Elixír do škol - 6. setkání

Ve čtvrtek 12. 2. 2015 se konalo v učebně fyziky SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské další setkání projektu Elixír do škol, který je podporován Nadací Depositum Bonum. Šesté setkání tohoto školního roku bylo věnováno magnetickému poli (jak stacionárnímu, tak nestacionárnímu). Na setkání přišla poprvé nová kolegyně, o níž jsem se nejdříve domníval, že je oficiální vyslankyní Národního ústavu pro vzdělávání. Posléze jsme se ale dozvěděli, že se vrátila do práce po mateřské dovolené a chce se znovu zapojit do výuky fyziky.

V úvodu setkání jsem seznámil účastníky s plány do budoucna. Jeden z nich se týkal plánované druhé konference Elixíru do škol, která se uskuteční v polovině května. Druhá informace se týkala budoucnosti trošku vzdálenější - chystané exkurze do CERNu nedaleko švýcarské Ženevy, která je plánována na první týden prázdnin roku 2016.

Odbornou část setkání jsme začali jako minule luštěním křížovek. Po chvíli, kdy jsem nechal účastníky přemýšlet samostatně nebo ve dvojicích, jsme se podívali na řešení křížovek společně. A pak jsme plynule přešli k magnetickému poli. Popsali jsme zdroje magnetického pole a způsob popisu magnetického pole - pomocí obrazců vytvořených ze železných pilin (tj. pomocí magnetických indukčních čar) i pomocí vektoru magnetické indukce. Účastníci si mohli samostatně sestavit různé konfigurace magnetů a následně se podívat na strukturu jejich magnetických indukčních čar. Když jsme si vyhráli s magnety, přešli jsme k dalšímu zdroji magnetického pole: vodiči, kterým prochází elektrický proud.

Ukázal jsem metodu, kterou již několik let používám já. Z jednoho metru síťového kabelu, který mi kolega (správce sítě) z naší školy věnoval, lze získat osm vodičů na experimenty. Pokud nedaleko od vodiče umístíme silnější magnet a vodičem de facto krátkodobě zkratujeme např. 4,5voltovou baterii, bude vodičem procházet relativně velký elektrický proud dostatečný na vytvoření relativně silného magnetického pole. Magnetické pole tohoto vodiče pak bude interagovat s magnetickým polem magnetu. Změnou polarity zdroje nebo otočením magnetu lze prozkoumat, na čem závisí průběh pozorované interakce (magnet vodič protékaný proudem přitahuje nebo odpuzuje).

Než jsme vyslovili Ampérovo pravidlo pravé ruky, měli si účastníci sami vyzkoušet toto pravidlo experimentálně „odvodit“. Kromě vodiče a zdroje napětí byl pro tuto aktivitu ještě nutný kompas. Po chvíli a s malou nápovědou si všichni vyzkoušeli, že:

Bylo vidět, že účastníky práce baví, že se dokáží i „hádat“, jak co dělat, že se dokáží mezi sebou „vytahovat“, komu už se podařilo to, co jsem si na ně vymyslel.

„Prima a teď zkuste s tím, co máte na lavici vyrobit jednoduchý měřák elektrického proudu,“ zadávám další úkol. „Nechci skutečný ampérmetr, který bude detekovat hodnotu, ale spíš galvanometr, který určí, zda proud prochází nebo ne. A zkuste udělat co nejcitlivější přístroj.“

Opět se všichni vrhli do práce. Nápad byl dobrý (skupinky začaly vytvářet z vodiče cívky), ale byl problém, jak cívku ke kompasu přiložit.

„Nezlobte se, ale musím to říct: mám z vás radost, protože postupujete stejně, jako řada žáků,“ komentoval jsem jejich práci.

„Takže stejně špatně?“ ozval se kdosi.

„Ano, ale to je právě super,“ usmívám se. „Tím si to snáze zapamatujete, že budete postupovat opravdu krok za krokem.“

Za chvíli poté se už skupinky odhodlaly k tomu, že vodič namotali přímo na kompas.

„Bezva, to jsem chtěl,“ usmívám se. „Teď ale ještě drobnost: jak na začátku, než vodič připojíte ke zdroji napětí, zorientujete kompas?“ ptám se.

Po chvíli zkoušení je i tato otázka rozřešena: kompas je nutné orientovat tak, aby jeho střelka byla rovnoběžná se závity navinuté cívky. Magnetické indukční čáry magnetického pole cívky (pokud i takto improvizačně vyrobenou cívku budeme považovat za solenoid, tedy za zdroj homogenního magnetického pole) jsou totiž kolmé k závitům cívky. Začne-li tedy cívkou procházet elektrický proud, magnetické pole cívky (orientované kolmo k závitům) vychýlí střelku kompasu ze severojižního směru.

Než jsme si vše vysvětlili názorně, ukázal jsem účastníkům mnou vyrobený jednoduchý model ampérmetru. Takový model, do kterého je „vidět dovnitř“, aby byl jasný základní princip činnosti.

„Provedení odpovídá tomu, že je to pomůcka stará přes 10 let,“ omlouvám se. Ale nikomu to nevadí - všichni si pomůcku s nadšením prohlíželi.

Než se umoudřil počítač a načetl senzory firmy Vernier, přeskočil jsem k různým typům látek podle jejich interakce s magnetickým polem. Ukázal jsem a společně s účastníky rozebral experimenty:

S využitím teslametru firmy Vernier jsme pak proměřili závislost velikosti magnetické indukce uvnitř cívky na elektrickém proudu, který protékal závity cívky. K experimentu jsem použil hand-made cívku vyrobenou z části PET láhve, na níž je navinuto přibližně 20 závitů. Ačkoliv tento model cívky v žádném případě nepřipomíná solenoid, lze s ním jako se solenoidem počítat. O tom svědčí i to, že pomocí tohoto modelu měříme se žáky velikost horizontální složky magnetické indukce magnetického pole Země. A pokaždé získáme řádově správnou hodnotu, což mi přijde s takto jednoduchou pomůckou naprosto úžasné!

Pak jsme se už vrhli na pro praxi nejdůležitější jev spojený s magnetickým polem: na elektromagnetickou indukci. Nejprve jsem ukázal základní a notoricky známý experiment, u kterého jsem upozornil na jistá didaktická nebezpečí ve spojení s pubertálním žactvem. Všichni pokývali hlavou, že mají tyto zkušenosti také. Tento důležitý jev jsem pak ještě doplnil o ukázky demonstrace Lenzova zákona:

A na závěr jsem si nechal bonbonek: vzal jsem LED připojenou k cívce s několika desítkami závitů, položil jí na stůl a LED se rozblikala.

„A teď proč?“ ptám se.

„No to nevím, ale je mi jasné, že na jiném místě stolu by neblikala, že?“ hádal se jeden kolega.

„Ano, máte pravdu,“ usmívám se.

Vysvětlení bylo prosté: LED blikala proto, že …

Příjemně strávené dvě hodiny utekly opět velmi rychle. Rozloučili jsme se v naději, že se zase v plném počtu sejdeme za pět týdnů na dalším setkání.

Jako inspirace pro další práci mohou posloužit:

Na fotografiích je možné vidět některé experimenty i hraní si účastníků.

Autoři fotografií:

Soňa Bednářová

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 14. 2. 2015