přírodovědných a technických oborů. Scientia in educatione, roč. 5 (2014), č. 1, s

Transkript

1 [15] Nováková, A., Chytrý, V., Říčan, J.: Vědecké myšlení a metakognitivní monitorování tudentů učiteltví pro 1. tupeň základní školy. Scientia in educatione, roč. 9 (2018), č. 1, [16] Bělecký, Z.: Vzdělávací trategie 7. Dotupné z: 09.html [17] Kolektiv autorů: Průvodce pro učitele badatelky orientovaným vyučováním. Sdružení Tereza, Praha, Dotupné z: 00_PR%D9VODCE_CELA_KNIHA/01_Pruvodce_pro_ucitele.pdf [18] [19] Papáček, M.: B adatelky orientované přírodovědné vyučování ceta pro biologické vzdělávání generací Y, Z a alfa? Scientia in educatione, roč. 1 (2010), č. 1, [20] Janoušková, S. a kol.: Přírodovědná gramotnot v premimárním a raném období primárního vzdělávání jako protředek zvýšení zájmu o tudium přírodovědných a technických oborů. Scientia in educatione, roč. 5 (2014), č. 1, Inovativní demontrace druhého Newtonova zákona ČENĚK KODEJŠKA Přírodovědecká fakulta UP, Olomouc Ověření druhého Newtona zákona patří mezi základní demontrační experimenty prvního ročníku gymnázia. Problémem tohoto experimentu je volba vhodné půobící íly, která uděluje danému těleu určité zrychlení. Klaické upořádání e vzduchovou dráhou je většinou obtížně realizovatelné z důvodu malé přenoti naměřených hodnot. Upořádání experimentu vozíčkovou dráhou a vozíkem, který je pře kladku urychlován zavěšeným závažím, naráží zae na problém výledného vztahu pro zrychlení vozíku, který není závilý pouze na hmotnoti vozíku m 1, ale i na hmotnoti závaží m 2, jak ukazuje náledující vztah (1), a to i Matematika fyzika informatika 27 (5)

2 v případě, že zanedbáme tření (f = 0), [1]: a = g(m 2 fm 1 ) m 1 + m 2 (1) Zrychlení je podle druhého Newtonova zákona definováno vztahem (2) a = F m, (2) kde F je íla půobící na těleo a m je hmotnot tělea. Potřebujeme tedy experiment zrealizovat takovým způobem, aby hnací íla byla přímo oučátí vozíku, u kterého navíc muíme mít možnot měnit jeho hmotnot. Po několika různých zkušebních pokuech různými typy pohonů jme dopěli pouze k jedinému reálně možnému experimentálnímu upořádání, jehož jednoduchot provedení a použité pomůcky zvyšují atraktivitu tohoto experimentu. Příprava experimentu Jako zdroj íly jme použili elektromechanický pohon autíčka autodráhy, kterou jme napájeli různým napětím. Protože velikot napájecího napětí je přímo úměrná íle vyvinuté elektromotorkem, můžeme tímto způobem demontrovat závilot velikoti zrychlení na půobící íle. Na autíčko jme pak pomocí modelíny dokázali připevnit ocelové válečky o hmotnotech 50 g a 100 g a při kontantním napájecím napětí pak ověřit i závilot velikoti zrychlení na hmotnoti autíčka. Jedinou nevýhodou tak zůtává pořizovací cena použitých pomůcek, která činí přibližně 800 Kč. Vliv třecích il jme zanedbali. Obr. 1 Autíčko kartonovým přerušovačem ověření 2. Newtonova zákona 360 Matematika fyzika informatika 27 (5) 2018

3 Pohybuje-li e autíčko e zrychlením, můžeme ve dvou různých okamžicích zaznamenat dvěma optickými branami (tereogatem) průchod papírového přerušovače. Pomocí jeho kontantní šířky pak můžeme vypočítat hodnoty okamžité rychloti v 1, v 2 autíčka při průchodu první, rep. druhou optickou branou z jednoduchého vztahu v n = d/t n, kde d je šířka přerušovače (v našem případě d = 1 cm = 0,01 m), t n je ča, za který přerušovač projde n-tým monogatem. K provedení experimentu budeme potřebovat náledující pomůcky: dvě optické brány, laboratorní zdroj napětí, papírový přerušovač, 4 k rovinky autodráhy o délce 30 cm, autíčko autodráhy o hmotnoti 92 g (včetně modelíny a papírového přerušovače), modelína, několik závaží 50 g a 100 g, tativový materiál, tlumicí deka. Experimentální provedení Upořádání experimentu je na obr. 2. V levé dolní čáti obrázku je detail připojení napájecího napětí pomocí krokovorky a upraveného banánku a detail upevnění přídavných závaží pomocí modelíny. Jednotlivé díly autodráhy propojíme do roviny o délce 120 cm, kterou připojíme pomocí vodičů k laboratornímu zdroji napětí. Na autíčko upevníme pomocí modelíny papírový přerušovač a za dojezdový díl autodráhy umítíme tlumící detičku z molitanu nebo podobného materiálu, která zabrání případnému poškození autíčka. Stereogate připojíme na mikrofonní vtup počítače. Obr. 2 Upořádání experimentu Při ověřování záviloti zrychlení na půobící íle použijeme autíčko bez přídavného závaží a měníme pouze velikot napájecího napětí v rozmezí 6 V 12 V. Autíčko pouštíme tále ze tejné pozice a necháme ho projet Matematika fyzika informatika 27 (5)

