Spis treści

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film edukacyjny

Sprawdź się

Dla nauczyciela

Jak zastosować zasadę zachowania momentu pędu w praktyce?

Czy to nie ciekawe?

Skąd pilot samolotu wie, czy utrzymuje samolot poziomo oraz… gdzie jest Ziemia i jak ma wylądować? Odpowiedź jest dość oczywista przy dobrej pogodzie – widać, gdzie jest horyzont. Jednakże w gęstej mgle wszystkie punkty orientacyjne zanikają – jak wtedy sobie poradzić? Z pomocą przychodzi „sztuczny horyzont” czyli… żyroskop! Czym są żyroskopy, gdzie się z nimi spotykamy i do jakich celów są wykorzystywane?

Rys. a. "Sztuczny horyzont" czyli wykorzystanie żyroskopów w technice lotniczej.

Twoje cele

W tym materiale:

- Zastosujesz zasadę zachowania momentu pędu do zrozumienia mechanizmu działania żyroskopu,

- Rozpoznasz wykorzystanie mechnizmów bazujących na zasadzie zachowania momentu pędu w technice.

Przeczytaj

Warto przeczytać

Przypomnijmy na wstępie treść zasady zachowania momentu pędu – zmiana momentu pędu L dokonująca się w czasie ∆t wymaga przyłożenia momentu siły M :

Jeśli zatem do ciała nie są przyłożone momenty siły zewnętrznej, to jego moment pędu pozostaje stały. Moment pędu dla punktu materialnego definiujemy jako

gdzie r – odległość punktu od osi obrotu, a p – pęd tego ciała. Dla bryły sztywnej , gdzie I – moment bezwładności bryły sztywnej, a ωomega – prędkość kątowa tej bryły.

Jakie zastosowanie może mieć powyższa zasada? Przede wszystkim zwróćmy uwagę na szybko obracające się masywne obiekty – będą one zachowywały swoją orientację w przestrzeni, ponieważ zmiana tej orientacji wymagałaby przyłożenia znacznego momentu siły. Takie właśnie urządzenia nazywamy żyroskopami, od greckiego gyros – obrót i skopeo – obserwować. W wersji rozrywkowej żyroskopy znamy pod nazwą bąka, zabawki widocznej na Rys. 1., znanej od starożytności.

Rys. 1. Bąki - żyroskopy jako zabawki.

Źródło: dostępny w internecie: https://unsplash.com/photos/hGb5WqRrWIg [dostęp 12.04.2022], domena publiczna.

Historia żyroskopów jako przyrządów pomiarowych sięga połowy XIX wieku, kiedy to francuski fizyk Leon Foucault (czyt: fuko) pracował nad unowocześnieniem kompasów. W jego czasach intensywnie rozwijała się żegluga pełnomorska, ze względu na podboje kolonialne europejskich imperiów. W związku z tym coraz większej wagi nabierała kwestia nawigacji na otwartym morzu – oczywiście wykorzystując gwiazdy można nawigować tylko w nocy i przy dobrej pogodzie, a kompasy z igłą magnetyczną niestety kiepsko się sprawowały na wielkich stalowych okrętach (ze względu na własności magnetyczne żelaza). Ponadto kompas z igłą magnetyczną wskazuje na biegun magnetyczny, a nie na biegun geograficzny Ziemi. Jednakże moment pędu wirującego koła zachowany jest niezależnie od pory dnia, pogody czy miejsca, w którym to koło się znajduje – stąd pomysł wykorzystania go do wskazywania stałego kierunku. Na rysunku 2 widoczna jest replika oryginalnej konstrukcji Foucaulta oraz model 3D żyroskopu, który może obracać się w dowolnym kierunku.

Rys. 2a. Replika oryginalnego żyrokompasu Foucaulta.

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Foucault_gyroscope-CnAM_7688-IMG_5428-white.jpg [dostęp 12.04.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

Rys. 2b. Animowana symulacja bez udziału lektora prezentuje model żyroskopu o trzech stopniach swobody. Budowa modelu to trzy współśrodkowe szare pierścienie, które obracają się względem siebie. Pierścienie mają różną średnicę. Wewnątrz najmniejszego pierścienia ustawiono pionowo pręt koloru brązowego. W połowie wysokości pręta zamocowany jest poziomy dysk. Dysk obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w płaszczyźnie poziomej.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Fcucf3Fm45AOtwiera się w nowym oknie

Rys. 2b. Model żyroskopu o trzech stopniach swobody.

Źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gyroscope_operation.gif, domena publiczna.

Rys. 2b. Animowana symulacja bez udziału lektora prezentuje model żyroskopu o trzech stopniach swobody. Budowa modelu to trzy współśrodkowe szare pierścienie, które obracają się względem siebie. Pierścienie mają różną średnicę. Wewnątrz najmniejszego pierścienia ustawiono pionowo pręt koloru brązowego. W połowie wysokości pręta zamocowany jest poziomy dysk. Dysk obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w płaszczyźnie poziomej.

Dlaczego żyrokompas był w stanie wskazywać ziemski biegun geograficzny? Zwróćmy uwagę, że żyroskop z  rysunku 2b znajduje się w tak zwanym zawieszeniu Cardana, umożliwiającym mu obracanie dookoła trzech osi X, Y, Z. Jeśli wprawiony jest on w ruch obrotowy, to obracanie konstrukcją nie zmieni położenia żyroskopu, wektor moment pędu będzie wskazywał dokładnie ten sam kierunek, w którym został rozkręcony – zakładając idealną konstrukcję zawieszenia, czyli brak tarcia na łożyskach. Możemy zmodyfikować tę konstrukcję, blokując jeden stopień swobody – w taki sposób, aby oś wirowania żyroskopu była zawsze styczna do poziomu. Na rysunku 3 demonstrujemy konsekwencje takiego działania – na skutek ruchu obrotowego Ziemi do ramy konstrukcji przyłożony będzie moment siły wymuszający obrót żyroskopu do położenia wskazującego biegun. Wektor momentu pędu zajmie położenie równoleżnikowe – taka jest idea działania żyrokompasu Foucaulta.

Rys. 3 . Żyrokompas wskazujący biegun geograficzny - zasada działania.

Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Niestety w praktyce w XIX wieku konstrukcja nie spełniła swego zadania – kołysanie statku przez fale wprowadzało dodatkowe, losowe, momenty sił, zaburzające pracę tego żyrokompasu. Dopiero w pierwszej połowie XX wieku zmodyfikowano konstrukcję zawieszenia Cardana, ulepszono technologię wykonywania łożysk oraz użyto sprawniejszych silników elektrycznych rozpędzających wirująca masę. W efekcie uzyskano żyrokompasy jak na rysunku 4, powszechnie wykorzystywane w nawigacji morskiej.

Rys. 4. Współczesny żyrokompas elektroniczny.

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gyroscope_hg.jpg [dostęp 12.04.2022], licencja: CC BY-SA 2.5.

Niestety żyrokompasy nie przyjęły się w nawigacji lotniczej, ze względu na bardzo dużą prędkość ruchu tych maszyn. Wartość tego samego rzędu co prędkość liniowa punktów na powierzchni Ziemi spowodowałaby konieczność wprowadzania skomplikowanych poprawek. Jednakże żyroskopy wykorzystuje się w lotnictwie w innym celu – w przyrządzie zwanym „sztucznym horyzontem”, widocznym na rysunku 5. Wewnątrz obudowy umieszczony jest żyroskop o dwóch stopniach swobody – oś główna pozostaje nieruchoma i niezależnie od wychylenia samolotu w trakcie manewrów, wskaźnik horyzontu pozostaje w pozycji poziomej:

Rys. 5 . Sztuczny horyzont - przyrząd lotniczy.

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Horizon_%E2%80%94_AGB-3.jpg [dostęp 12.04.2022], domena publiczna.

Żyroskopy stosowane są nie tylko w nawigacji morskiej i lotniczej – spotykamy się z nimi na każdym kroku, gdy mamy do czynienia ze stabilizacją jakiegoś ruchu. Przykładowo – spójrzmy na widoczne na rysunku 6 urządzenia typu „Segway”. Ruch za pomocą tych pojazdów nie wymaga żadnego działania mechanicznego typu odepchnięcie się nogą czy „dodatnie gazu” przekręcając manetkę (jak w motocyklu czy hulajnodze elektrycznej). Pojazd jedzie zgodnie z kierunkiem naszego wychylenia – wytwarzamy moment siły, który jest wykrywany przez komputer pokładowy za pomocą układów żyroskopowych, a następnie kompensowany:

Rys. 6 Pojazdy typu Segway.

Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/pl/photos/mobilno%C5%9B%C4%87-ko%C5%82o-powietrzne-monocykl-513823/ [dostęp 12.04.2022], https://pixabay.com/pl/photos/budapeszt-w%c4%99gry-segway-wycieczka-2030135/ [dostęp 12.04.2022], https://pixabay.com/pl/photos/segway-dwa-ko%c5%82a-promenada-natura-2481569/ [dostęp 12.04.2022], domena publiczna.

Ze stabilizacją ruchu mamy do czynienia również w popularnych gimbalach używanych w połączeniu z telefonami komórkowymi lub profesjonalnych stabilizatorach obrazu wykorzystywanych do aparatów fotograficznych i kamer. Również w przestrzeni kosmicznej, aby zachować pożądaną orientację względem Ziemi lub wybranych gwiazd, stosuje się układy żyroskopowe.

Rys. 7a . Żyroskopowe stabilizatory w różnych odsłonach - stabilizator obrazu.

Źródło: dostępny w internecie: https://unsplash.com/photos/jg3NTQilepo [dostęp 13.04.2022], https://unsplash.com/photos/3rrEPsWw26k [dostęp 13.04.2022], domena publiczna.

Rys. 7b . Żyroskopowe stabilizatory w różnych odsłonach - teleskop Hubble'a.

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HST-SM4.jpeg [dostęp 13.04.2022], domena publiczna.

Słowniczek

Leon Foucault

francuski fizyk i astronom (1819-1868), znany głównie z konstrukcji pierwszych żyroskopów oraz zademonstrowania dzięki wahadłu działania siły Coriolisa (dziś zwanego wahadłem Foucaulta).

żyroskop (ang. gyroscope)

od greckiego gyros – obrót i skopeo – obserwować. Urządzenie służące do utrzymania lub zmierzenia zmiany położenia (orientacji) w przestrzeni. Mechanizm jego działania opiera się na zasadzie zachowania momentu pędu.

Film edukacyjny

Jak zastosować zasadę zachowania momentu pędu w praktyce?

W filmie prześledzimy historię żyroskopów – od połowy XIX wieku do czasów współczesnych.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DU45TxKuaOtwiera się w nowym oknie

Wysłuchaj ścieżki lektorskiej nagrania.

Ćwiczenie 1

Dlaczego klasyczny żyroskop Foucaulta nie sprawdził się jako żyrokompas podczas morskiej żeglugi?

Uzupełnij

Pokaż odpowiedź

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Rozwiąż krzyżówkę aby odkryć nazwisko konstruktora pierwszych żyroskopów.

1.

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 1 z 7

Fragment hasła

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 2 z 7

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 3 z 7

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 4 z 7

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 5 z 7

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 6 z 7

Pytanie Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.Znak 7 z 7

2.

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 1 z 6

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 2 z 6

Fragment hasła

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 3 z 6

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 4 z 6

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 5 z 6

Pytanie Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.Znak 6 z 6

3.

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 1 z 7

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 2 z 7

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 3 z 7

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 4 z 7

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 5 z 7

Fragment hasła

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 6 z 7

Pytanie ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówkiZnak 7 z 7

4.

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 1 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 2 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 3 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 4 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 5 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 6 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 7 z 9

Fragment hasła

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 8 z 9

Pytanie Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.Znak 9 z 9

5.

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 1 z 6

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 2 z 6

Fragment hasła

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 3 z 6

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 4 z 6

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 5 z 6

Pytanie Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.Znak 6 z 6

6.

Pytanie Zasadę działania żyroskopu tłumaczy zasada zachowania momentu ...Znak 1 z 4

Pytanie Zasadę działania żyroskopu tłumaczy zasada zachowania momentu ...Znak 2 z 4

Pytanie Zasadę działania żyroskopu tłumaczy zasada zachowania momentu ...Znak 3 z 4

Pytanie Zasadę działania żyroskopu tłumaczy zasada zachowania momentu ...Znak 4 z 4

Fragment hasła

7.

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 1 z 6

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 2 z 6

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 3 z 6

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 4 z 6

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 5 z 6

Pytanie Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.Znak 6 z 6

Fragment hasła

8.

