Než žák přijde do školy, má už vytvořenou řadu svých hotových představ o tom, jak se chová a funguje svět kolem nás. Člověk si takové intuitivní představy (prekoncepty) vytváří od raného dětství na základě bezprostředního vnímání okolního světa a aktivního styku s ním. Tyto představy bývají často v rozporu s vědeckými poznatky, znesnadňují jejich správné pochopení a mohou vést k povrchnímu, formálnímu a zkreslenému osvojování fyzikálních pojmů.
Ve svém již uveřejněném článku jsem se věnovala chybným představám spojeným se vztahem síly a pohybu. V tomto příspěvku chci upozornit na některé chybné představy žáků o gravitačním působení.
Představy o gravitačním působení
Původ zemské gravitace
Představy žáků o tom, kde se bere zemská přitažlivost a jak podle nich funguje, bývají velmi různorodé. Níže uvádím ty, které se při různých průzkumech objevují nejčastěji.
- gravitace je vázaná na vzduch
Žáci často uvádějí, že gravitace je něco, co "táhne", "strká" nebo "drží". Souvisí to s představou, že gravitace je vázaná na vzduch, který tlačí dolů, či na atmosféru, která brání věcem, aby odlétly. - gravitace souvisí s rotací Země
Někteří žáci se domnívají, že příčinou gravitace je rotace Země. Objevuje se to např. v následujících úvahách: "Myslím, že gravitace je způsobena rotací Země, protože jak se Země otáčí, je to jakési přitahování, a proto lidé nebo my nespadneme ze Země." (žák 14 let). "Myslím, že gravitace je jako když máte míč v košíku a točíte s ním, míč nevypadne, protože ho tam něco drží." (žákyně 14 let) (Stead, Osborne) - gravitace souvisí se zemským magnetismem
Gravitace bývá také spojovaná se zemským magnetismem. Žáci mají představu, že Země přitahuje věci a lidi podobně jako magnet. O tom, že představy žáků mohou být velmi propracované, svědčí i následující odpověď, kterou v rámci průzkumu (Nachtigall) uvedla dívka z páté třídy: " ... vzduch obsahuje trochu železa. Země je magnet a přitahuje vzduch. Lidé dýchají vzduch, a proto jsou také přitahováni. Dřevo a další předměty také obsahují železo, protože stromy potřebují vodu a vzduch, tak také obsahují železo. Jsem si téměř jista, že to tak je." - gravitace je síla působící směrem vzhůru, která nás drží ve svislé poloze
Většina žáků sice uvádí, že gravitace strká či tlačí směrem dolů, nicméně občas se objeví i výše uvedený názor.
Gravitace a síla
- gravitace je tendence těles padat dolů, často není považovaná za sílu
Mnozí žáci považují fakt, že tělesa padají k Zemi, za jejich přirozenou vlastnost, ke které není třeba silového působení. Když se např. zeptáte, zda na volně padající míček působí nějaké síly, odpovídají, že ne, že prostě jen padá. Případně uvádějí, že na něj působí gravitace, kterou ale nespojují se silovým působením. - působení gravitace se neuplatňuje ihned po puštění či vržení tělesa, ale až s jistým zpožděním, nebo až poté, co přestanou působit jiné síly
Někteří žáci se např. domnívají, že když se odrazí od země a vyskočí, působí na ně během pohybu vzhůru jen "síla odrazu", která se postupně zmenšuje. V bodě obratu přestane tato síla působit a začne působit gravitační síla, díky níž člověk začne padat dolů. Podobně když vyhodíme vzhůru kámen, působí na něj při pohybu vzhůru jen "síla ruky", gravitační síla začne působit opět až v bodě obratu. - po dopadu tělesa gravitace přestane působit
Tato představa zřejmě souvisí s tím, že někteří žáci si myslí, že na těleso v klidovém stavu nepůsobí žádná síla. Příkladem jsou odpovědi v následující úloze. - gravitace musí být velmi velká síla, když působí na tolik věcí najednou
Žáci nechápou gravitační působení jako vzájemné působení dvou objektů závislé navíc na hmotnosti obou (viz ještě dále). Země je veliká a přitahuje hodně věcí, tak musí mít podle žáků obrovskou sílu.
