sborník seminárních materiálů

Transkript

TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM
SOCIÁLNÍM FONDEM
A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
SBORNÍK
SEMINÁRNÍCH MATERIÁLŮ
Olomouc 2008
Projekt Učíme fyziku moderně
Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje
Slovanské gymnázium Olomouc
© Slovanské gymnázium Olomouc, 2008
ISBN 987-80-7329-
Obsah
O. LEPIL: Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko
tvorby školních vzdělávacích programů
D. BARÁNKOVÁ: Zkušenosti z tvorby ŠVP
J. HUBEŇÁK: Superjasné LED
R. HALAŠ: Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta
D. MARYŠKOVÁ: Interaktivní tabule
M. VODIČKA: E-learning ve výuce fyziky
M. BARÁNEK: Pokusy z fyziky
V. PAZDERA: USB Interface KV8055 a jeho použití ve fyzice
Přílohy
5
20
35
43
71
82
90
111
117
Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko
tvorby ŠVP
OLDŘICH LEPIL
Školský zákon z roku 2004 [1] ukládá školám novou povinnost, vytvářet
vlastní Školní vzdělávací programy. Jeho součástí je také tvorba učebních osnov jako jedné z nejdůležitějších složek šířeji pojatého kurikula. To je chápáno
jako komplexní program vzdělávání, v němž je zahrnuta představa cílů pedagogického působení, obsahu výuky, metod a organizace vyučovacího procesu,
jeho podmínek a hodnocení. Kurikulum tedy zahrnuje komplex problémů vztahujících se k řešení otázek proč, koho, v čem, jak, kdy, za jakých podmínek
a s jakými očekávanými efekty vzdělávat [2].
Kurikulární tvorba ovšem nemůže probíhat nezávisle na současném stavu
a vývoji didaktického systému jako celku. Proto lze považovat také vývoj didaktického systému fyziky za určité východisko kurikulární tvorby a tedy
i vytváření současného Školního vzdělávacího programu. Je to o to důležitější,
že fyzika jako vědní disciplína a její praktické aplikace prodělávaly a stále
prodělávají významný vývoj, jehož transformace do didaktického systému
fyzikálního vzdělávání je stále složitější. Podívejme se alespoň ve stručnosti,
jak se výuka fyziky v minulosti vyvíjela.
Jestliže nahlédneme do pramenů zachycujících situaci ve školství před sto
lety, zjistíme, že problémy, s nimiž se školy potýkaly před sto lety, jsou
v podstatě stejné jako ty, na něž narážíme v současnosti. Tehdy stejně jako dnes
zaznívala kritika nedostatku vyučovacích hodin, odtrženosti výuky od potřeb
praxe i dalšího studia, nedostatečných znalostí studentů přicházejících na vyšší
stupeň školy atd. atd. Není ovšem cílem postihnou v tomto příspěvku celou šíři
problematiky. Proto se dále zaměříme jen na výuku ve všeobecně vzdělávací
střední škole, čili gymnáziu, které v průběhu 20. století prodělalo řadu podob
a proměn.
Didaktický systém fyziky na střední škole a jeho vývoj
Aniž bychom se příliš vraceli do minulosti, můžeme konstatovat, že již
v polovině 19. století sílily hlasy volající po rovnoměrném rozdělení klasického
a přírodovědného vzdělání na gymnáziu. Přesto však dominovala výuka klasickým jazykům a dokonce v roce 1855 byla ubrána fyzice jedna vyučovací hodina, kterou získala výuka latiny. Nicméně pokrok se nezastavil a projevoval se
jak ve struktuře školského systému té doby, tak v obsahu a metodách výuky. Ve
5
školské soustavě se to projevilo tak, že vedle osmiletého gymnázia, jehož hlavním posláním byla příprava pro studium na vysoké škole hlavně univerzitního
typu, začaly vznikat také sedmitřídní reálky spíše praktického zaměření.
Základní informaci o didaktickém systému fyziky na střední škole nám
poskytují učební osnovy pro gymnázium, v jejichž vývoji lze identifikovat
několik charakteristických etap, které byly předznamenány určitými výraznějšími změnami učebního plánu daného typu školy, úpravami struktury učiva
a inovacemi jeho obsahu. Zvolíme-li jako východisko našich úvah počátek 20.
století, je třeba připomenout významnou úpravu zastaralých osnov fyziky, která
byla provedena na úrovní vyššího gymnázia a reálky v roce 1899 a následně
vydáním nových osnov pro nižší gymnázia v roce 1900. Učební plán, kterým
byly v těchto osnovách stanoveny týdenní počty vyučovacích hodin, zůstal
v platnosti bez podstatných změn prakticky celou první polovinu 20. století. Na
vyšším gymnáziu (5. až 8. ročník) se po celou tuto dobu fyzika vyučovala jen
ve dvou nejvyšších třídách – septimě a oktávě.
K zásadní změně došlo až v roce 1953, kdy zanikla osmiletá gymnázia
a vznikla tzv. jednotná škola v podobě jedenáctileté střední školy (JSŠ). Středoškolskému vzdělávání v JSŠ odpovídala výuka ve třech nejvyšších ročnících
a ve všech se také vyučovala fyzika, což se projevilo výrazným nárůstem hodinové dotace fyziky v učebním plánu JSŠ. Samostatným předmětem v té době
byla také astronomie s dotací jedné vyučovací hodiny v 11. ročníku JSŠ. V roce
1961 však došlo k oddělení tří nejvyšších tříd JSŠ do samostatné výběrové
střední školy s názvem střední všeobecně vzdělávací škola (SVVŠ). To však
neznamenalo zásadnější změnu v rozsahu ani v obsahu výuky, kterou přinesla
až postupná přeměna SVVŠ na čtyřleté gymnázium v roce 1969.
V roce 1976 byl publikován tzv. „Projekt dalšího rozvoje československé
výchovně vzdělávací soustavy“. Na jeho základě probíhal v letech 1978 – 1984
postupný přechod na nový vzdělávací systém, ukončený vydáním nového školského zákona o soustavě základních a středních škol. V něm byl vytvořen
prostor pro další zvětšení hodinové dotace fyziky, která dosáhla maxima
v nových osnovách fyziky vydaných v roce 1983.
Společenské změny, které přinesl rok 1989, zahájily novou etapu vývoje
školského systému, pro který je charakteristická zejména liberalizace cest vzdělávání. Odrazem těchto tendencí je především možnost jednotlivých škol
i učitelů významným způsobem zasahovat jak do učebních plánů školy, tak do
obsahu učiva a jeho uspořádání do didaktického systému. Tomu odpovídají
i osnovy gymnázia z roku 1999, které již nestanoví jednotný a závazný obsah
výuky, ale vymezují jen minimální rozsah učiva. Současně se mění i formy,
6
kterými jsou stanoveny minimální požadavky na obsah vzdělávání (standardy,
kmenové učivo, katalog požadavků k maturitní zkoušce).
V současnosti se fyzika stává jedním z předmětů širší vzdělávací oblasti
Člověk a příroda Rámcového vzdělávacího programu pro gymnázia (RVP G
[3]) a minimální učební plán pro všechny předměty této oblasti – fyziku, chemii, biologii, geografii a geologii je RVP stanoven na 24 hodin. Skutečnou
hodinovou dotaci jednotlivých předmětů však určuje až učební plán, který je
součástí Školního vzdělávacího programu a každá škola si ho připravuje samostatně.
V této souvislosti je vhodné, ukázat, jak se učební plán fyziky na gymnáziu
měnil v průběhu uplynulého století. Vývoj učebního plánu fyziky na vyšším
gymnáziu a jemu odpovídajících ročnících všeobecně vzdělávací školy je přehledně shrnut v tabulce 1 (údaje se týkají rozsahu výuky na úrovni základní
větve vzdělávacích programů).
Tabulka 1
Rok
Škola
1899
1898
1908
1919
1948
1953
1961
1983
1990
1999
2006
Gymnázium
Reálka (sedmiletá)
Reálné gymnázium
Gymnázium
Gymnázium
JSŠ
SVVŠ
Gymnázium
Gymnázium
Gymnázium
Gymnázium
(RVP G Člověk a příroda)
Ročník
5 (1)
-
6 (2)
4
-
3
3
3
2
2
P3)
3
3
3
2
2
P
7 (3)
3
4
3
4
3
51)
4
3
2
2
V4)
8 (4)
3
4
4
4
4
2
R2)
V
Celkem
6
8
7
8
7
11
10
13
8
6
24
1) Včetně astronomie, která byla v učebním plánu jako samostatný předmět s dotací 1 vyučovací
hodina.
2) Hodinovou dotaci určuje ředitel školy.
3) Vzdělávací obsah oborů dané vzdělávací oblasti musí být zařazen v příslušném ročníku.
4) Zařazení vzdělávacího obsahu oborů dané vzdělávací oblasti do ročníků stanovuje ŠVP.
Poznámka
K tabulce 1 ještě uveďme, že na gymnáziu (na rozdíl od reálky) a později rovněž na
reformním reálném gymnáziu byly součástí osnov fyziky také poznatky chemie.
V podstatě to byly základy anorganické chemie, které se vyučovaly ve 2. pololetí VII.
ročníku. Odtud se odvíjí požadavek, aby učitelská příprava zahrnovala dnes málo využívanou aprobační skupinu předmětů fyzika - chemie.
7
Didaktický systém fyziky v osnovách střední školy
Nejúplněji lze sledovat rozvoj fyzikálního vzdělání na vývoji struktury
a obsahu osnov fyziky. V této souvislosti je možné konstatovat, že jsou témata
středoškolské fyziky, která lze označit za nedílnou součást všech vývojových
etap didaktického systému fyziky a jejich obsah jen nepatrně ovlivňuje čas.
K těmto tématům patří především Mechanika, kterou se prakticky vždy na
našich středních školách začíná. Stejně tak lze hodnotit téma Mechanické vlnění a akustika, které v současnosti, ve světě zhlceném audiovizuální komunikací,
nacházíme v osnovách fyziky prakticky ve stejné podobě jako před sto lety,
včetně ladičky jako dominantního zdroje zvuku. Podobně je na tom i optika,
která rovněž nepřekračuje rámec 19. století. Kromě nejjednodušší informace
o vláknovém světlovodu, od něhož se odvíjí významný technický obor - vláknová optika, a základních poznatků o principu holografie v podobě rozšiřujícího učiva se zde setkáváme jen s poznatky s více než stoletou historií.
Nejvýrazněji se v průběhu 20. století vyvíjelo učivo elektřiny, jehož základ
nejdříve tvořily poznatky elektrostatiky a na ně navazující učivo o elektrickém
proudu. Závěr tohoto učiva pak postupně reflektoval nejnovější poznatky fyziky a brzy po ocenění objevu rentgenových paprsků první Nobelovou cenou
v historii uzavíraly tyto nejnovější poznatky učivo elektřiny, jak to dokumentuje ukázka výrazně modernizovaných osnov z roku 1933:
… Telefon a mikrofon. Výboje v plynech. Záření katodové a paprsky kanálové, elektrony, paprsky Roentgenovy. Ionisace plynu. Elektronové lampy a jejich užití. Elektrické
vlny. Kmitavý kruh, kruhy spřažené, resonance. Detektory, radiotelegrafie a radiofonie.
Hlavní zjevy radioaktivní.
Celkový vývoj osnov středoškolské fyziky ve druhé polovině 20. století je
patrný z následujícího přehledu:
Přehled vývoje osnov fyziky na střední všeobecně vzdělávací škole (gymnáziu) ve 2. polovině 20. století
Osnovy fyziky z roku 1948 (čtyřleté gymnázium)
III. třída
Úvod. Mechanika. Astronomie. Vlastnosti kapalin a plynů v klidu. Nauka o proudění
tekutin – fyzika letu. Molekulární vlastnosti. Nauka o vlnění. Akustika. Termika.
IV. třída
Nauka o magnetismu. Nauka o elektřině. Nauka o světle. Nauka o záření a stavbě hmoty. Základy astrofyziky.
8
Osnovy fyziky z roku 1953 (jedenáctiletá střední škola)
9. ročník
Úvod. Mechanika.
10. ročník
Molekulární fyzika a teplo. Základy nauky o vlnění a akustice. Geometrická optika.
11. ročník
Elektřina. Záření a stavba atomu.
Samostatný předmět Astronomie.
Osnovy z roku 1961 (střední všeobecně vzdělávací škola)
1. ročník
Úvod. Mechanika.
2. ročník
Molekulová fyzika a termika. Kmity a vlnění, akustika. Elektřina a magnetismus I.
3. ročník
Elektřina a magnetismus II. Optika. Stavba atomu. Astronomie. Závěr.
Osnovy z roku 1983 (gymnázium)
1. ročník
Úvod. Formy a příčiny mechanického pohybu. Gravitační pole. Elektrické pole.
2. ročník
Struktura a vlastnosti látek. Elektrický proud v látkách.
3. ročník
Magnetické pole. Kmitání a vlnění.
4. ročník
Světlo a záření. Stavba atomu. Astrofyzika. Fyzikální obraz světa.
Osnovy z roku 1990 (čtyřleté gymnázium)
1. ročník
Úvod. Základy mechaniky hmotných bodů. Gravitační pole. Mechanika otáčivého pohybu tuhého tělesa. Mechanika kapalin a plynů.
2. ročník
Struktura a vlastnosti látek. Mechanické kmitání a vlnění.
3. ročník
Elektrické pole. Elektrický proud v látkách. Magnetické pole. Střídavý proud. Fyzikální
základy elektroniky. Elektromagnetické kmitání a vlnění.
4. ročník
Světlo a záření. Základy speciální teorie relativity. Základy fyziky mikrosvěta. Astrofyzika. Fyzikální obraz světa.
9
Osnovy z roku 1999 (čtyřleté, popř. osmileté gymnázium)
1. (5.) ročník
Fyzikální veličiny a jejich měření. Mechanika.
2. (6.) ročník
Molekulová fyzika a termika. Mechanické kmitání a vlnění.
3. (7.) ročník
Elektřina a magnetismus.
4. (8.) ročník
Optika. Speciální teorie relativity. Fyzika mikrosvěta. Astrofyzika. Fyzika v širších
souvislostech.
Jak je patrné z uvedeného přehledu, zásadnější změny ve struktuře didaktického systému fyziky přinesly až osnovy gymnaziální fyziky na počátku druhé
poloviny 20. století, v nichž je zakotveno uspořádání jednotlivých témat
v posloupnosti, s níž se setkáváme i v současném návrhu didaktického systému,
jak ho prezentuje Rámcový vzdělávací program pro gymnázium (RVP G)
[3, s. 26]. Určitou výjimku zde tvoří téma Mechanické kmitání a vlnění, které je
v RVP G zařazeno do mechaniky, ačkoliv v celé historii vývoje didaktického
systému fyziky české střední školy takto řazeno nikdy nebylo a preferována
byla spíše vazba na akustiku a optiku, pro které bylo mechanické kmitání
a vlnění obecným východiskem. Z učiva elektřiny byly také vyčleněny poznatky z atomové a jaderné fyziky do samostatného tématu, což odráželo pozornost, která byla od 50. let 20. století upřena k technologickému využití štěpné reakce uranu a dalších poznatků fyziky mikrosvěta. V 60. letech 20. století
pak didaktický systém začínají ovlivňovat modernizační snahy ve fyzice, což se
projevuje např. zařazením základních poznatků speciální teorie relativity nebo
větším důrazem na stěžejní poznatky, na nichž je založena kvantová fyzika.
V učivu elektromagnetismu naopak dochází k určitým redukcím učiva,
které se týkají např. poznatků z elektrostatiky nebo praktických aplikací, jejichž
praktický význam s vývojem techniky poklesl (např. poznatky o některých
točivých elektrických strojích, jako je dynamo nebo komutátorový elektromotor
na stejnosměrný proud). Tyto redukce byly nutné také proto, aby se našel
prostor pro zcela nové poznatky o vedení elektrického proudu v polovodičích
a jejich praktickém využití. Učivo o polovodičích je také nejvýraznějším zásahem do didaktického systému učiva elektřiny, které bylo poprvé učebnicově
zpracováno v r. 1965 a prodělalo značný vývoj, který s ohledem na bouřlivý
rozvoj polovodičové elektroniky stále probíhá.
10
Největší odchylku od klasického uspořádání učiva znamenaly osnovy
z roku 1983, jejichž příprava začala ve 2. polovině 70. let 20. století v souvislosti s celkovou přestavbou školské soustavy. V tomto období také dosáhla
maxima hodinová dotace fyziky na střední škole (viz učební plán z roku 1983
v tabulce 1). Tím byl vytvořen nejen větší prostor pro modernizaci obsahu
zařazením nových, popř. prohloubením obsahu tradičních témat učiva, ale
došlo i k výrazným změnám ve struktuře didaktické soustavy. To se projevilo
např. vytvořením integrovaných poznatkových soustav jednak v učivu
o silových polích (gravitační a elektrické pole), jednak v učivu o mechanickém
a elektromagnetickém vlnění. Příznivá hodinová dotace umožnila také realizaci
systému teoretických a laboratorních cvičení, pro něž byla v učebním plánu
vymezena jedna týdenní hodina v dělené třídě. Kromě povinné části výuky
fyziky měl žák možnost prohloubit si fyzikální vzdělání ještě v nepovinném
předmětu cvičeních ve všech ročnících čtyřletého gymnázia a v posledním roce
studia mohl navštěvovat volitelný seminář a cvičení v jednom z pěti zaměření
(Vybrané kapitoly z fyziky, Fyzika a technika, Fyzika hvězd a vesmíru, Fyzika
pevných látek a Fyzika a filozofie).
Učební plán a osnovy z roku 1983 tvořily základ rozsáhlého projektu, který
byl postupně realizován až do konce 80. let. I když byl velmi kvalitně připraven
a opíral se např. o výzkumem ověřené učební materiály, nesl znaky tehdejší
školské politiky, kterou charakterizovala jediná alternativa řešení didaktického
systému výuky. To vyvolalo prakticky hned po společenských změnách v roce
1989 značnou kritiku učitelské veřejnosti, která nepřijala zejména některé výraznější zásahy do tradiční struktury učiva v podobě zmíněných integrovaných
poznatkových soustav. Současně byl nastoupen trend liberalizace školské soustavy, kterou charakterizuje značná volnost ve volbě vzdělávacích cest. To ve
svých důsledcích vedlo nejprve k redukci hodinové dotace fyziky na 2 hodiny
týdně (1990) a posléze jen ke stanovení povinného minimálního učebního plánu (1999) a změnám osnov fyziky, které znamenají do značné míry návrat ke
klasické struktuře didaktického systému. Možné alternativy učebních plánů
a individuální úpravy uspořádání učiva na jednotlivých školách si pak vyžádaly
i jinou koncepci učebnic fyziky a vznik souboru tematicky zaměřených učebnic
(viz dále), které učiteli poskytují lepší možnost sladit vlastní záměry vzdělávacího programu s žákům dostupnými učebními materiály.
Zásadní změny ve vymezování didaktického systému přinášejí Rámcové
vzdělávací programy a na ně navazující Školní vzdělávací programy. Projektování výuky se stává věcí samotných učitelů na školách, přičemž pro učitele je
tato činnost zcela nová a v pregraduální vysokoškolské přípravě učitelů na
vysokých školách se nově objevuje teprve v poslední době. Proto byl pro učite-
11
le připraven tvůrci RVP tzv. Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů [4], v němž se konkrétně učitele fyziky, popř. celého vzdělávacího okruhu
Člověk a příroda týká zejména tabulace učebního plánu ([4], s. 77] a příprava
učebních osnov ([4] s. 97).
Již z ukázek školních vzdělávacích programů tzv. pilotních škol je však
patrná značná různorodost takto zpracovaných osnov, které lze v nejednom
případě označit i za problematické. Ve snaze dosáhnout určité kompatibility
vytvářených osnov se současnými učebnicemi fyziky pro gymnázia vydalo
nakladatelství Prometheus Příručku [5]. V ní jsou zpracovány návrhy osnov pro
tři různé varianty učebních plánů pro vyšší stupeň gymnázia: O – optimální
(učební plán 2 + 2 + 3 + 2), P – přiměřená (2 + 2 + 2 + 2) a S – skromná (2 + 2
+ 2 + 0).
Učebnice fyziky pro gymnázium a jejich vývoj
Samotné osnovy fyziky nepodávají dostatečně úplný pohled na didaktickou
soustavu učiva. Ten lze získat spíše z učebnicových textů, z nichž je patrný
předpokládaný rozsah a úroveň výkladu jednotlivých poznatků vymezených
osnovami jen v podobě tematických celků, dílčích témat a hesel. Proto je pro
posouzení vývoje fyzikálního vzdělávání na střední škole vhodné ukázat, jak
byly v jednotlivých etapách vývoje didaktického systému konkretizovány osnovy v učebnicích. Zdálo by se, že není možné ve stručnosti prezentovat
všechny učebnice, které v průběhu uplynulého století u nás vznikaly. Jestliže se
však omezíme na učebnice určené pro povinnou výuku ve všeobecně zaměřené
střední škole (gymnáziu), je rozsah učebnicové tvorby za uvedené období až
překvapivě stručný. V následujícím přehledu jsou uvedeny učebnice používané
na českých gymnáziích od r. 1911.
Přehled českých učebnic pro vyšší třídy gymnázia vydaných ve 20. století
Jeništa, J. – Mašek, B. – Nachtikal, F.: Fysika pro vyšší gymnasia, díl I. a II.
JČMF Praha 1911.
***
Mašek, B. - Jeništa, J. – Nachtikal, F. – Štěpánek J. : Fysika pro vyšší třídy
středních škol, díl I. a II. JČMF Praha 1936.
Devorecký, H. – Šmok, M.: Fysika pro vyšší třídy středních škol, díl I. a II.
JČMF Praha 1935 – 36.
Herolt, E. – Ryšavý, V.: Fysika pro vyšší třídy středních škol, díl I. a II. Česká
grafická unie, Praha 1935.
***
12
Chytilová, M. – Pavlík, B. – Šoler, K. – Vlach, B.: Fysika pro třetí třídu gymnasií, SPN, Praha 1953.
Bělař, A. – Hlavička, A. – Lehar, F. – Pavlík, B. – Pírko, Z.: Fysika pro čtvrtou
třídu gymnasií, SPN Praha 1953.
***
Kašpar, E. – Chytilová, M. – Vlach, B.: Fysika pro devátý ročník, SPN, Praha
1958.
Šoler, K. – Fuka, J. – Lehar, F.: Fysika pro desátý ročník, SPN, Praha 1958.
Rudolf, V. – Fuka, J. – Hlavička, A.: Fysika pro jedenáctý ročník, SPN, Praha
1958.
***
Marek, J. – Chytilová, M. – Kašpar, E. – Vanýsek, V.: Fyzika pro I. ročník
střední všeobecně vzdělávací školy, SPN, Praha 1965.
Vanovič, J. – Sokol, E. – Thern, L. – Vlach, B.: Fyzika pro II. ročník střední
všeobecně vzdělávací školy, SPN, Praha 1965.
Fuka, J. – Klimeš. B. – Lepil, O. – Rudolf, V. – Široký, J. – Vanýsek, V.: Fyzika
pro III. ročník středních všeobecně vzdělávacích škol, SPN, Praha 1965.
***
Chytilová, M.: Doplněk k učivu fyziky pro I. ročník gymnasia, SPN, Praha
1972.
Vlach, B.: Doplněk k učivu fyziky pro II. ročník gymnasia, SPN, Praha 1974.
Lepil, O. – Chytilová, M.: Doplněk k učivu fyziky pro III. ročník gymnasia,
SPN, Praha 1973.
Fuka, J.: Doplněk k učivu fyziky pro IV. ročník gymnasia, SPN, Praha 1974.
***
Vachek, J. – Bednařík, M. – Klobušický, K. – Maršák, J. – Novák, J. – Šabo. I.:
Fyzika pro I. ročník gymnázií, SPN Praha 1984.
Svoboda, E. – Bartuška, K. – Baník, I. – Kotleba, J. – Tomanová, E.: Fyzika pro
II. ročník gymnázií, SPN, Praha 1985.
Lepil, O. – Houdek, V. – Pecho, A.: Fyzika pro II. ročník gymnázií, SPN Praha
1986.
Pišút, J. – Frei, V. – Fuka, J. – Lehotský, D. – Široký, J. – Tomanová, E. –
Vanýsek, V.: Fyzika pro IV. ročník gymnázií, SPN, Praha 1987.
Ukázky obálek učebnic vydávaných od roku 1953 jsou v barevné příloze.
13
Tvorba učebnic v 1. polovině 20. století je těsně spjata s Jednotou českých
matematiků a fyziků a učebnice vydávané JČMF se na gymnáziích používaly
ještě po roce 1945 až do vydání prvních poválečných gymnaziálních učebnic
v roce 1953, kdy prakticky po polovině století dochází k zásadní obměně autorských kolektivů. Tyto učebnice však jsou v duchu dřívějších koncepcí určeny
jen pro poslední dva ročníky gymnázia, v nichž se na vyšším gymnáziu fyzika
vyučovala již od konce 19. století. Od vzniku jedenáctileté střední školy se
zvětšuje počet učebnic pro povinnou výuku na tři a po přechodném období, kdy
se tříletá SVVŠ mění na čtyřleté gymnázium, se ukázala potřeba vytvořit čtyři
samostatné učebnice. Nejprve byly učebnice z roku 1965 upraveny vydáním
tzv. Doplňků pro jednotlivé ročníky (1972-1974), v nichž byla nově zpracována
vybraná témata.
Koncem 70. let byla v souvislosti s tzv. přestavbou československé vzdělávací soustavy zahájena tvorba učebnic (posledních tzv. „federálních“, vydávaných rovněž v jazyce slovenském a maďarském), které vznikaly v rámci rozsáhlého projektu, jehož gestorem byl Výskumný ústav pedagogický v Bratislavě. Za pozornost stojí značný rozsah výukových materiálů pro výuku fyziky ve všech formách (povinná, volitelná, nepovinná). Je to celkem 14 učebnicových textů a nová dvoudílná Sbírka úloh z fyziky pro gymnázia (V. Koubek
a kol.). Celý tento rozsáhlý projekt, který ovlivňuje koncepci středoškolských
učebnic fyziky až do současnosti, uzavřelo v roce 1991 první vydání Přehledu
středoškolské fyziky (E. Svoboda a kol.).
Změny osnov v roce 1990 s podstatnou úpravou struktury učiva iniciovaly
vytvoření nových souborů učebnic, které vznikaly od roku 1993. Současnost
středoškolských učebnic v České republice tedy představují dva ucelené soubory. Je to především osmidílný soubor tematických učebnic pro gymnázium
s větší hodinovou dotací fyziky a s náročnějším zpracováním učiva. Obsah
jednotlivých učebnic souboru odpovídá tematickým celkům osnov fyziky
z roku 1990, resp. 1999 (Mechanika, Molekulová fyzika a termika, Mechanické
kmitání a vlnění, Elektřina a magnetismus, Optika, Speciální teorie relativity,
Fyzika mikrosvěta, Astrofyzika). Pro výuku na středních školách (nejen gymnáziích) s menší hodinovou dotací a méně náročným zpracováním učiva byl
vytvořen dvoudílný soubor učebnic Fyzika pro střední školy I a II.
