Szkolne Warsztaty Fizyczne

Koleżankom i kolegom,
z okazji IX W-Fów, dedykuję

Dlaczego uczyć fizyki? Jak uczyć fizyki? Gdzie uczyć fizyki? Kogo uczyć fizyki? Kiedy uczyć fizyki? - to tylko część codziennych pytań dydaktyka fizyki. Choć tak naprawdę, to także pytania niejednego nauczyciela, a przynajmniej tych, z którymi już piąty rok współorganizuję Szkolne Warsztaty Fizyczne (W-Fy). Co ważniejsze, odnoszę wrażenie, że ich i moje odpowiedzi na te pytania to: bo to rozwijające zajęcie, interesująco, wszędzie, wszystkich chętnych, przy każdej okazji.

Niewątpliwie potwierdzają to W-Fy czyli propozycja wyjazdowych zajęć edukacyjnych dla licealistów obejmujących tematykę fizyczną i promujących aktywność fizyczną. Organizatorem W-Fów jest Liceum Ogólnokształcące nr V we Wrocławiu we współpracy z Instytutem Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego. Patronat nad przedsięwzięciem sprawuje Oddział Wrocławski Polskiego Towarzystwa Fizycznego. Przy organizacji WFów wspierają nas także nauczyciele wrocławskich liceów nr I, VIII, XIII oraz Liceum Akademickiego Politechniki Wrocławskiej. Zajęcia naprzemiennie organizowane są w Stacji Ekologicznej "Storczyk" Uniwersytetu Wrocławskiego w Karpaczu (jesienią) oraz w Stacji Turystycznej "Orle" koło Jakuszyc (wiosną).

Głównym celem warsztatów jest wsparcie uczniów zainteresowanych poszerzaniem wiedzy z zakresu fizyki, kształceniem umiejętności obserwowania i badania otaczającego nas świata oraz postaw charakterystycznych dla pracy naukowej. Każdorazowo do udziału w warsztatach zapraszamy łącznie 30 uczniów z liceów. Podczas trzech dni warsztatowych uczniowie, podzieleni na sześcioosobowe zespoły, uczestniczą w wykładach z pokazami, warsztatach oraz moderowanych dyskusjach. Tradycyjnie zajęcia praktyczne obejmują warsztaty rozwiazywania zadań, warsztaty praktyczne, warsztaty doświadczalne, warsztaty matematyczne oraz warsztaty pracy z tekstem i obrazem.  Zajęcia prowadzą pracownicy akademiccy, nauczyciele oraz praktycy. Korzystamy także z pomocy studentów oraz absolwentów - uczestników wcześniejszych warsztatów. Podczas spotkań dbamy również o kondycję fizyczną uczestników organizując gry terenowe, wyjścia w góry, na basen, biegi na nartach biegowych.

A dlaczego to robimy i dlaczego gorąco zachęcamy innych do kopiowania naszego pomysłu (który także został zainspirowany przez innych - organizatorów Szkolnych Warsztatów Astronomicznych z Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu Wrocławskiego)?

Dlatego, że nieustannie pytamy: Dlaczego uczyć fizyki? Jak uczyć fizyki? Gdzie uczyć fizyki? Kogo uczyć fizyki? Kiedy uczyć fizyki?

   

Czajnik elektryczny

Wyznaczenie wartości ciepła właściwego wody z wykorzystaniem czajnika elektrycznego o znanej mocy jest jednym z obowiązkowych doświadczeń fizycznych w szkole podstawowej. Ze względu na charakter metody oraz jej ograniczenia w zadaniu nie tyle chodzi o uzyskanie dokładnej wartości, ile o zademonstrowanie konkretnego podejścia do zadania badawczego. 

Oczywiście wskazane jest, by uzyskany wynik jak najmniej odbiegał od wartości, którą uczniowie z łatwością znajdują w tablicach fizycznych i dlatego nauczyciel - jako animator procesu nauczania - uczenia się - powinien ograniczyć czynniki mające największy wpływ na niepewność pomiaru. Należą do nich przede wszystkim straty energii związane z wymianą ciepła z otoczeniem oraz ze zmianą temperatury samego czajnika. Warto zwrócić uwagę także na inne aspekty. Oto kilka wskazówek praktycznych, których uwzględnienie prowadzi do uzyskania satysfakcjonującego wyniku liczbowego:

• czajnik powinien być wykonany z tworzywa sztucznego;
• pojemność czajnika nie powinna być zbyt duża lub należy wykorzystać około 0,5 - 0,75 l wody;
• wlewając odmierzoną ilość wody do doświadczenia warto posłużyć się cylindrem miarowym;
• większość czajników przystosowanych jest do pracy w zakresie napięcia zasilania 220 - 240 V i także informacja o mocy podana jest w postaci przedziały np. 550 - 650 W, w takim przypadku do obliczeń należy przyjąć wartość środkową (w tym przypadku 600 W);
• najlepiej wykorzystać do pomiaru temperatury termometr elektroniczny o niewielkiej bezwładności;
• doświadczenie powinno rozpocząć się z wodą o temperaturze nieco niższej niż temperatura otoczenia (np. 15 °C) i zakończyć po osiągnięciu temperatury tylko nieco wyższej niż temperatura otoczenia (np. 35 °C).

