Hrátky s povrchovým napětím

Miroslav Jílek

Asi neexistuje nějaká univerzální výuková metoda, která by fungovala jako kouzelný proutek, pod jehož mávnutím se žáci a studenti hromadně mění v geniální a zapálené odborníky na fyziku. To také určitě není hlavním cílem výuky, alespoň na všeobecně vzdělávacích školách. Přesto se dá dělat mnohé proto, aby studenti neodcházeli ze škol s představou fyziky jako nepochopitelné a neužitečné disciplíny, ale aby dokázali v nejrůznějších oblastech profesního a koneckonců i soukromého života zužitkovat specifické dovednosti řešení problémů a kritického pohledu na svět, které může fyzika poskytnout.

Příspěvek popisuje konkrétní příklad výuky fyziky na střední škole – kapitoly o povrchovém napětí kapalin – s důrazem na rozvíjení praktických dovedností a samostatného přístupu studentů.

Konkrétní příklad

Podívejme se na jednu z možností, jak lze na střední škole vyučovat část kapitoly o vlastnostech kapalin s poukazy na to, čím se takový přístup liší od klasické výuky a v čem může být pro studenty přínosnější. Je samozřejmě potřeba zdůraznit, že se nejedná o nějaký jediný správný návod na to, jak učit fyziku, protože každému vyučujícímu vyhovuje trochu jiný styl, který může být maximálně efektivní právě ve spojení s individuálním založením toho kterého učitele.

Kapitolu o struktuře a vlastnostech kapalin, která se obvykle probírá v druhém ročníku středních škol, můžeme začít například otázkou: Proč nedokáže člověk kráčet po hladině vody podobně jako drobný vodní hmyz – vodoměrky nebo bruslařky? Studenti (pokud jsou alespoň trochu zvyklí na společnou diskusi při hodinách) začnou pravděpodobně vymýšlet různé více či méně přesné argumenty, proč tomu tak je. Přijmeme rozumné nápady, poukážeme stručně na nedostatky v argumentech a vyzveme studenty, aby se pokusili nejdříve krátce experimentálně prozkoumat, jak se chová povrch vody. Rozdáme jim (např. do dvojic) libovolné mističky s vodou a necháme je, aby se na hladinu vody pokusili položit různé drobné předměty jako padesátníky, tenké plíšky, jehly atd. Jako pomůcka pro pokládání může sloužit zahnutá kancelářská sponka. Upozorníme studenty, aby si dobře prohlédli, jak vypadá povrch vody v okolí položených předmětů, a aby se zamysleli nad tím, proč a za jakých podmínek se dva položené předměty (kupř. padesátníky) přitahují k sobě. Mohou se také pokusit vymyslet, jak přemístit padesátník na druhou stranu misky, aniž by se ho čímkoli dotkli.

Výsledky pozorování by měly napomoci v další společné diskusi o tom, co vlastně drží předměty na hladině. Povrch vody se pod předměty prohýbá podobně, jako když se postavíme na trampolínu. Můžeme z toho usuzovat, že povrch vody je nějakým způsobem pružný – když se ho snažíme natahovat, stahuje se zpátky. Kde se bere síla, která způsobuje stahování povrchové vrstvy vody a na čem závisí její velikost?

Studenti většinou sami přijdou na to, že velikost této síly, budeme jí říkat povrchová, nějak závisí na délce okraje, kterým se voda dotýká předmětu – naplocho položený padesátník má poměrně dlouhý okraj (obvod), za který ho povrchová vrstva „vytahuje nahoru“, proto se padesátník udrží na hladině. Pokud však zkusíme padesátník položit na hladinu ve svislé poloze, je délka okraje malá a povrchová síla padesátník neudrží. Abychom přesněji ověřili závislost mezi délkou okraje a povrchovou silou, můžeme připravit velmi jednoduché vážky (ze špejle, dvou špendlíků a několika kancelářských sponek), které umožňují změřit, jak velká síla je potřebná k odtržení různě dlouhých kousků špejle od povrchu kapaliny. Je vhodné, aby si v některé z příštích hodin studenti takové zařízení sami vyrobili v rámci laboratorních cvičení a příslušné závislosti proměřili podrobněji. Konkrétní popis zařízení i jeho použití je možné nalézt na internetových stránkách1, kde je dané téma podrobněji zpracováno jako krátký projekt vhodný pro výuku nazvaný Hrátky s povrchovým napětím.