Produkce nových učebnic se ujalo nakladatelství Prometheus, které se již
svým názvem hlásí k tradici učebnic vydávaných Jednotou českých matematiků
a fyziků v nakladatelství stejného jména. Od prvních vydání středoškolských
učebnic fyziky probíhají při jejich reedicích opakovaně dílčí inovace obsahu
i formálního zpracování učebnic. Současný stav reprezentují webové stránky
nakladatelství [6]. I když v 90. letech došlo k několika dalším editorským akti-
14
vitám v oblasti středoškolských učebnic pro výuku fyziky, jiné ucelené soubory
učebních textů v Česku zatím nevznikly. Tím se situace ve středoškolské výuce
podstatně liší od vydávání učebnic fyziky pro základní školu, kde již vzniklo
několik souborů učebnic v různých nakladatelstvích.
Perspektivy vývoje didaktického systému středoškolské fyziky
Pro další vývoj didaktického systému středoškolské fyziky lze považovat za
klíčové řešení tří hlavních okruhů problémů. Jsou to:
1. Problémy spjaté s postavením přírodovědného vzdělání v soudobé společnosti.
2. Problémy vztahu fyzikálního vzdělávání k současné školské soustavě.
3. Problémy obsahu a metod výuky fyziky.
První okruh problémů souvisí s jistým odklonem požadavků společnosti
i zájmu mladé generace od přírodovědného a zejména fyzikálního poznávání,
které je objektivně velmi náročné. Má-li reflektovat soudobou úroveň fyziky
jako vědecké disciplíny, stává se poznávací proces velmi abstraktní, žákovi se
jeví z hlediska jeho potřeb jako neužitečný a naše snaha vytvořit v mysli žáka
přírodovědný obraz světa konce 20. století se míjí účinkem. Fyzika se řadí mezi
vědní obory s vysokým stupněm abstrakce, který je dán přesunem pozornosti
fyziků do oblasti mikrosvěta. Obraz světa převážně zprostředkovávaný matematickým aparátem rozhodujícím způsobem determinuje všeobecný způsob
přírodovědného myšlení, interpretace reality a její chápání.
V obsahu výuky fyziky se zejména v souvislosti s modernizačními snahami
akcentoval přístup, který chápe učební předmět fyziku jako jistou transformaci
vědní disciplíny. Výrazným projevem této koncepce je důraz na strukturální
pojetí učiva, které známe již ze základní školy např. v podobě interpretace řady
makroskopických, smyslům dostupných jevů z pozice jejich částicové podstaty
na úrovni pohybu molekul a atomů.
Modernizační hnutí ve fyzice tedy směřovalo k vytvoření modelu výuky
fyziky, který by lépe odrážel současný stav vědeckého poznání a školská fyzika
byla pojímána jako zjednodušený obraz fyziky jako vědy. Cílem se stal široce
pojatý fyzikální obraz světa, na jehož základě by žák správně chápal děje
v přírodě a jejich praktické využití. Nemožnost dosáhnout požadovaného souladu vědeckého poznání s didaktickým systémem středoškolské fyziky vedl
k určitému odklonu od tohoto pojetí s tím, že „fyziku na základních a středních
školách bychom měli prezentovat ne jako složitý a strohý vědecký systém, ale
15
jako předmět, který popisuje a vysvětluje srozumitelným způsobem jevy okolo
nás“ [7].
Důraz kladený v RVP a při tvorbě ŠVP na vytváření kompetencí žáka naznačený pohled na fyzikální vzdělávání žáka dále mění. Vyžaduje se, aby žák
získal takové vědomosti, dovednosti a postoje, které potřebuje pro svůj osobní
rozvoj, zapojení do společnosti a úspěšnou zaměstnatelnost [8]. To tedy znamená jistý odklon od vytváření vědou vybudovaného fyzikálního obrazu světa
i od koncepce „fyziky okolo nás“ k výběru obsahu a metod výuky podřízených
potřebám žáka a jeho budoucímu postavení ve společnosti. Problémem tohoto
přístupu však je optimální výběr kompetencí a jejich formování výukovým
procesem tak, aby naznačené požadavky byly splněny pro široké spektrum
společenských zájmů a osobnostních kvalit jednotlivých žáků. To se týká
zejména gymnázia jako všeobecně vzdělávací školy, kde je třeba při tvorbě
ŠVP a osnov fyziky pečlivě vážit hranici mezi všeobecným vzděláním a odborným vzděláním, které bude dále rozvíjet navazující typ školy.
Současně zaznívá také kritika, že fyzika dostatečně nepřispívá k vytvoření
integrovaného přírodovědného obrazu světa, že se z výuky vytrácejí vzájemné
vazby mezi historicky vzniklými vyučovacími předměty. Zatím co reálný svět
se ve své podstatě příliš nemění, mění se naše informace o něm, což vedlo ke
vzniku diferencovaných vědních disciplín, z nichž každá má svůj předmět
zkoumání. Transformace získaných poznatků do obsahu učiva pak preferuje
formování osobnosti žáka jen v dílčím a poměrně úzkém rámci všeobecné,
nebo častěji spíše profesionální přípravy, bez těsnějších vazeb s ostatními
předměty, tedy bez vytváření mezipředmětových vztahů, které jsou předpokladem vytvoření přírodovědného obrazu světa.
Druhý okruh problémů a jejich řešení naznačuje jako jednu z možných
cest vývoje didaktického systému integraci přírodovědného vzdělávání. To
naznačuje již samotný název vzdělávací oblasti v RVP – Člověk a příroda.
Integrační tendence v přírodovědném vzdělávání se uplatňují řadu let v mnoha
zemích a mají určitou souvislost se zmíněným modernizačním hnutím v přírodních vědách. První projekty integrované přírodovědy vznikaly již v 60. a 70.
letech 20. století a představují přístup, který prezentuje koncepce a principy
přírodních věd tak, aby vynikla základní jednota přírodovědného myšlení,
pojmů a metod poznávání přírody. Současně mají být potlačovány překonané
nebo nevýznamné rozdíly mezi různými oblastmi přírodních věd.
Tento netradiční přístup k přírodovědnému vzdělávání však má jak zastánce, tak odpůrce, jejichž argumenty mají svoji váhu a nelze je přehlížet. Některé
námitky jsou ryze praktického rázu a souvisejí třeba s tradicí vzdělávání učite-
16
lů, jejichž kvalifikace nejčastěji ve dvou disciplínách (popř. v jedné přírodovědné disciplíně v kombinaci s matematikou) je značnou překážkou realizace
projektů integrovaného přírodovědného vzdělávání.
V české škole se integrační tendence nejdříve prosadily na elementárním
stupni základní školy v předmětu Přírodověda. Ve světě se však integrovaná
přírodovědná výuka nejrychleji rozvíjí na úrovni druhého stupně naší základní
školy. Výrazný je také trend přizpůsobení přírodovědných kursů společenským
potřebám. Jako integrační faktory se objevují např. životní prostředí, výživa a
zdraví lidí a technika. Rozšiřuje se oblast integrace a kromě fyziky, chemie a
biologie dochází k integraci s vědami o Zemi a vesmíru, s vědecko-technickými
disciplínami apod.
Důvody pro integraci přírodovědné výuky lze podle Fenclové [9] shrnout do
tří oblastí. Do filozofické oblasti spadá skutečnost, že přírodní vědy mají společné cesty poznání a že vytvářejí vědecký obraz přírody, která existuje jako
jednotná realita. Do psychologické oblasti patří argumenty pro racionalizaci
procesu učení. Pro oblast pedagogicko-praktickou je významné např. zvýšení
efektivity výuky a zlepšení jejího spojení s praxí a denním životem.
Třetí okruh problémů vyplývá ze samotného vývoje didaktického systému,
který dosáhl největší expanze v 80. letech 20. století. Následný prudký pokles
počtu povinných výukových hodin však nebyl provázen adekvátní redukcí
učiva, což negativně ovlivnilo uplatnění takových metod a forem výuky, jako je
problémová výuka, realizace laboratorních cvičení apod. Za těchto okolností je
aktuální odpověď na otázku, zda chceme realizovat ucelený soustavný kurs
fyziky zahrnující všechny základní poznatkové okruhy učiva, nebo provedeme
jen určitý výběr poznatků, které budou zpracovány důkladněji a především
s omezeným důrazem na faktografickou stránku učiva, ale s cílem seznámit
žáka s vybranými aspekty metodologie poznávání přírodních jevů s jejich
uplatněním v praxi a s posílením návaznosti jednotlivých předmětů při vytváření přírodovědného obrazu světa.
Disproporce mezi rozsahem učiva středoškolské fyziky a časovými možnostmi učebního plánu nedává příliš prostoru pro inovace obsahu fyzikálního
vzdělávání. Na druhé straně je třeba si uvědomit, že řada tradičních poznatků
již nepřispívá k vytváření kompetencí odpovídajících současným předpokladům
pro další studium nebo praktické zaměstnání. To si žáci často uvědomují a
negativní odpověď na otázku „K čemu mi to bude dobré?“ demotivuje jejich
zájem o fyzikální vzdělávání. Řešení tohoto problému není snadné a lze k němu
přistupovat několika cestami:
17
1. Vymezením určitého minima poznatků tvořícího jádro středoškolské fyziky.
2. Diferencovaným důrazem na jednotlivá témata, zákonitosti a pojmy učiva.
3. Inovacemi tradičních témat s ohledem na současný vědecko-technický rozvoj.
4. Seznámením žáků s novými vědeckými poznatky a s jejich využitím.
5. Vytvářením komplexních témat zahrnujících poznatky z různých tematických okruhů fyziky, popř. dalších přírodovědných disciplín.
Vymezení nutného minima poznatků, které by splňovaly cílový požadavek
vytvoření fyzikálního (popř. přírodovědného) obrazu světa, je obtížný problém,
obvykle řešený stanovením tzv. základního nebo kmenového učiva.
V současnosti lze považovat za takto vymezené minimum očekávané výstupy
a učivo, jak je stanoveno v obsahu vzdělávacího oboru Fyzika v RVP, který je
však poznamenán snahou o maximální redukci obsahu RVP a nastavuje tuto
hranici v některých tématech příliš nízko.
Jak již bylo konstatováno, obsah a struktura didaktického systému fyziky se
po mnoho let zásadním způsobem nemění a převážná většina poznatků představuje základ praktických aplikací, kde se tyto poznatky využívají novým způsobem a v nových souvislostech. Složitost a komplexnost těchto aplikací znesnadňuje inovaci tradičních poznatků a výklad některých tradičních témat fyziky se stává spíše výkladem historie fyziky. Současně s inovacemi tradičních
témat učiva fyziky je třeba uvážit, že se ve fyzice utvářejí nové ucelené okruhy
poznatků, které jsou významné nejen z hlediska fyziky jako vědecké disciplíny,
ale perspektivní jsou i jejich praktické aplikace. Příklady takových okruhů
poznatků se zabývá seminární materiál [10].
Literatura
[1] Zákon o předškolním, základním, středním, vyšším a jiném vzdělávání
(školský zákon), č. 561/2004 Sb. Dostupné na:
http://www.msmt.cz/dokumenty/novy-skolsky-zakon
[2] Nezvalová, D.: Moduly pro profesní přípravu učitele přírodovědných předmětů a matematiky, UP, Olomouc 2008, 370 s.. ISBN 978-80-244-1912-1.
Dostupné na http://esfmoduly.upol.cz/publ.html
[3] Rámcový vzdělávací program pro gymnázia, VÚP, Praha 2007, 102 s. Dostupné na: http://www.rvp.cz/
18
[4] Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů na gymnáziích. VÚP,
Praha 2007, 140 s. ISBN: 978-80-87000-13-7. Dostupné na:
http://www.rvp.cz/soubor/Manual_G.pdf
[5] Lepil, O. – Svoboda, E.: Příručka pro učitele fyziky na střední škole. Prometheus, Praha 2007, 280 s. ISBN 978-80-7196-328-8
[6] http://www.prometheus-nakl.cz/
[7] Kluvanec, D.: Súčasné trendy vo vzdelávaní. In: Sborník DIDFYZ 2000, ed.
L. Zelenický, JSMF Nitra 2001, s. 5. ISBN 80-8050-387-7
[8] Hučínová, L.: Klíčové kompetence v Lisabonském procesu. VUP Praha,
2004. Dostupné na:
http://www.vuppraha.cz/index.php?op=sections&sid=159
[9] Fenclová, J.: Integrace přírodovědného vzdělání. Matematika a fyzika ve
škole, 1979, roč. 9, s. 598–603.
[10] Lepil, O.: Přírodovědné integrované výukové projekty. In: Konstruktivismus a jeho aplikace v integrovaném pojetí přírodovědného vzdělávání (ed.
D. Nezvalová), VUP, Olomouc 2006, s. 7-42. ISBN 80-244-1391-4
Dostupné na: http://www.science.upol.cz/
19
Zkušenosti s tvorbou ŠVP
DANA BARÁNKOVÁ
Gymnázium Jana Opletala, Litovel se zapojilo do systémového projektu
Pilot G/GP, ve kterém vytvářelo své školní vzdělávací programy (ŠVP) 16
pilotních škol za podpory Výzkumného ústavu pedagogického (VÚP) v Praze.
Náš ŠVP jsme tvořili přibližně 2 roky. Byly to 2 roky náročné práce, získávání nových zkušeností, častých a někdy i bouřlivých debat a diskusí, a zejména úvah o smyslu a výsledcích naší učitelské práce. Já osobně jsem členkou
užšího projektového týmu a garantem tvorby osnov vyučovacího předmětu
Fyzika. Ve svém příspěvku tedy uvádím hlavní kroky při práci na našem ŠVP
na základě mých vlastních zkušeností a ukázky z našeho ŠVP, o kterých se
domnívám, že by mohly zajímat učitele fyziky.
Projektový tým
Na tvorbě ŠVP se podíleli prakticky všichni vyučující, i když na různých
úrovních. Organizace a personální zajištění na našem gymnáziu vypadala takto:
• koordinátor ŠVP
• užší projektový tým
• vedoucí oborů
• všichni učitelé.
Koordinátorem ŠVP byla a je současná ředitelka školy, která nese za celý
ŠVP odpovědnost. Užší projektový tým byl vytvořen z pěti učitelů, kteří zastupovali jednotlivé předmětové komise. Úkolem užšího týmu bylo zejména:
• provést rozbor výchozích podmínek školy
• vypracovat obecné kapitoly ŠVP
• řídit a koordinovat práci vedoucích oborů a učitelů své předmětové komise.
Vedoucí oborů („oboráři“) garantovali tvorbu učebních osnov jednotlivých
předmětů. Na naší škole jich pracuje celkem 16 a tvoří širší projektový tým.
Přípravná fáze tvorby ŠVP
V první fázi si měli vyučující pozorně prostudovat RVP ZV a pilotní verzi
RVP GV, osvojit si základní pojmy a ujasnit si jejich význam a smysl. A tak
jsme se začali potýkat s klíčovými kompetencemi, výchovnými strategiemi či
průřezovými tématy.
20
Na jedné straně řadě učitelů připadalo, že jde o „slovíčkaření“ a nové pojmenování již dříve zavedených výchovně vzdělávacích cílů. Na straně druhé
většina pedagogického sboru cítila potřebu určité změny. Takže se diskutovalo:
„ Jak učit, aby práce bavila nás učitele a také žáky? Jak přitom splnit požadavky na vědomostní úroveň žáků při chystaných státních maturitách a při přijímacích zkouškách na vysoké školy?“
Základními problémy se nám jevily časová náročnost vhodných metod
a forem práce a velký rozsah učiva. Tyto názory a námitky jsme řešili jednak
s garantem školy z VÚP, jednak na oborových setkáních.
Jedním z prvních úkolů byla analýza podmínek školy. K rozboru výchozích podmínek školy jsme využili jednak dotazníkové šetření a také SWOT
analýzu. Dotazníky pro žáky, rodiče a učitele vytvořili a statisticky vyhodnotili
členové užšího týmu. Dále všichni učitelé zpracovali vlastní SWOT analýzy,
které byly užším týmem zkompletovány a tím jsme získali ucelený obraz silných a slabých stránek školy.
Cenné informace jsme získali i ze statistických údajů a dokumentů, které na
škole tradičně zpracováváme – výroční zprávy, úspěšnost absolventů při přijímání na vysoké školy, volby studijních oborů na VŠ. S výsledky analýzy byl
zevrubně seznámen učitelský sbor.
Vlastní tvorba ŠVP
Při vlastní tvorbě ŠVP pro vyšší stupeň gymnázia a pro čtyřleté gymnázium
musí škola povinně vycházet z Rámcového vzdělávacího programu pro gymnázia (RVP G), který mimo jiné:
• stanovuje základní vzdělávací úroveň pro všechny absolventy gymnázií
• specifikuje úroveň klíčových kompetencí, které by měli žáci na konci vzdělávání na gymnáziu dosáhnout
• vymezuje závazný vzdělávací obsah
• zařazuje jako závaznou součást vzdělávání průřezová témata
• podporuje komplexní přístup k realizaci vzdělávacího obsahu, včetně možnosti jeho vhodného propojování, a předpokládá volbu různých vzdělávacích postupů, různých metod a forem výuky.
Za soulad ŠVP s RVP zodpovídá ředitel školy.
Úvodní kapitoly zpracovával užší projektový tým. Jako motto školy byl
zvolen upravený citát L. A. Senecy „Non scholae, sed vitae discimus.“ („Neučíme se pro školu, ale pro život.“), jenž vystihuje cíle vzdělávání na gymnáziu,
tedy zejména podporovat zájem žáků celoživotně se vzdělávat.
21
Na základě prostorových, personálních, materiálních i technických podmínek jsme formulovali všeobecné zaměření školy s důrazem na přírodovědnou a jazykovou oblast.
Výchovné a vzdělávací strategie na úrovni školy jsme zpracovali na společném třídenním pracovním víkendu, kterého se zúčastnil prakticky celý učitelský sbor. Zde jsme vytvořili i základní představu o celém ŠVP.
Novou povinnou součást vzdělávání tvoří průřezová témata, která mají
ovlivňovat hodnotový systém, postoje a jednání žáků a také doplňovat vědomosti a dovednosti z různých vzdělávacích oblastí. Je vhodné, aby se žáci
s těmito tématy seznamovali v různých předmětech a setkávali se s nimi opakovaně v různých podobách. V ŠVP musí být uveden přehled začlenění a forem
realizace průřezových témat. U každého průřezového tématu a jeho tématického okruhu musí být uvedeno, v jakém ročníku, v jakém předmětu a jakým způsobem je realizován. Obsah průřezových témat je rozpracován do tematických
okruhů. Všechny tematické okruhy jsou povinné, ale nemusí být začleněny ve
všech ročnících nebo oborech.
Práce na zařazení průřezových témat byla náročná. Nejprve učitelé, kteří
tvořili učební osnovy jednotlivých předmětů, promysleli, co z průřezových
témat začleňují běžně do výuky a které tematické okruhy nově zařadí. Na společném setkání jsme do připravených tabulek vpisovali integraci tématických
okruhů PT do jednotlivých předmětů a ročníků.
Poté užší tým vyhodnotil, které tematické okruhy zůstaly nezačleněny
a hledal, jakými metodami a ve kterých oborech je budeme realizovat. Jako
příklad uvádím zpracování průřezového tématu Environmentální výchova.
Začlenění průřezových témat do ŠVP
Tematické okruhy
průřezových témat
Kvinta, Sexta,
Septima,
1. ročník 2. ročník 3. ročník
Oktáva,
4. ročník
4.2.4 Environmentální výchova (ENV)
Problematika vztahů organismu
a prostředí
Člověk a životní prostředí
INT/BI
INT/F
INT/CH
INT/Z
Životní prostředí České republiky
Použité zkratky:
INT/NJ
PRO/CHBI-F
INT/BI
INT/AJ,FJ,ŠJ,RJ
INT/F, INT/BI
INT/CH
INT/Z
INT – integrace obsahu, PRO – realizace pomocí projektu,
KURZ – kurz, SEM – seminář, beseda, EX – exkurze
22
Učební plán
Nejkritičtějším obdobím byla práce na učebním plánu. Celkem bez problémů jsme se shodli na základním modelu, který zvolila řada pilotních škol. Během 1. – 3.ročníku absolvují všichni žáci společný základ. Čtvrtý ročník je
určen k profilaci žáků a zaměřen na přípravu k maturitní zkoušce a další studium. V učebním plánu tomu odpovídá vysoká hodinová dotace a široká nabídka
volitelných předmětů. S tímto rozhodnutím se ztotožnila většina učitelů na
základě zkušeností s žáky maturitních ročníků, kteří se předmětům, jež aktuálně
nepotřebují, stejně nevěnují. Nesnažili jsme se o převratné změny a rozhodli se
zachovat tradiční vyučovací předměty.
Bouřlivé diskuse uvnitř užšího týmu ovšem nastaly při jednání o časových
dotacích jednotlivých předmětů. Atmosféra byla v některých momentech velmi
vypjatá, vztahy mezi zástupci učitelů jazyků, humanitních a přírodovědných
předmětů se vyhrotily. Padala řada protichůdných argumentů, proč je třeba
posílit tu nebo onu oblast. Nakonec vstřícnost uvážlivých členů užšího týmu
přiměla i „horké hlavy“ slevit ze svých požadavků a konstruktivně jednat.
Vytvořili jsme kompromisní návrh, ve kterém jsme zohlednili integraci obsahu
vzdělávacích oborů a začlenění průřezových témat do jednotlivých předmětů.
S návrhem byli seznámeni všichni učitelé jednotlivých předmětových komisí.
Po projednání v předmětových komisích došlo v učebním plánu jen k drobným
změnám.
Souběžně s vytvářením učebního plánu jsme rozhodovali o začlenění vzdělávacích oborů jako Geologie, Člověk a svět práce a Výchova ke zdraví. Zvolili
jsme cestu integrace obsahu těchto vzdělávacích oborů do vybraných vyučovacích předmětů a to takto:
Geologie – součást vyučovacího předmětu Zeměpis (Z)
Člověk a svět práce – součást vyučovacího předmětu Společenské vědy (SV)
Výchova ke zdraví – součást vyučovacích předmětů
Český jazyk a literatura (ČJL), Biologie (Bi), Společenské vědy (SV),
Tělesná výchova (TV)
Informatika a informační a komunikační technologie – součást vyučovacích
předmětů
Chemie (CH), Biologie (Bi), Fyzika (F), Zeměpis (Z),
Společenské vědy (SV) a Výtvarná výchova (VV)
A takto vypadá současná verze našeho učebního plánu.
23
Učební plán pro čtyřleté gymnázium a vyšší stupeň osmiletého gymnázia
Vyučovací předmět
1.ročník
kvinta
2.ročník
sexta
3.ročník
septima
4.ročník
oktáva
Český jazyk a literatura
Anglický jazyk
Další cizí jazyk
Matematika
Fyzika
Chemie
Biologie
Zeměpis
Společenské vědy
Dějepis
Tělesná výchova
Hudební výchova/ výtvarná výchova
Informační a komunikační
technologie
Volitelný předmět 1
3
3
3
4
3
3
3
2
1
2
2
2/2
4
3
3
4
3
3
3
2
2
2
2
2/2
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
-
5
3
3
5
3
2
-
Časová
dotace
celkem
15
12
12
16
9
9
9
6
8
6
8
4
2
INT
-
-
2
-
-
2
2
-
3
3
3
3
5
5
3
3
Celkem předepsaných
hodin
33
33
33
33
132
Poznámky k učebnímu plánu pro čtyřleté gymnázium a vyšší stupeň osmiletého gymnázia:
Další cizí jazyk je možné volit z jazyka německého, francouzského, španělského a ruského.
Vzdělávací obsahy oborů Geologie, Člověk a svět práce , Výchova ke
zdraví a Informatika a informační a komunikační technologie (ICT)
jsou integrovány v rámci vybraných vyučovacích předmětů.
Nabídka volitelných předmětů:
Literární seminář, Konverzace v anglickém a dalším cizím jazyce, Seminář
z dějepisu, Seminář z matematiky, Seminář z fyziky, Seminář z chemie, Se-
24
minář z biologie, Ekologie, Geologie,Společenskovědní seminář, Ekonomie,
Management, Filosofie,Latina, Logika, Umění a kultura.
Nabídka nepovinných předmětů:
Sportovní hry, Pěvecký sbor, Keramický kroužek, Latina, Cizí jazyk aj. dle
zájmu žáků
Oproti stávajícímu učebnímu plánu, podle kterého vyučujeme ve třetím a
čtvrtém ročníku, přinesl nový učební plán řadu změn. Posílila se dotace předmětů Český jazyk a literatura, Matematika a Společenské vědy vzhledem
k budoucí státní maturitě. Na druhé straně se omezil počet hodin v řadě povinných předmětů. Mezi tyto předměty patří i Fyzika.
Učební osnovy
Učební osnovy se zpracovávají pro každý vyučovací předmět včetně volitelných předmětů
a musí obsahovat:
• název vyučovacího předmětu
• charakteristiku vyučovacího předmětu
• vzdělávací obsah vyučovacího předmětu.
Charakteristika vyučovacího předmětu obsahuje podstatné informace o vyučovacím předmětu, které jsou důležité pro jeho realizaci:
• obsahové, časové a organizační vymezení vyučovacího předmětu
• výchovné a vzdělávací strategie
Výchovné a vzdělávací strategie jsou metody a formy výuky, postupy
a činnosti, které učitelé užívají k rozvíjení klíčových kompetencí žáků. Klíčové
kompetence chápeme jako soubor dovedností, vědomostí, schopností, postojů
a hodnot důležitých pro uplatnění v životě. Při vymezování výchovných a vzdělávacích strategií je vhodné klást si otázky, jak a pomocí jakých prostředků
chtějí učitelé rozvíjet klíčové kompetence. Důležité je také nezaměňovat strategie s cíli nebo rozpracovanými klíčovými kompetencemi.
V naší charakteristice vyučovacího předmětu Fyzika jsme uvedli pouze
strategie, na kterých se shodli a které používají všichni vyučující fyziky ve
škole. To ovšem neznamená, že by jednotliví vyučující nepoužívali další metody a formy výuky.
25
Charakteristika vyučovacího předmětu Fyzika
Obsahové vymezení předmětu
Vyučovací předmět Fyzika vychází ze vzdělávacího oboru Fyzika, který je
součástí vzdělávací oblasti Člověk a příroda v RVP GV. Integruje průřezové
téma Environmentální výchova a také části vzdělávací oblasti Informatika
a informační a komunikační technologie z RVP GV.
Fyzika vede žáky ke zkoumání přírody a jejích zákonitostí. Rozvíjí u žáků
schopnosti pozorovat, měřit, experimentovat, vytvářet a ověřovat hypotézy. Je
základem pro pochopení a využívání současných technologií.
Cílem výuky vyučovacího předmětu Fyzika je osvojení základních fyzikálních pojmů a zákonů, rozvíjení přirozené touhy po poznání světa, ve kterém
žijeme, pochopení nejobecnějších zákonů přírodovědy, které jsou základem
přírodních, technických a lékařských věd.
Časové vymezení předmětu:
Týdenní časová dotace:
• 1.ročník., kvinta: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky)
• 2.ročník., sexta: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky)
• 3.ročník., septima: 3 hodiny ( z toho 1 hodina cvičení z fyziky)
Organizační vymezení předmětu:
Fyzika je realizována jako povinný předmět pro žáky 1. – 3. ročníku (kvinty – septimy).
