Metodické poznámky k souboru úloh Optika Baterka Teoreticky se světlo šíří "nekonečně daleko", intenzita světla však klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Děti si často myslí, že světlo se nešíří příliš daleko od zdroje a že se světlo šíří do větší vzdálenosti v noci než ve dne. Některé děti se domnívají, že ve dne se světlo vůbec nešíří, ale může se objevit i opačná představa, tj. že se světlo vůbec nemůže šířit v noci. Děti mohou s baterkou provádět jednoduché pokusy, aby jednotlivá tvrzení potvrdily, či vyvrátily. Pro zjišťování, kam baterka dosvítí, mohou použít např. černý papír (nebo jiné vhodné stínítko) a délkové měřidlo. Provedení pokusu mohou děti samy navrhnout. Pro zjišťování intenzity osvětlení lze použít luxmetr. Lidský zrak dokáže vnímat určité světelné podněty ještě při hladině 10 9 lx. Rychlost světla Správná odpověď je A. Žáci si často myslí, že světlo se šíří nekonečně velkou rychlostí. Často se také mylně domnívají, že světlo se šíří větší rychlostí ve vzduchu než ve vakuu. Sluneční brýle Nejsprávnější odpověď je B, ale je vhodné se žáky diskutovat i o dalších odpovědích. Co se týče odpovědi Jany (A), děti často dobře nerozlišují, co je zdrojem vlastního světla a myslí si, že hladké nebo světlé objekty (např. sníh nebo zrcadlo) jsou zdrojem světla. Co se týče odpovědi Katky (C), v zimě je sluneční světlo dopadající na severní polokouli méně intenzivní, neboť zemská osa je odkloněná od Slunce (Země je ale v zimě Slunci nejblíže). Nicméně za slunečného dne dopadá do našeho oka světlo ze Slunce i světlo odražené od sněhu (nebezpečné pro oči je zejména UV záření), proto je třeba zrak chránit slunečními brýlemi i uprostřed zimy. Pomocí luxmetru můžeme provádět měření intenzity osvětlení a zkoumat intenzitu dopadajícího a odraženého světla od zasněženého povrchu (je možné použít i umělý sníh nebo např. lesklou bílou desku). Venuše Děti si často myslí, že planety nebo Měsíc jsou zdrojem vlastního světla, případně, že jsou zdrojem vlastního světla pouze v noci. Hvězdy ze Země Hvězdy ve dne nevidíme proto, že jejich světlo je příliš slabé a během dne je přesvíceno slunečním zářením rozptýleným v atmosféře. Rozptyl slunečního záření je důvodem, proč je obloha během dne světlá a dalo by se říci, že "svítí". Během zatmění Slunce ale přestane být v místě zatmění atmosféra ozařována, obloha více, či méně potemní a jasnější hvězdy (např. Venuše) mohou být vidět.
Děti si často myslí, že hvězdy jsou zdrojem vlastního světla jenom v noci. Někdy si také myslí, že hvězdy ve dne zapadnou (podobně jako Měsíc) nebo že "přejdou na druhou stranu" zeměkoule. K zobrazení oblohy je možné použít program Stellarium, který je volně ke stažení na http://www.stellarium.org/cs/. Hvězdy z Měsíce Správná může být odpověď A i B. Lidé se často domnívají, že z povrchu Měsíce jsou hvězdy běžně vidět. Důvodem je zejména skutečnost, že Měsíc nemá atmosféru, tudíž nedochází k rozptylu světla. Tato představa se také stala jedním z argumentů, na kterých byly založeny tzv. konspirační teorie o přistání Apolla na Měsíci, které vznikly v 70. letech 20. století a které tvrdily, že přistání na Měsíci v rámci programu Apollo byl podvod (na fotografiích nebyly vidět hvězdy). Viz např. https://www.stream.cz/teorie-spiknuti/10010420-bylo-pristani-na-mesici-dumyslnym-podvodem#nejnovejsi Důvodem, proč nejsou vidět hvězdy na osvětlené straně Měsíce, když nás oslňuje Slunce, je velké množství světla odražené od povrchu Měsíce, které hvězdy přesvítí, podobně jako je tomu na Zemi (na fotografii povrchu Měsíce je vidět, že je měsíční krajina velmi jasná). Lidské oko bez brýlí je při tom akomodováno na velký jas, takže hvězdy člověk nevidí (maximálně by mohl spatřit některé planety, např. Venuši, nebo velmi jasné hvězdy). To je také důvod, proč nejsou na fotografiích z Měsíce vidět hvězdy (zejména při krátké expoziční době). Pokud bychom chtěli eliminovat světlo odražené od měsíčního povrchu a spatřit hvězdy, museli bychom si lehnout např. do kráteru, kde by nás neoslňovalo Slunce, nebo si lehnout tak, abychom neměli Slunce v zorném poli. Po určité době potřebné k přizpůsobení očí na tmu bychom mohli hvězdy spatřit. Velikost stínu 1 Čím blíže zdroji světla se chlapec nachází, tím více ho zakrývá, tj. tím více světelných paprsků je jím odráženo, a jeho stín je větší. Častou mylnou představou dětí je, že stín bude stejně velký jako postava chlapce. Děti v tomto případě vysvětlují často vznik stínu jako odraz nebo jako "temný odraz" předmětu na stínítku. O stínech si také myslí, že jsou nezávislé na předmětech, které je vrhají, tj. velikost stínu je stále stejná. Změnu velikosti stínu v závislosti na vzdálenosti předmětu od zdroje světla (nebo od zdi) lze jednoduše prozkoumat pomocí silnější lampičky (která by co nejlépe nahrazovala bodový zdroj světla), jako stínítko lze použít např. bílou zeď nebo bílou tabuli, na které je možné stín obkreslit. Místo postavy lze použít figurku (nebo jiný vhodný geometrický tvar) vystřiženou z tvrdého papíru. Velikost stínu 2 V tomto případě je zdroj světla (Slunce) velmi daleko, paprsky dopadající na chlapce jsou tedy rovnoběžné. Stín bude mít proto stále stejnou velikost, nezávisle na tom, v jaké vzdálenosti od tabule (zdi) se chlapec bude nacházet.
Délka stínu Správná je odpověď A. Stín se bude zkracovat. Je vhodné provést náčrtek a znázornit, kam bude sahat stín, když se Petr bude k domu přibližovat (zdroj světla a vršek Petrovy hlavy musí ležet v jedné přímce. Průsečík této přímky s vodorovnou cestou vyznačuje místo, kam dopadne stín vršku Petrovy hlavy (tedy délku stínu - měřeno od jeho nohou). Děti mají často problém s vysvětlením mechanismu vzniku stínu na základě přímočarého šíření světla (paprsky kreslí často jako "zalomené"). Sytost stínu Správná je odpověď C. Co se týče volby odpovědi Vojty (A), děti si někdy myslí, že tmavší kartička vrhá tmavší stín, protože je tmavá. V souvislosti se vznikem stínu se u dětí objevuje mylná představa, že stín vzniká tak, že předmět vylučuje nějakou substanci, která světlo odsune, nebo že stín je tvořen jakýmisi "stínovými paprsky". Co se týče odpovědi Katky (B), mohla by mít pravdu, pokud by kartička byla více, či méně průsvitná. V zadání úlohy ale je uvedeno, že se jedná o neprůhledné kartičky. Pokus znázorněný na obrázku mohou děti snadno provést a ověřit správnost své odpovědi. Zároveň mohou experimentovat s různou tloušťkou kartiček. Počet stínů Správná je odpověď B. Děti mívají problém určit počet stínů a jejich tvar při osvětlení předmětu více zdroji. Problém mohou mít děti i s tím, v jakém místě se stíny budou vytvářet. K prozkoumání počtu a tvaru stínů použijeme dva (nebo i více zdrojů - pokud možno blízké bodovým zdrojům), těleso vrhající stín volíme nejdříve co nejjednodušší (např. kouli). Na stínítku pak zkoumáme tvar a barvu stínů v případě, že se stíny překrývají. Kočka ve tmě Správná je odpověď B. Se žáky je vhodné diskutovat o tom, proč vidíme okolní předměty. Děti si často mylně myslí, že můžeme vidět i ve tmě (když se "rozkoukáme"). Jak již