HOGYAN TANÍTSUK KÖNNYEN, ÉRDEKESEN A FIZIKÁT?

Átírás

1 pédáu egy tnszék inden dogozój közösen pubikát unk 100%-át eszáoj öngánk jd tnszéki közös tejesítény kiszáításához dogozók egyéni tejesítényét összegezve z dott pubikáció ár egsokszorozott értékke jeenik eg. Fevetôdik z z evi kérdés is hogy h sokszerzôs ûvekné z átános gykort szerint inden egyes szerzô egyforán osztozik dicsôségben kkor ez iért ne vontkozik fiskór is? Iseretes hogy fényné gyorsbb neutrínó egfigyeését eíró cikk ekkor izgt vátott ki zonbn ikor érés hibásnk bizonyut csk z OPERA kíséret tévezetôje ondott e pozíciójáró úgy átszik többiek okosk rdtk! Ne véeten hogy Fiziki Szeében cikk [6] fogkozott ennek kpcsán neutrínó átudoánny! Ezze zonos hírértéke vn nnk is hogy gyr részecskefizikusok tudoányetrii uttók szerint viág één járnk [7]. A heyzet inôsítésére hzi szkirodobó Zoni Lászó cikkének sorit érdees idézni [8]: A fentiekbô nyivánvó hogy soktársszerzôs tudoányos tejesítények értékeése ngyfokú körütekintést igénye ietve e körütekintés hiány ngy károkt okozht vgy nekívántos foytokt indítht e. Végezetü engedtessék eg neke hogy sokrésztvevôs együttûködések értékeésének probetikájáv kpcsotbn egy szocioógii eggondoást isertessek: A tudoányetri pvetôen társdotudoányi (szocioógii) jeegû. Ebbô szepontbó társszerzôk száánk átfogott intervu (1 2000) szintén eítésre étó. Gondojuk eg hogy hzánkbn két eber ár csádot tíz eber pártot száz eber egyházt pítht. Miért gondojuk zt hogy ennyire küönbözô étszáú ebercsoportok tejesítényeit ugynzon egyszerû ódszerre eírv inden esetben értees eredényre jutunk? A fentiek iseretében Beck Miháy gondotenete pján tán ne csk huoristák vethetik fe kérdést: piti kis Einstein nyoorut tudoányetrii uttóiv kphtn-e egyátán OTA táogtást hzi részecskefizik feegvárábn? Irodo 1. Csörgô Tás: Hogyn csináhtunk kvrknygbó Higgs-bozont? I. rész Fiziki Szee 63/6 (2013) Trócsányi Zotán Horváth Dezsô: érdés vász nékü. Fiziki Szee 63/7 7 (2013) Bencze Gyu: i tudós? Mgyr Tudoány 1993/ Bencze Gyu: i ngyobb tudós? Terészet Viág 2005/ Beck Miháy: Mit jeentenek tudoányetrii száok? Éet és Irodo006/31 6. Ptkós András: Neutrínó-átudoány véeény. Fiziki Szee 62/5 (2012) Zoni Lászó: Tudoányetri és intézeti koboráció. Fiziki Szee 51/8 (2001) 264. A FIZIA TANÍTÁSA HOGYAN TANÍTSU ÖNNYEN ÉRDEESEN A FIZIÁT? Jendrék Mikós Boronky György Műszki özépisko és Gináziu Vác Everything shoud be de s sipe s possibe but not siper. 1 Abert Einstein 1 Mindent ehetô egegyszerûbben csinájunk de nná egyszerûbben ne! Ezt cíet dt z 56. Fiziktnári Ankét ûheyfogkozásán egtrtott eôdásonk eyben echnik egyes fogink tnításáv kpcsotos tpszttit osztott eg koégái. A dinik tékörébe trtozó fogk ennyiségek törvények tárgyás tnítás ne trtozik könnyû fedtok közé. A köcsönhtás töeg erô erôtörvények endüet endüetegrdás Newton-törvények inercirendszer kucsszvkk és ezek trtáv átábn középiskoábn tákoznk esô ízben túzott otivátságg ne vádohtó többnyire szerény gondokodási rutinn és ég szerényebb éettpszttt bíró diákok. A tékör tárgyásár fordíthtó idô csökkentése és kevésbé fontosnk vét nygrészek kihgyás tnnyg feüetes esjátításához vezet. Viszont h egább z érettségi szint eérése cé kkor játsszunk fizikát eett tnujunk fizikát evnek is érvényesünie ke. Az pvetô echniki fogk egértése kzásukhoz szükséges kopetenciák kifejesztése küönösen fontos hiszen ezekre épü z egész fizik. A dinikához kpcsoódó tékörök eezése rendszerezése hsznos ehet necsk fizikát tnítók hne fizik iránt érdekôdôk száár is. A FIZIA TANÍTÁSA 387