Při hodinách cvičení je třída dělena na 2 skupiny.
Pro žáky s větším zájmem o fyziku, především pro ty, kteří chtějí z Fyziky
složit maturitní zkoušku, je určen ve čtvrtém ročníku a oktávě volitelný předmět Seminář z fyziky v časové dotaci 3 hodiny týdně.
Předmět Fyzika je převážně vyučován v učebně fyziky. Výuka je doplňována odbornými exkurzemi a přednáškami. Ve druhém ročníku bude část cvičení
z fyziky vyučována v odborné učebně ICT.
Během studia vyučovacího předmětu Fyzika se mohou žáci zúčastnit těchto
aktivit:
• fyzikální olympiáda
• korespondenční semináře
• odborné soutěže
• odborné exkurze
26
Výchovné a vzdělávací strategie:
Pro utváření a rozvíjení klíčových kompetencí využívají učitelé následující
metody a formy práce :
Kompetence k učení
Učitel:
• zadává úkoly a referáty tak, aby žáci využívali různé druhy studijních
materiálů ( učebnice, časopisy, internet, sbírky příkladů ) a získané informace dokázali roztřídit a kriticky zhodnotit
• zařazuje do výuky pozorování fyzikálních objektů, demonstrační a frontální pokusy a vyžaduje jejich vyhodnocení
• při řešení příkladů dbá na správný a přehledný zápis
• zařazuje motivační úlohy a reálné příklady z praxe
• na konkrétních příkladech ukazuje souvislost fyziky a ostatních přírodních věd
Kompetence k řešení problémů
Učitel:
• vhodnými dotazy podněcuje žáky k odhadování výsledku úloh a experimentů a ke zhodnocení, zda dosažený výsledek je reálný
• vyžaduje fyzikální rozbor situace a zdůvodnění zvoleného postupu
• diskusí podporuje žáky v hledání různých cest k vyřešení problému
• na konkrétních příkladech učí žáky rozlišit fyzikální model od reality a
posoudit, kdy lze využitím modelu danou situaci zjednodušit
• rozebírá se žáky chybná řešení problémů, využívá chyb žáků
k odstranění nesprávných postupů
Kompetence komunikativní
Učitel:
• dbá, aby žáci jasně a srozumitelně formulovali své myšlenky v ústním
i písemném projevu
• podněcuje žáky, aby se nebáli zeptat a vyslovit svůj názor
• zadává úkoly, které vyžadují různé zdroje informací, využití tabulek
a grafů
Kompetence sociální a personální
Učitel:
• zařazuje do výuky práci ve dvojicích a malých skupinách
• ve cvičeních sleduje a hodnotí vzájemnou spolupráci žáků ve skupině
• vyžaduje dodržování stanovených pravidel a zásad bezpečnosti práce
27
Kompetence občanské
Učitel:
• důsledně kontroluje plnění uložených úkolů
• využívá domácí přípravu žáků ve vyučovacích hodinách
• kladným hodnocením a povzbuzováním podporuje snahu žáků
• orientačním zkoušením a testy ověřuje soustavnou přípravu žáků na výuku
• zadává referáty a projekty, týkající se aktuálního dění ve světě, ekologie
a ochrany životního prostředí
Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu
Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu představuje konkrétní rozpracování očekávaných výstupů a učiva ze vzdělávacích oborů uvedených v RVP G
a jejich rozdělení do ročníků, případně jiných časových úseků.
Očekávané výstupy popisují, co má žák na konci svého studia zvládnout,
jaké znalosti, dovednosti a postoje má získat. Očekávané výstupy jsou pro
školu závazné a všichni žáci by jich měli dosáhnout. Vymezují profil absolventa.
Učivo stanovuje základní okruhy témat, kterým by se měli učitelé věnovat,
aby žáci dosáhli očekávaných výstupů. Učivo pouze doplňuje, co není obsaženo ve výstupech. To co je uvedeno ve výstupech se v učivu neopakuje.
Vzdělávací obsah uvedený v RVP G je stanoven jako povinné minimum
pro všechny žáky. Hloubku a rozsah stanoví ŠVP. Vzdělávací obsah, který
škola uvede v ŠVP je pro ni závazný.
Učební osnovy musí obsahovat:
• rozpracované očekávané výstupy z RVP G – školní výstupy
• rozpracované učivo z RVP G
• tématické okruhy průřezových témat s konkrétními náměty, jsou-li do
předmětu zařazené.
Vzdělávací obsah lze rozpracovat 3 způsoby:
• zařazení výstupů i učiva do ročníků
• zařazení výstupů do delších časových úseků a učiva do ročníků
• zařazení učiva do delších časových úseků a výstupů do ročníků.
Z hlediska fyziky jsme se rozhodli pro první možnost, tedy zařazení školních výstupů i učiva do ročníků. Omezení počtu hodin fyziky proti stávajícímu
učebnímu plánu a také časová náročnost vhodných metod a forem výuky nás
28
vedla k potřebě redukovat dosavadní vzdělávací obsah a zejména jeho hloubku.
Všichni učitelé fyziky řešili, které učivo a v jakém rozsahu bude náplní navazujícího volitelného předmětu Seminář z fyziky. Jednalo se samozřejmě o přesuny
v souladu s RVP G. Z našeho pohledu dojde k výraznějšímu rozdílu mezi absolventem povinného kurzu a maturantem z fyziky.
Dále jsme chtěli ponechat určitou volnost jednotlivým učitelům fyziky na
škole, kteří si dle svého zájmu nebo zájmu svých žáků mohou učivo doplnit.
Z praktických důvodů jsme se rozhodli nezačleňovat do ŠVP povinně aktivity, které téměř pravidelně realizujeme, ale v některých letech se organizace
nezdaří. Příkladem takových akcí jsou exkurze v jaderné elektrárně Dukovany
a přečerpávací elektrárně v Dalešicích nebo přednášky a besedy RNDr. Jiřího
Prudkého z Lidové hvězdárny v Prostějově.
Požadavkem VÚP bylo, aby učební osnovy všech předmětů měly shodný
formát a strukturu. Počítačový expert užšího týmu vytvořil jednotnou tabulku
pro rozpracování vzdělávacího obsahu společnou pro všechny předměty. Tato
příprava se osvědčila a usnadnila tvůrcům učebních osnov jejich práci. Zpracované návrhy učebních osnov jsme zaslali k posouzení oborovým didaktikům
z VÚP, kteří nás upozornili na jejich nedostatky. Nevhodná slovesa
v očekávaných výstupech, jako např. uvědomí si, chápe, umí, zná jsme nahrazovali slovesy aktivními, jako např. zhodnotí, posoudí, užívá. Po odstranění
nedostatků byly učební osnovy našimi konzultanty schváleny.
Jako ukázku uvádím rozpracování výchovně vzdělávacího obsahu pro 1.ročník.
Vyučovací předmět: Fyzika
Ročník: 1. ročník, kvinta
Téma:
Školní výstup - žák:
FYZIKÁLNÍ
VELIČINY
A JEJICH MĚŘENÍ
Učivo:
o používá fyzikální pojmy,
veličiny, jednotky a jejich
značky
o měří vybrané fyzikální
veličiny vhodnými metodami
o zpracuje a vyhodnotí
výsledky měření
o rozliší skalární veličiny
od vektorových a využívá
je při řešení fyzikálních
problémů a úloh
29
o Fyzikální veličiny a jejich jednotky
o Mezinárodní
soustava jednotek
SI
o Měření fyzikálních veličin
o Chyby měření
o Absolutní a relativní odchylka
měření
o Skalární a vektorové fyzikální
veličiny
(PT, TO, INT,
PRO)
POHYB TĚLES
A JEJICH
VZÁJEMNÉ
PŮSOBENÍ
KINEMATIKA
DYNAMIKA
PRÁCE.
VÝKON.
MECHANICKÁ
ENERGIE
o Operace
s vektory
o rozpozná, jaký druh
o Vztažná soustapohybu koná těleso vzhle- va.
dem k jinému tělesu
o Poloha a změna
o užívá základní kinemapolohy tělesa
tické vztahy při řešení
o Rychlost
problémů a úloh o pohya zrychlení tělesa
bech rovnoměrných
o Rovnoměrný
a rovnoměrně zrychlených přímočarý pohyb
( zpomalených )
o Rovnoměrně
sestrojí grafy závislosti
zrychlený přímodráhy, rychlosti, zrychlení čarý pohyb
na čase pro pohyby rovno- o Rovnoměrný
měrné a rovnoměrně zrych- pohyb po kružnici
lené ( zpomalené )
o určí v konkrétních situa- o Síla jako fyzikálcích síly působící na těleso ní veličina
o sestrojí výslednici sil
o Skládání a rozo rozloží sílu na složky
klad sil
o Newtonovy
o využívá Newtonovy
pohybové zákony při řešení pohybové zákony
úloh a k předvídání pohybu o Inerciální vztažtěles
ná soustava
o využívá zákon zachování o Hybnost a její
hybnosti při řešení úloh
změna
o posoudí vliv třecích sil
o Třecí síla
na pohyb tělesa
o v konkrétních případech
určí práci vykonanou konstantní silou a z ní změnu
energie tělesa
o využívá zákon zachování
mechanické energie při
řešení problémů a úloh
o v konkrétních případech
vypočítá výkon a účinnost
zařízení
30
o Mechanická
práce
o Kinetická
a potenciální energie
o Souvislost změny
mechanické energie
s prací
o Zákony zachování energie, hmotnosti a hybnosti
o Výkon a účinnost
o Newtonův gravitační zákon
o Centrální a homogenní gravitační
pole
o Gravitační
a tíhová síla
o Kosmické rychlosti
o Keplerovy zákony
o rozliší posuvný a otáčivý o Posuvný a otáMECHANIKA
pohyb tuhého tělesa
čivý pohyb tuhého
TUHÉHO TĚo určí v konkrétních situa- tělesa
LESA
cích momenty sil působío Moment síly
cích na těleso a vypočítá
vzhledem k ose
výsledný moment síly
otáčení
o určí experimentálně
o Těžiště tuhého
těžiště některých těles
tělesa
o Rovnovážná
poloha tuhého
tělesa
o uvede společné a rozdíl- o Vlastnosti kapaMECHANIKA
né vlastnosti kapalin a
lin a plynů
TEKUTIN
plynů
o Tlak v tekutio využívá poznatky o
nách. Pascalův
zákonitostech tlaku
zákon
v klidných tekutinách při
o Hydraulická
řešení praktických úloh
zařízení
o objasní chování tělesa v o Archimédův
klidné tekutině z analýzy
zákon
sil působících na těleso
o Proudění tekutin
o využívá rovnici kontinui- o Rovnice spojitosty při řešení úloh
ti toku
o objasní souvislost mezi
o Pohyb a vzájemSTAVBA A
vlastnostmi látek různých
né působení částic
VLASTNOSTI
skupenství a jejich vnitřní
o Modely struktur
LÁTEK
strukturou
látek různého skuKINETICKÁ
TEORIE LÁTEK o převádí Celsiovu teplotu penství
TERMODYNA- na termodynamickou a
o Celsiova a ternaopak
MIKA
modynamická
o uvede konkrétní příklady teplota
změny vnitřní energie
o Vnitřní energie
GRAVITAČNÍ
POLE
o uvede konkrétní příklady
gravitačního působení těles
o určí, ve kterých případech lze považovat gravitační pole za homogenní
o objasní (kvalitativně)
pohyb těles v gravitačním
poli Země a pohyb planet v
gravitačním poli Slunce
31
PT:Environmentální
výchova
TO: Člověk
a životní prostředí (INT)
( Energie,
zdroje energie)
konáním práce a tepelnou
výměnou
o určí v konkrétních případech teplo přijaté či odevzdané při tepelné výměně
VLASTNOSTI
PLYNŮ
PRÁCE PLYNU
Vysvětlivky:
a její změna
o První termodynamický zákon
o Teplo. Kalorimetrická rovnice
o Měrná tepelná
kapacita
o Různé způsoby
přenosu vnitřní
energie
o využívá stavovou rovnici o Stavová rovnice
ideálního plynu stálé hmot- ideálního plynu
nosti při předvídání stavo- o Jednoduché děje
vých změn plynu
s ideálním plynem
o uvede konkrétní příklady stálé hmotnosti
využití práce plynu
o Práce plynu.
o zhodnotí vliv spalovao Druhý termodycích motorů na životní
namický zákon
prostředí
o Tepelné motory
PT:Environmentální
výchova
TO: Člověk
a životní prostředí (INT)
(Spalovací
motory)
TOPT – tematické okruhy průřezových témat
INT – integrace
PRO – projekt
V současné době dolaďujeme učební osnovy volitelných předmětů, které
nemusí být přímou součástí ŠVP a budou obsaženy v příloze ŠVP, kde je lze
snadněji aktuálně obměňovat. Při tvorbě učebních osnov volitelného předmětu
Seminář z fyziky a zejména při formulaci očekávaných výstupů jsme využívali
také Katalog požadavků k maturitní zkoušce z fyziky.
Do našeho ŠVP jsme zařadili také projekty přírodovědných předmětů. Uvádím zde i projekty realizované na nižším stupni gymnázia, protože zvažujeme
jejich zařazení do ŠVP i na vyšším stupni gymnázia, samozřejmě na vyšší
úrovni.
Projekt Čistá voda realizujeme v sekundě v rámci předmětů Chemie, Biologie a Fyzika. Naplňujeme jím tématický okruh „Vztah člověka k prostředí“
průřezového tématu Environmentální výchova. Hlavní náplní je zjišťování
čistoty vody z různých zdrojů ( potok, rybník, dešťová voda, pitná voda )
a porovnávání jejich chemických a fyzikálních vlastností, výskytu mikroorganismů a podobně.
32
První část proběhne v hodinách laboratorních prací v daných předmětech,
kdy budou žáci destilovat, filtrovat, měřit hustotu a elektrickou vodivost, pracovat s mikroskopem a zpracovávat výsledky měření.
Druhou etapou je exkurze do některého zařízení, kde se voda upravuje (vodárna, čistička odpadních vod, pivovar).
V kvartě realizujeme projekt Energie, kterým v chemii naplňujeme TO
Základní podmínky života a ve fyzice TO „Vztah člověka k prostředí“ průřezového tématu Environmentální výchova. Žáci se rozdělí do trojic, ve kterých
budou provádět dlouhodobější sledování a experimenty, nebo si připraví prezentaci referátů týkajících se energie z různých hledisek.
V určený den pak proběhne prezentace připravených prací a vyhodnocení
experimentů.
Náměty:
- zjišťování obsahu živin v potravinářských produktech ve srovnání s jejich
energetickou hodnotou,
- sestavení vyváženého a zdravého jídelníčku pro různé skupiny obyvatel
(věk, zaměstnání apod.),
- základní zdroje energie pro člověka – tuky, cukry, bílkoviny,
- odlišnosti ve využití těchto zdrojů v různých světadílech,
- sledování spotřeby elektrické energie v domácnostech,
- negativní dopady různých typů elektráren na životní prostředí,
- alternativní zdroje elektrické energie, jejich klady a zápory,
- možnosti úspor elektrické energie.
Ve druhém ročníku a sextě se uskuteční projekt chemie, biologie a fyziky
Biotické a abiotické prostředí, kterým se realizuje TO „Člověk a životní prostředí“ průřezového tématu Environmentální výchova.
Každý rok vybereme v jiném směru lokalitu v okolí Litovle. V této lokalitě
budou žáci měřit pH a určovat obsah vybraných látek v půdě a přírodních vodních zdrojích, zkoumat výskyt rostlin a živočichů. Pomocí malé meteorologické
stanice změří tlak, vlhkost a teplotu vzduchu v různých místech. Pomocí kovových sond a ohmmetru zjistí vodivost půdy a odhadnou její vlhkost. Výsledky
se zpracují a příslušný úsek se vyhodnotí. Jedná se o dlouhodobý projekt, jehož
výstupem by měla být mapka okolí Litovle, která udává souvislost mezi naměřenými hodnotami pH, hodnotami fyzikálních veličin a výskytem rostlinných
a živočišných druhů.
33
Závěr
V současnosti probíhá etapa ověřování našeho ŠVP. Dle ŠVP se vyučuje
v 1. ročníku a kvintě a ve 2.ročníku a sextě. K dobrému prověření je třeba absolvovat celý čtyřletý cyklus, ale již v průběhu prvního roku jsme provedli
drobné změny, opravy a doplnění učebních osnov.
Základní problém, který řeší snad všichni vyučující fyziky, je nedostatek
času. Důvody tohoto nežádoucího stavu jsou v podstatě dva:
1. V ŠVP je zařazeno velké množství akcí – exkurze, projekty, besedy, prožitkové lekce, divadelní představení apod. To je samozřejmě žádoucí a přínosné,
ale na druhé straně nám odpadají výukové hodiny. Tuto potíž lze částečně řešit
lepší provázaností a koordinací akcí, ale při zapojení externích organizací
a spolupracovníků to není vždy možné.
2. My sami se obtížně zbavujeme zavedených stereotypů a těžko se smiřujeme
s nutností omezit rozsah učiva ve společné části studia.
Tvorba i ověřování ŠVP jsou pro nás zároveň velmi přínosné. Rozhodně se
zlepšila spolupráce mezi učiteli fyziky. V daleko větší míře si sdělujeme, jaké
metody se nám osvědčily i co se nám nepovedlo. Předáváme si zpracované
materiály, zajímavosti a prezentace a společně se snažíme zkvalitňovat výuku
fyziky na naší škole.
Literatura
Rámcový vzdělávací program pro gymnázia, VÚP v Praze 2007.
Manuál pro tvorbu školních vzdělávacích programů na gymnáziích, VÚP
v Praze.
Školní vzdělávací program pro gymnaziální vzdělávání, Gymnázium Jana
Opletala, Litovel, Opletalova 189.
http://www.gjo.cz
http://www.rvp.cz
http://www.vuppraha.cz
34
Superjasné LED
JOSEF HUBEŇÁK
V osmdesátých letech minulého století se v katalogu TESLA objevily první
světelné diody československé výroby.. První v řadě byla LQ 100, zářící červeným světlem. V katalogu najdeme údaje:
svítivost 0,8 ≥ 0,2 mcd
proud 20 mA
napětí 1,65 ≤ 2 V
vlnová délka λmax 660 nm
Jen pamětníci si ještě vzpomenou na rubínově zbarvenou diodu se zlatavým
kovovým pouzdrem:
Přechod PN schopný emitovat
fotony byl vytvořen v GaAs. Ačkoliv dioda svítí červeně, zdaleka
nejde o monochromatické světlo.
Pološířka spektrální charakteristiky
byla 150 až 300 nm [1].
Galium fosfidové diody bez
příměsí září zeleně s maximem na
vlnové délce 565 nm a žlutého
světla lze dosáhnout příměsí teluru,
Obr. 1 LED TESLA LQ100
zinku a kyslíku. Modře svítící diody
měly PN přechod vytvořen v karbidu křemíku a příměsi dusíku,
hliníku a bóru posouvaly dominantní vlnovou délku od 458 nm do 620 nm [1].
Děj, při kterém vznikají fotony, je přechod elektronu z polovodiče N do P a zachycení děrou. Přebytek energie elektron odevzdá mřížce a vzniká teplo; pouze
1 až 10 elektronů ze sta vytvoří při tomto ději foton.
Více než třicet let vývoje elektroluminiscenčních diod LED podstatně změnilo parametry a dnes při stejném příkonu mají svítivosti hodnoty o čtyři řády
vyšší. Několik příkladů z nabídky dodavatele OSHINO Lamps:
typ SUR 50010, InGaAlP
červená λmax = 641 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 1,9 V, svítivost 7400 mcd
35
typ SUY 50010, InGaAlP
žlutá
λmax = 590 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 2,0 V, svítivost 6200 mcd
typ SPG 50020, GaN
zelená λmax = 523 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 7000 mcd
typ SUB 50010, GaN
modrá λmax = 470 nm, proud I = 20 mA, napětí U = 3,5 V, svítivost 2500 mcd
typ SUW 50010, GaN
bílá
proud I = 20 mA, napětí U = 3,2 V, svítivost 20000 mcd
barevné souřadnice x = 0,30, y = 0,30
Konstrukčně jsou si uvedené typy zcela podobné:
Obr. 2 Pouzdro současné LED
Na vysoké svítivosti se podílí
soustředění světelného toku do
malého vyzařovacího úhlu, což je
dobře vidět na polárním grafu
svítivosti (obr. 3). Uvedené informace a grafy jsou převzaty
z webové stránky [2].
Pro pokusy s těmito diodami je
třeba znát jejich maximální příkon
– není nijak velký a přehřátí vede
Obr. 3 Polární graf svítivosti
nejprve ke snížení svítivosti a pak
ke zničení. Výrobce udává pouze
100 mW. Při doporučeném proudu 20 mA nebezpečí přehřátí nehrozí. Pro
napájení diod lze použít stejnosměrný zdroj a vhodný odpor do série. Jednoduché zapojení s tranzistorem umožní nastavit proud v určitém intervalu a napájet
diodu z devítivoltové baterie (obr. 4).
36
Obr. 4 Zapojení zdroje pro LED
Napětí na Zenerově diodě je prakticky konstantní a potenciometrem P1
můžeme regulovat proud báze a tím také proud kolektoru. Trimr P2 slouží při
nastavení zdroje na maximální proud LED. Mezní hodnotu nastavíme na
25 mA. Změny napětí baterie nemají na funkci zdroje velký vliv a úbytek napětí na LED není rozhodující. Zdroj je vestavěn do plastové krabičky, na čelní
stěně je vypínač, zdířky pro připojení LED a knoflík potenciometru P1.
Barevné LED umožní ukázat skládání barev. Na snímku (viz barevnou
přílohu, obr. B-1) jsou tři diody s červeným, zeleným a modrým světlem.
V oblastech překrytí najdeme barvu žlutou a fialovou, přesněji řečeno purpurovou. Regulací proudu diod lze docílit vhodné poměry osvětlení a vytvořit i bílé
světlo.
Světla barevných LED nejsou zdaleka monochromatická. Pro pozorování
spektra byl použit objektiv ze starého zvětšovacího přístroje MAGNIFAX
a vyrobena optická lavice s držákem pro sondy (obr. 5).
Obr. 5 Optická lavice
37
Červený filtr patřící k vybavení zvětšovacího přístroje byl nahrazen průhledným cédéčkem, které zde slouží jako optická mřížka. Posuv objektivu
a poloha sondy dávají možnost měnit velikost obrazu. Spektrum bílé LED je na
obr. B-2. Pro fotografování zůstala clona objektivu MAGNIFAXU maximálně
otevřena. Při pozorování je vhodné naopak co nejvíce zaclonit objektiv. Ze
snímku je přesto patrné, že bílá LED obsahuje vlnové délky z celé viditelné
oblast. Spektrum žluté LED je na obr. B-3.
Na snímku je viditelná červená i zelená složka světla, které subjektivně
vnímáme jako žluté. Pozorování spekter lze doplnit i měřením vlnové délky.
Laserový modul s vlnovou délku 650 nm je zabudován do sondy podobné
předchozím s LED a pro napájení byl sestaven 3 voltový zdroj ze dvou monočlánků (obr. 6). Mřížkové spektrum 1. řádu pro paprsek laseru je vhodné nastavit tak, aby vzdálenost od nultého byla rovna 65 mm.
Obr. 6 Nastavení velikosti obrazu laserem
Pak už stačí vyměnit sondu s laserem za sondu s LED, objektiv ponechat
na místě a posouváním sondy nastavit ostrý obraz nultého maxima. Vzdálenost
dané části spektra od středu nultého maxima v milimetrech stačí vynásobit
deseti a máme vlnovou délku v nanometrech.
Odečítání vlnových délek není zcela přesné, jak ukáže jednoduchý rozbor
systému (obr. 7).
38
Obr. 7 Poloha prvního maxima
Z obrázku je zřejmé, že vzdálenost nultého a prvního maxima je y = L tg α.
Pro vlnovou délku λ a mřížku s konstantou a platí podmínka prvního maxima
a sin α = λ.
Z této podmínky je sin α = λ a pokud jsou úhly malé (pod 5°), lze sinus
a
a tangens vzájemně zaměnit. Pak pro výchylku platí y = L λ . V sestavě danéa
ho měření jde ale o úhel asi 25° a odchylka tangenty a sinu již není zanedbatelná. Kalkulátor ukáže číselné hodnoty:
tg 25° = 0,4663
sin 25° = 0,4226
Hodnoty se liší o 10 % a stejná chyba vznikne při odečítání vlnové délky
přímo ze stínítka. Pro informativní zjištění vlnové délky je taková chyba přípustná.
Bílá LED se svítivostí 20 cd umožnila sestavit model světlovodu (obr. 8).
Hadička z průhledného plastu je naplněna silikonovým olejem, na vstupu je
zalisována dioda a výstup je opatřen zátkou z průhledného epoxidu (zde byla
použita LED o průměru 3 mm).
Podmínka totálního odrazu není splněna pro všechny paprsky vyzářené
diodou a na světlovodu je možné pozorovat ztráty. Hadičku lze narovnat i zakřivit a sledovat vliv zakřivení na intenzitu výstupního svazku.
Do skupiny experimentů s LED lze zařadit i pozorování luminiscence (obr.
B-4).
39
Obr. 8 Model světlovodu
Dnešní bezpečnostní předpisy požadují označení východů a únikových cest
z objektů i pro případ, kdy není k dispozici elektrické osvětlení a existují firmy,
dodávající nápisy, značky a symboly vyrobené z moderních luminiscenčních
materiálů s relativně vysokým jasem a dlouhou dobou dosvitu (řádově desítky
minut). Zde byl využit terčík o průměru 50 mm. Červená, zelená a modrá LED
položené vedle terče ukáží zajímavý efekt: luminiscenční stopu vytvoří pouze
dioda modrá. Důkazem jsou obrázky v barevné příloze (B-5 až B-8).
Intenzívní luminiscence nastane po zhasnutí modré LED, jak ukazuje obr.
B-7.
V nabídce LED jsou dnes i diody vyzařující ultrafialové světlo. Díky poměrně velkému intervalu vlnových délek takové LED září i ve viditelné oblasti
spektra:
Po zhasnutí ultrafialové LED se objeví intenzívní luminiscenční stopa (obr.
B-9).
Diody s vysokou svítivostí jsou snadno dostupné a experimenty s nimi jsou
fyzikálně zajímavé, bezpečné a esteticky působivé.
Sonda s laserovou diodou nabízí ještě další využití. Fyzika a optika se podílí
i na efektních obalech některého zboží a následující snímek ukazuje odraz laserového paprsku od ústřižku krabičky z kosmetického zboží (obr. 9).
40
Obr. 9 Odraz laserového paprsku
Ústřižek vsazený do špejle vrací nulté maximum přímo na laserovou sondu
a symetricky rozmístěná další maxima připomínají laueogramy. Tady jde patrně o dvě mřížky navzájem kolmé a vytvořené ve dvou vrstvách nad sebou. Po
této ukázce je možné, že studenti s laserovým ukazovátkem budou studovat
obaly kosmetického zboží.
S výkonnými ledkami se budeme setkávat stále častěji a zadáním dotazu
„Power Leds“ do internetového vyhledávače se otevře množství informací
o posledním vývoji v této oblasti. Například korejský výrobce Seoul Semiconductor nabízí řadu výkonných ledek Z-Power Led (obr. 10).
