Metodické poznámky k souboru úloh Gravitace Původ gravitace V tomto případě není správná ani jedna odpověď. Správné vysvětlení je, že kolem každého

Transkript

1 Metodické poznámky k souboru úloh Gravitace Původ gravitace V tomto případě není správná ani jedna odpověď. Správné vysvětlení je, že kolem každého tělesa (tedy i kolem Země) se vytváří gravitační pole, které působí na všechna tělesa, která se v poli nacházejí. Žáci si často chybně myslí, že gravitace je vázána na vzduch, který tělesa tlačí dolů nebo na atmosféru, která brání věcem, aby odlétly (viz také úloha Gravitace na Měsíci). Dále si děti myslí, že gravitace souvisí s rotací Země. Vyskytuje se i názor, že gravitace nějak souvisí se zemským magnetismem. Někteří žáci si myslí, že gravitace je síla působící směrem vzhůru, která nás drží ve svislé poloze. Míč na stole (Pokud bychom vzali v úvahu gravitační působení hvězd, které je ale velmi slabé, mohli bychom považovat za možnou správnou odpověď také odpověď Jirky.) Žáci často zaměňují gravitační sílu se silou, kterou stůl podpírá míč. Často si také myslí, že pokud je těleso v klidu, gravitační síla na něj nepůsobí. V tomto případě je vhodné nakreslit všechny síly, které působí na míč, do obrázku. Na míč působí gravitační síla a síla stolu. Tyto síly jsou stejně velké, opačně orientované a jsou v rovnováze. Jejich výslednice je nulová, proto se míč nepohybuje, je v klidu. Padající míček Žáci si často myslí, že gravitace je jakási tendence padat dolů a gravitaci nepovažují za sílu, tj. nespojují ji se silovým působením. To, že tělesa padají k Zemi, považují za jejich přirozenou vlastnost, ke které není potřeba silového působení (typická Aristotelovská představa). Strom a jablka Správná odpověď je C. Žáci si často myslí, že na jablko, které visí na stromě nebo leží na zemi (a je v klidu), gravitační síla nepůsobí. Častá mylná představa také je, že se rychlost tělesa zvětšuje díky vzrůstajícímu gravitačnímu působení, což souvisí s tím, že žáci si myslí, že ke zrychlenému pohybu je potřeba rostoucí síla. Se žáky je vhodné zakreslit všechny síly, které na jablko působí ve všech polohách. Na jablko visící na větvi působí gravitační síla a tahová síla větve, jejich výslednice je nulová, proto je jablko v klidu. Na ležící jablko působí síla podložky a gravitační síla, jejich výslednice je také nulová. Na padající jablko působí pouze gravitační síla (zanedbáme-li např. odpor vzduchu, sílu větru, vztlakovou sílu apod.), která je po dobu pádu konstantní (změnu gravitačního zrychlení s výškou lze v tomto případě také zanedbat). Míček a Země Žáci často nechápou gravitační působení jako vzájemné působení dvou těles. Mají představu, že Země je veliká a přitahuje hodně věcí, musí mít tedy podle nich velkou sílu. Navíc jsou děti zvyklé vidět, že všechna tělesa padají k Zemi, obvykle tedy vůbec nevnímají vzájemné gravitační působení mezi jakýmikoliv předměty (gravitace je pro ně spíše jako něco, co se nachází vně těles a není chápána jako vlastnost všech těles). To, že nepozorujeme, že by Země byla v důsledku působení síly přitahována k míčku, vyplývá z toho, že pohybový