2 Diniki pfogk ennyiségek törvények A fontosbb echniki ennyiségek fogk törvényszerûségeket eíró odeek és ezek kpcsotát z 1. ábr szeéteti. Az itt áthtó ágrjz egyes eeeive fogkozzunk részetesebben! Newton I. törvénye ( tehetetenség törvénye) Látszógos egyszerûsége eenére z egyik egnehezebben esjátíthtó törvény. H rákérdezünk z osztáybn hogy irô is szó kkor eseteg ég kd egy tnuó bár erre is egyre ritkábbn vn péd ki képes rr hogy z átános iskoábn egtnut definíciót feidézze: Egy test indddig nyugobn vn vgy egyenes vonú egyenetes ozgást végez íg ozgásápotát környezete eg ne vátozttj. Ne érdees erôtetni hogy ez ost pontosn it is jeent ert szorgs diákunk egfejebb újr végigdráj szbáyt. A törvény vójábn két fontos egápítást tesz: 1. testek terészetes ozgásápot z egyenes vonú egyenetes ozgás; 2. ozgás fenntrtásához ne ke küsô htás. A küsô htás tt testek köcsönhtását jeezô ennyiséget z erôt értjük. Erô htásár deforáció vgy ozgásápot-vátozás következik be ([4] 33. od.). A kettô ne zárj ki egyást (1. ábr) de könnyebb egértés reényében küön szoktuk tárgyni. Newton I. törvényét tehetetenség törvényének is hívják. A tehetetenég szeétetését cézó kíséretek sokságáv tákozhtunk necsk tnkönyvekben ([1] 68. od. [2] 54. od.) hne z Interneten is [3]. Ennek eenére egfogzásbó de gykrn kíséretekbô se derü fény tehetetenség és töeg kpcsotár. Seibô se következik hogy ngyobb töegû test tehetetenebb int kicsi. Súytnság ápotábn ebegô eefánt épp oyn teheteten int egy boh hiszen egyikük se képes ozgásápotánk egvátozttásár. A tnkönyvekben is gykrn hsznát kifejezésekbô int test eg krj trtni eôzô ozgásápotát vgy hogy törekszik ozgásápot egtrtásár his tudtosságot sug ne fedi fe töeg fogánk vódi trtát. A töeg H vki egy súyos tárgyt vesz kezébe két ténnye szebesü: 1. test nehéz; 2. test nehezen gyorsíthtó. erõ érése rugssági súytnság 1. ábr. Mechniki fogk ennyiségek. köcsönhtás: vonzás/tszítás deforáció Az esô egápítás zt jeenti hogy inden töegge rendekezô test részt vesz grvitációs köcsönhtásbn. Ngyobb töegû testre ngyobb grvitációs vonzóerô ht. A ásodik tujdonság bbn rejik hogy ngy töegû testet nehéz kedvünk szerint gyorsítni egáítni vgy körpáyár kényszeríteni. A jeenség ég tnuók száár se isereten hiszen venynyien tpszthtták iyen érzés toni egy üres és egy egrkott bevásárókocsit. A töeg két tujdonság egyenértékû (Eötvöskíséretek) érésük eginkább grvitációs köcsönhtás pján történik: éreg erôérô (dinóéter fürdôszobéreg) segítségéve. Iyenkor fehsznájuk zt tényt hogy nehézségi erô rányos töegge: G = g. Szbdesésné: g =. Az g-ben szerepô súyos töeg z -bn teheteten. Az = g eredény függeten töegtô i tehetetenségi és súyos töeg egyenértékûségébô dódik: iné ngyobb test töege nná nehezebb test de terészetesen nehezebb gyorsítás is. Newton II. törvénye Abbó hogy egy test ne gyorsu h ne ht rá erô ogikusn következik hogy gyorsuáshoz erôhtás szükséges. E két ennyiség kpcsotát Newton II. törvénye dj eg. Eszerint gyorsuás egyenesen rányos testre htó erôve és fordítottn rányos test töegéve: erõ erõtörvények nehézségi erõ súy súródási szbd = F. kényszer töeg endüet I = v endüetvátozás Newton III. F = F12 = F21 t = F t párköcsönhtás LMT = ándó rugs ozgásápotvátozás rugtn 388 FIZIAI SZEMLE 2013 / 11

