Fizika v šoli Poštnina plačana pri pošti 1102 Ljubljana Letnik 21 Zavod Republike i Slovenije za šolstvo DIDAKTIČNI PRISPEVKI: Poskus pri Kresnički: natega Izobraževalni lističi Scientix NA-MA Deset let Verižnega eksperimenta Fizika v šoli Letnik 21 (2016), št. 2 KAZALO Jaka Banko Uvodnik 3 STROKOVNA PRISPEVKA Janez Strnad Antiatomi Vitomir Babič Anizotropija v snoveh - optična dvolomnost in demonstracija komplementarnih barv (2. del) 4 8 DIDAKTIČNI PRISPEVKI Barbara Rovšek Poskus pri Kresnički: natega Erna Meglič in Neža Poljane Hitrost pri športu Marjanca Komar Sence razsežnih svetil Jaka Banko in Andreja Bačnik Izobraževalni lističi Scientix NA-MA Gorazd Planinšič Sveteče diode: reševanje kompleksnih problemov Timotej Maroševič Uporaba mikrokrmilnika Arduino pri pouku fizike Jurij Baje, Saša Ziherl, Katarina Susman Deset let Verižnega eksperimenta Robert Buček Prometna varnost in fizika 15 23 26 32 35 48 53 56 UPODOBITVE V FIZIKI Mojca Čepič Senca in polsenca, redka gosta v višjih razredih ZANIMIVOSTI Obiskali smo 5. Znanstveni piknik Obiskali smo Muzej iluzij Rdeče črnice - strip Priporočamo v branje 59 64 65 66 67 Uvodnik I PACS 01.40. -d, 01.50. -i, 01.55. +b ISSN 1318-6388 FIZIKA V ŠOLI letnik XXI, številka 2, 2016 Izdajatelj in založnik: Zavod RS za šolstvo Predstavnik: dr. Vinko Logaj Odgovorni urednik: Jaka Banko Uredniški odbor: dr. Vladimir Grubelnik, dr. Tomaž Kranjc, dr. Marko Marhl, Milenko Stiplovšek, dr. Barbara Šetina Batič, dr. Ivo Verovnik, dr. Mojca Čepič, Goran Bezjak Jezikovni pregled: PreLePo, Andraž Polončič Ruparčič, s. p. Prevod povzetkov in članka Sveteče diode: reševanje kompleksnih problemov Ensitra prevajanje, Brigita Vogrinec, s. p. Urednici založbe: Simona Vozelj in Andreja Nagode Oblikovanje: Simon Kajtna, akad. slik. Računalniški prelom in tisk: Design Demšar d. o. o., Present d. o. o. Naklada: 410 izvodov Prispevke pošljite na naslov: Zavod RS za šolstvo, Uredništvo revije Fizika v šoli, Poljanska c. 28, 1000 Ljubljana, e-naslov: fizikavsoli@guest.arnes.si. Naročila: Zavod RS za šolstvo - Založba, Poljanska c. 28, 1000 Ljubljana, faks: 01/30 05 199, e-naslov: zalozba@zrss.si Letna naročnina (2 številki): 19,50 € za šole in ustanove, 17,25 € za posameznike, 16,50 € za dijake, študente in upokojence. Cena posamezne številke v prosti prodaji je 10,95 €. Revija je vpisana v razvid medijev, ki ga vodi Ministrstvo za kulturo pod zaporedno številko 570. © Zavod Republike Slovenije za šolstvo, 2016 Vse pravice pridržane. Brez založnikovega pisnega dovoljenja ni dovoljeno nobenega dela te revije na kakršenkoli način reproducirati, kopirati ali kako drugače razširjati. Ta prepoved se nanaša tako na mehanske oblike reprodukcije (fotokopiranje) kot na elektronske (snemanje ali prepisovanje na kakršenkoli pomnilniški medij). Poštnina plačana pri pošti 1102 Ljubljana. Spoštovani! Švedska akademija znanosti se je odločila, da letošnjo Nobelovo nagrado za dosežke na področju fizike podeli trem britanskim znanstvenikom. Pri tem je poudarila, da so letošnji nagrajenci s svojimi raziskavami »odprli vrata v neznani svet«. Tudi v uredniškem odboru se trudimo, da bi vam revija Fizika v šoli odpirala vrata, vrata navdiha, vas pospremila v zanimivi svet fizike ter vas navdala z ustvarjalno močjo, novimi idejami in razmišljanji. Vsem avtorjem se zahvaljujemo za trud, ustvarjalni pristop in pomemben prispevek k razvoju stroke. V rubriki Strokovni prispevki se s člankom »Antiatomi« dotaknemo enega od pomembnih nerešenih vprašanj v fiziki. Če so ob začetku vesolja za nastanek antidelcev veljali enaki zakoni kot za nastanek delcev, zakaj merjenja tega ne podpirajo? Članek opisuje lastnosti antidelcev in stanje na področju raziskav. Kaj razumemo pod pojmom komplementarnost barv v fiziki, si lahko preberete v drugem članku z naslovom »Anizotropija v snoveh — optična dvolomnost in demonstracija komplementarnih barv«. Pri didaktičnih prispevkih si preberite o zakonitostih pretakanja z natego, ki so jih učenci morali upoštevati, da so pravilno rešili naloge na tekmovanju v znanju naravoslovja Kresnička. V prispevku si lahko preberete še zanimivo primerjavo uspešnosti reševanja naloge med učenci in študenti četrtega letnika. Tesno povezani področji fizike in športa so v OŠ Orehek združili v eno učno uro, ki je bila izvedena v telovadnici. V prispevku je opisan primer medpredmetne povezave na temo hitrost pri športu. Sledi opis izvedbe preprostega poskusa s sencami razsežnih svetil, ki mu sledijo rezultati poskusa in teoretična razlaga. Prek učenja z raziskovanjem učenci dobijo izkušnjo o obliki senc za predmeti, ki jih osvetljuje razsežno svetilo, in ugotovijo, kako na obliko sence vplivajo oblika svetila in oblika predmeta ter razdalje med njima ter zaslonom. V nadaljevanju so predstavljeni izobraževalni lističi, ki jih je pripravila skupina svetovalcev področne skupine za naravoslovje na Zavodu RS za šolstvo. Izobraževalni lističi prinašajo primere dejavnosti in različne ideje, namenjeni pa so aktivnemu, samostojnemu učenju z raziskovanjem, ter sodelovanju in vključevanju vseh učencev in dijakov v pouk. »Sveteče diode: reševanje kompleksnih problemov« je prispevek, ki vsebinsko dopolnjuje prispevek, objavljen v prvi letošnji številki revije Fizika v šoli. V tem prispevku avtorja pokažeta primere uporabe LED kot črnih skrinjic, ki lahko dijakom pomagajo pri preučevanju mehanskih, električnih, elektromagnetnih in svetlobnih pojavov Sledi prispevek, v katerem je kot alternativa merilnim instrumentom Vernier predstavljena uporaba mi-krokrmilnika Arduino. V članku so opisane njegove prednosti in slabosti ter prvi koraki za uporabo pri pouku. Letos maja je na Jesenicah potekal že 12. Verižni eksperiment. Na kratko predstavljamo zgodovino te prireditve, ki je ena od aktivnosti iz svetovnega leta fizike 2005. Z zadnjim prispevkom, ki pa se ukvarja z v vsakdanjem življenju zelo pomembno temo, opozarjamo na pomen pravilnega obnašanja v prometu. Učitelj fizike lahko razloge podkrepi s fizikalno razlago. Kako? Odgovor se skriva v prispevku z naslovom »Prometna varnost in fizika«. Kaj v fiziki imenujemo »senca«? V tokratni razpravi o rabi jezika pri pouku fizike se ukvarjamo s senco, polsenco in z vsem, kar je povezano z njima. Kot zanimivost vam predstavljamo 5. Znanstveni piknik v Zagrebu in Muzej iluzij. In za konec: Vabimo vas k soustvarjanju revije, pustite tudi vi svoj pečat v njej v obliki prispevka, komentarja, novice, zanimivosti .... Naj bo revija Fizika v šoli tudi vaša revija. Every particle has its antiparticle with the same mass and half-life, but opposite charge. When the universe was created, the creation of antiparticles was governed by the same laws as the creation of particles. How come there are so few antiparticles in the universe? That is one of the important, unsolved mysteries in physics. Ozadje Vzemimo katero znano reakcijo delcev ali razpad delca. Opazujmo pojav v zrcalu, učeno povedano, v koordinatnem sistemu, ki ga zrcalimo na izhodišču, kar zaznamujemo sparnostjo P. Opazujmo pojav, pri katerem delce nadomestimo z antidelci, kar zaznamujemo s kpnjugacijo naboja C. Opazujmo pojav v obrnjenem časovnem redu, kar zaznamujemo z obratom časa T. Najprej so mislili, da dobimo v vseh treh primerih mogoč pojav, ki je enako pogost kot prvotni pojav. V tem primeru bi bili pojavi invari-antni na parnost P, na konjugacijo naboja C in na obrat časa T. Leta 1956 sta Tsung Dao Lee in Chen Ning Yang spoznala, da to ne velja, če pojav povzroči šibka jedrska interakcija (z interakcijo v kvantni teoriji polja opišemo delovanje delca na delec, ki ga sicer opišemo s silo). Velja pa, če ga povzroči elektromagnetna interakcija ali močna jedrska interakcija. Za »raziskovanje tako imenovanih zakonov parnos-ti, ki pripeljejo do pomembnih odkritij o osnovnih delcih«, sta že leta 1957 dobila Nobelovo nagrado. Šibka interakcija torej ni invariantna ne na P in ne na C. To imenujemo neohranitev parnosti in konju-gacije naboja. Potem so nekaj časa mislili, da so pojavi po šibki interakciji invariantni na kombinirano parnost CP, da torej dobimo mogoč pojav, če pri znanem pojavu delce nadomestimo z antidelci in opazujemo v zr- calu. Antidelec ima enako maso in razpadni čas kot delec, a nasprotne nekatere druge lastnosti, denimo električni naboj. Nekateri nevtralni antidelci se ne razlikujejo od svojih delcev, na primer foton ali nevtralni pion. Leta 1964 sta James Cronin in Val Fitch s sodelavcema ugotovila, da pri majhnem delu pojavov z nevtralnimi mezoni K to ne velja. Za »odkritje prekršitve osnovnih načel simetrije pri razpadu nevtralnih mezonov K« sta leta 1980 dobila Nobelovo nagrado. Pri pojavih po šibki interakciji gre torej tudi za neohranitev kombinirane parnosti CP. Iz zelo splošnih izhodišč sledi, da so pojavi invariantni na CPT. Ne glede na interakcijo dobimo mogoč pojav, če pri znanem pojavu delce zamenjamo z antidelci, opazujemo v zrcalu in obrnemo čas. Iz neohranitve CP pri šibki interakciji potem sledi ne-ohranitev T. Pojavi, ki jih povzroča šibka interakcija, po obratu časa potekajo drugače. Spomnimo se, da v svetu velikih teles zaradi entropijskega zakona v termodinamiki ne velja invariantnost proti obratu časa. Delci in antidelci v vesolju Ob začetku vesolja so za nastanek antidelcev veljali enaki zakoni kot za nastanek delcev. Tudi če upoštevamo, da je bila učinkovita šibka interakcija, ne moremo pojasniti sedanje prevlade delcev nad antidelci v vesolju. Mogoče bi bilo, da bi v vesolju bilo enako število galaksij iz antidelcev kot galaksij iz delcev. 