Magnetismus ve výuce fyzice. na základní škole

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA FYZIKY, CHEMIE A ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ Magnetismus ve výuce fyzice na základní škole Závěrečná práce Brno 2018 Vedoucí práce: Autor práce: Mgr. Tomáš Miléř, Ph.D. Mgr. Veronika Dočkalová

2 Bibliografický záznam DOČKALOVÁ, Veronika. Magnetismus ve výuce fyzice na základní škole: závěrečná práce. Brno: Masarykova univerzita, Pedagogická fakulta, KFChO sekce odborného vzdělávání, s. 56. Vedoucí bakalářské práce Mgr. Tomáš Miléř, Ph.D. Anotace Závěrečná práce s názvem Magnetismus ve výuce fyzice na základní škole je učební oporou pro začínajícího učitele fyziky a metodikou k provádění vybraných experimentů z magnetismu na základní škole. Práce je rozdělena do dvou částí. Teoretická část obsahuje základní pojmy, s nimiž by měl být žák seznámen. Náplní praktické části je soubor základních experimentů, jimiž je vhodné výuku doplnit. Klíčová slova Fyzikální vzdělání, didaktika fyziky, magnetismus, experimenty, pomůcky. Annotation The final thesis entitled "Magnetism in teaching physics at upper primary school" is a learning support for the beginner physics teacher and methodology for performing selected magnetism experiments at upper primary school. The thesis is divided into two parts. The theoretical part contains the basic concepts with which the pupil should be introduced. The content of the practical part is a set of basic experiments, which is appropriate to supplement the teaching. Keywords Physics education, didactics of physics, magnetism, experiments, aids.

3 Prohlášení Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci CŽV vypracovala samostatně, s využitím pouze citovaných pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů. V Brně dne 30. dubna podpis

4 Poděkování Ráda bych poděkovala vedoucímu práce Mgr. Tomáši Miléřovi, Ph.D. za cenné rady a doporučení.

5 Obsah ÚVOD... 6 TEORETICKÁ ČÁST Magnetismus Objev magnetismu Magnetické působení Rozdělení magnetik Kontrolní otázky Magnet Póly magnetu Druhy magnetů Využití magnetů Kontrolní otázky Magnetizace Magnetická indukce a magnetování Dočasná magnetizace Trvalá magnetizace Demagnetizování Kontrolní otázky Magnetické pole Magnetické indukční čáry Magnetické pole Země Magnetické pole planet Kompas Kontrolní otázky...25 PRAKTICKÁ ČÁST Experimenty Sada experimentů Pomůcky Pomůcky na naší škole Další dostupné pomůcky...49 ZÁVĚR...55 POUŽITÉ ZDROJE...56 SEZNAM OBRÁZKŮ...57 Příloha 1: Ukázka pracovního listu

6 ÚVOD Pro moji závěrečnou práci jsem si vybrala téma magnetismus. Je jednou z kapitol šestého ročníku. Očekávanými cíli této je kapitoly jsou žák určí póly magnetu, popíše magnetické pole Země a uvede příklad jeho využití. Cílem mé závěrečné práce je vytvořit učební oporu pro začínající učitele fyziky tak, aby obsahovala vše potřebné pro naplnění očekávaných výstupů. Teoretická část je dobře vyložena v žákovských knihách, ale co mně osobně v učitelské praxi chybí, je mít vlastní šuplík tematicky seřazených experimentů. Jistě, na internetu je spousta materiálů, ale hledání toho pravého zabere někdy spoustu času. Práce je tedy rozdělena na dvě části. V teoretické části uvádím již zmíněné základní pojmy. Čerpala jsem převážně ze dvou žákovských učebnic, které předkládají dané téma ve stejném sledu a snažila se přidat i pár informací, které neobsahují a zdají se mi být přínosné. Praktická část by měla posloužit jako metodika k provádění vybraných experimentů. Jejím obsahem jsou základní experimenty a pomůcky, které nám pomáhají experimenty realizovat. Ke každé z podkapitol jsem sepsala a nafotila experimenty, které by si žáci měli vyzkoušet, aby pochopili základy magnetických jevů. Experimenty jsou popisovány jako žákovské. Záleží však na samotném učiteli, jak si svou hodinu naplánuje. 6

7 TEORETICKÁ ČÁST V teoretické části práce jsou uvedeny a vysvětleny základní pojmy kapitoly magnetismus, která je součástí osnov šestého ročníku. Didaktika fyziky [1] obsahuje následující pojmovou strukturu, které se drží magnet i žákovské póly magnetu vzájemné působení pólů magnetu učebnice. feromagnetické látky magnetické pole magnetu indukční čáry magnetického pole magnetické pole Země Podle RVP se očekává, že žák experimentálně určí póly tyčového magnetu a popíše magnetické pole Země a uvede příklad jeho využití. Učebnice, ze kterých jsem čerpala, mají kapitolu magnetismus, rozčleněnou stejně: FRAUS PROMETHEUS Magnety a jejich vlastnosti Zkoumáme působení magnetů Působení magnetu na tělesa z různých látek Magnetické pole Magnetická indukce a magnetování Jak si vyrobit magnet 7

8 Magnetické pole a magnetické indukční čáry Indukční čáry magnetického pole Magnetické pole Země, kompas Magnetické pole Země 1. Magnetismus Magnetismus je jednou ze čtyř základních interakcí elektromagnetická, gravitační, slabá a silná jaderná. Až do 19. století, kdy byl objeven elektromagnetismu (1820, dánský vědec Christian Oersted), byl brán jako samostatný fyzikální jev. Magnetismus je schopnost magnetů přitahovat železné kovy. Tento termín je odvozen od kraje Magnesia, což je území dnešního Turecka. Na tomto místě se začal těžit černý nerost přitahující železné předměty a dostal název magnetovec (magnetit). V České Republice jsou malá naleziště železné rudy s magnetickými účinky na Českomoravské vrchovině a v Krušných horách a u Kutné hory, ve světě je významné naleziště na Uralu Objev magnetismu Objevení magnetu spadá do dob ještě před naším letopočtem. Magnetických vlastností bylo nejspíše prvně využito k určování světových stran. V žákovské učebnici [2] je následující příběh: Je tomu již více než 4600 let, kdy čínský císař Hoang Ti se svým vojskem pronásledoval nepřátele v mandžuských stepích. Při tomto tažení je překvapila písečná bouře, trvající několik dní. Orientace podle slunce a hvězd nebyla možná. Vojsku hrozilo bloudění. Císař si však věděl rady. Výprava byla vybavena malým vozíkem, na němž stála soška, která svou napřaženou paží ukazovala vždy k jihu. To je patrně první zpráva o užití magnetu k určování světových stran. A také Čína je označována za kolébku prvních kompasů. Měly tvar lžíce vyrobené z magnetitu, která byla volně umístěna na měděné nebo bronzové destičce. Kompas, jak jej známe dnes, pochází přibližně z 11. století. 8

