Elixír do škol - 7. setkání

Ve čtvrtek 13. března 2014 se konalo v učebně fyziky SPŠST Panská již sedmé setkání učitelů fyziky převážně základních škol v rámci projektu Elixír do škol podporovaného Nadací Depositum Bonum. Setkání bylo z velké části věnováno optice, ale pochopitelně, že se řešily i jiné věci.

Na úvod jsem pro účastníky připravil experiment, pomocí kterého bylo možné s využitím senzorů firmy Vernier proměřit voltampérovou charakteristiku LED. Po neúspěšném měření na minulém setkání jsem si experiment předem vyzkoušel. Po zapojení jsem tehdy v kabinetu fyziky okamžitě naměřil ukázkovou voltampérovou charakteristiku. Totéž jsem naměřil přibližně 20 minut před začátkem našeho setkání. Graf jsem raději nechal zobrazený na monitoru počítače, kdyby se opět vyskytly nějaké trable, tak aby účastníci viděli, že voltampérovou charakteristiku naměřit lze. Na úvod setkání jsem tento graf ukázal, a pak experiment znovu zopakoval. Bez problémů, tak, jak jej ukazuji svým žákům. V čem byl minule problém, nevím.

Experiment vzbudil mezi některými účastníky zájem o zapojení a o práci se sondami systému Vernier. Prohlédli si i LabQuest Mini, který lze případně i zapůjčit do škol z balíčku pomůcek Elixíru do škol. Radim Kusák okamžitě ukázal použití LabQuestu Mini pro připojení čidel k počítači.

Pak jsme se už začali věnovat optice … Po seznámení se se základními optickými jevy, kterým jsem se chtěl na setkání věnovat, jsme se sešli u katedry a experimentovali s akváriem plným vody. Ovšem při detailnějším pohledu si účastníci všimli, že v akváriu je cosi zvláštního. Voda byla zdánlivě rozdělena vodorovným rozhraním. Příčinu se pokusili uhádnout a já jí pak osvětlil: do běžné vody z vodovodu byla před setkáním přepuštěna na dno akvária hadičkou slaná voda. Tak vzniklo rozhraní, pomocí kterého bylo možné ukázat několik zajímavých experimentů:

Při předvádění těchto experimentů začala kolegyně Martincová, která se podílela na soutěži fyzikálních videí Vím proč, chválit žáky třídy 13D SPSŠT Panská. Kluci ze třídy 13D (Miloslav Holan, Kryštof Mašát, Jaromír Motyčka, Štěpán Langpaul, Jan Vaněček) totiž natočili několik videí na téma odraz a lom světla, která zaslali do zmíněné soutěže a která byla i podle hodnocení odborné poroty velmi kvalitní. I přesto se kluci neumístili na předních místech. Nicméně veřejná chvála na setkání učitelů fyziky mluví ve prospěch kvality natočených videosnímků:

Pak jsem položil zákeřnou otázku: „Bylo by možné s pomůckami, které máme tady na stole sestrojit detektor vibrací? Tedy základní princip seismografu?“

Účastníci setkání se zamysleli a za chvíli začali říkat své nápady. Z nich jsme nakonec poskládali jednoduchý experiment: svítit laserem na vodní hladinu a pozorovat odraženou stopu na stropě. Při dupnutí nohou na podlahu se odraz světla laseru na stropě začal výrazně pohybovat. Na správnou připomínku kolegů jsem upřesnil, že pro zdárný úspěch experimentu by bylo nutné umístit laser do stativu, abychom nevnášeli do experimentu chybu náhodným pohybem ruky s laserem.

Další otázka, která byla inspirována praktickým použitím tohoto jevu, se nabízela: „Proč je tento způsob detekce vibrací - tedy využití odrazného povrchu - pro praxi výhodnější?“ Odpovědí bylo sice od účastníků více, ale ke správné jsme tentokráte hledali cestu trošku déle. Po načrtnutí schématu dvou možností detekce na tabuli, bylo zřejmé, že využití odrazné plochy (nejlépe zrcadla) vede k větší citlivosti měřicího přístroje. Matematický důkaz citlivosti dostali účastníci setkání jako domácí úkol.

Pak jsme vyměnili v akváriu vodu za běžnou z vodovodu a se špejlí si ukázali známou poučku, že „hůl do vody ponořená, zdá se býti zalomená“. Z určitého úhlu pohledu byla špejle ve vodě opravdu „nalomená“ v místě, kde procházela vodní hladinou. „Uvědomte si, že špejle je pořád rovná, pouze naše oko jí vidí zalomenou. Světelný paprsek se ale opravdu láme,“ říkám a svítím rovnoběžně se špejlí laserem. Rozdíl mezi špejlí a trajektorií světla ve vodě je jasně patrný.

Další experiment týkající se postříbření začazené lžičky většina účastníků znala, ale i tak si jej ráda prohlédla znovu. Na stejném principu pak je založen experiment s neviditelnou částí špejle zasunutou do zkumavky s vodou, přičemž zkumavka sama je ponořena zčásti do vody.

