PřF:F7340 Pitfalls of secondary school p - Course Information

F7340 Pitfalls of secondary school physics

Extent and Intensity

2/1/0. 3 credit(s) (fasci plus compl plus > 4). Type of Completion: z (credit).

Teacher(s)

prof. RNDr. David Trunec, CSc. (lecturer)
Mgr. Jiří Bartoš, PhD. (seminar tutor)
Mgr. Lenka Czudková, Ph.D. (seminar tutor)

Guaranteed by

prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D.
Department of Theoretical Physics and Astrophysics – Physics Section – Faculty of Science
Contact Person: prof. RNDr. Jana Musilová, CSc.
Supplier department: Department of Theoretical Physics and Astrophysics – Physics Section – Faculty of Science

Prerequisites (in Czech)

Znalost problematiky předmětů základního kursu obecné fyziky Mechanika a molekulová fyzika, Elektřina a magnetismus je vítána.

Course Enrolment Limitations

The course is offered to students of any study field.

Course objectives (in Czech)

Středoškolská výuka fyziky bývá i přes nedostatek týdenních výukových hodin paradoxně přetěžována řadou témat prezentovaných jako samostatné celky, která však představují pouze aplikace několika málo pojmů a obecných principů či zákonů. V mechanice se jedná o pojem rychlosti a zrychlení a Newtonovy zákony, v elektřině o zákony Kirchhoffovy a Ohmův, v termice a molekulové fyzice o pojem rovnováhy soustavy, první a druhý termodynamický zákon a souvislost termodynamických veličin s vnitřní strukturou soustavy. V přemíře středoškolské látky však tyto obecné pojmy a zákonitosti často zaniknou a studenti, odsouzení tak k jejich nepochopení, jsou při studiu fyziky - této složité, nudné a nezáživné discipliny, jak ji sami nazývají - odkázáni na paměť. Přitom k nápravě může stačit velmi málo: Soustředit se při výkladu pouze na podstatné pojmy a zákonitosti a dokumentovat je jednoduchými příklady resp. demonstračními experimenty, při jejichž řešení resp. interpretaci nebudou tyto základní zákony překryty nepodstatnými jevy. Takový přístup vyžaduje jistý nadhled nad problematikou, který již studentům učitelství fyziky v navazujícím magisterském programu, jimž je tento předmět určen především, s jistotou nechybí. Předmět se soustředí právě na uvedený způsob výkladu vybraných témat středoškolské fyziky s využitím zázemí jeho posluchačů. Z tohoto hlediska tedy představuje "středoškolskou fyziku v druhém čtení". Pozornost je věnována třem tématickým celkům: Mechanika (6 týdnů), Termika a molekulová fyzika (2 týdny) a Elektřina a magnetismus (5 týdnů). Výklad v přednáškách bude doprovázen demonstračními experimenty s vysvětlením. V semináři budou řešeny jednoduché nestandardní příklady. Předmět je vhodný pro studenty učitelství fyziky v sedmém nebo devátém semestru pětiletých a prvém nebo třetím semestru navazujících magisterských programů.

Syllabus (in Czech)

