Elixír do škol - 2. setkání

Ve čtvrtek 8. 10. 2015 se konalo v učebně fyziky SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské druhé setkání projektu Elixír do škol ve školním roce 2015/2016. Projekt zaměřený na zkvalitnění výuky fyziky zejména na základních školách je i v tomto školním roce podporován Nadací Depositum Bonum. Druhé setkání bylo věnováno elektrostatickému poli.

Na úvod setkání jsem ve stručnosti opět zopakoval některé základní informace o smyslu setkání, o možnosti zapůjčit si pomůcky, o akreditaci letošního školního roku a další základní informace. Přišly totiž kolegyně, které minule nebyly, a jedna kolegyně nová. Potvrdil jsem, že z ankety, kterou loňští účastníci vyplňovali, skutečně vyplynulo, že se informace o setkáních šíří nejvíce „šeptandou“. Proto jsem účastníky vyzval, ať v tom dále pokračují.

„Pamatujete si, jakou větou jsem končil minule?“ ptám se potom, když přecházíme od obecných věcí k fyzice. Všichni se usmívají. „Ano, přál jsem si dostatečně typické podzimní počasí plné deště, když máme naplánovanou elektrostatiku. A ono se to vyplnilo!“

Skutečně - už od středy vytrvale venku pršelo a nejinak tomu bylo i během setkání. Ale uvidíme, třeba některé experimenty a pomůcky donutím k poslušnosti.

Na úvod jsme rozebrali fakt, že základním pojmem elektrostatiky je elektrický náboj. Upozornil jsem, že pro středoškolské žáky (vzhledem k dalším tématům, která budou ve fyzice probírat), by měla zaznít myšlenka, že hodnota náboje je kvantována. Chvíli jsme pak diskutovali, jak tuto myšlenku přiblížit žákům - někdo navrhoval metodu schodů, já jsem zmínil, že používám analogii s placením penězi v obchodě.

Různé metody nabíjení těles jsem se snažil demonstrovat pomocí nabíjení lístků elektroskopu. Se skleněnou tyčí a kůží se nabíjení těles a elektrostatická indukce dařily, ale s plastovou tyčí a kožešinou jsme měli smůlu. Nicméně některé experimenty jsem alespoň popsal a vysvětlil, jak fungují.

„Pokud hovoříme o tom, že nabíjíme těleso kladně, běžně používáme tvrzení, že mu předáváme kladný náboj,“ vysvětluji během jednoho experimentu. „Je ale poctivé žákům vysvětlit nebo je upozornit na to, že tato věta je zkratkou za správný popis děje, který ve skutečnosti probíhá. Ve skutečnosti při nabíjení tělesa kladně mu odebíráme elektrony. Pokud tohle vysvětlíme, můžeme dál používat původní tvrzení o nabíjení těles kladně.“

Tyto a další poznámky jsem uváděl proto, že na setkání chodí i učitelé, kteří učí na střední škole. A tam by žáci měli slyšet pokud možno přesné vysvětlení.

Při experimentu s kovovou lopatkou, kterou jsem uváděl do pohybu zelektrovanou tyčí, jsme si zopakovali i základní úvahy o těžišti.

„Těžiště mám předem nalezené, nebudu zastírat, že ho hledám teď,“ usmíval jsem se, když jsem lopatku vyvažoval na hrotu stativu. Podobný experiment jsem pak provedl s papírovou mapou České republiky.

„A kde je vlastně střed České republiky,“ zazněl dotaz.

„Neboj, to si osvětlíme v prosinci,“ usmál jsem se a předpokládal jsem, že tazatelka má na mysli těžiště republiky.

Oba předvedené experimenty jsme si vysvětlili a fyzikálně rozebrali. Oba experimenty lze kromě demonstrace elektrostatické indukce použít i jako motivaci k zavedení pojmu elektrostatická síla. Tím, že jsme uvedli do otáčivého pohybu těleso, které bylo původně v klidu, bylo nutné na něj působit silou.

„Podobným experimentem, kterým lze motivovat zavedení elektrostatické síly, je elektrostatické kyvadlo,“ říkám a již experiment připravuji na stole: dvě plechovky, míček obalený v alobalu, elektrikářskou lištu jako vhodný profil trati pro míček a indukční elektriku se spojovacími vodiči. Po několikaminutovém snažení bylo jasné, že míček se pohybovat prostě nebude. Plechovky nabité byly, ale míček prostě stávkoval. Omluvil jsem se, ale víc jsem v danou chvíli dělat nemohl.

Teoreticky jsme tedy zavedli sílu a zakreslili několik základních úloh, které typicky žákům činí problémy. Při jejich řešení si totiž většinou neuvědomí některé zákonitosti, kterými se určování a zakreslování sil řídí. Pozornost žáků je zaměřena na elektrostatiku a znalosti z mechaniky jsou upozaděny. Nicméně účastníci setkání byli rychlí a bez nejmenší chybičky síly zakreslili. Ostatně v pracovním listu, který jsem jim dal, si mohou znalosti ověřit a protrénovat.