9 Obrázek 1:Starověký čínský kompas, zdroj wikipedie - 1url.cz/At8xD 9

10 1.2. Magnetické působení Magnety přitahují kovové předměty, které jsou vyrobeny z železa, oceli, niklu, kobaltu a jejich slitin. Předměty z látek, na které magnet působí svou silou, mají feromagnetické vlastnosti a jsou tedy nazývány feromagnetické (odvozeno od latinského názvu pro železo ferrum). Zvláštní skupinou látek s těmito vlastnostmi jsou tzv. ferity (keramický oxid používaný k výrobě permanentních magnetů). Z běžného života víme, že magnety nepřitahují dřevo, papír, plast. Velmi jednoduše se můžeme přesvědčit, že i některé kovy jako měď, zinek, hliník nebo zlato jsou látky nemagnetické. Snadno také zjistíme, že jsou látky jako voda, vzduch, olej, písek, které působení magnetů zásadně neovlivňují. Dalšími jednoduchými pokusy lze ověřit, že magnetické síly, které působí mezi magnety a kterou magnety předměty přitahují, jsou přitažlivé a odpudivé a že účinky těchto sil slábnou s narůstající vzdáleností. Obrázek 2: Magnetická přitažlivost 10

11 Magnet působí na kancelářskou sponku, a také sponka působí na magnet, proto jsou obě šňůrky nakloněny. Aby toto bylo zřetelné, je potřeba nalézt vhodný předmět k danému magnetu. 11

12 1.3. Rozdělení magnetik Magnet dokáže působit i na jiné kovy než jen železo a dokonce i na nekovové látky, podle toho jak na sebe magnet a dané látky působí, je rozdělujeme do těchto skupin: Diamagnetikum Tělesa vytvořená z této látky jsou slabě odpuzována ven z magnetického pole. Diamagnetickou látkou je např. voda, zlato, měď, uhlík. Vložením do vnějšího magnetického pole dochází v látce k mírnému zeslabování vnějšího magnetického pole. Paramagnetikum Tělesa vytvořená z této látky jsou silným magnetickým polem slabě přitahovány. Paramagnetickou látkou je např. skalice modrá (síran měďnatý), oxid železitý, platina, vápník. Ve vnějším magnetickém poli se paramagnetika slabě zmagnetují, po zrušení vnějšího magnetického pole jsou tyto látky opět nemagnetické. Feromagnetikum Tělesa vytvořená z této látky jsou k magnetům silně přitahována. Z feromagnetických látek železo, nikl, kobalt a jejich slitiny - jsou vyráběny permanentní magnety Kontrolní otázky 1. Uveď příklady feromagnetických látek. 2. Uveď příklady nemagnetických kovů. 3. Ovlivňuje voda silové působení? 4. Proč magnet působí na určité mince, například desetikorunu? 5. Jak bychom z písku výhodně vytřídily železné piliny? 12

13 2. Magnet První používané magnety byly magnety přírodní kousky magnetovce (sloučenina železa a kyslíku). Dnes se většinou používají magnety umělé - vyrobené z látek s feromagnetickými vlastnostmi (kovové slitiny, ferity). Předměty přitahují proto, že z nich vytváří nové magnety. Obrázek 3: Přírodní a umělé magnety Nejběžnějšími tvary magnetů využívaných ke školním pokusům jsou tyčový magnet a magnet ve tvaru podkovy. 13

14 2.1. Póly magnetu Když magnet položíme na vrstvu malých hřebíčků, zjistíme, že silové účinky se projevují nejvíce na koncích magnetu. Tyto části magnetu nazýváme póly severní a jižní a značíme je N a S z anglických názvů north a south. Označení pólů severní a jižní je dáno tím, že volně zavěšený tyčový magnet se vždy natočí severojižním směrem. Severní pól je zpravidla značen červeně. Část uprostřed magnetu je netečné pásmo. Obrázek 4: Části magnetu Každý magnet má nejméně dva magnetické póly, nikdy ne jeden. Pokud magnet rozřežeme na dílky, každý bude mít vždy svůj severní a jižní pól. Obrázek 5: Póly magnetu 14

15 Mezi magnety mohou působit nejen síly přitažlivé, ale i odpudivé. Přiblížíme-li dva magnety k sobě shodnými póly, odpuzují se, naopak když je přiblížíme opačnými póly, budou se přitahovat. Obrázek 6: Odpudivé síly Obrázek 7: Přitažlivé síly 15

16 2.2. Druhy magnetů Podle výroby a využití jsou k dostání různé druhy magnetů. Např. v [3] nalezneme toto základní rozdělení. Feritové magnety Jsou vyráběny z oxidů železa, stroncia a bóru. Svými vlastnostmi se nejvíce blíží keramice, jsou tvrdé, ale křehké, černé a elektricky nevodivé. Tyto magnety jsou jako malé válce uvnitř dětských hraček, figurek, různých držáků, motorků a dynam. Větší feritové duté válce najdeme v reproduktorech. Alnico magnety Jejich název tvoří chemické značky prvků, ze kterých jsou spolu s železem vytvořeny hliník, nikl, kobalt. Tyto magnety jsou také tvrdé a křehké, mají silnější magnetické pole než ferity, jsou kovově lesklé a elektricky vodivé. Objevíme je v systémech měřicích přístrojů, elektroměrů, elektrodynamických mikrofonů a ve starých typech sluchátek a reproduktorů. Magnety ze slitin prvků vzácných zemin (rare earth), RE magnety RE magnety vznikají spékáním velmi jemných substancí, přímé slévání je nemožné. Jde o novou generaci permanentních magnetů, obsahujících prvky vzácných zemin, nejčastěji samarium (Sm) nebo neodym (Nd). Tyto magnety vytvářejí mnohem silnější pole než klasické magnety. Jsou tvrdé, velmi křehké, matně tmavě šedivé, elektricky vodivé. Nejsou příliš chemicky odolné, snadno korodují, a proto se povrchově upravují obvykle plátováním niklem. Plastové magnety Jde o jemný feritový prášek rozptýlený v plastu. Jsou ohebné, měkké, tvárné, chemicky odolné, Dají se krájet a stříhat. Neposkytují obvykle silná pole. Najdeme je v těsnění dveří ledniček a mrazicích boxů, magnetických fóliích apod. 16