Obr. 10 Čip a montážní celek Z-Power Led [3]
41
Parametry jedné ledky z této řady: světelný tok 178 lm, barevná teplota
6300 K, napětí v propustném směru 3,5 V, doporučený proud 1,4 A, úhel vyzařování 110°, barva bílá. Spektrum pokrývá vlnové délky od 400 do 800 nm,
dominantní je 450 nm a další maximum leží na 560 nm (obr. 11).
Obr. 11 Rozložení intenzity ve spektru bílé LED X10490 [3]
Literatura
[1] Svečnikov, S.V.: Základy optoelektroniky SNTL Praha 1975.
[2] http://www.oshino-lamps.de/
[3] http://www.acriche.com/en/
42
Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta
ROSTISLAV HALAŠ
Stále se zrychlující tempo základního výzkumu v oblasti částicové fyziky
vytváří poptávku po specializovaných pracovnících z oblasti fyziky, ale také z
různých technických oborů. To na jedné straně vyžaduje vychovávat úzké specialisty, na druhé straně se tím veřejnost stále více vzdaluje základním představám o práci vědců ve vědeckých laboratořích a především o výsledcích jejich
práce. Lidé dnes běžně užívají nejrůznější elektronické přístroje, počínaje mobilními telefony, přes CD a DVD přehrávače až po nákladné vyšetřovací lékařské přístroje založené na nukleární magnetické rezonanci nebo pozitronové
emisní tomografii, přístroje, jejichž činnost je založena na principech kvantové
fyziky. Berou tyto věci tak samozřejmě, že je ani nenapadne se zamyslet nad
principy jejich činnosti nebo způsobem výroby. Neuvědomují si, že jsou výsledkem dlouhého vývoje fyzikální vědy, spletitými a někdy i slepými cestičkami myšlenkových a experimentálních procesů mnoha známých i méně známých dělníků vědy.
Většinu lidí v běžném životě ani tento proces poznání nezajímá, ale začínají
se pídit po informacích teprve tehdy, když je ono oblíbené technické zařízení
nebo přístroj přestanou poslouchat, případně když přestanou fungovat zcela.
Teprve tehdy si člověk uvědomí, jak je závislý na technice a jak jsou pro něj
základní fyzikální vědomosti a dovednosti důležité. Bez nich si s nastalým
problémem neporadí. V takovém případě je zcela závislý na někom, kdo zná
více. Vezmeme-li v úvahu, že počet lidí zajímajících se (nikoliv jako pouzí
uživatelé technických zařízení) o fyziku a techniku obecně neustále klesá, je jen
otázkou času, kdy budeme mezi tou všemožnou technikou zcela izolováni
a neschopní reálného života. Nemluvě o tom, že další rozvoj naší technicky
založené civilizace je závislý na dalším výzkumu. Pokud se nezmění priority
společnosti, bude se nedostatek mladých přírodovědně a technicky zaměřených
lidí nadále prohlubovat.
A tak nezbývá nám, fyzikům a technikům, než udělat maximum pro to,
abychom obrátili pozornost veřejnosti a především mladé generace k vědě
a jejím výsledkům. Současná středoškolská generace je právě ta, která bude
v příštím a dalších desetiletích táhnout vědecký a technický výzkum. Každý
student, bez ohledu na svoje budoucí zaměření, by měl být informovaný
o předních výsledcích výzkumu a jeho aplikace v praxi. Nejen to, poznatky
moderní fyziky přinesly a přináší zásadní změnu pohledu na základní filozo-
43
fické otázky. Práce každého filozofa, který by neodrážel tyto nově objevené
poznatky, musí být nutně odstavena na vedlejší kolej. Budeme-li schopni oslovit také budoucí „decision-makers“, tedy lidi ve vedoucích funkcích a politiky,
můžeme docílit správného směřování finančních prostředků do vědy a výzkumu a tím zvýšit skutečnou přidanou hodnotu, což se nutně projeví ve zvýšení
postavení naší republiky v mezinárodním měřítku.
Jak už bylo zmíněno výše, kvantová fyzika je právě ta část vědy, která se
rozvinula v minulém století a jejíž výstupy se v současné době realizují
v každodenním životě každého z nás.
Otázkou tedy zůstává, jak tuto velice obtížně uchopitelnou teorii přiblížit
studentům a veřejnosti na takové úrovni, abychom je nevystrašili, ale navíc
podnítili k vyššímu zájmu o další získávaní informací v tomto oboru.
V současné době neexistuje žádná středoškolská učebnice moderní fyziky,
která by vysvětlovala poznatky fyziky až k roku 2000, natož do současné doby.
V různých časopisech nebo na internetu je možno najít články zabývající se
některým úzkým tématem kvantové fyziky, je jen velmi málo článků přehlednějších a téměř žádné články, které by popisovaly způsoby, jak tyto informace
zprostředkovat studentům nebo veřejnosti. Cílem tohoto článku je podat základní přehled o vývoji základního výzkumu v oblasti částicové fyziky až do
současnosti (počátek roku 2008).
Dále je uveden stručný chronologický přehled základních myšlenek a objevů, které přispěly k současnému stavu vědy završenému formulací Standardního modelu.
• 4. stol př. Kr. Leukipos, Demokritos – představa o nespojitosti látky-atom.
• 1642-1727 Issac Newton – Gravitační zákon, „Principia ...“ Zdůraznit první
teorii světla – korpuskulární teorie.
• 1690 Christian Huygens – vlnová povaha světla. Ačkoliv byla tato teorie
úspěšnější ve vysvětlení mnoha optických jevů, byla korpuskulární teorie
díky Newtonově kreditu uznávána ještě téměř 100let.
• 1801 Thomas Young – experimentálně prokázal, že světlo je vlnění. Je
třeba vyvětlit tzv. Youngův pokus – ohyb na dvouštěrbině (v anglicky psané
literatuře se používá spíše název „Two slits experiment“).
• 1801 John Dalton – atom.Všechny atomy jednoho prvku (na rozdíl od atomů jiných prvků) mají stejnou hmotnost.
• Dmitrij Ivanovič Mendělejev – periodická soustava prvků. První úspěšný
pokus, jak dát jednotný řád množství tehdy známých chemických prvků.
Podobný úspěšný pokus se uskutečnil přibližně o století později na nižší
úrovni – kvarková hypotéza dala jednotný řád přibližně dvěma stovkám tehdy známých částic.
44
• 1873 James Clark Maxwell – teorie elektromagnetických vln. První úspěšná
teorie, která logicky skloubila do té doby oddělené teorie elektřiny a magnetismu. Zde je důležité zmínit elektromagnetickou teorii světla.
• 1895-1902 Henri Becquerel, Konrad Röntgen, manželé Curieovi – objev
a studium radioaktivity.
• 1897 Sir Joseph John Thomson – objev elektronu při studiu katodového
záření. Atom má vnitřní strukturu! Tento rok se udává jako rok vzniku částicové fyziky.
• 1899 Thomsonův první, tzv. „pudinkový“ model atomu.
• Studium záření absolutně černého tělesa metodami klasické fyziky vedlo
k tzv. ultrafialové katastrofě – těleso by muselo na krátkých vlnových délkách vyzařovat nekonečnou energii. To byl signál, že termodynamika a teorie elektromagnetických vln nemohou být finální fyzikální teorií.
• 1900 Max Planck – světlo je vyzařováno ze zdroje po kvantech zvaných
fotony. Dále se již šíří jako elektromagnetická vlna. První myšlenka o kvantování energie.
• 1905 Albert Einstein – teorie fotoelektrického jevu-dualismus světla. Světlo je nejen vyzařováno ze zdroje po kvantech, ale v kvantech se také šíří.
Přitom je možno je považovat také za vlnu elektromagnetického záření. Vysvětlení Brownova pohybu, Speciální teorie relativity.
• 1911 Ernest Rutherford – atom má jádro o rozměrech o 4 řády menší, než
jsou rozměry atomu.
• 1911 Charles Thomson Rees Wilson – vynález mlžné komory.
• 1911 Robert Andrews Millikan – stanovení náboje elektronu, kvantování
náboje, přesné určení Planckovy konstanty.
• 1913 Niels Bohr – „planetární“ model atomu. První matematická teorie
atomu, která poskytla ověřitelné výsledky. Bývá uváděna v základních
učebnicích fyziky a článcích pro veřejnost. Je však již překonaná a vytváří
nesprávné představy o trajektorii bránící pochopení statistického charakteru
kvantové fyziky. Bohr má obrovskou zásluhu na rozvoji kvantové mechaniky tím, že založil Institut Nielse Bohra – tzv. kodaňskou školu, do které se
sjížděli nejlepší fyzikové předválečné éry.
• 1915 Albert Einstein – Obecná teorie relativity. Dosud nepřekonaná univerzální nekvantová teorie gravitace. Všechny pokusy o její kvantování byly zatím neúspěšné. Její předpovědi se potvrdily. Fyzikové zatím neúspěšně
hledají jevy, které by byly v rozporu s OTR a ukázaly tak směr dalšího výzkumu.
45
• 1923 Louis de Broglie – vlnově-částicový dualismus platí také pro částice
λ = h/mv. Otázkou je, čeho jsou to vlny?
• 1924 Wolfgang Pauli – spin elektronu, vylučovací princip. Žádné dvě částice kvantového systému se spinem rovným lichému násobku ½ (fermiony)
nemohou být současně ve stejném kvantovém stavu.
• 1925 Erwin Schrödinger – vlnová mechanika. Nerelativistická vlnová
rovnice pro popis hmotných částic, vlnová funkce ψ.
• 1927 Werner Heisenberg – relace neurčitosti. Princip neurčitosti specifikuje jisté teoretické hranice naší schopnosti provádět vědecká měření. Podle
principu neurčitosti nám ani sebelepší zdokonalení měřícího přístroje nedovolí získat přesné výsledky jistých dvojic fyzikálních veličin Δx ⋅ Δp ≥ h ,
4π
ΔE ⋅ Δt ≥ h . Zde se nabízí možnost zmínit chování látek při teplotách
4π
blízkých 0 K, tunelový jev, fluktuace vakua. Je to zásadní princip pro vysvětlení teorie výměnných sil.
• 1929 Paul Adrien Maurice Dirac – formuloval relativistickou kvantověmechanickou rovnici popisující elektron (a obecněji částice se spinem ½).
Skloubení kvantové fyziky a STR, teoretická předpověď pozitronu (objeven
1932), antihmota, nové chápání vakua.
• 1930 Wolfgang Pauli – předpověď existence neutrina (elektronového).
Záchrana zákona zachování energie při beta rozpadu neutronu na elektron,
pozitron elektronové neutrino. Vylučovací princip platný pro částice s poločíselným spinem – fermiony.
• 1930 Ernest Lawrence – vynález prvního kruhového urychlovače – synchrotronu 1932 Cockroft a Walton – první urychlovač.
• 1932 James Chadwick – objev neutronu.
• 1932 Carl Anderson – objev pozitronu v kosmickém záření.
• 1934 Enrico Fermi – teorie radioaktivního beta rozpadu Yukava – teorie
jaderných sil, předpověď nosiče silné interakce – mezonu pí (pion) – nalezen 1947.
• 1936 Carl Anderson – objev mionu (200me, 10–6 s), nadbytečná částice, I.
Rabi – „Who ordered that?“
• Konec 40. let Feynman, Schwinger, Tomonaga – kvantová elektrodynamika QED – elmg. teorie + STR.
• 1952 Glaser – vynález bublinové komory.
46
• Konec 50. let – „inflace elementárních částic“– přes 200 leptony – interagují slabě (e, μ, νe) hadrony (mezony – 2 kv. a baryony – 3 kv.) – interagují
silně (z kvarků).
• 1961 Gell-Man, Ne’eman – „Osminásobná cesta“ – kvarková struktura
baryonů (oktetový model) Glashow, Salam, Weinberg – teorie elektroslabých sil – spojuje elektromagnetickou a slabou interakci, předpovídá
existenci nosičů W+, W– a Z.
• 1962 Steinberger, Lederman, Schartz – objev mionového neutrina, narušení CP symetrie Gell-Man předpovědel částice omega minus.
• Polovina 60. let – spontánní narušení symetrie v teorii elektroslabých sil,
které rozděluje slabou a elektromagnetickou interakci – Higgsovy bozony.
• 1971 ‘t Hooft, Veltman – matematický důkaz renormalizovatelnosti obecné třídy Yang-Millsových teorií s Higgsovým mechanismem (jakýsi důkaz
matematické bezespornosti teorie elektroslabých sil).
• Počátek 70. let – teorie silných interakcí – kvantová chromodynamika QCD.
Předpověď gluonů – nosičů silné interakce mezi kvarky.
• 1974 Ting, Richter – objev čtvrtého kvarku (charm).
• 1975 Pearl – objev leptonu tau.
• 1977 objev kvarku t (top) a b (bottom).
• 1983 Rubia, van der Meer – objev částic W a Z.
• 1992 Nobelova cena - Charpak – vynález drátové komory – elektronického
detektoru. Na protonovém synchrotronu v CERNu vyrobeno 9 atomů antivodíku.
• 1995 objev kvarku top ve Fermilabu, na rozdíl od ostatních kvarků má neočekávaně vysokou hmotnost 175 GeV.
• 2000 experimenty LEP naznačily možnost existence Higgsových bosonů
(dosaženo hladiny významnosti 0,5 %, požaduje se 5,7·10–7 = 0,000 057 %).
• 2001 přímé pozorování neutrina tau.
• 2003 v CERNu vyrobeno asi 50 000 atomů antivodíku (experimenty
ATRAP, ATHENA).
• 2004 David Gross, David Politzer a Frank Wilczek (všichni USA) – Nobelova cena za objev asymptotické volnosti v teorii silné interakce.
Jak je zřejmé z výše uvedeného historického přehledu, ocitla se fyzika na
konci 50. let 20. století v situaci, kdy dřívější představa o elementární podstatě
základních stavebních částic atomu – protonů, neutronů a elektronů utrpěla
vážnou trhlinu a to především díky velkému počtu dalších tehdy nově objevených částic. Bylo zřejmé, že podstatu těchto částic je třeba hledat na jiné úrovni.
47
Obr. 1 Neúnosně velký počet „elementárních“ částic na počátku 60. let 20.
století
Obr. 2 Rozdělení částic na fermiony a bozony
48
Obr. 3 Porovnání velikostí částic vzhledem k velikosti atomu
Úspěchu v řešení tohoto problému napomohlo studium jistých symetrických
vlastností těchto částic. Tak již v roce 1961 přišli Gell-Man a Ne’eman
s představou, že proton a neutron, ale také všechny další částice ze skupiny
hadronů, jsou složeny z menších částic zvaných kvarky. Tato představa přetrvává do dnešní doby a je součástí dnešní nejlépe prověřené fyzikální teorie
mikrosvěta zvané Standardní model (podrobněji dále).
V původním Gell-Mannově modelu jsou protony a neutrony tvořeny ze tří
kvarků. Kvark „up“ nese elektrický náboj + 2/3e, kde e =1,6 · 10–19 C je velikost náboje elektronu. Naproti tomu kvark „down“ nese náboj –1/3e. Jak je
patrno z obr. 4 (viz barevnou přílohu), proton je složen ze dvou kvarků up
a jednoho down, zatímco neutron z jednoho kvarku up a dvou kvarků down.
Pozorný čtenář si tak může velmi rychle ověřit, že jednoduchým výpočtem je
možno dojít ke známým hodnotám elektrického náboje protonu i neutronu.
Tak jednoduchá však skutečnost není. Kvarky jsou totiž částice se spinem
½, tedy fermiony, a protože pro ně platí Pauliho vylučovací princip, nemohou
být dva totožné v jednom kvantovém systému (protonu, neutronu). Musí tedy
mít ještě nějakou jinou vlastnost, kterou by se vzájemně odlišovaly. Tato vlastnost, vlastně kvantové číslo, se nazývá barva, lépe barevný náboj. Ta nemá nic
společného s barvou těles, tak jak ji známe v makrosvětě. Kvarky mohou mít
jednu ze tří barev – červená, modrá zelená. Kvarky uvnitř částice musí mít vždy
takovou kombinaci barev, aby jejich smícháním vznikla bílá barva. Tato základní vlastnost mikrosvěta částic bývá označována jako uvěznění barevného
náboje. Jinak řečeno, ačkoliv kvarky, ze kterých se skládají hadrony (takto
49
označujeme všechny částice složené z kvarků), jsou barevné, je výsledná barva
hadronu vždy neutrální – bílá.
U částic složených ze tří kvarků, zvaných baryony, tak vždy musí být jeden
kvark červený, jeden zelený a jeden modrý.
Jak již víme z historického přehledu, má každá částice svou antičástici.
Antičástice ke kvarkům se nazývají antikvarky. Antikvarky mají opačný elektrický náboj a antibarvu. Barva s antibarvou dávají dohromady bílou barvu.
Takto můžeme získat částici složenou ze dvou kvarků - z kvarku a antikvarku.
Částice tohoto druhu nazýváme mezony. Mezony nemohou být složeny ze dvou
kvarků, neboť by nebyly barevně neutrální. Jediná možná kombinace je kvark –
antikvark.
V nedávné době se v odborném tisku objevily články o existenci pentakvarku – částice složené z pěti kvarků. Následná měření však existenci takovýchto
částic vyloučila. Zdá se tedy být jisté, že se baryony skládají buď z páru kvark
– antikvark nebo ze tří kvarků nebo ze tří antikvarků.
Jak již bylo uvedeno, jsou všechny baryony, které byly objeveny v 50. letech 20.století, složeny z kvarků nebo antikvarků. Kvarky a antikvarky jsou
tedy jejich základní stavební částice. Dle poznatků současné fyziky se jeví
kvarky jako bodové částice bez vnitřní struktury. Pokud mají vůbec nějaký
rozměr, je určitě menší než 10–18 m. Z tohoto pohledu tedy na ně můžeme pohlížet jako na skutečné elementární částice.
Nejsou to však jediné částice, které potřebujeme k výstavbě látky, která se
nachází všude kolem nás.
Z kvarků jsme již složili proton a neutron. K nim ale potřebujeme ještě
elektron, abychom vytvořili nejjednodušší atom – atom vodíku. Z kvarků
a elektronů jsme schopni vytvořit atom jakéhokoliv jiného chemického prvku.
Aby byl náš seznam kompletní, musíme ještě vzít v úvahu existenci radioaktivních atomů, při jejichž rozpadu vzniká velice obtížně detekovatelná, elektricky neutrální a velice lehká částice – elektronové neutrino. Současnou představu o základních stavebních kamenech Standardního modelu, skutečně elementárních částicích hmoty nejlépe ilustruje obr. 5 (viz barevnou přílohu).
Aktuální hodnoty hmotností a dalších charakteristik částic je možno najít
na adrese [1].
Jak je v částicové fyzice běžné, uvádějí se klidové hmotnosti částic
v jednotkách eV/c2. Nezasvěceného člověka nesmí zmást, že částicoví fyzikové
často používají při udávání hmotností částic jednotku eV (bez /c2).
Veškerou látku, která se běžně vyskytuje v našem okolí, jsme schopni vytvořit ze čtyřech základních částic (viz první řádek na obr. 5, označený jako 1.
rodina). Příroda je však bohatší a nabízí dvě další kopie této rodiny, přičemž
50
každá další rodina obsahuje vždy těžší kopie částic předcházející rodiny. Řekli
bychom, že jsou to těžší příbuzní. Tak kupříkladu těžší varianta elektronu se
nazývá mion (je 208krát těžší než elektron) a nejtěžší jejich příbuzný je částice
tau (je 3 490krát těžší než elektron). Částice těžších rodin se v našem okolí
nevyskytují běžně. Objevují se pouze jako produkty spršek kosmického záření,
tedy tam, kde je k dispozici vysoká energie. Částice 2. a 3. rodiny se hojně
vyskytovaly v raných fázích vesmíru, když byl ještě velice horký a byla
k dispozici energie potřebná k jejich produkci.
K výše uvedeným 12 elementárním částicím je ještě nutno připočíst stejný
počet jejich antičástic. Antičástice mají vždy stejné hmotnosti, ale opačný elektrický náboj a u barevných kvarků i barvu. V případě neutrin, která nenesou
elektrický náboj, je situace taková, že neutrino existuje pouze jako levotočivé,
zatímco antineutrino je pouze pravotočivé.
Výčet částic ještě není konečný. Musíme k nim ještě přidat zprostředkující
částice fyzikálních polí, které působí jako přenašeči vzájemných sil působících
mezi částicemi. Fyzika zná v současné době čtyři druhy sil, které vládnou našemu vesmíru. Vzájemné silové působení mezi částicemi hmoty se uskutečňuje
výměnou tzv. zprostředkujících částic, a proto je správnější používat termín
interakce. Jsou to částice s celočíselným spinem, tedy tzv. bozony. Zopakujme,
že základní vlastností bozonů je, že ve stejném kvantovém stavu jich může být
neomezený počet. Člověk ve svém životě snad nejvíce využívá elektromagnetickou interakci, i když si ji obvykle neuvědomuje. Setkáváme se s ní doslova
na každém kroku, neboť veškerá silová působení našich svalů nebo strojů jsou
vyvolána vzájemnou interakcí mezi elektronovými obaly atomů na povrchu
těles.
Podívejme se na tento proces podrobněji z pohledu kvantové fyziky. Vezměme si po jednom elektronu z každého z těchto atomů a pozorujme, co se
bude dít při jejich přibližování. Tuto interakci názorně ilustruje tzv. Feynmanův
diagram (obr. 6). Pro větší názornost je lépe označit osy, i když Feynmanův
diagram není ve skutečnosti diagramem kinematickým, ale jen jakousi názornou pomůckou, která fyzikům umožňuje rychle formulovat příslušný matematický popis daného jevu.
Heisenbergovy relace neurčitosti umožňují nezachovat celkovou energii
kvantového systému po jistou dobu, danou principem neurčitosti. I když je to
nepředstavitelné rouhačství pro člověka dobře obeznámeného se zákony klasické mechaniky založenými na platnosti zákona zachování energie, je situace na
úrovni nejmenších částic hmoty odlišná od naší každodenní zkušenosti a nezbývá nám, než se s tímto faktem smířit. Platnost relací neurčitosti byla ostatně
prověřena při mnoha experimentech.
51
Obr. 6 Feynmanův diagram interakce dvou elektronů
Tady je nutno zdůraznit, že kvantová fyzika nepopírá platnost tohoto zákona v delším časovém měřítku. Přitom to slovo delší je samo o sobě velice relativní. Tak se tedy může stát, že si částice může obrazně řečeno vypůjčit energii
ΔE a vygenerovat částici o hmotnosti Δm = ΔE/c2. Takto jeden z uvedených
elektronů z obr. 6 vygeneroval foton. Pro tento foton se používá označení virtuální foton. Foton s sebou odnesl určitou hybnost, a proto se podle zákona zachování hybnosti musela změnit hybnost uvedeného elektronu, což vedlo ke
vzniku impulsu síly a tím jeho trajektorie. Virtuální foton poté narazil na druhý
elektron a způsobil změnu jeho trajektorie. Vnější pozorovatel, který pozoruje
tento jev z pohledu klasické elektrodynamiky a který nevidí onen virtuální
foton, tento proces popíše jako vzájemné silové odpuzování stejně nabitých
elektronů. Z uvedeného vyplývá, že při podrobnějším zkoumání silových účinků mezi částicemi je lépe používat termínu interakce, neboť ta je vždy spojena
s výměnou virtuálních částic. Každý dluh se ale musí splatit. To nezachování
energie je omezeno časem daným relací neurčitosti nejvýše po dobu
h
. Čím vyšší energii si elektron vypůjčí, tím větší bude vzájemná
Δt =
4 π ⋅ ΔE
síla, ale tím kratší je doba, po kterou může vniklý virtuální foton existovat. Je-li
tedy doba jeho existence omezena, je omezen jeho dolet a tím také dosah síly.
Vzhledem k tomu, že frekvence virtuálního fotonu může být velice malá (až
téměř nulová), je také jeho energie malá a tak doba, po kterou může existovat,
je velmi velká. Takovýto virtuální foton se tak může dostat do značné vzdálenosti. To koresponduje s faktem, že dosah elektromagnetické interakce je nekonečný.
Vrátíme-li se ještě k jevu vypůjčení energie a vygenerování virtuální částice, dojdeme k otázce, odkud se tato částice vezme. Již Dirac ukázal ve své
teorii, že z rovnic kvantové mechaniky plyne, že vakuum je medium, které není
52
prázdné, jak se fyzikové dříve domnívali. Vakuum je ve skutečnosti zcela zaplněno částicemi s negativní energií. Tyto částice se za jistých okolností mohou
dostat do našeho světa kladných energií. Pokud se taková částice vygeneruje
jako virtuální, neplatí pro ni zákon zachování energie. Může zprostředkovat
interakci částic, ale má na to jen krátký čas. Poté tato částice zaniká; opět za
neplatnosti zákona zachování energie. Existuje však i možnost, kdy se částice
vygenerovaná z vakua stane reálnou. Pro takovou částici již musí platit zákon
zachování energie. Je tedy nutné, aby experimentální aparatura dodala potřebnou energii k materializaci této částice. Z čistě kinematických důvodů pak
takovéto částice musí být vygenerovány alespoň dvě. Typickým příkladem
tohoto jevu je materializace fotonu – tzv. kreace elektron –pozitronového páru.
Na obr. 7 je jeden z fotografických snímků pořízený v bublinové komoře.
Přilétající pozitron anihiloval s elektronem atomu vodíku, jímž je vyplněna
bublinová komora, a přeměnil se ve foton tvrdého záření gama, tedy velice
energetický. Trajektorie fotonu není v bublinové komoře vidět, zde je vyznačena pro větší názornost. Následně došlo ke kreaci elektron-pozitronového páru,
tedy k materializaci fotonu. Protože vniklý elektron a pozitron mají navzájem
opačné náboje, zakřivuje se jejich trajektorie v magnetickém poli na opačné
strany.
Obr. 7 Fotografický snímek z bublinové komory se zvýrazněním anihilace
pozitronu s elektronem (není viditelný, jde o elektron z obalu jednoho z vodíkových atomů, kterými je vyplněna interakční komora) a opětovné kreace elektron – pozitronového páru. Foton v bublinové komoře ve skutečnosti nezanechá
žádnou stopu.
53
Tabulka 1 přehledně zobrazuje všechny známé interakce a jejich zprostředkující částice. Interakce jsou seřazeny podle jejich síly.
Nám známá elektromagnetická interakce je druhou nejsilnější silou a díky
tomu, že foton má nulovou klidovou hmotnost, a jeho energie proto nemá dolní
hranici, je to síla s nekonečným dosahem.
Tabulka 1 Dnes známé čtyři druhy interakcí
Interakce
Relativní
síla
Dosah
SILNÁ
1
10–15 m
ELEKTROMAGNETICKÁ
10–2
nekonečný
SLABÁ
10–7
10–18 m
GRAVITAČNÍ
10–38
nekonečný
Působí
na
všechny
kvarky
všechny
fermiony
kromě
neutrin
všechny
fermiony
všechny
částice
Fyzikální
veličina
barevný
náboj
Zprostředkující
částice
8 gluonů
elektrický
náboj
foton
slabý
náboj
W+, W–, Z0
hmotnost,
energie
graviton ?
