Galileo Galilei a jeho odkaz ve výuce fyziky na střední škole
Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Galileo Galilei a jeho odkaz ve výuce fyziky na střední škole
3,0 (2 hodnocení)
Článek je zaměřen na historický úvod k učivu o gravitační síle, tíhové síle a tíhovém poli. Odkazuje však nikoli na Newtona, ale na jeho myšlenkového předchůdce Galilea Galileie, který svou novou teorií, popisující volný pád, a zejména svým novým přístupem k metodologii vědecké práce, významně ovlivnil paradigma nově se utvářejících přírodních věd.
Učivo v rámcovém vzdělávacím programu Gravitační a tíhová síla se obvykle spojuje se jménem Isaac Newton. Je to pochopitelné, protože právě Newton byl objevitelem gravitačního zákona, pomocí kterého skvěle objasnil dynamiku skrytou za pohyby planet kolem Slunce a Měsíce kolem Země. Ukázal také, že je rozumné předpokládat, že pozemská fyzika je stejná jako ta „nebeská“, neboli ve vesmíru platí stejné fyzikální zákony jako na Zemi (což do té doby naprosto nebylo jasné). Mě ale ještě v souvislosti s účinky gravitace zajímá jedno jméno. Jedná se o významného Newtonova myšlenkového předchůdce – Galilea Galileie.
Není zase tolik důvodů, proč se ve fyzice na gymnáziu zabývat právě Galileiem, jelikož značná část jeho důmyslných fyzikálních představ byla lépe zformulována jeho následovníky (zejména Newtonem). Pro mě však hraje Galilei mimořádnou roli jako klíčová osobnost historie fyziky. Domnívám se, že důležitou součástí fyzikálního vzdělání je i povědomí o vývoji fyziky, a zejména o metodách fyzikální práce. Galilei stál na samotném počátku moderní fyziky (a moderní vědy vůbec). Je spojován s revoluční změnou přístupu k přírodní vědě tím, že prosazuje formulování zákonitostí pomocí matematiky, která má nadále být „jazykem fyziky“.
Ale to není všechno, Galilei také velmi silně prosazuje, aby se vědecké teorie empiricky testovaly pomocí pozorování a experimentů (Okasha 2002 s. 5). A jsou to právě experimenty, které umožnily Galileiovi překonat bezmála dvoutisícileté fyzikální paradigma, které ve starověkém Řecku vymezil Aristoteles, a které středověcí scholastici převzali a udržovali. Aristoteles byl vynikající a mimořádně vlivný filozof a jistě si právem zaslouží úctu i dnes, ale ve svém klíčovém spisu o přírodních vědách Fyzika se dopustil celé řady překvapivých omylů. Jeden z těchto slavných omylů souvisí s gravitací, přesněji s projevy tíhového pole Země. Jedná se o volný pád.
Zde je třeba mírnit některé stereotypní představy o Galileiovi jako o učenci, který buduje své teorie čistě na základě empirické evidence. V kontrastu s představou Galileie jako novověkého experimentátora se pro srovnání traduje představa antického učence, který třebaže má ohromně nápadité a dlouhým pečlivým přemýšlením logicky precizně propracované koncepce světa, nakonec dospěje k omylům, protože není ochotný své představy empiricky testovat. Galilei a další experimentátoři ve srovnání s těmito starými učenci představují skutečný pokrok v metodách poznávání světa.
Ale je důležité si uvědomit, že i ono dlouhé a pečlivé přemýšlení je nezbytnou součástí celého procesu poznávání, jenom jeho závěrem není hotová teorie, ale pouze soubor hypotéz určených k ověření. I zde představuje Galilei dobrý příklad. Na rozpor s Aristotelovou koncepcí přišel logickou úvahou. Petr Vopěnka (1995) ukazuje, že ke zjištění, že současně volným pádem spuštěná tělesa (pokud omezíme vliv odporu prostředí) dopadnou současně na zem, dospěl Galilei po jasné racionální úvaze, ke které žádné experimenty nepotřeboval (vysvětlím níže). Tato úvaha není nijak složitá a myslím, že je vhodná pro uvedení učiva o gravitaci a tíhové síle. Úvodní hodina předcházející téma gravitační a tíhová síla by mohla mít následující strukturu:
1. Aristotelova teorie
Je nezbytné, aby žáci byli seznámeni se jménem Aristoteles a s jeho starověkou teorií volného pádu, tedy, že těžší tělesa dopadnou na zem dříve než ze stejné výšky současně spuštěná tělesa lehčí.
Tuto teorii je vhodné podpořit i demonstrací, pří které spustíme současně k zemi pírko a ocelovou kuličku. Tento experiment není třeba provádět s velkými ohledy na přesnost, závěr bude zřejmý i z ledabyle připravené ukázky.
Je dobré představit Aristotela jako ohromnou autoritu mezi filozofy, jehož přírodovědecké teorie obstály jako nástroj výkladu světa dva tisíce let. V průběhu dějin byl uznáván Řeky, Římany, později i muslimskými učenci, například Avicennou a Averroesem, a ještě později v obrovské míře i učenci křesťanskými, například Albertem Velikým a Tomášem Akvinským (Weinberg 2016).