17 2.3. Využití magnetů S magnety jsme v kontaktu každý den, kde všude nám pomáhají a v jakých přístrojích je můžeme najít? Magnetické držáky dekorační magnetky magnetky, magnetické pásky a fólie na tabule kuchyňská chňapka dvířka různých skříněk, ledniček magnetické figurky ve slévárnách přichycení forem pouzdra na mobilní telefony Magnet jako separátor třídění šroubováků, hřebíků separátor kovových feromagnetických částic z různých směsí separátor magnetických minerálů třídění nemagnetických kovů Magnet jako sběrač magnetický smetáček na ocelové piliny tyčový sběrač drobných předmětů z obtížně dostupných míst zvedání ostrých předmětů Magnet v elektronice a přístrojích počítače, televizory pračky, myčky, mikrovlnné trouby reproduktory ručičkové měřicí přístroje různá čidla (osvětlení, klimatizace, topení, bezpečnostní systémy, tachometry, navigace) kompas platební karty Magnet v lékařství skenery pro magnetickou rezonanci 17

18 2.4. Kontrolní otázky 1. Jak nazýváme železnou rudu, z níž je vyroben přírodní magnet? 2. Popiš části magnetu. 3. Jak označujeme póly magnetu? 4. Jak na sebe působí póly magnetů? 5. Uveď praktické využití magnetů. 6. Co se stane s magnetem, když jej rozpůlíme? 18

19 3. Magnetizace Je možné vyrobit si magnet? Jak se chovají železné předměty po přiblížení magnetu? 3.1. Magnetická indukce a magnetování V blízkosti magnetu se železné předměty stávají také magnetem a to dočasným nebo trvalým. Záleží na tom, zda jsou to předměty z magneticky měkké nebo magneticky tvrdé oceli. Tento jev nazýváme magnetická indukce. Magnetování si můžeme představit takto: Obrázek 8: Magnetizace látky Těleso z feromagnetické látky je tvořeno z malých domén magnetů, které se vlivem magnetického pole uspořádají. U nezmagnetizovaného tělesa míří domény různými směry a jejich magnetické působení se ruší Dočasná magnetizace Přiblížíme-li k magnetu těleso z feromagnetické látky, přitáhne se k magnetu, samo se stává magnetem a přitahuje další předměty. Například zmagnetovaný hřebík může přitáhnout další hřebíčky, zmagnetovaná mince přitahuje mince další. Je-li těleso magneticky měkké (železo, nikl), jde o dočasnou magnetizaci a po oddálení magnetu se domény opět rozhází a těleso už není dále magnetem. Po vyjmutí z magnetického pole, ztrácí magnetické vlastnosti. 19

20 Obrázek 9: Dočasně zmagnetizované těleso 3.3. Trvalá magnetizace Některá tělesa lze zmagnetovat tak, že se chovají jako trvalý magnet i bez přítomnosti magnetu. Jde o tělesa magneticky tvrdá, např. šroubovák, nůžky, jehla. Těleso trvale zmagnetujeme tak, že jej třeme magnetem v jednom směru. Obrázek 10: Trvale zmagnetizované těleso 20

21 3.4. Demagnetizování Zmagnetizovaná tělesa můžeme vrátit do původního stavu. Pokud jsou malá, stačí je několikrát přetřít sloupečkem malých magnetů. Další možností demagnetizace je vložením tělesa do proměnného magnetického pole cívky protékané střídavým proudem a těleso od cívky vzdalujeme nebo zahřátím na Curieovu teplotu (při určité teplotě ztrácí látka své feromagnetické vlastnosti např. u železa je to 768 C) Kontrolní otázky 1) Jak vytáhneš hřebíček, který ti zapadl do nepřístupného místa? 2) Jak zjistíš, že je předmět z magneticky měkké nebo magneticky tvrdé oceli? 3) Jak by sis zmagnetoval šroubovák? 4) Jde magnet nebo zmagnetované těleso odmagnetizovat? 21

22 4. Magnetické pole Magnetické působení zprostředkovává magnetické pole, které je uvnitř magnetu a v jeho okolí. Magnety tedy přitahují tělesa i z určité vzdálenosti, nemusí se jich přímo dotýkat. Pro určení směru působení magnetických sil využíváme malého magnetu, který je vyroben z tenkého proužku tvrdé ocele magnetka. Magnetka je položena na ostrý hrot, aby se mohla volně otáčet. V blízkosti pólů magnetu se nasměruje pólem opačným a v oblasti netečného pásma je rovnoběžná s osou magnetu. Obrázek 11: Magnetické pole tyčového magnetu 4.1. Magnetické indukční čáry Silové působení magnetického pole není viditelné, ale víme, že má jistý směr, proto jej můžeme graficky zaznamenat a to pomocí indukčních čar. Tyto pomyslné křivky nám pomohou vykreslit řetězce malých železných pilin, které se nasměrují svými póly stejně jako magnetky. Pokus nejlépe provedeme se skleněnou destičkou, pod kterou umístíme magnet, posypeme ji rovnoměrně pilinami, které nám vykreslí dané obrazce. 22

23 Obrázek 12: Indukční čáry tyčového magnetu 4.2. Magnetické pole Země Volně zavěšený magnet nebo magnetka se natočí vždy severojižním směrem. Severní pól magnetu či magnetky určí severní zeměpisný pól. Tento jev je vysvětlen tím, že kolem Země musí existovat magnetické pole, které na tyto malé magnety působí. Magnetické pole Země si tedy můžeme představit jako magnetické pole tyčového magnetu. Aby však platila přitažlivost opačných pólů, nenajdeme severní magnetický pól na severu zeměkoule, ale právě na její jižní části. Když bychom magnetické pole Země zkoumali velmi podrobně, zjistili bychom, že magnetické póly se se zeměpisnými nepřekrývají. Jejich spojnice svírají úhel 12. Obrázek 13: Magnetické pole Země 23