Jak konkrétně souvisí vznik povrchových sil se vzájemným silovým působením mezi molekulami kapaliny a vzduchu, je potřeba studentům přiblížit pomocí modelu, který je běžně uváděn v učebnicích fyziky. Během jeho vysvětlování studenty navedeme k logickému závěru, že velikost povrchové síly bude zřejmě záviset také na druhu kapaliny, kterou používáme. Zeptáme se, zda by uměli vymyslet experiment, který by takový závěr potvrdil, eventuálně vyvrátil. Často brzy přijdou na to, že bychom třeba mohli měřit povrchovou sílu pro různé druhy kapalin pomocí výše zmíněného vyrobeného zařízení. Navrhneme, že takové podrobnější měření necháme na zmiňovaná laboratorní cvičení. Místo toho si mohou studenti vyzkoušet jednoduché kvalitativní pokusy dokazující různou povrchovou sílu u rozličných kapalin. Na hladinu vody například položí malou raketku vystřiženou ze silného kartonu a za ni kápnou trochu mýdlového roztoku. Raketka přitom vystřelí dopředu, protože povrchová síla vody, která ji táhne zepředu, je větší než povrchová síla mýdlového roztoku, který ji táhne opačným směrem.

Výsledkem experimentálního zkoumání je, že velikost povrchové síly, která je schopna udržet na hladině drobné předměty, závisí na délce okraje povrchové vrstvy a na veličině, kterou nazveme povrchové napětí, a jež je charakteristická pro tu kterou kapalinu. S využitím zjištěné závislosti můžeme vyřešit několik jednoduchých příkladů a také upozornit na zajímavý problém, který se týká padesátníku položeného na hladině. Vypočítaná velikost povrchové síly, která táhne padesátník nahoru, je totiž pouze zhruba poloviční než tíha padesátníku (zjištěná zvážením), jež ho táhne dolů. Jak je tedy možné, že se padesátník nepotopí? Vyřešení problému můžeme podle času, který máme k dispozici, zadat jako dobrovolný domácí úkol, nebo ho nechat řešit ve skupinkách přímo při hodině. Studenti si musí při řešení vzpomenout na Archimedův zákon a k povrchové síle připočítat ještě vztlakovou sílu, která rovněž působí na padesátník „zabořený“ kousek pod úroveň okolní hladiny.

Nakonec se můžeme vrátit k úvodnímu problému chůze člověka po vodě. Studenti už pravděpodobně sami přijdou na to, že povrchová síla, která by působila na chodidla, je příliš malá na to, aby vyrovnala tíhu člověka. Dokážou již také rychle spočítat, že by člověk pro chůzi po hladině s využitím povrchové síly potřeboval několik kilometrů dlouhé nohy.

Po tomto zjištění je vhodné poukázat na to, že fyzikální zákony mohou mít rozličné důsledky při různých velikostech zkoumaných objektů.

Příklad

Člověk je řádově stokrát větší než vodoměrka, a tedy může mít zhruba stokrát delší nohy (chodidla). To znamená, že i povrchová síla, která by ho držela na hladině, je stokrát větší než u vodoměrky. Hmotnost člověka však (stejně jako jeho objem) závisí na součinu výšky, délky a šířky, a tedy je ne stokrát, ale řádově milionkrát větší než hmotnost vodoměrky. Povrchová síla se tedy při stonásobném zvětšení zvýší stokrát, kdežto tíha, která táhne člověka dolů, se zvýší milionkrát – proto se člověk na hladině neudrží.

Obdobné vysvětlení má mnoho zdánlivých paradoxů a „rekordů“ ze světa hmyzí říše, v nichž drobní živočichové skáčou do mnohonásobně větší výšky, než jsou sami, dokážou přenášet neúměrně těžké náklady apod.

Jaké jsou základní charakteristiky nastíněného přístupu

Výše popsaný program je možné (kromě laboratorních cvičení) uskutečnit během jedné až dvou vyučovacích hodin. Základní probrané poznatky, a dokonce i některé motivační pokusy se přitom neliší od učebnicového zpracování tématu2. Jde tedy spíše o způsob, jakým je látka podávána, a o dovednosti, na které je přitom kladen důraz.

Základní schéma spočívá v tom, že by nemělo jít o jednosměrný proces předávání definic a pouček od učitele ke studentům, nýbrž o společné hledání nových poznatků a rovněž různých způsobů přístupu k problémům. Snahou je nechat studenty zkoumat a promýšlet probíranou látku, učitel je spíše v roli moderátora, který dává podněty a usměrňuje postup studentů.