Silná interakce působící mezi kvarky v atomovém jádru má největší sílu. Její
zprostředkující částice zvané gluony (z angl. glue = lepidlo), mají nenulovou
klidovou hmotnost. Energie, kterou si může kvark vypůjčit podle relace neurčitosti, má tedy dolní hranici danou klidovou energií gluonu. Z toho plyne, že se
dosah této interakce omezuje jen na oblast atomového jádra, tedy 10–15 m.
Slabá interakce je zodpovědná za radioaktivní rozpad atomů nebo také za
slučování jader vodíku v našem Slunci. Typickým projevem slabé interakce je
např. rozpad neutronu n → p+ + e– + νe s poločasem rozpadu kolem 15 minut.
Slabá interakce je zprostředkována třemi velice těžkými částicemi, tzv. intermediálními bozony, označovanými písmeny W+, W–, Z0 (z angl. weak = slabý).
Její dosah je 1 000krát menší, než je dosah silné interakce, tedy 10–18 m. Tato
interakce je také mnohem slabší než elektromagnetická interakce.
Gravitační interakce je ze všech interakcí nejslabší. Její zprostředkující částici, graviton, se zatím nepodařilo detekovat.
Z tabulky 1 je také patrné, že čím je interakce slabší, tím větší je okruh
částic na které působí. Nejslabší gravitační interakce působí na úplně všechny
částice. Nejsilnější jen na kvarky.
54
Dosud jsme popisovali interakce z hlediska jejich částicového působení.
Princip dualismu platný v kvantové fyzice však umožňuje i jiný pohled na
interakce. Ten jiný pohled je založen na zavedení pojmu pole (kvarkového,
elektromagnetického, slabého, gravitačního) a jeho využití ke studiu interakcí
mezi částicemi. Tento pohled je velice efektivní a je základem moderní kvantové fyziky.
Na rozdíl od pojmu pole v klasické fyzice musí být toto pole kvantované.
Základním znakem každé kvantové teorie pole je, že síly působí lokálně, a to
prostřednictvím přesně určených kvant pole.
První úspěšnou kvantovou teorií pole se v 60. letech 20. století stala kvantová teorie elektromagnetického pole – kvantová elektrodynamika (ve zkratce
QED). Na jejím rozvoji se významně podílela velká řada teoretiků. Největší
zásluhu za rozvoj QED mají Freemann Dyson, Richard Feynman, Julian
Schwinger a Sin-itiro Tomonaga. Poslední tři získali za svůj přínos Nobelovu
cenu v roce 1965. Tato teorie dosáhla neobyčejné přesnosti. Tak například
měření magnetického momentu elektronu se shoduje s výpočty provedenými
v QED s přesností na 10 platných číslic! Žádná jiná teorie neumí tak přesně
popsat fyzikální realitu jako QED.
Kvantová elektrodynamika se stala ideálním modelem pro testování idejí
kvantové teorie slabé interakce. Už proto, že na rozdíl od elektromagnetické
interakce, jejíž klasický popis známe, nemá slabá interakce žádnou klasickou
obdobu, neboť se v makrosvětě přímo neprojevuje. Navíc se ukázalo, že slabá
interakce narušuje některé základní symetrie našeho vesmíru (narušení CP
symetrie). I když je tento efekt velice slabý, má pravděpodobně podstatný význam pro asymetrii mezi pozorovanou hmotou a antihmotou ve vesmíru. Nápadná podobnost kvantové elektrodynamiky a teorie slabé interakce se staly
podnětem pro úvahy o sjednocení obou teorií. To se také podařilo a vzniklá
teorie, která jednotně popisuje jak elektromagnetickou, tak i slabou interakci, se
nazývá teorie elektroslabé interakce.
Na rozvoji této teorie se podílela celá řada teoretických a experimentálních
fyziků. Za všechny jmenujme alespoň trojici Glashow – Weinberg – Salam za
jejich přínos k rozvoji této teorie a za předpověď existence tzv. neutrálních
proudů, jejichž existence byla na počátku 80. let 20. stol. potvrzena experimenty provedenými v CERNu.
V 70. letech 20. stol. bylo dosaženo úspěchu při vybudování kvantové teorie
silné interakce - kvantová chromodynamika (ve zkratce QCD). Tato teorie se
podstatně odlišuje od předchozích dvou teorií. Už proto, že je silná interakce
mnohem silnější a nelze v ní použít osvědčené matematické postupy používané
v elektroslabé teorii. Problém se podařilo vyřešit trojici David Gross, Franck
55
Wilczek, David Politzer v roce 1973 v souvislosti s objevem asymptotické
volnosti. Jak již bylo uvedeno dříve, silná interakce působí mezi kvarky uvnitř
atomového jádra prostřednictvím výměny gluonů. Čím více od sebe kvarky
vzdalujeme, tím větší silou se kvarky přitahují. To je zcela opačná závislost než
vykazuje přitahování opačně nabitých částic při elektromagnetické interakci,
při které se přitažlivost vzdalujících se částic zmenšuje. Na druhé straně, a to je
podstatou tzv. asymptotické volnosti kvarků, pokud jsou kvarky velice blízko
sebe, tak na sebe v podstatě nepůsobí. Pohybují se jako by byly volné. Silové
působení mezi kvarky je možno si představit tak, že jsou spojeny gumovým
páskem určité délky. Jsou-li kvarky u sebe blíže než je délka pásku, není tento
pásek napnutý a silově na kvarky nepůsobí. Když začneme kvarky od sebe
vzdalovat, začne se pásek napínat a síla, kterou pásek působí, je tím větší, čím
dále kvarky od sebe vzdálíme. Po překonání meze pevnosti se pásek rozletí na
dva nebo více kousků, které dají spolu s původními kvarky vznik novým částicím.
Základní teorií gravitace je obecná teorie relativity. Ta prošla od roku
1915, kdy ji publikoval Albert Einstein, mnoha experimentálními testy, které ji
plně potvrdily. I přes svou neobyčejnou sílu a vnitřní logickou krásu s ní nejsou
fyzikové zcela spokojeni. Není to totiž teorie kvantová. Kvantovou teorii gravitačního pole se zatím nepodařilo vytvořit. Aby teoretikové zjistili, do kterého
směru namířit své úsilí, uskutečňují se v současné době velice citlivé experimenty, které mají za cíl naměřit odchylky v deformaci časoprostoru v okolí
Země od teoretických hodnot vypočítaných pomocí obecné teorie relativity.
Veškeré pokusy v tomto směru byly zatím (začátek roku 2008) negativní. Einsteinovy myšlenky jsou tak stále ještě nepřekonané. Podrobnosti o testování
mezí platnosti obecné teorie relativity je možno nalézt na [2] nebo [3].
Budeme-li věřit, že je náš vesmír založen na jednotném principu, a v tom se
shodují jak fyzikové nábožensky založení, tak i nevěřící, pak nutně dojdeme
k názoru, že zde vládne jen jedna jediná síla a že tedy musí existovat nějaký
jednotný popis všech sil. O jeho nalezení se ostatně Einstein snažil po celý svůj
život, i když neúspěšně. Jak již bylo uvedeno, první úspěšný krok k vytvoření
jednotného popisu různých interakcí byl proveden, když se podařilo jednotně
vysvětlit elektromagnetickou a slabou interakci ve formě tzv. elektroslabého
sjednocení. V současné době se fyzikové snaží o sjednocení teorií elektroslabé
a silné interakce, tzv. teorie velkého sjednocení (GUT – Grand Unification
Theory). A pokud by se podařilo do tohoto konceptu zahrnout i kvantovou
teorii gravitace, dostali bychom teorii všeho (TOE – Theory of Everthing).
Rozvoj fyzikálních teorií a jejich postupné spojování je graficky znázorněno na
obr. 8 (viz barevnou přílohu).
56
Pokud tedy existuje jednotný popis všech sil, vyvstává zde otázka, proč se
tato supersíla projevuje takovýmto čtverým způsobem. Studiem závislosti vazbových konstant jednotlivých interakcí, které charakterizují sílu interakce, se
zjistilo, že jejich velikost závisí na energii interagujících částic. Při větších
energiích by se měly jejich hodnoty vyrovnat. To by způsobilo, že bychom již
tyto interakce od sebe nebyli schopni rozlišit. Situaci znázorňuje obr. 9.
Obr. 9 Sjednocení interakcí
Experimenty ukazují, že když zvyšujeme energii interagujících částic, dochází nejdříve ke sjednocení elektromagnetické a slabé interakce. Takovéto
sjednocení již bylo experimentálně ověřeno a umíme je popsat teorií elektroslabých sil. Urychlovače částic zatím ještě ale nedosáhly takových energií, aby
bylo možno pozorovat sjednocení elektroslabé interakce s interakcí silnou.
Vědci se domnívají, že při dosažení ještě vyšší energie by se mohla připojit
dosud nejslabší gravitační interakce.
Na výše uvedený obrázek se můžeme podívat také z jiného pohledu. Podle
teorie velkého třesku se vesmír zrodil při velmi vysokých energiích. V těchto
velice raných fázích vesmíru zde působila jediná tzv. supersíla. Tak, jak se
vesmír postupně ochlazoval, začaly se postupně vydělovat ostatní interakce.
Zmíněné kvantové teorie polí (elektroslabá interakce a kvantová chromodynamika) spolu s uvedenými základními stavebními částicemi hmoty tvoří hlavní součásti dnes nejlepší fyzikální teorie zvané Standardní model. Jeho před-
57
povědi velmi dobře souhlasí s provedenými experimenty, a to v některých případech až 10 platných číslic! Tak například tzv. anomální magnetický moment
elektronu (tj. odchylka od Bohrova magnetonu, jemuž přisuzujeme hodnotu 1)
má
– teoretickou hodnotu 1,001 159 652 46 a
– naměřenou hodnotu 1,001 159 652 21.
Pro lepší představu to odpovídá měření vzdálenosti z New Yorku do Los
Angeles (4 500km) s přesností tloušťky lidského vlasu. Přesto nejsou fyzikové
s tímto modelem zcela spokojeni. Na některá jeho omezení se podíváme
v následujících odstavcích.
Teorie elektroslabých sil byla původně formulována pro částice s nulovou
klidovou hmotností. To je však správné pouze v případě fotonu, ale neplatí
například pro částice W a Z. Pro ostatní částice se tato hmotnost musí do teorie
zavést uměle na základě naměřených hodnot. Tak například ze Standardního
modelu nijak nevyplývá velikost klidové hmotnosti elektronu. Ta se musí do
teorie dosadit. Existuje ještě dalších asi dvacet tzv. volných parametrů, naměřených hodnot určitých fyzikálních veličin, které musí být do teorie vloženy.
O řešení problému s hmotnostmi částic se pokusil Peter Higgs už v roce
1964, kdy navrhl existenci nového pole, které prostupuje celý vesmír. Interakcí
původně nehmotných částic s tímto tzv. Higgsovým polem získávají částice
svoji hmotnost. Higgsovo pole, pokud existuje, musí mít zprostředkující částice
(nosiče pole) tak, jako každé jiné pole. Tyto hypotetické částice zvané Higgsovy částice se zatím nepodařilo najít. Jejich detekce je jedním z úkolů nově budovaného urychlovače LHC v mezinárodní evropské laboratoři CERN.
Zde je seznam otázek, na které Standardní model zatím nezná odpověď:
• Proč nemůže Standardní model předpovědět hmotnosti částic a proč mají
částice právě takovou hmotnost, jakou mají?
• Proč existují právě tři generace kvarků a leptonů?
• Jsou kvarky a leptony skutečně elementární nebo jsou složeny z nějakých fundamentálnějších částic?
• Existují další částice, k jejichž objevu by bylo třeba urychlovačů s většími energiemi?
• Existují další síly?
• Higgsův mechanismus zůstává zahalen tajemstvím. Je správný?
• Jak do Standardního modelu začlenit gravitační interakci?
• Jaká je spojitost mezi kvarky a leptony?
• Proč je elektrický náboj kvantován v jednotkách 1/3e ?
• Jaký mechanismus je zodpovědný za narušení elektroslabé symetrie? Jinými slovy, proč se elektroslabá síla projevuje při nižších energiích dvo-
58
jím způsobem, v některých případech jako elektromagnetická a v jiných
jako slabá síla?
• Co je zdrojem narušení CP symetrie?
• Je CPT symetrie tou určující symetrií našeho vesmíru?
• Proč pozorujeme ve vesmíru pouze hmotu a téměř žádnou antihmotu,
pokud věříme, že se vesmír zrodil zcela symetrický?
• Co je tou tajemnou tzv. temnou hmotou, kterou nemůžeme pozorovat,
ale která má viditelné gravitační efekty?
• Co způsobuje urychlení rozpínání vesmíru? Jaká je podstata tzv. skryté
energie vesmíru?
• Existují skryté dimenze vesmíru?
Nicméně vědci nečekají se založenýma rukama a snaží se o vytvoření nových teorií, které by navázaly na úspěch Standardního modelu, ale které by jej
překonaly a přinesly odpovědi na tyto nezodpovězené otázky.
Literatura
[1] http://www-pdg.lbl.gov/2007/listings/contents_listings.html
[2] http://einstein.stanford.edu/
[3] http://aldebaran.cz/bulletin/2004_17_gpb.html
59
Příklady z částicové fyziky
Urychlovače částic
Příklad 1
Na urychlovači LHC se budou urychlovat protony na velmi vysoké energie.
LHC bude umístěn ve stejném tunelu jako LEP. Jakou největší energii mohou
protony získat, má li tunel délku 27 km a magnetická indukce uvnitř vakuové
trubice dosáhne nejvyšší hodnoty 8,36 T?
Řešení
Podle II. Newtonova zákona F = ma za předpokladu, že svazek má kruhový
tvar, máme
2
qvB = m v
R
a hybnost částice svazku je p = mv, kde m je celková hmotnost částice. Odtud
dostaneme
p = qRB = 1,6021 ⋅ 10 −19 C ⋅
=
27 000 m
⋅ 8,36 T ≈ 5,756 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s =
2π
5,756 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s ⋅ 3 ⋅ 108
≈ 10,8 TeV/c.
1,6021 ⋅ 10 −19 J/eV
Efektivní délka kružnice je menší než 27 km, neboť maximální plánovaná
energie je 7 TeV. Je-li energie protonů 7 TeV, je dle Einsteinových rovnic
hybnost protonů E 2 = E02 + p 2 c 2 , tedy
p=
p=
E 2 − E02
=
c2
(7 TeV ) 2 − (0,938 ⋅ 10 −3 TeV ) 2
≈ 7 TeV , nebo
c
c2
7 ⋅ 1012 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 J
≈ 3,7 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s .
3 ⋅ 108 m/s
Efektivní délka LHC, na které dochází k zakřivení trajektorie, pak je
2πR = 2π
3,738 ⋅ 10 −15 kg ⋅ m/s
p
= 2π
≈ 17,5 km .
qB
1,6021 ⋅ 10 −19 C ⋅ 8,36 T
Zbývající délku urychlovače pokrývají jiné části urychlovače, např. urychlovací
dutiny, fokusační magnety aj.
60
Přímé části urychlovače zaujímají
27 km − 17,5 km
≈ 35 % celkové délky
27 km
urychlovače.
Příklad 2
Na LHC bude ve dvou proti sobě se pohybujících svazcích cirkulovat 2 835
shluků částic v každém svazku, které se budou vzájemně srážet v detektorech.
Jaký je počet srážek shluků
a) za jednu sekundu,
b) během jedné směny, která bude trvat 10 hodin.
Řešení
Svazky se pohybují téměř rychlostí světla, takže se střetnou každou
27 ⋅ 10 3 m
2 835
= 3,175 ⋅ 10 −8 s
3 ⋅ 108 m/s
1
= 32 MHz .
3,175 ⋅ 10 −8 s
Udávána je hodnota 40 MHz, ale ve svazku jsou díry, jinými slovy některé
shluky ve svazku chybějí. Tímto způsobem se "pojídá" svazek kousek po kousku, neboť ty shluky, které nekolidují, se chovají podivně a jakýmsi způsobem
požírají ostatní shluky a vytvářejí ve svazku více děr.
A za 10 hodin nastane přibližně 32 ⋅ 10 6 s −1 ⋅ 10 ⋅ 3 600 s ≈ 1,2 ⋅ 1012 srážek .
Množství dat, která budou shromážděna za jednu sekundu, se rovná objemu asi
10 000 svazků Britannica Encyclopedia.
a frekvence srážek je
Příklad 3
Časový interval mezi shluky přicházejícími na detektor je 25 ns. Kolik kolizí
nastane za jednu sekundu a jaká je frekvence, se kterou se svazky potkávají v
urychlovači?
Řešení
1s
= 40 milionů kolizí za 1 s.
25 ⋅ 10 −9 s
Frekvence, se kterou se svazky setkají, je tedy 40 MHz.
Nastane
61
Příklad 4
Částicový svazek na LHC představuje elektrický proud o hodnotě 0,5 A. Kolik
částic obsahuje jeden svazek, je-li v urychlovači 2 835 shluků částic a časový
interval mezi shluky je 25 ns?
Řešení
Proud je I = 0,5 A =
0,5
e / s = 3,1 ⋅ 1018 e/s .
1,6021 ⋅ 10 −19
Časový interval je 25 ns, takže dostáváme
25 ⋅ 10 −9 ⋅ 3,1 ⋅ 1018 ⋅ 1/s = 8 ⋅ 1010 protonů .
Příklad 5
Jaká je celková energie protonů v jednom svazku, mají-li protony maximální
energii 7 TeV a jeden svazek obsahuje 1011 částic?
Řešení
Celková energie svazku je
Ecelk = 2 835 ⋅1011 ⋅ 7 ⋅1012 ⋅1,6021 ⋅10 −19 J ≈ 320 MJ .
Pokud ji porovnáte například s lodí, která se pohybuje rychlostí 3 m/s, což je 11
km/h, vychází její hmotnost
320 MJ
m= 1 E 2 =
= 70 000 t ,
⋅v
0,5 ⋅ (3 ⋅ m/s) 2
2
což je již docela velká záoceánská loď.
Příklad 6
Jak velký elektrický proud představuje jeden shluk částic ve svazku, obsahuje-li
1011 částic?
Řešení
Velikost proudu je
1011 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 C
I=
≈ 0,64 A
25 ns
nebo
I = 1011 ⋅ 1,6021 ⋅ 10 −19 ⋅ 40 MHz ≈ 0,64 A .
62
Příklad 7
Kolik oběhů vykoná protonový svazek, než spadne na dno trubice svazku,
pokud se nefokusuje?
Řešení
Průměr trubice svazku na LHC je 18 mm. Z kinematických rovnic dostaneme
h = 1 gt 2
2
a doba pádu je
2h = 2 ⋅ 0,018 m ≈ 61 ms .
g
9,81 m/s 2
Za tento čas proton vykoná
3 ⋅ 108 m/s ⋅ 61 m/s
≈ 670 oběhů .
27 ⋅ 10 3 m
Svazek by měl vydržet v urychlovači 10 hodin, během kterých proton vykoná
10 ⋅ 3600 s ⋅ 40 MHz = 1,4 ⋅ 1012 oběhů .
Z tohoto důvodu musí být urychlovač doplněn o fokusační zařízení.
t=
Příklad 8
Za jak dlouho by Mika Hakkinen urazil stejnou dráhu jako protony v trubici
svazku za jednu sekundu?
Řešení
Trvalo by to
300 000 km/s ⋅ 1 s
= 937,5 h = 39 dní (a nocí) .
t = s = ct =
320 km/h
v v
Příklad 9
Na urychlovači LHC v CERNu může být nárůst proudu v supravodivých magnetech 10 A za sekundu. Jak dlouho bude trvat, než se dosáhne maximálního
proudu 11 700 A?
Řešení
Doba nárůstu proudu je t = 11 700 A = 1170 s ≈ 19,5 min .
10 A/s
63
Příklad 10
Základní součástí urychlovače LHC jsou supravodivé dipólové magnety, které
jsou 15 m dlouhé a jsou vyrobeny z oceli. Jak se změní délka trubice magnetu
po ochlazení na 1,9 K, byla-li počáteční teplota 20 °C?
Řešení
V matematicko - fyzikálních tabulkách najdeme pro součinitel délkové teplotní
roztažnosti železa (není uvedena ocel, neboť hodnota silně závisí na druhu
oceli) hodnotu α = 0,012 · 10–3 K–1.
Zkrácení dipólového magnetu by činilo
Δl = l0 αΔt = 15 ⋅ 0,012 ⋅ 10 −3 ⋅ (293 − 1,9 ) m = 0,0524 m = 5,24 cm .
Tak velké zkrácení je nepřijatelné. Speciální ocel musí mít mnohem menší
hodnotu součinitele délkové teplotní roztažnosti. Samostatně již určete koeficient délkové teplotní roztažnosti, nemá-li změna délky činit víc než 20 mikrometrů.
Reakce částic
Teoretický základ
Frekvence případů (event rate) poskytuje informaci o počtu čelních srážek,
které nastanou v detektoru za jednotku času a definuje se jako
N ev n b ⋅ f rev ⋅ N 1 ⋅ N 2
=
⋅σ ,
t
A
kde frev udává, kolikrát proběhne jeden shluk celý prstenec N1 a N2 jsou počty
částic v navzájem kolidujících shlucích, které se pohybují proti sobě, A je průřez svazku, σ je účinný průřez určitého případu (je mírou pravděpodobnosti, že
nastane určitý případ).
Poznámka: rev je zkratka revolution = počet oběhů, ev je zkratka events = případů. Pod pojmem případ rozumíme určitou konkrétní skladbu produktů kolize.
Např. při srážce elektronu s pozitronem mohou vzniknout v jednom případu
dva fotony gama, v jiném případu např. vzniknou dva piony.
Celý svazek pohybující se v trubici svazku bude na LHC složen z 2 835
shluků částic, každý shluk bude čítat asi 1011 částic.
V částicové fyzice se často používá pro jednotku účinného průřezu 1 barn,
zkratkou 1 b. Převodní vztah je 1 b = 10–24 cm2. „Barn“ znamená v angličtině
„stodola“. Tato jednotka vznikla historicky tak, že se jednomu experimentálnímu týmu podařilo dosáhnout skutečně velkého účinného průřezu jisté reakce,
kterýžto jeden z fyziků označil, že „je velký jako stodola“. Tak se nakonec
mezi částicovými fyziky tato jednotka usadila.
64
První část výše uvedeného vztahu se nazývá luminosita L a je definována
vztahem
n f N N
L = b rev 1 2 ,
A
nebo v případě, že N1 = N2
f N2
.
L = rev
A
Takže frekvence případů může být vyjádřena jako
N ev
= Lσ .
t
Když známe frekvenci fbunch, se kterou se shluky setkávají, vychází frekvence
případů
N ev
f
N N
= bunch 1 2 σ .
t
A
Příklad 11
Luminosita na LEPu dosahovala hodnoty 100 · 1030 cm–2 · s–1. Nechť účinný
průřez jistého případu je 1,0 · 10–24 cm2, tj. jeden barn (b). Kolik případů nastane za jednu sekundu?
Řešení
Frekvence případů na LEPu při účinném průřezu 1 barn byla
N ev
= Lσ = 100 ⋅ 10 30 cm − 2 s −1 ⋅ 10 − 24 cm 2 = 10 8 případů/s .
t
Doba jednoho oběhu činila
27 ⋅ 10 3 m ≈ 90 μs
3 ⋅ 10 8 m/s
a frekvence oběhů byla
1 ≈ 11 kHz .
90 μs
V prstenci LEPu byly čtyři svazky, takže frekvence kolizí byla 4 · 11 kHz =
= 44 kHz (srovnej se 40 MHz na LHC) a časový interval mezi srážkami byl
1
= 2,3 ⋅10 −5 s = 23 μs .
44 kHz
65
Příklad 12
Počáteční luminosita LHC je plánována na 1 · 1033 cm–2 · s–1. Odhadovaný
účinný průřez pro generaci Higgsova bosonu, který se rozpadá na dva fotony γ
je 50 fb. Kolik případů očekáváme detekovat za jednu sekundu?
Řešení
Frekvence případů je
N ev
= Lσ = 1 ⋅ 10 33 cm − 2 s −1 ⋅ 50 ⋅ 10 −15 ⋅ 10 − 24 cm 2 ≈ 5 ⋅ 10 −5 případů/s .
t
Musíme čekat
1
= 2 ⋅10 4 s = 5,6 h , než se objeví první Higgsův boson.
5 ⋅10 − 5 s
Na urychlovači Tevatron v Chicagu dosahuje po provedené rekonstrukci luminosita hodnoty 1030 cm–2 · s–1. Jak dlouho budeme muset čekat na Higgsův
boson v procesu, ve kterém se Higgs rozpadá na dva fotony s účinným průřezem stejným jako v příkladě 11? Tevatron dosahuje maximální energie 1 TeV,
a protože je účinný průřez funkcí energie, bude výpočet pouze orientační.
Poznámka z konce roku 2003: Prozatím se po zkušenostech z prvních 2 let zdá, že Tevatron má problémy dosáhnout plánované luminosity a udržet ji po dostatečně dlouhou
dobu, což staví otázku souboje o prioritu v objevu Higgsova bosonu do poněkud jiného
světla. Spíše to vypadá, že řešení této otázky bude muset počkat až na experimenty na
LHC.
N ev
= Lσ = 1⋅1030 ⋅ cm −2 ⋅ s −1 ⋅ 50 ⋅10 −15 ⋅10−24 cm 2 = 5 ⋅10−8 případů/s .
t
Budeme muset čekat
1
= 2 ⋅ 10 7 s = 230 dní na první Higgsův boson a
5 ⋅ 10 −8 s
10 ⋅ 230 = 230 dní = 6,4 roků na 10 Higgsových bosonů, abychom si byli
jisti, že je to skutečně Higgsův boson.
Tevatron započal s experimentem v roce 2002 a LHC bude dokončen v roce
2008. Takže závod o to, kdo první nalezne Higgsův boson, bude velmi tvrdý.
Účinný průřez pro produkci Higgsova bosonu rozpadajícího se na kvarky top a
antitop je 20 pb, takže bychom očekávali
Lσ = 10 33 ⋅ 20 ⋅ 10 −12 ⋅ 10 −24 = 0,02 případů /s
a prvního Higgsova bozonu bychom se na LHC dočkali už za 50 sekund.
66
Příklad 13
Luminosita LHC je 1 · 1034 cm–2 · s–1. Nastane-li 17 000 případů za 100 ms,
jaký je účinný průřez tohoto případu vyjádřený v barnech?
Řešení
N ev
= Lσ takže účinný průřez případu je
t
17 000
100
⋅ 10 −3 s = 1,7 ⋅ 10 −29 = 17 ⋅ 10 −6 ⋅ 10 −24 cm 2 = 17 μb .
σ=
34
1 ⋅ 10 cm −2s −1
Příklad 14
Účinný průřez reakce vedoucí k produkci částice Z, jednoho z nosičů slabé
interakce, na LEPu, kde se srážely elektrony s pozitrony, byla 32 nb (nanobarn)
při energii svazku 91 GeV. Jak dlouho museli čekat na první případ měla-li
luminosita hodnotu 23 · 1030 cm–2 · s–1?
Řešení
Lσ = 23 ⋅ 1030 cm −2s −1 ⋅ 32 ⋅ 10 −9 ⋅ 10 −24 cm 2 ≈ 0,736 případů /s ,
takže trvalo přibližně 1/(0,736 1/s) = 1,4 s, než vznikla první částice Z (s nulovou kinetickou energií).
