Metodický portál RVP.CZ prochází změnami. Více informací zde.
logo RVP.CZ
Přihlásit se
Titulka > Modul články > Základní vzdělávání

Zobrazit na úvodní stránce článků

Elektromagnetismus

Scénář 4 - 6 vyučovacích hodin na téma elektromagnetismus

Úvod a východiska

V ukázce je uveden jeden z možných přístupů k výuce tematického celku Elektromagnetismus. Jedná se o ukázku metodiky projektu Heuréka. Základní charakteristiky tohoto přístupu jsou:

  • důraz na samostatnou práci žáků;
  • využití předchozích znalostí žáků (v zahraniční literatuře označované jako Context-based approach);
  • důraz na skutečné pochopení a schopnost aplikace získaných poznatků.

S elektřinou a magnetismem se děti setkávají již od dětství. I předškolák umí rozsvítit lampičku, zapnout televizi, většinou si již někdy hrál s malými magnety. V průběhu prvních let školní docházky se jeho znalosti rozšiřují a to hlavně v běžném životě (nejen ve škole). Dozvídá se něco o zdrojích elektřiny (umí vyměnit baterii v baterce, ví, že nemá sahat do zásuvky), zjišťuje základní elektrostatické vlastnosti látek (hraje si s obalem na sešity, kterým zvedá vlasy, občas dostane "ránu", když se dotkne dveří při vystupování z auta), učí se používat kompas atd.

Ve škole bude přirozeně začínat systematická výuka elektřiny a magnetismu v různých ročnících 2. stupně ZŠ, a to podle vzdělávacího programu, který je na škole používán.

Uvedený tematický celek začíná v našem případě "historickým okénkem", v němž učitel společně se žáky hledá historické kořeny poznávání elektromagnetismu. Výuka probíhá formou rozhovoru učitele se žáky, neboť žáci již z předchozích hodin fyziky či z dalších zdrojů značné množství poznatků mají, je potřeba je jenom přesněji zformulovat a zasadit do souvislostí.

Návrh sledu doporučených experimentů, úkolů a úvah

1. Historické "okénko"

Nejdříve se učitel ptá žáků, co vědí o historii magnetismu - kdy lidé objevili magnetické vlastnosti některých hornin, kdy a kde se poprvé začal používat kompas. Žáci většinou vědí, že první objevy magnetických jevů pocházejí ze starověké Číny, že Číňané dokonce používali kompas k navigaci lodí. Kompas se objevil mezi lety 475 - 221 př. n. l. jako přístroj ve tvaru lžíce, k jihu mířila naběračka. Magnetit se umístil na hladkou desku způsobem, který umožnil pohyb držátka lžíce podle zemského magnetického pole. Tyto poznatky představují první historický "kořen"elektromagnetismu.

Dále učitel klade žákům otázky týkající se historie elektrostatiky. Žáci se již např. při výuce dějepisu dozvěděli, že první pokusy z elektrostatiky pocházejí ze starého Řecka, učitel případně doplňuje další informace. Tháles z Milétu kolem roku 600 př. n. l. objevil, že třením se jantar dostává do zvláštního stavu, který se projevuje přitahováním lehkých předmětů. Také název elektron pochází z řečtiny a znamená jantar. V novověku v 16. století zopakoval pokusy s jantarem Angličan Gilbert a ukázal, že kromě jantaru je možné elektrovat i mnoho jiných předmětů. Elektrické odpuzování objevil kolem roku 1660 Otto von Guericke a teprve roku 1734 Du Fay objevil existenci dvou druhů elektřiny. V roce 1785 Coulomb formuloval zákon popisující vzájemné silové působení nabitých těles. Tak vznikl druhý "kořen" poznatků vedoucích k elektromagnetismu.

V roce 1789 začal nový úsek v dějinách elektřiny. Italský lékař Luigi Galvani pozoroval trhavé pohyby žabích stehýnek při jejich kontaktu se dvěma různými kovy. Díky Alessandro Voltovi a jeho článkům začala elektřina vykonávat skutečnou práci. Byly objeveny zákony elektrického proudu a elektřina začala být široce využívána. Tento třetí "kořen" úzce navazuje na elektrostatiku.

