SVEUČILIŠTE U ZAGREBU PRIRODOSLOVNO – MATEMATIČKI FAKULTET FIZIČKI ODSJEK SMJER: PROFESOR FIZIKE
Maja Madjarić Malčak
Diplomski rad
Demonstracijski pokusi u nastavi fizike: hidrostatika
Zagreb, 2014.
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU PRIRODOSLOVNO – MATEMATIČKI FAKULTET FIZIČKI ODSJEK SMJER: PROFESOR FIZIKE
Maja Madjarić Malčak
Diplomski rad
Demonstracijski pokusi u nastavi fizike: hidrostatika Voditelj diplomskog rada: Doc. dr. sc. Dalibor Paar
Ocjena diplomskog rada: ______________________ Povjerenstvo: 1. ______________________ 2. ______________________ 3. ______________________ 4. ______________________
Zagreb, 2014.
Sadržaj 1 Uvod .................................................................................................................................... 2 2 O demonstracijskim pokusima ......................................................................................... 3 2.1 Neizravna poruka u nastavi fizike ..................................................................................................3 2.2 Zaključana vrata tvrđave fizike ......................................................................................................4 2.3 Sporedni ulaz u tvrđavu fizike za obične ljude...............................................................................6
3 Hidrostatika........................................................................................................................ 8 3.1 Gustoća ...........................................................................................................................................8 3.2 Tlak.................................................................................................................................................8 3.3 Hidrostatski tlak............................................................................................................................10 3.4 Instrumenti za mjerenje tlaka .......................................................................................................11 3.5 Pascalov zakon .............................................................................................................................13 3.6 Arhimedov zakon .........................................................................................................................14
4 Demonstracijski pokusi iz hidrostatike .................................................................................17 4.1 Djelovanje tijela na podlogu - tlak ...............................................................................................17 4.2 Kako djeluje tlak – atmosferski tlak .............................................................................................20 4.3 Tlak u tekućini ..............................................................................................................................21 4.4 Djelovanje vanjskog tlaka na tekućinu – Pascalov zakon ............................................................23 4.5 Uzgon ...........................................................................................................................................26
5 Zaključak .......................................................................................................................... 29 6 Literatura ......................................................................................................................... 31 Sažetak…………………………………………………………………………………….. 33 Abstract ………………………………………………………………………………….. 34
1
1 Uvod U današnje vrijeme učitelji sve manje izvode pokuse na nastavi. Jedan od razloga je neopremljenost kabineta fizike. Taj problem je najuočljiviji u školama razrušenima tijekom rata. Neke škole sva svoja sredstva ulažu u obnovu i osnovno održavanje, a neznatno u opremanje kabineta. Ali to sve ne mora biti isprika za neizvođenje pokusa na nastavi. Pokusi su izuzetno važni u nastavi fizike jer se na taj način učenicima približavaju osnovni fizikalni pojmovi. Pokus nije svrha samome sebi. On treba izazvati čuđenje i potaknuti daljnje istraživanje. Stoga pokusi ne moraju biti složeni i zahtjevni, a oni jednostavni koji koriste predmete iz svakodnevne upotrebe su i najzanimljiviji. Takvi pokusi potiču učenika da nastavi istraživati fizikalne zakone i kod kuće, a najbolje se uči kroz rad. Time fizika prestaje biti predmetom koji se mora učiti i koji nema nikakvog smisla, već postaje zanimljiva. Tema hidrostatike koja se u ovom radu obrađuje je jedno od područja fizike koje je idealno za primjenu jednostavnih pokusa. Osnovni fizikalni koncepti iz hidrostatike objašnjeni su u trećem poglavlju. Prvo se objašnjava pojam tlaka i uvode se pojmovi atmosferskog i hidrostatskog tlaka. Potom se opisuju instrumenti za mjerenje tlaka. Na kraju su objašnjeni Pascalov i Arhimedov zakon. Poglavlje koje se bavi pokusima iz hidrostatike prilagođeno je prvenstveno učenicima osnovne škole. Osmišljeni su tako da ih učenici mogu izvesti sami kod kuće ili ih se može prirediti za grupni rad u školi. Pitanja i zadaci nakon svake vezane skupine pokusa vode učenike kroz pokuse i razumijevanju fizikalnih pojmova koje promatraju.
2
2 O demonstracijskim pokusima 2.1 Neizravna poruka u nastavi fizike Kada predajemo fiziku u školi, trebamo biti svjesni općeg dojma koji učenici dobivaju kroz naše postupke u učionici. Taj dojam je određen neizravnom porukom koju šaljemo. Uobičajeni nastavni proces može stvoriti iskrivljenu sliku u vezi s dugotrajnim dojmom o znanosti u glavama onih koje mislimo uputiti jednostavno putem kognitivnog i racionalnog informacijskog kanala, a koji je usmjeren u analitički organiziranu lijevu hemisferu. Čak i ako je profesionalni fizičar osobno uvjeren da je njegova vlastita disciplina trodimenzionalni živi organizam, zeleno i rastuće zlatno drvo života, on neće automatski stvoriti istu kvalitativnu sliku o fizici u duhu svojih učenika kada samo prenosi znanje i informacije putem uobičajenog nastavnog procesa temeljenog na standardnoj opremi kao što su udžbenici i demonstracijski pokusi, jer potonji se mogu naći samo u učionicama, ali nigdje u stvarnome životu. Moguće je da se dugotrajna slika o naravi fizikalne znanosti koju mladi dobivaju u školama sastoji samo od donekle sive i ravne dvodimenzionalne sjene koju baca fizikalno drvo u različitim pravcima prema njegovom vanjskom izgledu. Ti oprečni smjerovi su obično okarakterizirani dvama komplementarnim, ali ne neovisnim načelima komuniciranja fizike: i) matematičke formule, ii) tehnički aparati. Zbog svoje posebne konstrukcije, oba smjera se čine da pripadaju vrlo ograničenom opsegu valjanosti i primjenjivosti. Umjesto opisivanja stvarnosti, čini se da manipuliraju njome sofisticiranom, ali umjetnom konstrukcijom koja se ne odnosi na bilo koji element normalnog svakodnevnog životnog iskustva. Oni su artefakti naših snova o školskoj mudrosti, ali koji ne postoje ni na nebu, ni na zemlji: naizgled se čine da su stvoreni samo za tu svrhu da funkcioniraju na nastavi fizike gdje obično reproduciraju nekakve čudnovate ideje nastavnika i udžbenika. Fizikalni značaj formule u većini slučajeva je skriven ispod svog matematičkog odijela, odnosno karakterističnim slijedom rezerviranih slova koja se reproduciraju refleksno, nekom vrstom Pavlovljevog podražaja i služe samo kao lozinka na ispitima, ali se ne mogu primijeniti u bilo kojoj situaciji u stvarnome životu.
