Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání > Vybraná témata z fyziky v informatice

Ikona teoreticky

Vybraná témata z fyziky v informatice

Ikona odbornost
Autor: Monika Černá
Spoluautor: RNDr. Michal Černý
Anotace: Je zajímavé, že velké množství učitelů informatiky nemá k fyzice příliš kladný vztah. Přitom přesahy fyziky do informatiky se nabízejí téměř všude – od omezení počítačových sítí přes přenosy signálů až po činnost hardwaru. V následujícím článku se tedy podíváme na jednodušší i složitější oblasti, kde je možné se o fyziku v informatice dobře opřít.
Obor příspěvku:Informatika a informační a komunikační technologie
Klíčová slova: ICT, fyzika, signály, optické vlákno, signál, LCD

Smysluplně lze mluvit o přesahu fyziky do informatiky až poté, co jsou ve fyzice probrány kapitoly kmity, vlny, optika a alespoň základy elektřiny a magnetismu, tedy nejdříve někdy v průběhu třetího ročníku, pakliže je fyzika vyučována celé čtyři roky vyššího gymnasiálního stupně. Jelikož se úroveň znalostí žáků značně liší – a to nejen kvalitou, ale také skladbou probíraných témat, měla by v této oblasti být poměrně živá vazba mezi jednotlivými vyučujícími. Ideální z tohoto pohledu je, když oba předměty vyučuje jeden pedagog, kterému se mezipředmětové vazby vytvářejí poměrně jednoduše.

Dobře pojatý přesah fyzikálních témat do informatiky (nebo obecně do ICT) může být pro žáky v mnohém přínosný a zajímavý. Je možné jim poměrně snadno ukázat, jak fungují relativně velmi složité věci, jako je přenos informací kabelem nebo vzduchem, a naznačit jim, kde jsou jaká přírodní omezení, proč se volí právě takové materiály nebo jaké jsou perspektivy pro zlepšení určité technologie.

V následujícím příspěvku se pokusíme ukázat na určité oblasti, kde se přesah fyziky do technologií ICT přímo nabízí a kde jeho vysvětlení nemusí být příliš složité. Jistě není na gymnasiu cílem budovat informatiku jako striktně teoretickou vědeckou disciplínu, ale možnosti některých praktických jednoduchých ukázek jsou možné a jednoznačně žádoucí. Výběr je jen čistě subjektivní a značně selektivní ukázkou toho, kde by se případné přesahy mohly ve výuce informatiky objevit.

U jednotlivých témat je samozřejmě poměrně velký prostor pro to, aby žáci sami zapojili své znalosti a nápady, jak by bylo možné vyřešit určitý problém. Myslím, že právě v této interakci žáků s problémem je možné nalézt hlavní přínos této mezipředmětové vazby. Předně to, na co žáci sami přijdou, si mnohem lépe zapamatují, budou mít radost z poznání a pochopení věcí a v neposlední řadě si lépe uvědomí, jak je fyzika přítomná ve věcech, které jsou běžně kolem nich, a že mají její zákony dalekosáhlé technické využití.

Počítačové sítě

Počítačové sítě a internet patří nepochybně mezi stěžejní témata výuky ICT na gymnasiu a periodicky se v něm objevují. Pokud jde o témata, kterým je možné s v této oblasti věnovat, tak je lze poměrně přirozeně dělit na více částí. 

Omezení rychlosti

Tato část může být diskutována se žáky již poměrně brzy. Základní otázka, která se oblasti přenosu dat sítí objevuje, je po maximální rychlosti. Aby bylo možné zajistit komunikaci v reálném čase, musí být zpoždění pod 0,2 s. V opačném případě již lidský mozek pozná, že na videokonferenci nebo v přímém přenosu není něco v pořádku a nepůsobí to na něj přirozeným dojmem.

Mějme přímou linku například Brno – Los Angeles. Žáci mají spočítat, kolik času zbývá na nějaké technické operace po odečtení doby, kterou putuje signál sítí. Předpokládejme, že se v optickém kabelu šíří signál rychlostí světla ve vakuu. Jako druhý možný krok je diskuse ohledně zadané rychlosti – jakou dráhu urazí světlo ve skutečnosti? Jaký je index lomu vnitřního prostředí vlákna? A mnohé další.

Poměrně zajímavou odbočkou pak může být satelitní komunikace. S žáky můžete diskutovat o různých druzích satelitů používaných pro přenos dat – LEO, GEO, MEO atp. Zvláštní význam mají GEO, tedy satelity se stacionární drahou. S žáky můžete vypočítat, v jaké výšce se nacházejí a zda je možné je použít pro komunikaci v reálném čase na velké vzdálenosti.

