Elixír do škol - 8. setkání

Ve čtvrtek 9. 4. 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. Osmé setkání tohoto školního roku bylo věnováno fyzice mikrosvěta.

Na dnešní setkání se měl dostavit i nový ředitel Nadace Depositum Bonum pan Václav Kubata. Krátce před třetí hodinou jsme byli ale v učebně fyziky pouze ve třech: dvě stálé účastnice a já. Ve srovnání s účastí před měsícem, kdy dorazilo rekordních dvanáct účastníků, nás bylo opravdu málo. Během prvních asi dvaceti minut zahájeného setkání dorazili další účastníci setkání, takže to tak komorní setkání, jak se zpočátku zdálo, nebylo.

Než jsme se začali zabývat připravenými aktivitami, přivítal a představil jsem pana ředitele a připomněl blížící se akce, na které jsem dostal od různých organizátorů pozvánky.

„Vzhledem k tomu, že pozvánky přišly během posledních asi deseti dní, neposílal jsem žádné maily, vše přibalím do mailu s materiály z dnešního setkání,“ vysvětluji.

„Dneska se podíváme na některé jevy, které patří do oblasti mikrosvěta,“ začínám na úvod. „Tato část fyziky se začala rozvíjet koncem devatenáctého století, kdy probíhaly experimenty s vyzařováním absolutně černého tělesa. Na základě toho pak na přelomu století formulovat německý fyzik Planck svojí kvantovou hypotézu. A rozvoj této části fyziky pak pokračoval celé dvacáté století. Takže vědci a vědkyně, protože do rozvoje tohoto odvětví fyziky zasáhly výrazně i ženy, už nejsou ty staré osoby, ale žili ve stejném století, jako jsme žili i my. Navíc s některými z nich jsme se mohli i teoreticky potkat buď přímo my, nebo naši rodiče. Proto jsem si připravil takový kvíz, který by osobnosti zabývající se fyzikou mikrosvěta, mohl přiblížit,“ usmívám se.

„A navíc,“ dodávám při rozdávání materiálu, „máme propojovat znalosti žáků. A v tomto přehledu jsou otázky typu, zda mohl daný vědec používat nebo vidět nějaký vynález, objev, jev a podobně. A mezi těmi vynálezy jsou minisukně, antikoncepční pilulka nebo český Večerníček. Takže pokud tuto aktivitu zadáte vašim žákům, propojíte fyziku s dějepisem i všeobecným přehledem žáků.“

To se začínají účastníci, kteří nemají text se zadáním zatím před sebou, děsit. Ale jakmile zadání dostanou, pouští se do tipování s chutí. I pan ředitel pracuje a je vidět, že u jmen, která zná, přemýšlí, kdy tak mohl dotyčný člověk žít. Po několika minutách probereme společně řešení, které mám pro sebe připraveno v papírové podobě. U toho diskutujeme podrobnosti u některých vědců, doplňujeme zajímavosti, doporučujeme si různé zajímavé knihy nebo internetové servery.

„Mám připravené i jakési pexeso, ve kterém je nutné ke jménu člověka přiřadit fyzikální objev, kterým dotyčný člověk proslul. Ale je to vyrobené pro žáky střední školy, takže při použití na základní škole je nutné asi některé dvojice vytřídit.“

Na pexeso se podívají pouze zájemci, hrát si s ním nebudeme.

„Na dnešní setkání jsem měl původně připraveny dva typy problémů, které jsem chtěl probrat,“ říkám potom. „Chápu, že asi ani jednu problematiku nebudete na základních školách probírat detailně, ale v rámci fyzikálního semináře nebo různých projektových dnů by mohly být tyto problémy třeba zajímavé. Prvním z nich je fotoelektrický jev a jeho uplatnění v solárních článcích, CCD snímačích a dalších praktických jevech. Druhou skupinou jsou pak dva typy úloh spojených s jadernou fyzikou. Jednak výpočet hmotnostního schodku atomů a následně vazebné energie, na základě které je možné sestrojovat různé zajímavé grafy. A dále to pak je simulace radioaktivního rozpadu pomocí dvou zajímavých metod. Obávám se ale, že po detailní diskusi nad naší první aktivitou, nestihneme obě skupiny problémů.“

„A jak bychom simulovali ten rozpad?“ ptají se účastníci.

„Mám připraveny dvě varianty,“ usmívám se a postupně odtajňuji skryté pomůcky.

„Radioaktivní rozpad můžeme studovat buď pomocí rozpadu pivní pěny zakoupeného piva, nebo pomocí házení mincí. Pro ten účel jsem se připravil a předvčírem navštívil banku a vyměnil tam dvě tisícikoruny za dva tisíce korun,“ vysvětluji a zvedám ze stolu dva pytle korunových mincí.

Účastníci to ocení, padnou pochopitelně i nějaké poznámky na téma praní peněz a podobně.

„On vás humor přejde,“ usmívám se. „Zkuste odhadnout hmotnost jednoho pytle,“ vyzývám účastníky. Každý řekne svůj odhad o hmotnosti, ale ke správné hodnotě 3,63 kg se přiblížila jen jedna účastnice.