3
2.2 Zaključana vrata tvrđave fizike Dieter Nachtigall sa sveučilišta u Dortmundu je opisao fiziku kao neka vrstu tvrđave ("Festungsgestalt der Physik") koja je osvojiva samo za stručnjake, dok je zaključanih vrata za laike, posebice za učenike. Sudeći prema prosječnom predavanju iz fizike u školi, može se steći dojam da se u nekim slučajevima, pokušavajući ući u tvrđavu fizike, osoba može osjećati kao u paklu Danteove Božanstvene komedije, gdje je nad glavnim ulazom napisano: „Tko uđe nek' se kani svake nade!“ (Lasciate ogni speranza, voi ch'entrate) Tvrđava fizike ima nekoliko zaključanih glavnih vrata koja će dopustiti samo stručnjacima lagan pristup u unutrašnjost, ali će obično zadržati većinu laika izvana. Svaka od tih vrata karakterizira drugačiji način odabira stručnjaka s dovoljnom sposobnošću vještog apstraktnog razmišljanja i visokom razinom tolerancije na frustracije. U standardnom modelu za takav postupak odvajanja intelektualnog plemstva od običnih ljudi na ulici, želimo odrediti tri vrste prepreka koje će svladati oni koji žele (ili su prisiljeni društvenim pritiskom) ući u tvrđavu: i) matematička struktura (jednadžbe i formule), ii) pojava crne kutije (eksperimentalna neprozirnost), iii) dogmatske formulacije (aksiomi i zakoni). Uloga matematike u fizici je uistinu vrlo dvosmislena: to bi trebao biti most koji omogućuje jednostavan i siguran pristup u tvrđavu fizike bez intelektualnih zamki, ali u većini slučajeva to je više kao duboki jarak ispunjen blatnom vodom koja će spriječiti svakoga od ulaska u neoskvrnjenu unutrašnjost discipline ako nije prethodno naučio letjeti ili (barem) plivati. Ako se smatra pojasom za spašavanje koji je bačen u more zabluda od onih upućenih koji već žive unutar tvrđave, onda matematička metoda postaje vrlo nepouzdana oprema za spašavanje u praktičnim situacijama i teško shvatljiva za obične osobe koje se utapaju. Matematička sigurnost je pogrešna i nema dobre temelje. Pomaže da se izbjegnu pogreške, ali neće nužno jamčiti dublji uvid u fizikalni problem. Osim tih nepovoljnih okolnosti, matematika je obično dovedena u igru fizike nepoštenom, od rezultata prema uzorku, strategijom varanja. Počevši od eksperimenata i promatranja, gotovo sva nastava fizike završi s brojevima, formulama i jednadžbama. Galileo Galilei je lažno tvrdio da je knjiga prirode napisana matematičkim jezikom, ali to može biti ništa drugo nego antropomorfna projekcija ovog velikog znanstvenog pretka: matematika kao tradicionalna akademska disciplina od antike može opisati samo odnose (koji 4
mogu biti implicitni te moraju biti vješto i "strogo" razvijeni iz osnovne jednadžbe pomoću kontroliranih aproksimacija), ali je nemoćna napraviti objašnjenja pomoću temeljnih načela prirode. U nastavi fizike, matematika bi trebala igrati ulogu posljedice stvarnog doživljaja i konkretne operacije, bez svrstavanja u prazan prostor osjeta i zaključivanja unaprijed i prije bilo kakvog materijalnog sadržaja. Konvencionalni nastavnički pokusi iz fizike obično se izvode s posebnim uređajima i mjernim instrumentima napravljenima jedino za svrhu da se pokaže izolirani učinak na vrlo uredan i precizan način, pri tome suzbijajući sve faktore koji smetaju i koji bi mogli učiniti rezultat manje transparentnim i lakše shvatljivim. Učenici se treniraju da objasne funkcioniranje ove opreme, a nisu koncentrirani na opće zakone prirode. Od izdanja djela Sir Isaaca Newtonae "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" iz 1687., koje predstavlja Bibliju klasične mehanike, postalo je moderno formulirati temeljna shvaćanja strukture prirode u stilu Euklidovih Elementa koristeći definicije, aksiome, leme i teoreme. Opće uvjerenje je da je logika matematike jedini ključ za zaključana vrata tvrđave fizike. Kako je Ernst Mach napisao u uvodniku svog slavnog austrijskog udžbenika "Grundriss der Naturlehre für die oberen Classen" iz veljače 1891., takav pristup je uglavnom usmjeren na korist autora, ali neće pomoći učenicima u većini slučajeva za lakši ulazak tvrđavu fizike. Početnici obično nisu u stanju prepoznati i unaprijed procijeniti značaj i korisnost jasno definiranih temeljnih pojmova i koncepata prije njihovog vlastitog osobnog iskustva. Korištenje logičnog umjesto psihološkog pristupa fizici može držati podalje naše učenike od bilo kojeg dubljeg razumijevanja ove discipline, jer će formalni put na njezin teritorij, koji ne odgovara osnovnim načelima njihove kognitivne sheme, završiti ispred zaključanih vrata tvrđave fizike koja se otvaraju samo za one koji daju točnu formalnu lozinku koja predstavlja tzv. "zakon prirode". Budući da zakoni koje je napravio čovjek odražavaju hijerarhiju vrijednosti prihvaćenih u ljudskom društvu u određenom području prostora i vremena, pokazujući kontinuirani razvoj podvrgnut stalnoj promjeni, onda se čini da zakoni prirode vrijede u cijelom svemiru za sva vremena. Oni se pojavljuju zbunjenom autsajderu kao središnji podrum tvrđave iz kojeg izlaze svi unutarnji hodnici, ali u koje se može ući samo kroz središnja ulazna vrata nad kojima stoji: Pristup reguliran samo zakonom. Mala skupina stručnjaka koji su u mogućnosti doći ovdje govoreći verbalno ispravnu kodnu riječ, saznat će kasnije na svome putu da moraju prijeći druga vrata koja odgovaraju 5
naknadnim zakonima više razine koji su proturječni prijašnjim: relativističko načelo brzine za propagaciju polja je na prvi pogled u proturječnosti s Newtonovim temeljnim pretpostavkama općeg i apsolutnog prostora i vremena (temelji klasične mehanike). Nasuprot klasičnoj mehanici, u kvantnoj fizici dijelovi polja ne mogu biti strogo lokalizirani i moraju biti prevučeni preko konačnog područja prostor-vremena, kako bi zadržali energiju i moment konačnim.
