Pokazy z fizyki
podstawowe narzędzie dydaktyki fizyki

Po co komu pokazy z fizyki? Nauczyciel podyktuje, uczeń nauczy się i po krzyku. Tak widzą niektórzy humaniści naukę przedmiotów przyrodniczych, w tym fizyki. Nic bardziej błędnego. Fizyka to nie pamięciowe opanowanie definicji i wzorów a nauka myślenia, które pozwala na racjonalne zrozumienie otaczającego nas świata. Jest to zapewne trudne. Dlatego młodzież, aby przejść przez tę barierę, musi widzieć zjawiska i procesy. Temu służą organizowane od siedmiu lat przez naszą Fundację, z udziałem innych instytucji, Pokazy z Fizyki. Maja one uzupełniać to, na co nie stać naszego sytemu publicznej oświaty. Do tej pory Fundacja, razem z ośrodkiem lubelskim i Katedrą Fizyki PRz organizowała coroczne ( w czerwcu) Rzeszowskie Pokazy z Fizyki. Pokazy ogląda, przeciętnie, około trzech tysięcy uczniów.
Od dwóch lat takie pokazy są organizowane przez Fundację w innych miastach Podkarpacia jako Wyjazdowe Pokazy z Fizyki.

W tym miejscu przedstawiamy informację merytoryczną na temat niektórych opracowanych i demonstrowanych pokazów, zwłaszcza tych prezentowanych podczas pokazów wyjazdowych. Pokazy mają na celu zapoznanie uczniów z zjawiskami fizycznymi i możliwościami ich interpretacji. Informacja ta będzie sukcesywnie rozszerzana.

Grupa pokazów I  -  poziom podstawowy

Mechanika

1. Prędkość i droga w jednorodnym polu siły ciężkości

Poniżej pokazano schematycznie zestaw demonstracyjny.

Dwie jednakowe kuleczki jednocześnie wypuszczamy z punktu A. Do punktu B wcześniej przybywa kuleczka poruszająca się po torze dłuższym.
Pokaz pozwala na omówienie zagadnień: prędkość chwilowa, prędkość średnia, ruch bez uwzględniania tarcia w jednorodnym polu grawitacyjnym, ruch po równi pochyłej, II Zasada Dynamiki Newtona, zasada zachowania energii.

2. Bezwładność

Na stole położono śliski obrus, a na nim postawiono naczynie (najlepiej szklane z wodą).

  Jeśli powoli poruszamy obrusem, naczynie przesuwa się razem z obrusem (w wyniku siły tarcia, którą obrus działa na naczynie). Jeśli umiejętnie wyszarpniemy obrus, naczynie pozostanie na swoim miejscu.  Pokaz demonstruje działanie zasady bezwładności. Pozwala też na zwrócenie uwagi na rolę siły tarcia statycznego.

Dokładniejsze wyjaśnienie.

3. Siły bezwładności Tutaj demonstrowane są siły bezwładności występujące w ruchu prostoliniowym oraz krzywoliniowym.   3.1. Piłka na nitce Pierwsza demonstracja wykorzystuje masywną piłkę o masie m (lub inny obiekt), wiszącą na odpowiednio dobranej nici. Gdy ciągniemy z powoli narastającą siłą, pęka nitka pomiędzy piłką a punktem zawieszenia, w chwili, gdy siła ciągnąca osiąga wartość F mniejszą niż wytrzymałość nici, bo w tym miejscu działa siła wypadkowa Fw=mg+F. Gdy działamy z gwatownie narastającą siłą F, która nadaje piłce przyspieszenie a, pojawia się siła bezwładności Fb=ma działająca na piłkę, co powoduje, że pęka nić pomiędzy piłką a punktem przyłożenia siły F. Dokładniejsze wyjaśnienie

3.2. Wirujące akwarium
Do płaskiego akwarium wlewamy zabarwioną ciecz (wodę), a następnie wprawiamy je w ruch obrotowy. Poziom cieczy ustawi się według krzywej wyznaczonej przez wektorową sumę siły ciężkości i siły odśrodkowej.

Obok pokazano siły działające na elementarną objętość cieczy V:  Q=Vρg, F=Vρω²R,
gdzie ρ-gęstość cieczy, ω-prędkość kątowa, R- odległość od osi obrotu.
 

