Heuréka - 2. seminář (mechanika a kapalný dusík)

Od pátku 1. 4. 2016 do neděle 3. 4. 2016 se konalo v budově SPŠST Panská v ulici Malá Štupartská druhé setkání semináře Heuréka pro střední školy. Seminář podporuje KDF MFF UK Praha.

Na přání účastníků minulého setkání jsme začali v pátek večer hned „na tvrdo“ fyzikou. Žádné fyzikální hrátky, žádná pexesa a podobně, ale hezky pěkně fyzikou. Vzhledem k tomu, že jsme minule skončili gravitačním polem, pokračoval jsem ukázkou jednoduchého (i když relativně drahého) experimentu, pomocí kterého lze simulovat pohyb těles v gravitačním poli jiných těles. Pomůcka je vyrobená z obruče na cvičení, na kterou je natažená plavkovina. Ta se používá k výrobě plavek, ale (z hlediska tohoto experimentu) je také velmi dobře pružná. Do ní jsem položil „vylepšený“ tenisový míček, kolem něhož pak obíhala malá ocelová kulička. Míček byl totiž vylit olovem a díky své hmotnosti 880 gramů plavkovinu prohnul. Tím simuloval gravitační potenciální jámu.

Pak jsme pokračovali odvozováním souvislosti mechanické práce a energie, samotné mechanické práce, kinetické energie a potenciální energie. Vše jsme řádně okomentovali, jak z hlediska didaktiky fyziky, tak hlediska praktických výpočtů. Když jsme pak na základě experimentu vyslovili zákon zachování mechanické energie resp. zákon zachování energie a první blok programu skončil, nabídl jsem účastníkům semináře:

„Máte-li zájem, připravil jsem před pár lety pro žáky kartičky s obrázky a kartičky se vztahy vyplývajícími ze zákona zachování energie. Cílem je přiřadit jednotlivé kartičky k obrázkům. Ale není to tak snadné, jak to vypadá. Je nutné číst jak vztahy, tak popisky na obrázcích velmi pečlivě.“

„Ano, to si chceme zkusit,“ ozvalo se z několika stran.

„Pak tu mám kartičky, na kterých je zobrazena smrt různých zvířat. Zní to děsivě, ale pokud chceme jíst maso, tak je nutné zvíře nějak usmrtit. Cílem této aktivity je popsat změny energie, které vedly ke smrti zvířete zobrazeného na obrázku,“ doplňuji.

„A pak tu mám kartičky s fotografiemi, u kterých je nutné popsat energetické změny na obrázku zobrazené nebo z hlediska zákona zachování energie popsat daný přístroj nebo pomůcku,“ uzavírám nabídku.

Většina účastníků se shlukla kolem několika stolů a začala řešit energiové hlavolamy. Ke cti jim slouží to, že přiřazování obrázků ke vztahům většina z nich zvládla!

První sobotní blok jsme začali krátce po půl deváté ráno experimentem vztahujícím se ještě k zákonu zachování energie. Podobné experimenty lze v nejrůznějších velkých provedeních shlédnout ve vědeckých centrech nebo na internetu. Několik dobrovolníků se našlo, kteří chtěli zažít ten pocit, když na ně letí dvoulitrová PET láhev plná vody. Láhev přitom startovala z klidu při dotyku nosu dobrovolníka.

Pak následoval motivační experiment k výkladu mechanického výkonu. Dvě dobrovolnice měly za úkol přeházet písek o vzájemně stejné hmotnosti z kelímku do misky užitím různě velkých lžic. Účastníci se po skončení experimentu a jeho vysvětlení shodli, že podobný experiment (i když třeba s jinými pomůckami) se žáky také dělají.

Blok před obědem jsme otevřeli zavedením pojmu tuhé těleso a pokračovali v dalších vlastnostech tohoto tělesa. Při zavádění dvou typů pohybů tuhého tělesa najednou začal ve třídě šum.

„Takhle to zavádíš? Tak to ale v učebnici není,“ volali na mě.