4 Strokovni prispevki A merjenja ne podpirajo te možnosti. Merilniki na umetnih satelitih so med delci iz vesolja zaznali samo posamezne antiprotone, kot jih pričakujemo zaradi trkov delcev z veliko energijo iz vesolja s preostalimi delci v medzvezdnem plinu (proton je jedro vodika, antiproton pa njegov antidelec). Drugih antijeder iz antiprotonov in antinevtronov niso zaznali. Tako merjenje so izvedli tudi na Mednarodni vesoljski postaji (ISS). Tako kaže, da v vesolju delci močno prevladujejo nad antidelci. Denimo, da je v vesolju na milijardo antidelcev prišla milijarda in en delec. Milijarda antidelcev se je anihilirala z milijardo delcev. Od vseh teh antidel-cev in delcev je preostal en sam delec. Ti preostali delci sestavljajo zvezde in galaksije. Danes pride v vesolju približno en proton ali nevtron na milijardo fotonov (nevtron je nevtralen delec, ki podobno kot proton sestavlja atomska jedra). Zato smo v prejšnjem premisleku izbrali milijardo. Andrej Saharov je med prvimi ugotovil, da za anti-delce niso mogli veljati enaki zakoni kot za delce, če v vesolju prevladujejo delci nad antidelci. Med razvojem vesolja sta morali biti prekršeni konjugacija naboja C in kombinirana parnost CP Mogoče bi bilo tudi, da bi bila prekršena simetrija CPT, čeprav se zdi ta možnost bolj oddaljena. Opisali smo, kako poskusi kažejo, da sta pri šibki interakciji prekršeni konjugacija naboja C in kombinirana parnost CP Toda opazovani prekršitvi pri pojavih po šibki interakciji ne moreta pojasniti, da pride v vesolju en proton ali nevtron na milijardo fotonov. Pojasnili bi lahko kvečjemu to, da bi na en proton ali nevtron prišel trilijon fotonov, z drugimi besedami, da »bi v vesolju obstajala ena sama galaksija«. Merjenja z antidelci V Evropski organizaciji za jedrske raziskave (CERN) v Ženevi deluje največji pospeševalnik na svetu - veliki hadronski trkalnik (LHC). Septembra 2014 so ga po prenovi, ki je trajala poldrugo leto, začeli pripravljati za ponovno delovanje. Zdaj bodo z njim začeli meriti. Največ pozornosti vzbujajo veliki merilniki v štirih velikih podzemnih dvoranah. Z merilnikoma ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus, svitkasta naprava LHC) in CMS (Compact Muon Solenoid, kompaktna mionska tuljava), visokima kot šestnadstropni stavbi, so leta 2012 odkrili Higgsov delec. Z merilnikom ALICE (A Large Ion Collider Experiment, veliki ionski trkalniški poskus) raziskujejo trke svinčevih jeder s protoni in s svinčevimi jedri ter z merilnikom LCHb pri pojavih z mezoni B iščejo odgovor na vprašanje o prevladi delcev nad antidelci. Poleg poskusov z velikimi merilniki poteka v CERN-u še veliko manjših poskusov, ki vzbujajo manj pozornosti, a so tudi zanimivi. Mednje sodijo poskusi z antiatomi. Protonski sinhrotron sicer daje protone, ki jih vbrizgavajo v LHC. Pri opisanih poskusih pa gruče protonov z energijo 26 GeV iz njega usmerijo na iridijevo tarčo. Pri reakcijah protonov s protoni in nevtroni v jedrih nastanejo pari protonov in antiprotonov, nekako en par na milijon reakcij. Del nastalih antiprotonov z energijo 2,7 GeV zberejo z magnetnim poljem in jih uvedejo v antipro-tonski decelerator oz. pojemalnik (AD). Krožni na-kopičevalni obroč ima obseg 188 metrov. V njem z izmeničnim električnim poljem zavirajo gruče anti-protonov, obratno kot v pospeševalniku pospešujejo gruče protonov. Pri elektronskem hlajenju s trki z elektroni dosežejo, da postajajo gruče antiprotonov Slika 1: Položaj antiprotonskega deceleratorja v CERN-u. Gruče protonov najprej pospeši linearni pospeševalnik, nato jih vbrizgajo v krožni pospeševalnik in iz njega v protonski sinhrotron, ki jih pospeši do energije 26 GeV. Te vbrizgajo v veliki hadronski trkalnik ali jih usmerijo na tarčo, v kateri nastanejo antiprotoni. Del teh zajame antiprotonski decelerator. Fizika v šoli 5 vse manjše. Enak namen ima stohastično hlajenje, pri katerem posebne elektrode na določenem kraju v antiprotonskem deceleratorju otipajo gruče anti-protonov. Po vodnikih preko naprav napajajo elektrode na nasprotni strani obroča z napetostjo, ki an-tiprotone zavrača proti težišču gruče [1], [4]. Do leta 1996 so v CERN-u poganjali trkalnik s protoni in antiprotoni. Antiprotone so dobili na opisani način s tremi napravami: z antiprotonskim kolektorjem (AC), antiprotonskim akumulatorjem (AA) in nizkoenergijskim antiprotonskim obročem (LEAR). V LHC pa ne uporabljajo antiprotonov, pač pa gruče protonov krožijo v nasprotnih smereh v dveh bližnjih ceveh. Omenjene naprave z antiprotoni so postale odveč. Da ne bi opustili raziskovanja z antiprotoni, so leta 1997 začeli graditi antiprotons-ki decelerator (AD). Zanj so porabili dele prejšnjih naprav AA, AC in LEAR, katerih vlogo je prevzel. Uporabljajo ga od leta 2000 kot edino napravo na svetu, ki daje antiprotone s tako majhno energijo. Medtem ko so si prej morale gruče antiprotonov slediti v kratkem časovnem razmiku 2,4 sekunde, AD oddaja gruče s 30 milijoni antiprotonov vsakih 90 sekund. Gruče antiprotonov vodijo skozi tanke kovinske lističe, da se jim pri trkih energija nadalje zmanjša. Tako dobijo antiprotone z energijo nekaj tisoč elek-tronvoltov. Pri tem izgubijo 99,9 % antiprotonov. Tej izgubi se bodo izognili z antiprotonskim obročem s posebno majhno energijo (ELENA, Extra Low Energy Antiproton ring). Nakopičevalni obroč z obsegom, manjšim od 30 metrov, bo dajal gruče an-tiprotonov z energijo samo 0,005 MeV Obroč gradijo v dvorani decelatorja tako, da ne moti poskusov. Končan naj bi bil do leta 2017. Prenovo LHC, med katero ni deloval protonski sin-hrotron, so pri antiprotonskem deceleratorju dobro izkoristili [3]. Temeljito so pregledali enega od 24 odklonskih magnetov in dotrajane dele nadomestili z novimi. Dogradili so nov del za poskus BASE, pri katerem nameravajo zelo natančno izmeriti magnetni moment antiprotona in ga primerjati z magnetnim momentom protona. Sredi poletja 2014 so dela končali. V dvorani antiprotonskega deceleratorja poskuse izvajajo mednarodne raziskovalne skupine: - antiprotonska/antivodikova past (ATRAP) raziskuje svetlobo, ki jo sevajo atomi antivodika; - atomska spektroskopija in trki počasnih antiprotonov (ASACUSA) z laserji raziskuje vodikove antiatome in nenavadne atome iz helijevega iona in antiprotona; naprava za lasersko fiziko 6 antivodika (ALPHA) preizkuša ohranitev CPT s spektroskopijo hiperfine razcepitve atomov antivodika; poskus z antisnovjo: gravitacija, in-terferometrija, spektroskopija (AEGIS) raziskuje padanje atomov antivodika in je še v gradnji. Prve atome antivodika so v CERN-u dobili že leta 1995 pri trku gruče antiprotonov s curkom atomov ksenona. Toda ti antiatomi so imeli veliko hitrost in z njimi ni bilo mogoče izvajati natančnih spektroskopskih merjenj. Skupina ATHENA, predhodnica naštetih skupin, je leta 2002 dobila prve atome antivodika z majhno hitrostjo in z njimi izvedla prva merjenja. Naštete skupine uporabljajo valjaste Penningove pasti različnih izvedb. V pasti močno magnetno polje z gostoto od 3 do 5 tesel v smeri osi zadržuje delce v radialni smeri. Močno električno polje z napetostjo do 10 kilovoltov pa delce zadržuje v radialni smeri. Elektrode so razvrščene tako, da ima električna potencialna energija po osi na razdalji dobrih deset centimetrov dve grbi. V dolini med njima se naberejo pozitroni, v grbah pa antiprotoni z nasprotnim nabojem. Pozitrone pridobijo na primer pri radioaktivnem razpadu ß+ umetnega izotopa 22Na. Past ohladijo s tekočim helijem na 4 do 15 kelvinov. Elektroni in pozitroni v močnem magnetnem polju krožijo z veliko frekvenco in sevajo sinhrotrons-ko valovanje. S tem izgubljajo energijo, ki jo pri trkih prevzemajo od antiprotonov. Tako antiprotoni izgubljajo energijo, da imajo naposled energijo, ki ustreza nizki temperaturi. S posebnimi prijemi dosežejo, da se gruči antiprotonov približata gruči po-zitronov in se pozitron in antiproton zvežeta v atom antivodika, brž ko se njuna energija zmanjša pod ionizacijsko energijo atoma 13,5 elektronvolta. Na + - Slika 2: Penningova past in električni potencial po njeni osi. Strokovni prispevki opisani način ATRAP ustvari okoli deset tisoč atomov antivodika na dan. Antiatomi so nevtralni, zato jih polji ne vežeta. Gibljejo se iz pasti in ob stiku z elektrodami se antiproton anihilira s protonom, po-zitron pa z elektronom. Atom antivodika sestavljata antiproton in pozi-tron - kot atom vodika sestavljata proton in elektron. Atomi imajo magnetni moment kot drobne magnetnice. V nehomogenem magnetnem polju na magnetnico deluje sila proti gostejšemu polju, če magnetni moment kaže v smeri polja, ali proti redkejšemu polju, če magnetni moment kaže v nasprotni smeri polja. Tako je mogoče z nehomogenim magnetnim poljem zajeti nevtralne atome antivodi-ka. Pri poskusu ATHENA so z večplastnim polpre-vodniškim merilnikom zaznali pri anihilaciji anti-protona in protona nastale pione in po njih določili kraj, kjer je prišlo do anihilacije. Hkrati so s scintila-cijskim merilnikom s cezijevim jodidom zaznali fotona in po njiju ugotovili kraj anihilacije pozitrona in elektrona. Tako