Elektřina žádná dřina

Hlavní cíl:

• Student najde a pojmenuje, čím ho elektřina zaujala.

Dílčí cíle:

• Student chápe, jak vzniká napětí a proud;
• umí sestavit obvod či v něm identifikovat zásadní chybu;
• ví, co je blesk, zkrat, odpor;
• a tuší, proč může dostat od svetru ránu nebo proč se mu vlasy lepí na hřeben.

Elektřina, to není jen počítání napětí a znamínka + a -. Elektřina, to je jiskřící energie, mocná síla a já už vím, jak se dá ovládat.

Experimentování, E-U-R, Demonstrace pokusů, Týmová práce

Metody a formy

Komunikace v mateřském jazyce

• diskuze, ústní popis prováděné činnosti

Základní schopnosti v oblasti vědy a technologií

• experimentování, samostatné provádění pokusů

Schopnost učit se

• vyvozování závěrů z pokusů,

Sociální a občanské schopnosti jsou rozvíjeny

• aktivním nasloucháním a vyjadřováním názoru u moderované diskuse
• nácvikem týmové práce při plnění společných úkolů a následné prezentaci výsledku ostatním

Lektorem moderovaná experimentální dílna, s úseky samostatné práce, týmové práce a demonstračních pokusů. Program se uvádí pro max. 16 osob v labodílně.

1. venku před labodílnou: bezpečnost a přivítání
2. povídací úvod o blackoutu + zapojení žárovičky (dvojice)
3. sestavování obvodů podle schémat a jejich představení (týmy)
4. identifikace chyb v obvodech (diskuze nad slidy / nad obvody)
5. co je co (diskuze nad vodičem, spotřebičem a baterií)
6. sestavení zdroje napětí (ve dvojicích, případně bílá LED (celý tým) + diskuze (elektrony)
7. PAUZA 5-10 min
8. není proud jako proud (hudba AC/DC). Vysvětlení zkratek, elektrosoučástky v domácnosti. Diskuze: je člověk dobrý vodič?
9. pokus s balónky a vlasy (každý sám)
10. pokus balónek a plechovka (týmy)
11. pokus Van der Graff generátor (společně)
12. plazmové koule (dvojice)
13. závěr: poděkování, reflexe

Evokace před programem (1-2 dny před)

• Brainstorming: co se vám vybaví, když se řekne elektřina? (zapisování všemožných pojmů a hesel,) SAMOSTATNĚ

+ zařazení vybrainstormingovaných slov do myšlenkové mapy ( tedy kategorizace a hledání souvislostí). VE SKUPINKÁCH

1) Před labodílnou

• bezpečnost (nejíme, nepijeme, obezřetnost, hlášení nehod a případných úrazů, bezpečné prostředí, vždy na všechny počkáme)
• instrukce: prosím najděte si místo a posaďte se (ano je tam tma), vše se dozvíte, než něco začnete zkoušet, poslechněte si, s čím budete pracovat a jak
• studenti se usazují do zatmavené místnosti, kde hoří na stole svíčka ve skle. Po usazení všech vidátor zhasíná (úplně a pouští záznam)

2) Výpadek elektřiny (nahrávka)

• “V dnešních ranních hodinách došlo k celostátnímu výpadku……..”
• lektor pokračuje otázkami: jak by to vypadalo za týden, za měsíc, za rok? Kdo je za takovou situaci zodpovědný? Kdo by měl sílu ji řešit?
• Poté vyzve k 1. kroku - rozsvícení vlastní žárovičky (sáček na stole: baterie + 2 vodiče + objímka + LED žárovička (do dvojice).
• lektor pomáhá se sestavením, ale zatím nic nevysvětluje. Až všichni mají, pokračuje: Výborně, podařil se vám všem sestavit jednoduchý elektrický obvod a rozsvítilo se vám vlastní světýlko. Jak dlouho si myslíte, že vám vydrží svítit? … My ve VIDA! naštěstí máme záložní napájení, tak si můžeme na zbytek dnešního programu rozsvítit.
• na tabuli promítnutí různých značek do schématu obvodu (nebo je vidátor načrtne fixkou na tabuli nebo flip…)