4 oběma optickými branami. Pomocí programu Free Audio Editor (FAE) určíme čay průchodu papírového přerušovače prvním a druhým monogatem, ze kterých určíme hodnoty okamžitých rychlotí v 1 a v 2. Dále ve FAE změříme celkový ča t průchodu autíčka mezi prvním a druhým fotogatem (obr. 3) a nakonec vypočítáme hodnotu zrychlení ze vztahu a = v/ t, kde v = v 2 v 1. Naměřené hodnoty zapíšeme do tabulky a na závěr vytvoříme graf záviloti zrychlení autíčka na napájecím napětí, které je přímo úměrné íle půobící na autíčko. Obr. 3 Náhled ignálu ve FAE Námi naměřené hodnoty jou uvedeny v tabulce 1 a grafická závilot zrychlení na půobící íle je na obr. 4. Tabulka 1 Měření zrychlení autíčka v záviloti na půobící íle (napájecím napětí) U V t 1 t 2 v 1 m 1 v 2 m 1 v m 1 t a m 2 6 0,016 0,012 0,625 0,833 0,21 0,461 0,45 7 0,014 0,011 0,714 0,909 0,19 0,400 0,49 8 0,012 0,009 0,833 1,111 0,28 0,350 0,79 9 0,011 0,008 0,909 1,250 0,34 0,323 1, ,011 0,008 0,909 1,250 0,34 0,300 1, ,010 0,007 1,000 1,429 0,43 0,275 1, ,009 0,007 1,111 1,538 0,43 0,256 1, Matematika fyzika informatika 27 (5) 2018

5 Obr. 4 Graf záviloti zrychlení autíčka na půobící íle (napájecím napětí) Ve druhé čáti experimentu ponecháme kontantní velikot napájecího napětí a zvyšujeme velikot hmotnoti autíčka přidáváním závaží na autíčko. Opět určíme pro každou hmotnot autíčka jeho zrychlení a etrojíme graf záviloti zrychlení na hmotnoti autíčka. Námi naměřené hodnoty jou uvedeny v tabulce 2 a grafická závilot zrychlení na hmotnoti vozíku pro napájecí napětí U = 10 V je na obr. 5. Tabulka 2 Měření zrychlení autíčka v záviloti na jeho hmotnoti pro U = 10 V m g t 1 t 2 v 1 m 1 v 2 m 1 v m 1 t a m ,011 0,008 0,909 1,250 0,34 0,300 1, ,014 0,010 0,714 1,000 0,29 0,364 0, ,015 0,011 0,667 0,909 0,24 0,428 0, ,018 0,013 0,556 0,769 0,21 0,492 0, ,019 0,014 0,526 0,714 0,19 0,495 0, ,022 0,015 0,455 0,667 0,21 0,600 0, ,025 0,017 0, ,19 0,670 0, ,026 0,018 0,385 0,556 0,17 0,671 0, ,027 0,019 0,370 0,526 0,16 0,742 0,21 Z grafu lineární regrení funkce na obr. 4, která je vyznačena červenou barvou, je dobře vidět lineární závilot zrychlení na půobící íle. Stejně tak na obr. 5 je dobře pozorovatelná hyperbolická křivka nepřímé Matematika fyzika informatika 27 (5)

6 úměrnoti mezi zrychlením a hmotnotí autíčka. Hodnota exponentu této regrení křivky je 0, 979. = 1, což odpovídá vztahu (2). Obr. 5 Graf záviloti zrychlení autíčka na jeho hmotnoti V článku jme e zabývali inovací experimentálního ověření zákona íly, při kterém jme k demontraci využili pro žáky atraktivní pomůcky jako je autodráha a počítač. Pomocí dvou optických bran etavených z laerového ukazovátka a olárního článku jme zaznamenali průchod autíčka a v programu FAE určili čay průchodu jednotlivými branami i celkový ča pohybu. Experimentálně naměřené hodnoty potvrdily jak lineární závilot zrychlení na půobící tažné íle, tak hyperbolický pokle zrychlení v záviloti na hmotnoti autíčka. Závěrem lze kontatovat, že demontrace druhého Newtonova zákona pomocí výše uvedených jednoduchých pomůcek umožňuje žákům rychlé pochopení probírané látky a učitelům fyziky nadnou demontraci tohoto zákona, než provedení klaickým způobem pomocí vzduchové nebo vozíčkové dráhy. Součané využití ICT při této demontraci poiluje také mezipředmětové vazby a zvyšuje pro žáky atraktivitu demontračního experimentu. L i t e r a t u r a [1] Horáková, R.: Pohyb outavy těle pojených vláknem. Studijní text pro řešitele FO, (2014) [online]. Dotupné z: texty/pohyb.pdf 364 Matematika fyzika informatika 27 (5) 2018