so se lahko prepričali o nastanku atoma antivodika in ugotovili kraj anihilacije. Past te vrste pa je zelo plitva. Pri gostoti magnetnega polja 1 tesla veže le delce s kinetično energijo, kot ustreza temperaturi pod 0,5 kelvina ali energijo kT = 4,3 ■ 10-5 elektronvolta. Zato zadržijo le kako tisočino atomov. Vseeno je leta 2012 pri poskusu ALPHA uspelo atome antivodika zadržati več minut. Če ne bi bilo pasti, bi se anihilirali z delci snovi v milijoninah sekunde. Natančno so merili valovno dolžino svetlobe, ki jo sevajo antiatomi pri prehodih iz vzbujenih stanj. Primerjava z valovno dolžino pri ustreznih prehodih atomov vodika bi lahko razkrila, ali se an-tidelci razlikujejo od delcev. Pri poskusu ASACUSA želijo podrobno raziskati sevanje atomov antivodika, da bi ga primerjali s sevanjem atomov vodika. V ta namen morajo antiatome spraviti na kraj, kjer ni magnetnega polja. Poročali so že o prvih uspehih [4]. Pri poskusu AEGIS, ki ga gradijo od leta 2010, bodo neposredno opazovali padanje gruč atomov antivodika v zemeljskem težnem polju. Na razdalji enega metra pri vodoravni hitrosti 500 m/s pade gruča samo za 9,8 pm. Vendar je na poseben način z dvema mrežicama z razmikom med sosednjima režama 40 pm in z merilnikom v razdalji 25 mm to mogoče izmeriti. Pri tem pot antiatomov primerjajo s potjo svetlobe. Raznovrstni poskusi z atomi antivodika obetajo, da bomo v prihodnje natančneje spoznali njihove lastnosti. To utegne prispevati k odgovoru na vprašanje o antidelcih v vesolju. Za zdaj take poskuse izvajajo le v CERN-u. Načrtujejo pa podobne poskuse tudi drugod. Slika 3: Pogled na del antiprotonskega deceleratorja v CERN-u. Viri in literatura [1] Antiproton decelerator. en.wikipedia.org/wiki/Antiproton_Decelerator (september 2015). [2] Asacusa produces first beam of antihydrogen atoms for hyperfinestudy (2014). Cern Courier, marec 2014, 5. [3] Beams back at the Antiproton Decelerator. (2014). CERN Courier, november 2014, 7. [4] Kellerbauer, A. (2014). Antimaterie im Labor, Physik-Journal, 13(7), str. 27-33. Fizika v šoli 7 Anizotropija v snoveh - optična dvolomnost in demonstracija komplementarnih barv (2. del) mag. Vitomir Babič Šolski center Celje, Gimnazija Lava Povzetek Pred vami je nadaljevanje članka, katerega prvi del je bil objavljen v prejšnji številki revije. V prvem delu smo opisali pojav dvolomnosti in možnost demonstracije pojava, pri kateri uporabimo plast tekočega kristala. Prav tako smo omenili, da lahko plasti dvolomne snovi izbrane debeline bistveno spremenijo polarizacijo prepuščene svetlobe. V nadaljevanju se osredotočimo na prehod bele svetlobe skozi plast dvolomne snovi ter analiziramo barvnost prepuščenih svetlob za različne kombinacije kotov med polarizatorjem in analizatorjem. Abstract Before you is the continuation of the first part of the article, which was published in the previous issue of the journal. The first part discussed the phenomenon of double refraction and the possibilities for demonstrating said phenomenon using a layer of liquid crystal. It also mentioned that layers of a doubly refracting substance of a specific thickness can significantly alter the polarisation of transmitted light. The rest of the article focuses on the transmission of white light through the layer of the doubly refracting substance, and analyses the hue of the transmitted light for various combinations of angles between the polariser and analyser. Barva in komplementarnost barv V prvem delu članka [1] smo pokazali, kako lahko plast dvolomne snovi spremeni polarizacijo svetlobe. Z ustrezno izbranim kotom med optično osjo vzorca ter polariza-torjem vpadne svetlobe dosežemo eliptično polarizirano prepuščeno svetlobo, v kateri je faza odvisna od dvolomnosti vzorca, njegove debeline in valovne dolžine svetlobe. Gostoto svetlobnega toka, ki jo prepušča polarizatorju (P) vzporedni analizator (A), označimo z jy, gostoto svetlobnega toka, ki jo prepušča na P pravokotni A, pa z j z (glej enačbi 3.1 in 3.2, [1]). Prepuščeni gostoti svetlobnega toka seštejemo in dobimo izraz: Vsota teh dveh gostot svetlobnega toka je gostota vpadnega svetlobnega toka j . Pov-zemimo - na dvolomni vzorec posvetimo z enobarvno svetlobo z gostoto svetlobnega toka j in opazujemo svetlobni tok skozi polarizatorju vzporedni analizator j. Nato enostavno zasučemo A za 90° - gostota prepuščenega svetlobnega toka se spremeni v 8 Strokovni prispevki jz. Ker velja j = jy + jz, vidimo, da sta prepuščeni gostoti glede na gostoto vpadnega svetlobnega toka komplementarni. Če paralelna P in A prepuščata veliko svetlobe, bosta pravokotna P in A prepuščala malo svetlobe. V primeru, da je dvolomna plast ravno ploščica —, paralelna P in A ne bosta prepustila nič svetlobe, ko pa analizator zasučemo tako, da sta P in A pravokotna, bo prepuščeni svetlobni tok enak vpadnemu. Opisana odvisnost velja za katerokoli valovno dolžino svetlobe, ki jo pri poskusu uporabimo, torej lahko zapišemo: Pojav izkoristimo kot definicijo fizikalne komplementarnosti barv - če spekter neke svetlobe razcepimo na dva dela, sta razcepljena spektra (in s tem svetlobi) barvno natanko komplementarna. Taka definicija komplementarnosti je splošnejša od običajne definicije komplementarnosti, kot jo uporabljajo v slikarstvu, kjer je v okviru teorije barv komplementarnost definirana takole: Barvi sta komplementarni takrat, kadar je mogoče iz njiju zmešati nevtralno barvo [8]. (Nevtralne barve so bela, črna in njune mešanice - torej poljubni odtenki sive barve.) Običajno je svetloba, s katero osvetljujemo vzorec, bela. Za vsako od enobarvnih komponent te svetlobe je izpolnjena komplementarnost med svetlobnima tokovoma jy in jz. Če torej analizator, skozi katerega opazujemo svetlobni tok, npr. neke enobarvne komponente ne absorbira, je ta svetloba v spektru jz močno zastopana. Ko zasučemo analizator, vidimo svetlobni tok j |, v katerem te iste enobarvne komponente praktično ni. V opisanem primeru deluje dvolomni vzorec kot ploščica »lambda polovic«. Tak primer (za svetlobo z valovno dolžino l = 530 nm) je prikazan na sliki 1 c. Če spekter neke svetlobe razcepimo na dva dela, sta razcepljena spektra (in s tem svetlobi) barvno natanko komplementarna. Slika 1: Popolnoma prepusten dvolomni vzorec osvetlimo z belo svetlobo, katere spekter vsebuje vse spektralne barve (a). Smer vpadne polarizacije je nakazana z režo P. Prepuščena svetloba je eliptično po-larizirana, oblika elipse je funkcija valovne dolžine posamezne barvne komponente. Če je fazna razlika pri valovni dolžini 11 = 530 nm enaka 5p, je fazna razlika za l = 440 nm enaka ~ 6p in za 13 = 660 nm je ~ 4p(b). Če zasučemo analizator vzporedno z analizatorjem (j |), so enobarvne komponente, za katere velja A kd = N-2-n, v celoti prepuščene, svetloba, za katero velja A M — 2 N + 1 ■ n, pa v celoti absorbirane (c). Če analizator zasučemo za 90° jz), so razmere ravno komplementarne (d). Fizika v šoli 9 Analiza spektrov prepuščenih svetlob s tokovoma j y in jz jasno pokaže, da sta spektra komplementarna. V skladu s principom barvne komplementarnosti torej velja tudi, da morata biti barvi prepuščenih svetlob tudi likovno natančno komplementarni. Poskusi to trditev potrjujejo. Vpeljani pojem komplementa svetlobnega toka je uporaben za cel spekter vidnih svetlob in za njihove poljubne mešanice oz. delne spektre. Zanimivost te definicije je, da je KAKRŠENKOLI svetlobni tok pravzaprav komplementaren »črni« barvi. Če za osnovo uporabimo belo svetlobo, velja, da sta bela in črna komplementarni barvi (saj res z njunim mešanjem dobimo nek odtenek sivine, kar je v skladu z likovno definicijo komplementarnosti.) Na tem mestu je potrebno poudariti, da se tako definirani komplementarni svetlobi razlikujeta v eni, pomembni lastnosti: polarizaciji obeh prepuščenih svetlobnih tokov sta pravokotni druga na drugo. Vendar tega ne moremo opaziti, saj človeške oči niso občutljive za polarizacijo svetlobe [3]. Eksperimentalna demonstracija komplementarnih spektrov Kot dvolomno snov pri poskusu uporabimo plast celofana, ki ga poznamo kot običajno, poceni in lahko dostopno folijo za ovijanje raznih izdelkov. Uporablja se tudi kot nosilni trak pri samolepilnih trakovih. Tipična debelina posamezne plasti lepilnega traku je okrog d = 23 ^m. Poznamo ga zgolj kot bolj ali manj prozorno snov in praviloma redko opazimo njegovo dvolomnost. Lomni količnik celofana znaša okrog n = 1,5. Celofan je dvolomen zato, ker ga med izdelavo pred sušenjem napenjajo in s tem nekoliko uredijo smer, v katero so orientirane dolge polimerne molekule, iz katerih je narejen. V smeri urejenosti polimernih molekul ima celofan drugačen lomni količnik kot v smeri, ki je na prvo pravokotna. Dvolomnost celofana znaša okrog Dn = 0,010 za vzorec iz lepilnega traku in Dn = 0,018 za vzorec iz navadnega celofana. Potrebujemo še dva polarizatorja (plastična polaroida), vir svetlobe (diaprojektor) in bel zaslon za vizualno opazovanje in fotografiranje. Za podrobnejšo analizo prepuščenih svetlob potrebujemo še spektrometer. Poskus lahko zastavimo kot preprost prikaz komplementarnih barv (listič celofana vtaknemo med polarizatorja) ali pripravimo podrobnejšo analizo dogajanja in kontroliramo posamezne elemente tako, da jih nanizamo na optično klop. Slednji način je primernejši za prikaz podrobnejše spektralne