Bezdrátový přenos dat

Dalším zajímavý tématem může být například problematika přenosu dat vzduchem. Žáci sami mohou přemýšlet o tom, jaký je vztah frekvence a množství dat, která je možné odeslat, a pedagog tyto jejich úvahy jistě obohatí o řadu praktických příkladů, jakým způsobem se tento problém v praxy řeší (FDM, AMD, ...). Zde je také jistě prostor pro diskusi nad tím, jaké frekvence je možné pro přenos dat používat. Na jedné straně jsou zde velmi dlouhé vlny, na kterých přeneseme málo dat, na druhé pak velmi vysoké frekvence s omezeními jednak na straně generátoru, také ale v oblasti zdravotní či rušení signálu.

Je možné se žáky mluvit o tom, jaký je vztah mezi frekvencí a absorpcí prostředí, proč jedné technologii vadí zdi či déšť a druhé ne, atp. Mimo to je samozřejmě také možné se zmínit o tom, jak musí vypadat přijímače takovýchto signálů, což by opět měli vědět žáci již z fyziky.

Klíčové pro tuto oblast je, aby žáci měli dobře zvládnutou tematiku rezonance v kapitole kmitání a vlnění.

Optická vlákna

Tematika optických vláken je v oblasti fyzikálního vysvětlení v základu velmi jednoduchá. Využívá se jevu totálního odrazu a také toho, že elektromagnetické vlnění o různých frekvencích spolu neinteraguje. V jednom vláknu je možné mít tedy současně více přenosů o různých frekvencích. Vysvětlení principu činnosti optického vlákna je tak poměrně jednoduché a přitom pro žáky zajímavé. I ve školním prostředí ji lze navíc doprovodit experimentálně. 

Hardware

V oblasti hardwarového vybavení počítače je možné potkat fyzikální zákony takřka na každém kroku. Od magnetického záznamu dat, přes optické disky, vysvětlení činnosti LCD panelů nebo třeba při úvahách nad tím, proč se v počítačovém prostředí používá dvojková soustava.

Zajímavou kategorií možných úvah jsou logické obvody. Jejich popis, využití a soustavy spíše tematicky patří na elektroprůmyslové školy, ale pokud se gymnázium z určitých důvodů chce této oblasti věnovat více, možností je skutečně velké množství. Jejich princip je poměrně jednoduchý a žáci se naučí poměrně snadno konstrukčně myslet. 

Magnetický záznam dat

Magnetického záznamu dat se dnes běžně používá jen u pevných disků, a také na ty by se zřejmě měla soustředit pozornost ve výkladu. Je na zvážení pedagoga, zdali je vhodné, aby se ve výkladu zmiňovaly nejnovější technologie, které využívají tunelového jevu, neboť ten není v dostatečné míře probírán ve fyzice.

Pozornost tak má cenu směřovat především k tomu, jak je možné, že na základě orientace magnetických domén je možné rozlišit nulu od jedničky – tedy indukcí. Dalším zajímavým tématem může být, jak je možné vůbec tento záznam provést. Žáci již z elektřiny a magnetismu znají pojmy, jako jsou hysterezní smyčka, magneticky měkký a tvrdý materiál atp. Toho všeho lze při výkladu snadno použít.

Optický záznam dat

Jedna z poměrně přirozených otázek žáků může znít, jak fungují CD či DVD disky. Opět záleží na tom, kolik má který vyučující k dispozici hodin, ale základní výklad může být poměrně jednoduchý. Paprsek laseru je vysílán s přesně známou fází. Stejně tak je známá vzdálenost mezi čtecí jednotkou (laserem a diodou) a diskem. Na disku jsou místa, která jsou „vypálená“ – tedy jejich vzdálenost je nepatrně větší.

Jedno z možných elementarizovaných vysvětlení může být například takovéto: „Paprsek se odráží od disku a dopadá na diodu s různou fází, v závislosti na tom, zdali dopadl do „prohlubně“ či nikoli. Dioda pak podle různé intenzity paprsku (daného hlavně různou fází) snadno rozhodne, zda se jednalo o jedničku či nulu.“ Výklad je ale samozřejmě možné ještě podstatně zjemnit. Zmínit můžeme také například problém se synchronizací čtecí jednotky a otáčení disku.

LCD panel

Jednoznačně nejsložitější partií v našem přehledu je vysvětlení činnosti LCD panelu. Zde se nabízejí dvě základní cesty – buď jen načrtnout základní princip fungování nebo jej skutečně podrobně projít. Pravdou je, že stáčení roviny polarizace není zcela obvyklá gymnasiální látka. Přesto se jedná o tak významný jev, že by neměl zůstat zcela nezmíněn.

Myslím, že stačí říci základní myšlenku, například v následující formě: „Máme látku (tekuté krystaly), které se v elektrickém poli orientují a mají vliv na rovinu polarizace. Ty jsou umístěné mezi dvěma navzájem kolmými polarizačními filtry. Na zadní straně panelu je pak poměrně silný zdroj světla. Světlo tedy nemůže skrze ně nijak procházet. Tím, že může dojít ke změně roviny polarizace díky krystalům, dojde k tomu, že nějaké světlo skrze polarizační filtry projde. Tyto krystaly jsou v každé buňce obrazovky a řídí tak, zda se daný bod rozsvítí či ne.“ 

Přitom se využívá jednoduchého fyzikálního vztahu, že I=I0 cos α. Celý jev je možné poměrně snadno ukázat experimentálně. Mějme zdroj světla a před něj umístíme dva navzájem kolmé polarizační filtry. Pokud mezi ně vložíme ještě jeden natočený vůči nim o obecný úhel, světlo projde. 