24 K tomuto závěru, že se Země chová jako velký magnet, dospěl ve 13. století na základě svých pokusů francouzský učenec a voják Pierre de Maricourt, známý pod jménem Peregrinus. Magnetické pole Země je pro planetu velmi důležité, odráží proud škodlivých částic přicházející z vesmírného prostoru, především sluneční vítr. Neodražené částice se stáčí ve spirálách k magnetickým pólům. Tento úkaz můžeme sledovat jako polární záři. Obrázek 14: Polární záře, zdroj wikipedie - 1url.cz/ct8xC Na magnetické pole reagují i zvířata. Internetový článek [1url.cz/ptccC] na online.muni.cz zmiňuje objev, který učinil biolog Martin Vácha. Za fungování vnitřního kompasu je zodpovědný protein kryptochrom, jenž je umístěn v oku. Tento pozoruhodný protein je pro detekci směru magnetického pole nezbytný. Magnetické pole Země není stálé, mění se jeho intenzita i směr. Před milióny let byly magnetické póly na opačných stranách než dnes Magnetické pole planet Země není jediná planeta s magnetickým polem. Magnetosféru, která vzniká působením magnetického pole, mají i další vesmírná tělesa, např. Slunce a také plynní obři. Další planetou s pevným povrchem a magnetosférou je Mars, ostatní planety stejného druhu mají magnetismus pouze indukovaný. Magnetosféru s velkým dosahem má planeta Jupiter. 24

25 4.4. Kompas Vlastnosti magnetu jsou využívány v kompasech. Jsou to přístroje, kterým určíme severní zeměpisný pól. Tvoří jej magnetka střelka a stupnice. Kompas se začal používat ve středověku především v námořní dopravě. V dnešní moderní době se však využívají i jiné přístroje, kterými jsou družicové navigace. Velmi podobným přístrojem je buzola, ta má ještě doplňující funkci určení azimutu (úhel, který ve vodorovné rovině svírá určitý směr se severním směrem) Kontrolní otázky Obrázek 15: Kompas 1. Z jaké látky je vyrobena magnetka? 2. Můžeme magnetické pole zobrazit pomocí dřevěných pilin? 3. Proč se magnetka v určitém místě natočí vždy stejným směrem? 4. Kde se nachází severní a jižní magnetický pól Země? 5. Může být obal kompasu vyroben z feromagnetické látky? 6. Pomocí kompasu urči světové strany ve třídě. 25

26 PRAKTICKÁ ČÁST V praktické části uvádím základní sadu jednoduchých a lehce proveditelných experimentů, které lze zařadit do vyučovacích hodin zabývající se kapitolou magnetismus. Experimenty mohou být prováděny demonstračně vyučujícím i samotnými žáky. Záleží, v jaké fázi výuky je chceme provádět (motivační, expoziční, fixační, diagnostická, aplikační), za jakým účelem, v jaké třídě právě vyučujeme, a v neposlední řadě samozřejmě záleží na pomůckách, které má vyučující k dispozici. To je pak další kapitolou této praktické části. Jaké pomůcky jsou na naší škole a které další jsou k dispozici na trhu. 5. Experimenty Experimenty a laboratorní práce jsou jednou z motivačních technik, které by měly obohatit výuku fyzice. Experimenty žáky ve výuce aktivizují a pomáhají jim nabývat vědomosti a to i samostatně. Žáci zapojují více smyslů, a proto si získané poznatky lépe pamatují. Každý experiment by měl být strukturován následovně: motivace, provedení, pozorování, zhodnocení, zobecnění. Před provedením experimentu je třeba se řádně připravit. Zajistit si potřebné pomůcky, experiment si předem několikrát vyzkoušet a zjistit tak jeho časovou náročnost. Určit si, co mají žáci zpozorovat. Promyslet, zda experiment povede ke správnému získání představ. Při demonstračním experimentu musíme dbát na viditelnost a neodvádět pozornost vedlejšími efekty. Také je potřeba myslet na to, jakou cestou povedeme myšlení žáků a co budou žáci během experimentu kromě pozorování provádět (odpovídat na dotazy, dělat si poznámky, vypracovávat pracovní list, graficky zaznamenávat). Po provedení experimentu je nutno zkontrolovat, zda mu žáci porozuměli a získané vědomosti umí formulovat. [4] Podle didaktické funkce dělíme experimenty zhruba na tyto skupiny [5]: heuristické povahy (mají zvlášť významné místo ve výuce, žák je objevitelem) ověřující motivující učivo ilustrační (většina kvalitativních pokusů, jak jev vypadá) uvádějící fyzikální problém demonstrující aplikace odvozených poznatků historické (význam pokusu pro pokrok ve fyzice) opakující a prohlubující 26

27 Každý pokus by měl být jednoduchý, názorný, pochopitelný, přesvědčivý a měl by o něj být zájem Sada experimentů Úvodní motivace V žácích vzbudíme zvědavost demonstrací kouzelných magnetů. 1. Vznášející se magnety K tomuto experimentu potřebujeme pouze úzký odměrný válec a několik magnetů z nástěnky. Je velmi jednoduchý, ale efektní. Z několika magnetů si naskládáním na sebe vytvoříme váleček, který umístíme do odměrného válce. Pak si spojíme např. 3 další magnety, které vhodíme do válce opačným pólem. Vhozené magnety jsou odpuzovány a vytváří efekt vznášejícího se tělesa. Obrázek 16: Vznášející se magnety 27

