Fyzika z volné ruky

Zdeněk Drozd, Jitka Brockmeyerová

Fyzikou z volné ruky máme na mysli experimentální složku výuky fyziky, při níž nejsou zapotřebí žádné složité nebo nedostupné pomůcky. Vše, co učitel potřebuje k tomu, aby mohl předvést pokus, je „volná ruka“. Takto pojatému přístupu ke školním experimentům je v poslední době věnována velká pozornost nejenom u nás, ale i v zahraničí – obzvláště potom v Německu, kde má tento přístup k výuce dlouhou tradici. V příspěvku je ukázáno několik příkladů pokusů z volné ruky.

Úvod

Experimenty mají ve výuce fyziky nezastupitelnou úlohu. Mohou sloužit k demonstraci probíraných fyzikálních jevů, mohou mít motivační charakter, lze pomocí nich navodit diskuzi k zajímavým problémům apod. Některé pokusy mohou žáci provádět doma a mohou je dokonce i sami vymýšlet.

V literatuře lze nalézt bezpočet námětů na jednoduché experimenty. Mnohé publikace se této problematice věnují s patřičným didaktickým nadhledem. Příklady takových publikací jsme uvedli např. v [1]. Výrazným počinem v této oblasti v nedávné době bylo vydání knihy [2]. Ta obsahuje zhruba 250 návodů na zajímavé pokusy. U mnoha z nich je připojen podrobný fyzikální rozbor, což nebývá pravidlem ve všech podobných publikacích. V tomto krátkém příspěvku uvádíme několik pokusů, k nimž jsme byli inspirováni zmíněnou knihou [2].

Několik příkladů pokusů z kategorie Fyzika z volné ruky

Nejprve popíšeme dva pokusy, které se hodí jako zajímavá demonstrace jevů, které probíhají při proudění kapalin (resp. tekutin). Tyto pokusy je dobré diskutovat až poté, co byly příslušné partie hydrodynamiky náležitě probrány. Experimenty potom můžete zadat k promyšlení jako domácí úkol. Žáci si je mohou doma sami zopakovat a pokusit se vysvětlit je rodičům, sourozencům nebo kamarádům. Nechejte jim na promyšlení dostatek času a umožněte jim poznat radost ze samostatného bádání.

Trychtýř a míček

K tomuto pokusu budete potřebovat trychtýř a pingpongový míček. Pro demonstrační účely se hodí míček s výraznou barvou a velký skleněný trychtýř.

Ukažte žákům míček a upozorněte je, že není nijak upraven (nechte je, ať se o tom sami přesvědčí). Potom míček vložte do trychtýře a nad umyvadlem, kbelíkem či jinou nádobou jej zalijte vodou. K nalévání vody si vyberte pomocníka z řad žáků, nebo ji napouštějte hadicí nasazenou na vodovodní kohoutek. Voda protéká trychtýřem a míček zůstává u jeho „dna“ (obr. 1a). Když prstem ucpete výtok trychtýře, míček vyplave na hladinu (obr. 1b). Žáky zřejmě překvapí, že míček nevyplaval hned v první fázi pokusu.

Nyní můžete začít problém diskutovat, nebo jeho vysvětlení zadejte žákům jako domácí úkol.

Padající kornouty

Z listu kancelářského papíru si vyrobte dva shodné kornouty. Oba je současně pusťte ze stejné výšky tak, aby padaly vedle sebe. Nikoho zřejmě nepřekvapí, že kornouty padají až k zemi vedle sebe. Překvapení patrně nastane v okamžiku, kdy pustíte kornouty nad sebou. Horní kornout při pádu dohoní kornout spodní a dále již padají pěkně „jeden v druhém“. Předem si vyzkoušejte počáteční vzdálenosti kornoutů a výšku, z níž je vhodné je pouštět.

I v tomto případě můžete žáky nechat pokus zopakovat doma (kornouty si snadno vyrobí) a v příští hodině potom diskutovat vysvětlení, která vymysleli. Ilustrační fotografie pokusu vidíte na obr. 2a, 2b.

Balónek v autobusu

Možná jste již někdy se svými žáky rozebírali následující problém. Cestou z pouti si nesete balónek (nafouknutý např. vodíkem) přivázaný na provázku. S tímto vznášejícím se balónkem nastoupíte do autobusu. Jak se balónek bude chovat při jízdě do zatáček, jak při rozjíždění, nebo při brzdění autobusu? Tuto úlohu jste pravděpodobně teoreticky rozebírali, ale experimentálně neověřovali. (Autobus a balónek s vodíkem nebývají ve vybavení běžného fyzikálního kabinetu.)