Podmínkou k přínosné diskusi i další práci je samozřejmě dobrá komunikace mezi studenty a učitelem, stejně jako dohodnutá „pravidla hry“ (aby se přirozené pracovní prostředí nezměnilo v nezvladatelný babylon). Zvláště u starších studentů, kteří nejsou zvyklí z dřívějších let nebo jiných předmětů na komunikativní způsob práce, může trvat delší dobu, než se „odváží“ mít svůj vlastní názor a nestydí se ho prezentovat před druhými. Někdy je obtížné studentům vysvětlit, že nemusejí mít na vše okamžitě správné odpovědi a že i nepřesný názor je v procesu učení mnohem cennější než obvyklé: „Já nevím.“

Zdravá pochybnost a schopnost rozlišovat nejsou chápány jako snahy snižovat autoritu učitele. To, že něco tvrdí učitel, ještě není hlavním kritériem pravdy. Pokud je to jen trochu možné, měli by studenti mít možnost přesvědčit se prakticky o platnosti probíraných zákonitostí a také o omezeních spojených s jejich využíváním. Pokusy tedy neslouží pouze k odreagování a pobavení, ale studenti by je měli být schopni správně interpretovat, využívat jejich výsledků k formulaci obecnějších závěrů a v nejlepším případě také navrhovat nové pokusy a jejich modifikace.

Podobně i řešení početních úloh a problémů by nemělo sklouzávat k mechanickému a bezmyšlenkovitému dosazování do vzorečků. Často lze ukázat, že řešený problém nemusí souviset pouze s jediným zákonem či teorií, ale že je potřeba jako ve většině reálných úloh uvažovat více vlivů.

Je asi zřejmé, že při opakování a prověřování získaných znalostí se nehodnotí schopnost naučit se nazpaměť příslušné odstavce z učebnice nebo vyřešené příklady, které se opíšou do písemky, případně odrecitují. I když je to pro většinu studentů náročnější, měli by se i při samostatném učení snažit promýšlet, jak a proč spolu jednotlivé poznatky a zákonitosti souvisí a jak se změní řešení nějakého problému, pokud upravíme nebo doplníme jeho zadání.

Závěrem

Popsaný přístup neklade větší nároky pouze na studenty, ale i na učitele. Příprava pokusů a praktických činností pro studenty zabere nějaký čas navíc a také je zřejmě jednodušší odpřednášet dané téma než se snažit o vzájemnou diskusi, při níž musí učitel často vhodně a pružně reagovat na nové, nečekané podněty. Na druhou stranu je právě taková aktivita a potřeba učit se nové věci a přístupy pro učitele velmi přínosná a může mu být vedle zájmu studentů neocenitelnou odměnou.

Některé další náměty na práci se studenty v hodinách fyziky jsou uvedeny kupříkladu i ve sbornících3 a přístupné v elektronické formě na webových stránkách4.

Literatura

  1. http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/uvod/uvodni.htm
  2. Bartuška, K. – Svoboda, E.: Fyzika pro gymnázia – Molekulová fyzika a termika. Prometheus, Praha 2000.
  3. Jílek, M.: Fyzika jako zážitek. In: Sborník konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 8, České Budějovice 27.–29. 8. 2003. Ed.: Šerý, M. JU, České Budějovice 2003. – Jílek, M.: Několik nápadů nejen z kroužků fyziky. In: Sborník konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 9, Brno 25.–27. 8. 2004. PAIDO, Brno 2004.
  4. http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/

Autor je učitel matematiky a fyziky na gymnáziu v Poličce, externí doktorand na MFF UK v Praze, spolupracovník projektu Heureka. Email: miroslav.jilek@matfyz.cz

Navigátor
Chci se podívat na:
Chci vyhledat:
Právě se nacházíte na:
homepage KM
Kritické listy

[ukázat mapu celého webu]
Kritické listy
Čteme s porozuměním


E-infosíť
Přihlášení do e-mailové infosítě Vám zaručí zasílání novinek a aktualit přímo na Váš e-mail. (více informací)
jméno:
e-mail:
cislo:
zde napište: 531
 
Je již přihlášeno 2014 lidí.
Projekt ESF
Investice do rozvoje vzdělávání

Ostatní

Licence Creative Commons
Kritické myšlení, jejímž autorem je Kritické myšlení, o.s., podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Nezasahujte do díla 3.0 Česko .
Vytvořeno na základě tohoto díla: www.kritickemysleni.cz