METODICKÉ LISTY. výstup projektu Vzdělávací středisko pro další vzdělávání pedagogických pracovníků v Sokolově

Transkript

1 METODICKÉ LISTY výstup projektu Vzdělávací středisko pro další vzdělávání pedagogických pracovníků v Sokolově reg. č. projektu: CZ.1.07/1.3.11/ Sada metodických listů: KABINET FYZIKY Název metodického listu: DYNAMIKA METODY

2 Název příspěvku Jméno autora Stručná anotace Dynamika Ing. Rostislav Gondík Metodický list je rozdělen na čtyři části. První část je věnována didaktické analýze tématického celku z učiva fyziky pro střední průmyslové školy. Pro vybraný celek byly stanoveny a pomocí aktivních sloves formulovány hlavní a specifické cíle. Druhá část obsahuje metodické listy na dvě na sebe navazující vyučovací hodiny. Třetí část popisuje řešení problémové úlohy včetně návrhu několika nesprávných hypotéz, které by žáci mohli kromě správných vymyslet. Ve čtvrté části je rozpracován heuristický rozhovor na zvolené téma. Očekávaný výstup vzhledem k RVP ZV správně používá fyzikální pojmy používá nové fyzikální veličiny (síla, hybnost, impuls síly) vysvětlí fyzikální jevy, definuje pohybové zákony rozlišuje fyzikální realitu a fyzikální model pracuje s fyzikálními rovnicemi, příslušnými jednotkami, grafy řeší jednoduché fyzikální problémy provádí samostatně jednoduchá fyzikální měření Rozvíjené klíčové kompetence Průřezové téma Organizace časová Nutné pomůcky a prostředky Kompetence občanské poznáním základních fyzikálních zákonů si vytváří pozitivní postoj k okolnímu světu Kompetence sociální a personální provádí výpočty, experimenty v malých skupinách pod vedením vyučujícího, spolupracuje v kolektivu Kompetence k učení vyhledává nezbytné informace, rozvíjí svoji schopnost vstřebávat potřebné informace Osobnostní a sociální výchova Člověk a příroda 2 vyučovací jednotky Dataprojektor, videorekordér, přehrávač DVD,

3 základní pomůcky z kabinetu fyziky Použitá literatura a zdroje Lepil O. (2006): Fyzika pro střední školy, Prometheus Lepil O. a kol. (1995): Sbírka úloh pro střední školy Fyzika, Prometheus Poznámka Úvodem Podobně jako kinematika byl rozpracován a zvolen tématický celek dynamika, s metodickými listy zákon setrvačnosti a navazující zákon síly, řešení problémové úlohy potvrzení platnosti zákona zachování hybnosti a metodou heuristického rozhovoru formulování zákona akce a reakce. Soubor metodických listů představuje na konkrétních příkladech možnosti rozpracování vybraných témat, volby výukových metod a organizačních forem ve vyučování. 1. ÚKOL TÉMATICKÝ CELEK DIDAKTICKÁ ANALÝZA UČIVA DYNAMIKA PODMÍNKY Tematický celek je určen pro studenty prvního ročníku SŠ (30 studentů ve třídě). Výuka bude probíhat v učebně vybavené dataprojektorem, videorekordérem přehrávačem DVD. K dispozici jsou rovněž základní pomůcky z kabinetu fyziky. RÁMCOVÝ CÍL (provázanost učiva) Co se již žáci naučili: Používat nové pojmy z mechaniky, třídit pohyby těles podle různých kritérií, odvozovat vzorce potřebné pro řešení úloh, početně i graficky řešit úlohy o pohybech těles, řešit problémové příklady ze života, ověřit vybrané úlohy experimentálně, měřením. Co se naučí v dynamice: správně používat fyzikální pojmy (inerciální, neinerciální, interakce); zapsat a používat nové fyzikální veličiny (síla, hybnost, impuls síly); vysvětlit fyzikální jevy, definovat pohybové zákony;