2.3 Sporedni ulaz u tvrđavu fizike za obične ljude Edukacija fizike u školama je vrlo često ocijenjena istraživanjem jesu li kratkoročni nastavni ciljevi, kao što su sposobnost odgovaranja na pitanja ili rješavanje odabranih problema koji su sofisticirano osmišljeni kako bi se dobio određeni odgovor, ostvareni ili ne. Ako naše obrazovne aktivnosti u fizici trebaju imati dugotrajan utjecaj na ponašanje i razmišljanje naših učenika u njihovom daljnjem životu kao odrasle osobe, moramo omogućiti da postanu amateri, odnosno ljubitelji fizike umjesto stručnjaka. Jedini način za postizanje tog cilja posebnim nastavnim aktivnostima tijekom školskog razdoblja sastoji se u otvaranju novih vrata u tvrđavu fizike, koja imaju karakter pomoćnih ulaza, a bit će otvorena za laika i amatera, u našem slučaju, posebno za učenike. Njihov skriveni položaj daleko od glavnih vrata znači da ih profesionalci i stručnjaci ne bi trebali koristiti na ovaj način, jer će ih vjerojatno previdjeti. Ove osobe bile bi uvjerene u većini slučajeva da takva mala vrata ne mogu voditi u nepovredivost središta tvrđave rezerviranog isključivo za majstore fizikalne discipline. Kao i u slučaju pravokutnog tlocrta postoje dvije različite strane gdje bismo mogli pronaći ulaz za obične ljude. Želimo odrediti dvije različite vrste takvih skrivenih vrata, i to: i) dodatna vrata, ii) vrata iznenađenja. Istraživanja u edukacijskoj fizici pokazala su da će učenici zapamtiti i primjenjivati s najvećom vjerojatnošću one pojedinosti koje su im prenijete istovremeno različitim kanalima. Jedan od najvažnijih kanala je doživljaj individualnog "učenje kroz rad" izvodeći pokuse koji nisu podvrgnuti vanjskim utjecajem propisane strategije ili očekivanog rezultata. Šanse za transfer od školskih aktivnosti na djela u stvarnom životu povećavaju se u velikoj mjeri ako učenici nisu suočeni s eksperimentalnim postavom namijenjenim za potrebe nastave, već su uzeti iz zajedničkog iskustva. Uopće nije iznenađujuće da školski uređaji reproduciraju školsku mudrost, jer su izrađeni isključivo za tu namjenu, dok svakodnevni predmeti otvaraju 6
mogućnosti da ilustriraju širok spektar primjene osnovnih fizikalnih načela koja vrijede i graničnim uvjetima individualnog svakodnevnog okruženja. U tom procesu element iznenađenja, čuđenja o subjektu i ishodu pokusa, može proizvesti kognitivne konflikte i katalizirati proces smještanja u novu kognitivnu shemu. Neočekivani događaj potiče istraživanje. Iznenađenje je ritmičan zvuk bubnja koji može probuditi učenike podvrgnute većem broju utjecaja izvan škole koji im odvlače pažnju i koncentraciju. Učenjem dodirivanjem i igranjem ideja je nasuprot jezikom definirane nastavne strategije definirati neverbalnu proceduru prikupljanja direktnog iskustva koristeći objekte iz svakodnevnog života. Aktivnosti treba ograničiti na kratak, proizvoljan, nestrukturiran izbor "ne preskupih" ili čak "besplatnih" pokusa, maksimalno koristeći uobičajene dnevne predmete. U okviru ovog rada to će biti pokusi iz hidrostatike.
7
3 Hidrostatika 3.1 Gustoća Fluidi su materijali koji mogu teći, odnosno lako se deformiraju se uslijed naprezanja. Fluidi su tekućine, plinovi ili plazma. Gustoća mase tekućih ili plinovitih tvari jedna je od najvažnijih značajki koja opisuje njihovo ponašanje kao fluida. Gustoća mase, ρ, je omjer ukupne mase tvari m i obujma V u kome se ona nalazi:
U SI sustavu iskazuje se u
m V
(3.1)
kg . m3
Različite tvari jednakih obujama imaju različite mase tako da gustoća mase ovisi o vrsti tvari. Plinovi imaju najmanju gustoću u odnosu na tekućine i čvrste tvari. Kod plinova udaljenosti molekula su relativno velike te je velik prazan prostor između molekula. Zbog toga je gustoća plina značajno osjetljiva na promjenu temperature i tlaka. Molekule tekućih i čvrstih tvari su puno gušće raspoređene i manji je prazan prostor između njih te je zbog toga i njihova gustoća veća. Promjene temperature i tlaka znatno manje utječu na gustoću. Usporedbu gustoća definiramo pomoću relativne gustoće mase d. Ona je bezdimenzionalna veličina, definirana kao omjer gustoće ρ promatrane tvari na određenoj temperaturi prema gustoći standardne referentne tvari, ρ0, što je najčešće voda pri 4°C čija gustoća iznosi 1000 kg/m3. d
0
(3.2)
3.2 Tlak Tlak je iznos sile F koja djeluje okomito na površinu podijeljen s površinom S na koju ta sila djeluje. p
8
F S
(3.3)
SI jedinica za tlak je Paskal, Pa
N . Kako je atmosferski tlak reda veličine 105 Pa, u m2
praksi se koristi i jedinica bar, 1bar=105Pa.
Slika 3.1. Gibanje molekula zraka unutar gume i sila kojom djeluju na površine unutarnjih stjenka ili ploha zamišljenog tijela koje se tamo nalazi
Uzmemo li kao primjer automobilsku gumu napunjenu zrakom, molekule zraka (odnosno plinova od kojih se zrak sastoji) slobodno se kreću cijelim obujmom gume i pritom se sudaraju jedna s drugom i s unutarnjom stjenkom gume. U modelu idealnog plina koji dosta dobro opisuje ovaj fizikalni model ti sudari su elastični. Sudari sa stjenkama gume rezultiraju silom na svaki dio površine stjenke. Ta sila rezultanta je sila kojim pojedine molekule djeluju na stjenku s tim da se uzimaju samo komponente tih sila okomite na površinu. Sila kojom pojedina molekula djeluje na stjenku posljedica je promjene količine gibanja te molekule uslijed sudara sa stjenkom (2. Newtonov zakon). Ako bi se u gumu stavila manja kocka, tlak zraka uzrokovao bi sile koje bi djelovale okomito na svaku od šest površina kocke. Na jednak način tlak djeluje u tekućinama. Tijelo koje pliva u vodi osjeća da ga voda pritišće okomito na svim njegovim površinama. Statički fluid ne djeluje silom paralelnom površini. Ako bi se to dogodilo, tada bi prema 3. Newtonovom zakonu površina djelovala jednakom silom suprotnog smjera na fluid. Kao odgovor fluid bi potekao i više ne bi bio statičan.