3 Ebbô végre kiderü hogy z zonos értékû gyorsításhoz ngyobb töegû testre ngyobb erôve ke htni vgy hogy nehezebb testet nehezebb gyorsítni: F =. A II. xióát töören úgy is egfogzhtjuk hogy z erô gyorsuás ok és fetétee. H átunk egy gyorsuó testet biztosk ehetünk benne hogy erô ht rá. Vgy h gyorsítni szeretnénk egy testet kkor erôhtást ke rá gykoronunk. H több erô ht egy testre z úgy gyorsu inth csk egy erô z erôk eredôje htn rá: F =. Ezt szokás Newton IV. törvényének vgy szuperpozíció evének nevezni [5]. Ebbô z következik hogy test gyorsuását egkphtjuk h z egyes erôk okozt gyorsuásokt összedjuk. Más szvkk: testre htó erôk küön-küön egyástó függetenü okoznk gyorsuásokt és tényeges gyorsuás ezek vektori összege. Speciáis esetben h testre htó erôk eredôje nu test gyorsuás is zérus. Ezt z esetet ne tú szerencsés ódon de eég gykrn zonosítják tehetetenség törvényéve [6]. Inercirendszer Ez z egyik nehezen esjátíthtó fogo. Pontos érthetô eentondást ne trtzó egfogzás se egyszerû. Tnkönyveinkben következô definíció ovshtó: Az oyn vontkozttási rendszereket eyekben érvényes tehetetenség törvénye inercirendszereknek nevezzük ([1] 67. od. [2] 33. od. [4] 52. od.). Még egy idézet: inercirendszerekben egy test ozgásápot csk környezete htásár vátozht eg ([1] 67. od.). Az esô egfogzás szerint inercirendszerben Newton I. törvényének íg z utóbbi pján ásodik xióánk ke tejesünie. Az inercirendszer pontos érteezését Ludwig Lnge dt eg 1885-ben. Eszerint inercirendszernek tekinthetô inden oyn vontkozttási rendszer eyben háro egy pontbó egyidejûeg küönbözô irányokbn eindított és rögtön után gár hgyott nygi pont páyái egyenes vonúk [7]. Sjnos ez definíció ne könnyíti eg fogo jobb egértését z ezze esô ízben tákozók száár. Ezért be ke érjük zz fetétee hogy z inercirendszer ne gyorsuht. Ebbô ugyn ne derü ki hogy ihez képest ne gyorsuht rendszer ennek eenére ez z definíció ey szinte inden tnkönyvben szerepe [1 2 4]. Fedtok egodásáná gykorti okokbó Födhöz rögzített vontkozttási rendszert szoktunk vásztni i jó közeítésse tekinthetô inercirendszernek ([1] 67. od. [2] 33. od.). Bár középiskoi fizik tnításábn többnyire ne gyorsuó vontkozttási rendszereket részesítjük eônyben sok esetben éppen gyorsuó rendszer egvásztás teszi ehetôvé fedt egyszerûbb egodását. Ezért ennyiben vn rá ód (eet színtû fekészítés fkutáció szkkör) érdees z utóbbiv is fogkozni. Tászkodjunk szerény de biztos tpszttr. A hirteen gyorsuó vgy fékezô járû z induó vgy egáó fevonófüke jó péd gyorsuó rendszerre. Sok tnuó hott rró is hogy vdászpiótákt vgy z ûrhjósokt iyen kiképzésnek vetik á nnk érdekében hogy kibírják ngy túterheést sok g-t. Pédák gyorsuó rendszerre 1. péd Egy vsúti kocsibn vn egy ing ey kitér h vont gyorsu. Mekkor szöget zár be függôegesse z ing fon kitérített egyensúyi heyzetben? Mekkor fonáerô (2. ábr)? Inercirendszerbô szeéve jeenséget zt átjuk hogy z eredetieg függôeges heyzetû egyensúybn évô ing fefüggesztési pontj gyorsuni kezdett. A fonár ksztott test csk kkor tudj