3) Týmové puzzle + sestavování obvodů + jejich představení

• Na co se právě koukáme? Co které značky znamenají? Je to magie pro vyvolené? Vyzkoušíme si, jestli si to dokážete naučit i vy. Budeme pracovat v malých skupinkách po 4 (vždy jeden stůl). Každý tým obdrží puzzle s nákresem, podle kterého se bude snažit sestrojit vlastní obvod, a nějaké součástky (ty ale nemusí být nutně ty, které potřebujete!). Součástky můžete měnit s ostatními týmy či zde u lektorského stolu - vždy kus za kus. Nevíte jakou součástku sháníte? Přijďte si pro nápovědu za mnou. Poprosím vás - jsme pořád v laboratoři - nebudeme mezi stoly běhat a zkusíme na sebe nekřičet, vyměňování zkusme slušně vyjednávat, bez přetahování a kradení si součástek. Důležitá je nejen rychlost, ale i přesnost.

• Zásadní pravidlo (toto lze i promítnout jako slide prezentace):
  • za každý stůl může být v “terénu” vždy jen jedna osoba (střídáte se)
  • pokud něco nefunguje a mělo by - není to náhodou opačně?
  • tým, který si myslí, že má hotovo, to zahlásí a já mu řeknu, co bude dál :)

• Lektor má přichytáno:
  • Rozstříhané 4 papíry se schématy obvodů (každý jiný) jako puzzle.
  • 4 krabice na stoly s různými součástkami (tak, aby tým měl hlavně součástky na jiné schéma než má sám).
  • Legenda s řešením a značkami u lektora.
  • Vyskládané součástky na lektorském stole, na magnetické tabuli přehled se základními součástkami a jejich využitím. .

• Zadání pro 4 týmy:
  • paralelní a sériové zapojení 2 spotřebičů (2 schémata)
  • paralelní a séřiové zapojení 2 zdrojů napětí (2 schémata)
  • zapojení žárovky a LED žárovky (2 schémata)
  • zapojení dvou různých elektromotorků (2 schémata), podstata vibrování telefonu

• Průběh: studenti složí svoje zadání a seznamují se s tím, co sami mají v krabici. Záhy se vydávají “lovit” správné součástky. Lektor je obchází, radí s legendou co je co, hotové týmy chválí a prozrazuje, co je čeká dál - představení jejich zapojení ostatním týmům.
• Po zapojení všech obvodů se postupně v celé skupince obejdou všechny stoly a tým se vždy (za případné pomoci lektora) snaží vysvětlit, na co přišel zajímavého.

4) identifikace chyb v obvodech (diskuze nad slidy / nad obvody)

• Děkuji vám za dobrou práci na zapojeních, které jsme si právě prohlédli. Než se podíváme té naší elektřině na zoubek ještě víc zblízka, zkusme společně odhalit, co je divného na následujících zapojeních.
• diskuze nad slidy se schématy/fotkami: obrácené zapojení LED diody, neuzavřený obvod, zkrat

5) co je co (diskuze nad vodičem, spotřebičem a baterií)

• Nyní už víme základy toho, jak ten obvod sestavit (a s čím), aby nám fungoval. Víme ale, proč nám funguje? Co bylo klíčové a nenahraditelné pro všechny obvody, které jsme si tady dnes zkusili? (zdroj- baterie, vodiče, nějaký spotřebič). Co je uvnitř těchto zařízení? (diskuze - co to je vodič - a co není a co je /včetně člověka!/, co je izolant, a co ten zákeřný vodič, co vede jen na půl - polovodič, co je to spotřebič, co je to baterie).
• Než přistoupíme k dalšímu experimentování, prosím vás o úklid stolů - rozeberte obvody, součástky prosím zpět do krabic, baterie tak, aby se pacičkama ničeho nedotýkaly - vybily by se.