28 2. Levitující tužka Tento krásný experiment je také jednoduchý na výrobu. Pomůcky: hranolek polystyrenu 20 cm dlouhý, nožík, 6 kruhových magnetů, lepidlo (tavicí pistole), tužka s vhodným průměrem, kousek průhledného plastu. Výroba: Do polystyrenu si udělejte na každé straně dva zářezy naproti sobě ve vzdálenosti přibližně 8 9 cm. Do zářezů natlačte magnety směřující souhlasnými póly, které pak přilepíte lepidlem nebo tavicí pistolí. Na tužku navlékněte zbylé dva magnety, které opět směřují souhlasnými póly, ale vůči magnetům na polystyrenovém hranolku opačnými. Magnety na tužku umístěte ve stejné vzdálenosti, jako jsou magnety na hranolku. Magnety z tužky nesmí klouzat, drží na svém místě. Aby tužka neutíkala, vytvořte malou plastovou zarážku a zapíchněte ji do polystyrenu. Obrázek 17: Levitující tužka 28

29 Magnet a magnetické síly Žák rozliší látky s feromagnetickými vlastnostmi, určí, kdy jsou magnetické síly přitažlivé a kdy odpudivé, rozezná póly magnetu a netečné pásmo. 3. Feromagnetické látky Úkol: Roztřiď pomocí magnetu dané předměty, výsledky zapiš do tabulky: Těleso Látka přitahováno magnetem Drátek Měď Špendlík Ocel Činnost: Učitel žákům vytvoří tabulku, která bude obsahovat názvy různých drobných těles. Ta si také musí připravit do sad, které žáci dostanou k dispozici. V každé sadě je několik předmětů, které jsou magnetem přitahovány a několik, které magnetem přitahovány nejsou. Např. hřebíček, podložka pro šroubek, guma, špendlík, mince české a euromince nebo staré deseti halíře, tužka, měděný drátek, víčko z PET a skleněné lahve, kousek alobalu a kartonu. Žáci dostanou magnet a zkoumají, zda jsou předměty magnetem přitahovány nebo ne. Výsledky si zapisují do tabulky. Závěr: Magnet přitahuje pouze předměty, které jsou vyrobeny z feromagnetických látek. 4. Silové působení Úkol: Urči přitažlivé a odpudivé síly na jednotlivých stranách magnetu přiložením mince, kancelářské sponky a dalšího magnetu. Činnost: Žáci mají k dispozici dva tyčové magnety, korunovou minci a kancelářskou sponku. Pozorují, jaké situace nastanou. Výsledky svého bádání si zaznamenají do sešitu. Závěr: U mince a sponky je síla přitažlivá na obou koncích magnetu, druhý magnet je na jednom konci přitahován a na druhém odpuzován souhlasné póly se odpuzují, nesouhlasné přitahují. Úkol 2: Pokud máš k dispozici dva válcové magnety, vyzkoušej za pomocí souseda následující pokus se šikmou podložkou: 29

30 Obrázek 18: Odpudivé síly souhlasných pólů magnetu Podélné osy magnetů musí být rovnoběžné a sousední póly magnetů souhlasné. 3. Části magnetu Úkol: K tyčovému magnetu přikládej na různá místa minci její hranou. Činnost: Žáci pozorují, co se děje s mincí, když ji přikládají na různá místa magnetu a tím rozliší části tyčového magnetu. Do sešitu si pak nakreslí magnet a popíše jeho části. Závěr: Mince drží na pólech magnetu, z netečného pásma odskakuje. Úkol 2: Magnet polož do hromádky kancelářských sponek nebo hřebíčků a opět sleduj přitažlivost na pólech magnetu a v netečném pásmu. Vyzkoušej i jiné typy magnetů. Obrázek 19: Póly magnetu a netečné pásmo 30

31 Obrázek 20: Póly podkovovitého magnetu 4. Póly magnetu Úkol: Urči severní a jižní pól magnetů z tabule. Jakou pomůcku si zvolíš? Činnost: Žáci k práci využijí označený magnet nebo magnetku, pomocí nichž dokáží rozeznat severní a jižní pól jednotlivých magnetů. Magnety si označí lepítky a na ně napíší značky pólů. Závěr: Žáci aplikují znalost o přitažlivosti opačných pólů magnetu. Obrázek 21: Určení pólů magnetu 31

32 5. Netečné pásmo Úkol: Urči, který z válečků je magnet. Obrázek 22: Magnet nebo ocel? Činnost: Žáci dostanou dva válečky, v jednom je ukryt pod obalem magnet a ve druhém váleček z magneticky měkké oceli. Pomocí nabytých znalostí pátrají, který z válečků je magnetem. Závěr: Využije se netečného pásma uprostřed magnetu. Z válečků sestavíme písmeno T, pokud se válečky nepřitahují je magnetem vodorovný váleček a naopak. Obrázek 23: Magnet nebo ocel? řešení 32

33 Magnetická indukce a magnetování Žák rozumí jevu magnetická indukce, dokáže prakticky vyrobit trvalý magnet. 6. Dočasná magnetizace Úkol 1: Posbírej velkým hřebíkem malé hřebíčky. Úkol 2: Vytvoř řetěz z korunových mincí nebo vytvoř sněhuláka. Kolik takových mincí spojíš a jak se budou mince chovat, když oddálíš magnet? Činnost: Žáci si vyzkouší, že jednotlivé mince ani malé hřebíčky se navzájem nepřitahují. Pomocí tyčového magnetu, kterým přitáhnou velký hřebík nebo jednu minci si vytvoří dočasné magnety. Oddalováním magnetu zkoumají dosah magnetického pole. Závěr: Hřebíčky i mince se sami nepřitahují, po přiblížení tyčového magnetu se stanou také magnetem a přitahují další železné předměty. Tato magnetizace je však jen dočasná, po oddálení magnetu hřebíčky a mince odpadávají a to od spodu. Obrázek 24: Dočasně zmagnetizovaný hřebík, mince 33

34 7. Trvalá magnetizace Úkol: Posbírej hřebíčky pletací jehlicí. Sleduj, co se děje po oddálení magnetu. Činnost: Tento experiment navazuje na předchozí, žáci plní stejný úkol. Závěr: Pletací jehlice je z magneticky tvrdé oceli, zůstane magnetem i po oddálení magnetu. Úkol 2: Trvale zmagnetuj šroubovák. To se občas hodí kutilům (sbírání malých šroubků, vrutů). Činnost: Žákům dáme instrukci, jak šroubovák zmagnetovat. Šroubovák zmagnetujeme opakovaným potíráním plochy v jednom směru stejným pólem magnetu. Další možné úkoly (protože magnetizace je pro žáky zábavná): Zmagnetuj nůžky. Pracuj ve dvojici, jedny nůžky zmagnetuj tak, že každé ostří má jiný pól. U druhých nůžek stejný. Sleduj, jak se budou chovat kancelářské sponky, v jednotlivých případech? A co když ostří nůžek budeš přibližovat k sobě? Zmagnetuj žiletky a pozoruj, co se s nimi děje ve vodě, jestliže obě zůstanou na hladině nebo jednu z nich ponoříš. Obrázek 25: Trvale zmagnetizované žiletky 34