9
Slika 3.2. Tijelo koje pliva u vodi osjeća na svim svojima površinama sile kojim voda djeluje na njega
Čovjek svakodnevno osjeća djelovanje tlaka. Oko Zemlje nalazi se zračni omotač, atmosfera. Tlak kojim atmosfera tlači Zemlju naziva se atmosferski tlak. Tlaku od jedne atmosfere pri razini mora odgovara tlak od 1.103 105 Pa.
3.3 Hidrostatski tlak Tijelo koje pliva u vodi s povećanjem dubine osjeća veći pritisak vode. Da bi se odredila povezanost dubine i tlaka, primijenit ćemo 2. Newtonov zakon ( F m a ). Na fluid djeluju dvije vanjske sile: gravitacijska, odnosno težina tekućine i sila koja uzrokuje tlak tekućine. Budući da tekućina miruje, njezino ubrzanje jednako je nuli (a = 0 m/s2) i primjenom 2. Newtonovog zakona F 0 . Ova relacija će nas dovesti do Pascalovog i Arhimedovog principa. U posudi s vodom promatra se stupac tekućine omeđen zamišljenim stjenkama.
Slika 3.3. Stupac tekućine u posudi. Dijagram vertikalnih sila koje djeluju na stupac tekućine.
10
Na slici 3.3 prikazane su vertikalne sile koje djeluju na stupac tekućine visine h. Na gornjoj površini stupca tlak p1 uzrokuje silu p1 S usmjerenu prema dolje, dok na donjoj površini tlak
p 2 uzrokuje silu p 2 S prema gore. Stupac tekućine ima težinu Fg=mg usmjerenu prema dolje. Budući da je stupac tekućine u ravnoteži, vektorski zbroj svih sila po y-osi jednak je nuli.
F
y
p2 S p1 S mg 0
p2 S p1 S mg Masa tekućine jednaka je m V , a obujam stupca tekućine jednak je V S h . Uvrštavajući u jednadžbu izraze za m i V dobiva se p2 S p1 S Shg . Kada se cijeli izraz podjeli površinom S , dobivamo
p2 p1 gh
(3.4)
Dobili smo da je tlak p2 na većoj dubini veći od tlaka p1 na manjoj dubini za iznos ρgh. Tlak ρgh koji nastaje zbog vlastite težine tekućine naziva se hidrostatski tlak. Bez obzira što tekućina tlači odozgo, hidrostatski tlak na nekoj dubini jednak je su svim smjerovima. Povećanjem hidrostatskog tlaka ρgh u izrazu (3.4) pretpostavlja se da gustoća tekućine ne ovisi o dubini, tj. pretpostavlja da je tekućina nestlačiva. Pretpostavka je realna za tekućine budući da donji slojevi mogu poduprijeti gornje slojeve uz vrlo malu kompresiju. U plinu donji slojevi stlačeni su zbog težine gornjih slojeva što rezultira time da se gustoća mijenja s vertikalnom udaljenošću (visinom). Izraz p2 p1 gh može se koristiti za plinove samo uz uvjet ako je visina h dovoljno mala da se promjena gustoće plina ρ može zanemariti.
3.4 Instrumenti za mjerenje tlaka Jedan od najjednostavnijih instrumenata za mjerenje tlaka je živin barometar, koji služi za mjerenje atmosferskog tlaka.
11
Slika 3.4. Živin barometar
Instrument se sastoji od staklene cijevi napunjene živom i otvorom uronjene u živu u otvorenoj posudi. Osim zanemarive količine živinih para, prostor iznad žive u cijevi je prazan (vakuum), pa je tlak u tom prostoru p1 približno 0 Pa. Na dnu živina stupca točka A nalazi se na jednakoj visini kao i točka B. Prema tome tlak p 2 u točki A jednak je atmosferskom tlaku na površini žive u točki B, p2 patm . Uvrstivši p1 i p 2 u izraz (3.4) dobiva se da je patm gh .
Znajući gustoću žive i ubrzanje sile teže, na ovaj način može se odrediti atmosferski tlak prema visini stupca žive. Ako je patm=1.1013·105 Pa, tada je visina stupca žive jednaka 0.76 m.
12
Manometar je instrument za mjerenje nepoznatog tlaka u spremniku.
Slika 3.5. Manometar
Klasični manometar je U-cijev koja je s jedne strane otvorena pa na fluid u njoj djeluje atmosferski tlak, p1 patm . U samoj cijevi nalazi se tekućina (najčešće živa ili alkohol). Druga strana cijevi spojena je sa spremnikom čiji tlak p 2 treba izmjeriti. Kada je tlak u spremniku jednak atmosferskom tlaku, tada je razina tekućine u oba kraja U-cijevi jednaka. Kada je tlak u spremniku veći od atmosferskog tlaka, tada taj tlak pritisne tekućinu prema dolje u cijevi s kojom je spojen, dok se razina povisi u otvorenoj cijevi te dolazi do razlike visina h. U otvorenoj kraju U-cijevi, tlak na fluid je p1 patm . U točkama A i B tlak p 2 je hidrostatski tlak p2 patm gh . Ako znamo atmosferski tlak i gustoću fluida u U-cijevi, mjerenjem razlike visina fluida u U-cijevi možemo odrediti nepoznati tlak u spremniku. Napomenimo da se naziv manometar danas koristi općenito za instrumente za mjerenje tlaka koji funkcioniraju na drugim principima u odnosu na prethodno opisanog, a za precizna mjerenja koriste se elektronički senzori koji funkcioniraju na različitim fizikalnim principima od piezootpornika, električnog kapaciteta do mjerenja rezonantne frekvencije.
3.5 Pascalov zakon Prethodno opisani hidrostatski tlak fluida povećava se s dubinom. U fluidu koji se nalazi u zatvorenom spremniku, tlak se može povećati i primjenom vanjske sile (slika 3.6).
13
Slika 3.6. Primjena vanjske sile u potpuno zatvorenom sustavu fluida
Ispod pomičnog klipa djeluje tlak p1
F1 F , a ispod čepa djeluje tlak p 2 2 . Ovisno o S1 S2
dubini ispod pomičnog klipa, tlak se povećava se s dubinom h te iznosi p1h p1 gh . Važno je naglasiti da na svaku točku u zatvorenom sustavu djeluje hidrostatski tlak gh s obzirom na njezinu dubinu h. U svakoj toj točki hidrostatski tlak povećat će se za tlak p1 kao posljedica djelovanja vanjske sile F1 i atmosferskog tlaka. Prema tome može se zaključiti da se vanjski tlak na tekućinu prenosi jednako na sve strane kroz cijelu tekućinu. To je opisano Pascalovim zakonom prema francuskom fizičaru Pascalu koji je utvrdio tu činjenicu. Pascalov zakon: Bilo koja promjena tlaka u zatvorenom sustavu tekućine širi se jednako kroz tekućinu u svim smjerovima. Ako se pomični klip i čep, na slici (3.6), nalaze na jednakim visinama, tada je hidrostatski tlak jednak nuli ( gh 0 )te je p2 p1 odnosno
F2 F1 S 2 S1
(3.5.)