6) sestavení zdroje napětí (ve dvojicích, případně bílá LED (celý tým) + diskuze (elektrony)

• Na zdroj napětí se podíváme nyní víc zblízka, protože zvenku se toho o baterii moc nedozvíme. Co je uvnitř? (prvky s rozdílným nábojem, typicky např. zinek a uhlík, a elektrolyt - tekutina, vedoucí el. proud - může to být kyselina, různé solné roztoky atd.). Tekutina tam nemusí být ani volně, může být “nacuclá” v uhlíkovém prášku (pak hovoříme o “suchém” článku). Zkusíme si takový článek - ale pro změnu mokrý - vytvořit! Kyselinu tady dnes nemáme, ale i tak věřím, že si poradíme.
• sestavování článků ze tří kádinek se slanou vodou a plíšky, jako ověření existence proudu a napětí zapojení červené diodky nebo bzučáku. Bude muset spolupracovat celý stůl (čtveřice). Lektor pomáhá s konstrukcí: plíšky se nemohou dotýkat, voda nebude samotná fungovat - co přidáme? jak ověříme zapojení ? je tam toho proudu “hodně”?) Pro rychlíky - zapojení bílé diodky! Vidátor klade na závěr návodné otázky (proud / napětí / náboj / volné elektrony) pro lepší zapamatování.

7) PAUZA 5-10 min

• klíčová pro oddělení prvního bloku (obvody, stejnosměrný proud) od druhého bloku.
• již v pauze pouštíme tematickou hudbu k druhému bloku

8) není proud jako proud (hudba AC/DC). Vysvětlení zkratek, elektrosoučástky v domácnosti. Diskuze: je člověk dobrý vodič?

• AC/DC Na konci pauzy pustí vidátor ukázku hudby a zkusí ji nechat studenty poznat. Odkud ji znají? Jak se jmenuje kapela? Co ten název znamená?

https://www.youtube.com/watch?v=l482T0yNkeo

• V angličtině je AC/DC zkratkou termínu „alternating current/direct current“, tj. „střídavý proud/stejnosměrný proud“. Členové kapely měli pocit, že jméno dobře charakterizuje dynamickou energii a energická vystoupení skupiny.[Souvislost s elektřinou podporuje i logo skupiny, kde AC a DC odděluje blesk. Jaký proud jsme měli v našich obvodech, které jsme si sestavovali v první části programu? (stejnosměrný). Jaký máme v domácnostech nebo tady v zásuvce? (střídavý).
  • Lektor krátce vede diskuzi, jaký je mezi nimi rozdíl, kde se používají, jak se dají měnit. V návaznosti na el. síť pro domácnosti atd. následuje krátká ukázka a diskuze nad součástkami z domácnosti: zásuvka (zmínit různé typy), nabíječka (adaptér adaptuje napětí dle potřeby spotřebiče), jistič (lidové pojistky).
• Poté lektor přejde oslím můstkem ke statické elektřině: o jakém typu elektřiny (či jevech) jsme se dnes ještě nebavili? → Co je zač ta statická elektřina?

9) pokus s balónky a vlasy (každý sám)

• Statická elektřina je označení pro jevy, způsobené nashromážděním elektrického náboje na povrchu různých předmětů a jejich výměnou při vzájemném kontaktu.
• Lektor vede diskuzi: Kdy vzniká? V čem nám může být nebezpečná? A v čem užitečná?
  • Nežádoucí: výboj, špína, požár, výbuch, poškození zařízení / ohrožení života (např. v papírně, textilní výrobě atd.)
  • Užitečná: laserová tiskárna (barva tam drží právě díky náboji), kopírky, průmyslová výroba (součástky nám drží při sobě, než je smontujeme dohromady)
• Vzniká při tření, nebo dotýkání a oddalování předmětů, kdy se z původního vyrovnaného stavu atomů nashromáždí kladný nebo záporný náboj (+ a -) a vznikne IONT.