• Mechanika 1. týden Derivace bez derivování: Může středoškolský učitel fyziky a student vyhrát boj s pojmem rychlosti a zrychlení? * Průměrná a okamžitá rychlost, průměrné a okamžité zrychlení, vektory versus skaláry. * Terminologická diskuse na téma "katalog pohybů". * Typické příklady: matematické a kuželové kyvadlo, závit smrti (je pohyb auta při průjezdu zatáčkou zrychlený, ukazuje-li tachometr stále údaj 60 km/h ?) 2. týden Nakloněnou rovinu zvládl už Galilei. Proč ji nezvládají studenti na gymnáziu? * Newtonovy zákony - základní axiomy klasické mechaniky * Silové zákony, proč je potřebujeme a jak je zjišťujeme . * Jak správně používat Newtonovy a silové zákony. * Vazební podmínky - ano či ne na střední škole? * Všudypřítomné, avšak stále nepochopené, tření. 3. týden Matematické kyvadlo - kámen úrazu (nejen) středoškolské fyziky * Ve hře jsou opět vazební podmínky - kuželové a rovinné kyvadlo. * Tečné a (většinou opomenuté) normálové zrychlení. * Kam směřuje výsledná síla? * Jak určit periodu pro malé výchylky: harmonická síla - harmonický oscilátor - analogie: průmět kruhového pohybu. Perlička: k určení základní informace mohou stačit (?) i jednotky . 4. týden Vlaky, výtahy a kolotoče - zákony mechaniky očima různých pozorovatelů * Ve vlaku a na kolejích: Existují fiktivní síly - nebezpečí pro černého pasažéra ? * Na kolotoči: Jak může fiktivní odstředivá síla působit zdravotní problémy ? * Ve výtahu: Vyberte si, kolik chcete vážit. 5. týden Jak je to tekuté, je s tím problém i ve fyzice: rovnováha a proudění kapalin - opět jen Newtonovy zákony a jejich důsledky * O tlaku mluví řada lidí , ale skoro nikdo neví, co to je a odkud to pochází: Části kapaliny na sebe navzájem kupodivu také působí. * Na co to vlastně přišel Archimédes? * Může být povrch kapaliny i křivý? Jak to zařídit? * Experimenty s proudící kapalinou a jejich interpretace mohou být zajímavé a osvěžující, i když jsou založeny na poměrně suchopárných rovnicích. 6. týden I složitý pohyb setrvačníků je jen důsledkem Newtonových zákonů. * Rotační pohyb: Momenty - nové fyzikální veličiny ? * Fyzikální hrátky s bicyklovým kolem - kvalitativní interpretace. Termika a molekulová fyzika 7. týden Jak popsat soustavu a objevit zákonitosti jejího chování, když do ní nevidíme? * Zeptejte se lidí, zda vědí, co je stav a co je teplota. Ví to každý, ale nikdo vám to neřekne. * Nevyhnutelná rovnováha - nultý zákon termodynamiky * Také pojem teplo je zřejmý každému, ale fyzik jej musí umět vybudovat. První zákon termodynamiky. Tepelná kapacita. * Ideální plyn: žonglování s (p,V,T) . Kde se vzala stavová rovnice? * Druhý zákon termodynamiky. Entropie a princip jejího růstu - nevíme-li co to znamená, opravdu můžeme věřit na tepelnou smrt vesmíru. (Podle časových možností.) 8. týden Pomůže, víme-li něco o struktuře soustavy? * Jak tlačí plyn na stěny nádoby? Tím že do ní narážejí molekuly. * Kde se tedy vzala stavová rovnice? * Jak rychle se pohybují molekuly v plynu? * Entropie a pravděpodobnost - jak mohou mít zákony něco společného s náhodou? (Podle časových možností.) Elektřina a magnetismus 9. týden I. Kirchhoffův zákon * Zákon zachování náboje. * Rovnice kontinuity. * Odvození I. Kirchhoffova zákona pro stacionární a kvazistacionární případ. * Posuvný proud. 10. týden Ohmův zákon * Ohmův zákon pro vodiče. * Lineární a nelineární prvky. 11. týden II. Kirchhoffův zákon * Formulace II. Kirchhoffova zákona pro stacionární a kvazistacionární případ. * Použití I. a II. Kirchhoffova zákona pro řešení elektrických obvodů. * Použití komplexní symboliky pro řešení obvodů se střídavým harmonickým napětím. 12. týden Elektromagnetická indukce, vodiče v magnetickém poli * Generování střídavého napětí. * Princip elektrických strojů. 13. týden Materiálové vztahy * Elektrické a magnetické pole v látkách. * Vektor elektrické polarizace a vektor magnetizace. * Výpočet polí v látkách, zavedení vektoru elektrické indukce a intenzity mag. pole.

Literature

recommended literature
• HALLIDAY, David, Robert RESNICK and Jearl WALKER. Fyzika :vysokoškolská učebnice obecné fyziky. Vyd. 1. Brno: VUTIUM, 2000, xxiv, 1198. ISBN 8171962147. info

not specified
• Současné i dřívější středoškolské učebnice

Teaching methods

lectures, excersises, class discussions

Assessment methods

credit (based on participations on lectures and excercises and on critical review on chosen part of secondary-school textbooks)

Language of instruction

Czech

Further comments (probably available only in Czech)

The course can also be completed outside the examination period.
The course is taught once in two years.
The course is taught: every other week.

• Enrolment Statistics (Spring 2015, recent)
  
• Permalink: https://is.muni.cz/course/sci/spring2015/F7340