analize prepuščenih svetlob z uporabo ustreznega spektrometra. Bistvenih razlik med postavitvama elementov pri poskusu ni. Svetlobo usmerimo na polarizator, nato sledi vzorec. Za enostavnejše prikaze je vzorec lahko kar listič celofana, če gre za natančnejše meritve, pa ga vpnemo v okvir tako, da lahko kontroliramo njegovo kotno orientacijo glede na smer polarizacije vpadnega valovanja. Skozi vzorec prepuščeno svetlobo nato vodimo skozi analizator. Sledi analiza prepuščene svetlobe - lahko kar z očesom, za natančnejše meritve uporabimo spektralne analizatorje. Pri demonstraciji komplementarnosti barv je dobro najprej preučiti svetlobo, ki jo prepuščata vzporedna polarizator in analizator (brez dvolomnega vzorca med njima!) - ta služi kot »referenčna« barva oz. »celota« (j0), ki jo bomo kasneje s poskusom razstavljali na barvna komplementa. Če ta »referečna« barva ni »bela«, tudi komplementarne barve ne bodo ustrezale likovnim definicijam komplementarnih barv. Ko vstavimo vzorec med polarizator in analizator, se prepuščena svetloba obarva. Pri poskusu se osredotočamo na dve barvi prepuščene svetlobe. Prvo dobimo pri vzporednih polarizatorju in analizatorju (j y), drugo pa takrat, ko analizator zavrtimo za pravi kot - takrat sta torej prepustni smeri polarizatorja in analizatorja pravokotni druga na drugo (jz). Postavitev poskusa je prikazana na sliki 2. V skladu s principom barvne komplementarnosti torej velja tudi, da morata biti barvi prepuščenih svetlob tudi likovno natančno komplementarni. Poskusi to trditev potrjujejo. Kot dvolomno snov pri poskusu uporabimo plast celofana, ki ga poznamo kot običajno, poceni in lahko dostopno folijo za ovijanje raznih izdelkov. 10 Strokovni prispevki Elementi, ki jih uporabljamo pri poskusu, so na voljo praktično v vsakem srednješolskem laboratoriju. Izbira vzorca je najmanjša težava - kakršenkoli celofan, tanj-še plastične mase, pleksisteklo ali kaj podobnega. Še najbolje se odreže lepilni trak, prilepljen na stekleno ploščico. Za prikaz barvnosti od vzorca zahtevamo le, da je fazna razlika Dj med posameznima polarizacijama zgolj Nn, pri čemer je N majhno število. Pri opisanem poskusu smo posneli spektre s spektrometroma TVSPEC (Elliot instruments LTD, priprava izmeri spekter ter tudi posname meritev v formatu AVI) in SPECTROVIS (Vernier). Slika 2: Tipična postavitev elementov pri poskusu. Fotografija dejanske postavitve v šolskem laboratoriju. Pri eksperimentu izmerimo spektre svetlob, ki smo jih usmerili skozi različne dvo-lomne materiale, spreminjamo tako debelino materiala kot tudi orientacijo glede na polarizator in analizator. Prikazani so rezultati za primer, ko je vzorec zasukan za 45° glede na smer P-A (glej sliko 3). Slika 3: Belo svetlobo s spektralno sestavo (a) polariziramo v določeni smeri (P), kot kaže reža na sliki. S to svetlobo presvetlimo listič iz celofana debeline 2d, d = 55,2 ^m. Svetloba, ki jo prepušča analizator (A) takrat, ko je postavljen vzporedno s polarizatorjem (j ||), je obarvana »zeleno«. Skrajno desno je slika s to svetlobo osvetljenega belega zaslona, ki je bila posneta s fotoaparatom HP R817 (b). Če zasučemo analizator tako, da prepustna smer oklepa pravi kot s smerjo polarizatorja, je prepuščeni svetlobni tok (jz) tako spektralno kot tudi barvno komplementaren (c). Pri eksperimentu izmerimo spektre svetlob, ki smo jih usmerili skozi različne dvolomne materiale, spreminjamo tako debelino materiala kot tudi orientacijo glede na polarizator in analizator. Rezultati poskusa dobro prikazujejo komplementarnost med j || in jz. Vsota spektrov komplementarnih svetlob je zelo blizu (v okviru natančnosti eksperimenta) spektru svetlobe, s katero osvetljujemo vzorec. Če je ta svetloba bela, se barve ujemajo z barvami po napovedih barvnega prostora CIE xyz 1931 [5] in so v skladu s tem, kar o komplementarnosti barv navajajo likovne teorije. Če uporabljamo čedalje debelejši vzorec, postajajo prepuščene svetlobe čedalje bolj »bele«, saj vsebujejo nekaj barvnih komponent iz vseh delov spektra (slika 4). Fizika v šoli 11 Slika 4: Spekter prepuščene svetlobe je odvisen od debeline vzorca. Na slikah so od zgoraj navzdol predstavljeni barvni spektri vpadne svetlobe (a), spektri svetlobe za obe komplementarni legi analizatorja (b in c) ter z instrumentom posneta porazdelitev prepuščenega toka od valovne dolžine svetlobe (za oba načina). Dvolomni vzorec je isti kot na sliki 3, debelina vzorcev je dvakrat ali trikrat večja. Komplementarnost spektrov je očitna. Debelejši kot je vzorec, več enobarvnih komponent zadošča pogoju za ploščico 0,5 l (ali l). Spekter prepuščene svetlobe je odvisen od debeline vzorca. Slika 5: Če poznamo spekter svetlobe, lahko izračunamo pozicijo barve te svetlobe v barvnem (kroma-tičnem) diagramu CIE 1931 [7]. Slika (a) kaže razmere za svetlobo, katere spekter je prikazan na sliki 4. Barvni vrednosti x in y sta bili izračunani s pomočjo definicij barvnosti za standardnega opazovalca [10]. Barvnost svetlobe, ki je potovala skozi vzporedna polarizator in analizator (brez dvolomnega vzorca), leži na diagramu v srednji točki - (0,4338; 0,4446). Svetloba ni bela - najbrž zaradi absorpcije v polaroidih, pa tudi temperatura nitke v žarnici je precej nižja od temperature Sonca. Barvni vrednosti za komplementarni svetlobi na sliki 4 b in c sta (0,389; 0,516) in (0,514; 0,315). Slika 5 (b) kaže podobno analizo svetlobe za primer, ko ima vzorec večjo debelino - spekter je prikazan na sliki 4 (debelina 4d). Skladno s teorijo [4] se izkaže, da obe komplementarni barvi vedno ležita na premici, ki vsebuje barvo svetlobe, s katero svetimo na vzorec. Zgoraj opisani eksperiment lahko izkoristimo za posplošeni prikaz komplementarnosti. V likovni teoriji so komplementarne barve definirane glede na BELO svetlobo. Bela svetloba je pravzaprav posledica spektra Sonca. Kako bi bile videti komplementarne barve v okolici hladnejše ali toplejše zvezde? 12 Strokovni prispevki Če bi bilo Sonce hladnejše, bi spekter sevanja vseboval manj kratkovalovnih svetlob. Taka zvezda bi bila z našimi očmi videti nekoliko oranžne barve. Pri poskusu simuliramo svetlobo take zvezde tako, da pred polarizator vstavimo ustrezen filter in opazujemo prepuščeno svetlobo. Ko tako svetlobo razstavimo na barvne komplemente, vidimo, da sta taki komplementarni barvi z našimi očmi videti precej podobni druga drugi (slika 6 a). Na ta način lahko preizkušamo komplementarnost za kakršnokoli vhodno svetlobo. Slika 6 b prikazuje rezultate enega od tovrstnih poskusov. Slika 6: Svetloba, s katero osvetljujemo vzorec, ni nujno bela. Slika kaže spekter vpadne svetlobe in spektra obeh prepuščenih komplementarnih svetlob. Spektri so bili posneti s spektrometrom SpectroVis (Vernier). Fotografije belega zaslona, osvetljenega s svetlobo, so bile posnete s fotoaparatom HP R817. V obeh primerih je bil uporabljen dvolomni vzorec iz plasti prozornega samolepilnega traku debeline 110,4 mm. Svetlobi na obeh slikah sta nastali tako, da smo belo svetlobo usmerili skozi plastična filtra. Prikaz komplementarnih barv lahko izvedemo še nazorneje, če na zaslon hkrati projiciramo obe komplementarni barvi. To lahko storimo tako, da analizator sestavimo iz dveh paroma pravokotnih analizatorjev. Barvna svetlobna lisa na zaslonu je tako razdeljena na dva barvno natančno komplementarna polkroga (slika 7). Na opisani način lahko prikažemo množico komplementarnih barvnih parov. Ni pa enostavno vnaprej napovedati, kateri barvno komplementarni par bo pri dani dvolom-ni snovi nastopil. Barvnost komplementov je odvisna od debeline vzorca d, njegove dvolomnosti Dn in od zasuka glavnih osi vzorca glede na polarizator in analizator a. Prikaz komplementarnih barv lahko izvedemo še nazorneje, če na zaslon hkrati projiciramo obe komplementarni barvi. Fizika v šoli 13 Pri dani izvedbi barvne pare še najlaže spreminjamo tako, da vrtimo vzorec med po-larizatorjem in analizatorjem. š Slika 8: Na začetek in konec cevi pritrdimo polarizator in analizator. V cev namestimo stekleno ploščico z nekaj plastmi lepilnega traku, vrtimo polarizator ali analizator ter opazujemo kalejdoskopske vzorce. Poleg tega, da so na pogled lepi, se lahko iz razporeditve barvnih ploskev naučimo veliko fizike. Opisan je relativno preprost poskus s polarizatorji in dvolomno snovjo, pri katerem lahko lepo prikažemo nastanek barv brez uporabe pigmentov, barvil ali filtrov. Zaključek Če se na učitelja obrne dijak z željo, da naj mu npr. razloži delovanje LCD, nastopijo težave. Govoriti je treba o naravi svetlobe, o prehodu svetlobe skozi anizotropno snov, o »čudnih« (LC) stanjih snovi in kako do njih pride, o polarizaciji, o popolnem odboju, o načinih mešanja in dojemanja barv - skratka o temah, ki so iz rednega programa UN večinoma izpuščene. Pojasnjevanje odgovora bi vzelo krepko več časa, kot si ga lahko učitelj z zainteresiranim dijakom ukrade ob koncu ure in med odmorom. Samo obravnava tem, ki sem jih naštel, bi potrebovala kar nekaj šolskih ur. Pričujoči članek ponuja možno kvalitativno obravnavo omenjene tematike (anizotropija, polarizacija, mešanje barv) v srednji šoli. Pričenja z dovolj preprosto sliko o anizotropiji snovi in jo predstavlja z mehanskim modelom. Model pomaga pri razlagi razumevanja optične dvolomnosti snovi in je podpora razlagi nastanka in