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 1 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 2 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 3 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 4 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 5 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 6 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 7 z 8

Pytanie Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...Znak 8 z 8

Fragment hasła

1. 1.  Ojczysty kraj bohatera tej krzyżówki.

2. 2.  Przyrząd nawigacyjny będący poprzednikiem żyroskopów, używany do dziś w turystyce pieszej.

3. 3.  ... pełnomorska bardzo skorzystała na odkryciu bohatera krzyżówki

4. 4.  Żyroskop bardzo ją ulatwia, zwłaszcza podczas 3.

5. 5.  Zawieszenie nazwane jego nazwiskiem pomogło ulepszyć żyroskop.

6. 6.  Zasadę działania żyroskopu tłumaczy zasada zachowania momentu ...

7. 7.  Fotograficzne zastosowanie żyroskopu.

8. 8.  Lotniczym zastosowaniem żyroskopu jest sztuczny ...

Ćwiczenie 2

Obracanie się dookoła własnej osi z nieruchomym oraz z rozkręconym kołem rowerowym powoduje różne zachowanie się koła. Które z poniższych zjawisk i zasad nie wyjaśniają tego doświadczenia?

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Rozkręcone koło oddziałuje na nas siłą Coriolisa, wymuszając obrót

- Rozkręcone koło jest ciężej utrzymać ze względu na siłę odśrodkową

- Kręcące się koło wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, które ustawia się zgodnie z kierunkiem igły kompasu.

- Rozkręcone koło posiada moment pędu, którego zmiana wymaga przyłożenia momentu siły

Ćwiczenie 3

Dlaczego w żyroskopach pożądane jest, aby ciało obracało się z dużą prędkością kątową?

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Prędkość kątowa żyroskopu musi przewyższać prędkość kątową układu, w którym się znajduje, czyli Ziemi

- Żadne z powyższych

- Większa prędkość kątowa oznacza większy moment pędu bryły sztywnej.

- Większa pręgkość kątowa daje stabilniejszą pracę żyroskopu, ponieważ zmiana jego momentu pędu wymagałaby większego momentu siły

- Im więcej energii kinetycznej ruchu obrotowego zgromadzonej jest w ruchu tej bryły, tym dłużej żyroskop będzie działać

Ćwiczenie 4

Dopasuj obrazki do odpowiadających im nazw.

Żyrokompas elektroniczny

Żyrokompas

Sztuczny horyzont

Kompas

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Foucault_gyroscope-CnAM_7688-IMG_5428-white.jpg [dostęp 13.04.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gyroscope_hg.jpg [dostęp 13.04.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Horizon_%E2%80%94_AGB-3.jpg [dostęp 13.04.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kompas_Sofia.JPG [dostęp 13.04.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 5

W broni palnej stosuje się czasem lufę gwintowaną. Jaki jest tego cel?

Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:105mm_tank_gun_Rifling.jpg [dostęp 13.04.2022], licencja: CC BY-SA 2.0.

Uzupełnij

Pokaż rozwiązanie

Ćwiczenie 6

Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Dwie tarcze, o momencie bezwładności odpowiednio IIndeks dolny 1 i IIndeks dolny 2 obracają się z prędkościami kątowymi ωIndeks dolny 1i ωIndeks dolny 2, w przeciwnych kierunkach. W pewnym momencie do osi tych tarcz przyłożono dużą siłę, która spowodowała zetknięcie się tarcz i obracanie się ich dalej wspólnie. Jaka jest prędkość kątowa ωIndeks dolny x z jaką teraz obracają się tarcze? Uzupełnij wzór z gotowych elementów.

I2

Pokaż rozwiązanie

Ćwiczenie 7

Dlaczego żyrokompasy mechaniczne nie są wykorzystywane w lotnictwie do ustalania kierunku bieguna Ziemi?

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Duża prędkość samolotu względem Ziemi sprawia, że moment siły obracający żyroskop pochodzący od ruchu obrotowego Ziemi przestaje być dominującym momentem siły, przez co nie można ustalić bezwzględnego kierunku.

- Żadne z powyższych, to tylko kwestie historyczne związane z kosztami i technologią.

- Na duży wysokościach prędkość samolotu względem Ziemi jest mniejsza niż tuż nad Ziemią, co zaburza pracę żyroskopu.

Ćwiczenie 8

Jaki efekt wykorzystują wszystkie wskazane poniżej urządzenia?

Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/pl/photos/budapeszt-w%c4%99gry-segway-wycieczka-2030135/ [dostęp 13.04.2022], https://unsplash.com/photos/8cm8fWtRlXM [dostęp 16.04.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gyroscope_hg.jpg [dostęp 13.04.2022], domena publiczna.

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Efekt ruchu obrotowego Ziemi

- Te urządzenia nie wykorzystują wspólnego zjawiska fizycznego

- Efekt żyroskopowy

- Efekt Coriolisa

Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora:

Dariusz Aksamit

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Jak zastosować zasadę zachowania momentu pędu w praktyce?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Zakres rozszerzony

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

17) przedstawia wybrane informacje z historii odkryć kluczowych dla rozwoju fizyki.

III. Mechanika bryły sztywnej. Uczeń:

7) stosuje zasadę zachowania momentu pędu.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.

- kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

- kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

- kompetencje cyfrowe,

- kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. zastosuje zasadę zachowania momentu pędu do zrozumienia mechanizmu działania żyroskopu,

2. rozpozna wykorzystanie mechanizmów bazujących na zasadzie zachowania momentu pędu w technice.

Strategie i metody nauczania:

eksperymentalno-obserwacyjna

Formy zajęć:

- praca indywidualna,

- pokaz.

Środki dydaktyczne:

komputer z dostępem do Internetu i projektorem multimedialnym, koło rowerowe z osią

Materiały pomocnicze:

brak

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel prosi ochotnika o wykonanie następującego eksperymentu: nauczyciel wręcza uczniowi koło rowerowe, prosi ucznia o ustawienie wyprostowanych rąk pod pewnym kątem względem pionu i rozpoczęcie obracania się dookoła własnej osi. Nie dzieje się nic zaskakującego – ale teraz nauczyciel powtarza eksperyment, wręczając uczniowi mocno rozkręcone koło rowerowe. Tym razem uczeń obracając się wyczuje, że koło dąży do zmiany swojego położenia – tak, aby jego oś tworzyła stały kąt z płaszczyzną obrotu i niezmiennie wskazywała „biegun” nad głową obracającego się ucznia. Eksperyment należy powtórzyć kilkukrotnie z różnymi uczniami, aby samodzielnie poczuli zachowanie się koła. Nauczyciel podsumowuje doświadczenie, wprowadzając pojęcie żyroskopu i żyrokompasu.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel włącza projektor i prezentuje uczniom film z niniejszego e-materiału. Nauczyciel prosi uczniów o robienie notatek na temat różnych konstrukcji żyroskopowych. Po projekcji nauczyciel prosi uczniów o przedstawienie zanotowanych nazw, zapisując je na tablicy (żyroskop Foucaulta, stabilizatory żyroskopowe, sztuczny horyzont, żyroskopy MEMS, żyroskopy laserowe). Następnie nauczyciel prosi uczniów o dobranie się w grupy, każdej z nich przydzielając jeden z zapisanych na tablicy tematów. Uczniowie mają za zadanie dowiedzieć się więcej o fizycznej zasadzie działania wybranej konstrukcji i na koniec lekcji zreferować tę wiedzę reszcie klasy.

Faza podsumowująca:

Przedstawiciele poszczególnych grup prezentują bardziej szczegółowe informacje na temat konstrukcji, zasady działania i zastosowań wybranych urządzeń, pozostali uczniowie wykonują notatki. Na koniec nauczyciel prosi uczniów o indywidualne rozwiązanie zadań 1, 2, 3, 4 z zestawu ćwiczeń, weryfikując na ile skutecznie przyswoili wiedzę z lekcji.

Praca domowa:

Uczniowie utrwalają wiedzę i zdobyte umiejętności przez rozwiązanie w domu zadań, których nie rozwiązali na lekcji: 5, 6, 7 i 8 z zestawu ćwiczeń. Można zasugerować ochotnikom możliwość wykonania dalszej pracy związanej z wybraną technologią żyroskopów w formie plakatu lub prezentacji.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Można polecić uczniom obejrzenie filmu w domu, a następnie przygotowanie w grupach obszerniejszych prezentacji na temat przedstawionych urządzeń – realizując lekcję w formie odwróconej klasy.

Table of Contents

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film edukacyjny

Sprawdź się

Dla nauczyciela