F7340 Nástrahy středoškolské fyziky

Přírodovědecká fakulta
jaro 2006
Rozsah
2/1/0. 3 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: z.
Vyučující
prof. RNDr. Jana Musilová, CSc. (přednášející)
prof. RNDr. David Trunec, CSc. (přednášející)
Mgr. Jiří Bartoš, PhD. (cvičící)
Mgr. Lenka Czudková, Ph.D. (cvičící)
Garance
prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D.
Ústav fyzikální elektroniky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Jana Musilová, CSc.
Rozvrh
Čt 13:00–14:50 F3,03015
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
F7340/01: Čt 12:00–12:50 F3,03015, J. Bartoš, L. Czudková, J. Musilová, D. Trunec
Předpoklady
Znalost problematiky předmětů základního kursu obecné fyziky Mechanika a molekulová fyzika, Elektřina a magnetismus je vítána.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory
Cíle předmětu
Středoškolská výuka fyziky bývá i přes nedostatek týdenních výukových hodin paradoxně přetěžována řadou témat prezentovaných jako samostatné celky, která však představují pouze aplikace několika málo pojmů a obecných principů či zákonů. V mechanice se jedná o pojem rychlosti a zrychlení a Newtonovy zákony, v elektřině o zákony Kirchhoffovy a Ohmův, v termice a molekulové fyzice o pojem rovnováhy soustavy, první a druhý termodynamický zákon a souvislost termodynamických veličin s vnitřní strukturou soustavy. V přemíře středoškolské látky však tyto obecné pojmy a zákonitosti často zaniknou a studenti, odsouzení tak k jejich nepochopení, jsou při studiu fyziky - této složité, nudné a nezáživné discipliny, jak ji sami nazývají - odkázáni na paměť. Přitom k nápravě může stačit velmi málo: Soustředit se při výkladu pouze na podstatné pojmy a zákonitosti a dokumentovat je jednoduchými příklady resp. demonstračními experimenty, při jejichž řešení resp. interpretaci nebudou tyto základní zákony překryty nepodstatnými jevy. Takový přístup vyžaduje jistý nadhled nad problematikou, který již studentům učitelství fyziky v navazujícím magisterském programu, jimž je tento předmět určen především, s jistotou nechybí. Předmět se soustředí právě na uvedený způsob výkladu vybraných témat středoškolské fyziky s využitím zázemí jeho posluchačů. Z tohoto hlediska tedy představuje "středoškolskou fyziku v druhém čtení". Pozornost je věnována třem tématickým celkům: Mechanika (6 týdnů), Termika a molekulová fyzika (2 týdny) a Elektřina a magnetismus (5 týdnů). Výklad v přednáškách bude doprovázen demonstračními experimenty s vysvětlením. V semináři budou řešeny jednoduché nestandardní příklady. Předmět je vhodný pro studenty učitelství fyziky v sedmém nebo devátém semestru pětiletých a prvém nebo třetím semestru navazujících magisterských programů.
Osnova
  • Mechanika 1. týden Derivace bez derivování: Může středoškolský učitel fyziky a student vyhrát boj s pojmem rychlosti a zrychlení? * Průměrná a okamžitá rychlost, průměrné a okamžité zrychlení, vektory versus skaláry. * Terminologická diskuse na téma "katalog pohybů". * Typické příklady: matematické a kuželové kyvadlo, závit smrti (je pohyb auta při průjezdu zatáčkou zrychlený, ukazuje-li tachometr stále údaj 60 km/h ?) 2. týden Nakloněnou rovinu zvládl už Galilei. Proč ji nezvládají studenti na gymnáziu? * Newtonovy zákony - základní axiomy klasické mechaniky * Silové zákony, proč je potřebujeme a jak je zjišťujeme . * Jak správně používat Newtonovy a silové zákony. * Vazební podmínky - ano či ne na střední škole? * Všudypřítomné, avšak stále nepochopené, tření. 3. týden Matematické kyvadlo - kámen úrazu (nejen) středoškolské fyziky * Ve hře jsou opět vazební podmínky - kuželové a rovinné kyvadlo. * Tečné a (většinou opomenuté) normálové zrychlení. * Kam směřuje výsledná síla? * Jak určit periodu pro malé výchylky: harmonická síla - harmonický oscilátor - analogie: průmět kruhového pohybu. Perlička: k určení základní informace mohou stačit (?) i jednotky . 