„Zkuste mi říct, co nyní vidíte,“ vyzval jsem účastníky setkání a držel před nimi ve výšce očí skleničku s vodou.

„Skleničku s vodou,“ shodli se všichni a čekali, co bude dál. Vzal jsem tedy lžíci a vylovil ze skleničky několik „molekul vody“. To všechny překvapilo! Nejednalo se pochopitelně o molekuly vody, ale o vodou nasáklé kuličky používané jako výživa pro květiny ve váze. Kuličky, které se z původního průměru přibližně 2 mm po několika hodinách ve vodě zvětší na průměr až přibližně 1 cm, mi doporučil Martin Konečný. Tím, že jsou kuličky nasáklé vodou, mají index lomu stejný jako voda, a proto nejsou ve vodě vidět. Chvíli jsme pak diskutovali o dalších možnostech, jak dosáhnout neviditelnosti objektů.

K dalšímu experimentu dala inspiraci Martina Horváthová z Bratislavy. Účastníci dostali zalepenou krabici od kakaa, v jejíchž dvou sousedních stěnách byl vyražen otvor. Úkolem bylo zjistit, co je na obrázku proti většímu z otvorů s tím, že je možné si tím menším otvorem dovnitř krabice posvítit. To byla sice dobrá rada, ale světlo dopadalo pod velmi nevhodným úhlem a obrázek nebyl příliš zřetelný. Proto jsme chvíli přemýšleli, až dospěli k závěru, že by bylo dobré světlo z otvoru nějak „ohnout“. To se podařilo pomocí optického vlákna, které jsem účastníkům půjčil. Když obrázky viděli všichni a uvědomili si praktické použití optických vláken (laparoskopie, komunikace, …), dostal každý z účastníků jako dárek od Nadace Depositum Bonum 1 metr optického vlákna pro vlastní potřebu.

Využití principu totálního odrazu ve světlovodu jsme si ukázali s pomůckou, kterou zapůjčila účastnice setkání Jana Novotná. (Kolega, který viděl světlovod na stole před začátkem setkání, se zděsil: „Ty jsi ukradl kus detektoru z CERNu?“)

Fyzikální princip optického vlákna jsme si pak vysvětlili a demonstrovali velmi jednoduchým experimentem s PET láhví, z níž otvorem těsně u dna vytékala voda. Do vodního proudu jsem přes láhev svítil laserem a světlo laseru se krásně šířilo vodním proudem.

Pak jsme si chvíli hráli se zrcadly. Začali jsme závodní dráhou, která se měla projet tužkou tak, že se člověk bude dívat pouze do zrcadla před sebou. Někteří účastníci to zvládli velmi dobře, jiní se s úlohou chvíli trápili, ale i oni nakonec dojeli do cíle. Zrcadlový hlavolam se některým líbil, jiným se zdál příliš komplikovaný. Stejně tak hrátky s válcovým zrcadlem byly pro někoho zajímavé, pro jiné příliš komplikované.

Základní vlastnosti zobrazení dutým a vypuklým kulovým zrcadlem jsme si vyzkoušeli, dle inspirace od Václava Piskače, pomocí běžné lžíce. Pokud jsme se soustředili, bylo možné i podle namáhání očí určit, zda vytvořený obraz je skutečný (a tedy před zrcadlem) a nebo neskutečný (a tedy je za zrcadlem).

Pobavení, ale pak i trošku fyzikální potíže, způsobilo náhlavní zrcátko, které používají lékaři při vyšetření uší, krku či nosu. Po účastnících jsem chtěl, aby jednak vymysleli, jak mám zrcadlo naistalovat před oko, a také, k čemu jej lékaři vlastně používají. Když jsme to vymysleli, trval jsem na tom, že chci zaranžovat lékaře, pacienta a zdroj světla tak, aby využití zrcadla bylo smysluplné. Po chvíli přemýšlení, se situace zaranžovat podařila.

Pak jsme si ověřili, že duté zrcadlo vytváří skutečný obraz, zatímco vypuklé zrcadlo neskutečný obraz. Dutým zrcadlem se podařilo promítnout obraz žárovky na stěnu, ale s vypuklým se to nepodařilo.

Před skončením setkání jsem rozdal účastníkům pracovní listy, které jsem myslel, že stihneme vyplnit společně, a podívali se na fyzikální princip, který využívají policisté při konfrontaci svědka a možného pachatele. Pachatel a několik dalších osob jsou v osvětlené místnosti a svědek je za polopropustným zrcadlem v temné místnosti.

Krátce po 17:00 odcházeli účastníci domů a tvářili se spokojeně. Tak snad nápady ve výuce fyziky využijí.

Atmosféru ze setkání zachycují fotografie.

Autoři fotografií:

Radim Kusák

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 15. 3. 2014