FyzWeb  Studium pohybu míče
Novinky Kalendář Články Odpovědna Pokusy a materiály Exkurze Výročí Odkazy Kontakty


Licence Creative Commons (Uveďte autora - Nevyužívejte komerčně - Zachovejte licenci)

Videonávod na experiment se skákajícím gymnastickým míčem. Pomocí ultrazvukového senzoru polohy a pohybu Vernier Go!Motion (sonaru) lze snadno a rychle získat grafy polohy, rychlosti a zrychlení sledovaného objektu. Na tomto experimentu se žáci kromě práce s grafy mohou naučit mnoho věcí z fyziky (tlumený periodický pohyb, přeměna kinetické energie, energie pružnosti a potenciální tíhové energie, odporová síla, vztlaková síla, Newtonovy zákony, ...). Náměty na činnosti se žáky jsou sepsány pod videem, níže na této stránce.

Tento videonávod vytvořila Lucie Filipenská ve spolupráci s Pavlem Böhmem a Jakubem Jermářem.



Náměty na činnosti se žáky

Grafy závislostí polohy, rychlosti a zrychlení na čase

Nechte žáky nejprve předpovědět (nakreslit do sešitu), jak bude kvalitativně vypadat závislost polohy, rychlosti a zrychlení na čase. Po provedení experimentu s nimi diskutujte, v čem a proč se případně mýlili.

Žáci obvykle dobře odhadnou, že se míč bude pohybovat po parabole (nebo aspoň nakreslí "kopečky"), někteří předpoví i postupné zmenšování maximální výšky, do které míč po odrazu vyskočí (ztráty energie).

Větší potíž bývá s předpovězením grafu rychlosti a graf zrychlení žáci obvykle nezvládnou správně vůbec, často totiž mají hluboce zakořeněnou chybnou představu, že zrychlení (a s ním i síla) působí vždy ve směru okamžité rychlosti. Bývají pak velmi překvapeni, když naměří konstantní zrychlení během celého pohybu nahoru i dolů včetně bodu obratu, kdy míč stojí (neplatí samozřejmě pro okamžik odrazu, kdy působí veliké zrychlení opačným směrem).

Na podrobné rozebrání grafů a chyb, kterých se žáci při svých odhadech dopustili, doporučujeme věnovat dostatek času.

Vzduch také něco váží

Experiment můžete pro úsporu času provést jenom jednou s dobře nafouknutým míčem. Pokud ovšem budete dělat i varianty s málo nafouknutým a hodně nafouknutým míčem, mohou si žáci díky změně hmotnosti po nahuštění míče lépe uvědomit, že vzduch skutečně něco váží, že zdaleka není tak nehmotný, jak by se zdálo.

Buďte ale opatrní na případné určování skutečné hmotnosti vzduchu v míči – to není tak snadné, protože na míč také významně působí vztlaková síla. Tlak v míči je výrazně vyšší než okolní atmosférický tlak.

Proč míč nepadá se zrychlením 9,8 m·s-2

Z měření vyplyne, že zrychlení působící na míč je konstantní po celou dobu pohybu nahoru i dolů – s výjimkou chvilky, kdy se míč odráží od země. Navíc míč nepadá se zrychlením 9,8 m·s-2, hodnota zrychlení je zhruba o 5 % až 20 % nižší. Můžete z toho pro žáky udělat velmi dobrou problémovou úlohu. Ať zkusí přijít s různými hypotézami, které by mohly toto snížení vysvětlit.

Mezi nejčastější chybná zdůvodnění, která od žáků ihned uslyšíte, bude patřit nepřesnost měření a odpor vzduchu. Toho využijte a nechte žáky tuto hypotézu vyvrátit nebo potvrdit dalšími debatami či experimenty. Měli by (s vaší pomocí) přijít na to, že sonar je příliš přesný na tak velikou chybu v měření a že ani odporem vzduchu to vysvětlit nelze, protože ten zcela jistě závisí na rychlosti, tudíž by se zrychlení míče muselo během pohybu měnit a přinejmenším v bodu obratu (v nejvyšší poloze, kdy míč stojí) by muselo dosáhnout hodnoty 9,8 m·s-2.

Skutečný důvod snížené hodnoty zrychlení je potřeba hledat ve vztlakové síle působící na míč. Míč je tak veliký, že tato síla už není zanedbatelná. Právě pro lepší prozkoumání tohoto aspektu je dobré (máte-li čas) udělat experiment s různě nafouknutými míči, aby se měnil poměr hmotnosti a objemu. Obzvláště šikovní žáci se mohou pokusit to celé popsat matematicky, měli by dojít k velmi podobným výsledkům jak v experimentu.

Vzájemná přeměna kinetické energie, potenciální tíhové energie a energie pružnosti

Vyexportujte data do tabulkového editoru (například do Excelu) a nechte žáky (nebo to s nimi proveďte vy) spočítat v každém bodě okamžitou kinetickou a potenciální energii a jejich součet a vykreslit do grafu. Lze velice pěkně pozorovat jejich vzájemnou přeměnu během pohybu a také zachovávání celkové energie.

Během odrazu se ovšem výše uvedené grafy energií "pokazí", součet najednou prudce klesne k nule, aby po odrazu opět vzrostl, ale již na menší hodnotu. To je další dobrá problémová úloha pro žáky. Nechte je vymýšlet, čím by to mohlo být. Žáci by (s vaší pomocí) měli dojít k tomu, že existují ještě další formy energie kromě kinetické a potenciální tíhové – v tomto případě je to energie pružnosti míče. Při odrazu se navíc významná část energie ztrácí (přeměňuje v ještě další formy jako je teplo), takže míč po odrazu vyskočí do menší výšky.

Tlumený periodický pohyb

Můžete se se svými žáky zaměřit na samotné výšky, do kterých míč postupně doskočí. Jedná se o exponenciální pokles a je to pěkná ilustrace exponenciální funkce do matematiky. S mladšími žáky nemusíte slovo exponenciála vůbec použít, stačí, když si všimnou, že poměr mezi sousedními výškami zůstává přibližně zachován. Na tento experiment pak můžete odkázat, když budete podobné věci pozorovat například u kyvadla, závaží na pružině, vybíjení kondenzátoru, poklesu teploty nebo radioaktivního rozpadu.



Další podobné videonávody:
     -   Soutěž teploměrů
     -   Napodobování grafu
     -   Co může viset na vlásku?
     -   VA charakteristika diody
     -   Boyleův-Mariottův zákon
     -   Závislost tlaku na teplotě
     -   Závislost magnetické indukce na proudu v cívce
     -   Napětí a proud v obvodu s cívkou