2 účinek síly je tím menší, čím větší je hmotnost tělesa (tedy Země). Protože Země má velikou hmotnost, přitažlivá síla míčku s ní v podstatě nepohne. Se žáky je vhodné nakreslit síly přímo do obrázku, síly znázorníme stejně velkými opačně orientovanými šipkami. Obrázek lze také otočit o 180 stupňů, stejně jako říkáme, že Země přitahuje míček, lze se na situaci podívat i z opačné perspektivy a říkat, že míček přitahuje Zemi. Míček Správná odpověď je A (uvažovat lze i vztlakovou sílu a odporovou sílu vzduchu). Žáci se často mylně domnívají, že na míček působí gravitační síla a "síla ruky", která se postupně zmenšuje. Také se často mylně domnívají, že působení gravitace se neuplatňuje ihned po vyhození míčku, ale až s určitým zpožděním nebo poté, co přestanou působit jiné síly, v tomto případě síla ruky. Děti si myslí, že tato síla musí být větší než gravitační síla, jinak by se míček musel pohybovat dolů. Žáci se také chybně domnívají, že v bodě obratu přestane působit "síla ruky", která byla příčinou pohybu míčku vzhůru a začne působit gravitační síla, díky níž míček padá dolů. Tato úloha vychází z testu FCI (viz úloha 13). Padání těles 1 Žádná z odpovědí není zcela správná. Žáci si velmi často chybně myslí, že lehčí a malá tělesa padají pomaleji, než těžší nebo větší, protože gravitační síla urychluje těžší nebo velká tělesa více. Dále si žáci myslí (zejména ti mladší), že tělesa padají, protože jsou těžká. Příčinu padaní nevidí v gravitačním působení Země, ale v tělesech samotných, tj. padání spojují s jejich hmotností. Na předmět padající ve vzduchu působí gravitační síla, vztlaková síla a odpor vzduchu. Gravitační sílu i vztlakovou sílu můžeme při pádu považovat za stálé. Odpor vzduchu závisí na tvaru předmětu a na rychlosti pohybu předmětu vůči vzduchu. Záleží ale i na způsobu, jakým těleso pustíme (se žáky lze provádět jednoduché pokusy s padajícími tělesy a pozorovat, jak tělesa k zemi padají, jestliže je pouštíme různými způsoby). Můžeme např. zkoumat, jak se změní rychlost padání papíru, měníme-li jeho tvar - můžeme ho zmuchlat, udělat z něj skládanku, vlaštovku apod. Dále lze zkoumat, jak dopadnou v "soutěži v padání" různé dvojice těles, např. sponka a pero apod. Viz podobné úloha Padání těles 2. Padání těles 2 Ani jedna odpověď není správná, za správnou bychom mohli považovat odpověď B, ale pouze za předpokladu, že by pád probíhal ve vakuu). Míček i papírová koule dopadnou přibližně ve stejný okamžik, pokud odporová i vztlaková síla působící na míček a na kouli bude přibližně stejná a tělesa budou spuštěna z malé výšky, aby se neprojevil vliv odporové síly. Žáci si však často chybně myslí, že těžší tělesa padají rychleji. Při volném pádu těles (ve vakuu) je průběh rychlosti všech těles v daném místě stejný, nezávisle na jejich hmotnosti či tvaru, tj. míček i papírová koule by dopadly na zem ve stejný okamžik. Pokus s padáním těles o stejné velikosti můžeme provést také tak, že místo papírové koule použijeme druhý tenisový míček, který naplníme např. broky, pískem, kamínky apod. Míčky pak spouštíme ze stejné výšky. Pokud výška není příliš velká, dopadnou míčky přibližně ve stejný okamžik. Při pádu z větší výšky se však projeví odporová síla vzduchu, takže těžší míček dopadne dříve - zrychlení těžšího míčku bude větší. Okamžik dopadu těles lze zaznamenat přesněji např. videokamerou.

3 Závislost rychlosti padání na odporové síle lze dobře ukázat na jednoduchém pokusu, kdy necháme padat list novin a zmačkaný malý útržek z novin. Noviny, i když jsou těžší, padají pomaleji. Tímto způsobem lze dobře demonstrovat působení odporové síly vzduchu, která závisí na tvaru a velikosti předmětu (a také na jeho rychlosti). Dětem je v tomto případě možné ukázat pokus s Newtonovou trubicí nebo jim vhodný pokus pustit na videu, např. ukázku toho, jak padají předměty na Měsíci, kde není atmosféra (viz např. známý pokus, který provedli kosmonauti na Měsíci, když nechali zároveň padat kladívko a paví pero: Velmi efektní je pád bowlingové koule a peří v největší vakuové komoře na světě: Zajímavý je také např. pořad Rande s fyzikou, kde je možné najít dvě zajímavé videonahrávky: zrychleni-a-volny-pad/video/ Delfín Děti si často myslí, že gravitační působení je závislé na prostředí a že se gravitační síla např. ve vodě zmenšuje, nebo se mění její směr (působí směrem vzhůru). V případě těles nacházejících se ve vodě žáci vycházejí zřejmě z běžné zkušenosti, že tělesa jsou ve vodě "nadlehčována". Neuvědomují si však, že výsledná působící síla je výslednicí gravitační a vztlakové síly. Gravitace ve vzduchoprázdnu Žáci si často myslí, že ve vakuu na tělesa gravitace nepůsobí, nebo že je menší. Existenci gravitace spojují často pouze se vzduchem. Tato diskuse se může stát vhodným východiskem k pokusu, pokud je k dispozici vývěva. Pod poklop vývěvy se zavěsí závaží na pružinu nebo přímo dřevěná kostka na siloměr. Po vyčerpání vzduchu bude pružina siloměru stále protažená. Změna velikosti síly je velmi malá, neboť velikost síly, kterou je pružina natahována, se změní jen velmi málo, protože vztlaková síla působící na kostku je malá (žáci mohou odhadnout velikost vztlakové síly např. pro kostku o objemu 1 dm3). Výstup na Mount Everest Gravitační pole lze považovat za homogenní pouze v nevelkých vzdálenostech od povrchu Země (a na malém území), kdy se intenzita gravitačního pole mění velice nepatrně (jak její velikost, tak i směr), že je možné jí považovat za konstantní (opět jak velikost, tak i směr). Její velikost lze považovat za konstantní do několika set (tisíc) metrů od povrchu Země. Zdroj: Výška Mont Everestu je m, gravitační pole tedy již nelze považovat za homogenní. Žáci však mají často představu, že gravitační síla s rostoucí výškou ubývá poměrně rychle. Gravitační síla, kterou je přitahován batoh k Zemi, se při dosažení vrcholu Mount Everestu