Experiment, kterým můžete rozbor situace ověřit je vcelku snadný. Použijete jednoduchý model a přitom můžete hovořit o úloze modelů ve fyzice, o přiměřenosti modelu dané situaci apod. Místo autobusu použijete sklenici od okurek (nějakou větší – např. 1,5 l). Na vnitřní stranu šroubovacího víka přilepte pomocí izolepy režnou niť a na její druhý konec přivažte korkový špunt. (Do špuntu zapíchněte špendlík s kulatou hlavičkou a k ní niť přivažte.) Délku niti volte tak, aby po zašroubování víka špunt dosahoval k víčku, ale nedotýkal se ho. Do sklenice nalijte vodu a našroubujte víčko. Potom ji obraťte dnem vzhůru a máte model balónku v autobusu. Vyrobená pomůcka je vidět na obr. 3.

Natáhněte ruce se sklenicí co nejdále od těla
a roztočte se. Špunt se naklání směrem k vám. (Lidé v autobusu by se při průjezdu zatáčkou nakláněli na druhou stranu.)  Dále můžete vyzkoušet rozjezd a brzdění – přidržte ruce se sklenicí u těla a pohněte sklenici od sebe. Korková zátka se nakloní směrem od vás (lidé by padali dozadu). Podobně můžete simulovat brzdění autobusu. (Špunt se při něm naklání směrem k vám, tedy proti směru jízdy brzdícího autobusu.)

Jak si toto zdánlivě podivné chování balónku (zátky) vysvětlit? Při zatáčení autobusu se cestující naklání směrem ven ze zatáčky. Na stejnou stranu se „hrne“ i vzduch. Dochází tedy k určitému rozdělení hustoty vzduchu. Největší hustota je u stěny autobusu, která je vně zatáčky, u protější stěny je hustota nejmenší. Dochází tedy ke vzniku archimédovské síly ve vodorovném směru. Balónek „vyplouvá“ na tu stranu, kde je hustota vzduchu nejmenší. Při brzdění nebo rozjezdu autobusu je vysvětlení obdobné.

Rotující voda

Vodu v rotující nádobě můžete snadno studovat pomocí jednoduché pomůcky. Budete potřebovat plastovou láhev od mléka, delší šroub s maticí a ruční vrtačku nebo akumulátorový šroubovák. Do středu víčka lahve vyvrtejte otvor přiměřený průměru šroubu. Šroub potom pomocí matice pevně upevněte k víčku (viz obr. 4). Do láhve naberte vhodné množství vody (můžete ji obarvit), našroubujte víčko a pomocí šroubu ji upevněte do vrtačky. Nyní můžete láhev roztočit a pozorovat chování vody uvnitř.

Spřažená kyvadla

Velmi jednoduchá spřažená kyvadla vyrobíte ze dvou kolíčků na prádlo a z kousku modelářské gumy. Ta může mít průřez např. 6 mm x 1 mm. Gumu upevněte mezi dva stojany, nebo mezi nohy vhodné židle, kterou otočíte a položíte na stůl. Na gumu přicvakněte dva kolíčky a jeden z nich rozkývejte. Soustava dvou kolíčků na gumě vykonává vázané kmity. Můžete experimentovat s napnutím gumy a se vzájemnou vzdáleností kolíčků (žáci mohou snadno zkoumat vliv vazby mezi kyvadly na jejich kmitání).

Curiova teplota

Tímto pokusem ověříte existenci Curiovy teploty. Použijete ocelový (feromagnetický) drát, vhodný stojan, podkovovitý (popř. jiný) magnet a plynový kahan. Drát na konci ohněte do pravého úhlu a upevněte do stojanu tak, aby se volně houpal v závěsu (sestavu pokusu vidíte na obr. 6). Přisuňte magnet tak, aby byl drát vychýlen do strany. Nyní drát zahřívejte plamenem kahanu. Po určité době se drát zhoupne do svislé polohy – přešel z feromagnetického do paramagnetického stavu. Teplotě, při které k tomuto přechodu došlo, se říká Curiova teplota. Pro železo je to 768 °C.

Závěr

Uvedené náměty ukazují, jak lze jednoduše provádět zajímavé fyzikální pokusy. Pokud vás náměty jak dělat „fyziku z volné ruky“ zaujaly, můžete ve zmíněné literatuře nalézt řadu dalších nápadů. Můžete se také pokusit vymýšlet vlastní pokusy, nejcennější ale bude, když s nějakým pokusem z volné ruky přijdou sami žáci.

Literatura

[1] Drozd Z., Brockmeyerová J.: Pokusy z volné ruky. Prometheus Praha, 2003.

[2] Hilscher H.: Physikalische Freihand-experimente. Aulis Verlag Deubner Köln, 2004.