Pojďme si to vyzkoušet:

• Nejjednodušší ověření projevu statické elektřiny určitě známe - když si češeme vlasy, svlékáme svetr, při odemykání klíče. My vyzkoušíme třeba ty vlasy: nafoukněte si prosím balonek, zauzlujte a vyzkoušejte jeho působení na vlastní vlasy.
• Lektor ukazuje na sobě a vyzve k experimentování. Co se stalo s vlasy a balónkem - zkusí to se studenty rámcově popsat (přibližovali jsme a oddalovali dva různé materiály, “nabili” jsme je. Pokud se odpuzují mají stejný náboj, pokud přitahují, tak přitahují.)
• Otázky k diskuzi:
  • Můžeme přitáhnout nebo odpuzovat i “nenabitá tělesa”?
  • Ano, můžeme, zkuste natrhat na malé kousíčky papír. Co se stane? (→ závěr: Elektrická síla může působit i na lehká nenabitá tělesa)

10) pokus balónek a plechovka (týmy)

• Řekli jsme lehká tělesa. Co třeba plechovka? Je lehká? (diskuze)
• Pohyb plechovky zelektrizovanými balonky po stole, necháme si účastníky dostatečně vyhrát.
• Zkuste ji rozpohybovat co nejrychleji, ale nesmí spadnout ze stolu!
• Závěr: Kladně nabitá plechovka se začne kutálet směrem k záporně nabitému balonku. Když budete balonek pomalu posunovat pryč, plechovka jej bude následovat.

11) pokus Van der Graff generátor (společně)

• Jako poslední předváděčku projevů statické elektřiny se podíváme na tuhle kovovou věc. Tušíte někdo co to je? A jak to funguje? (diskuze nebo popíše sám lektor)
• Je to elektrostatický stroj umožňující nabíjet kovovou kouli na velmi vysoké napětí, pojmenovaný podle svého vynálezce (fyzik, 1929). Také se tak jmenuje rocková hudební kapela (ty elektrické názvy jsou nějaké oblíbené - nejdrív ACDC, teď toto). El .náboj, přivedený dovnitř vodiče se okamžitě přemístí na vnější povrch a pole uvnitř dutiny se nezmění. Pomocí pohyblivého pásu z nevodivého materiálu přenáší kladný náboj, který získá z externího zdroje. Tento náboj je pásem unášen do nitra kovové koule. Tam je odebrán a odveden na povrch této koule. Vybitá část pásu se pak vrací k novému nabití.
• Po zapnutí (první test bez dobrovolníka, nezapomenout uzemnit! a po experimentu vybít!) a prvním testu si studenty povídáme, co viděli - blesk (elektrostatický výboje provázen emisí světla). Při bouřce venku je tou koulí bouřkový mrak (+) a hromosvodem (-) to kovové mávátko.
• Necháme zájemce si přístroj vyzkoušet všem zájemcům - ne na osobní kontakt, ale skrz tyčku.
• Podle času můžeme ještě na kouli (po vybití!) instalovat krepové vlásky na drátu - a uvidíme hezky efekt “zelektrizovaných vlasů”.

12) plazmové koule (dvojice)

• Na závěr, stejně jako na začátek programu, si zase zhasneme. Na blesky jsme se už podívali, ale nedovolila jsem vám si na ně sáhnout. Když si spolu zvládneme popsat fungování téhle pěkné koule, tak přijde i na to šahání. Kde ji použijeme? (diskuze)Nejvíce ji asi v minulosti ocenili režiséři žánru sci-fi. V domácnosti může způsobovat špatnou funkci elektroniky nebo vyšší usazování prachu na nábytku.
• Z čeho se skládá? Uprostřed plazmové koule se nachází kovová elektroda, která je připojená na vysokonapěťový transformátor, který pracuje se střídavým proudem ze sítě. Proto mezi elektrodou a sklem vzniká silné elektrické pole. Díky vysoké frekvenci trasformovaného střídavého produ vyzařuje koule v rádiovém spektru, proto ruší příjem rádia a televize, popř. mobilního telefonu. O tom se můžete přesvědčit přiložením úsporné zářivky, která se v blízkosti plazmové koule rozzáří.