3.6 Arhimedov zakon Kada se tijelo uroni u tekućinu, na njegovu gornju i donju površinu djeluju različiti hidrostatski tlakovi, dok se tlakovi na bočne strane poništavaju. Budući da tlak raste s 14
dubinom, tlak p 2 koji djeluje na donju površinu tijela uronjenog u tekućinu veći je od tlaka
p1 koji djeluje na gornju površinu. Razlika ovih tlakova proizvodi silu koja se zove uzgon, a djeluje prema gore suprotno od sile teže.
Slika 3.7. Djelovanje sila ne tijelo uronjeno u tekućinu
Ako se sa Fu označi uzgon slijedi: Fu p2 S p1 S ( p2 p1 )S
Iz izraza p2 p1 gh dobiva se Fu ghS . Veličina hS je obujam tekućine koju tijelo istisne, a ρ je gustoća tekućine, pa prema tome ρhS daje masu m istisnute tekućine. Tada je sila uzgona jednaka Fu m g , težini istisnute tekućine. Izraz "težina istisnute tekućine" odnosi se na tekućinu koju bi tijelo istisnulo kada bi ga se uronilo u do vrha napunjen spremnik. Do tog otkrića došao je starogrčki fizičar i filozof Arhimed, pa se njemu u čast zove Arhimedov zakon. Arhimedov zakon: Na tijelo, koje je djelomično ili u potpunosti uronjeno u neki fluid, djeluje sila uzgona koja je jednaka težini istisnutog fluida. Djelovanje sile uzgona na tijelo ovisi o utjecaju drugih sila koje djeluju na to tijelo. Kada je uzgon veći od težine tijela, tijelo pliva, tijelo lebdi ako su uzgon i težina tijela jednaki, a ako je uzgon manji od težine tijela, onda to tijelo tone.
15
Slika 3.8. Djelovanje uzgona i težine na tijelo u tekućini
Hoće li neko tijelo plivati, lebdjeti ili tonuti ovisi o gustoći tijela i gustoći fluida u kojem se to tijelo nalazi. Primjerice, olovo će tonuti u vodi, ali će plivati u živi, jer je gustoća olova (11 300
kg kg kg ) veća od gustoće vode (1 000 3 ), manja od gustoće žive (13 600 3 ). 3 m m m
16
4 Demonstracijski pokusi iz hidrostatike U 2. poglavlju istaknuta je ključna uloga demonstracijskih pokusa u nastavi fizike. No mnogi nastavnici se žale kako škole nemaju dovoljno sredstava za opremanje kabineta. U velikoj većini slučajeva im niti ne treba. Fizika proučava svijet oko nas pa je dovoljno uzeti predmete iz naše okoline i istražiti ih. Stoga je jedna od ideja ovog rada prezentirati nastavnicima mogućnosti jednostavnih pokusa u jednom užem području fizike. Ovi pokusi su prikazani tako da ih većinu mogu učenici sami izvesti kod kuće ili kao grupni rad na nastavi uz precizne nastavnikove upute i zadatke. Na ovaj način i sami učenici sudjeluju u kreiranju nastavnog sata.
4.1 Djelovanje tijela na podlogu - tlak Iz vlastitog iskustva učenici znaju da kada hodaju po pijesku, snijegu ili blatu ostavljaju tragove. Nekada su ti tragovi jedva vidljivi, a ponekad se vrlo lijepo vide. Što se događa i zašto je to tako trebali bi objasniti sljedeći pokusi. Pokus 1. Pribor: plitka posuda, krušne mrvice, nekoliko različitih predmeta Opis: U plitku posudu usuti krušne mrvice i poravnati ih. Zatim staviti nekoliko različitih predmeta. Nakon što su ti predmeti izvađeni, uočava se da su ti predmeti ostavili tragove različitih oblika, dubina i površina.
Slika 4.1. Tragovi različitih predmeta na podlozi
Različita tijela ne pritišću jednako površinu, tj. djeluju različitim silama na površinu. Da bi se opisalo djelovanje sile na površinu, uvodi se nova fizikalna veličina, tlak.
17
Ovisnosti tlaka o sili i površini mogu objasniti na sljedeći način. Pokus 2. Pribor: plitka posuda, krušne mrvice, dvije jednake staklene čaše Opis: U posudu s krušnim mrvicama staviti dvije čaše. Jednu čašu postaviti dnom u mrvice, a drugu okrenuti.
Slika 4.2. Dubina otiska u odnosu na površinu predmeta
Čaša postavljena vrhom u mrvice ostavila je dublji trag od čaše koja je postavljena dnom. Budući da su čaše jednake, njihova je masa ista te one djeluju jednakom silom na površinu. Ono po čemu se čaše razlikuju jest da su različito okrenute. Čaša okrenuta dnom pritišće površinu većom plohom od čaše okrenute vrhom koja ju pritišće stjenkama otvora. Iz ovoga se izvodi zaključak da je trag dublji što je površina manja, odnosno tlak je veći ako je ploha kojom tijelo pritišće površinu tijela manja.
Pokus 3. Pribor: plitka posuda, krušne mrvice, tri jednake staklene čaše Opis: U posudu s krušnim mrvicama staviti prvo jednu čašu okrenutu vrhom. Zatim druge dvije čaše postaviti jednu u drugu, okrenuti ih i također okrenute vrhom postaviti u mrvice.
18
Slika 4.3. Dubina otiska u odnosu na masu predmeta
Dvije čaše ostavile su dublji trag u mrvicama od jedne čaše. Na slici 4.3. također se može vidjeti da je dno donje čaše od dviju čaša na nižoj razini od dna jedne čaše. U ovom slučaju čaše, budući da su otvorom postavljene u mrvice, jednakom površinom pritišću podlogu. Kako su sve čaše jednake, jednaka je i njihova masa. Stoga dvije čaše koje imaju dvostruko veću masu od jedne čaše, dvostruko većom silom pritišću podlogu i time ostavljaju dublji tlak u mrvicama. Prema tome može se zaključiti da je trag dublji što je sila veća, tj. tlak je razmjeran sili kojom tijelo djeluje na podlogu.
