají využití hracích kuliček v různých oblastech fyziky. Pokusy jsou voleny převážně z primární přírodovědy.

7.1 Rovnoměrný pohyb

Kuličku vložíme do skleněné nebo plastové průhledné trubice (zkumavky) naplněné vodou. Průměr kuličky je srovnatelný s průměrem trubice. Po naklonění trubice pod vhodným úhlem (třeba odzkoušet) je její pohyb přibližně rovnoměrný.

7.2 Zrychlený pohyb

Kuličku vložíme do korýtka (např. elektroinstalační lišty). Při naklonění korýtka se kulička pohybuje zrychleným pohybem. Nerovnoměrnost pohybu kuličky můžeme doložit pomocí stopek (metronomu) a označení poloh kuličky např. v sekundových intervalech.

7.3 Zpomalený pohyb

Kuličku vypustíme po rovném stole. Díky tření se kutálí zpomaleným pohybem. Nerovnoměrnost pohybu kuličky můžeme opět doložit pomocí stopek (metronomu) a označení poloh kuličky např. v sekundových intervalech.

7.4 Setrvačnost

Větší hmotnější kuličku (ocelovou) kutálíme po hladkém vodorovném stole (podlaze). Kulička dlouho zachovává směr i rychlost svého pohybu.

7.5 Valivé tření

Mezi dvě větší hodinová skla (vhodné misky) nasypeme stejně velké kuličky. Na horní sklo postavíme předmět jako zátěž a roztočíme jej. Díky valivému tření mezi kuličkami a skly se bude předmět chvíli točit. Pokus zopakujeme bez kuliček – předmět se točit nebude.

7.6 Vazkost kapaliny

Stejné kuličky volně pouštíme do skleněných válců (sklenic) s různými kapalinami (voda, líh, olej) nalitými do stejné výšky. Kuličky budou padat různě dlouhou dobu v závislosti na vazkosti příslušné kapaliny.

7.7 Povrchové napětí

Do sklenice po okraj naplněné vodou opatrně vkládáme skleněné kuličky. Díky povrchovému napětí se vodní povrch vyklene. Můžeme soutěžit o co největší počet ponořených kuliček bez přetečení sklenice.

7.8 Vznášení, potápění a plování

Do skleněné nádoby s vodou vhodíme několik kuliček z různých látek. Některé s potápějí, některé plovou a některé se vznášejí. Chování kuliček můžeme regulovat nasypáním kuchyňské soli do vody (praktičtější je přilévat slaný roztok).

7.9 Zdroj zvuku

Kuličku necháme dopadat na desku. Kulička rozechvěje desku a vyvolá zvuk. Vhodné je použití dřevěné hračky s dřevěnými lístky, na které dopadá kulička během své šroubovité cesty. Různý tvar a velikost dřevěných lístků je příčinou odlišných tónů při postupném pádu kuličky.

7.10 Tepelná kapacita

Kuličky ze stejného materiálu (např. sklo) stejné hmotnosti ohřejeme v nádobě s horkou vodou (kastrůlek) a nasypeme je na parafínovou destičku. Kuličky se zaboří (rozpustí pod sebou parafín) do stejné hloubky, jelikož předají stejné množství tepla.

7.11 Elektrická vodivost

Mezi dvě elektrody (plíšky) v jednoduchém elektrickém obvodu (monočlánek nebo plochá baterie, žárovka či LEDka) vkládáme postupně kuličky z různých materiálů. Podle látky, ze které jsou vyrobeny vedou či nevedou elektrický proud. Vodivost látky indikuje světlo.

7.12 Magnetické vlastnosti látek

Permanentním magnetem se přibližujeme ke kuličkám z různých látek. Kuličky z feromagnetických látek magnet přitáhne.

7.13 Barvy

Kuličky rozdělíme do skupinek podle jejich barvy. Pro větší efekt můžeme průsvitné kuličky podsvítit kapesní svítilnou. Můžeme sestavit barevné spektrum z různobarevných kuliček.

Literatura

[1] TRNA, J. Soubory jednoduchých pokusů s jednoduchými pomůckami: Fyzika v …. In: Veletrh nápadů pro fyzikální vzdělávání. (CD). Praha: Prometheus, 2005. 4 s. (0531396)

[2] TRNA, J. Fyzika v jednoduchých pokusech. In: DIDFYZ 2004. Information and Communication Technologies in Physics Education. Nitra: FPV UKF a pob. JSMF v Nitre, 2005. s. 167-171. ISBN 80-8050-810-0