mešanja barv. Opisan je relativno preprost poskus s polarizatorji in dvolomno snovjo, pri katerem lahko lepo prikažemo nastanek barv brez uporabe pigmentov, barvil ali filtrov. Pomembno pri poskusu je, da lahko prikažemo natančna barvna komplementa glede na svetlobo, s katero osvetljujemo vzorec. Če uporabimo za osvetljevanje vzorca belo svetlobo, lahko prikažemo vsa likovna pravila o komplementarnosti barv. Poskus je zanimiv za dijake, pa tudi priporočljiv za študente fizike v nižjih letnikih. Vsebuje temeljna načela valovne optike, še posebej lastnosti polarizirane svetlobe z učinkom dvolomnosti, in hkrati pouči študenta o lastnostih barvne svetlobe. S tega vidika je mogoče priporočiti podoben poskus tudi študentom likovne umetnosti. Literatura [1] Babič, V. (2016). Anizotropija v snoveh - optična dvolomnost in demonstracija komplementarnih barv (1. del). Fizika v šoli, 21(1), str. 20-27. [2] Babič, V. (2009). Dvolomnost in komplementarne barve. Magistrsko delo, Ljubljana: FMF Fizika, Univerza v Ljubljani. [3] Babič, V. in Čepič, M. (2009). Complementary colours for a physicist. European journal of physics, 30(4), str. 793-806. [4] Falk, D. S., Brill, D. R. in Stork, D. G. (1986). Seeing the Light. New York: Harper in Row. [5] Hoffman, G., CIE Colour Space. http://www.fho-emden.de/~hoffmann/ciexyz29082000.pdf. (oktober 2008). [6] MacEvoy, B. http://www.handprint.com/LS/CVS/colour.html. (11. 18. 2008). [7] Mednarodna komisija za razsvetljavo (december 2008). http://www.cie.co.at/. [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Complementary_colour (december 2008). [9] Pye, D. (2001). Polarized Light in Science and Nature. Bristol: Institute of Physics. [10] Shevel, S. K. (ur.) (2003). The Science of Color, 2nd Edition. Elsevier, Optical Society of America. 14 L Didaktični prispevki Poskus pri Kresnički: natega dr. Barbara Rovšek Pedagoška fakulteta Univerze v Ljubljani Povzetek V šolskem letu 2015/2016 so učenci 6. in 7. razreda pred tekmovanjem iz naravoslovja Kresnička opravljali tudi poskus z natego. Tekmovalne naloge, ki so se nanašale na ta poskus, so bile na tekmovanju rešene najslabše in zato sklepamo, da so bile najtežje. V prispevku bomo opisali poskus in eno tekmovalno nalogo. Opozorili bomo na tiste zakonitosti pretakanja z natego v predlaganem poskusu, ki bi jih učenci morali upoštevati, da bi naloge na tekmovanju rešili pravilno. Isto nalogo smo preizkusili tudi na majhnem številu študentov 4. letnika pedagoške fizike. Nalogo so kot predtest reševali slabo. Ponovno so jo reševali takoj potem, ko so lahko opazovali poskus z natego. Svoje napačne odgovore iz predtesta so večinoma spremenili v pravilne. Abstract In the 2015/2016 school year, 6th and 7th grade students conducted a siphon experiment before attending the Kresnička science competition. The competitive tasks relating to this experiment had the worst success rate in the competition, which is why it is assumed that they were the most difficult ones. The paper will describe the experiment and one competitive task. It will point out the laws of siphon flow in the proposed experiment which the students should have taken into account in order to correctly solve the tasks in the competition. The same task was tried out by a small number of 4th year students of physics education. The task was used as a pretest and they solved it poorly. They solved it again after observing a siphon experiment. They mostly changed the wrong answers on their pretest to the correct ones. Uvod V šolskem letu 2015/2016 je DMFA Slovenije organiziralo 2. tekmovanje iz znanja naravoslovja Kresnička za učence od 1. do 7. razreda osnovne šole. V prvi sezoni se je tekmovanja udeležilo več kot 9000 učencev, v drugi pa že nekaj čez 15.000 z 260 slovenskih osnovnih šol [1]. Tekmovanje poteka le na šolski ravni in je namenjeno zlasti popularizaciji naravoslovja - še posebej eksperimentiranja. V celoti temelji na nekaj naravoslovnih poskusih, ki jih predlagamo na začetku šolskega leta in ki jih učenci izvedejo do tekmovanja, ki je malo pred zimskimi počitnicami (sočasno s šolskim tekmovanjem iz fizike). Teme poskusov vsebinsko niso nujno neposredno vezane na vsebine učnih načrtov, se pa ob izvajanju teh poskusov lahko dosegajo mnogi procesni cilji iz učnih načrtov za naravoslovne predmete. Na tekmovanju večina nalog predstavlja zmeren izziv za učence, nekaj pa jih je tudi zelo težkih in lahko pričakujemo, da jih bo pravilno rešil le manjši delež učencev. To so tisti, ki so poskus izvedli, opazili pomembne lastnosti pojavov v poskusu in opažene zakonitosti pravilno upoštevali pri Fizika v šoli 15 reševanju nalog. Celotna navodila za vse naravoslovne poskuse za tekmovanje Kresnička iz preteklih in tekočega leta so na voljo na spletnih straneh [2], tam lahko najdete tudi tekmovalne naloge. Poskus z natego Eden od poskusov, ki so jih pri Kresnički v preteklem šolskem letu opravljali šesto- in sedmošolci, je bil poskus z natego. Navodila za eksperimentiranje so se pričela z napotki, kako cevko v celoti napolnimo z vodo, da v njej ni zračnih mehurčkov, ki bi onemogočali pretok vode skozi cevko. Merjenje, ki je bilo pomembno za to, da bi učenci na tekmovanju lahko pravilno rešili tekmovalne naloge, je opisano in prikazano s fotografijama in besedilnima opisoma korakov. Slika 1 prikazuje osnovno opazovanje, slika 2 pa različico opazovanja, kjer sta obe krajišči cevke potopljeni pod gladino vode v posodi in kozarcu. Cilji eksperimentiranja so bili doseženi, če so učenci ugotovili, da: U1. za pretakanje vode po cevki med posodo in kozarcem v cevki ne sme biti vodnih mehurčkov, U2. lahko voda po cevki teče »čez hrib« (teče najprej navzgor in šele potem navzdol), U3. mora biti prvo krajišče cevke, v katerega voda vteka, pod gladino vode v tej posodi, U4. mora biti tudi drugo krajišče cevke, iz katere voda izteka, pod gladino vode v posodi, iz katere voda odteka, U5. se voda lahko pretaka med posodama le, če je gladina vode v posodi, iz katere voda izteka, na večji nadmorski višini kot gladina vode v posodi, v katero voda priteka, U6. vse zgornje ugotovitve veljajo ne glede na to, ali je drugo krajišče cevke nad ali pod gladino vode v kozarcu, U7. je hitrost, s katero se voda po cevki pretaka in iz cevke izteka, odvisna od razlike v nadmorski višini: a) če je drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, nad gladino vode v kozarcu, je pomembna razlika v nadmorski višini gladine vode v posodi in drugega krajišča cevke (ki je prikazana na sliki 3a), b) če je drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, pod gladino vode v kozarcu, je pomembna razlika v nadmorski višini gladine vode v posodi in gladine v kozarcu (prikazana na sliki 3b). Na majhnem ozkem kozarcu z alkoholnim flomas-trom označi višino, do katere ga boš po cevki polnil z vodo iz posode. Meri čas, v katerem se kozarec napolni do oznake, v odvisnosti od višine, na kateri je krajišče cevke, kjer voda izteka. Razmisli, glede na kaj boš meril višino krajišča cevke. Slika 1: S fotografijo in besedami opisano najpomembnejše opazovanje pri poskusu z natego. 16 L Didaktični prispevki Krajišče cevke, iz katerega voda izteka, namesti v kozarec tako, da bo voda iztekala pri dnu kozarca, kot kaže slika. Opazuj, kako zdaj poteka pretakanje. Je kaj drugače kot prej? Meriš lahko tudi čas, v katerem se kozarec napolni do oznake - kot pri prejšnjem poskusu. Slika 2: Na fotografiji je prikazana različica poskusa, kjer sta obe krajišči cevke potopljeni pod gladino vode v posodi in kozarcu. a) Slika 3: Razlika v nadmorski višini, ki vpliva na tok, če je krajišče cevke, kjer voda izteka, a) nad gladino vode v kozarcu in b) pod njo. Od naštetih ugotovitev je nekaj preprostih (posamezne, npr. U3, so tudi očitne). Res pomembne in ključne za uspeh pri reševanju naloge, kot bomo videli v nadaljevanju, pa so ugotovitve U4, U5 in U6. Te ugotovitve povzemajo pogoje, ki morajo biti izpolnjeni, da se voda lahko pretaka po cevki med posodama. Spotoma so učenci lahko ugotovili tudi, katere okoliščine (parametri) na pretakanje vode ne vplivajo. Za zmožnost pretakanja ni pomembno, kolikšna je prostornina vode v posodah, na katerih nadmorskih višinah sta dni posod, kolikšni sta prostornini posod, kolikšna je dolžina cevke (dokler ni upor zaradi pretakanja po cevki prevelik) in kako visoko nad gladino in posodo se pne cevka (v zmernih mejah ...). Voda se lahko pretaka, če so le izpolnjeni vsi pogoji, zapisani pri ugotovitvah U1 in od U3 do U6. Naloga Vse tekmovalne naloge lahko najdete na spletni strani [2]. V tem prispevku se bomo posvetili eni nalogi (od štirih, ki so se navezovale na poskus z natego). Nalogo, ki Fizika v šoli 17 p ima šest podvprašanj odprtega tipa, kaže slika 4, rešitve naloge pa slika 5. Za uspešno reševanje naloge so morali učenci upoštevati pogoje za pretakanje po cevki, zapisane pri ugotovitvah od U3 do U5, in dopustno okoliščino, opisano pri ugotovitvi U6. Pretakanje se pri posamezni postavitvi posod ustavi, ko katerikoli pogoj za pretakanje, zapisan pri ugotovitvah od U3 do U5, ni več izpolnjen. Podvprašanje A je najlažje; gladina vode je na koncu v obeh posodah, ki sta postavljeni popolnoma simetrično, na isti višini. Pretakanje se tedaj ustavi, ker pogoj za pretakanje, zapisan pri ugotovitvi U5, ni več izpolnjen. Isti pogoj določa tudi končno stanje pri postavitvi D, kjer posodi nista postavljeni simetrično. V primeru C ni izpolnjen (naj-očitnejši) pogoj U3; pretakanje ni mogoče, če prvo krajišče cevke, v katerega voda vteka, ni potopljeno pod gladino vode v posodi. Ko se gladina vode v posodi, iz katere voda izteka, spusti do višine, na kateri je prvo krajišče cevke, je pretakanja konec. Končne višine gladin v preostalih treh postavitvah (B, E in F) pa so vse povezane s pogojem, zapisanim pri netrivialni ugotovitvi U4, da mora biti tudi drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, pod gladino vode v prvi posodi. Morda se posameznik zaveda, da obstaja pravilo U4, a ne prepozna, da ima to pravilo pomen pri določanju končnih leg gladin v prikazanih primerih, ker spregleda ali ne upošteva, da se gladina vode v posodi, iz katere voda izteka, niža. Vodo pretakamo z natego med dvema enakima val-jastima kozarcema. Na začetku je v prvem kozarcu voda, drugi kozarec je prazen. Za vsako postavitev kozarcev nariši na obeh kozarcih vodoravno črto, ki označuje višino gladine vode v kozarcu, ko se pretakanje ustavi. Med pretakanjem ne spreminjamo postavitve. Slika 4: Ena od štirih nalog, ki so se navezovale na poskus z natego. Slika 5: Rešitve naloge: z rdečimi črtami so označene višine gladin vode v posodah, ko se pretakanje med posodama ustavi. 