bylo uvedeno u úlohy Sluneční brýle, děti dobře nerozlišují, co je a co není zdrojem vlastního světla (zde např. svítící oči kočky mohou některé děti mylně považovat za zdroj světla). Úvaha o velkém kontrastu mezi bílou kočkou a tmavým okolím je pro mladší žáky složitá, nicméně je důležitá a objevuje např. v úloze Hvězdy z Měsíce. Se žáky je nejprve vhodné rozebrat, za jakých podmínek předmět lze vidět (musí být osvětlen a paprsky od předmětu odražené musí dopadat do oka). Poté lze diskutovat, zda by za stejných podmínek byla vidět lépe bílá nebo černá kočka. K této úloze lze provést ověřující pokus v temné místnosti (temný prostor lze vytvořit i s pomocí tmavé látky, kterou přehodíme přes stůl, nebo lze využít velkou krabici). V temném prostoru je vhodné místo kočky "pozorovat" lesklé objekty (např. mince, vyleštěný kov apod.) a bílé před-
měty (např. kus bílé látky, bílý papír apod.). Pokud je v místnosti úplná tma, předměty neuvidíme. Děti mohou pokus snadno provést též doma, pokud mají např. koupelnu bez oken nebo tmavou chodbu, kde mohou zavřít dveře. Svítilna ve vesmíru Správná je odpověď C. V prostoru, ve kterém se kosmonaut nachází, nejsou žádné částice (prach a nečistoty), na kterých by se světlo ze svítilny rozptylovalo. Co se týče odpovědi Jany (B), pokud bychom se nacházeli v prostředí, ve kterém by byl vzduch velmi čistý (např. v jeskyni), kužel světla (resp. paprsky světla) bychom neviděli (mohli bychom vidět pouze osvětlené předměty). Se žáky lze provést jednoduchý pokus např. s laserovým zdrojem, ze kterého necháme úzký světelný svazek procházet různě znečistěnými prostředími (např. vzduchem znečištěným kouřem nebo prachem, případně vodou, do které přidáme trochu mléka nebo rozdrcené křídy). Žákům lze zadat za domácí úkol, aby vyhledali informace o laserových radarech, které se používají k měření znečištění zemského ovzduší. Laserový paprsek se částečně odráží a částečně rozptyluje na částicích obsažených v ovzduší. Odražené signály se vyhodnocují, tímto způsobem je možno určit rozložení a směr pohybu kouřových částic a dalších znečišťujících látek v ovzduší. Bližší informace viz např. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/laser/k34.htm Obraz na stěně Předměty vidíme tehdy, když světlo dopadá ze zdroje přímo do oka (tak bychom viděli např. žárovku, která je přímo zdrojem světla), nebo když se světlo odráží od nějakého předmětu (v tomto případě od obrazu). S problematikou "Proč vidíme předměty?" je spojeno několik typických miskoncepcí: 1. Malé děti nespojují oko a objekt, starší děti uvažují o vidění jako o "přechodu z oka k objektu" (odpověď A). 2. Světlo jde nejprve do oka a pak na objekt (odpověď B). 3. Světlo jde ze zdroje do oka i na objekt. Mezi okem a objektem už není spojení (odpověď D). Dále se mohou objevit tyto miskoncepce: 4. Světlo osvětluje předměty, abychom je viděli, dále již ale děti neuvažují o světle jdoucím od předmětu do oka. 5. "Vidíme očima." Z oka vycházejí "paprsky vidění". Příčinou těchto chybných představ může být skutečnost, že můžeme vidět předměty v místnosti, i když nesvítí Slunce a v místnosti, kde není žádný běžný zdroj světla. Jestliže rozsvítíme v místnosti světlo, jsou najednou (tj. v tentýž okamžik) vidět všechny předměty, světelné paprsky nejsou viditelné, takže si neuvědomujeme, že jsou od jednotlivých předmětů odráženy. Podle D. Mandíková, J. Trna: Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky. Brno: Paido, 2011. ISBN 978-80-7315-226-0. Fotografování v zrcadle Správná odpověď je A.