4 rozlišovat fyzikální realitu a fyzikální model (pohybové zákony, vztažné soustavy); pracovat s fyzikálními rovnicemi, příslušnými jednotkami, grafy; řešit úlohy; řešit jednoduchý fyzikální problém a opatřit si k tomu vhodné informace (důkaz zákona zachování hybnosti); uplatnit obecné poznatky k vysvětlení konkrétního fyzikálního jevu (Galileiho princip relativity); provádět samostatně jednoduchá fyzikální měření, zacházet s přístroji, zpracovat a hodnotit výsledky získané při měření a vyvozovat z nich závěry. Co bude následovat: Již dokážeme vysvětlit, kdy a vzhledem k čemu se těleso pohybuje. V dynamice se naučíme vypočítat síly potřebné k tomuto pohybu a v další kapitole se dozvíme, kde získáme potřebnou energii, abychom mohli použít sílu k pohybu těles. OBSAH UČIVA Úvod seznámení s tematickým celkem, motivace. Zhodnotím práci studentů a dosažené výsledky, stručně zopakuji, co jsme se již naučili, seznámím studenty s tím, co řeší dynamika, kolik budeme novému učivu věnovat času, kolik budeme psát písemných prací, kolikrát a co budeme prakticky měřit. Připomenu, jaké jsou požadavky na vypracování laboratorního protokolu a zhodnotím dosavadní měření a úroveň vypracovaných laboratorních prací. MOTIVACE: Položím otázku: Co nového se dozvíme? K čemu nám to bude dobré? Co budeme řešit? Například: Představte si, že se volně vznášíte ve vodním sloupci v plechové ponorce bez oken, navigace a sonaru. Jste nervózní z toho, že nemůžete zjistit, kterým směrem vás proud unáší, nebo jestli jste relativně v klidu. Pokuste se navrhnout pokus, kterým byste zjistili váš pohybový stav. Nebo: Víte, že se na naší škole pořádá letos již po druhé soutěž modelů vozidel s reaktivním pohonem. V této kapitole se dozvíte důležité informace, které vám pomohou s konstrukcí modelů. Například, jak snížit tření. Navrhnout vhodné uložení a uchycení kol k rámu, jak vypočítat hybnost zplodin, proudícího vzduchu, práci reaktivního motoru. Měření můžeme provádět přímo na vašich modelech.

5 Vzájemné působení těles. Definovat pojem interakce, rozlišit interakce, popsat vzájemné působení mezi tělesy. Inerciální a neinerciální vztažná soustava. Popsat vztažné soustavy inerciální a neinerciální, nakreslit příklady a popsat je, vyjádřit vlastními slovy Galileiho princip relativity. Newtonovy pohybové zákony. Předvést, co může způsobit síla, která působí na těleso, popsat přístroj, kterým měříme sílu, označit sílu, znázornit ji, zapsat její jednotku, definovat sílu, vysvětlit, co se stane, když dvě síly, které jsou v rovnováze, působí na těleso, vybavit si, jak síla ovlivňuje pohyb tělesa, najít rozdíl mezi změnou pohybu tělesa a změnou směru pohybu tělesa, rozhodnout, která síla brání změně směru pohybu tělesa, popsat, jak se pohybuje těleso, na které nepůsobí žádná síla, popsat, jak se pohybuje těleso, na které působí síla, definovat třetí Newtonův zákon, argumentovat, proč se těleso nemůže rozjet, když je samo, zdůvodnit, proč a jak se raketa pohybuje, řešit úlohy a problémové situace. Hybnost tělesa a impuls síly, zákon zachování hybnosti. Odvodit vzorce, definovat a zapsat fyzikální veličiny, odvodit k nim jednotky, předvést pokus, změřit potřebné veličiny a dokázat zákon zachování hybnosti, řešit úlohy a problémové situace. Nejčastější síly. Vyjmenovat a vybavit si již známé síly, rozčlenit je a uvést příklady, nakreslit příklady a síly v nich znázornit, definovat vzorce,

6 znázornit, jaký směr má třecí síla, zdůvodnit, proč tělesa na Zemi zastavují, uvést klady a zápory tření, uvést příklady, kdy a kde se projevuje Coriolisova síla. Síly působící při rovnoměrném pohybu po kružnici. Definovat vzorec pro výpočet dostředivé síly, diskutovat nad možnostmi, jak lze změřit odstředivou sílu, provést pokus a měření. PODKLADY KE STUDIU ZÁPIS DO SEŠITU viz poznámky k tematickému celku kinematika v závěru dokumentu METODY VÝUKY Výklad, diskuse, brainstorming, samostatná práce, experiment, řešení úloh, heuristické metody, metoda problémového výkladu, diagnostika. FORMY Frontální a skupinové.