• Koule se plní různými plyny, např. argonem, dusíkem, kryptonem nebo neonem. V kouli je nízký tlak, který se pohybuje okolo jedné setiny atmosférického tlaku. Hodnota tlaku ovlivňuje rozvětvenost výboje. Nejčastěji se k plnění koulí používá neon, který září sytě růžově. Jeho výhodou je také snadná ionizace. K té dochází přeskoky a nárazy elektronů, které jsou elektrickým polem mezi sklem a centrální elektrodou urychlovány. Kdyby bylo v kouli vakuum, získaly by elektrony obrovskou rychlost (až několik desítek km/s). Pokud je v kouli plyn, tak molekuly plynu elektrony brzdí. Při rychlosti desetiny km/s elektrony narážejí do atomů plynu a dochází tak k excitaci elektronů v obalech atomů.

• Můžu na to sahat? Přiložíme-li ruku na povrch koule, je v důsledku zvýšené kapacity v místě dotyku ihned iniciován proudový kanál, protože lidské tělo je vzhledem k vysokému obsahu vody mnohem vodivější než vzduch a provazce plazmy se soustřeďují do místa dotyku. Výboj má přitom jen nízkou proudovou intenzitu, takže nám neublíží.

• Necháme studenty zapojit na svých stolech plazmové koule dáme jim chvilku na experimentování, případně dotazování.

13) závěr: poděkování, reflexe

• Nyní nám vypršel čas, který jsme dnes na elektřinu měli. Co všechno jsme vyzkoušeli? (vidátor napíše v pěti bodech na tabuli). Děkuji vám za vaše nadšení a dobrou práci. Abyste si mohli zapojování ještě někdy vyzkoušet, dávám vám testovací sadu na obvody (+ i něco na víc: výroba vrtulky z elektromotorku v obvodu (z papíru - větráček + elektrosoučástka a Newtonův kotouč) sebou do školy. Nyní mám na vás dnes poslední prosbu: mám tady post-itové papírky a fixky. Napište prosím každý z vás / ve dvojicích na lísteček to, co vám přišlo nejvíce zajímavé a zároveň pro vás užitečné. Lísteček mi prosím pak líptněte tady k tomu přehledu.

Možno dodatečně po programu - v hodinách fyziky nebo jako samostatná práce.

• Doplnění evokační mind mapy, kterou studenti sami vytvořili před programem, scénář blackoutu - popsání závislosti naší společnosti na energii.
• formuláříček (hlavně zaškrtávací) k srozumitelnosti výkladu, novosti atd. (zpětná vazba)

Jak a proč se jednotlivé části programu uvádí tak jak se uvádí. Zkušenosti z uvedení, tipy na co si dát pozor během uvádění.

Metodický důvod aktivity v celkovém kontextu programu, variantní podoby či alternativy aktivity.

• http://fyzikalnipokusy.cz/1711/kutaleni-plechovky
• https://cs.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaffův_generátor
• http://edu.techmania.cz/cs/veda-v-pozadi/779
• https://www.publicdomainpictures.net/cs/view-image.php?image=136350
• https://www.youtube.com/watch?v=l482T0yNkeo
• http://www.otevrenaveda.cz/miranda2/export/sitesavcr/data.avcr.cz/projekty/otevrenaveda/kurzy-pro-pedagogy/metodiky-laboratornich-cviceni/fyzika/03_Elektronicke-obvody_web.pdf
• https://www.ecofuture.cz/clanky/jak-bychom-zili-den-pod-dni-kdyby-nastal-blackout
• https://www.idnes.cz/zpravy/domaci/co-by-se-stalo-kdyby-v-cesku-zhaslo.A071011_102018_domaci_jba
• učebnice fyziky
• Úžasný svět energie a pohybu

Zde můžete uvést případná specifika při přípravě materiálu, na co si u něj dát pozor nebo tipy při práci s ním.