18 L Didaktični prispevki Rezultati Tekmovanja se je udeležilo 1426 učencev 6. in 1352 učencev 7. razreda. V tabeli 1 so zapisani deleži učencev, ki so na posamezno podvprašanje odgovorili pravilno. Največ učencev je pravilno napovedalo končne višine gladin v najlažjih primerih A in C in najmanj (v 6. razredu le eden od približno desetih učencev, v 7. razredu pa eden od približno sedmih učencev) v primerih B, E in F, kjer končno stanje po pretakanju določa pogoj U4. V tabeli 2 pa so zapisani deleži učencev z različnimi skupnimi točkami, doseženimi pri opisani nalogi. Pravilno prikazano končno stanje je za vsako postavitev posod prineslo po eno točko. Skupaj jih je bilo pri tej nalogi možnih največ šest za vse pravilno označene gladine. Nekoliko bolje so nalogo opravili sedmošolci. Eden od 40 sedmošolcev je pravilno rešil celotno nalogo, še eden od 40 pa se je zmotil le pri eni postavitvi^posod. Dopuščamo, da je nizek delež pravilnih rešitev delno posledica pozabljanja. Če je med eksperimentiranjem z natego in tekmovanjem preteklo preveč časa, so zbledeli tudi spomini na opažanja ... Nekaj dodatnih informacij o težavnosti opisane naloge nam da graf na sliki 6. Tekmovalce smo razvrstili v devet enakomerno širokih kategorij po skupnih doseženih točkah (za vse naloge na tekmovanju), kot je zapisano v tabeli 3. Vseh možnih točk je bilo 47. Graf na sliki 6 kaže, kolikšni so bili deleži pravilnih odgovorov pri različnih postavitvah posod v različnih kategorijah po skupnih točkah [3]. Pri podvprašanjih B, E in F opazimo veliko povečanje deležev pravilnih odgovorov med kategorijama 7 in 8, kar pomeni, da so ta tri podvprašanja dobro ločevala najuspešnejše tekmovalce prav na vrhu. Podvprašanje D najizraziteje ločuje med kategorijama 6 in 7 in bi ga lahko označili kot srednje težko. Najlažji (a očitno ne lahki) sta bili podvprašanji A in C, ki so ju v več kot 50 % deležu pravilno rešili tekmovalci v kategorijah od vključno 6 navzgor. Tabela 1: Deleži pravilnih odgovorov pri različnih postavitvah posod. Postavitev 6. razred 7. razred A 31,7 % 33,3 % B 11,2 % 13,5 % C 28,9 % 37,7 % D 19,2 % 21,6 % E 8,6 % 12,7 % F 10,4 % 14,1 % Tabela 2: Uspeh pri reševanju naloge. Skupne točke 6. razred 7. razred 0 50,5 % 44,4 % 1 18,0 % 17,6 % 2 13,9 % 15,1 % 3 10,5 % 13,8 % 4 4,5 % 4,4 % 5 1,2 % 2,3 % 6 1,5 % 2,4 % Fizika v šoli 19 Tabela 3: Število učencev (N) v posameznih kategorijah skupnih točk. Skupne točke Kategorija N 0-5 1 5 6-10 2 46 11-15 3 240 16-20 4 608 21-25 5 856 26-30 6 628 31-35 7 241 36-40 8 65 41-47 9 17 0-47 vse 2778 Slika 6: Deleži učencev iz različnih kategorij po skupnih točkah, ki so pravilno rešili primere pri posameznih podvprašanjih. Pred-test in po-test Zanimalo nas je, kako bi opisano nalogo rešili študentje pedagoške fizike, ki so v teoretičnem znanju daleč pred šesto- in sedmošolci, ki pouka fizike do tekmovanja sploh še niso izkusili. Vzorec študentov je bil (skoraj zanemarljivo) majhen; vsega skupaj je pri dejavnosti sodelovalo le 19 študentov 4. letnika na dvopredmetnih vezavah s fiziko na Pedagoški fakulteti v Ljubljani, zato dokončnih sklepov ne bomo postavljali. Tega odstavka ne bi niti pisali, če rezultati ne bi bili zelo zanimivi. Študenti so nalogo reševali v dveh skupinah. Študenti v prvi skupini (12 študentov) so samo reševali nalogo, poskusa pred reševanjem niso opazovali. Študenti v drugi skupini (sedem študentov) so najprej reševali nalogo, potem so opazovali poskus in po njem so lahko svoje začetne odgovore spremenili. V tabeli 4 je zapisano, koliko študentov (od vseh) je posamezno podvprašanje rešilo pravilno pred opazovanjem poskusa. Ne glede na to, da so se vsi v preteklosti (v srednji 20 L Didaktični prispevki šoli in med študijem) učili tudi osnov hidrodinamike (in opravili izpite), so tri težke primere (B, E in F) reševali zelo slabo. Domnevamo, da bi se delež pravilnih odgovorov nekoliko povečal, če bi študentje imeli čas za 'teoretično' reševanje naloge, pri čemer bi se problema lotili z Bernoullijevo enačbo in s premislekom o robnih pogojih. V tabeli 5 je zapisano, kako so nalogo reševali v manjši skupini pred opazovanjem poskusa in po njem. Poskus je bil demonstracijski in ni bil pospremljen s komentarjem. Voda je po cevki iztekala iz velike posode v manjšo (kot je prikazano na sliki 1). Približno eno minuto so lahko opazovali, kako na tok vode iz cevke vpliva lega (nadmorska višina) krajišča cevke, iz katerega voda izteka. Zanesljivo so vsi opazili, da mora biti izpolnjen pogoj U4, da lahko voda izteka iz posode po cevki. Rezultati testa po poskusu so bili bistveno boljši, večina študentov je svoje napačne ali manjkajoče odgovore nadomestila s pravilnimi. To pomeni, da so med zbranim opazovanjem preprostega in kratkega poskusa prepoznali pravilo pri opazovanem pojavu, ga razumeli in pravilno uporabili v novi situaciji, pri čemer niso zanemarili niti sočasnega spuščanja gladine vode v prvi posodi. Tabela 4: Število študentov, ki so pravilno rešili posamezno podvprašanje, ne da bi pred reševanjem opazovali poskus. Domnevamo, da bi se delež pravilnih odgovorov nekoliko povečal, če bi študentje imeli čas za 'teoretično' reševanje naloge, pri čemer bi se problema lotili z Bernoullijevo enačbo in s premislekom o robnih pogojih. Tabela 5: Število študentov v manjši skupini, ki so pravilno rešili posamezno podvprašanje pred in po opazovanju poskusa. Postavitev N = 7, pred N = 7, po A 6 7 B 1 7 C 3 6 D 5 5 E 0 6 F 1 6 Sklep Če primerjamo uspešnost osnovnošolcev pri napovedovanju končne lege gladine vode pri težjih postavitvah posod z uspešnostjo študentov (tistih, ki pred reševanjem naloge niso opravili poskusa) pri reševanju istih nalog, ugotovimo, da so se osnovnošolci v povprečju bolje odrezali od študentov. Sklenemo lahko, da so bili cilji eksperimentiranja doseženi. Za večino učencev pa je bila naloga težka. Morda je od opravljanja poskusov preteklo preveč časa ali pa jih niso opravljali dovolj skrbno in pri opazovanjih Postavitev N = 19 A 17 B 3 C 13 D 16 E 0 F 1 Fizika v šoli 21 p pretakanja niso prepoznali pomembnih pravil ali jih niso uspeli pravilno uporabiti v novih in netrivialnih situacijah, uporabljenih v nalogi. Kresnička je sicer tekmovanje, a želimo, da bi bila več kot le to. Poskusi in izzivalne naloge, s katerimi dajemo znanju, doseženemu pri eksperimentiranju, smisel (in ga tudi preverjamo), so učiteljem na voljo tudi po tekmovanju, in sicer na spletnih straneh [2]. Menimo, da lahko uporaba gradiv popestri kakšno šolsko uro tudi pri pouku fizike v višjih razredih osnovne šole ali v srednji šoli. Viri [1] Podatki o številu udeležencev tekmovanja so na spletni strani https://www.dmfa.si/Tekmovanja/ Statistika.aspx. (september 2016). [2] Dodatne spletne strani Kresničke, kjer je arhiv poskusov in nalog http://www.kresnickadmfa.si. (september 2016). [3] Morris, G. A., Branum-Martin, L., Harshman, N., Baker, S. D., Mazur, E., Dutta, S., Mzoughi, T., McCau-lay, V. (2006). Testing the test: Item response curves and test quality. American Journal of Physics, št. 74, str. 449. Tekmovanje iz znanja naravoslovja Kresnička v šolskem Letu 2016/2017 bo dmfa Slovenije že 3. Leto zapored organiziralo tekmovanje iz naravoslovja Kresnic ka. Namenjeno je uč encem od 1. do 7. razreda. Najpomembnejši del tekmovanja se odvija pred tekmovanjem: učenci imajo približno pol Leta časa, da izvedejo nekaj naravoslovnih poskusov, ki so objavljeni na spletni strani dmfa1, na posebnih spletnih straneh Kresničke2 in v Naravoslovni solnici. Vse naloge na tekmovanju so povezane s poskusi iz razpisa. Prvo leto je tekmovalo več kot^ooo učencev iz 220 osnovnih šol, drugo leto več kot 15000 učencev iz 260 šol, koliko jih bo tekmovalo v tretje? Kerje med našimi najpomembnejšimi cilji tudi odprava strahu pred naravoslovjem in popularizacija eksperimentiranja, si ustvarjalci Kresnič ke, vsi po vrsti naravoslovci, želimo, da bi tekmovali vsi. vabimo vas k ogledu - in seveda preizkusu - letošnjih