Povežu li se prethodna dva zaključka, dobiva se izraz za tlak:
4.1.1 Pitanja i zadaci ~motivacija~ 1. Možeš li hodati po dubokome snijegu? 2. Što se događa staneš li na skije? ~Pokus 1.~ 1. Od predmeta koje imaš pretpostavi koji će ostaviti trag? 2. Predmeti koji su ostavili trag:___________________________ Predmeti koji nisu ostavili trag:__________________________ 3. Slaže li se dobiveni rezultat s tvojom pretpostavkom. Ako ne, pokušaj objasniti zašto.
19
~Pokus 2.~ 1. Koja čaša je ostavila dublji trag? (Ona okrenuta vrhom.) 2. Ovisi li trag o masi čaše? Zašto? (Ne, jer su obje čaše jednake mase.) 3. Ovisi li trag o položaju čaše? Zašto? (Da. Čaša okrenuta vrhom ostavila je dublji trag. Površina stjenke manja je od površine dna čaše.) 4. Izvedi zaključak kako tlak ovisi o plohi kojom tijelo pritišće površinu. (Tlak i ploština su obrnuto razmjerni.) ~Pokus 3.~ 1. Koji trag je dublji? (Onaj dviju čaša.) 2. Ovisi li trag o masi čaše/čaša? Zašto? (Da. Dvije čaše ostavile su dublji trag.) 3. Ovisi li trag o položaju čaše/čaša? Zašto? (Ne. Sve čaše okrenute su dnom prema površini. Sve čaše su jednake pa su im i dna jednaka.) 4. Izvedi zaključak kako tlak ovisi o sili kojom tijelo djeluje na površinu. (Tlak i sila su razmjerni.) 5. Odredi masu čaše i površinu njezina dna. Izračunaj tlak: a) kada jedna čaša djeluje na stol, b) kada dvije čaše umetnute jedna u drugu djeluju na stol.
4.2 Kako djeluje zrak – atmosferski tlak Svakodnevno se u vremenskoj prognozi spominje tlak zraka. Kako dokazati da on postoji. Pokus 4. Pribor: čaša s vodom, komad čvrstog papira Opis: Čaša puna vode pokrije se komadom čvrstog papira. Čvrsto držeći papir, čaša se naglo okrene. Voda je ostala u čaši.
20
Slika 4.4. Djelovanje atmosferskog tlaka
Voda ne istječe iz preokrenute čaše zbog djelovanja zraka atmosferskim tlakom nasuprot težine vode u čaši. 4.2.1 Pitanja i zadaci ~motivacija~ 1. Postoji li tlak zraka?
~Pokus 4.~ 1. Što će se dogoditi ako čašu punu vode pokriješ komadom papira pa je, držeći papir uz nju naglo okreneš? 2. Što zadržava vodu da se ne prolije iz čaše? (Zrak djeluje atmosferskim tlakom nasuprot težini vode u čaši.)
4.3 Tlak u tekućini Svatko tko je jednom dublje zaronio, osjetio je kako ga voda pritišće. Kako se ponaša tlak u vodi može se opisati sljedećim pokusima. Pokus 5. Pribor: slamka sa zglobom, posuda s vodom Opis: Ispitati tlak u vodi prema dolje, u stranu i prema gore
21
Slika 4.5. Hidrostatski tlak u tekućini
Ravnu slamku uroniti vertikalno u tekućinu. Tekućina će se uzdignuti do određene visine u slamki. Zatim se slamka savije u zglobu u obliku slova L. Uroni se u tekućinu kraćim krajem tako da je duži dio postavljen vertikalno. I ovaj puta se tekućina uzdignula u slamki do određene visine. U sljedećem slučaju slamka se savije u zglobu tako da duži i kraći kraj čine zajedno slovo U. Ponovno se slamka uroni u tekućinu kraćim krajem postavljeno vertikalno i ponovno se tekućine uzdiže do određene visine. Na ovaj način pokazano je da tlak u tekućini djeluje u svim smjerovima; odozdo, odozgo i u stranu. Ponovi li se ovaj pokus na način da se donji otvor slamke uroni uvijek na istu dubinu, razina vode u slamki uzdignut će se uvijek na istu visinu. Time se pokazuje da je tlak tekućine na nekoj dubini jednak u svim smjerovima. Pokus 6. Pribor: Plastična boca napunjena vodom do vrha Opis: U visoku plastičnu bocu ulije se voda. S iste strane na tri različite visine izbuše se rupice. Prema potrebi kroz lijevak ulijevati da bi se mlazovi bolje vidjeli.
22
Slika 4.6. Ovisnost hidrostatskog tlaka o dubini
Mlazovi koji izlaze iz rupica nisu jednaki. Mlaz iz najviše rupice je najslabiji i pada najbliže boci, dok je najniži mlaz najjači i štrca najdalje. Iz ovog pokusa se može zaključiti da tlak tekućine ovisi o dubini iste, tj. tlak se povećava s dubinom tekućine. 4.3.1 Pitanja i zadaci ~motivacija~ 1. Postoji li tlak u vodi? 2. Što osjećaš u ušima kad dublje zaroniš? ~Pokus 5.~ 1. Prstom začepi odozgora slamku uronjenu u vodu. Zatim slamku izvadi iz vode. a) Što primjećuješ? (U slamki se nalazi tekućine.) b) Što zadržava vodu u slamki? (Odozdo na tekućinu djeluje atmosferski tlak.) 2. Na isti način uroni slamku na dvije različite dubine u vodi. Različitim bojama označi do koje se visine voda uzdignula u slamki. a) Što primjećuješ? (Kod slamke koja je dublje uronjena, visina vode u slamki je veća.) b) Kada je tlak veći? (Kada je slamka dublje uronjena u vodu, tlak je veći.) 23
3. Provjeri uzdiže li se voda: a) kod ravne slamke, b) kod slamke savijene u obliku slova L, c) kod slamke savijene u obliku slova U. 4. Što si dokazao/dokazala ovim pokusom? (Tlak u vodi djeluje u svim smjerovima.) 5. Ovoga puta različito savijene slamke uroni u vodu tako da je donji otvor slamke uvijek na istoj dubini. Različitim bojama označi do koje se visine voda uzdignula u slamki. Može li se ovim pokusom dokazati da je tlak jednak u svim smjerovima na istoj dubini? (Može.) ~Pokus 6.~ 1. Iz kojeg otvora voda istječe najdalje? (Iz najnižeg.) 2. Objasni. (Najniži otvor tlači najveći tlak.)
4.4 Djelovanje vanjske sile na tekućinu – Pascalov zakon S primjenom Pascalovog zakona učenici se susreću svakodnevno u životu istiskujući pastu za zube na četkicu ili majonezu na omiljeni sendvič, a učenici putnici kada vozač autobusa koristi kočnice. Kako djeluje vanjska sila na tekućinu, pokušat će se objasniti sljedećim pokusima.