Závěrem

Jak je vidět nabídka jednotlivých témat pro výuku je poměrně pestrá a bohatá. Řeč může být také o některých ryze praktických věcech, jako co jsou to přeslechy a jak jim zabránit, nebo již zmíněná otázka, proč se používá dvojková soustava. Samostatnou kapitolou pak jistě může být diskuse o vhodných materiálech pro jednotlivé součástky.

Aplikací fyzikálních zákonů v jednoduché podobě je v informatice tolik, že by byla rozhodně škoda, kdyby se jim ve výuce nevěnovalo více prostoru. Ať již kvůli pochopení činnosti ICT ze strany žáků, tak také proto, že se ukáží velice zajímavé aplikace jinak často velmi abstraktně působících fyzikálních jevů. Žáci navíc získají základní vhled do techniky, která pro ně nebude již jen „černou skříňkou“, ale něčím pochopitelným a dostupným.

Pedagog musí vždy zvážit, do jak velkých detailů se pustí. Osobně se kloním k názoru, že spíše nežli detailní pochopení činnosti jednoho technického zařízení, by měli mít žáci celkové povědomí o principech, které za technologiemi stojí. Takto koncipovaná výuka by měla vést k rozvoji abstraktního uvažování a flexibilního návrhu možných řešení určitého problému. ICT se v tomto kontextu jeví jako ideální cvičiště.

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 07. 09. 2011
Zobrazeno: 3736krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 3.3333

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku : 3
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

zatím nikdo Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
1 uživatel Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
ČERNÁ, Monika. Vybraná témata z fyziky v informatice. Metodický portál: Články [online]. 07. 09. 2011, [cit. 2019-12-06]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/13201/VYBRANA-TEMATA-Z-FYZIKY-V-INFORMATICE.html>. ISSN 1802-4785.
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře RSS komentářů článku
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 07. 09. 2011 10:53
Článek je svým způsobem významný. Dává totiž námět pro částečnou integraci ICT do výuky fyziky. To je ale záležitost tvorby ŠVP. Mojí zkušeností je, že se fyzikové zdráhají přibrat si do učiva další porce látky s tím, že toho tam už mají takhle dost. Proto se stavím za participaci témat výuky ICT, včetně časové dotace na její realizaci v jiný předmětech.
1.Autor: Ivan RyantVloženo: 07. 09. 2011 16:40

Myslel jsem, že přesahy mezi předměty se pokrývají disponibilními hodinami, takže přesahy mezi ict a fyzikou buď vyučuje fyzikář a dostane disponibilní hodiny z ict nebo je naopak učí informatik - a fyzikář musí dát disponibilní hodiny z fyziky do ict. Nám se pak ovšem stává, že češtináři, angličtináři, zeměpisáři a kdekdo vůbec si do švp napíše "hledání informací na internetu" a dostane na to disponibilní hodiny z ict (a disponibilní je polovina z celkové hodinové dotace!) Potom mají ještě tu drzost, že chodí a žádají, abychom v ict naučili studenty pravidla sazby v texťáku, sazbu vzorců nebo abychom v rámci výuky informatiky zajistili správu webu s literárním časopisem. Další důkaz, že Bůh není, protože kdyby byl, tak by se na tohle nemohl dívat - ale jak se na to mohou dívat ti, kteří dohlížejí na švp - to nechápu. Asi taky nejsou... Na gymnáziu tuším v Rumburku na to šli chytře - naintegrovali celou informatiku do ostatních předmětů. Tam si češtináři a fyzikáři aspoň nemají na co stěžovat.

Pokud jde o jevy a pokusy popisované v článku, většinu z nich si může vyzkoušet každý návštěvník berlínského technického muzea - vřele doporučuji! Celá jedna budova je věnována jen pokusům z různých podoborů fyziky, některé jsou i dost drsné. Velmi pěkný pokus je nainstalovaný hned na prostranství před budouvou (lze jej vyzkoušet bez zaplacení vstupného) - dvě parabolické antény vzdálené několik desítek metrů namířené proti sobě, dva lidé dají hlavy do ohnisek a tiše spolu hovoří (v budově pak můžete zkusit něco podobného  pomocí zvukovodu). Kromě pokusů je berlínské technické muzeum pozoruhodné svou sbírkou lokomotiv, zejména parních - souvislost mezi termodynamikou a teorií informace je také jeden z přesahů. Tomu se budu podrobně věnovat ve své učebnici informatiky pro gymnázia.

Vložit komentář:

Pro vložení komentáře je nutné se přihlásit.