razpisanih poskusov, ki bodo objavljeni konec julija na spletu. Med čakanjem na sredino poletja lahko pokukate v naš arhiv. Tam2 imamo spravljene poskuse in tekmovalne naloge iz preteklih dveh let. 1 http://www.dmfa.si 2 http://www.kresnickadmfa.si 22 The paper describes an example of a cross-curricular link between physics and sports. It presents a physics lesson which was carried out in a gym. The topic under discussion is speed. Uvod V opredelitvi predmeta Fizika v učnem načrtu je zapisano, da je fizika kot temeljna naravoslovna znanost tesno povezana z drugimi naravoslovnimi predmeti in vedami o okolju. Didaktična priporočila predlagajo, naj bo učenje pojmov in dejstev čim bolj prepleteno z dejavnostmi učencev, eksperimentiranjem, ki vodi k razumevanju obravnavane snovi in usvajanju ciljev. Priporočljivo je, da učenci zapisane cilje dosegajo z eksperimentalnim delom in izvajanjem poskusov. Učni načrt predlaga, naj učenci merijo čase pri teku na 60 m ali 100 m. Iz razdalj in časov izračunajo hitrosti. Predstavitev izvedbe učne ure V nadaljevanju so predstavljene priprava, izvedba in evalvacija šolske ure, izvedene pri poglavju Enakomerno gibanje v osmem razredu osnovne šole. Tema ure je bila hitrost. Učno uro smo izvedli trije učitelji, športna pedagoga in učiteljica fizike. Pripravo na učno uro smo sestavili vsi trije učitelji skupaj, delo posameznega učitelja smo v pripravi ločili z barvami. Uskladili smo se glede navodil učencem in kako bo učna ura potekala. Učni uri je prisostvovala tudi ravnateljica. Fizika v šoli 23 c Učna priprava Predmet: FIZIKA IN ŠPORT Razred: 8.a Učitelji: Neža Poljane, Anže Rener, Primož Meglic Učni sklop: GIBANJE Učna tema: HITROST Učne metode: razgovor, pojasnjevanje, merjenje, obdelava meritev Učne oblike: frontalna, individualna, delo v trojicah Učni pripomočki: športna oprema, merilni trak, štoparice, kalkulatorji Učni cilji: • razvija hitrost in moč pri teku, • razvija željo po čim boljšem osebnem rezultatu, • s poskusi usvoji, da je hitrost količnik poti in časa, • uporabi enačbo za računanje hitrosti: v = 4, • obvlada pretvarjanje med enotama za hitrost iz ™ v • oceni in izmeri vrednosti fizikalnih količin, jih ustrezno zapiše z merskim številom in enoto ter grobo oceni napake meritev, • ustrezno zapiše rezultate in odgovore - z računom ovrednoti vpliv negotovosti podatkov (poti in časa) na negotovost izračunanega rezultata (hitrosti). Realizacija učne ure 1. UVOD Ogrevanje: • lahkoten triminutni tek, • skiping, • džoging poskoki, • tek z udarjanjem pet nazaj, • grabljenje z nogami, • hopsanje s poudarkom na dolžini in višini koraka, • teki s poudarjenim odrivom. 2. GLAVNI DEL: HITROST Z učenci se pogovorimo, s katerimi količinami opredeljujemo gibanje. Gibanje opisujemo s količinami pot, čas, hitrost in pospešek. Učencem razložimo, kako bodo spoznali hitrost: vsak bo izračunal povprečno hitrost svojega teka na 20 m. Dva učenca z merilnim trakom določita razdaljo, na kateri bodo tekli. v_ 24 Nato se razdelijo v skupine po tri. Vsak učenec opravi dve seriji petih tekov na 20 m. Druga dva merita njegove čase. Svoje izmerjene čase si vsak zapisuje v zvezek, nato pa si izračuna hitrost za vsak posamezni tek. s [m] iW s v = — t m~\ 20,0 3,50 5,71 Primer: s= 20,Om t= 3,50 s Hitrost izračunamo tako, da pot delimo s časom. J L Didaktični prispevki 3. ZAKLJUČEK Na koncu ure primerjamo izračunane vrednosti. Ugotovimo, kateri učenec je dosegel največjo hitrost. Pri tem omenimo še negotovost tako izmerjenih časov in negotovost iz njih izračunanih hitrosti (da ne bi kdo zmotno mislil, da je hitrost po tej metodi res določena na tri mesta natančno). Iz tega lahko tudi vidimo, katere hitrosti se razlikujejo za več, kot je ocenjena negotovost izračunane hitrosti. Pri hitrostih, kjer je razlika manjša od negotovosti rezultatov, ne moremo vedeti, katera hitrost je večja in katera manjša. Sprinterski tek je ena izmed atletskih disciplin, pri katerih je uspešnost v veliki meri odvisna od genetskih dejavnikov. Tek je ena najelementar-nejših oblik človekove motorike, osnova športa na splošno in temeljna disciplina atletike. Sprint je tek z največjo možno hitrostjo in najhitrejši način človekovega gibanja brez dodatnih pripomočkov. Sprinterski tek je ena od osrednjih atletskih disciplin, glede na kinematično strukturo, razvoj in stopnjevanje motoričnih ter funkcionalnih sposobnosti pa je tudi skupna osnova nekaterih drugih športnih panog. Povemo, s kakšnimi treningi lahko izboljšajo svoje rezultate. Če pokažejo zanimanje, lahko meritve ponovimo ob koncu šolskega leta, da vidimo napredek. Izračunane hitrosti pretvorimo iz y v ^p, ker imajo učenci boljšo predstavo o hitrostih, izraženih v m . s km Izvedba učne ure Učno uro smo izvedli po napisani pripravi. Spremenili smo samo serijo tekov, namesto dveh smo izvedli samo eno, ker bi sicer zmanjkalo časa za dokončanje ure. Evalvacija Zastavljeni fizikalni cilji ure so bili v celoti doseženi. Učenci so bili za delo izredno motivirani. S hitrostjo so se seznanili na podlagi lastnih izkušenj in lastnega truda za boljši rezultat. Pojem hitrosti so odlično razumeli, tako pridobljeno znanje pa bo gotovo trajno. V prihodnje bi bilo dobro izpopolniti meritve poti (npr. z laserskimi merilniki) in časa (npr. s fotocelicami), saj so bili izmerjeni podatki precej nenatančni, kar posledično velja tudi za izračunane vrednosti hitrosti. Sklep Med dela in naloge ravnatelja spadata tudi spremljava in usmeritev učiteljevega dela. Vpliv spremljave na učiteljevo delo predstavlja najnovejša primerjalna študija OECD o evalvaciji in ocenjevanju (2013, 272), v katero je bilo vključenih 29 držav. Kadar je spremljava dobro izvedena, vpliva na motivacijo učiteljev, ki zaradi povratnih informacij dobijo nov zagon za delo in uvajanje sprememb. Pomembni sta torej dobra priprava ravnatelja na hospitacije in pravilna ter pravočasna informiranost učiteljev o izvajanju hospitacij. V Letnem načrtu OŠ Križe so zapisane prednostne naloge, med katerimi je tudi medpredmetna povezava. Načrt spremljave učiteljevega dela je priloga letnega načrta. Literatura [1] Ambrožič, M., Karič, E. idr. (2005). Fizika, narava, življenje 2. Ljubljana: DZS. [2] Beznec, B., Cedilnik, B. idr. (2013). Moja prva fizika 2. Ljubljana: Modrijan. [3] http://www.mss.gov.si/fileadmin/mss.gov.si/pageuploads/podrocje/os/devetletka/predmeti_ obvezni/Fizika_obvezni.pdf (16. 1. 2014). [4] OECD. (2013) Synergies for BetterLearning. Pariz: OECD. [5] Verovnik, I., idr. (2011). Učni načrt. Program osnovna šola. Fizika. Ljubljana: Ministrstvo RS za šolstvo in šport in Zavod RS za šolstvo. Fizika v šoli 25 Sence razsežnih svetil Mag. Marjanca Komar Osnovna šola Naklo Povzetek Igra senc je zanimiva in vedno aktualna ne glede na starostno obdobje. Kakšna slika nastane na zaslonu, ugotovimo z izvedbo preprostega poskusa. Pripravimo postavitev: razsežno svetilo, predmet in zaslon. Opazujemo sliko na zaslonu, medtem ko spreminjamo razdaljo med predmetom in zaslonom. Abstract Playing with shadows is always interesting and still relevant, irrespective of age. What image is produced on the screen we carried out with a simple experiment. We prepared a layout council, object and the screen. We are monitoring the image on screen while changing the distance between the object and the screen. Uvod Učenci pri pouku naravoslovnih predmetov z izvedbo poskusov dobijo osebno izkušnjo in si ustvarijo razlago pojava. Za poskus s senco, ki je primeren za pouk naravoslovja in fizike, smo uporabili interaktivni pristop. Glavni cilji so bili, da učenci spoznajo, da svetilo lahko oddaja svetlobo na vse strani, in ugotovijo, kako to spoznanje vpliva na obliko sence, ter da opredelijo pojme svetilo, osvetljeno telo, svetlobni curek in senca. Učenci so napovedali rezultate poskusa po ogledu postavitve. Odgovarjali so na vprašanja: Kje je svetloba v prostoru? Ali se svetloba širi, in če se, kako? Kako nastane senca in od česa je odvisna njena oblika? Med njimi se je razvila konstruktivna debata. V našem poskusu so učenci na zaslonu (bela šolska tabla) opazovali sence izrezanih rožic iz papirja, ki so bile nalepljene na stekleno ploščo. Senca je imela obliko rožice, ko je bila steklena plošča blizu zaslona. Čim bolj se s stekleno ploščo od zaslona oddaljujemo, tem bolj se je izgubljala oblika rožice. Senca na zaslonu je prehajala v obliko svetila. Učenci so najprej napovedali, kaj se bo zgodilo, in nato svojo napoved preverili s poskusom. n » Slika 1: Steklena plošča z nalepkami v obliki rožic. Slika 2: Okroglo svetilo. Slika 3: Svetilo v obliki asimetričnega križa. 