Pokus 7. Pribor: Veća medicinska štrcaljka, obla plastična posuda koja se može zatvoriti. Opis: Plastičnu posudu izbušiti na dnu i ravnomjerno po površini. Potom štrcaljku i posudu napuniti vodom te u dno posude utaknuti štrcaljku.
24
Slika 4.7. Tlak se prenosi tekućinom u svim smjerovima
Kada se stisne medicinska štrcaljka, mlazovi vode koji izlaze kroz rupice su jednaki. Znači da je tlak tekućine na svakoj rupici jednak. Prema tome može se zaključiti da se tekućinom prenosi tlak u svim smjerovima. Taj tlak naziva se hidrauličkim tlakom. Pokus 8. Pribor: jedna veća i jedna manja medicinska štrcaljka, plastično crijevo Opis: Napuniti crijevo vodom i manju medicinsku štrcaljku. Sa svake strane crijeva utaknuti po jednu štrcaljku.
Slika 4.8. Primjer jednostavne hidrauličke dizalice
Kada se stisne manja štrcaljka, tlak se iz nje kroz vodu prenosi u veću štrcaljku koja se zatim podiže. Na ovako sličan način rade hidrauličke dizalica i kočnice.
Slika 4.9. Skica hidrauličke dizalice
Kada se na klip manje površine S1 djeluje se silom F1, tlak se prenosi tekućinom na klip površine S2 koji se podiže silom F2. Zbog Pascalovog zakona tlak je na maloj i velikoj 25
površini jednak, p1=p2, odnosno
. Prednost ovoga je da se djelujući manjom silom na
klip manje površine svladava veća sila na većoj površini:
4.4.1 Pitanja i zadaci ~Pokus 7.~ 1. Kako voda prenosi djelovanje izvanjske sile? (Sve tekućine podjednako na sve strane prenose silu koja djeluje izvana.) 2. Koji od svakodnevnih predmeta rade na ovome principu? (pasta za zube, kočnice, medicinska štrcaljka ...) ~Pokus 8.~ 1. Pretpostavi što će se dogoditi ako stisneš manju štrcaljku. 2. Što se dogodilo kada si stisno/la manju štrcaljku? (Veća se podignula.) 3. Veća štrcaljka je promjera 3.5 cm, a manja 2 cm. Ako se veća štrcaljka optereti nekim tijelom mase 700 g, kolikom silom treba djelovati na manju štrcaljku da bi se podignulo to tijelo? (Silom od 4 N.)
4.5 Uzgon Iz iskustva se zna da drvo pliva pa je logično da i drveni čamac ili brod plivaju. Ali vodom plove i golemi čelični čamci koje prevoze ogromne terete iako se zna da čelik tone. Što se tu događa trebali bi razjasniti sljedeći pokusi. Pokus 9. Pribor: vješalica, 2 plastične čaše, 6 jednakih starih baterija, veća posuda s vodom Opis: U svaku čašu staviti po tri baterije te čaše objesiti o vješalicu. Zatim jednu čašu uroniti u vodu.
26
Slika 4.10. Čaša uronjena u vodu je lakša
Kada se čaše objese na vješalicu, onda je vješalica u ravnoteži. Čaše su jednake težine. Nakon uranjanja jedne
čaše u vodu, vješalica više nije u ravnoteži. Budući da se kraj
vješalice sa čašom uronjenom u vodu podignuo, izvodi se zaključak da se težina te čaše smanjila. Težina tijela u vodi je manja nego u zraku. To znači da na uronjenu čašu djeluje voda nekom silom. Kako se težina čaše smanjila, sila koja u vodi djeluje na čašu je suprotna sili teži. Sila kojom voda nastoji podignuti tijelo naziva se sila uzgona ili uzgon. Sila uzgona, Fu, jednaka je razlici težine tijela u zraku, Gz, i težine tijela u tekućini, Gt,
Pokus 10. Pribor: posuda napunjena vodom, manja plastična posudica s poklopcem Opis: Postupak se odvija u tri koraka. Prvo praznu posudicu staviti u vodu, zatim je napuniti vodom i potom staviti u vodu te na kraju posudicu napuniti manjim kamenčićima i ponovno staviti u vodu.
27
Slika 4.11. Djelovanje uzgona na tijelo kada mu se promijeni gustoća
Dodavanjem vode ili kamenčića u posudicu, mijenja se njezina masa, a time i težina posudice. Kada se plastična posudica uroni u vodu, na nju djeluje sila uzgona. Ovisno o odnosu težine tijela i sili uzgona, tijelo pliva, lebdi ili tone. Ako je uzgon na tijelo uronjeno u tekućinu veći od njegove težine, ono djelomično izranja na površinu i pliva. Ako su uzgon i težina potpuno uronjenog tijela jednaki, ono u tekućini lebdi. Kada je uzgon na tijelo manji od njegove težine, ono tone. tijelo pliva
tijelo lebdi
tijelo tone
Budući da težina tijela ovisi o gustoći tijela ρ, a uzgon o gustoći tekućine ρ t, ti se uvjeti mogu iskazati i pomoću gustoća. tijelo pliva
tijelo lebdi
28
tijelo tone
4.5.1 Pitanja i zadaci ~motivacija~ 1. Tone li ili pliva drvo u vodi? 2. Tone li ili pliva drveni čamac u vodi? 3. Tone li ili pliva čelik u vodi? 4. Tone li ili pliva čelični brod u vodi? ~Pokus 9.~ 1. Jesu li čaše u ravnoteži na vješalici? (Da.) 2. Što se događa kada jednu čašu uroniš u veću posudu s vodom? (Vješalica više nije u ravnoteži.) 3. Je li se smanjila masa čaše uronjene u vodu? (Ne.) 4. Je li došlo do neke druge promjene? (Smanjila se težina uronjene čaše.) 5. Na koji način se promijenila težina? (Na čašu djeluje sila uzgona suprotnog smjera u odnosu na težinu.) ~Pokus 10.~ 1. Opiši što se dogodilo u sva tri slučaja. (Prazna posudica pliva. Posudica napunjena vodom lebdi. Posudica napunjena kamenčićima tone.) 2. Što je izazvalo promjenu? (Promijenila se masa posudice, a time i njezina težina.) 3. Kada je sila uzgona na posudicu najveća, a kada najmanja? (Najveća je kada posudica pliva, a najmanja kada tone.)
