Warto przeczytać

Wprawdzie doświadczenia i pokazy z fizyki nie dotyczą aż tak dramatycznych wydarzeń, które opisał Mickiewicz w „Reducie Ordona”, ale za to mamy świadomość, że nawet proste doświadczenia, wykonywane w klasie, czy w domu, prezentują często zjawiska, które kiedyś odmieniły nasze (tj. ludzi) życie na tym świecie.

Na potwierdzanie tych słów, podam Ci kilka przykładów, które pamiętam z moich szkolnych czasów. Wymienię doświadczenia, które robiłem sam, albo robiliśmy je w szkole, ale także zwrócę Twoją uwagę na to, że takie szkolne doświadczenia reprezentują często całą klasę zjawisk, u podstaw których leżą te same prawa i zasady fizykiprawa i zasady fizykiprawa i zasady fizyki. Pokazanie tego to jedna z cech dobrego opisu doświadczenia lub pokazu.

1. Obserwowałem strumień wody wypływającej z ogrodowego węża przy zmianie prędkości początkowej i kierunku (Rys. 1.). W każdym przypadku strumień zakreślał parabolę, która wynika z równań ruchu dla rzutu ukośnego (zob. e‑materiały pt. Analiza rzutu ukośnego i Równanie toru ruchu w rzucie ukośnym). Miałem świadomość, że w ten sposób mogę opisać wszelkie rzuty ukośne, pionowe i poziome, skok w dal, wzwyż i skoki narciarskie, fontanny, „harmaty”, moździerze i haubice oraz całą ogromną klasę urządzeń i zjawisk, w których ruch odbywa się pod wpływem siły ciężkości, kiedy ciału nadano prędkość początkową o dowolnym kierunku względem siły ciążenia.

   Rcc2Hd9LnpRmb

   Rys. 1. Zdjęcie przedstawia fontannę wyrzucającą pod ciśnieniem strumienie wody do góry i dookoła pod różnymi kątami.

   

2. Obserwowaliśmy na lekcji fizyki wychylenia wskazówki galwanometrugalwanometrgalwanometru, kiedy poruszaliśmy magnesem w pobliżu przewodnika podłączonego do jego zacisków. Była to demonstracja siły elektromotorycznej, powstającej wskutek zmiany strumienia indukcji magnetycznej – podstawy działania maszyn i generatorów elektrycznych, w zastosowaniu dającej dostęp do energii elektrycznej na całym świecie.

3. Stwierdzaliśmy zanikanie dźwięku dzwonka elektrycznego umieszczonego pod kloszem, z którego wypompowaliśmy powietrze – był to dowód na rozchodzenie się dźwięku jako drgań cząsteczek ośrodka (tu: powietrza). Kiedy ośrodka nie ma, to dźwięk wcale się nie rozchodzi (zob. e‑materiał pt. Jak rozchodzi się dźwięk w powietrzu?). To również wskazówka, że prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy od własności ośrodka np. w powietrzu, to ok. 340 m/s, a w wodzie ok. 1490 m/s.

4. Obserwowaliśmy wrzenie wody w szklance umieszczonej pod kloszem próżniowym bez podgrzewania. Był to dowód, że wrzenie to proces, w którym ciśnienie w mikropęcherzykach pary wodnej w cieczy zrównuje się z ciśnieniem atmosferycznym (zob. e‑materiał pt. Jaki wpływ ma ciśnienie na temperaturę wrzenia cieczy?). Temperatura wrzenia zależy więc od ciśnienia zewnętrznego (Rys. 2.). To dlatego żartuje się, że więcej czasu trzeba, by jajko ugotować na twardo na Kasprowym, ale to także podstawa działania reaktorów jądrowych typu PWR, czyli takich, w których woda ma temperaturę ponad 300°C, ale nie wrze, bo panujące tam ciśnienie jest 150 razy większe od atmosferycznego.

   R1IefmBpJLg3N

   Rys. 2. Zdjęcie przedstawia gotującą się wodę w płaskim naczyniu. Powierzchnia wody jest pofalowana, nad nią unosi się para i pojawiają się liczne bąble powietrza. Woda jest w stanie wrzenia.

   

5. Słuchałem trzeszczenia radia, kiedy w pobliżu ktoś włączał urządzenia elektryczne i uświadamiałem sobie, że jest to demonstracja emisji, propagacji i detekcji fal elektromagnetycznych. Wymieńmy urządzenia, które to wykorzystują: radio, telewizja, telefony komórkowe, GPS, łączność satelitarna itd. To również wskazówka, że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła, które też jest falą elektromagnetyczną.

6. Rzucaliśmy ciężką piłką siedząc na wózku, który miał kółka. Kiedy piłka leciała do przodu, to wózek razem z rzucającym jechał do tyłu. To demonstracja III zasady dynamiki i wynikającej z niej zasady zachowania pędu, ale także działania silników odrzutowych w samolotach (Rys. 3.) oraz napędu rakiet.

   RrWHlDNwLQ9ih

   Rys. 3. Zdjęcie przedstawia wojskowy samolot odrzutowy F‑15 w locie, na tle masywu górskiego, częściowo ośnieżonego.