Na závěr této části hodiny učitel zdůrazní, že až do začátku 19. století však nebyly mezi elektrickými a magnetickými jevy známy úzké souvislosti, o nichž víme dnes. Teprve díky experimentům dánského fyzika Hanse Christiana Oersteda provedenými v letech 1819 - 1820 byly objeveny magnetické účinky elektrického proudu.

2. Magnetické pole v okolí vodiče

Po krátkém historickém přehledu se žáci rozdělí do skupin a začínají experimentovat. Žáci pracují pokud možno ve dvojicích, není-li to možné z hlediska množství pomůcek, vytvoří čtveřice. Každá skupina má k dispozici potřebné pomůcky a plní následující úkoly. Učitel zadává úkoly postupně. Před zadáním dalšího úkolu nechá některé žáky shrnout získané poznatky, které si všichni zapíší do sešitu.

V následujícím textu uvádím jednotlivé kroky, podle kterých může vyučující při práci se žáky postupovat. Komentuji také experimenty nebo myšlenkové postupy, které žáci obvykle provádějí a závěry, ke kterým docházejí.

2.1. Oerstedův pokus - proud ve vodiči ovlivňuje střelku kompasu

Žáci dostanou za úkol zjistit pomocí kompasu tvar siločar magnetického pole vodiče s proudem.

(Pozn.: V dalším textu používám tvar siločára místo fyzikálně přesnějšího termínu indukční čára. Podle mých zkušeností je tento termín pro žáky srozumitelnější.)

Z předchozích hodin žáci vědí, že mohou zjistit tvar siločar magnetu pomocí kompasu. Stejnou metodu teď přirozeně použijí i při řešení tohoto úkolu. Pokud by si žáci nevěděli rady s nejvhodnějším uspořádáním experimentu, může jim učitel poradit, aby zkusili pokládat kompas nad vodič a pod vodič tak, aby byla střelka vždy rovnoběžná s vodičem bez proudu. Potom na okamžik sepnou proud k ploché baterii do zkratu. Sledují směr pohybu střelky v obou případech. Pak obrátí směr proudu a pokus opakují.

V průběhu experimentu žáci pozorují, že střelka kompasu položeného nad vodičem se při daném směru proudu otočí jedním směrem, pod vodičem se otočí opačným směrem. Z těchto experimentů žáci již mohou udělat závěr, že siločáry mají tvar orientovaných soustředných kružnic uzavřených kolem vodiče. V některých třídách na to přijdou samy téměř všechny skupiny, v některých třídách je třeba skupinám trochu pomoci, např. tím, že jim učitel ještě jednou připomene znalosti z magnetismu - siločára je uzavřená a orientovaná křivka. Potom učitel požádá žáky, aby mu pomocí busoly dokázali tvar siločar "na boku" vodiče, nejen nad ním a pod ním (busola neukazuje směr nahoru a dolů). Je třeba, aby žáci udělali myšlenkový krok, při kterém si uvědomí, že stačí umístit vodič vertikálně. Při této poloze vodiče již mohou vodič busolou "objet".

Při všech úvahách a experimentech je třeba uvažovat vliv magnetického pole Země. (Je třeba umisťovat kompas dostatečně blízko vodiče, ve velké vzdálenosti již pokus není průkazný.)

Žáci z výše uvedených experimentů mohou udělat také závěr, že siločáry tvoří šroubovici otočenou kolem vodiče. Pokud si uvědomíme výsledek skládání magnetického pole vodiče a Země, může být jejich odpověď vlastně správná a odpovídající realitě. Doporučuji je za jejich úvahy pochválit a říci jim, že magnetické pole samotného vodiče má tvar orientovaných kružnic.

Má-li učitel k dispozici silný zdroj stejnosměrného proudu, můžete na okamžik zapojit vodič (umístěný vertikálně) do zkratu k tomuto zdroji a znázornit tvar siločar vodiče pomocí železných pilin nasypaných na vhodnou podložku (např. čtvrtku papíru), kterou je vodič provlečen.