„Chceme zkusit oboje,“ ozývá se ze třídy.

„Dobrá, tak ale fotoefekt nebude. Ale třeba jej zařadím na některé z příštích setkání,“ dodávám a začínám roznášet do třídy pomůcky.

Začínáme experimentem s pivem. Účastníci si k přibližně válcovým sklenicím připevní improvizované měřítko a jsou připraveni otevřít plechovku piva. Pivo nebylo v lednici, a pokud je navíc do sklenice vlito relativně rychle, vytvoří poměrně slušnou pěnu.

„Pro vás jsem koupil alkoholické pivo, když dělám tento experiment se žáky, tak jim dávám nealkoholické. A to i přesto, že jadernou fyziku probíráme ve čtvrtém ročníku, ve kterém jsou už žáci na pití piva trénovaní. Je trošku nepříjemné, že právě dneska před panem ředitelem budeme na setkání otevírat pivo. Ale snad to projde,“ dodávám.

Pan ředitel se jen usmívá a kýve hlavou, že je to v pořádku.

Jak měřit výšku pěny účastníci vědí, protože to jsme si rozebrali předem. Současně jsme si vysvětlili, jak souvisí tento experimentem s rozpadem atomových jader. Ve skupině je účastníků dost na to, aby jeden mohl sledovat horní okraj pěny, další spodní okraj pěny a další mohl hlášené údaje zapisovat. V desetisekundových intervalech hlásím začátek dalšího měření a vždy se ozvou paralelně dva údaje ze dvou skupin. Po přibližně čtyřech minutách měření skončíme, protože okraje pěny se už velmi těžko hledaly a výška pivní pěny už příliš neklesala. Usedám k počítači a zástupci jedné skupinky mi diktují naměřená data. Pak po několika kliknutích v tabulkovém procesu Microsoft Excel vytvořím z naměřených dat graf. Na první pohled vypadá správně - výška pivní pěny exponenciálně klesá. O tom se přesvědčíme proložením naměřených dat exponenciální křivkou.

„Pokud chcete, mohu vám ukázat i trošku náročnější metodu, jak proložit v Excelu naměřenými daty libovolnou křivku, která v nabídce programu není. Je to trošku technicky náročnější, ale věřím, že opět v rámci semináře nebo projektových dnů to může být i žákům základních škol užitečné.“

Účastníci souhlasí, a tak postupně na stejných datech vysvětluji metodu nejmenších čtverců, pomocí které s využitím funkce Řešitel získáme v programu Microsoft Excel předpis aproximační funkce. Pak ještě diskutujeme, jaký graf z nabízených možností tabulkového procesoru Microsoft Excel je pro fyzikální měření vhodný a jaký vůbec ne.

Poté přistupujeme ke druhé metodě simulace radioaktivního rozpadu jader. Tentokráte pracují účastníci samostatně, každý provádí měření sám. K tomu potřebuje kelímek od kávy a mince. Každý z účastníků si vzal 200 korunových mincí a s nimi provádí statistiku.

„Já se omlouvám a možná vypadám jako skrblík, ale tyhle pomůcky bych rád na konci experimentování zpět,“ usmívám se. I přes poznámky účastníků se všechny mince po skončení experimentování vrátily.

Přes počáteční nejasnosti ohledně průběhu experimentu si každý z účastníků zvolil na začátku experimentu, která strana mince bude představovat rozpadlé jádro (a tedy tato mince bude z experimentu vyřazena) a která bude představovat nerozpadlé jádro (a tedy bude znovu zahrnuta do dalšího experimentu). Postupně tak účastníci získají statistická data tak, že „nerozpadlá jádra“ vrací zpět do kelímku, protřepou a znovu vysypou na stůl.

Jakmile účastníci doměří, přeneseme data každého z nich do počítače a ze součtu výsledků sestrojíme opět graf závislosti „počtu nerozpadlých jader na čase“. A opět vychází krásná exponenciální křivka. Tím, že jsem ihned po zadání dat od prvního účastníka sestrojil graf, bylo krásně vidět, že i pro 200 mincí vychází krásná exponenciální závislost. Po zadání dalších údajů se pouze změnil rozsah svislé osy (vynášel jsem totiž na svislou osu součet počtu „nerozpadlých jader“ od všech účastníků), ale tvar křivky zůstal stejný.

Čas vyměřený pro naše setkání opět utekl jako voda. Ti, kteří pospíchali na autobusy a jiné dopravní prostředky, odešli krátce po páté hodině, několik z nás s panem ředitelem ještě setrvalo v zajímavé a místy dosti jadrné (nikoliv jaderné) debatě na téma českého školství a možnosti nápravy. Uvidíme, zda bude Nadace Depositum Bonum dostatečně silným partnerem pro ministerstvo školství, aby úředníky a politiky dotlačila k nějakým tolik potřebným rozumným změnám zákonů.

Jako inspirace pro další práci se žáky mohou posloužit tyto materiály:

Fotografie zobrazují průběh setkání.

Autoři fotografií:

Soňa Bednářová

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 12. 4. 2015