Děti si velmi často chybně myslí, že obraz předmětu leží v rovině zrcadla, a proto volí odpověď B. Návrh pokusu: Jestliže chceme pokusem ukázat, kde leží obraz předmětu, který vidíme v zrcadle, je vhodné se dětí zeptat: "Kam byste museli dát další stejný předmět, aby vám po odstranění zrcátka splynul s obrazem?" V učebnicích se tato situace se často řeší tak, že se předmět položí na pravítko, které se zobrazí společně s pravítkem. Lze ale vyslovit pochybnost, že zrcadlo může délky zkreslovat a že tedy toto není dostatečný důkaz. Pak můžeme vzít nějaká dva stejné nebo velmi podobné předměty (např. tužky apod.) a najít místo, kde splyne druhý předmět s obrazem prvního předmětu. Tak jednoduše ukážeme, že obraz je ve stejné vzdálenosti od zrcadla jako předmět. (Inspirováno Heurékou - Geometrická optika, červenec 2015) Můžeme se vidět? Správná je odpověď C. Chlapec i dívka se mohou v zrcadle vidět navzájem, jestliže světlo dopadající z chlapce (resp. z dívky) se může od zrcadla odrazit do očí dívky (resp. chlapce), což je v uspořádání znázorněném na obrázku možné. Se žáky je vhodné diskutovat, za jakých podmínek by se dívka a chlapec vzájemně v zrcadle vidět nemohli a kdy se může v zrcadle vidět dívka. Děti mají častou mylnou představu, že nemůžeme vidět předmět, který je mimo zrcadlo. V tomto případě je vhodné provést jednoduchý pokus, kterým si mohou žáci ověřit pravdivost, či nepravdivost jednotlivých tvrzení (důležité je též nakreslit chod paprsků, které umožňují chlapci či dívce vidět se navzájem). Pohyb před zrcadlem Děti mají častou chybnou představu, že poloha obrazu předmětu v rovinném zrcadle závisí na poloze pozorovatele, tj. změní-li se poloha pozorovatele, změní se také poloha obrazu v zrcadle. V tomto případě typicky volí odpověď C (obraz kuličky se bude pohybovat na opačnou stranu než pozorovatel, tedy doprava). Obraz předmětu pak vyznačí za zrcadlem na spojnici oka posunutého pozorovatele a kuličky. Se žáky je vhodné situaci rozebrat a nakreslit správnou polohu obrazu. Výška zrcadla Děti si často myslí, že k tomu, abychom se v zrcadle viděli celí, potřebujeme zrcadlo stejně vysoké jako je výška postavy. Stačí však poloviční výška zrcadla, které je však nutno pověsit tak, aby jeho dolní okraj byl v poloviční vzdálenosti výšky očí od podlahy. Jeho horní konec musí být proto trochu níže, než je vršek Matoušovy hlavy. Osvětlení zrcadla Správná odpověď je A.
Paprsky ze zdroje světla dopadají na Matouše, od kterého se odrážejí a dopadají do zrcadla. Tyto paprsky odražené od zrcadla pak umožňují, aby se Matouš co nejlépe viděl, proto je vhodné světlo umístit tak, aby co nejvíce světla dopadalo na Matouše. Děti si často myslí, že musíme osvětlovat spíše zrcadlo, než sebe. Jednotlivá tvrzení je vhodné s dětmi prodiskutovat a nakreslit chod paprsků, které umožňují, aby se Matouš v zrcadle viděl. Ryba pod vodou Světelné paprsky vycházející od ryby se na rozhraní voda - vzduch lámou, proto Robert vidí rybu v menší hloubce, než ve skutečnosti je. Místo, ve kterém se ryba ve skutečnosti nachází, je ve větší hloubce. Děti si často mylně myslí, že voda předměty nějak zkresluje, např. je zvětšuje nebo zmenšuje, zaměňují tak lom světla s vlastnostmi vody. Čočka 1 Před čočkou i za čočkou je stejné množství světla, tj. stejný počet paprsků (zanedbáme-li jisté množství světla, které se při průchodu čočkou pohltí). Děti si často myslí, že za čočkou je světla více, tj. více paprsků (čočka světlo zesílí), případně, že je sice paprsků stejně, ale jsou silnější. Čočka 2 Jakákoliv část čočky, vytvoří vždy celý obraz předmětu, tj. všechny paprsky procházející čočkou tvoří obraz. Protože ale na čočku dopadá méně světla, bude obraz méně jasný, stále ale bude ostrý. Děti si často chybně myslí, že celý obraz předmětu může vytvořit jen celá čočka. Se žáky lze také diskutovat o tom, zda podle nich zmizí pravá, nebo levá část obrazu. Hranol Děti mívají chybnou představu, že při průchodu barevným filtrem se do bílého světla pouze přidá nějaká barva (v tomto případě červená). O bílém světle si často myslí, že je "čisté", "bezbarvé". Míchání barev Aby vznikla bílá barva, měla by mít světla přibližně stejnou intenzitu. Děti si často myslí, že složením světel základních barev vznikne černá nebo hnědá barva. Zdrojem těchto představ je zřejmě skutečnost, že jestliže smícháme několik barev, dostaneme obvykle nějakou "špinavou" barvu - hnědou nebo černou. Náměty na možné pokusy:
- skládání základních barev RGB pomocí LED diod Diody vytvářejí na stěně dobře viditelné barevné kolo. Když překryjeme světla všech tří barev, objeví se na zdi obvyklá ilustrace z učebnice, jedná se o aditivní skládání barev. Doplňkové barvy Když posvítíme na zeď všemi barvami LED a do cesty světlu vložíme objekt, vznikne na zdi několik stínů a ploch různých barev. Kromě černého stínu (kam nedopadá žádné světlo) vzniknou plochy základních barev červená zelená - modrá (tam, kde dopadá světlo jen jedné z diod) a také plochy tvořené doplňkovými barvami azurová purpurová - žlutá (tam kam dopadá světlo ze dvou diod) a bílé okolí (kam dopadá světlo ze všech tří diod). http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/15-23-piskac.html http://fyzikalnisuplik.websnadno.cz/fyzika/barevna_svetla.pdf Testování barvosleposti: http://www.medispot.cz/testy-zdravi-1/test-zraku-barvocit.html Barvy 1 Správná odpověď je A. Kalhoty a triko budou odrážet pouze žlutou barvu. Černá kabelka pohltí žluté světlo a bude vidět jako černá (v případě kabelky se nejedná o absolutně černé těleso, které by pohltilo všechno světlo, o tom, zda bude kabelka dobře vidět, také rozhoduje barva pozadí, kontrast mezi pozadím a kabelkou musí být dostatečný, aby lidské oko bylo schopno předmět rozlišit). Pro děti bývá velmi obtížné rozhodnout, jakou barvu má předmět v barevném světle. Děti si často myslí, že barva předmětu je stejná jako barva světelných paprsků, které předmět pohlcuje. Také se můžeme setkat s mylnou představou, že oči vidí vždy stejnou barvu předmětu (barva je podle nich vlastností předmětu a ne barvou odraženého světla). Dále si děti někdy myslí, že černé předměty neodrážejí žádné světlo a jsou vidět proto, že vyzařují "černé paprsky". Barvy 2 Modré tričko červenou barvu pohltí, téměř žádnou barvu nebude odrážet, proto se bude jevit jako černé. Děti mají často mylnou představu, že oči vidí barvu předmětu, ne barvu odraženého světla. V rámci této úlohy lze se žáky dále diskutovat o tom, jakou barvu bude mít červené tričko druhého fotbalisty, jakou barvu budou mít jejich trenýrky a podkolenky (odpověď: červené tričko bude mít po osvětlení červenou barvu stále červenou barvu, protože ji bude odrážet, bílé trenýrky a podkolenky budou mít červenou barvu, protože budou odrážet pouze červené světlo a černé trenýrky a podkolenky zůstanou černé). Barvy 3 Zelený filtr propouští jen zelenou barvu, slovo ZELENÁ a bílý papír odrazí pouze zelenou barvu. Pokud má slovo ZELENÁ stejnou barvu jako filtr, přes zelený filtr ho neuvidíme. Obecně platí pravidlo, že filtr zesvětluje objekty, které mají shodnou nebo podobnou barvu, jako je barva filtru, a zároveň ztmavuje objekty mající barvu doplňkovou (k zelené barvě je doplňková barva purpurová).
Typicky chybná odpověď v tomto případě bývá, že uvidíme pouze zelenou barvu nebo, že uvidíme obě slova v původních barvách. Děti si často myslí, že barevné filtry nějakým zůsobem změní bílé světlo (např. tak, že do něho "přidají barvu"). Se žáky můžeme provést jednoduchý pokus. Pokud máme interaktivní tabuli, můžeme promítnout slovo ČERNÁ a ZELENÁ. Žáci se na slova dívají přes zelené pravítko (lépe přes dvě zelená pravítka). Postupně zmenšujeme sytost zelené barvy pomocí "posuvníku průsvitnosti". Pokud bude mít slovo ZELENÁ stejný odstín jako pravítko, přes které se díváme, slovo ZE- LENÁ zmizí. Slovo ČERNÁ přes pravítko uvidíme.