2.2. Magnetické pole smyčky a cívky

Nejdříve učitel položí žákům otázku, jaký směr mají šipky u orientovaných kružnic, jestliže uděláme z vodiče smyčku. Žáci si vezmou do ruky vodič a z prstů udělají kroužky kolem něj znázorňující orientované kružnice siločar magnetického pole. Potom uvažují, zda šipky uvnitř smyčky mají stejný směr (síly se sčítají) nebo opačný směr (síly se odčítají). Dojdou k závěru, že síla uvnitř smyčky je větší, neboť příspěvky částí vodiče se sčítají.

(Pozn.: Pro jednoduchost a názornost zde mluvíme o silách, protože s jejich skládáním mají děti zkušenosti. V případě magnetického pole by, striktně vzato, šlo o sílu, jíž pole působí na magnetický monopól, což dětem ovšem neříkáme.)

Učitel dále nechá žáky přemýšlet o tom, jak získat silnější magnetické pole vodiče s proudem. V rozhovoru je dovede k závěru, že je možné buď použít silnější proud ve vodiči, nebo namotat z vodiče několik smyček - tedy vytvořit cívku.

Žáci si pak z vhodného vodiče namotají cívku (přibližně 10 - 20 závitů), připojí ji (na krátkou dobu) do zkratu k ploché baterii a pomocí buzoly zkoumají tvar magnetického pole cívky. Má-li učitel možnost, může demonstrovat tvar siločar nasypáním železných pilin kolem cívky zapojené k silnému zdroji proudu. Děti obvykle samy udělají závěr, že magnetické pole cívky je hodně podobné magnetickému poli tyčového magnetu.

2.3. Využití magnetického pole vodiče s proudem v technické praxi

Žáci dostanou za úkol vymyslet, jaké zařízení využívá toho, že v okolí vodiče s proudem vzniká magnetické pole. Děti si často uvědomí, že znají elektromagnet, který se používá např. při třídění kovového odpadu. Jako dobrovolný domácí úkol mohou elektromagnet vyrobit (stačí jim k tomu silnější hřebík, vodič a plochá baterie) a použít ho třeba k vyndání ocelového šroubku zapadlého mezi parkety.

3. Vzájemné působení magnetu a vodiče s proudem

3.1. Chování vodiče a cívky mezi dvěma trvalými magnety

Učitel řekne žákům, aby vložili tenký vodič mezi dva přitahující se trvalé magnety, na okamžik zapojili proud do vodiče a sledovali pohyb vodiče. Potom žáci mohou otočit směr proudu ve vodiči, případně obrátit oba magnety a pozorovat výsledek těchto variant pokusů. Žáci pozorují, že se vodič pohybuje směrem ven z prostoru mezi magnety.

Potom žáci zavěsí cívku namotanou z tenkého drátu tak, aby se mohla volně otáčet. Z boku k ní přiloží dva přitahující se trvalé magnety a zapojí přívod proudu. Pozorují natočení cívky a případně její přiskočení k magnetu.

3.2. Využití pozorovaného jevu v praxi

Učitel nechá žáky prozkoumat princip jednoduchých přístrojů, které využívají výše uvedený jev. Jedná se například o školní galvanometr (malý magnet s připevněnou ručičkou se vkládá do cívky), motorek, demonstrační měřicí přístroj, reproduktor.

4. Shrnutí poznatků a vytvoření hypotézy

Učitel ukáže žákům, že z předchozích experimentů můžeme sestavit dvě "rovnice":

Proud + (pohyb) → magnet
Magnet + proud → pohyb

(Pozn.: V první rovnici je slovo pohyb v závorce, neboť pohyb je vlastně již přítomen ve slově proud, tj. uspořádaný pohyb nábojů. Z důvodu symetrie ho však v rovnici uvádím.)

Položíme žákům otázku, zda můžeme uvažovat, že by platila i třetí "rovnice":

Magnet + pohyb → proud

Pak necháme žáky navrhovat, jaký bychom museli provést experiment, abychom ověřili, zda tato "rovnice" platí.