„Ano, takhle to zavádím,“ odpovídám a ptám se, kde je problém. Problém se ukázal být v tom, že já zavádím posuvný pohyb tuhého tělesa pouze tak, že jednotlivé body tuhého tělesa se pohybují po navzájem rovnoběžných úsečkách, zatímco učebnice uvažuje v tomto smyslu o obecném pohybu, při kterém se těleso neotočí (tedy i takový, kdy se těžiště tělesa pohybuje např. po části kružnice). Během diskuse jsme pochopili, že nejsme schopni rozhodnout, která varianta je správně.

„Co kdybychom to probrali, až se odpoledne dostanu k energii tuhého tělesa, kvůli které to vlastně takhle zavádím?“ navrhuji. „Třeba uvidíte, proč to tak dělám.“

S tím ostatní souhlasili. Proto jsme pokračovali dále zavedením momentu sil a konvence znamének momentu sil.

„Ty nedefinuješ pravidlo pravé ruky? Ani moment sil jako vektor?“ zděšeně se diví účastníci.

„Ne, zavádím jen znaménko momentu sil, jako vektor to nezavádím, protože na úrovni střední školy to podle mě není potřeba,“ snažím se obhájit léta ověřený styl výuky. „Nenarazil jsem na střední škole na úlohy, které bych bez toho, o čem mluvíte, nespočítal,“ vysvětluji. „Navíc, vektorový součin stejně v prvním ročníku nemůžu použít. To zpřesním ve čtvrtém ročníku v rámci opakování před maturitou.“

„Aha, ale v učebnici to tak zavádějí,“ argumentují někteří účastníci.

„To bude možná tím, že učebnici nepoužívám,“ usmívám se.

Účastníci chápou a přikyvují, že vlastně některé věci v učebnici jsou zbytečně kostrbatě zavedené a zbytečně složité. Jako přímou aplikaci momentové věty zkoušíme vážit drobné předměty (mince, prstýnky, …) pomocí listu papíru formátu A4; nápad pochází od Zdeňka Poláka z Náchoda.

Před odchodem na oběd ještě stihneme spočítat jednu úlohu na rozklad sil.

„Experimenty doplňující tuto úlohu mám připraveny, ale projdeme je až odpoledne,“ dodávám.

V rámci přípravy na odchod z budovy školy kontroluji mobilní telefon. A tam mě zaujme SMSka od školníka: „Ahoj, nahoru. Mám tu zbytek dusíku v nádobě, která nemá uzávěr. Do pondělí to vyprchá bez užitku, nechcete si s tím pohrát?“ Školník se totiž podílí na distribuci kapalného dusíku firmou Kryoservis. Tak máme o zábavu na odpoledne postaráno. Proto cestou z oběda odskočím do potravin nakoupit mandarinky a sušenky.

První blok po obědě je tedy věnován hrátkám s kapalným dusíkem.

„Chtěli jste po mechanice probírat termiku, tak se to krásně hodí,“ usmívám se na začátku bloku. „Navíc v současné době je kapalný dusík relativně snadno dosažitelný - ve větších městech jsou přímo nějaké specializované firmy, v menších městech zkuste nemocnice nebo veterinární stanice. A když řeknete, že to máte na pokusy pro děti, bude to možná i s výraznou slevou,“ radím na základě vlastní zkušenosti.

Pak jsme postupně prošli jak již klasické experimenty s kapalným dusíkem, tak nápady, které nás napadaly přímo na místě:

Ač jsme tento blok přetáhli asi o půl hodiny, byli všichni spokojení a dostatečně fyzikálně vyřádění. Do přípravy experimentů, nápadů i realizace se totiž vrhali všichni.

Po půlhodinové pauze jsme pokračovali dále v tématu začatém před obědem: experimentálně jsme ukázali důsledky rozkladu sil velmi jednoduchým experimentem. A v neděli dopoledne jsme se k tomuto experimentu vrátili znovu, když jsme řešili tvar láhve od vína, která se bude dobře fyzikálně otevírat.

Poté si mohli všichni, kdo chtěli, zkusit rozklad sil na fakírském loži, které v rámci absolventského projektu spolu s dalšími pomůckami vyrobil žák školy Marek Vočadlo (třída 11L). Pro některé dámy byly hřebíky fakírského lože příliš daleko od sebe, a proto je stání na nich bolelo. Ale šli do toho hrdinně. Vica dokonce zkusila (a velmi si to pochvalovala) sezení na fakírském loži.