Poté jsme zavedli elektrickou intenzitu, i když jsem se předem omluvil, že na základní škole se tento pojem asi neuvádí. Přesto účastníci souhlasili s tím, že pojem připomeneme.

„Směr elektrické intenzity lze buď žákům oznámit, nebo je nechat rozkreslit čtyři situace, na základě kterých pak vymyslí obecný postup,“ usmívám se a většině zúčastněných je jasné, co bude následovat. Mezitím ty čtyři situace kreslím na tabuli. Za vydatné nápovědy ze třídy během několika minut zakreslíme požadované vektory elektrostatické síly a elektrické intenzity.

„Na základě těchto obrázků lze tedy vyslovit pravidlo, že elektrická intenzita vždy směřuje od kladného náboje směrem k zápornému. A to i v případě, kdy uvažujeme radiální pole buzené jedním typem náboje. Ten druhý je v tomto případě prostě velmi daleko, tedy v nekonečnu,“ dodávám.

„A to souvisí se směrem elektrického proudu v obvodu?“ zazní dotaz ze třídy.

„Může, ale řekl bych, že to tak není. Směr elektrického proudu byl zaveden domluvou v době, kdy se o částicích přenášejících elektrický proud nevědělo. První pokusy s elektřinou a rozumnými zdroji napětí se prováděly od začátku 19. století, první zmínka o elektronu, který přenáší elektrický proud v kovech, zazněla v přednášce pana Thomsona koncem 19. století a až později Millikan existenci elektronu prokázal.“

„Dobře, jen jsem chtěla vědět, zda to nesouvisí.“

„Jak říkám, může, ale nemusí. Spíš se kloním k tomu, že to je domluva. Podobně, jako se v optice definují úhly dopadu, odrazu a lomu vždy mezi paprskem a kolmicí dopadu a ne mezi paprskem a rozhraním dvou prostředí. Kdyby se úhly definovaly jinak, nebude ve Snellově zákonu lomu vystupovat funkce sinus, ale jiná,“ uzavíráme diskusi.

V mezičase, kdy účastníci setkání přemýšleli o zakreslovaných silách, jsem si odskočil vedle do kabinetu zapnout 300wattovou žárovku, která byla namířena na kovový koš na odpadky. To účastníci nevěděli - ti koš viděli, až když jsem ho přinesl do učebny. Důvod, proč jsem ho osvětloval výkonnou žárovkou, byl jednoduchý: koš jsem chtěl ohřát, aby se na něm nesrážela vlhkost ze vzduchu. Při dnešním počasí to bylo zvlášť nutné.

„Teď si můžeme ukázat princip Faradayovy klece. Uvnitř nabitého vodivého tělesa,“ a ukazuji na koš, který jsem postavil na polystyrenové podložky, „je elektrická intenzita nulová. Důvodem je fakt, že elektrické náboje téhož druhu se vzájemně odpuzují, a proto se snaží být od sebe co nejdále. V tomto případě tedy na povrchu tělesa.“

Pokouším se koš, po jehož obvodu jsem vně i dovnitř zavěsil alobalové lístky navinuté na kancelářské svorce, nabít pomocí skleněné tyče třené kůží. Nedaří se mi to. Nakonec na radu účastníků setkání vezmu indukční elektriku a nabíjím koš pomocí ní. Alobalové lístky umístěné na vnějším povrchu se od koše odpuzují, lístky uvnitř se nepohybují.

„Tímto způsobem lze ukázat i princip činnosti kondenzátoru,“ říkám a připravuji si krátkou zářivku. „Daleko větší efekt to má, pokud koš, který nyní představuje už kondenzátor, nabijeme jen nabitou tyčí. To žáky překvapí více. Ale dnes to bohužel není možné.“ Když nyní přiblížím k nabitému koši zářivku, jejíž kontakty na jedné straně držím prsty, a dotknu se kontakty na druhé straně zářivky koše, zářivka blikne.

„Tak si žáci zapamatují, že kondenzátor je součástka, která dokáže krátkodobě uchovat elektrickou energii. To se používá i v praxi - stačí se podívat na jakýkoliv seriál z lékařského prostředí, kterých je vysíláno dost. A určitě uvidíte díl, ve kterém lékař používá defibrilátor. Dokonce zaznívají i správná slova: pozor, mám nabito, nabít a podobně. A nabitý kondenzátor defibrilátoru se pak vybije přes tělo pacienta se srdeční zástavou.“

Soudě podle úsměvů na tvářích účastníků se zdá, že se jim experiment líbil.