Standardní model
Teoretický základ
Částice složené z kvarků je možno rozdělit do tří skupin. Mezony se skládají z kvarku a antikvarku (q,aq), baryony ze tří kvarků (q,q,q) a antibaryony ze
tří antikvarků (aq,aq,aq). Veškeré dosud objevené částice mají právě jednu
z uvedených struktur.
Aby teoretikové vysvětlili výše zmíněné kombinace kvarků, přiřazují ke
každému kvarku určité kvantové číslo zvané barva (červená, modrá nebo zelená) a antikvarku přiřazují antibarvu. Pravidlo zní, že všechny částice musí mít
bílou barvu. Částice mají bílou barvu, když kvarky uvnitř částic mají tři různé
barvy nebo jednu barvu a k ní jednu antibarvu.
Další pravidlo je založeno na tom, že nikdo nepozoroval částici, která by
neměla celočíselný náboj (myslíme v násobcích velikosti náboje elektronu).
Náboj musí mít hodnotu –1, 0, +1 nebo +2 neboť náboje kvarků mají hodnoty
67
+2/3 nebo –1/3. Například třikrát +2/3 jsou +2 nebo (+2/3) + (–1/3) + (–1/3)
je nula nebo třikrát –1/3 je –1.
Kvark
up
down
strange
charm
bottom
top
Označení
u
d
s
c
b
t
Náboj [e]
+2/3
–1/3
–1/3
+2/3
–1/3
+2/3
Příklad 15
Kolik mezonů a baryonů v základním stavu (spin = 0) může existovat dle Standardního modelu, kdybychom mohli k jejich výstavbě použít
a) 4 kvarky (u, d, s, c) nebo
b) 6 kvarků.
Návod
Až budete počítat náboj částic v části b), bude užitečné si kvarky uspořádat
následovně:
Kvark Náboj [e]
u
+2/3
c
+2/3
t
+2/3
d
–1/3
s
–1/3
b
–1/3
Řešení pro mezony
Ad a) Začněme nejprve s kombinacemi kvark a antikvark (q,aq), tedy s mezony. (aq = antikvark, au = anti up, atd.):
u +2/3
au –2/3
d –1/3
ad +1/3
s –1/3
as +1/3
c +2/ 3
ac –2/ 3
Náboj může být buď nula, plus jedna, nebo minus jedna.
V případě nulového náboje musí být každý kvark kombinován postupně se
dvěma antikvarky, takže je celkem 4 · 2 = 8 možností.
68
V případě náboje +1 nebo –1 jsou dvě možnosti pro každý kvark, takže
celkem 8 pro náboj +1 a 8 pro náboj –1.
Tedy celkem 16 různých mezonů je možno složit ze čtyř kvarků.
Adb) Stejně můžete postupovat se šesti kvarky:
u +2/3
au –2/3
d –1/3
ad +1/3
s –1/3
as +1/3
c +2/ 3
ac –2/ 3
b –1/3
ab +1/3
t +2/3
at –2/3
Můžeme kombinovat každý kvark se třemi ostatními, abychom dostali nulový náboj, takže při šesti kvarcích dostanete celkem 6 · 3 = 18 různých částic.
Má-li být náboj –1 nebo +1, ke každému kvarku existují tři možné antikvarky,
takže je 6 · 3 = 18 různých možností.
Existuje tedy 36 různých mezonů, které můžete složit ze 6 kvarků.
Existuje jiná možnost řešení úkolu. Umístíme všechny kvarky do následující
tabulky:
u +2/3
d –1/3
s –1/3
c +2/3
b –1/3
t +2/3
au –2/3
u,au 0
d,au –1
s,au –1
c,au 0
b,au –1
t,au 0
ad +1/3
atd
as +1/3
atd
ac –2/3
atd
ab +1/3
at –2/3
Tímto způsobem dostaneme 6 · 6 = 36 různých mezonů v základním stavu
(spin = 0).
Řešení pro baryony
Nejprve se podívejme na kombinace tří kvarků (qqq).
Vezměme nejprve baryony s nulovým nábojem (Q = 0). Každý kvark s
nábojem +2/3 může být spojen s dvěma kvarky s nábojem –1/3 šesti způsoby.
Například kvark u může být spojen s kvarky dd, ds, ss, st, tt, dt, což lze uskutečnit 6ti způsoby. Stejný počet vychází pro kvarky c a t, které mají rovněž
náboj +2/3. Máme tedy celkem 18 různých částic.
69
Kvark
u
c
t
d
s
b
Náboj [e]
+2/3
+2/3
+2/3
–1/3
–1/3
–1/3
Dále baryony s nábojem –1: kvarky ze spodní části tabulky se váží navzájem 3 · 3 · 3 = 27mi způsoby a tak dostaneme 27 různých částic.
Stejné je to s nábojem +2 (kombinují se kvarky u, c, t). Mohou se vázat
navzájem 3 · 3 · 3 = 27mi způsoby, takže dostaneme 27 dalších částic.
Nakonec náboj +1, ale způsob výpočtu je podobný výpočtu při náboji nula.
Vezmete jednu částici z dolní části tabulky (Q = –1/3) a svážete ji se dvěma
částicemi z horní části (Q = +2/3). Dohromady tedy máme 18 + 27 + 27 + 18 =
= 90 různých částic zvaných baryony.
Existují ale také antičástice – antibaryony, takže dostaneme dalších 90
částic.
Celkový počet všech baryonů a antibaryonů je 180.
Sečteme-li všechny mezony, baryony a antibaryony (nazýváme je společným názvem hadrony), je jejich celkový počet roven 216. To je v případě, že
částice jsou v základním stavu s minimální energií. Nejsou zde započítány
smíšené a excitované stavy.
Vezmeme-li v úvahu ještě smíšené a excitované stavy, dostaneme počet
částic přesahujících hodnotu 250. Proto se nedivme, že takovýto počet částic
vyvolával u fyziků na počátku 60. let 20. století oprávněný pocit frustrace
z takové inflace počtu tehdy uvažovaných „elementárních částic“. Kvarková
představa složení hadronů jednak zmenšila počet základních stavebních částic
hmoty a především odhalila řád v takové rozmanitosti různých baryonů.
70
Interaktivní tabule
DITA MARYŠKOVÁ
„Neruš mé kruhy!“ zněla památná věta Archiméda ze Syrakus z roku 212
př. n. l., když si kreslil jednu ze svých dalších matematických úvah do písku
a do světla mu vstoupil římský voják. Tato věta stála Archiméda život. Ukazuje
se však, že své nápady si lidé snažily nějakým uměleckým způsobem zachytit
již v dávné minulosti. Zásada názornosti se ve vzdělávacím procesu objevuje
spolu s mnoha dalšími zásadami v dílech Jana Amose Komenského v 1. polovině 17. století.
Tužka a papír, respektive tabule a křída, je nedílnou součástí výchovně
vzdělávacího procesu. Původně se psalo prstem do písku, následovaly hliněné
destičky a tabulky s křídou. Poslední jmenovaná pomůcka se v českém školství
v nejrůznější podobě vyskytuje dodnes. Černá nebo zelená tabule a kousek
křídy patří k základnímu vybavení téměř každé České školní třídy.
V modernějších školách nahradily černé tabule, tabule bílé, plastové, na které
se píše fixami. Méně se práší a tím jsou fixy bezpečnější pro naše zdraví. Bohužel finanční náklady značně rostou. V moderních podnikových školících
střediscích šel vývoj ještě dál – k názornosti se používají velké papírové „bloky“, na které se píše opět fixou. Princip výuky ale zůstává stejný.
Na tabuli je možné napsat žákům správně jakékoli slovo, které neznají. Nebo nakreslit obrázek a tím situaci přiblížit. Myšlenky je potřeba zaznamenat pro
své žáky. Často si ovšem „nápady z tabule“ zachytíme také pro sebe na papír.
Když se k nim později vrátíme a dále je rozvíjíme, necháváme tak vzkaz pro
další generace. Pokud k přepisu na papír nedojde, po skončení hodiny vše zmizí
v nenávratnu… Navíc příprava materiálu na tabuli ještě před hodinou je značně
náročná a dnes již tato praxe zůstává snad jen v některých třídách 1. stupně.
Opačnou stránku názorného vyučování zastupují filmy. Ve 2. polovině 20.
století se žákům promítaly diapozitivy nebo tzv. „smyčky“ kdy film běžel stále
dokola. Bylo možné jej za určitých okolností zastavit a znovu rozběhnout.
Učitel musel daný problém vysvětlovat sám. Bohužel do hotového filmu není
možné nijak zasáhnout. Smyčky byly na své pouti vystřídány filmy na videu
a nejnověji na DVD nosičích. Stále však řešíme v hodinách stejný problém –
k jakémukoli dalšímu podrobnému vysvětlení se musíme spolehnout na naši
starou dobrou tabuli.
71
Když se tedy podíváme na problém z obou stran, máme možnost volby –
buď budeme celé zadání psát přímo na tabuli v hodině (a tím ztratíme drahocenný čas) nebo přijdeme do hodiny se zadáním, ale řešení musíme tvořit někam na jiné místo vzhledem k zadání.
Nástup informačních a komunikačních technologií umožnil začít využívat
v hodinách počítače. Aktivní učitel si může celou svou hodinu nachystat
v některém z dostupných programů. Na některé hodiny je vhodný program MS
Word, jiné upřednostňují MS Excel a v poslední době se rozšiřují prezentace
vytvořené v programu MS PowerPoint. Stále však řešíme problém, jak připravenou prezentaci přímo před očima žáků doplňovat o potřebné další informace.
Navíc při práci s počítačem většina učitelů ve třídě sedí u pracovního stroje.
Nevidí na žáky a jejich aktivity, nemají zpětnou kontrolu. Jako by se za počítačem „schovávali“. Řešení se objevilo před několika lety v podobě interaktivní
tabule.
Technologie interaktivní tabule v sobě zahrnuje všechny dosavadní možnosti názorné výuky, doplňuje je však o důležitý prvek interaktivity. Prvek, který
učiteli i žákovi umožňuje do názorné výuky aktivně vstupovat, ovlivňovat ji
a přizpůsobovat aktuálním potřebám sebe samého i celé třídy. Na rozdíl od
frontální práce žáků na pracovních stanicích v počítačové učebně umožňuje
společnou práci celé třídy nebo skupiny, kdy všichni žáci mají možnost sledovat výuku na ploše blížící se velikostí klasické tabuli s možností dynamického
ovládání včetně on-line přístupu ke všem formám informačních zdrojů. Uživatelé získávají možnost, podobně jako například počítačovou myší, prostřednictvím interaktivní tabule ovlivňovat činnost počítače a v něm aktivovaných
programů, a vše v reálném čase díky obrazu promítanému datovým projektorem sledovat přímo na projekční ploše, odkud změny provádějí. Skutečnost, že
všechny druhy ve školách používaných interaktivních tabulí mají povrch upravený i pro běžnou práci (například se standardními popisovači), otevírá uživatelům navíc velmi široké možnosti dokreslování přímo do promítaného snímku.
Důležité součásti Interaktivní tabule
Počítač má při práci s interaktivní tabulí mimo standardního systémového
programového vybavení (operační systém, antivirový software, atd.) aktivně
spuštěny dva další základní programy: samotný výukový software, který je
prezentován (například malá násobilka, anglická slovíčka a podobně), a ovládací software interaktivní tabule. A právě software interaktivní tabule zajišťuje
propojení grafických dat z výukového softwaru s daty přicházejícími
72
z interaktivní tabule a zpracované vstupy předává ve formě digitálních dat již
standardním způsobem do datového projektoru k promítnutí. Výukový software
tedy poskytuje data stejným způsobem jako při zobrazování na monitoru pracovní stanice a ze samotné interaktivní tabule jsou do pracovní stanice zasílána
data o činnosti uživatele stojícího u ní (například zda uživatel pohybuje
s objekty zobrazenými na tabuli, zda je označuje, zda provádí operaci klik nebo
dvojklik nebo zda například na tabuli píše). Software interaktivní tabule instalovaný na pracovní stanici následně takto získaná data propojí, zpracuje a zašle
do projektoru k zobrazení. Současně je schopen reagovat i na data přicházející
z jiných částí pracovní stanice, například z počítačové myši. V praxi tedy může
nastat situace, kdy jak uživatel u interaktivní tabule, tak i uživatel u pracovní
stanice mohou oba pohybovat objekty zobrazenými na ploše interaktivní tabule.
Uživatel u počítače je vidí na monitoru a může je ovládat například počítačovou myší, uživatel u tabule je vidí promítnuté a ovládat je může podle druhu
tabule například prstem nebo magnetickým perem. Při zaměření se na stejný
objekt potom rozhoduje, který z uživatelů jej pro další činnost aktivuje (uchopí,
zahájí psaní, klikne, apod.) jako první.
Datový projektor zajišťuje promítnutí příslušného obrazu na plochu interaktivní tabule. Datový projektor v podstatě pouze zajišťuje zobrazení (promítnutí) obrazových dat vzniklých interakcí počítače, příslušného softwaru a uživatele u tabule nebo u počítače na plochu interaktivní tabule. Promítnuta by
mohla být samozřejmě i na jakoukoliv jinou projekční plochu, například na
promítací plátno nebo stěnu s vhodně upraveným povrchem. Pohyb po této
klasické promítací ploše však v žádném případě nebude a ani nemůže mít vliv
na činnost počítače a v něm aktivovaného softwaru. Datový projektor tedy
opravdu plní pouze úkol promítacího zařízení.
Interaktivní tabule = aktivní plocha, kam se přenáší obraz z počítače pomocí datového projektoru, a velký tablet v jednom. Interaktivní tabule tedy
pouze využívá historicky známých poznatků na poměrně větší ploše.
Další prvky sestavy pro interaktivní tabuli – patří k nepovinným pracovním nástrojům. Pokud však jsou součástí vybavení počítače nebo učebny, práci
s nimi si velmi rychle osvojíte. Učení je totiž mnohem pohodlnější. Patří sem
například externí zdroje obrazového signálu. Ty jsou potřebné pro využití
tabule jako televizní obrazovky. Součástí může být TV připojení, možnost
zapojení digitální kamery a podobně. S tím souvisí nutnost vylepšení zvuku.
Tabuli je možné obohatit o doplňkové ozvučení i mikrofon. To ocení zejména
vyučující ve velkých přednáškových místnostech s množstvím studentů. Dálkové ovládání umožňuje nejen přepínání mezi televizními kanály, případně
73
jednotlivými sekcemi prezentace. Kvalitní zařízení umožňuje přesouvat objekty, opravovat chyby žáků a další běžnou práci.
Druhy Interaktivních tabulí
Ultrazvukové a infračervené tabule – e-Beam
Ultrazvukové dotykové tabule (tzv. ELOtouch) využívají ke své činnosti
povrchovou ultrazvukovou vlnu, která se šíří po čirém skle. Akustické ultrazvukové vlny jsou generovány piezo měniči, které jsou umístěny po obvodu
obrazové plochy a slouží jako přijímače a vysílače. Když se uživatel prstem
nebo jiným měkkým materiálem dotkne skla, vlny jsou absorbovány a dotek je
elektronikou detekován v daném bodě. Protože panel je celý ze skla a nejsou
zde žádné vrstvy, které by mohly trpět opotřebením, má tato technologie vysokou trvanlivost a také velmi dobrou světelnou propustnost. Využívá se však
zejména pro výrobu interaktivních ploch menších rozměrů vybavených zadní
projekcí (například internetové kiosky) a pro rozměrné tabulové systémy umístitelné do tříd není vhodná. Navíc nereaguje například na plastový nebo dřevěný kolík. Na druhou stranu naopak umožňuje snímat i sílu přítlaku a téměř
nevyžaduje kalibraci. Provozně je však velmi citlivá na poškrábání nebo na
silné znečištění.
Prodejci těchto typů tabule přímo píší: Mobilní interaktivní tabule. Použití
s jakoukoliv bílou tabulí. Snadná a rychlá instalace, 3 - 5 minut. Možnost pou74
žití libovolného projektoru. Interaktivní pero se třemi tlačítky. Automatické
vytváření prezentace - záznamu - během přednášky. 100% náhrada běžných
interaktivních tabulí. Přenosné řešení, které není vázáno na konkrétní učebnu.
Komunikační rozhraní USB. Česká lokalizace softwaru! EBeam Projection ve
spojení s běžným dataprojektorem promění vaši Vaši bílou tabuli na interaktivní plochu pro kompletní interaktivní ovládání Vašeho PC nebo pro vytváření
působivých interaktivních prezentací a přednášek. Stačí pouze umístit přijímač na tabuli a zapnout projektor. Interaktivní pero plně nahradí myš počítače nejen pro ovládání všech jeho funkcí ale umožní i popis a anotaci plochy
počítače a uložení jako jednotlivých kroků jako listy prezentace. K dispozici je
také možnost přímého sledování přednášky po interní síti a dokonce i přes
internet. To znamená, že pokud budete chtít, tak obsah Vaši přednášky může
sledovat kdokoliv na svém počítači třeba na druhém konci světa... Sada obsahuje Interaktivní pero a interaktivní přijímač s USB kabelem na propojení s počítačem. Baterie jsou součástí dodávky stejně jako instalační SW a česká lokalizace. Přijímač se upevňuje na tabuli nebo flipchart pomocí magnetické destičky, destičky s přísavkami nebo pomocí oboustranné lepící pásky - dle typu
použité tabule. Přijímač se propojí s PC pomocí USB kabeláže. Po instalaci SW
proběhne krátká kalibrace snímací plochy a zařízení je připraveno k použití.
Hotové prezentace lze uložit např. jako PDF soubor, PowerPointovou prezentaci apod. například pro snadné rozeslání účastníkům emailem. Vlastní instalace
obsahuje aplikaci na vytváření prezentací – obdoba PowerPointu.
Elektromagnetické interaktivní tabule – Activ board
75
Elektromagnetická interaktivní tabule využívá schopnosti permanentního
magnetu uloženého v pouzdře připomínající pero narušovat elektromagnetické
pole generované vlastní tabulí. Samotná interaktivní tabule připomíná pohledem i povrchem běžnou bílou ocelovou nebo keramickou tabuli. Pod speciální
krycí vrstvou, která je obvykle tvořena melaminem, je v těle tabule uložena
velmi jemná síť vodičů vytvářející slabé elektromagnetické pole, které vyplňuje
prostor několika milimetrů před tabulí. Pro práci s tabulí uživatel musí mít
speciální bezbateriové magnetické pero, které tvarem i velikostí připomíná
běžný popisovač tabulí. V jeho těle je uložen stálý (permanentní) magnet, který
při přiblížení pera k interaktivní tabuli narušuje její elektromagnetické pole.
Elektronika interaktivní tabule potom ze změněných hodnot elektromagnetických veličin odečítá polohu pera, kterou předává řídícímu softwaru. Vlastní
elektromagnetické pero plně nahrazuje počítačovou myš a simuluje její funkce.
Hrot pera představuje levé tlačítko myši, činnost pravého tlačítka myši je simulována tlačítkem na plášti pera. Elektronika tabule je přitom schopna rozlišit,
zda se hrot magnetického pera k tabuli pouze přiblížil, tj. zda elektromagnetické pole narušil pouze v jeho okrajové části, nebo zda se hrot tabule přímo dotkl,
tj. zda došlo k narušení elektromagnetické zóny v celé její vrstvě. Získaná data
software interaktivní tabule vyhodnotí buď pouze jako požadavek na zobrazení
kurzoru a pohybu s ním (v podstatě pohyb počítačové myši), nebo jako kliknutí
levým tlačítkem myši, případně jako kliknutí a tažení nebo jako dvojklik počítačové myši. Pokud uživatel stiskne a přidrží tlačítko na těle elektromagnetického pera, simuluje systém práci s myší se stisknutým pravým tlačítkem.
Povrchová vrstva tabule je vyrobena z velmi tvrdého materiálu odolného
proti poškrábání, nárazům a otřesům. Na tabuli tak lze psát i běžnými popisovači určenými pro klasické ocelové nebo keramické tabule, lze na ní pracovat
například i se slupovacími barvami, klasickými magnetkami nebo s modelovací
hmotou, případně i s kružítkem s přísavkou a s popisovačem místo křídy nebo
s klasickými pravítky. Mírná nestálost magnetického pole generovaného tabulí
na druhou stranu vyžaduje občasnou kalibraci systému, tedy sladění skutečné
polohy magnetického pera s polohou, kterou detekuje elektronika tabule. Kalibrace je však velmi snadná a časově nenáročná.
Odporové dotykové – Smart board
V případě velkorozměrných interaktivních tabulí, jejichž využití ve školských podmínkách je zcela jistě nejširší, převládají interaktivní membránové
tabule využívající odporového principu. Základem takovéto tabule jsou 2 fólie
(membrány) pokovené obvykle materiálem ITO s vhodnou separací, kterou
76
může být buď třetí průhledná polovodičová fólie nebo vzduchová vrstva. Při
stlačení vznikne kontakt mezi oběma vodivými vrstvami a z poměrů elektrických odporů měřených od rohů nebo od okrajů tabule vypočte její elektronika
souřadnice bodu (místa), kde ke kontaktu došlo, neboli místa, které uživatel
stlačil. Pro aktivaci bodu na tabuli je tedy třeba určitý, ale nijak velký, tlak.
Pravděpodobně největší výhodou tohoto principu je, že k propojení vodivých
vrstev lze použít jakýkoliv předmět – holý prst, nehet, prst v rukavici, kolík
z jakéhokoliv materiálu, zavřený popisovač nebo zavřenou propisovací tužku.
Nevýhodou tohoto systému, která se ale projevuje u většiny dotykových interaktivních tabulí, je skutečnost, že vrstvy jsou náchylné na poškrábání
a v případě odporové dotykové tabule v důsledku pružnosti vrstev i k proražení
či jinému poškození. Povrch těchto tabulí bývá obvykle ještě opatřen další
průhlednou fólií, na kterou se nedá psát běžnými popisovači, ale její kvalita
a případně i kvalita jejího nanesení může ovlivnit životnost a použitelnost celé
interaktivní tabule. Krycí fólie se časem samovolně nebo i po větším nárazu
může začít od podkladu oddělovat a vytvářet nepříjemné „bubliny“. Může
navíc začít absorbovat barvy z nekvalitních popisovačů a časem zhoršovat
optické vlastnosti tabule. Odporové interaktivní tabule obvykle také neobsahují
žádnou feromagnetickou vrstvu a nelze tak na nich pracovat s obyčejnými
magnetkami. Z uživatelského hlediska je práce s odporovou dotykovou tabulí
velmi komfortní a snadná, neboť žákům a učitelům stačí pouhý dotyk prstem,
pružnost vrstev však silně omezuje další činnosti (například používání klasického kružítka, byť vybaveného přísavkou) a je příčinou náchylnosti
k poškození (například proseknutí hranou nebo rohem obyčejného plastového
pravítka, které po sobě žáci o přestávce mohou hodit). Mírné změny ve vodivosti fólií, ke kterým časem dochází, vyvolávají i u této technologie požadavek
na občasnou kalibraci systému. I zde je její provedení velmi snadné a časově
nenáročné.
Vlastní práce s tabulí
Pro všechny typy a úrovně tabulí je několik prvků společných. Tabule spolu
s dalšími technickými doplňky umožňují pracovat s aktivní plochou jako bychom přímo seděli u počítače. Lze využít všechny nainstalované programy.
Vyučovací hodina v běžné třídě bez techniky neumožní využít poznatků
z internetu. Interaktivní tabule umožňuje využívat všech možností internetu
včetně animací, virtuálních laboratoří, fotografií, … Přípravy psané v MS Wordu, MS Excelu, případně v dalších rozšířených programech lze spustit na všech
tabulích, kde je potřebný software instalovaný.
77
Speciální software je specifický pro každý typ tabule. Není možné program
psaný pro Activ studio využít na tabuli Smart board a naopak. Ve všech těchto
programech však lze vkládat text, lze rýsovat rovné čáry, kreslit interaktivním
perem libovolné obrázky. Můžeme vkládat geometrické útvary ze speciální
nabídky příslušného programu. Mnohé tabule mají ve své galerii i další nabídky
speciálních obrázků podobně jako klipart v MS Wordu. Tabule Smart board tak
nabízí možnost vložit Sluneční soustavu, některé součástky elektrického obvodu, světadíly a další. V galerii však také najdeme čtverečkovaný papír, soustavu
polárních souřadnic nebo i kartézskou soustavu souřadnic (dvou i tří rozměrnou). Práce se nám značně zjednodušuje. Všechny programy rovněž umožňují
převést rukou psaný text do „tištěné“ podoby. Práce u tabule s nástrojem nahrazujícím počítačovou myš se však liší. Některé rozdíly u dvou nejrozšířenějších
typů tabulí v České republice ukazuje tabulka.
ACTIV Board
SMART Board
levé tlačítko myši dotyk speciálním magnetickým dotyk čímkoli (tedy i prstem) na
bezbateriovým perem
požadovaném místě tabule
na požadovaném místě tabule
dvojklik myší
dvojdotyk speciálním perem
dvojdotyk čímkoli
pravé tlačítko
myši
sepnou spínač na peru
a dotknout se požadovaného
místa tabule
pomocí plovoucího panelu nástrojů zvolit ikonu pravého tlačítka,
nebo funkcí "gesta", pokud je
nainstalovaný systém DViT
psaní do libovolného programu
MS Office
vloží se "průhledná blána"
programu tabule a píše se
do "horní vrstvy"
lze psát přímo do programu MS
Office
využití jako
magnetické
tabule
lze
nelze
využití klasické
fixy
lze
nelze
vytvoření vlastní
prezentace
lze v programu tabule nebo
i v programu MS PowerPoint
(nelze však dopisovat při prezentaci)
Lze v libovolném programu včetně programu tabule
78
Konkrétní příklady využití tabule Smart Board
Příklad 1 – Převody jednotek v programu MS Word – částečně rozpracované
V programu jsme vytvořili několik příkladů na převody fyzikálních
jednotek. Program jsme spustili na počítači zapojeném k tabuli obvyklým způsobem. Zprovozníme tabuli (většinou stačí zapnout datový projektor). Na ploše
tabule se zobrazí stejné zadání jako na monitoru počítače. Žáci chodí k tabuli a
perem dopisují správné výsledky. Ty se zobrazují na tabuli a současně na monitoru počítače. Výsledky lze uložit nebo neuložit podle uvážení vyučujícího.
Rozpracovaný úkol je na obr. 1.
Obr. 1 – MS Word
Příklad 2 – Převody jednotek v programu Smart Notebook – částečně rozpracované
Podobně jsme si připravili převody jednotek v programu tabule. Jediným
rozdílem je jiné grafické zobrazení a nemožnost spustit tento program na jiné
tabuli, případně na jiném počítači. Ukázka viz obr. 2.
79
Obr. 2 – Aplikace Notebook
Příklad 3 – Úprava obrázků používaných v programu MS PowerPoint
Tradičním způsobem si připravíme prezentaci a známým způsobem ji také
spustíme na počítači připojeném k tabuli. Interaktivní tabule nám však na rozdíl
od promítacího plátna umožňuje obrázky doplnit potřebným způsobem. Obrázek 3 ukazuje původní verzi motoru a také upravenou podobu.
Obr. 3 – Fáze motoru: MS Powerpoint vlevo, po zásahu na tabuli vpravo
80
Příklad 4 – Program Smart Notebook – ukázka vložených objektů
Na následujícím obrázku je zachycena část obrazovky interaktivní tabule.