35 Magnetické pole Žák pracuje s magnetkou, pomocí pilin modeluje magnetické indukční čáry. 8. Modelace magnetického pole Úkol: Vymodeluj tvar a směr indukčních čar, nejprve pomocí magnetky, kterou posunuješ na různá místa v okolí magnetu, potom také pomocí pilin. Vyzkoušej si různé druhy magnetů. Činnost: Žáci pracují s magnety a malými magnetkami. Sledují, jak se magnetky natáčí, když je rozestaví kolem magnetu v různých polohách (u jednotlivých pólů, kome celého magnetu). Totéž si vyzkouší s pilinami. Pilinami se posype průhledná tvrdší fólie (čtvrtka papíru, plexisklo), pod níž je položen magnet. Lepší variantou je mít piliny uzavřené ve skleněném rámečku. Žáci si zakreslí magnet s indukčními čárami do sešitu. Závěr: Piliny se zmagnetují a vytvoří tak řetězce indukční čáry. Obrázek 26: Magnetické pole - magnetky 35

36 Obrázek 27: Indukční čáry - piliny 9. Účinky magnetického pole Úkol: Magnetické síly působí i na dálku kancelářskou sponku na niti přitahuj magnetem. Na jakou vzdálenost přitahuje magnet sponku? Vyzkoušej různé typy magnetů a pozoruj změny. Závěr: Magnetické síly působí i v okolí magnetu. Prostor, v němž se tyto magnetické síly projevují, se nazývá magnetické pole. Úkol 2: Mezi magnet a sponku vkládej list papíru, plastovou destičku, alobal, různé plíšky, kousek skla, jaké látky odstíní účinky magnetu? Činnost: Žáci sledují, co se děje, když mezi magnet a sponku, která je magnetem přitahována, budou vkládat překážky v podobě těles vyrobených z různých látek. Svá zjištění si zapíší do sešitu. Závěr: Magnetické síly zeslabí ocelový plíšek, přes překážky jako je papír, sklo, plast, působí dále. 36

37 Obrázek 28: Působení magnetického pole Úkol 3: Kancelářskou sponku vhoď do sklenice s vodou. Dokážeš sponku vytáhnout, aniž by ses namočil? Činnost: Žáci aplikují poznatek z předešlého úkolu. Voda ani sklo nejsou pro magnetické síly překážkou, proto lze sponku s pomocí magnetu jednoduše ze sklenice s vodou vytáhnout. Obrázek 29: Magnetické pole a sklenice s vodou 37

38 Magnetické pole Země, kompas 10. Vodní kompas Úkol: Vytvoř jednoduchý kompas z těchto pomůcek jehla (žiletka), magnet, kousek korku nebo polystyrenu, miska s vodou. Činnost: Žáci si zmagnetují jehlu, to už umí (třením stejným pólem magnetu v jednom směru jehly). Zmagnetovanou jehlu položí na kousek korku, uříznutého např. ze zátky. Korek umístí do misky s vodou a kompas je hotov. Jeho správnou funkci zkontrolují zjištěním severní strany, pomocí školního kompasu nebo zavěšeného magnetu. Závěr: Kompas lze nahradit zavěšeným magnetem nebo zmagnetizovaným předmětem. Aby kompas správně fungoval, nesmí být v okolí další magnet. Pokud magnetizuješ jehlu jižním pólem od hrotu k oušku, bude ouško jehly ukazovat sever. Obrázek 30: Vodní kompas 38

39 Další zajímavé experimenty Kolem tyčového magnetu rozestav co nejvíce malých magnetů tak, aby se dotýkaly jen hranou. Obrázek 31: Magnety na hraně Na vodní hladinu umísti co nejvíce magnetů. Voda je v kruhové misce a magnety jsou přilepeny ve víčkách od PET lahví, je potřeba vyzkoušet zátěž, aby se víčka nepotápěla. Obrázek 32: Plovoucí magnety 39

40 Demonstrační experiment s využitím ICT Změna působení magnetického pole v závislosti na vzdálenosti magnetu Tímto experimentem sledujeme silové působení magnetického pole v závislosti na vzdálenosti mezi magnetem a předmětem pomocí senzoru magnetické pole. Na pracovní desku položíme senzor, který zafixujeme proti pohybu lepicí páskou. Pomocí měřidla a tužky vyznačíme výchozí vzdálenost (přibližně 20 cm) tyčového magnetu od čidla senzoru. Magnet položíme kolmo severním pólem k čidlu. Pomalým rovnoměrným pohybem po dobu 5 s přibližujeme severní pól magnetu k čidlu a stejným pohybem oddalujeme. Měření provedeme i s jižním pólem magnetu. Výchozí vzdálenost magnetu je třeba upravit podle velikosti působící síly použitého magnetu. Experiment můžeme provést i pro různě silné magnety a jejich silové působení porovnat. Další možností je klást mezi čidlo a magnet překážku, např. skleněnou destičku. Výsledkem experimentu je graf, který nám zaznamená aplikace NeuLog. Silové působení magnetického pole magnetu s rostoucí vzdáleností od magnetu slábne a s klesající vzdáleností zesiluje. Obrázek 33: Graf magnetického pole 40

41 Obrázek 34: Senzor NeuLog při experimentu Tento experiment byl proveden dle příručky [6]. K experimentu je v příručce vytvořen pracovní list, který je uveden v příloze. 41

42 Experimenty jako domácí příprava Žáci si mohou doma sami vyrobit vlastní magnetické hračky, které pak předvedou ostatním spolužákům a budou za ně ohodnoceni. Malý drak Pomůcky: magnet, kancelářská sponka, barevný papír, šňůrka 20 cm dlouhá, jehla, lepicí páska, nůžky, pastelky. Činnost: Z barevného papíru si vystřihni a dle svých představ vyzdob malého dráčka. Uprostřed protáhni z přední strany šňůrku, to jde velmi dobře jehlou. Na vnitřní straně dráčka přivaž šňůrkou kancelářskou sponku a tu připevni na dráčka. Opačný konec šňůrky připevni lepicí páskou na stůl. Přiblížením magnetu zvedni svého dráčka do vzduchu. Obrázek 35: Létající dráček 42

