Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Motivační experiment ve fyzice

    Jedním z hlavních problémů současné výuky fyziky je motivace studentů k efektivnímu vyučovacímu procesu. Mezi studenty převládá nechuť ke studiu fyziky a s tím spojená nízká motivace. Tuto situaci je možné alespoň částečně řešit motivačními experimenty, které studenty aktivují a získají tak jejich pozornost. Motivační experiment není všelék, který by byl použitelný v jakékoliv části výukového celku. Jedná se spíše o experiment, kterým je vhodné dané téma uvést a nastolit tak podmínky, které ovlivní další průběh vyučovacího procesu. Experimenty, které studenty motivují, mají  několik společných prvků. Některé jsou spojeny s řešením problémové úlohy, kdy vysvětlením jisté nestandardní situace je fyzikální jev či proces. Jiné experimenty jsou spojeny s efekty pro studenty přitažlivými (jiskry, plameny, drobné exploze apod.). Motivační experiment musí být pro studenty něčím překvapující, aby upoutal jejich pozornost a pomohl tak učiteli vtáhnout studenty do výuky. V této souvislosti můžeme s nadsázkou říci, že atraktivita experimentu je přímo úměrná pravděpodobnosti, že vyučující při demonstraci zemře. V pedagogické praxi můžeme pozorovat zájem studentů právě o experimenty vyžadující vysoké napětí (Teslův transformátor) či otevřený plamen (model jaderné bomby).
    Příkladem motivačního experimentu může být jednoduchý model jaderné bomby, kdy demonstrujeme pomocí zápalek neřízené štěpení uranu. V základní verzi tohoto experimentu využijeme dvou dřevěných desek, do kterých vyvrtáme otvory o průměru, který umožní zasunutí zápalek (Obr. 1a).
deskyprilozene desky
Obr. 1a - Desky připravené pro demonstraci        Obr. 1b - Demonstrace bez zapálených zápalek
Rozměry desek volíme tak, aby počet zápalek v desce nepřevyšoval 50. Pokud učitel uzná za vhodné, můžeme rozměry upravit pro vlastní potřeby. Důležitou zásadou je rozmístění zápalek. Na desku je vhodné nakreslit čtvercovou síť složenou z vertikálních a horizontálních úseček. Průsečíky těchto úseček jsou místa, ve kterých bude následně vyvrtán otvor. Minimální vzdálenost průsečíků je rovna 4 cm. Postup zopakujeme i na druhé desce, pouze síť posuneme takovým způsobem, aby jednotlivé průsečíky při přiložení obou desek na sebe byly uprostřed mezi průsečíky první desky. Nejmenší vzdálenost jednotlivých zápalek u první desky tak bude zmiňované 4 cm. Při přiložení desek k sobě se tato vzdálenost zmenší na polovinu. Pro snadnou manipulaci opatříme každou desku rukojetí (Obr. 1b). Vlastní demonstrace pak probíhá tak, že desky osazené zápalkami představíme studentům jako podkritická množství uranu. U jedné z desek pak zapálíme vloženou zápalku a sledujeme, že tato zápalka vyhoří, aniž by zapálila ostatní (Obr. 1c).
zapalena zapalka
Obr. 1c - Zapálená zápalka bez přiložené druhé desky
Nyní demonstrujeme štěpnou jadernou bombu. Zapálíme opět jednu z vložených zápalek a přiložíme druhou desku. Tím, že došlo ke zmenšení vzdáleností zápalek, budou se jednotlivé zápalky zapalovat jedna od druhé (Obr. 1d).
pocatek vybuchu
Obr. 1d - Počátek vzplanutí dalších zápalek
Celý proces trvá několik sekund a je doprovázen poměrně velkým plamenem (Obr. 1e).
demonstrace exploze
Obr. 1e - Průběh demonstrace neřízené řetězové reakce
Demonstraci je tedy třeba provádět v dobře větrané místnosti a v dostatečné vzdálenosti od hořlavých předmětů. Princip štěpné bomby je díky tomuto experimentu dobře pochopitelný. Zapálená zápalka představuje rozpadlé jádro uranu emitující volné neutrony, které štěpí další jádra. Spojením dvou podkritických množství uranu bylo opravdu realizováno při explozi bomby v Hirošimě. Další vývoj však vedl k lepšímu řešení - implozní bombě. Tento systém nespojuje dvě podkritická množství. Podkritický materiál je obalen konvenční výbušninou, která po iniciaci stlačí materiál tak, že dosáhne kritičnosti a začne probíhat neřízená štěpná reakce. Není již využíván uran, pro tento typ bomby je vhodnější plutonium.
    Model implozní bomby je rovněž snadno realizovatelný. Místo desek využijeme plastový létající talíř, který bývá nabízen jako reklamní předmět (Obr. 2a).
model implozni bombymodel implozni bomby 1
Obr. 2a - Model implozní bomby                            Obr. 2b - Model implozní bomby před demonstrací
    Pokud je získání tohoto předmětu problematické, můžeme podobný přípravek vyrobit z trojúhelníkových segmentů. Princip této pomůcky je jednoduchý, jednotlivé segmenty jsou spojeny tak, že umožňují otáčení. Místa těchto spojů jsou vždy těžiště a dva vrcholy trojúhelníku. Do segmentů vyvrtáme otvory pro zápalky podle (Obr. 2b) a to v takové vzdálenosti, při které nedojde ke vznícení ostatních zápalek. Při složení přípravku se pak jednotlivé zápalky postupně zapalují a výsledný efekt je podobný předchozí demonstraci štěpné bomby. Podmínkou je umístění přípravku tak, aby zápalky byly rovnoběžné s horizontální rovinou. Vzniklý stoupající plamen tak snadno zapálí ostatní zápalky.

Motivační experiment v nauce o dielektrických materiálech