Můžeme na ní nalézt psaný text, vložený obrázek (skenovaný z učebnice fyziky
pro gymnázia) a vložený odkaz na internet spolu s motivační obrazovkou stránky. Vpravo je navíc vidět, že zvolená prezentace obsahuje 4 strany. Ty první 3
jsou značně obsáhlé a odpovídají každá přibližně 3 stránkám v programu MS
PowerPoint. Momentálně se nacházíme na 3. straně prezentace v její dolní
části.
Obr. 4 – Smart Notebook
Literatura
[1] http://www.zskrouna.cz/projekt1/technika.htm
[2] Wagner, J. Interaktivní tabule: kterou si vybrat? In: Česká škola [on line],
Dostupné z:
<http://www.ceskaskola.cz/ICTveskole/Ar.asp?ARI=102806&CAI= 2129>
[cit. 2008-3-8]
[3] http://www.tabule-flipcharty.cz/interaktivni-tabule-tabule646.html?cPath=130&zenid=16a9bbd74d74ee2f1df1939b94f0d69b
[4] http://www.tabule-rychetsky.cz/tabule-flipchartskolni_tabule/?navigace=interaktivni_tabule-activboard
81
E-learning ve výuce fyziky
MICHAL VODIČKA
E-learningové vzdělávání zaznamenalo díky své přístupnosti mohutný boom zejména v posledních několika letech. Zatímco univerzitní sféra e-learning
běžně využívá pro vzdělávání studujících v tzv. kombinovaných formách studia, střední a základní školy využívají potenciálu e-learningového vzdělávání
velmi omezeně. V rámci opatření 3.3 Operačního programu Rozvoj lidských
zdrojů (OP RLZ) jsme tedy podali projekt, který usiluje o zaplnění této informační mezery a o funkční zapojení e-learningu do vzdělávání jako takového
(ať už jako podpora frontální výuky, samostudia či domácí přípravy).
Co je ale myšleno e-learningem a jeho zapojením do výuky na střední
škole?
E-learning lze chápat jako jakékoli využívání informačních technologií
multimediálního charakteru ke zlepšení kvality a efektivity vzdělávání. Je možné tedy použití těchto pomůcek rozdělit do tří kategorií:
• základní – použití videa, výukových CD-rom, multimediálních encyklopedií, atd.,
• střední – použití webových stránek, zejména ve spojení se samostatnou
prací studentů,
• nejvyšší – použití LMS (learning management system), systému který
umožňuje samostatné studium účastníků, vedených tutorem.
V rámci projektu jsme se zabývali použitím LMS a nainstalovali jsme systém Moodle, který má licenci OpenSource a jeho zdrojový kód je tudíž zdarma
k dispozici. Již téměř celý jeden školní rok zkouším využití tohoto systému ve
výuce fyziky u vybrané třídy našeho gymnázia. Jedná se o studenty čtvrtého
ročníku osmiletého studia (kvarta). Tématicky jsem se zaměřil především na
jadernou fyziku.
Toto e-learningové studium probíhalo paralelně s běžnou výukou a bylo od
začátku koncipováno především jako doplňkové k běžným hodinám fyziky.
Instalace systému Moodle
LMS Moodle si můžete stáhnout v anglické jazykové mutaci z webových
stránek http://www.moodle.org, nebo z webu http://moodle.cz v české jazykové
mutaci.
82
K instalaci budete potřebovat stažený systém a webový prostor s podporou
MySQL. Pokud budete instalovat systém stejně jako my na vlastní server, stáhněte si nejnovější verzi LMS Moodle a podle ní instalujte MySQL. Pokud budete systém instalovat na nějaký pronajatý webový prostor, zjistěte si nejprve
jaká verze MySQL je na něm v provozu. Při instalaci jsme totiž narazili na
problém, že nainstalovaná verze MySQL byla vyšší, než akceptovala nejnovější
verze Moodle. Podrobný popis instalace najdete na webu:
http://docs.moodle.org/cs/Instalace.
Obr. 1 Úvodní strana LMS Moodle GJW
Tvorba e-learningového kurzu
Při tvorbě e-learningového kurzu je možné zvolit rozdělení podle týdnů,
podle témat, diskuzní uspořádání nebo uspořádání podle standardu SCORM
(Shareable Content Object Reference Model). Při rozdělení podle týdnů si
zvolíte začátek a konec kurzu, systém vypočítá počet týdnů a rozdělí kurz na
83
příslušný počet kapitol. Při rozdělení podle témat si volíte počet kapitol sami.
Tento postup jsem zvolil já.
Na začátku jsem si zvolil rozdělení na 9 témat podle tematického plánu. Po
potvrzení je tedy úvodní strana rozdělena na 9 prázdných témat a vy si můžete
témata pojmenovat a do každého tématu dosazovat libovolný počet činností.
Obr. 2 Rozdělení kurzu podle témat
Při stisknutí tlačítka Zapnout režim úprav se objeví u každého tématu
možnosti vložení jednotlivých činností.
Studijní materiály je možné vkládat jako webovou stránku, odkaz na soubor, atd. Dále je možné přidat činnost, jako například vložit anketu, úkol, test,
atd.
Všechny činnosti je samozřejmě možné sledovat podle účtů jednotlivých
uživatelů, které může administrátor ručně vložit nebo se mohou sami registrovat. Samozřejmostí je možnost generování protokolů činností učitelů nebo
studentů.
84
Obr. 3 Možnosti přidání studijního materiálu
Obr. 4 Protokol činnosti učitele a studentů v kurzu
85
Obr. 5 Jiná forma protokolu
Využití LMS Moodle ve výuce jaderné fyziky
Tolik stručné nastínění možností systému a nyní se dostávám k tomu, jak
jsem jej použil ve výuce já. Jak jsem předeslal v úvodu článku, e-learningová
výuka probíhá u studentů čtvrtého ročníku osmiletého studia, tj. 9. třída ZŠ.
Zaměřil jsem se především na jadernou fyziku.
Nejprve jsem studentům sdělil, jak systém používat a jak se zaregistrovat
a umístil do kurzu dotazník, který obsahoval také otázky týkající se jejich očekávání od distančního vzdělávání. Je možné dotazník zvolit jako anonymní
nebo znát jména uživatelů u odpovědí. Studenti se toto vůbec nemusí dozvědět.
Dále je možné studenty přinutit, aby dotazník vyplnili. Například tím, že další
aktivity v kurzu budou vyplněním dotazníku podmíněné. Já jsem zvolil dobrovolný anonymní dotazník, který vyplnilo 12 z 31 studentů. Zde předkládám
analýzu odpovědí na otázky týkající se tohoto kurzu.
86
Obr. 6 Analýza dotazníku
Kurz pokračuje vložením několika webových stránek uvozujících učivo.
Tyto stránky jsem vytvořil v systému pomocí integrovaného WYSIWYG editoru a obsahují jak učivo, které jsme probrali v hodinách, tak různé aplety, animace a odkazy na webové stránky s rozšiřujícím učivem.
Poté jsem do kurzu umístil tři kvízy, které jsou vypůjčené z výukového
webu ČEZ, a. s., výukový web téže firmy a prezentace Havárie jaderné elektrárny v Černobylu připravená mnou a jedním ze studentů.
Kurzem průběžně prostupovaly činnosti, které studenti museli absolvovat.
Opět by se tyto činnosti daly vynutit tím, že studenti nebudou pokračovat
v kurzu, dokud je nesplní. Jedná se o odevzdávání protokolů nebo zamyšlení
nad tématy, které jsem nadnesl v hodině. Tato zamyšlení odevzdávali jako
soubor.
87
Obr. 7 Celková struktura kurzu v tématu Atom a jeho jádro
Obr. 8 Webová stránka s učivem
88
Obr. 9 Kvíz
Závěr
Shrnuto, studentů, kterým se tato forma studia líbila, byla více než polovina.
Studentů ochotných pravidelně komunikovat s učitelem odpovídáním na otázky, zkoušením si testů a kvízů, prohlížením doplňujících informací, atd. byla
také asi polovina. Asi jednu třetinu studentů e-learningový kurz moc nezajímal,
ale alespoň povinné činnosti v něm vykonávali.
Tedy využití e-learningu ve výuce (především LMS) hodnotili všichni zúčastnění velmi pozitivně nebo pozitivně a shodli jsme se, že tato forma vzdělávání, pokud přináší nové přístupy k výuce a více informací, než je možné probrat v hodinách, je velmi dobře využitelná a že pokud jsou studenti motivováni,
je minimálně stejně efektivní jako prezenční výuka.
Určitě to byla pro mě i pro studenty cenná zkušenost a zcela jistě budu v elearningové formě výuky pokračovat i nadále.
Protože v tomto sborníku nebylo více místa (chtěl jsem pomocí naskenovaných obrazovek co nejvíce přiblížit prostředí LMS Moodle), zájemci o podrobnější informace mě mohou kontaktovat ([email protected]). Rád se
s vámi podělím o své dojmy a zkušenosti.
89
Pokusy z fyziky
MILAN BARÁNEK
1. Termočlánek
V uvedeném pokusu je prokázána schopnost termočlánku přeměnit tepelnou
energii na elektrickou a udržet po určitou dobu elektromagnet v aktivním stavu. Je využit termočlánkový obvod z plynového kotle (karmy). Tento mechanizmus zajišťuje trvání tzv. věčného plamínku, který slouží pro zažehnutí proudu
plynu aktivovaného průtokem vody. Podrobnější informace najdete v článku
„Technika a fyzika plynového spotřebiče“ [1].
Sestavu pokusu vidíme na obr. 1. Spojení vodičů od termočlánku s ventilem
je zajištěno v originální objímce. Detail elektromagnetu – součást těsnícího
ventilu – je na obr. 2 (bez těsnícího kroužku).
Přiložením zapálené svíčky pod termočlánek jej zahříváme. Asi po 30
sekundách zkoušíme zamáčknout kotvu elektromagnetu a pomalu pouštět.
Nemusí sama držet okamžitě, proto zkoušíme v 5 sekundových intervalech
zatlačení znovu. Záleží na správném zahřívání svíčkou (plamínek by neměl
uhýbat) a tudíž dostatečném zvýšení teploty konce čidla. Zanesení sazemi by
nemělo vadit. Když elektromagnet zůstane zamáčknutý, udržuje jej v zapnutém
stavu elektrická energie termočlánku. Provedení ukázky obohatíme položením
zajímavého předmětu (např. mince) na těsnící kroužek elektromagnetu. Po
zhasnutí plamínku po krátké době ventil skokem povolí a lehce vymrští použitý
předmět. V reálné praxi tento ventil zastaví přívod plynu.
Otázky: Jak se nazývá jev způsobující vznik napětí na zahřívaném termočlánku? Vysvětlete jeho podstatu. Jak se nazývá jev k němu inverzní?
Problém: Může termočlánek ovládat libovolný elektromagnet?
Obr. 1 Sestava pokusu
Obr. 2 Detail elektromagnetu
90
2. Alternátor pro bicykl
Alternátor použitý v následujících ukázkách (obr. 3) slouží cyklistům pro
získání elektrické energie, kterou napájí svítilny vpředu a vzadu na bicyklu.
O tomto zdroji, označovaném jako „dynamo“, informuje článek v časopise MFI
[2] a rovněž ukazuje možnosti demonstrace zajímavých vlastností. Mezi nejdůležitější patří charakteristika indukovaného napětí, které je střídavé podobné
sinusovému průběhu a má amplitudu kolem 6 V, je-li zatížené. Pro indikaci
napětí jsou dále využita různá zapojení s diodami LED a piezoelektrickou sirénou.
Obr. 3 Alternátor pro bicykl
Pomůcky: alternátor („dynamo“ pro bicykl), dvoužilový vodič, několik diod
LED různých barev, piezoelektrická sirénka (samovybuzující), elektrolytický kondenzátor 100 μF/16 V, usměrňovací můstek ze 4 diod, kontaktové
pole.
Pro rotaci dynama je možné využít předloktí chráněné oděvem. Výkon
dynama je úměrný otáčkám. Zkoušíme různou rychlost otáčení a chování indikátorů. Nejdříve použijeme jednu diodu LED bez usměrňovače. Potom zkusíme
dvě v sérii, dvě paralelně a dvě antiparalelně. Můžeme zkoušet různé sestavy
a pozorovat světelné efekty. Ochranný odpor není třeba použít.
Zapojíme-li dynamo dle obr. 4, máme k použití stejnosměrný proud. Zkusíme opět různá zapojení s LED. Zapojíme také piezoelektrickou sirénu, u které
uslyšíme přerušovaný tón připomínající zvukový projev cvrčka. Přidáme-li
k siréně paralelně kondenzátor 100 μF, dojde k filtraci stejnosměrného pulsujícího napětí a siréna vydává svůj charakteristický tón.
Výrobce piezosirén upozorňuje na možnost zničení, pokud se napájecí napětí
zapojí opačně!
91
Obr. 4 Zapojení pro indikaci napětí z alternátoru
Otázky: Proč není název „dynamo“ správný? V čem je nevýhoda možnosti
zapojit na bicyklu více alternátorů pro získání větší elektrické energie?
Problém: Navrhněte způsob, kterým by se napětí na bicyklu vyrábělo bez tření.
Na jakém principu fungují otáčkoměry a kilometrovníky pro kola?
3. Motor z disketové mechaniky 5,25“
Pro ukázku je využit motor ze starší mechaniky pro 5,25“ diskety. Je vhodné ho z mechaniky vyjmout a ponechat pouze přívodní 4 či 5 žilový napájecí
a řídicí kabel. Dále je třeba uvolnit talíř s permanentním magnetem (obr. 7).
Ten je připevněn 2 či 3 šroubky. Často jsou tyto šroubky s levotočivým závitem. Odkryjeme zajímavé uspořádání cívek, v nichž je pomocí elektroniky
generováno točivé magnetické pole s konstantními otáčkami. Uspořádání pólů
v magnetu rotoru můžeme demonstrovat pomocí několika ocelových kuliček
(obr. 8).
Na desce plošných spojů bývá označen význam vodičů. U čtyř žil jsou obvykle značky:
+5
+12
zem(GND)
S(nebo M).
Vodič S nesouvisející z napájením připojíme na zem. Podrobností jsou
uvedeny např. v knize [3].
K napájení využijeme zdroj z PC. Motor vykazuje většinou 300 ot/min.
Volně položený talíř můžeme za chodu odejmout a poté vracet zpět na cívky.
V ruce cítíme moment točivého magnetického. pole. U některých typů lze demonstrovat vznik magnetického pole citlivým indikátorem (viz pokusy
s tranzistorem).
Z obrázků je vidět různý počet cívek a uspořádaných permanentních magnetů na kotouči. Tím je zajištěna dostatečná plynulost otáčení, která je podpořena
92
také setrvačností kotouče. Jinak by se projevovaly skoky podobně jako u krokových motorků.
Na rotujícím kotouči ukážeme také vznik a zánik setrvačné síly. Delší šroub
pomocí magnetu připevníme na střed kotouče a na konec šroubu uvážeme na
niti lehčí kuličku. Počet otáček můžeme bržděním (třením) snižovat a pozorovat zmenšení setrvačné síly.
Otázky: Proč je nutné zabránit trhavému pohybu rotoru nesoucímu disketu?
Uveďte různé způsoby zajištění konstantních otáček u motorků.
Problém: Navrhněte způsob, jak demonstrovat točivé magnetické pole opticky.
Obr. 5 Motor z disketové mechaniky 5,25“
Obr. 6 Magnetické pole rotoru
93
4. „Perpetuum mobile“ jako kyvadlo
Vysvětlíme si elektrické schéma dekoračního předmětu, označovaného jako
„perpetuum mobile“. Tvoří jej cívka se dvěma vinutími a železným jádrem,
tranzistor NPN a napájecí baterie 6 - 9 V. Odpor cívky v obvodu báze je asi
1,6 kΩ, v obvodu kolektoru asi 160 Ω. Zapojení ukazuje obr. 7. Kývající magnet prolétá nad cívkou dostatečně rychle, indukuje napětí v obvodu báze. Proteče malý proud a otevře se tranzistor. V obvodu kolektoru proteče větší proud,
který vyvolá silnější magnetické pole s opačným pólem. Ten působí proti pólu,
který indukci vyvolal a magnet je magnetickou silou postrčen ve směru pohybu. Hračka dovede kmitat několik měsíců (než se vybije baterie).
Obr. 7 Schéma kývajícího perpetuum mobile
Obr. 8 Zastavené perpetuum
mobile
Pokusem s touto hračkou připomeneme
pojem hybnost, zákon akce a reakce, tlumené kmitání a zákon zachování energie. Kývající přístroj položíme na vozík (auto)
s malým valivým odporem a ten na hladkou
podložku. Pokud auto držíme v klidu, perpetuum spolehlivě kmitá. Pokud jej pustíme,
rozhýbe se i auto a po chvíli se kmitání celé
soustavy zastaví. Důvodem je zvýšená
hmotnost a tlumení kmitající soustavy perpetuum – auto. Soustavu ukazuje obr. 8.
Otázky: Jakou největší hodnotu dosahuje
proud kolektorem tranzistoru dle schéma?
Jak se projeví zvýšení napětí baterie na
chování hračky?
Problém: Navrhněte a vyzkoušejte velké
perpetuum mobile stejného typu. Co lze
očekávat při zvětšení délky kyvadla či hmotnosti závaží?
94
5. Laserová závora
Pro následující demonstraci je využita polovodičová laserová dioda
s vestavěnou optikou. Můžeme ji získat např. rozebráním laserového ukazovátka. Laser má výkon asi 1 mW, barvu červenou, napájecí napětí 3,5 až 5 V.
Modul nemá zabudovaný omezovač proudu, při vyšším napětí hrozí nebezpečí
přehřátí a zničení laserové diody. Omezovač proudu má modul, který je možné
koupit v obchodech se součástkami. Tento je využit v ukázce. Na červený vodič je zapojen kladný pól zdroje. Na obr. 9 je vidět, že vodiče pro napájení
laserové diody jsou zakončeny běžným konektorem pro napájení ze síťového
adaptéru.
Obr. 9 Laserová dioda a čidlo laserového paprsku s akustickou signalizací
Čidlo pro příjem laserového paprsku obsahuje fototranzistor (např. KP 101,
KP 102), nízkofrekvenční NPN tranzistor (např. KC237), piezosirénku a omezovací rezistory. Po zapojení (obr. 10) napětí siréna píská, jelikož tranzistor je
otevřený. Běžné světlo nestačí otevřít přechod mírně zastíněného fototranzistoru, který tak vykazuje velký odpor. Až po osvícení laserovým paprskem fototranzistor způsobí zavření tranzistoru. Závora tedy akusticky indikuje přerušení
paprsku.
Pro snadné zamíření laserového paprsku při sestavování je na fototranzistoru nasazen kousek papíru (viz obr. 9). Laserový paprsek má dalekou působnost
a proto jej můžeme pomocí hranolů a zrcátek odrážet a tím prodloužit. Hlídaný
prostor se tak pomyslně zvětší.
Otázky: Proč je nutno dbát na opatrnost při práci s laserem, byť i malého výkonu 1 mW? Kde v praxi se používá laserového paprsku?
Problém: Hledejte největší délku paprsku a sledujte účinnost detekce. Užijte
všechny dostupné pomůcky pro odraz svazku paprsků. Které jevy nejvíce limitují toto snažení?
95
Obr. 10 Laserová závora
6. Využití samoblikající LED
Samoblikající dioda LED vzhledem k základnímu typu obsahuje navíc
klopný obvod na čipu integrovaný spolu s přechodem PN. Frekvence bývá
obvykle kolem 1 Hz. V následujících zapojeních je této diody využito jako
přerušovače. Tyto úlohy je vhodné realizovat v rámci laboratorních prací na
téma Optika nebo Elektronika. Obě zapojení doplníme diskusí o bezpečnosti
v dopravě.
Přerušovaná siréna při couvání auta
Následující jednoduchý obvod využívá samovybuzující piezosirénu
a samoblikající LED.
Po zapojení vydává siréna přerušovaný tón, což s výhodou může využít
každý motorista, který nemá vozidlo vybavené zvukovým znamením zařazení
zpátečky. Takové využití obvodu určitě zvýší bezpečnost osob v blízkosti couvajícího auta. Velikost rezistoru je možné zkoušet tak, aby vyhovovala hlasitost
sirény a zároveň byl dodržen maximální proud diodou (dle typu až 20 mA). Je
nutno připomenout, že ve schématu na obr. 11 je napájecí napětí uvedeno 12 V,
ovšem napětí autobaterie dosahuje asi 14 V. V automobilu získáme toto napětí
z kontaktů žárovky, která signalizuje zařazení zpátečky.
Pokud použijete uvedené zapojení jen jako ukázku v hodině fyziky, je možné použít napájecí napětí 5 V a rezistor vynechat.
Otázky: Uveďte další příklady elektronických zařízení v autě zvyšující bezpečnost provozu.
96
Obr. 11 Siréna pro indikaci couvání auta
Blikač s vysokosvítivými diodami ke kolu
Elektrické zapojení (obr. 12) předvede v činnosti jednoduchý blikač, kde
funkci přerušovače má samoblikající LED v obvodu báze tranzistoru. Diody
v kolektorovém obvodu jsou vysokosvítivé, aby vynikl efekt blikače a tím jej
předurčil pro bezpečnostní světlo k bicyklu (dle barvy dopředu či dozadu kola).
Studenti si u tohoto zapojení upevní představu o funkci tranzistoru. Je nutno
podotknout, že nejvýhodnější je použít typ s darlingtonovým vnitřním zapojením opatřeným diodou (např. výkonové BU806, BU807, TIP122). Důvodem je
proud tekoucí samoblikajicí LED při jejím zhasnutí.
Obr. 12 Blikač ke kolu se samoblikajicí LED
Otázky: Lze diody v kolektoru zapojit sériově? Lze zapojit větší počet LED?
Problém: Navrhněte obvod, který využije tento efekt pro 12 LED s napájením
12 V. Lze zapojit paralelně LED různých barev? Vyzkoušejte.
97
7. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru
V této demonstraci jsem využil informací z dokumentu Veletrh nápadů [4].
Známé zapojení pro demonstraci nabíjení a vybíjení kondenzátoru s velkou
kapacitou je v mé ukázce provedeno na kontaktním poli (obr. 13). Schéma je na
obr. 14. Napětí 5 V je možné přivádět z rozhraní USB libovolného PC nebo
notebooku pomocí speciálně upraveného kabelu. Je výhodné využít přepínací
tlačítko narozdíl od aretovaného přepínače. Tím je zajištěno klidové rozpojení
nabíjecí části obvodu.
Obr. 13 Zapojení obvodu na kontaktním poli
Obr. 14 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru
Pro indikaci nabíjení i vybíjení je také možné použít samovybuzující sirénu
(je třeba se vyvarovat přepólování – hrozí zničení součástky). Pomocí doby
trvání jejího zvuku můžeme demonstrovat různé velikosti kapacit kondenzátorů. U kapacity 8,2 mF je zvuk slyšet několik desítek sekund. Doba se zkrátí,
připojíme-li paralelně diodu s omezovacím odporem.
98
Otázky: Jakou největší kapacitu mají dnes již běžně vyráběných kondenzátorů?
Podle jaké matematické funkce probíhají uvedené přechodové děje?
Problém: V praxi se používají různé typy kondenzátorů. Navrhněte způsoby
a metody pro měření jejich kapacit.
8. Demonstrace funkce tranzistoru
Velmi jednoduché zapojení s tranzistorem typu NPN, vysocesvítivou LED
a lithiovým článkem 3 V (obr. 15) ukazuje zajímavou formou funkci tranzistoru. Ten se otevře, spojíme-li body 1 a 2 pomocí prstů. Měly by být mírně vlhké,
aby se projevil odpor lidského těla. Jeho velikost jednotek megaohmů stačí
k otevíracímu proudu báze a LED se rozsvítí.
Celá pomůcka je zhotovena na držáku
pro 3 V článek (obr. 16). Tento držák lze
mimo jiné získat ze starší či nefunkční základní desky počítače. Výhodná je především velká plocha kladného pólu článku
(svorka 2) a tudíž snadného doteku prstem.
Lze samozřejmě použít libovolné bateriové
zdroje od 3 do 6 V a držáky pro jejich uchycení.
Obr. 15 Senzor s tranzistorem
Obr. 16 Senzor připájený na držáku pro lithiový článek 3V
99
Další jednoduchá pomůcka s tranzistorem umožňuje indikovat nestacionární
magnetické pole svítivou diodou LED nebo piezosirénkou (obr. 17). Zapojení
je v podstatě stejné jako senzorový spínač. Do bodů 1 a 2 připojíme cívku
z železným jádrem pocházející např. z relé. Vyzkoušené její hodnoty jsou:
počet závitů 3000, odpor vinutí 22 kΩ. Klidový proud z baterie je potom asi
0,12 mA.
Obr. 17 Indikátor magnetického pole s tranzistorem
Otázky: Jak se změní uvedená zapojení, použijeme-li tranzistory typu PNP?
Jakým způsobem se dá zjistit typ PNP či NPN, známe-li u tranzistoru polohu
vývodů C, B a E?
Problém: Odpor lidského těla je závislý na různých faktorech. Navrhněte způsoby a metody pro jeho měření. Vysvětlete podstatu úrazu stejnosměrným
proudem. Navrhněte spolehlivé metody proti úrazům elektrickým proudem.
9. Setrvačník z CD
Vděčnou pomůckou pro žáky jsou různé pohybující se či rotující hračky. Na
těchto předmětech lze ukázat působivým pokusem základní zákony mechaniky.
Setrvačník sestrojený z CD a šroubku M3 nebo M4 dostatečné délky s většími
podložkami samozřejmě snadno roztočíme pomocí prstů ruky. Překvapující
vysoké otáčky docílíme použitím upraveného stejnosměrného motorku na 6 až
12 V (obr. 18). Na řemeničce je nalepen kousek gumy s duše kola. Na šikovnosti předvádějícího je závislý úspěch roztočení CD na otáčky srovnatelné
s těmi, které dosahuje v mechanice PC. V prstech, pinzetě či kolíčku na prádlo
přidržujeme setrvačník rovnoběžně s podložkou a jemně přikládáme gumu
z motorku na hlavičku šroubku. Třením gumy o šroub zvyšuje setrvačník otáčky a stává se stabilnější. Držení hřídele pak můžeme odstranit.
100
Podobně můžeme využít malou gramofonovou desku označovanou SP.
Pokud má zachovaný otvor o průměru asi 7 mm, vystředění šroubu M6
s dvěma podložkami se podaří snadno.
Úkoly: Odhadněte a potom zjistěte počet otáček rotujících zařízení
v nejmodernějších přístrojích. Využijte technické časopisy, reklamní materiály
a internet.
Oblíbeným předmětem se mezi sportovci stává tzv. POWERBALL. Zjistěte
jeho princip nejdříve ve vlastních rukou a potom ověřte z materiálů v návodu
a z internetu.
Obr. 18 Setrvačník z CD a motorek pro roztočení
10. Hallova sonda v integrovaném obvodu
Integrované obvody pro bezkontaktní spínače ovládané magnetickým polem
se nejčastěji používaly ve starších typech klávesnic. V moderních zařízeních je
najdeme především v podobě malých snímačů otáček motorků. Každý integrovaný obvod obsahuje Hallovu sondu.