7 2. ÚKOL PŘÍPRAVY NA HODINU Téma 1. VH: Zákon setrvačnosti Hlavní cíl Popisovat přírodní jevy, formulovat závěry, řešit problémy, podněcovat žáky k tvořivému myšlení, komunikovat. Specifické cíle Předvést, co může způsobit síla, která působí na těleso, popsat přístroj, kterým měříme sílu, označit sílu, znázornit ji, zapsat její jednotku, definovat sílu, vysvětlit, co se stane, když dvě síly, které jsou v rovnováze, působí na těleso, vybavit si, jak síla ovlivňuje pohyb tělesa, najít rozdíl mezi změnou pohybu tělesa a změnou směru pohybu tělesa, rozhodnout, která síla brání změně směru pohybu tělesa, popsat, jak se pohybuje těleso, na které nepůsobí žádná síla. OPAKOVÁNÍ Frontální diskuse učitel x žák: Opakování učiva bude provedeno formou ústního zkoušení. Během zkoušení učitel zkontroluje zkoušenému sešit. Motivace Učitel Naučili jsme se mnoho o pohybujících se tělesech. Dnes se zaměříme na síly, kterými tělesa uvádíme do pohybu. V hodinách tělocviku soutěžíte v hodu do dálky kriketovým míčkem. Víte, že míček pár sekund po odhození spadne na zem. Pásmem pak změříte vzdálenost od místa odhození do místa dopadu. Představte si, že tuto soutěž uspořádáte ve vesmíru. Jak zjistíte, komu míček doletí dál? Během této hodiny se pokusíme najít na tuto otázku odpověď.

8 VÝKLAD Frontální brainstorming: Co už víme o síle? Žáci: Značí se F. Je to čára s šipkou. Jednotkou je jeden Newton. Já mám velkou sílu, měří se siloměrem. Vybereme podstatné údaje, provedeme zápis do sešitu. Frontální diskuse pokus : Říká se, že člověk má sílu. Zatlačím-li na houbu na stole prsty ruky z boční strany, houba se začne po stole pohybovat. Mohu říci, že síla mé paže přímým kontaktem donutila houbu k pohybu. Dokázali bychom to i na dálku? Dokáží na sebe tělesa působit i na dálku? Pokud ano, tak prostřednictvím čeho? Žáci: To je jasné, sílou vůle, telepatií, přenosem myšlenek. Učitel na nejapné poznámky odpoví pokusem. Z šuplíku vyndá stojánek s hrotem a střelkou kompasu a postaví jej na stůl. V kapse kalhot má schovaný silný neodymový magnet. Při další diskusi se vědomě pohybuje v blízkosti střelky tak, aby reagovala na magnet v kapse. Studenti znejistí a zvýší svou pozornost. Po odhalení si studenti zapíší do sešitu stručnou charakteristiku magnetického, elektrického a gravitačního pole. Budu-li působit silou na těleso a v pohybu mu bude bránit síla jiná, mohu ho silou deformovat. Provedeme jednoduchý pokus s houbou opřenou o tabuli. Frontální x učitel: Vraťme se v představách do vesmíru a vyřešme naši soutěž. Chceme-li odhodit míček, potřebujeme k tomu sílu. Čím bude těžší, tím bude i potřebná síla větší. To znamená, že míček o hmotnosti m se bude pohybovat po odhození rychlostí v. A bude se takto pohybovat tak dlouho, dokud se nevyskytne jiná síla, která se bude snažit tuto hybnost změnit. Nebude- li existovat v okolí jiná síla, poletí rovnoměrně, (v = konstantní se zrychlením a = 0) nebude nikam padat ani zatáčet. Pokud ale dojde k působení jiné síly, dojde ke změně hybnosti a míček buď zrychlí, nebo zpomalí, nebo změní směr pohybu, popřípadě zastaví.

9 Obrázek na tabuli. NÁSLEDUJE ZÁPIS DO SEŠITU HB v inerciální vztažné soustavě setrvává v klidu, nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, pokud není donucen vnějšími silami tento svůj stav změnit. Nelze ho v pozemských podmínkách ověřit (neexistuje těleso, na které okolí silově nepůsobí), charakterizuje setrvačnost jako základní vlastnost těles, říká, že ke změně pohybového stavu je nutné silové působení. Žákovský pokus x práce ve skupině: Na základní škole se při různých příležitostech hrály hry. Jednou z nich bylo urazit určitou vzdálenost s míčkem na pálce. Podobný pokus si vyzkoušejte. Místo pálky si vezměte čtvrtku s provázkem a společně s míčkem s ní pohybujte po stole. Pokuste se čtvrtku zrychlit, nebo táhnout tak, aby se z ní míček neskutálel. Prudce změnit směr pohybu nebo úplně čtvrtku zastavte.

