Výuka Newtonových zákonů II - výklad

Úvod

Tematický celek POHYB TĚLES. SÍLY ze vzdělávacího oboru Fyzika má klíčový význam pro pochopení jevů, s nimiž se každý člověk setkává už od dětství, a které souvisejí se vzájemným silovým působením těles a jeho účinky. Dítě si na základě vlastní zkušenosti, pozorování jevů i aktivní činnosti vytváří před školní výukou své vlastní tzv. prvotní nebo intuitivní představy [1] o světě kolem něj. K nim patří především intuitivní představy o souvislosti síly a pohybu. Výzkumy ukazují, že tyto představy jsou často v rozporu s vědeckými poznatky, jsou velmi trvalé a pro mnohé žáky tvoří vážnou bariéru pro pochopení Newtonových zákonů, které jsou základem porozumění nejen řady jevů kolem nás, předvídání nebo záměrného ovlivňování jejich průběhu, ale jsou základem i pro chápaní dalších fyzikálních témat. S mylnou představou, že pro každý pohyb (i rovnoměrný přímočarý) je nutné působení síly ve směru pohybu, se setkáme nejen u malých dětí předškolního věku, ale i u žáků či studentů, kteří prošli výukou fyziky v různém rozsahu, rovněž tak i u dospělých lidí. Zkuste se zeptat, jaká výsledná síla působí na automobil pohybující se rovnoměrně přímočaře po silnici. Kolik získaných odpovědí bude v souladu s prvním Newtonovým pohybovým zákonem?

Má-li žák podle školního vzdělávacího programu dosáhnout výše uvedených očekávaných výstupů, je nezbytné, aby učitelé dobře znali, a také uměli pomocí vhodných úloh zjišťovat prvotní představy svých žáků. Proto jsme zařadili příspěvek, v němž na několika příkladech ukazujeme typické intuitivní představy žáků o vztahu pohybu a síly, a také jednoduché úlohy, kterými se můžete přesvědčit, kolik Vašich žáků má podobné mylné představy. V tomto příspěvku rozeberme postupně všechny tři Newtonovy zákony a ukážeme si, v čem jsou v rozporu s prvotními představami žáků a jak bychom měli postupovat, abychom tyto představy alespoň částečně korigovali.

Newtonovy pohybové zákony ve fyzice v základní škole

Podle jednoho z očekávaných výstupů RVP ZV (viz tematický celek POHYB TĚLES. SÍLY ve vzdělávacím oboru Fyzika) žák "využívá Newtonovy zákony pro objasňování či předvídání změn pohybu těles při působení stálé výsledné síly v jednoduchých situacích". Ukažme na několika příkladech možnosti, jak lze uvedený očekávaný výstup naplňovat.

První Newtonův zákon (nazývaný též zákon setrvačnosti), je v rozporu s běžnou zkušeností žáků, že pro každý pohyb je nutné působení síly a síla musí působit tak dlouho, dokud trvá pohyb. Tato představa je založena na skutečnosti, že ve světě kolem nás vždy existují síly odporující pohybu (třecí síla, odpor prostředí). Abychom tedy při seznamování žáků s prvním Newtonovým zákonem vycházeli z jejich zkušeností, musíme je nejprve seznámit s existencí sil odporujících pohybu, a také se skládáním sil, zvláště pak s rovnováhou sil. Pak můžeme hned od začátku použít formulaci zákona setrvačnosti zahrnující nejen prakticky nereálnou situaci, kdy na těleso "nepůsobí jiná tělesa silou", ale i situaci, kdy výsledná síla působící na těleso je nulová, neboli kdy síly jsou v rovnováze. Pro pochopení prvního Newtonova zákona je důležité se žáky rozebrat na konkrétních příkladech, že jak se těleso pohybuje nebo zda je v klidu závisí na výsledné síle působící na těleso. Např. v [2] je rozebráno, proč je koule ležící na vodorovné podložce v klidu a jak závisí pohyb auta na výsledné síle (obr.1).

1. Obr.

2. Obr.

Druhý Newtonův zákon (zákon síly), se na základní škole zařazuje jen v kvalitativní podobě, ale i v takové podobě má mimořádný význam pro korekci představy žáků, že síla způsobuje rychlost pohybu - ne její změnu. Je vhodné vyjít z rozboru konkrétního příkladu blízkého žákově zkušenosti, kdy odporující síly jsou co nejmenší. Např. v [2] jsou uvedeny čtyři základní možnosti změny rychlosti resp. pohybu sáněk působením síly (obr. 2).