4. týden Vlaky, výtahy a kolotoče - zákony mechaniky očima různých pozorovatelů * Ve vlaku a na kolejích: Existují fiktivní síly - nebezpečí pro černého pasažéra ? * Na kolotoči: Jak může fiktivní odstředivá síla působit zdravotní problémy ? * Ve výtahu: Vyberte si, kolik chcete vážit. 5. týden Jak je to tekuté, je s tím problém i ve fyzice: rovnováha a proudění kapalin - opět jen Newtonovy zákony a jejich důsledky * O tlaku mluví řada lidí , ale skoro nikdo neví, co to je a odkud to pochází: Části kapaliny na sebe navzájem kupodivu také působí. * Na co to vlastně přišel Archimédes? * Může být povrch kapaliny i křivý? Jak to zařídit? * Experimenty s proudící kapalinou a jejich interpretace mohou být zajímavé a osvěžující, i když jsou založeny na poměrně suchopárných rovnicích. 6. týden I složitý pohyb setrvačníků je jen důsledkem Newtonových zákonů. * Rotační pohyb: Momenty - nové fyzikální veličiny ? * Fyzikální hrátky s bicyklovým kolem - kvalitativní interpretace. Termika a molekulová fyzika 7. týden Jak popsat soustavu a objevit zákonitosti jejího chování, když do ní nevidíme? * Zeptejte se lidí, zda vědí, co je stav a co je teplota. Ví to každý, ale nikdo vám to neřekne. * Nevyhnutelná rovnováha - nultý zákon termodynamiky * Také pojem teplo je zřejmý každému, ale fyzik jej musí umět vybudovat. První zákon termodynamiky. Tepelná kapacita. * Ideální plyn: žonglování s (p,V,T) . Kde se vzala stavová rovnice? * Druhý zákon termodynamiky. Entropie a princip jejího růstu - nevíme-li co to znamená, opravdu můžeme věřit na tepelnou smrt vesmíru. (Podle časových možností.) 8. týden Pomůže, víme-li něco o struktuře soustavy? * Jak tlačí plyn na stěny nádoby? Tím že do ní narážejí molekuly. * Kde se tedy vzala stavová rovnice? * Jak rychle se pohybují molekuly v plynu? * Entropie a pravděpodobnost - jak mohou mít zákony něco společného s náhodou? (Podle časových možností.) Elektřina a magnetismus 9. týden I. Kirchhoffův zákon * Zákon zachování náboje. * Rovnice kontinuity. * Odvození I. Kirchhoffova zákona pro stacionární a kvazistacionární případ. * Posuvný proud. 10. týden Ohmův zákon * Ohmův zákon pro vodiče. * Lineární a nelineární prvky. 11. týden II. Kirchhoffův zákon * Formulace II. Kirchhoffova zákona pro stacionární a kvazistacionární případ. * Použití I. a II. Kirchhoffova zákona pro řešení elektrických obvodů. * Použití komplexní symboliky pro řešení obvodů se střídavým harmonickým napětím. 12. týden Elektromagnetická indukce, vodiče v magnetickém poli * Generování střídavého napětí. * Princip elektrických strojů. 13. týden Materiálové vztahy * Elektrické a magnetické pole v látkách. * Vektor elektrické polarizace a vektor magnetizace. * Výpočet polí v látkách, zavedení vektoru elektrické indukce a intenzity mag. pole.
Informace učitele
Požadavky k získání zápočtu pro studenty prezenční formy: (1) Účast na všech cvičeních. Účast lze nahradit vypracováním zadaných úloh (2 úlohy / 1 cvičení). (2) Jeden samostatný výstup - vzorové předvedení řešení středoškolské úlohy k danému tématu podle vlastního výběru. Požadavky k získání zápočtu pro studenty kombinované formy (nezvolí-li jako alternativu požadavky pro studenty prezenční formy): (1) Ke každému ze třinácti bloků (program viz sylabus) písemně kriticky posoudit jednu z kapitol (tj. text pro jednu vyučovací hodinu) a dvou příkladů dle vlastního výběru ze současných středoškolských učebnic - vše nutno odevzdat do 31. května 2006. (2) Ústní rozprava nad zpracovaným písemným materiálem - termín červen 2006 - po dohodě s vyučujícím(i).
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
L.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2008, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2018.