Před dalšími experimenty zavedu pojem plošná hustota elektrického náboje. Upozorním, že na základní škole se s ním žáci asi nesetkají, ale že lze ukázat i na toto téma zajímavé experimenty. Jedním z nich je i princip elektrostatického motoru, který využívá sršení elektrického náboje z hrotů hřebíků, mezi nimiž se nachází na stativu PET láhev. Jakmile se na hřebíky přivede elektrický náboj, začne se PET láhev otáčet. Tento experiment se zdařil na první pokus.

„Další pokus popíšu pouze slovně, protože nemám cigarety. Experiment lze provést i s kouřem svíčky, ale přiznám se, že to jsem nikdy nedělal. Vždy ve třídě najdu kuřáka, který s experimentem pomůže. PET láhev, v níž je vlepen hřebík připojený na banánek, naplní kuřák kouřem z cigarety. Láhev zavřeme víčkem, z pod kterého přesahuje alobal. Banánek i alobal připojíme k indukční elektrice a po přivedení náboje do láhve kouř zmizí. Ve skutečnosti se prachové částice, kterými je kouř tvořen, vlivem sršení náboje z hřebíku nabijí a přitáhnou se k nenabitým stěnám láhve. Po skončení experimentu je nutné láhev vytřít hadrem a lze jí pak opakovaně použít.“

Při pohledu na hodiny zjišťuji, že se pomalu blíží závěr setkání. Byl ale čas ještě na jeden experiment.

„Tento experiment běžně se žáky dělám, ale je na zvážení, jak jej využít na základní škole. Pokud deskový kondenzátor a jeho parametry běžně neprobíráte, tak to můžete zadat jako námět nějakého projektu, případně úlohu do výpočetní techniky. Chcete, abych experiment předvedl?“

Na odpověď jsem ani nemusel čekat, protože souhlasné přikyvování hlavou bylo vidět v celé učebně.

„Není to můj námět, ale kolegy Zdeňka Šabatky z KDF MFF UK v Praze. Deskový kondenzátor budeme modelovat knihou Zlaté stránky. Jednotlivé listy představují dielektrikum kondenzátoru a jako elektrody použijeme dva kusy alobalu. Pomocí multimetru, který umí měřit i kapacitu kondenzátoru, naměříme několik různých kapacit pro různou vzdálenost desek, tedy pro různě silnou vrstvu dielektrika. Hodnoty budeme zapisovat průběžně do počítače - mám totiž připravený notebook v software Mathematica. Pokud tento software nemáte, tak lze měření zpracovat i v Excelu. Poprosím ale o spolupráci.“

Jedna účastnice si sedla k počítači a zadávala naměřená data přímo do notebooku a všichni ostatní to mohli na plátně případně kontrolovat. Další pomocnice pomáhala s tvarováním kondenzátoru – bylo nutné zajistit pokud možno stálou sílu působící na zavřené Zlaté stránky tak, aby se kapacita takto modelovaného kondenzátoru měnila pouze v závislosti na vzdálenosti elektrod a ne vlivem mezer mezi jednotlivými listy knihy. Během několika minut bylo naměřeno.

„Já to mám nyní připraveno tak, že Mathematica vykreslí závislost kapacity kondenzátoru na počtu listů papíru mezi elektrodami, pak přepočet na závislost kapacity kondenzátoru na vzdálenosti mezi deskami a na závěr vykreslí i aproximaci naměřených dat a vypíše příslušnou rovnici,“ uvedl jsem a na obrazovce počítače se příslušné grafy a rovnice objevily.

„Pochopitelně, že mohu na základě našeho měření určit i relativní permitivitu papíru Zlatých stránek,“ říkám a spouštím příslušný výpočet. Vypočtené hodnoty sice mírně kolísají, ale přesto je relevantní vypočítat průměrnou hodnotu. Ta vychází přibližně 2,2. Beru tabulky a hledám relativní permitivitu v tabulkách; pro papír je uvedeno rozmezí hodnot 2,0 až 2,5. Měřili jsme tedy dobře.

„V rámci delší práce je pak možné porovnávat různé typy papíru - Zlaté stránky, novinový papír, letákový papír, papír, na kterém jsou tištěny knihy, a podobně,“ navrhuji další náměty.

Tím jsme ale vyčerpali čas vyhrazený pro naše setkání. Proto jsem se začal s účastníky setkání loučit a omluvil jsem se za experimenty, které se nepodařily. Snad budu příště úspěšnější.

Pak jsme ještě s několika účastnicemi diskutovali nad vhodným materiálem k pohonu mechanického van der Graaffova generátoru: ve školách jsou staré přístroje, které jsou celkově funkční, jen věkem zpuchřely vodící pásy. Bohužel v tomto zkušenost nemám, ale pokusím se poradit s ostatními fyzikáři.

Články s poposanými experimenty:

Materiály ze setkání, které jsou účastníkům k dispozici:

Průběh druhého setkání zobrazují fotografie.

Autorka fotografií:

Martina Kotibová

© Jaroslav Reichl, 9. 10. 2015