3. Obr.

Obdobně lze na příkladu vycházejícím ze zkušenosti žáků ilustrovat obsah zákona síly - závislost změny rychlosti (v daném časovém intervalu) na velikosti působící síly (při konstantní hmotnosti) a na hmotnosti tělesa (při konstantní síle): čím větší síla po určitou dobu na těleso působí, tím je změna jeho rychlosti větší, čím je větší hmotnost tělesa, tím je změna jeho rychlosti působením dané síly po určitou dobu větší (viz např. obr. 3 z [2]).

Také s třetím Newtonovým zákonem (zákonem akce a reakce resp. zákonem vzájemného působení těles) je spojena řada mylných představ žáků. Např., že akce a reakce působí na totéž těleso a mohou být spolu v rovnováze. K této záměně sil vzájemného působení těles a rovnováhy sil přispívá skutečnost, že výklad zákona akce a reakce se zpravidla začíná případem, kdy tělesa jsou v bezprostředním dotyku (např. prst a pružina (obr.4), pak žákům znázorněné působiště splývá do jednoho bodu A).

4. Obr.

 

Proto je vhodnější začínat případem, kdy tělesa nejsou v bezprostředním dotyku a znázorněné působiště obou sil nesplývá. Např. v [2] je uveden kvantitativní pokus působení železné tyčky a magnetu (obr. 5) umístěných na lehce pohyblivých vozíčcích.

5. Obr.

Velice zakořeněná je představa žáků, že dvě tělesa různé hmotnosti na sebe působí vzájemně různě velkými silami. Pro vyvrácení této představy je vhodné žáky přesvědčit pokusem (např. v obr. 5a je magnet větší než železná tyčka, ale síly F₁ a F₂ jsou stejně veliké). Velice důležitým příkladem je vzájemné působení Země a např. padajícího jablka: představa, že malé jablko přitahuje Zemi stejně velkou silou F_g jako Země přitahuje jablko, je pro žáky obtížná, protože nepozorují účinek této síly. K vysvětlení musíme použít kvalitativní znalosti 2. Newtonova zákona. Země má nesrovnatelně větší hmotnost než kámen, a proto s ní síla F_g prakticky nepohne.

Žáci jsou často přesvědčeni, že těleso způsobující pohyb jiného tělesa na ně působí větší silou. Zde je vhodné, aby si žáci sami vyzkoušeli pokus, kdy jeden z nich na skateboardu (nebo na kolečkových bruslích) strčí do druhého stojícího na skateboardu (přibližně stejně hmotného) a zjistí, že se posunou oba.

Jaká je optimální posloupnost v seznamování žáků s Newtonovými zákony? Na základě předchozího rozboru je zřejmé, že před zařazením Newtonových zákonů by se žáci měli naučili měřit síly, skládat síly - uvědomovat si, že v rovnováze mohou být jen síly působící na totéž těleso. Probírání Newtonových zákonů je vhodné začít kvalitativním výkladem 2. Newtonova zákona, aby si žáci uvědomili, jaké pohybové účinky může mít síla a v té souvislosti, aby se alespoň na příkladech seznámili s existencí sil odporujících pohybu. Teprve pak zařadíme 1. Newtonův zákon (zákon setrvačnosti). Na závěr seznamujeme žáky s 3. Newtonovým zákonem (zákonem akce a reakce), protože k objasnění řady intuitivních představ spojených s tímto zákonem potřebujeme i znalost předchozích dvou zákonů.

Závěr

Splnění očekávaných výstupů z RVP ZV vztahujících se k problematice pohybu a síly, tedy i správné pochopení Newtonových pohybových zákonů a získání dovednosti používat je k objasňování či předvídání změn pohybu těles (při působení stálé výsledné síly) nutně vyžaduje, aby si učitel uvědomoval, jaké jsou nejčastější intuitivní představy žáků o vztahu pohybu a síly. Aby tyto představy uměl u svých žáků odhalovat a vhodným uspořádáním a pojetím vzdělávacího obsahu o Newtonových zákonech přispíval k jejich korigování.