4 zmenší přibližně jen o 0,27 N, což je zanedbatelné zmenšení gravitační síly. Aby síla poklesla např. o 10 N, museli bychom vylézt do výšky 343 km. Někteří žáci se naopak domnívají, že gravitační síla roste s nadmořskou výškou (příčinou bývá zaměňování gravitačního působení a potenciální energie). Stav beztíže Správná není žádná odpověď. Stav beztíže, v němž se kosmonauté nacházejí, je často chybně chápán jako stav, kdy na těleso nepůsobí gravitační síla, nebo je tato síla již velmi malá. Žáci se často mylně domnívají, že gravitační síla přestane na těleso působit, jakmile se dostane mimo zemskou atmosféru. Pokud by se však kosmická loď s lidskou posádkou nacházela ve vzdálenosti cca 300 km na Zemí, gravitační síla je v této výšce stále jen o něco menší než na povrchu Země (úbytek gravitační síly činí cca 10 %, tj. kilogramové závaží, kterou Země přitahuje na svém povrchu silou o velikosti cca 10 N, je ve výšce 300 km stále ještě přitahováno silou přibližně 9 N). Jak se mění velikost gravitační síly se vzdáleností naleznete na Vysvětlení je pro děti na základní škole poněkud obtížnější, nicméně se o to můžeme pokusit. Stav beztíže v družici při jejím volném letu, tj. bez zapálených motorů, je důsledkem kruhového pohybu družice kolem Země. Na kosmonauta, který se nachází uvnitř družice, nebo je s ní spojen, působí také setrvačná odstředivá síla, která má opačný směr než síla gravitační a která se s gravitační silou vyruší. Kosmonaut obíhající spolu s družicí okolo Země tedy necítí gravitační ani odstředivou sílu. Zdroj: M. Rojko: Omyly, které ovládly svět. Pražské centrum vzdělávání pedagogických pracovníků, Praha 1993 ISBN Gravitace na Měsíci Správná odpověď je C. Žáci si velmi často myslí, že se pero nebude pohybovat, nebo že bude stoupat, protože na Měsíci není žádná atmosféra (není tam vzduch jako na Zemi, který funguje v myslích žáků jako jakési médium, jež je nutné pro existenci gravitace, někdy se u dětí objevují i představy jakýchsi "molekul gravitace"), a tudíž tam nepůsobí ani žádná gravitace. Viz také úloha Padání těles 2. Úloha je převzata z publikace D. Mandíková, J. Trna: Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky. Brno: Paido, 2011.ISBN Procházka po Měsíci Na kosmonauty na povrchu Měsíce působí šestkrát menší přitažlivá síla, než na povrchu Země, tedy pravdu má Jirka. Při rozboru argumentů můžeme zdůraznit, že na tělesa na Měsíci působí gravitační síla, přestože tam není žádná atmosféra, a že složení hornin na Měsíci je podobné složení hornin na Zemi. Děti si velmi často mylně myslí, že gravitace je vázána na vzduch, který tělesa tlačí dolů nebo na atmosféru, která tělesům naopak brání, aby odlétly. Chůzi kosmonautů si můžete prohlédnout na videonahrávce z přistání Apolla 17 na Měsíci na adrese Úloha je převzata z publikace E. Hejnová a kol.: Vlastnosti látek a těles (Multimediální prezentace pro výuku fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích). Praha: Prometheus, ISBN

5 Gravitace na Venuši Děti si často myslí, že gravitace je vázána na atmosféru, která tělesa tlačí dolů, nebo že je gravitace způsobena rotací planety, která je příčinou toho, že tělesa k planetě přitahována. Viz také úloha Původ gravitace. Létající ještěr Děti si někdy mylně myslí, že pokud se těleso pohybuje ve vzduchu, gravitační síla na něj nepůsobí. Viz také úloha Delfín.