követni kocsi ozgását h fon oyn heyzetet vesz fe hogy kötéerô vízszintes koponense biztosítni tudj test egfeeô gyorsítását. A függôeges koponens egyensúyt trt nehézségi erôve. Mozgásegyenetbô: y G 2. ábr. Gyorsuó rendszerek. = g =tgα fetétebô kérdéses szög kiszáíthtó. A kötéerô: Gyorsuó rendszerbô nézve kitérített testet egyensúyi heyzetben tájuk. A nehézségi erôn kívü ég egy ozgáss eentétes irányú tehetetenségi erô is ht. Ezek eredôje htározz eg köté heyzetét és kötéerô ngyságát vgyis: tgα = g és = 2 x 2 y. és = (g) 2 () 2. S G g A FIZIA TANÍTÁSA 389

4 2. péd Száítsuk ki egy gyorsuv eekedô ing periódusidejét (3. ábr)! Inercirendszerbô nézve gyorsuó iftben kötéerô bontásáv: = sinα = ω 2 x; y = cosα; cosα g = (h föfeé gyorsu ift) y =tgα = ω 2 x g = x ω = g cosα. is szögekné cosα 1. Ebbô: g. Gyorsuó rendszerbô nézve ugynezt z eredény egkpjuk egy épésben eredô gyorsuáss száov: Gyorsuó rendszerbô nézve hsonó egodást kpunk vízszintesen gyorsuó ing esetén is (3.b ábr): g. A egodás inercirendszerbô nézve egehetôsen probetikus. Vnnk ás jeenségek is eyeket tehetetenségi erôk bevonásáv érdees gyrázni. Iyen pédáu hirteen egrántott evest trtzó tányér vgy gyorsuó kváriu esete. Itt vízszintesen gyorsuó ingához hsonón grvitációs ezôve egyenértékû htás ép fe. A Föd vonzásábó szárzó vódi grvitáció és tehetetenségi erô eredôje htározz eg egfigyehetô foydékfeszín kott ejtô ktuáis dôésszögét. Sjnos z átános retivitáseéetbô isert ekvivenci ietve kovrinci eve [8] tehetetenségi erôkhöz hsonón eghdj középiskoi szintet. Ennek eenére érdees z érdekôdô diákok figyeét ezekre fogkr is fehívni. Lendüet endüettéte g ho g = 2 g 2. Mit értünk ozgásápot tt? A ozgástnbn ez sebesség. Mive egy köcsönhtás következénye sebességen kívü ngyértékben függ testek töegétô ezért dinikábn ozgásápotot endüette (ipuzuss) jeeezzük: I = v. Ándó töeg esetén endüetvátozás sebességvátozásbn nyivánu eg: ΔI = Δv. Δt idô tt endüetvátozás: Δ I Δ t = Δ v Δ t = = F. Tehát endüetvátozáss erôhtás érhetô e i nná ngyobb iné kisebb endüetvátozás idôtrt. H födhöz cspunk egy keény diót z ngy vószínûségge drbokr törik. A cseekvésünk ) b) c) ) b) y G g 3. ábr. Függôegesen () és vízszintesen (b) gyorsuó ing. eredényessége két tényezôtô függ: ekkor endüetvátozást szenved dió becspódáskor és ennyi idô tt következett be ez endüetvátozás. Az idôtényezô kucsfontosságú: sziárd keény feüet rövid idô tt fékezi e testet. öcsönhtás következtében feépô deforáció htásár rideg testek etörnek. Mondhtunk eenpédákt is ikor köcsönhtás idôtrtánk (gykrn tudtos) növeése csökkenti köcsönhtás során ébredô erôhtást. Gondojunk égzsák vgy biztonsági öv szerepére vgy rr hogy i enne h gsugrás során ne szivcsr hne betonr érkeznénk. A dió se hjítás során tört e pedig ugynkkor vot endüetvátozás gyorsításkor int fékezéskor. Az erô képetet ΔI -re rendezve egkpjuk endüettétet: ΔI = F Δt. Egy test endüetének egvátozttásához ne eég h erôve htunk rá. Legább iyen fontos köcsönhtás idôtrt. Pédáu súyökéskor csk kkor száíthtunk egfeeô eredényre h keô fiziki erônét eett esjátítjuk iné hosszbb köcsönhtási idôt biztosító dobástechnikát. Sok tehetetenséget szeétetô kíséret posbb eezésére is kiváón ks endüettéte [9]. Lendüetegrdás A endüettétebô következik hogy erô hiányábn endüet ne vátozik tehát ándó. Ez ényegében dinik I. törvénye. A endüetegrdás tétee (LMT) enné többet jeent. Vizsgájuk eg két kiskocsi ütközését (4. ábr). Az egyszerûség kedvéért egyen ozgásuk zonos irányú >. Ütközés pintábn htás-eenhtás törvény érteében két test között zonos ngyságú eentétes irányú erôk htnk: F 12 = F 21. Mive 4. ábr. Rugs és rugtn ütközés. 1 2 Bu! F F FIZIAI SZEMLE 2013 / 11