26 L Didaktični prispevki Postavitev poskusa Za izvedbo poskusa potrebujemo: okroglo razsežno svetilo, v našem primeru posebej prirejeno razsežno svetilo v obliki asimetričnega križa, predmet (steklena plošča z nalepkami) in zaslon. Izkaže se, da optimalne rezultate poskusa (glede na razsežnost svetila in velikost predmeta) dobimo, če sta svetilo in zaslon na razdalji dveh metrov. Stekleno ploščo z nalepkami v obliki rožic (slika 1) med poskusom premikamo med zaslonom in svetilom. V našem primeru so celoten poskus izvajali učenci sami. Steklena plošča je imela med poskusom zaradi varnosti zaščitene robove. Za prvi del poskusa uporabimo okroglo svetilo (slika 2), za drugi del pa svetilo v obliki asimetričnega križa (slika 3). Za poskus s senco na stekleno ploščo nalepimo nalepke rožic, ki jih izrežemo z luknjačem. Ogledali smo si sence majhnih predmetov (rožic). Če so rožice blizu zaslona, so sence ostre in imajo obliko rožice. Čim bolj se od zaslona oddaljujemo, tem bolj senca bledi, izgublja pa se tudi oblika rožice, dokler ne dobi oblike svetila [1]. Osnovne postavitve: Prva postavitev, pri kateri je predmet blizu zaslona. Slika 4: Postavitev, je pri kateri predmet blizu zaslona. Naslednja postavitev, pri kateri je predmet na polovici razdalje med svetilom in zaslonom. Takrat se na zaslonu pojavi senca, ki ima obliko obeh, tako predmeta kot svetila. Slika 5: Postavitev, pri kateri je predmet na polovici med svetilom in zaslonom. Tretja postavitev, pri kateri je predmet blizu svetilu. Takrat dobi senca na zaslonu obliko svetila. V našem primeru krožno ali križno obliko. Slika 6: Postavitev, pri kateri je predmet blizu svetilu. Pričakujemo, da učenci aktivno sodelujejo pri izvajanju poskusov. Zanimajo nas otroške napovedi in razlage. Rezultati poskusa Začnemo tako, da stekleno ploščo z nalepkami rožic prislonimo k zaslonu. Nalepke del svetlobe absorbirajo, del odbijejo in za njimi nastane senca. Nato se s stekleno ploščo počasi oddaljujemo od zaslona. Ustavimo se na razdalji 10 cm od zaslona (slika 7). Fizika v šoli 27 Slika 7: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 10 cm od zaslona - okroglo svetilo. Na začetku poskusa je predmet blizu zaslona, zato so sence ostre in temne. Velikost sence je približno enaka velikosti predmeta. Nato se oddaljujemo od zaslona in se ustavimo na razdalji 1 m, kar je na sredini med zaslonom in svetilom (slika 8). Slika 8: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 1 m od zaslona - okroglo svetilo. Sence na zaslonu imajo obliko obeh, tako predmeta kot svetila. Izgubljala se oblika rožic, opazi se že oblika svetila. Nazadnje se ustavimo pred okroglim svetilom na razdalji 1,9 m od zaslona. Na zaslonu so velike sence s temnejšim srednjim delom, obdanim s širokim pasom polsenc (slika 9). Slika 9: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 1,9 m od zaslona - okroglo svetilo. Sledi še atraktivnejši del poskusa. S križnim svetilom svetimo na stekleno ploščo z nalepljenimi rožicami. Začnemo podobno kot pri poskusu, opisanem zgoraj. Od zaslona se s predmetom v roki pomikamo do prve podrobno opazovane točke na razdalji 10 cm od zaslona (slika 10). 28 L Didaktični prispevki Slika 10: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 10 cm od zaslona - križno svetilo. Sence imajo velikost in obliko predmeta. Predmet oddaljujemo od zaslona. Nastaja senca, ki ima obliko obeh, tako svetila kot predmeta, kar je vidno na levi sliki (slika 11). V sredini se zazna križna oblika, polsenca okoli nje ima obliko rožic. Slika 11: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 50 cm od zaslona - križno svetilo. Stekleno ploščo postavimo na razdaljo 1 m od zaslona. Na tej razdalji imajo sence rožic le križno obliko. Oblika rožic ni več vidna. Nastane senca, ki ima obliko svetila, le da je obrnjena. Slika 12: Steklena plošča z nalepkami rožic na razdalji 1 m od zaslona - križno svetilo. Z izvedbo teh poskusov učenci dobijo izkušnjo o obliki senc za predmeti, ki jih osvetljuje razsežno svetilo, in kako na obliko sence vplivajo svetilo, predmet, zaslon in razdalje med njimi. V_) Fizika v šoli 29 Teoretična razlaga Pri poskusu s senco opazujemo sence in polsence. Kadar je predmet blizu zaslona, na zaslonu nastane senca, ki je velika toliko kot predmet. Pas polsence je majhen v primerjavi z razsežnostjo sence. mu* Slika 13: Nastanek sence, ko je predmet blizu zaslona. Ko predmet oddaljujemo, se senca na zaslonu veča. Slika 14: Nastanek sence, ko je predmet oddaljen od zaslona 1/10 razdalje. V sredini je majhen in najtemnejši del sence (senca B + C + A). Okrog temne sredine nastane svetlejše območje polsence (senca B + C in senca C + A), sledi še svetlejša polsenca (senca B in senca A). Na ta del pade že nekaj svetlobe svetila. Nad in pod območjem polsence je svetel del zaslona. 30 Slika 15: Nastanek sence, ko je predmet oddaljen od zaslona 1/4 razdalje. Na tej sliki ni več temne sredine. Na sredi nastane senca le ene točke svetila (senca C), torej polsenca, saj na ta del pada svetloba iz drugih točk na svetilu. Nato sledi območje temnejše polsence (senca B + C in senca C + A), nato spet svetlejša polsenca (senca B in senca A). Na tej razdalji ni več popolne sence. Kadar je predmet zelo blizu svetila, se na zaslonu pojavi velika in svetla senca. Svetla je zato, ker jo meče le ena točka svetila (slika 15). Slika 16: Nastanek sence, ko je predmet blizu svetila. Senca je odsotnost svetlobe in na zaslonu nastane tam, kjer iz zaslona ne vidimo svetila, saj predmet zakrije svetilo. Na tem delu zaslona ni neposredne svetlobe svetila. Vso neodbito svetlobo predmet absorbira, na zaslonu nastane senca. Ko predmet oddaljujemo od zaslona, nastane na zaslonu poleg sence še polsenca. Ostre meje sence se zabrišejo. Predmet postane premajhen, da bi zakril svetilo, zato nekaj svetlobe pade za predmet. Osrednji del L Didaktični prispevki sence na zaslonu je še vedno temen, okrog njega nastane svetlejši del, polsenca. Ko se predmet približa svetilu, senca predmeta dobi obliko svetila. Na zaslonu dobimo bledo senco v obliki svetila, ki je v sredini nekoliko temnejša. S svetilom v obliki asimetričnega križa ponazorimo še zrcaljenje. Točka, ki je na svetilu levo zgoraj, je na senci desno spodaj [2]. Zaključek Učenci bodo z osebnimi izkušnjami prišli do pomembnih spoznanj in zaključkov. Križno svetilo si bodo zapomnili, še bolj pa sence rožic, ki so postale majhni križci. Pomembno pri razsežnem svetilu je, da vsaka točka na svetilu oddaja svetlobo enako v vse smeri. Slika 17: Zrcalna slika asimetričnega križa. Za poskus je treba zagotoviti takšno svetlobo v učilnici, da so sence lepo vidne, in določiti razdalje za optimalno izvedbo. Pri poskusu se lahko izpelje medpredmetna povezava z matematiko na temo podobnih trikotnikov. Za natančno merjenje senc bi bilo dobro stekleno ploščo z nalepkami rožic postaviti na stojalo. Tako bo senca na zaslonu mirovala in meritve bodo natančnejše. Poskus je primeren za delavnico na naravoslovnem dnevu na temo svetlobe. Viri in literatura [1] Čepič, M. (2006/07). Oblike sence majhnih predmetov v sončni svetlobi. Presek, 34(4), str. 18-19. [2] Komar, M. (2015). Predstave o sencah razsežnih svetil. Magistrsko delo. Ljubljana: Pedagoška fakulteta. IZ ZALOŽBE ZAVODA RS ZA ŠOLSTVO Vabilo (?) Na letošnjem Slovenskem knjižnem sejmu, ki bo od 23. do 27. novembra 2016 v Cankarjevem domu, bomo v veliki sprejemni dvorani s ponosom razstavljali novosti in uspešnice knjižnega in revijalnega snovanja, ki so izšle v založbi Zavoda RS za šolstvo. V sredo, 23. novembra, vas ob 10. uri vljudno vabimo v z naslovom Tuji jeziki v 1. vzgojno-izobraževalnem obdobju, ki jo bo vodila mag. Lucija Rakovec. Vabimo na obisk in se veselimo druženja z vami! Fizika v šoli 31 Izobraževalni lističi Scientix NA-MA Jaka Banko in mag. Andreja Bačnik Zavod RS za šolstvo Kaj so oz. kakšen je namen Izobraževalnih lističev Scientix NA-MA? Prva serija Izobraževalnih lističev Scientix NA-MA (Scientix Activity Sheets (SAS)) je nastala na Zavodu Republike Slovenije za šolstvo (ZRSŠ) v okviru projekta Scientix 2 z namenom popularizirati ter poudariti možnosti in priložnosti za aktivno učenje naravoslovja in matematike. Pripravila jo je skupina svetovalcev področne skupine za naravoslovje in matematiko (NA-MA) na ZRSŠ. Izobraževalni lističi (IL) prinašajo primere dejavnosti in ideje, ki usmerjajo k aktivnemu, samostojnemu učenju, sodelovanju (participaciji) in vključevanju vseh otrok/ učencev/dijakov. Vsebina izobraževalnih lističev (IL) Izobraževalni lističi (IL) so razvrščeni v tri večje sklope: 1. NA-MA EKSPERIMENT ali POSKUS (nlat. experimentum iz lat. experiri — izkusiti, poskusiti, preiskati) je znanstveni postopek in temelj pouka naravoslovja. Z eksperimenti otroci/učenci/ dijaki spoznavajo osnovne naravoslovne pojme in pojave, poglabljajo razumevanje, povezujejo znanje in razvijajo eksperimentalne raziskovalne veščine. Z eksperimenti ugotavljamo, raziskujemo, dokazujemo, potrjujemo ali zavračamo hipoteze in teorije. 2. NA-MA DEJAVNOSTI spodbujajo samostojne aktivnosti otrok/učencev/dijakov v različnih izvedbenih oblikah. Prednostne dejavnosti pri naravoslovnih predmetih so povezane z eksperimentalnim delom oz. učenjem z raziskovanjem; z vizualizacijo: delom z modeli, prikazi/ upodobitvami, simulacijami itd.; s projektnim sodelovalnim delom; s terenskim delom; smiselno uporabo informacijsko-komunikacijske tehnologije itd. 3. NA-MA RAZVIJA PISMENOST, tako naravoslovno, matematično in digitalno kot bralno pis- menost in druge. Razvoj pismenosti se pri učencih odraža v zmožnostih pridobivanja informacij, povezovanja znanja, sklepanja, interpretiranja, kritičnega primerjanja in vrednotenja informacij; ustvarjanja celostnih pomenskih predstav in razlag pojavov; uporabe znanj v novih, kompleksnih situacijah itd. Posamezne pismenosti opredeljujejo gradniki z opisniki po stopnjah. Prva serija izobraževalnih lističev NA-MA prinaša naslednje IL v posameznem sklopu: NA-MA ekiperi meriti * 11 tutelaba ie