10 Vyhodnocení pozorování a diskuse: NÁSLEDUJE ZÁPIS DO SEŠITU SETRVAČNÉ SÍLY Působí v neinerciálních vztažných soustavách (například rozjíždějící se nebo brzdící vlak, automobil v zatáčce, kolotoč), nevznikají působením jednoho tělesa na druhé, působí vždy proti směru zrychlení neinerciální soustavy, mají stejné účinky jako síly jiných druhů (deformační). Využití: odstředivky, centrifugy, odstředivá čerpadla, regulátory rychlosti. Vagon se pohybuje rovnoměrně přímočaře nebo je v klidu. Kulička se vzhledem k vagónu (inerciální soustavě) nepohybuje. Začne-li vagon zrychlovat, kulička se začne pohybovat (neinerciální soustava)

11 Pozorovatel na Zemi (v inerciální soustavě) vysvětlí pohyb kuličky pomocí zákona setrvačnosti kulička setrvává vhledem k zemi v klidu, pouze vagón se pohybuje se zrychlením. Pozorovatel uvnitř vagónu (v neinerciální soustavě) pozoruje kuličku, která se pohybuje sama od sebe zrychleným pohybem. Kuličku urychluje nově vzniklá síla (setrvačná) v důsledku neinerciality vagónu. Setrvačná síla: [ N] F s = F s = m a0 ZÁVĚR Učitel společně s žáky hodnotí výsledky výuky ve srovnání se zamýšlenými cíli. DOMÁCÍ ÚKOL Proč musíme v osobním automobilu používat bezpečnostní pásy?

12 Téma 2. VH : zákon síly Hlavní cíl Popisovat přírodní jevy, formulovat závěry, řešit problémy, podněcovat žáky k tvořivému myšlení, komunikovat. Specifické cíle Popsat, jak se pohybuje těleso, na které nepůsobí žádná síla, popsat, jak se pohybuje těleso, na které působí síla, předvést pokus, změřit potřebné veličiny a vysvětlit, jaký je rozdíl mezi oběma zákony. řešit úlohy a problémové situace. OPAKOVÁNÍ Frontální diskuse učitel x žák: Opakování učiva bude provedeno formou ústního zkoušení. Během zkoušení učitel zkontroluje zkoušenému sešit. Motivace Učitel x žák Často se mi stává, že když se studentů zeptám na Newtonovy pohybové zákony, slýchávám následující odpovědí: Je to něco o síle? Jo pravda. F=mg. I ne, to je ta setrvačnost. Tam se řeší ta akce a reakce. V lepším případě někteří jedinci odcitují naučené definice. A co vy? Jak jste na tom? Víte, čím se od sebe liší první a druhý pohybový zákon? Na závěr diskuse je pochválím a slíbím, že si na pokusech ukážeme rozdíl mezi oběma zákony. VÝKLAD Učitel x žák (pokus): Představte si, že budete mít za úkol táhnout na laně naložený důlní vozík pohybující se po kolejích. Musíte se pohybovat tak, aby lano nebylo prověšené, ale napnuté. Nákres na tabuli:

13 Pokud pomineme odporové síly, jak se budete pohybovat? Jak rychle musíte jít, aby lano bylo napnuté? Co by se změnilo, kdyby vozík byl prázdný? Společně se studenty vytvoříme hypotézu a pokusíme se ji dokázat pokusem a měřením. Budeme porovnávat oba pokusy, měřit a odvozovat, jak se mění zrychlení vozíku prázdného a naplněného pískem. Odvodíme vzorec a definujeme druhý Newtonův pohybový zákon.

14 NÁSLEDUJE ZÁPIS DO SEŠITU ZÁKON SÍLY: Síla, která působí na těleso, se rovná poměru změny hybnosti tělesa a doby, v níž tato změna nastala. F ( m v) p = = platí t t v a = potom F = m a t Pokud je F konstantní, těleso zrychluje rovnoměrně přímočaře ve směru působící síly F. Rychlost zrychleného pohybu: v at + v0 F m = v = t + v0 1 2 Dráha zrychleného pohybu: s at + v0t + s0 2 2 = s = t + v0t + s0 Učitel x žák: Následuje řešení úloh ze sbírky. První vyřeší vyučující, další žáci u tabule. Problémové úlohy mohou řešit ve skupinách (dvojicích). 1 2 F m ZÁVĚR Učitel společně s žáky hodnotí výsledky výuky ve srovnání se zamýšlenými cíli. DOMÁCÍ ÚKOL Učitel zadá příklady ze sbírky úloh určené k domácímu procvičování.