5 éretû drbr törik sziánkok z egész pdót beterítik i bosszntó de törvényszerû: ég sérteten tárgy esés közben ne rendekezett vízszintes endüetkoponensse ezért pdó síkjábn szétrepüô drbok összendüetének is nuánk ke ennie. Ez fetéte ne vósuht eg úgy hogy inden sziánk egy irányb pédáu kuk feé szájon. 5. ábr. Newton-böcsôk. köcsönhtás idôtrt indkét test száár zonos így Δ = Δ. H z ütközés során testek együtt rdnk (4. b ábr) vgy kezdetben együtt hdtk és zt követôen vátk küön egyástó (4.b c ábr) kkor z iyen köcsönhtást tökéetesen rugtnnk nevezzük. H köcsönhtás során ne keetkezik rdndó deforáció zz testek z ütközést követôen echniki energiveszteség nékü küön-küön hdnk tovább köcsönhtás tökéetesen rugsnk tekinthetô (4. b c ábr). Iyenkor: = = ho v és u testek kezdeti és végsebességét jeöi. Rugtn ütközésné: = = ho z ütközés közben kikut közös sebesség: ey egegyezik z + össztöegû pontrend- szer töegközéppontjánk sebességéve. Mive töegközéppont sebességét csk küsô erôk képesek egvátozttni így ne egepô hogy besô erôk htásár endüetösszeg ándó rd. Rugs ütközésné köcsönhtás utáni sebességek kiszáíthtók: = = és hsonón =2 =2 Szátn pédát ehetne fesoroni endüeteg- rdás egnyivánuásár. Most csk kettôt eítek. H függôegesen sziárd feüetre esik egy pohár vgy ár korábbn eített dió és szátn küönbözô =2 =2. Newton-böcsô A endüetegrdásár szintén jó péd Newtonböcsô. Azonos hosszúságú fonkr bifiárisn fefüggesztett goyók egy szinten szorosn egyás eett heyezkednek e (5. ábr). H z egyik szésô goyót kitérítjük jd eengedjük z ütközik nyugvó goyósorr. A fefüggesztett goyók száátó függetenü indig csk nnyi goyó endü ki hány kitérés után ütközött z ingsorr. A egepô visekedés gyrázt bbn rejik hogy endüet-egrdás törvényen kívü echniki energiegrdás is tejesü: = = Az egyenetrendszer egodás: =. Tehát gyrázt ne tú bonyout de ne várhtó e hogy tnuók ezt egtegyék z energiegrdás-törvény iserete nékü ([1] 80. od.). Összegzés A dinik egpozás fontos ugynkkor nehéz fedt. Tnuócsoporttó függôen gondos éregeés tárgy egfeeô ennyiségû inforáció kivásztás korrekt ódon történô tárgyás. A definíciók heyénvó kzásáv egyszerû de átványos kíséretekke jó pédákk eôsegíthetô szövevényes fogo tárábn rejô trto jobb egértése hsznáhtó tudás egszerzése. Irodo 1. Ngy A. Mezô T.: Fizik 9. Mxi önyvkidó Szeged (2008) 2. Hász T.: Fizik 9. Mozik kidó Szeged (2003) Guyás J. Honyek Gy. Mrkovics T. Szóki D. Vrg A.: Fizik Mechnik. Mûszki könyvkidó Budpest (1999) 5. GEFIT6101/sco_02_01.scor 6. dinik.ht 7. cd=9&ved=0cf0qfjai&ur=http%3a%2f%2febers.iif.hu% 2Frd8012%2Fkozegyfiz%2Fh1-newton.doc&ei=yX7QUfMMO RtQbsi4Fw&usg=AFQjCNGPsEQ9MnCsbEqOtc0-8oN2BM4Ew& bv=bv d.ys 8. A. Hudson R. Neson: Útbn odern fizikához. LSI Okttóközpont Budpest (1994) pedk/hudson%2041%20fej% pdf 9. Öveges J.: Játékos fiziki kíséretek. Nezeti Tnkönyvkidó Budpest (1995) A FIZIA TANÍTÁSA 391