43 Rybaření Pomůcky: magnet, kancelářské sponky, barevná fólie, hůlka, šňůrka, nůžky, lavor s vodou. Činnost: Z barevných fólií si vystřihej rybičky a připevni na ně kancelářské sponky. Magnet přivaž šňůrkou na hůlku, tím si vytvoříš rybářský prut. Rybičky hoď do lavoru s vodou a můžeš začít rybařit. Obrázek 36: Rybaření, zdroj[10] 43

44 6. Pomůcky Experimenty se nedají provádět bez pomůcek. K názornému vyučování fyzice používáme velké množství rozmanitých materiálních objektů, které souhrnně označujeme pojmem vyučovací prostředky. Jsou to všechny materiální předměty, které zprostředkovávají a umožňují průběh vyučovacího procesu. Ty vyučovací prostředky, které jsou nosiči informací o předmětech a jevech v přírodě a technice, jež tvoří obsah vyučování fyzice, se nazývají učební pomůcky. Vedle učebních pomůcek jsou pro vyučování fyzice nezbytné další předměty a zařízení, které umožňují didaktické využití pomůcek nebo jsou pomocnými prostředky při experimentálním vyučování. Tyto materiální objekty označujeme pojmem technické prostředky. Má-li učební pomůcka plnit úspěšně svoji funkci ve vyučovacím procesu, musí vyhovovat řadě požadavků jak z hlediska vztahu k obsahu a metodám vyučování, tak z hlediska technického i z hlediska obecně pedagogického. Z hlediska obsahu vyučování je především nutné, aby pomůcka byla vědecky správná, aby informace, které žák jejím prostřednictvím získává, nebyly zkreslené. [5] 6.1. Pomůcky na naší škole Myslím si, že máme ve škole dostatečnou výbavu k demonstraci základních experimentů, kterými lze výuku vhodně doplnit. Souprava cvičení z magnetismu Účel: vlastnosti magnetů, vlastnosti pólů, magnetismus stálý a nestálý, linie sil magnetických polí, magnetické pole, kovy v magnetickém poli 44

45 Obrázek 37: Souprava cvičení z magnetismu Kufřík má velkou vybavenost. Oceňuji dva druhy magnetů se závěsy, velkou magnetku a různé druhy plíšků. Považuji však za nešikovné, že jsou póly označeny obráceně, severní pól modrou barvou, což je zřejmě dáno polským výrobcem. Plíšky nejsou označeny, z jakého jsou materiálu a malé magnetky se musí dávat na podstavec, jsou pak vratké. Také dávám dětem nerada do rukou volně přístupné železné piliny. Více se mi líbí používat průhledné okénko, ve kterém jsou piliny uzavřeny. Toto okénko se dá zakoupit, ale i jednoduše vyrobit. Pomůcky: železné piliny, 2 sklíčka nebo plexisklo, oboustranná lepicí páska, okenní izolace nastříhaná v délkách stran sklíčka, kobercová lepicí páska. Na jedno sklíčko nalepte při okrajích izolaci oboustrannou lepicí páskou, nasypte odpovídající množství pilin, ne však velké, aby se vytvářely hezké obrazce. Přiložte druhé sklíčko a velmi pevně přitiskněte, aby na sebe přiléhala a piliny se nesypaly ven. Orámujte a zpevněte kobercovou lepicí páskou. 45

46 Obrázek 38: Demonstrační okénko magnetického pole Magnety Silné magnety tvaru válce máme v několika párech, tak aby s nimi žáci mohli pracovat samostatně v lavicích. Obrázek 39: Tyčové magnety Několik magnetů je rozřezáno pro názornou ukázku a demonstraci magnetických pólů. Dále pracujeme s magnety ve tvaru podkovy a malými magnety z nástěnky. Také můžu předvést kousek přírodního magnetu. 46

47 Obrázek 40: Velký magnet tvaru podkovy Obrázek 41: Magnetovec 47

48 Magnetické střelky a kompas Magnetky máme kromě větších, stejných jako v kufříku, i menší, uzavřené v obalu, pro pohodlnější práci, střelka nepadá ze svého stojanu. Obrázek 42: Velká magnetická střelka a kompas Obrázek 43: Sada malých magnetických střelek 48

49 Senzor magnetického pole NeuLog Senzor měří magnetické pole s vysokou citlivostí, dokáže naměřit i velmi nízké hodnoty. Měří v jednotkách militesla. Senzor se připojuje přes USB modul k počítači. Obrázek 44: Senzor NeuLog 6.2. Další dostupné pomůcky Na internetu jsem pátrala po dalších pomůckách, které by mohly přispět ke zkvalitnění výuky, a doplnili naši sbírku. Uvádím pár z těch, které mě zaujaly, další jsou k prohlédnutí na různých webových stránkách, kde se dají objednat a zakoupit. Nahlédnout můžete například zde:

50 50

51 Demonstrátory magnetického pole Účel: demonstrují průběh magnetických siločar a to i v trojrozměrné formě. Obrázek 45: Demonstrátory magnetického pole 51

52 Souprava cvičení z magnetismu 2 Účel: magnety a magnetické póly, vzájemné působení magnetů, magnetické pole, levitující magnet, magnetická indukce, výroba magnetů, tyčový magnet, magnetické pole magnetu, siločáry magnetického pole, magnetické pole Země, magnet jako kompas, zmagnetování. Tento kufřík je velmi podobný tomu, který využíváme ve škole. Líbí se mi, že je zde i malá maketa Země a póly magnetu jsou rozlišeny barvami, není zde tedy odlišné značení. Kufřík nabízí toto využití: Obrázek 46: Souprava cvičení z magnetismu 2 52

53 Vznášející se magnety Pro lepší, viditelné znázornění kouzelných vznášejících se magnetů. Obrázek 47: Vznášející se velké magnety 53