3.3. Piła z papieru Na oś silnika wysokoobrotowego nałożono tarczę z twardego papieru (tektury). Tarcza wprawiona w ruch obrotowy przecina klocek drewniany. Tarcza nie deformuje się dzięki sile odśrodkowej.

4. III Zasada Dynamiki Newtona i zasada zachowania pędu

4.1. Rakieta z butelki Butelkę plastikową wypełniamy parą spirytusu denaturowanego i po umieszczeniu na statywie (wyrzutni) podpalamy.  Butelka zostaje wyrzucona, co imituje ruch rakiety.

 
 

4.3. Napęd łódki W pudełko od konserwy w kształcie łódki wspawano dwie cienkie rurki miedziane, które w łódce tworzą wężownicę. Po zanurzeniu łódki, do rurek od tyłu dostaje się woda. Następnie wężownica zostaje ogrzana. Powstająca para wypycha do tyłu wodę z rurki, co powoduje ruch łódki. Dokładniejsze wyjaśnienie

 
 

4.4. Silnik odrzutowy Tak, jak w pokazie z butelką, wypływ gazu powoduje odrzut. Można go zamienić na ruch po okręgu.

5. Moment bezwładności

Moment bezwładności uwidacznia się przy różnych zjawiskach, na przykład przy toczeniu się ciał lub ruchu obrotowym.

5.1. Walce

Używamy dwa walce o tej samej masie i promieniu zewnętrznym, ale jeden (1) jest pełny a drugi (2) wydrążony. Łatwo pokazać, że walec wydrążony, lecz o takiej samej masie, wolniej stacza się z równi pochyłej. Jest to wynikiem tego, że walec wydrążony, ale o takiej samej masie, ma większy moment bezwładności. Z zasady zachowania energii mechanicznych wynika, że walec wydrążony będzie toczył się wolniej.

 
 

5.2. Stolik obrotowy i hantle Siadamy na stoliku obrotowym trzymając w rozłożonych rękach hantle. Po wprowadzeniu w ruch obrotowy, prędkość kątowa zależy od tego, gdzie trzymamy hantle. Pokaz ilustruje dodatkowo zasadę zachowania momentu pędu.

5.3. Wirowanie na swobodnej osi obrotu

Pierścień zawieszamy na końcówce wirownicy. Przy małej prędkości kątowej pierścień wiruje w takiej postaci, w jakiej zwisa swobodnie. Przy dużej prędkości kątowej pierścień wiruje względem osi maksymalnego momentu bezwładności.

 
6. Moment pędu

6.1. Wirowanie koła, utrzymywanie poziomego kierunku osi obrotu

Oś wirującego w płaszczyźnie pionowej koła zawieszamy na jednym z jej końców na linie. Drugi koniec osi pozostaje swobodny. Dopóki koło szybko wiruje, oś koła, a zatem i kierunek momentu pędu, pozostaje pozioma (z nieznacznym odchyleniem) - efekt żyroskopowy.
To samo doświadczenie, powtórzone z dwoma kołami wirującymi w przeciwnych kierunkach na jednej osi, nie daje tego efektu.

6.2. Osoba na stoliku obrotowym trzymająca wirujące koło

Początkowo nieruchoma osoba, trzymająca wirujące koło, po przekręceniu osi koła z poziomej na pionową, zaczyna obracać się na stoliku.

Stolik obrotowy zapewnia brak momentu sił skierowanego wzdłuż osi obrotu stolika. Dlatego składowa momentu pędu wzdłuż tej osi cały czas pozostaje stała. Jeżeli oś obrotu koła na razie jest pozioma, to cały układ nie posiada tej składowej. Po zmianie osi obrotu, koło posiada moment pędu wzdłuż osi pionowej, ale żeby cały układ nadal nie posiadał składowej pionowej momentu pędu, to osoba wraz ze stolikiem musi zacząć obracać się w stronę przeciwną niż koło.

 

8. Drgania Obserwujemy drgania masy podwieszonej na sprężynie. Masa może się zmieniać w stosunku 1:4. Skoro okres drgań ,  to przy czterokrotnym wzroście masy okres zwiększy się dwukrotnie. Możliwa jest także obserwacja zjawiska rezonansu

9. Fale akustyczne

Istnieje wiele zjawisk z udziałem fal akustycznych. Najbardziej spektakularne są te, w których występuje rezonans lub powstaje fala stojąca.