Odbočka pro nedůvěřivé učitele a zvídavé žáky a studenty:
Výše uvedené "rovnice" lze napsat i pomocí vzorců klasické fyziky. Tím se již ovšem dostáváme až na středoškolskou či úvodní vysokoškolskou úroveň. To, že proud budí magnetické pole, plyne z jedné z Maxwellových rovnic; působení magnetu na proud (tedy na pohybující se náboje) zase popisuje Lorenzova síla. Skutečnost, že při pohybu magnetu u proudové smyčky se ve smyčce indukuje napětí (a při uzavření obvodu proud), je dána Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce, tedy vlastně také jednou z Maxwellových rovnic ...

5. Elektromagnetická indukce

5.1. Úvodní experimenty

Žáci zřejmě navrhnou experiment, při kterém budou hýbat magnetem kolem vodiče připojeného k ampérmetru. Má-li učitel dostatečně citlivý ampérmetr a silný magnet, je možné, že bude výchylka pozorovatelná. (Potřebná citlivost je na úrovni mikroampérů.) Pravděpodobnější však je, že bude muset žáky dovést k tomu, že je vhodnější použít k tomuto experimentu cívku. Žáci sledují pohyb ručičky měřáku (při pokusu je vhodné použít ampérmetr s nulou uprostřed) v závislosti na pohybu a vlastnostech magnetu a cívky (mohou měnit rychlost pohybu magnetu, vzdálenost od cívky, sílu použitého magnetu, počet závitů cívky, použít jádro apod.). Přitom popisují, na čem závisí indukovaný proud. Všímají si také toho, že se ručička měřáku pohybuje na obě strany od nulové hodnoty, čili proud jde "tam a zpět". Stále se jedná pouze o kvalitativní pokusy.

5.2. Základní pojmy, závěry z pozorování

Po úvodních experimentech učitel shrne společně s dětmi získané poznatky, zavede a vysvětlí pojmy elektromagnetická indukce (indukce = vzbuzení, lze srovnat se známým jevem elektrostatické indukce), střídavý proud. Žáci by měli být schopni odpovědět na otázku, proč ampérmetr neukazuje výchylku, když je magnet sice uvnitř cívky, ale v klidu.

5.3. Využití elektromagnetické indukce v praxi

Učitel nechá žáky vyrábět indukované napětí (a proud) pomocí generátoru nebo motorku zapojeného jako generátor a vlastní silou tak rozsvítit žárovku nebo svítivou diodu.

Má-li učitel k dispozici generátory ze školní žákovské soupravy, může nechat žáky zapojovat svítivé diody k jedněm či druhým zdířkám a pozorovat rozdíly mezi střídavým a usměrněným proudem.

Žáky bude také zajímat telefon vyrobený pouze propojením dvou reproduktorů (přičemž při rozhovoru funguje jeden reproduktor jako mikrofon).

6. Další experimenty, propojování získaných poznatků

Učitel ukáže žákům níže uvedené experimenty (a libovolné další, které zná), nechá žáky vysvětlovat princip, hledat aplikaci tří "rovnic", o kterých dříve společně v hodinách mluvili.

Při prvním experimentu učitel zavěsí na nit uzavřený kovový prstýnek z nemagnetického materiálu (stříbro, zlato, mosaz apod.). Bude-li pohybovat silným magnetem blízko prstýnku, prstýnek se začne natáčet nebo kývat.

Při následujícím experimentu navlékne dvě cívky na společné jádro. K jedné cívce připojí přes spínač plochou baterii, ke druhé ampérmetr. Žáci vysvětlují jevy, které pozorují při zapnutí, průchodu a vypnutí proudu.

7. Střídavý proud

Dle vlastní úvahy a časových možností může učitel pokračovat ve výkladu vlastností střídavého proudu, uvést princip transformátoru, indukční pece, Rumkhorffova induktoru atd., případně ve výkladu dojít až k třífázovému proudu.

Závěr

Podle našich zkušeností jsou žáci poté, co projdou výukou vedenou uvedeným způsobem, schopni vysvětlit fyzikální principy, na kterých jsou založeny různé elektrické spotřebiče, které znají z praxe. Jsou také schopni použít poznatky získané v popsané části tematického celku při další výuce uvedené v bodu 7.

V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „Napište nám“.
Napište nám
Celkové hodnocení článku
Přidat komentář Citovat článek