Fotografia przedstawia zdjęcie niewielkiego czajnika elektrycznego tzw. czajnika podróżnego wykonanego z tworzywa, o pojemności 0,5 l i mocy 600 W, który z powodzeniem stosuję do realizacji tego doświadczalnego zadania obowiązkowego. 

Żelatynowe soczewki

Właściwości żelujące żelatyny można wykorzystać do przygotowania smacznych galaretek owocowych - w sieci znaleźć można niejeden przepis na tego rodzaju przysmaki (np. Galaretkowiec) - ale warto także wykorzystać żelatynę do przygotowania materiału na soczewki optyczne. 

W tym celu należy 55 g żelatyny (1 opakowanie) rozpuścić w 50 ml przegotowanej wody i odstawić na chwilę. W tym czasie należy przegotować 0,2 litra wody i do świeżo przegotowanej wody dolać, stale mieszając, rozpuszczoną żelatynę. Po dokładnym wymieszaniu ciecz odstawiamy do ostygnięcia. W tym czasie przygotowujemy płaski pojemnik (np. pojemnik śniadaniowy, opakowanie po lodach, blachę do ciast itp.), który wykładamy folią spożywczą, by po zastygnięciu z łatwością usunąć przeźroczystą galaretkę. Wielkość pojemnika lub ilość przygotowywanej żelatyny należy dobrać, tak by po zalaniu uzyskać warstwę o grubości 2-3 cm. Ostudzoną ciecz, odpowiednio wcześnie przelewamy do pojemnika i odstawiamy do lodówki by stężała.

Z tak przygotowanej warstwy wycinamy za pomocą ostrego noża soczewki, których płaszczyzny będące wycinkiem okręgu były prostopadłe do ich płaskich powierzchni. Do precyzyjnego wycięcia można wykorzystać także niektóre z form do ciastek. 

Aby zademonstrować właściwości skupiające bądź rozpraszające takich soczewek należy oświetlać je światłem lasera np. ze wskaźnika laserowego kierując wiązkę równolegle do ich płaskich powierzchni. Najlepiej do tego celu wykorzystać kilka źródeł światła (kilka laserów) o wiązkach równoległych.

Tego rodzaju soczewki świetnie sprawdzają się podczas zajęć, których celem jest badanie:

• jak właściwości soczewek zależą od ich kształtów,
• co się stanie, gdy różne soczewki ustawimy jedna za drugą,
• jak ogniskowa soczewek zależy od ich promienia krzywizny,
• jak ogniskowa soczewki zależy od długości światła (niezbędne są lasery różnokolorowe),
• tego, co jeszcze uczniom przyjdzie do głowy.

Praktyczne źródło zasilania

Podczas zajęć praktycznych nierzadko zdarza się konieczność korzystania ze źródła zasilania o zmienny napięciu. Najprościej w takiej sytuacji wykorzystać zasilacz regulowany, ale jeśli w klasie pracuje 6 do 8 zespołów uczniowskich to sprawa się komplikuje. Nawet jeśli mamy 6 do 8 zasilaczy (ja nie mam aż tylu) to pozostaje problem z doprowadzeniem do każdego z nich zasilania sieciowego. W tradycyjnych klasach zazwyczaj nie ma tylu gniazd sieciowych, a korzystanie z przedłużaczy wiąże się z dodatkowymi trudnościami natury BHP.
I choćby dlatego pracownia fizyczna z prawdziwego zdarzenia powinna być w każdej szkole (podstawowej i ponadpodstawowej) - ale to już temat na zupełnie inny wpis.

Nie można się jednak tak łatwo poddawać. W takiej sytuacji polecam wykorzystanie zasilania bateryjnego z użyciem baterii AA tzw. paluszków oraz ogólnie dostępnych, i podobnie jak baterie, niezbyt drogich pojemników łączących baterie szeregowo. Pojemniki takie mogą pomieścić różną liczbę baterii, w zależności od konstrukcji. W swojej praktyce korzystam z tych na 4 baterie AA, ale są też takie na 6, 8 a nawet 10.

Możliwość skokowego regulowania napięcia z takiego źródła uzyskuje się wkładając zamiast baterii przewodnik (zworę) o identycznych jak bateria rozmiarach - patrz fotografie (baterie są żółto-metaliczne, zworki wyłącznie metaliczne). Zworę można wykonać ze zużytej baterii łącząc jej bieguny np. spoiwem lutowniczym bądź przycinając stosownych rozmiarów pręt miedziany (opcjonalnie stalowy, aluminiowy itp.).

Rozwiązanie sprawdza się równie dobrze z akumulatorami o rozmiarach AA. Polecam.