15 3. ÚKOL PROBLÉMOVÁ ÚLOHA Zákon zachování hybnosti Na rázostroji provedeme pokusy a potvrdíme platnost zákona zachování hybnosti. Poté se přesuneme k dráze s vozíky a formulujeme otázky. Analýza problémové situace: Jaké mohou nastat varianty? Co nás bude zajímat? Budou nás zajímat hmotnosti vozíků, jejich pohybový stav a rychlosti. Formulace problému: Vozíky jedoucí proti sobě Co se stane, když se srazí dva proti sobě jedoucí vozíky stejnou rychlostí a jsou-li plně naložené? Co se stane, když se srazí dva proti sobě jedoucí vozíky různou rychlostí a jsou-li plně naložené? Co se stane, když se srazí dva proti sobě jedoucí vozíky stejnou rychlostí, je-li jeden plně naložený a druhý prázdný? Co se stane, když se srazí dva proti sobě jedoucí vozíky různou rychlostí, je-li jeden plně naložený a druhý prázdný? Stejné otázky položíme pro pokusy, kdy jeden vozík je v klidu a druhý do něho narazí. Poslední sada otázek směřuje k situaci, kdy se oba vozíky pohybují ve stejném směru (různé rychlosti, různé hmotnosti). Problémový úkol: Vytvořte hypotézy výsledných pohybů při srážkách vozíků a ověřte je na pokusech. Návrh hypotéz: Hypotéza A: Předpokládejme, že se při srážce vozíky zastaví. Hypotéza B: Předpokládejme, že se při srážce vozíky odrazí a budou se od sebe vzdalovat. Hypotéza C: Předpokládejme, že se při srážce jedoucí vozíky zastaví a druhý se začne pohybovat. Hypotéza D: Předpokládejme, že se po srážce budou vozíky pohybovat společně stejným směrem. Která z hypotéz je správná?

16 Důsledky: Na tabuli sestavíme tabulku, do které budeme zapisovat výsledky pozorování a měření. Jednotlivé pokusy budeme porovnávat s hypotézami a vyhodnocovat. Důkaz provedeme i pomocí vzorců. Zobecnění: Velikost hybnosti: p = p = m v Změna hybnosti: p = m v1 m v2 pro m = konstantní p = m ( ) v 1 v 2 p = m v víme p = m a t F = m a p = F t v a = v = a t t Zákon zachování hybnosti: Celková hybnost izolované soustavy těles se vzájemným silovým působením nemění. (Hybnosti jednotlivých těles soustavy se měnit mohou.) p = p1 + p pn = konst. Zákon zachování hybnosti a zákon akce a reakce vysvětlují činnost proudových motorů, zpětný ráz při výstřelu apod.

17 4. ÚKOL heuristický rozhovor Zákon akce a reakce Učitel: nakreslí obrázek na tabuli a zeptá se: Chcete-li zvednout tašku, co k tomu potřebujete? Žáci: Sílu. Učitel: Zakreslí směr působení síly do obrázku. Vyskytuje se zde ještě nějaká jiná síla? Žáci: Ano. Je to síla, kterou drží planeta tašku na zemi. A tu už umíme vypočítat. Učitel: Zakreslí tuto sílu do obrázku. No jo, ale jak má být veliká? Žáci: Pokud ji namalujete stejnou, taška bude v klidu. Bude- li menší, taška spadne a bude-li větší, zvednete ji. Učitel: Představte si, že proti sobě spojím dva siloměry. Jeden konec uchopím do ruky a druhý zaháknu za tašku. Pomalu budu celou soustavu zvedat. Co asi vypozoruji?. Pokus provede. Žáci: Jak jste začal tašku zvedat, oba siloměry se napínaly stejně. Při návratu se společně zasunuly do výchozí polohy. Učitel: Jiný příklad. Dva magnety na korkových miskách, které plavou na vodě. Žáci: Síly magnetických polí donutí lodičky pohybovat se současně buď k sobě, nebo od sebe. Učitel: Poslední příklad opět zakreslí na tabuli. Dva spolužáci se chtějí přetahovat lanem. Oba přitom stojí na kolečkovém prkně. Zakreslete do obrázku síly, které vzniknou, když jeden z nich začne tahat za lano. Na závěr společně zhodnotí, že: Dvě tělesa na sebe navzájem působí stejně velkými silami opačného směru, které současně vznikají a zanikají. Síly akce a reakce se neruší, protože mají různá působiště. Autor obrázků: Ing. Rostislav Gondík