54 Ceny uvedených pomůcek ve školním roce 2017/2018: Pomůcka Souprava cvičení z magnetismu Tyčový magnet (dle velikosti a síly) Magnet podkova (dle velikosti a síly) Magnetická střelka (dle velikosti) Malé magnetické střelky - sada Sada kompasů Přírodní magnet - magnetit Demonstrátor magnetického pole Rámeček pro demonstraci magnetického pole Vznášející se magnety Měřící systém NeuLog - zdrojový modul - software - senzor magnetického pole Cena dle internetových obchodů Kč Kč Kč Kč Kč Kč 300 Kč Kč 1700 Kč Kč 1900 Kč 8500 Kč 2630 Kč 54

55 ZÁVĚR Cílem mé závěrečné práce bylo vytvořit učební oporu a metodiku k provádění vybraných experimentů z magnetismu na základní škole. Tato učební opora by měla sloužit začínajícím učitelům fyziky. Práci jsem rozdělila do dvou částí. V teoretické části jsem s pomocí žákovských učebnic, které se využívají u nás ve škole, a internetových zdrojů seznámila čtenáře se základními pojmy, se kterými by žáci základní školy měly být seznámení. Text je doplněn vlastními fotografiemi, kterými jsem chtěla zaručit názornost. U obrázků, které jsem převzala z internetového zdroje či uvedené literatury, je jejich zdroj uveden. V praktické části jsem se zaměřila na základní experimenty, které doplňují tento učební celek. Všechny experimenty jsem si sama vyzkoušela, nafotila a následně popsala. Jde opravdu jen o pár vybraných experimentů. Existuje spousta dalších, které jsou dohledatelné na internetu, v odborných i zábavných publikacích. Záleží na tom, kolik vyučovacích hodin chce učitel tématu magnetismus věnovat. 55

56 POUŽITÉ ZDROJE [1] JANÁS, Josef, TRNA, Josef. Konkrétní didaktika fyziky II. Brno: Masarykova univerzita, 2005, 93 s. ISBN [2] RAUNER, Karel. Fyzika 6: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2004, 120 s. ISBN [3] POLÁK, Zdeněk. Hrátky s magnetismem. Praha: ČEZ, a. s., Svět energie [4] FENCLOVÁ, Jitka. Didaktické myšlení a jednání učitele fyziky: cvičení z didaktiky fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, s. [5] KAŠPAR, Emil. Didaktika fyziky: obecné otázky. 1. vyd. Praha: SPN, 1978, 355 s. [6] HALŠKOVÁ, Monika, PLÁNIČKOVÁ, Lenka: Pokusy v přírodních vědách s využitím ICT FYZIKA, vyd s. [7] KOLÁŘOVÁ, Růžena, BOHUNĚK, Jiří: Fyzika pro 6. ročník základní školy. Dotisk 2. vyd. Praha: Prometheus, spol. s. r. o., 2010, 163s. ISBN [8] RAUNER, Karel. Fyzika 6: příručka učitele pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2004, 114 s. ISBN [9] RAUNER, Karel. Fyzika 6: pracovní sešit pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2004, 60 s. ISBN [10] JAŠOVÁ, Jana, překlad. Téměř tisíc pokusů vesele i vážně. 1. vyd. Perfekt, a. s., 264 s. ISBN [11] OXLADE, Chris. Ilustrovaný přehled FYZIKA. České vyd. Ostrava: Vydavatelství a nakladatelství BLESK, 1994, 128 s. ISBN ELEKTRONICKÉ ZDROJE [12] [13] [14] [15] Pokus%C5%AF-z-fyziky.pdf [16] [17] [18] 56

57 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1:Starověký čínský kompas, zdroj wikipedie - 1url.cz/At8xD... 9 Obrázek 2: Magnetická přitažlivost...10 Obrázek 3: Přírodní a umělé magnety...13 Obrázek 4: Části magnetu...14 Obrázek 5: Póly magnetu...14 Obrázek 6: Odpudivé síly...15 Obrázek 7: Přitažlivé síly...15 Obrázek 8: Magnetizace látky...19 Obrázek 9: Dočasně zmagnetizované těleso...20 Obrázek 10: Trvale zmagnetizované těleso...20 Obrázek 11: Magnetické pole tyčového magnetu...22 Obrázek 12: Indukční čáry tyčového magnetu...23 Obrázek 13: Magnetické pole Země...23 Obrázek 14: Polární záře, zdroj wikipedie - 1url.cz/ct8xC...24 Obrázek 15: Kompas...25 Obrázek 16: Vznášející se magnety...27 Obrázek 17: Levitující tužka...28 Obrázek 18: Odpudivé síly souhlasných pólů magnetu...30 Obrázek 19: Póly magnetu a netečné pásmo...30 Obrázek 20: Póly podkovovitého magnetu...31 Obrázek 21: Určení pólů magnetu...31 Obrázek 22: Magnet nebo ocel?...32 Obrázek 23: Magnet nebo ocel? řešení...32 Obrázek 24: Dočasně zmagnetizovaný hřebík, mince...33 Obrázek 25: Trvale zmagnetizované žiletky...34 Obrázek 26: Magnetické pole - magnetky...35 Obrázek 27: Indukční čáry - piliny...36 Obrázek 28: Působení magnetického pole...37 Obrázek 29: Magnetické pole a sklenice s vodou...37 Obrázek 30: Vodní kompas...38 Obrázek 31: Magnety na hraně...39 Obrázek 32: Plovoucí magnety...39 Obrázek 33: Graf magnetického pole...40 Obrázek 34: Senzor NeuLog při experimentu...41 Obrázek 35: Létající dráček...42 Obrázek 36: Rybaření, zdroj[10]...43 Obrázek 37: Souprava cvičení z magnetismu...45 Obrázek 38: Demonstrační okénko magnetického pole...46 Obrázek 39: Tyčové magnety...46 Obrázek 40: Velký magnet tvaru podkovy...47 Obrázek 41: Magnetovec...47 Obrázek 42: Velká magnetická střelka a kompas...48 Obrázek 43: Sada malých magnetických střelek...48 Obrázek 44: Senzor NeuLog...49 Obrázek 45: Demonstrátory magnetického pole

58 Obrázek 46: Souprava cvičení z magnetismu Obrázek 47: Vznášející se velké magnety

59 Příloha 1: Ukázka pracovního listu 59