2. Galileiova úvaha
Jak již bylo řečeno, Galileiova teorie volného pádu nevycházela z pozorování, ale z důmyslné logické úvahy. Aristotelova teorie jasně tvrdila, že těžké těleso bude padat „rychleji“ než lehčí těleso. Galilei si tedy představil těžkou padající kouli. Kdyby tuto kouli rozpůlil na dvě stejné části a nechal by tyto dvě části padat těsně vedle sebe, měly by obě padat pomaleji než původní koule, protože by to už byla dvě různá o polovinu lehčí tělesa. Kdyby ovšem tyto dvě polokoule pojil tenký drátek, jednalo by se zase o jediné těleso a měly by opět padat původní (větší) rychlostí. Což, jak se Galileiovi zdálo, šlo proti rozumu. Usoudil tedy, že by tělesa bez ohledu na svou hmotnost měla padat stejně rychle (Vopěnka 1995, s. 11). Alespoň v situacích, kdy můžeme zanedbat odpor vzduchu (pírko padá pomaleji právě proto, že jej více ovlivňuje odporová síla vzduchu). Antičtí (a později i racionalističtí) filozofové by dost možná u téhle nové, logické teorie zůstali a měli ji za potvrzenou. Moderního přírodovědce z Galileie ovšem dělá právě to, že tuto teorii začal empiricky testovat.
3. Experimenty s volným pádem
Jeden experiment už máme za sebou (s pírkem a s kuličkou). V další části výkladu se snažím demonstrovat experimenty podobně, jak je prováděl Galilei. Pro tento účel jsem si zkonstruoval primitivní „padostroj“ (video ZDE). Padostroj umožňuje současné spuštění větší (těžší) ocelové kuličky a menší (lehčí) skleněné kuličky.
Legenda (pravděpodobně nepravdivá) vypráví, že Galilei testoval svoji teorii volného pádu tak, že současně pouštěl koule různých hmotností z šikmé věže v Pise. Má videoukázka volného pádu sice ukazuje, že kuličky na zem (snad) dopadnou ve stejný okamžik, ale je zřejmé, že k věrohodnému potvrzení (popř. vyvrácení) výzkumné hypotézy nám v tomto případě schází to, co by jistě scházelo i Galileimu, tedy podmínky k přesnému měření časových intervalů. V první ukázce nechám kuličky kutálet po nakloněné ploše. Tímto způsobem (ovšem mnohem precizněji) si zpomalil volný pád i Galilei. Na ukázce je vidět, že i v tomto případě dopadnou kuličky současně.
Faktory, které v tomto případě ovlivňují průběh experimentu, jsou však ještě významnější než u volného pádu. Vedle odporu vzduchu zde figuruje také valivý odpor, který je ovlivňován kvalitou povrchu kuliček i drah a také velikostí stykových ploch. Můžeme tedy hovořit o štěstí, že se nám kuličky z různých materiálů a s různými povrchy kutálí na první pohled se stejným zrychlením. Problém by nejspíš nastal na delší dráze. Takto primitivně sestavený experiment by jistě nemohl sloužit jako vědecký důkaz, ale domnívám se, že jako demonstrační pokus (poctivě okomentovaný) může dobře přiblížit žákům význam experimentů pro tvorbu fyzikální teorie [1].
4. Závěr
Po ukončení výkladu a demonstrace by měli být žáci schopní nejen objasnit, jak je to s volným pádem různě hmotných těles (na kvalitativní úrovni), ale především by měli prokázat, že mají základní povědomí o metodách výzkumné vědecké práce.
Galilei na základě racionálních úvah dospěl k přesvědčení, že je třeba nové teorie pro popis přírodního jevu, a vzápětí vyvinul značné úsilí, aby tuto teorii experimentálně prokázal. Analogickou situaci můžeme zaznamenat později například u Einsteina, který svou speciální teorii relativity celou vyvodil formálně (v podstatě bez empirických dat) z dvou relativistických postulátů. Respektovanou fyzikální teorií se však mohla stát až ve chvíli, kdy byly navrženy experimenty, které ji potvrdily [2].
[1] Podobný demonstrační experiment lze také provézt s Newtonovou trubicí. Ta už ale neodkazuje bezprostředně na experimenty Galilea Galileie.
[2] Podle významného teoretika vědy Karla Poppera bychom neměli používat pojem „potvrzená hypotéza“, protože nikdy není možné vědeckou hypotézu zcela potvrdit a beze zbytku přijmout. Naopak je samozřejmě naprosto přípustné hypotézu na základě experimentů vyvrátit a zcela zamítnout. Pokud výsledky experimentů podporují naši výzkumnou hypotézu, stává se samozřejmě pevnější, věrohodnější a významnější pro tvorbu vědecké teorie. Ale z principu není nikdy vyloučené, že nějaký další výzkum ukáže, že i dobře prověřená hypotéza za nějakých okolností neplatí a bude třeba pozměnit teorii, popřípadě vytvořit teorii zcela novou.
Literatura a použité zdroje
OKASHA, S. Philosophy of science (A very short introduction). Oxford: Oxford university press, 2002. ISBN 10: 0-19-280283-6.
VOPĚNKA, P. Geometrizace reálného světa (třetí rozpravy s geometrií). 1.. vyd. Praha: Matfyzpress, 1995. ISBN ISBN 80-85863-04-9.
WEINBERG, S. Jak vyložit svět (objevování moderní vědy). 1. vyd. Bratislava: Slovart, 2016. 430 s. ISBN 978-80-7529-008-3.
Rámcový vzdělávací program pro gymnázia. 1. vyd. Praha: VÚP, 2007. 100 s. ISBN 978-80-87000-11-3.