Následoval výpočet rovnováhy na nosníku, který byl podepřený ve dvou bodech, s diskusí o možném zanedbání některých aspektů úlohy. Pak jsme prošli velmi stručně jednoduché stroje, z nichž zejména kladky jsem všem ukázal.

„Tento kladkostroj sestrojil kolega Malát pro své žáky,“ představuji sofistikovaný kladkostroj, který chtěl kolega v týdnu před seminářem už rozložit, aby nezabíral zbytečně místo. „A dva typy kladek ukážu mezi dveřmi,“ říkám a beru příslušné pomůcky a mířím mezi dveře vedoucí z učebny na chodbu.

„To je dobrý nápad využití ten rám nade dveřmi,“ usmívá se někdo a hned si dělá poznámky, jak ve své učebně fyziky lépe předvést kladky. „Normálně to dávám na stojan, ze kterého to padá, nedrží to ve stabilní poloze a jsou s tím jen maléry. Tohle je super!“

„Teď bychom se měli bavit o těžišti, ale metodika výuky těžiště byla na různých seminářích Heuréky už poměrně dost probíraná,“ konstatuji před dalším tématem.

„Tak to projeď rychle,“ usmívají se účastníci semináře.

Jak si účastníci přáli, tak jsem udělal. Postupně jsme si v souvislosti s těžištěm prošli:

Po večeři jsem pak půjčil účastníkům různé hračky, které jsou založeny na správné poloze těžiště v tělese a které vypadají na první pohled velmi neskutečně. Pokračovali jsme ukázkou rozložení velikosti sil na nosníku, který jsme spočítali předtím teoreticky, pomocí dvou siloměrů firmy Vernier. Nikoho po předem provedeném výpočtu nepřekvapilo, že naměřená závislost velikosti síly zatěžující podpěry nosníku (tj. použité siloměry) na vzdálenosti zátěže od jednoho ze siloměrů je lineární. V souvislosti se stabilitou těles jsme otestovali, dle návodu od Katky Lipertové, kdo z přítomných je muž či žena. A překvapivě jsme dostávali správné výsledky. Na závěr večerního setkání jsme odvodili kinetickou energii posuvného i rotačního pohybu tuhého tělesa, čímž jsme se znovu vrátili k ranní diskusi o typech pohybu tuhého tělesa. A nakonec snad zavládla pohoda, že jsem se ráno nedopustil žádného fyzikálního zjednodušení nebo podvodu. Diskuse nad experimenty týkající se momentů setrvačnosti těles vystřídala jedna vzorově spočítaná úloha na téma poloha těžiště tělesa. I řešení této úlohy ovšem přineslo řadu námětů na alternativní řešení.

V neděli ráno jsem ukázal několik experimentů na téma setrvačníky, vysvětlili jsme jejich význam pro praktické použití a popsali jejich činnost fyzikálně. Pak jsme se vrhli na další tematický celek, kterým byla mechanika tekutin. Začali jsme standardním popisem vlastností kapalin a plynů a na vyžádání či hecování účastníků jsem běhal pro další pomůcky, abych dokázal nebo vyvrátil jejich nápady. Během nedělních bloků jsme zvládli projít vlastně jen tlak, ale zato ze všech hledisek:

Experimenty, které jsem převáděl, jsem nechával vysvětlovat účastníky semináře a ve většině případů upozorňoval na praktické využití předváděných experimentů.

Krátce před dvanáctou hodinou jsme skončili a postupně začali odcházet na různé dopravní prostředky, které nás dopraví domů. Termíny dalších setkání, které jsem nabídl v pátek večer, všichni schválili. Tak snad se zase sejdeme na podzim.

Materiály ze setkání, které jsou účastníkům k dispozici:

Popis experimentů:

Průběh druhého semináře je zobrazen na fotografiích.

Poděkování:

Petr Kotlík (firma Kryoservis) za dodání kapalného dusíku.

Autoři fotografií:

Martina Kotibová

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 6. 4. 2016