   

Myślę, że to wystarczy, choć mógłbym dalej wymieniać. Wyjaśniliśmy sobie przy okazji, dlaczego u Mickiewicza najpierw był „blask i dym” – które rozprzestrzeniały się z prędkością światła, czyli 300 000 kilometrów na sekundę (mamy na myśli widok dymu!), potem była „chwila cicho”, kiedy dźwięk rozprzestrzeniał się w powietrzu z prędkością ok. 340 metrów na sekundę, i dopiero potem „huk jak stu gromów”, kiedy dźwięk pokonał odległość do obserwatora. Rozumiemy także dlaczego „Harmaty… wystrzelone toczyły się na kołach”. One po prostu demonstrowały zasadę zachowania pędu przy wystrzale.

W ten sposób powiedziałem Ci o dwóch bardzo ważnych cechach opisu doświadczenia lub pokazu, sugerując jak taki opis zacząć i jak zakończyć. Zacząć tak, by pobudzić uwagę słuchacza lub obserwatora, informując go, że prezentować będziemy coś naprawdę ciekawego i ważnego. Kończyć natomiast tak, by uświadomić, że tak naprawdę pokazaliśmy o wiele więcej niż się wydawało, kiedy obserwował nasz pokaz. Natomiast z punktu widzenia obserwatora pokaz powinien kończyć się wrażeniem uczestniczenia w czymś wyjątkowym, ważnym, fascynującym i pozostającym na długo w pamięci.

Teraz powiedzmy jakie elementy powinny znaleźć się w opisie samej procedury doświadczenia lub pokazu.

1. Dobrze jest zacząć od jasnego i jednoznacznego nazwania celu, czyli od wyjaśnienia, co chcemy obserwatorowi lub słuchaczowi pokazać albo/i powiedzieć. Cele mogą być różne. Nie musi to być demonstracja zjawiska. Celem może być pokazanie jakiejś szczególnie ciekawej, specyficznej jego cechy lub jego praktycznego zastosowania.

2. Przedstawienie praw i zasad fizycznych stanowiących podstawę prezentowanego zjawiska. Chodzi o to, by w czasie pokazu obserwator rozumiał, co wykonujemy i po co  to robimy. Wyjątek stanowi sytuacja, gdy celowo nie informujemy, by później spowodować efekt zaskoczenia i dopiero wtedy wszystko wyjaśnić.

3. Opisanie aparatury używanej w doświadczeniu: jakie są elementy aparatury, co do czego służy i jak jest zbudowane.

4. Teraz możemy przystąpić do zademonstrowania przebiegu samego doświadczenia lub pokazu. Obserwator patrzy na to, co odbywa się przed jego oczami, rozumiejąc jak działa aparatura i bacząc, czy cel faktycznie zostanie osiągnięty.

5. Ważne, by pokazać i podkreślać uniwersalny charakter, a także piękno praw fizyki, które polega właśnie na tym, że kilka prostych zasad opisuje ogromną ilość procesów obserwowanych w różnych zjawiskach, które na pozór nie mają ze sobą nic wspólnego.

6. Jeśli doświadczenie składa się z kilku etapów, rozdzielnych w czasie i/albo przestrzeni, to warto scharakteryzować każdy z nich oddzielnie, a dopiero potem wszystko złożyć w jedną całość.

Te punkty powinny być poprzedzone wstępem i zakończone wnioskami, o czym już wspominałem.

Weźmy za przykład, wspominany już, kształt strumienia wody wylatującej z ogrodowego węża. W ruchu wody poznajesz dobrze Ci znany ze szkoły rzut ukośny. Potrafisz wyliczyć parametry tego ruchu, jeśli tylko znasz prędkość początkową i kąt ustawienia rurki, z której wypływa woda.

Ale przecież wiesz dużo więcej! Wiesz, pod jakim kątem wybić się z progu, by w dal skoczyć najdalej. Wiesz, jaka jest prędkość początkowa skoczka wzwyż. Znasz prędkość skoczka na nartach, skaczącego z belki ustawionej 50 metrów nad progiem skoczni. W ten sposób Twoje doświadczenie pokazuje potęgę fizyki i trzeba to zawsze podkreślać.

Na zakończenie pokażę Ci inny „kran”, który też wyrzuca wodę, tylko z prędkością 200 km/h, przepływ to ok. 500 l/s. W rezultacie słup wody wzbija się na wysokość ok. 140 m. Jest to słynna fontanna w Genewie (Rys. 4.).

RAoeASZicDUeR

Rys. 4. Zdjęcie przedstawia fontannę Jet d'Eau w Genewie, najwyższą fontannę w Europie. Woda wyrzucana jest na wysokość 140 metrów z prędkością 200 kilometrów na godzinę. Zdjęcie wykonano wczesnym wieczorem – prezentowana fontanna pokazana jest na tle rozświetlonego miasta, w tle widoczne są również żaglówki.

Fontanna, stanowiąca atrakcję turystyczną Genewy, to w zasadzie taki sam kran, jak ten u Ciebie w łazience, tylko trochę większy. Fizyka w obu przypadkach jest taka sama.

W dalszej części tego materiału, przy pomocy grafiki interaktywnej, opiszemy inny typ pokazu, który równocześnie jest doświadczaniem fizycznym, prezentującym działanie całej gamy praw i zasad fizyki. Trzeba tylko popatrzeć oczami fizyka na to, co obserwujemy. Zobaczymy wtedy o wiele więcej szczegółów, a przede wszystkim zrozumiemy, dlaczego obserwowany proces przebiega tak, jak przebiega i dlaczego „wykonujący doświadczenie” zachowuje się tak, a nie inaczej.

Tym „pokazem” będą … skoki narciarskie.

Słowniczek