29
5 Zaključak Svaki puta kada počnem raditi s novim učenicima, nakon upoznavanja moje prvo pitanje je njihovo mišljenje o fizici i kako je oni vide. Odgovori su gotovo uvijek isti: „Fizika je grozna.“, „Fizika je teška.“, „To je isto kao i matematika.“, „To je hrpa brojki i slova.“ i slično. To ne govore samo učenici koji su se već susreli s fizikom, već i sedmi razredi koji se s njome tek trebaju susresti. U početku sam time bila šokirana, ali danas pokušavam naći načine na koje ću razbiti tu barijeru da bih kvalitetno mogla odraditi nastavu fizike. Zato me i zainteresirao članak A. Pfluga kojeg sam proučavala za ovaj rad. On ne smatra da tu postoji „neka“ barijera u poučavanju fizike, već cijela tvrđava. Ali ne postoji samo tvrđava fizike, već i tvrđave drugih ljudski djelatnosti u koji pristup imaju samo odabrani. A ako već i imate pristup u jednu od tvrđava, onda gubite pravo ulaska u druge. Što se onda događa s ljudima koji ne mogu ući i ostaju ispred visokih bedema u podnožju tih tvrđava? Neki od njih pokušavaju ući ili iz vlastite znatiželje ili pod pritiskom okoline. Pritom neki teškom mukom čak i uspiju. Tradicionalni način poučavanja fizike je pomalo dosadan i suhoparan. Učenicima djeluje kao hrpa informacija koje moraju zapamtiti, gomila formula koje ne znaju upotrijebiti i puno, puno matematike. U svemu tome poneki pokus koji se i izvede na nastavi prođe nezamijećen. Na ovaj način onima kojima se fizika u početku možda i činila zanimljivom, brzo gube volju za daljnjim istraživanjem i učenjem fizike. Ipak postoje nastavnici koji svojim entuzijazmom nastoje promijeniti način poučavanja. Ali ne samo da im neki kolege otežavaju taj zadatak već se često i sami učenici opiru u promjeni poučavanja. Tradicionalni način poučavanja naviknuo je učenike da im se u glavu ulijeva hrpa informacija koje poput papige bez razmišljanja trebaju izrecitirati za dobru ocjenu. Trebat će vremena i izmjena nekoliko generacija učenika kao i upornost samog nastavnika da se promjene prihvate. Ponekad dok sam s kćeri na igralištu promatram djecu. Ona manja uživaju u otkrivanju svijeta oko sebe dok ona nekoliko godina starija izgubila su taj žar istraživanja. Što se u međuvremenu dogodilo? Prema mome mišljenju tu smo mi kao društvo učinili veliku pogrešku dajući im gotove odgovore, a ne potičući ih na potragu za istim. Ali i sami smo na taj način školovani i odgajani. Težak je i dugotrajan proces ponovno pronaći taj žar u učenicima koji su imali kao mala djeca. Ali vrijedi truda. Vrlo često su dovoljni jednostavni i praktični pokusi koji potom 30
potiču same učenike da naprave svoje vlastite koje onda oni s ponosom vole pokazati svojim kolegama. Na taj način često nauče više nego što im nastavnik može ispredavati, a sama fizika ne čini se više tako teškom. Mnogi nastavnici se žale kako škole nemaju dovoljno sredstava za opremanje kabineta. U velikoj većini slučajeva im niti ne treba. To sam pokušala i prikazati kroz ovaj rad. Fizika proučava svijet oko nas pa je dovoljno uzeti predmete iz naše okoline i istražiti ih. Kako su uopće u prošlosti Arhimed i Pascal te ostali fizičari došli do svojih otkrića bez današnje sofisticirane i skupocjene opreme? Fizikalni pokusi mogu imati višestruku ulogu. Osim što pomažu u razumijevanju osnovnih fizikalnih zakona, korišteni na odgovarajući način razvijaju kritičko razmišljanje i istraživački duh, a često i kreativnost. Pa budimo kreativni i ponovno upalimo iskru koju su naši učenici davno izgubili.
31
6 Literatura
1. Cutnell, J. D., Johnson, K.: Physics – 8th edition, John Wiley & Sons, Hoboken, 2009. 2. Buljubašić, M., Mišura, M., Tečić, A.: Fizika 7, udžbenik za sedmi razred osnovne škole, EXP EDIT d.o.o., Šibenik, 2005. 3. Prelovšek-Peroš, S., Mikuličić, B., Milotić, B.: Otkrivamo fiziku 7, udžbenik za sedmi razred osnovne škole, Školska knjiga, Zagreb, 2006. 4. Mikuličić, B., Buljan, I., Despoja, D.: Otkrivamo fiziku 7, radna bilježnica za sedmi razred osnovne škole, Školska knjiga, Zagreb, 2012. 5. Pflug, A., 1991.: The role of Simple Qualitative Experiments in Physics Teaching. TU Dortmund, Fakultät Physik.
32
Sažetak Demonstracijski pokusi mogu imati višestruku ulogu u nastavi fizike na svim razinama. Osim što pomažu u razumijevanju osnovnih fizikalnih zakona, korišteni na odgovarajući način razvijaju kritičko razmišljanje i istraživački duh, a često i kreativnost. U ovom radu se pokazuje da pokusi ne moraju biti složeni i zahtjevni, a oni jednostavni koji koriste predmete iz svakodnevne upotrebe su i najzanimljiviji. Takvi pokusi potiču učenika da nastavi istraživati fizikalne zakone i kod kuće. U ovome radu istaknuta je ključne uloga demonstracijskih pokusa u nastavi fizike. Ideja rada je prezentirati nastavnicima mogućnosti jednostavnih pokusa u jednom užem području fizike. Tema hidrostatike koja se u ovom radu obrađuje je jedno od područja fizike koje je idealno za primjenu jednostavnih demonstracijskih pokusa. U radu su prezentirani demonstracijski pokusi iz hidrostatike prilagođeni prvenstveno učenicima osnovne škole. Osmišljeni su tako da ih učenici mogu izvesti sami kod kuće ili ih se može prirediti za grupni rad u školi. Pitanja i zadaci nakon svake vezane skupine pokusa vode učenike kroz pokuse i razumijevanju fizikalnih pojmova koje promatraju.
33
Demonstration experiments in physics teaching: Hydrostatics Abstract Demonstration experiments can have multiple roles in the teaching of physics at all levels. As well as they help in the understanding of basic physical laws, used appropriately they develop critical thinking and explorative spirit, and often creativity. This paper shows that the experiments do not have to be complex and demanding, simple one that uses objects of daily use can be very interesting. Such simple experiments encourage pupils to continue to explore the laws of physics even and at home. This paper highlights the key role of demonstration experiments in physics. The idea is to present teachers opportunities of simple experiments in a narrow field of physics. Hydrostatics, which this paper deals, is one of the areas of physics, which is ideal for the application of simple demonstration experiments. The paper presents a demonstration experiments from hydrostatics adapted to primary school children. They are designed so that pupils can do themselves at home, or they can be prepared for group work in school. Questions and tasks after each group of related experiments lead pupils through experiments and understanding of physical concepts that are observed.
34