Pro demonstraci Hallova jevu stačí sestavit zapojení podle obr. 19. Je použit
typ MH1SS1 nebo MH3SS2. Upozorňuji na jiné zapojení vývodů u těchto dvou
typů použitých IO.
Indikaci sepnutí provedeme buď pomocí LED či samovybuzující sirénky,
nebo zapojíme indikaci obojí. Výstupy 2 a 3 jsou rovnocenné, dodávají
v sepnutém stavu kladné napětí přibližně velikosti 4 V a nejsou chráněny proti
zkratu. Maximální proud by celkem neměl překročit 20 mA. Velikost napájecího napětí IO je v katalogu uvedena 5 V s tolerancí 0,5 V.
101
Magnetické pole přikládáme buď pomocí malého permanentního magnetu
s dostatečnou magnetickou indukcí nebo použijeme původní klávesy, které
v sobě magnety obsahují (obr. 20).
Obr. 19 Zapojení IO s Hallovou sondou
Obr. 20 Klávesy s Hallovými sondami
Otázky: Uveďte principy spínání kláves u moderních klávesnic u PC. Které
nevýhody kláves s Hallovými sondami nové klávesnice odstranily?
Problém: Navrhněte jiné zajímavé zapojení a použití IO s Hallovou sondou.
Kterou hlavní výhodu tyto spínače stále mají? Vyrábějí se i obvody, které reagují na magnetické pole pouze vysláním impulsu šířky asi 1 ms. Jak se dá využít této možnosti?
102
11. Pokusy s infračerveným zářením
K uvedenému zapojení a pokusům s vysílačem a přijímačem infračerveného
záření mě inspirovaly články z časopisu MFI [5] a [6].
V mém zapojení je použit infračervený přijímač SFH5110-36, v němž je
integrován i zesilovač a demodulátor (obr. 21). Je běžně k dostání a cena je asi
30 Kč. Pro vysílání záření použijeme libovolný dálkový ovladač z domácnosti.
Pro indikaci příjmu je zapojena vysokosvítivá LED a piezosirénka. Čím větší je
svit LED a hlasitost sirény, tím je signál intenzivnější. Schéma zapojení je na
obr. 22. Pro stejné účely lze použít i vymontovaný přijímač infrazáření
z vyřazeného televizoru či jiného přístroje na DO. Zjištění typu a zapojení
vývodů však vyžaduje zkušenosti.
Obr. 21 Zapojení vývodů infrasenzoru Obr. 22 Zapojení pro příjem infrazáření
Během pokusu můžeme demonstrovat některé vlastnosti záření (odraz, lom,
rozptyl) a propustnost materiálů v infračerveném oboru. Vyzkoušíme běžné
látky jako sklo, papír, dřevo, umělou hmotu, vodu. Pro rozptyl využijeme
pauzovací papír, vodu s mlékem nebo matnou fólii.
Zapojení může v domácnosti a ve škole sloužit také k testování funkčnosti
používaných dálkových ovladačů.
Lze infrazáření vidět? Kladnou odpověď dokáže libovolná kamera. Působivou ukázku umožní zobrazení vysílajícího dálkového ovladače webovou minikamerou na obrazovce počítače.
CCD prvek v kameře nereaguje přesně pouze na viditelné záření. Detekuje
i infračervené vlny a elektronika kamery přiřadí těmto vlnám téměř bílou barvu
(jako by nás šidila). Rovněž u tohoto pokusu je vhodné ověřit propustnost záření některými materiály. Můžeme ukázat i zvětšení či zmenšení vyzařovací diody (nebo dvou diod – podle typu ovladače) pomocí čočky. Vhodné je vše demonstrovat přes dataprojektor.
103
Infračervená závora
Z vyřazených počítačových zařízení lze získat zajímavý obvod, který obsahuje infradiodu a infratranzistor. Infrazávora s vlastní clonkou sloužící pro
snímaní polohy je na obr. 23. Pro demonstraci činnosti zapojíme schéma dle
obr. 24. Společný pól je kladný, zvlášť je vyvedena katoda infradiody a kolektor infratranzistoru. Opět ověříme, že tenký bílý papír závoru téměř neovlivní,
naopak černý předmět závoru aktivuje.
Obr. 23 Infrazávora s pohyblivou
clonkou k indikaci polohy
Obr. 24 Zapojení infrazávory
Otázky: V čem tkví výhoda užívat v závorách infračervené diody oproti LED?
Uveďte další využití infrazáření a popište jeho chování a účinky. Jakým způsobem se na jednom ovladači zajistí schopnost vysílat až několik desítek různých
povelů? Proč se pro podobné účely nevyužívají vlnové délky ultrafialového
záření?
Problém: Navrhněte způsob, jakým by infračervené dálkové ovládání mohlo
ovládat zařízení ve větší vzdálenosti, kde přímý paprsek již nemá dostatečnou
intenzitu a čidlo by reagovalo nespolehlivě.
12. Skládání barev s trojbarevnou LED
Zapojení vývodů a základní charakteristiky diody L5R3G6B2 jsou na
obr. 25. Písmenem „k“ je označena společná katoda. Má nejdelší vývod.
Proud každé barvy by neměl překročit 20 mA. Podle uvedených údajů je
zřejmé, že nejjasněji svítí barva zelená a nejméně modrá (pokud testujeme jas
vyvolaný stejným proudem). Pro skládání barev zapojíme do obvodu katody
104
ochranný odpor 220 Ω a u každé barvy proměnný rezistor. Tím docílíme plynulého nastavení jasu. Poutavé zobrazování různých jasů a složení barev předvedeme podle obr. 26, nejlépe v zatemněné místnosti. Nádobka pochází od léku
ve formě kapek a je téměř průhledná. Je naplněna vodou s kapkou mléka a způsobuje tak dostatečný rozptyl světla. Pouzdro diody je vodotěsně zasazeno do
víčka nádobky.
(G - green: 6 cd ; 525 nm; B - blue: 2,5 cd ; 470 nm; R - red: 3 cd ; 626 nm)
Obr. 25 Tříbarevná LED
Obr. 26 Tříbarevná LED a skládání barev
Otázky: Popište rozdíl mezi substraktivním a aditivním skládáním barev. Prohlédněte lupou vnitřní strukturu LED. Co je na vnitřním uspořádání zajímavé?
Problém: V obchodní síti se dá pořídit lampa, která plynule automaticky mění
barvy a její součástí jsou výkonné barevné LED. Vysvětlete její princip. Jaké
vlastnosti by mělo mít osvětlovací sklo?
105
13. Pokusy s bimetalem
Některé pomůcky z technické praxe jsou na obr. 27.
Obr. 27 Různé provedení součástek s bimetalem
Startér pro zářivky obsahuje bimetalový kontakt umístěný na jedné z elektrod
doutnavky a kondenzátor. Z funkce startéru připomenu, že kontakt sepne po
zahřátí od doutnavého výboje. Po sepnutí výboj ustane a bimetal ochlazením
rozepne. Tento opakující se děj můžeme demonstrovat, zapojíme-li do série se
startérem žárovku 220 V/ 40 W. Žárovka zajímavě bliká. Dbáme přitom na
bezpečnost práce se síťovým napětím 220 V a s horkou žárovkou.
Termostat v žehličce je opatřen regulačním šroubem, který mění mechanické
předpětí mžikového bimetalového kontaktu a tím také teplotu potřebnou pro
jeho reakci. V demonstraci zapojíme na kontakt indikaci sepnutí (např. LED
nebo piezosirénu) a bimetal zahříváme plamenem z ručního plynového zapalovače. Nastavením regulátoru na vyšší teplotu vyžaduje delší dobu zahřívání.
Varná konvice je vybavena několika bimetalovými plíšky, které neobsahují
kontakt, ale přes nevodivé tělísko kontakt ovládají. Jeden z těchto mechanismů
je prodloužen tak, aby jej bylo možno ručně vrátit do výchozí polohy. V ukázce
je použita odmontovaná část konvice s táhlem, které spolu s bimetalem ovládá
kontakt. Ohřevem bimetal vymrští vhodně nastavené táhlo.
106
Tepelné relé se užívalo dříve např. v ústřednách pro potřebu pomalejší reakce
na přetížení. Při demonstraci jeho činnosti zapojíme na přepínací kontakt dva
indikační obvody. Pro zahřívaní bimetalu slouží odporové vinutí 300 ohmů,
které je nutno napájet aspoň 30 V. K tomu vhodně poslouží síťový adaptér pro
tiskárny (např. řady HP). Zapojení je na obr. 28.
Obr. 28 Tepelné relé s bimetalem
Pojistka s bimetalem je použita v ukázce, ve které dosáhneme dostatečného
proudu použitím halogenové žárovky 12 V/ 50 W. Napětí 12 V využijeme ze
zdroje PC, který má dostatečnou proudovou rezervu (až 10 A). Správně seřízená pojistka pomocí stavěcího šroubku by měla asi po 20 sekundách obvod přerušit. Ten obnovíme stisknutím tlačítka na pojistce až po chvíli, kdy necháme
bimetal vychladnout. Je zde zajímavá především skutečnost, že proud prochází
přímo bimetalovou smyčkou. Dbáme opatrnosti vzhledem k vysoké teplotě
žárovky.
V takto sestaveném obvodu využijeme velké hodnoty proudu ještě k důkazu
Ampérova zákona. Některý spojovací vodič zavěsíme těsně nad silný permanentní magnet a pozorujeme silové účinky na vodič při zapnutí a vypnutí proudu (Flamingovo pravidlo levé ruky).
Bimetalový plíšek se předvede jako skákající žabka. Položíme-li jej správnou
stranou na drátěnou síťku (např. z kráječe vajec) a plynovým zapalovačem
zahříváme, mžikové překmitnutí plíšku způsobí skok připomínající chráněného
živočicha. Pinzetou položíme zahřátý plíšek opačnou stranou už na libovolný
povrch a skok se pochvíli zopakuje. Bimetal se vrátil do původní polohy.
Přerušovač ukazatelů směru v automobilu rovněž využívá vlastnosti bimetalu. U starších typů přerušovače lze snadno odstranit kryt a sledovat činnost při
zapojení žárovky 12V/ 21W. Perioda přerušování lze doladit stavěcím šroubkem.
107
Teplotní pojistka proti přehřátí svými malými rozměry umožňuje upevnit ji
přímo na korpus elektronické součástky. V obchodech ji najdete např. pod
označením SM4045 – termostat vratný. Bimetalem je ovládán rozpínací kontakt, který rozpojí elektrický obvod. Demonstrovat činnost pojistky můžeme
např. jejím umístěním na halogenovou žárovkou 12V/ 50W, na jejímž povrchu
teplota vzroste nad 100 °C. V obvodu kontaktu pojistky zapojíme samostatný
obvod s indikační LED, ochranným odporem 220 Ω a vlastním zdrojem 5 V.
Otázky: Které kovy se nejčastěji používají pro výrobu bimetalových pásků či
plíšků? Uveďte přístroje a oblasti užití, které zde nebyly uvedeny.
Úkol: Najděte v dostupné literatuře nebo na internetu informace a zapojení
proudových jističů používaných v domovních elektrických rozvaděčích. Obsahují bimetaly?
14. Pokusy s transformátorovou páječkou
Při všech pokusech dejte pozor na zahřátí pájecí smyčky, cívky či vodiče!
Běžné vybavení fyzikální laboratoře obsahuje transformátorovou páječku,
která může být elegantní demonstrační pomůckou. Na obr. 29 je pokus s kovovým kroužkem na klíče, který setrvává v prostoru pájecí smyčky, pokud je
stisknuto tlačítko trafopájky. Dokazuje se tím existence magnetického pole
smyčky, kterou prochází střídavý proud velké hodnoty (přes 100 A). Smyčka
drží i jiné menší kovové předměty. Nepříjemně se tato skutečnost projevuje
např. silovým působením na vývody některých elektronických součástek, které
pájíme.
Elektromagnetické pole se nachází kolem celého tělesa páječky. Uvnitř je
transformátor s jádrem a jeho výkon kolem 75 - 130 W způsobuje dostatečně
silné pole, které lze indikovat.
Lze také provést ukázku, kdy pájecí smyčku nahradíme spojovacím vodičem připevněným krokosvorkami a tvořícím kruhový závit o průměru asi
20 cm. Magnetické pole tohoto závitu stačí vybudit např. indikátor zmíněný
v odstavci o tranzistoru.
Uvedených vlastností páječky můžeme využít k odmagnetování menších
kovových předmětů (jehly, šroubováčky, pinzety ap.), jestliže pájecí smyčku
nahradíme válcovou cívkou asi o 10 závitech drátu o průměru 1,5 mm. Její
střídavé magnetické pole po několikerém zapnutí a vypnutí odmagnetuje
předměty vložené do ní.
108
Obr. 29 Kroužek ve smyčce trafopájky
Otázky: V elektrotechnické praxi se užívají i jiné typy páječek. Jaký je jejich
princip a užití?
Problém: Transformátorová páječka má velkou nevýhodu v měnící se teplotě
pájecí smyčky v závislosti na době sepnutí. Vyšší teplota pak znehodnotí pájku
(cín) nebo dokonce přehřátím zničí pájenou součástku. Navrhněte způsoby
a možnosti odstranění těchto neduhů.
15. Kabel pro optický přenos
Pro demonstraci přenosu informace pomocí optického kabelu (vlnovodu)
použijeme libovolný typ s délkou od 1 do 50 m. V rámci možností upravíme
konce kabelu tak, aby byl zajištěn stín a optický přenos mezi součástkou
a koncem kabelu. Vhodné jsou např. různé kousky tmavé izolace z drátů
a bužírky. Jako vysílač světla použijeme laserové ukazovátko nebo vysokosvítivou LED. Na přijímací straně je obvod s fototranzistorem (např. KP101).
Zesílení signálu pro indikaci LED a piezosirénkou zajistí tranzitor BC517 (darlington). Pokud není k dispozici, zapojíme běžné tranzistory NPN dva
v darlingtonově zapojení. Schéma zapojení je na obr. 30.
Můžeme rovněž ukázat, že úhel naklonění vysílacího laserového paprsku
má svou mez. Musí být menší než je mezní úhel pro úplný odraz v trubici
z optického média. Názorně je tato situace řešena v příkladu č. 25 sbírky [7].
Otázky: Které informace lze šířit po optickém kabelu? Je optický kabel obousměrný? Existují infračervené či ultrafialové kabely?
Problém: Délka kabelu ovlivňuje kvalitu přenášené informace. Jak se v praxi
řeší tento problém s tzv. útlumem? Navrhněte zapojení, které „zesílí optickou
informaci“.
109
Obr. 30
Závěr
Ve většině těchto ukázek s velkými výhodami požívám kontaktní pole pro
snadné a rychlé spojování elektronických součástek. Pole lze zakoupit s různými rozměry a přídavnými doplňky. Studenti je využívají v laboratoři fyziky.
Nemalou výhodu mají ve snadném odzkoušení nových a složitějších zapojení.
Naprostá většina součástek respektuje standardní rozteče vývodů, takže není
problém je na desku kontaktů umístit. Pokud využijete napájení z PC, máte
k dispozici zkušební pracoviště s informacemi přímo z obrazovky počítače.
Pokud Vám některá ukázka nebude fungovat na první zapojení, neztrácejte
chuť a experimentujte. Tento postup často vede k zajímavým objevům a vlastnostem zkoumaného jevu či objektu. Jsem ochoten kdykoliv poradit a předat
zkušenosti. Email: [email protected]
Literatura
[1] Hubeňák, J. – Hubeňák, Ji.: Aplikovaná fyzika a moderní elektronika, Repronis, Ostrava 2007.
[2] Lepil, O.: Fyzika okolo dynama na kolo, MFI, roč. 7 (1997), č. 3, s. 158.
[3] Šedý, V.: Rozeberte si PC, BEN, Praha 2001.
[4] Lepil, O.: Pokusy s piezoměničem, MFI, roč. 6 (1996), č. 2, s. 91.
[5] Brockmeyerová, J. - Drozd, Z.: Pokusy z volné ruky, MFI roč. 11 (2002),
č. 7, s. 424.
[6] Goldová, K.: Pokusy s infračerveným zářením, MFI roč. 11 (2002), č. 8,
s. 484.
[7] Bartuška, K.: Sbírka řešených úloh z fyziky IV, Prometheus, Praha 1997.
110
USB Interface KV8055 a jeho použití ve fyzice
VÁCLAV PAZDERA
Při různých fyzikálních experimentech ve škole často potřebujeme měřit či
naopak řídit různé elektrické veličiny. V dnešní době je možné pro tuto činnost
využít řadu systémů podporovaných počítačem (ISES, Go! Link [1] atd.). Jednou z možností je také použití USB Interface KV8055.
USB Interface KV8055
V nabídce firmy GM ELECTRONIC je k dispozici stavebnice USB experimentální vývojové desky (USB Experiment Interface Board) F - KV8055 [2].
Tuto stavebnici vyrábí belgická firma Velleman [3]. Je dodávána firmou GM
ELECTRONIC pod označením F-KV8055, skladové číslo 764-367 za atraktivní cenu 779,- včetně DPH (cena aktuální v srpnu 2007).
Sestavený interface, společně s dodávanou knihovnou DLL, umožňuje psát
a odzkoušet vlastní 32 bitové aplikace v operačních systémech Windows 98SE,
2000, Me a XP při použití programovacích jazyků Delphi, Visual Basic a C++
Builder.
Obr.1 K8055 USB Interface
Obr. 1 ukazuje plně osazenou experimentální desku, připojitelnou k USB
rozhraní počítače. Experimentální deska je interface, který obsahuje:
• 5 digitálních vstupů, které jsou vyvedeny na svorkovnici společně
s vývodem GND. K těmto digitálním vstupům je též připojeno 5 testovacích
111
spínacích tlačítek umístěných na plošném spoji zkušební desky. V klidovém
stavu je na vstupech logická 1 (High), sepnutím tlačítka se vstup připojí ke
společnému vodiči – GND, tzn. připojí se logická 0 (Low). Externě je možno
ke svorkovnici připojit také spínací tlačítka, kontakty relé, spínací tranzistory
atd. Takto můžeme například počítat impulsy, měřit dobu, testovat logické
hodnoty apod.
• 8 digitálních spínacích výstupů s otevřeným kolektorem. Lze je zatížit maximálně napětím 50 V a proudem 100 mA. Stav každého z těchto výstupů je
indikován červenou LED umístěnou na desce vedle šroubovací svorkovnice, na
kterou jsou digitální výstupy vyvedeny. Těmito výstupy lze ovládat stroje,
hračky, motory, žárovky, roboty atd.
• 2 analogové vstupy s 8-mi bitovým rozlišením, u kterých je možno volit
zesílení vstupního signálu. Na analogové vstupy je povoleno přivést vstupní
napětí o velikosti POUZE 0 až 5 V! Jsou vyvedeny na šroubovací svorkovnici
vedle svorkovnice digitálních vstupů a je možno na ně externě připojit např.
senzor teploty, potenciometr, měřit napětí atd. Interně je možno na analogové
vstupy připojit testovací napětí 5 V.
• 2 analogové výstupy s 8-mi bitovým rozlišením, které pracují s výstupním
napětím 0 až 5 V. Výstupní odpor DAC1 nebo DAC2 je 1,5 kΩ. Na výstupech,
které jsou realizovány paralelně k DAC1 a DAC2 pomocí tranzistorů
s otevřenými kolektory, lze generovat PWM signál (PWM – pulsně šířková
modulace – používá se pro optický přenos informací, řízení výkonu atd.)
v rozsahu 0 až 100 %. Výstupy generující PWM je možno zatížit napětím maximálně 40 V a proudem do 100 mA. Stav analogových výstupů je indikován
na dvou LED označených PWM1 a PWM2. Všechny 4 výstupy: DAC1 a
DAC2, PWM1 a PWM2, jsou vyvedeny na šroubovací svorkovnici umístěnou
vedle svorkovnice digitálních výstupů.
• Všeobecný čas konverze, je 20 ms/příkaz.
• Napájení interface je přes USB rozhraní. Proudový odběr je přibližně
70 mA.
• Součástí stavebnice je diagnostický software a komunikační DLL knihovna.
Nainstalovaný demo software ulehčuje první experimenty se zkonstruovanou
deskou.
Na obr. 2 je vidět okno tohoto programu.
Tento program je dodán i ve zdrojovém kódu a je možno ho
v programovacích jazycích Delphi, Visual Basic a C++ Builder dále upravit pro
aplikaci. Tohoto postupu jsem využil i při tvorbě následující aplikace.
112
Obr. 2 Diagnostický software "K8055_Demo.exe"
Měření se soupravou GAMABETA
Didaktická souprava GAMABETA je určena k demonstraci vlastností záření gama a beta a způsobů ochrany před ionizujícím zářením. Podrobný popis
této soupravy je uveden v [4] nebo [5]. K této soupravě byl dodáván program
GABESET [6], který fungoval pod operačním systémem DOS. Indikátor záření
ze soupravy GAMABETA se připojoval do volného sériového (COM) portu
počítače. Tento program povyšoval didaktickou účinnost soupravy GAMABETA. Program jsem několik let používal při výuce fyziky a byl jsem s ním velmi
spokojen (viz obr. 3). Program GABESET nefunguje pod Windows 2000, Me,
XP a další. Navíc připojení přes COM port je zastaralé. USB Interface KV8055
mi umožnil vytvořit nový program GamaBeta.
Obr. 3 Kontrola záření pozadí v programu GABESET
113
Program GamaBeta
Tento program jsem vytvořil ve Visual Basicu podle programu GABESET.
Skladbu jednotlivých úloh jsem přizpůsobil vlastní výuce. Na obr. 4 je náhled
na základní nabídku úloh programu GamaBeta.
Obr. 4 Náhled menu programu GamaBeta
Obr. 5 Základní měření: Kontrola záření pozadí
Na obr. 5 je vidět celé okno programu GamaBeta po skončení prvního základního nejjednoduššího měření: Kontrola záření pozadí. Měření je programováno v cyklech po 10 sekundách. Výsledky jednotlivých cyklů prokazují, že
záření pozadí je statistický děj. V původním programu byl použit pouze jeden
indikátor (jeden vstup) – viz obr. 3. Já jsem s výhodou využil připojení dvou
indikátorů záření současně. Vstup 1 je vybarven modře (tmavší sloupečky grafu) a vstup 2 červeně. Výhoda použití dvou indikátorů současně vynikne hlavně
114
v dalších úlohách. Například na obr. 6 je ukázka úlohy „Účinek materiálu stínění na záření beta a gama“.
Obr. 6 Úloha: Účinek materálu stínění na záření beta a gama
První dva sloupečky zobrazují současné měření dvou indikátorů se zdroji
záření beta a gama bez stínění. Další dva se stíněním Al destičkou atd. (Fe, Sn
a Pb viz seznam v náhledu okna na obr. 6). Je krásně vidět, že záření beta
(tmavší sloupečky vlevo) má při stejné destičce menší pronikavost. Tím je ve
srovnání s programem GABESET měření mnohem názornější a zkracuje se na
poloviční dobu!
Obr. 7 Zákon radioaktivní přeměny
115
Posledním příkladem měření uvedeného v tomto příspěvku je Zákon radioaktivní přeměny (viz obr. 7), který je možné realizovat se školním radionuklidovým generátorem. I zde byly použity dva indikátory. Jeden zaznamenává
počet impulzů záření gama radionuklidu 137mBa a druhý zaznamenává počet
impulzů záření pozadí. Z obr. 7 je vidět, že přibližně polovina poklesu nárůstu
modrých (tmavších) sloupců nastává před 3. minutou (po odečtení pozadí je
přibližně polovina mezi druhým a třetím sloupečkem). Přesná hodnota poločasu
přeměny 137mBa na 137Ba je 2,55 minuty.
Závěr
Zkušenosti s programem GamaBeta ve spojení s počítačem a dataprojektorem ukazují, že je to moderní nástroj k názornému zobrazení naměřených
výsledků a velmi zrychluje a automatizuje práci učitele, který je osvobozen od
pracného zapisování a následného sestrojování grafu z naměřených hodnot.
USB Interface KV8055 lze využít i v hodinách informatiky, kde by mohl
sloužit jako prostředek k výuce programování, která by se tím dala velmi dobře
oživit a zkonkretizovat. Na naší škole ho využívám k měření se soupravou
GAMABETA. Příkladem jiného vyzkoušeného použití je teslametr vyrobený
z Hallovy sondy, který jsem připojil k analogovému vstupu interface (vyrobit si
ho mohli účastníci mé dílny, která byla součástí setkání v Náchodě 2006
a v Kyjově 2007). V tomto případě se na displeji počítače zobrazují hodnoty
magnetické indukce v jednotkách mT.
Zájemci o další informace mi mohou napsat na adresu:
[email protected]
Literatura
[1] http://www.vernier.com/mbl/
[2] http://www.gme.cz/index.php?action=detail&sklcis=764367&lk=&sk=&pict=&jaz=
[3] http://www.velleman.be/be/en/product/view/?id=351346
[4] Svoboda E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 4. díl. Prometheus, Praha
2001. s. 215-221.
[5] Souprava GAMABETA. Popis a návod k použití. Praha, ČEZ 1998.
[6] PC program GABESET verze 1.1. Popis a návod k použití. Praha, ČEZ
1998.
116
Příloha 1: O. Lepil, Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko
tvorby ŠVP (s. 5) – K vývoji učebnic fyziky pro gymnázia
1953
1958
1965
117
1972-1974
1984-1987
118
Příloha 2: J. Hubeňák, Superjasné diody (s. 35)
Obr. B-1 Skládání barev
Obr. B-2 Spektrum bílé LED
Obr. B-3 Spektrum žluté LED
119
Obr. B-4 Luminiscenční terč osvětlený třemi LED
Obr. B-5 Po zhasnutí červené LED nenastává luminiscence
Obr. B-6 Po zhasnutí zelené LED nenastává luminiscence
120
Obr. B-7 Luminiscence po zhasnutí modré LED
Obr. B-8 Luminiscenční terč ozářený UV LED
Obr. B-9 Luminiscenční stopa po ultrafialové LED
121
Příloha 3: R. Halaš, Vybrané poznatky z fyziky mikrosvěta (s. 43)
Obr. 5 Stavba látek z pohledu částicové fyziky
Obr. 8 Rozvoj fyzikální teorie
122
Obr. 4 Kvarkové složení baryonů a mezonů
123
SBORNÍK SEMINÁRNÍCH MATERIÁLŮ
Projekt Učíme fyziku moderně
Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje
Slovanské gymnázium Olomouc
Autoři:
doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., Mgr. Dana Baránková,
doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc., RNDr. Ing. Rostislav Halaš,
Mgr. Dita Maryšková, Mgr. Michal Vodička,
Mgr. Milan Baránek, Mgr. Václav Pazdera
Počet stran: 124
Náklad:
60 ks
Vydání:
první
Tisk:
REPRONIS Ostrava
ISBN 987-80-7329
Publikace je neprodejná

sborník seminárních materiálů

Transkript

Podobné dokumenty

Sborník studijních materiálů I - UFYZ::SGO::CZ

katalog stavebnic

ICT PODPORA VÝUKY SIMULACÍ: MODEL ZÁSOB

elektronika A Radio

experimentální program blanka 1

Kvarková hypotéza - Encyklopedie fyziky

Adobe PDF

Svodiče přepětí