Gravitace a výška
- gravitační působení vzrůstá s výškou
Podle některých žáků padají tělesa z větší výšky rychleji proto, že gravitační síla roste s výškou nad zemským povrchem. Gravitační působení vzrůstá s výškou, ale jen do té doby, než se věci dostanou mimo zemskou atmosféru. Tato představa vzniká také v důsledku zaměňování gravitačního působení s potenciální energií. - gravitační působení s výškou slábne, ale mnohem rychleji než ve skutečnosti
Řada žáků má sice správnou kvalitativní představu o tom, že gravitační působení Země slábne s rostoucí výškou, ale pokles je podle nich podstatně rychlejší než odpovídá skutečnosti.
Velikost gravitační síly, kterou Země působí na okolní předměty, klesá se čtvercem vzdálenosti od jejího středu. Představte si, že šplháte s desetikilogramovým batohem na zádech na Mt. Everest, tedy do výšky 8 848 metrů nad mořem. Síla, kterou Země batoh přitahuje na jeho vrcholu, by poklesla jen o 0,27 N oproti síle, kterou ho přitahuje na úrovni moře. Kdybyste chtěli, aby tato síla poklesla o 10 N, museli byste šplhat ještě asi dalších 343 km. - při pádu se rychlost tělesa zvětšuje díky vzrůstajícímu gravitačnímu působení
Tato představa souvisí zřejmě s tím, že pro mnoho žáků je ke zrychlenému pohybu potřeba rostoucí síla.
Gravitace a hmotnost
- těžší tělesa padají rychleji
Toto tvrzení považuje za všeobecně platné nejen řada žáků, ale i dospělých. Domnívají se, že gravitační síla těžší tělesa více urychluje. Navíc tato představa odpovídá běžné zkušenosti, list se snáší k zemi pomaleji než padající jablko.
To, že ve vzduchu padají různé věci různou rychlostí, má na svědomí působení vzduchu. Známým jednoduchým pokusem snadno ukážete, že i těžší list papíru může padat pomaleji než jeho zmačkaný utržený růžek. O tom, jak se bude padající předmět pohybovat, rozhoduje výsledná síla, která na něj působí - tedy výslednice gravitační síly, odporové síly vzduchu a vztlakové síly. Odporová síla závisí na tvaru a velikosti předmětu a také na jeho rychlosti (u malých rychlostí narůstá s první, u větších s druhou mocninou rychlosti). Při určité rychlosti pádu dojde k vyrovnání sil a předmět pak už padá stálou rychlostí. U padajícího peříčka či bubliny se síly vyrovnají při menší rychlosti než třeba u padajícího jablka.
Pokud ovšem tělesa padají ve vakuu, uděluje jim gravitační síla stejné zrychlení bez ohledu na jejich hmotnost či tvar a dopadnou stejně. Je-li to možné, měli by žáci vidět experiment s vyčerpanou Newtonovou trubicí, ve které padá brok a peříčko, nebo třeba záznam, který pořídili kosmonauti na Měsíci, když nechali padat kladívko a paví pero. Výsledek je pro ně velmi překvapivý a působivý. - při vzájemném gravitačním působení dvou těles různé hmotnosti působí těžší těleso větší gravitační silou
- gravitační síla, kterou působí těleso, závisí jen na jeho hmotnosti a ne na hmotnosti toho, na co působí
Zeptáte-li se, jak je to s velikostí gravitačních sil, kterými na sebe působí Země a družice, která ji oblétává, odpoví i většina vysokoškolských studentů, že Země působí na družici větší silou, protože je těžší. Ještě obtížnější je uvědomit si, že kámen, který padá k Zemi, ji přitahuje stejně velkou silou jako ona kámen. Účinek síly působící na kámen o hmotnosti např. 1 kg je dobře patrný, zatímco u Země, která má hmotnost 6. 1024 kg, je účinek stejně velké síly nepozorovatelný. Zrychlení, které udělí kámen Zemi, je 6. 1024 krát menší. Vztah pro velikost gravitační síly, kde vystupuje součin hmotností těles, přitom většina studentů bez potíží odříká a rozpor s uvedenou představou si ani neuvědomí.
Gravitace a prostředí
- gravitační působení je závislé na prostředí
Někteří žáci se domnívají, že gravitační působení je ovlivňováno prostředím. Například ve vakuu gravitace podle nich nepůsobí nebo je alespoň slabší. Zeptáte-li se, zda se stane něco s délkou pružiny, na které visí závaží, když ji dáme pod vývěvu a vyčerpáme vzduch, odpoví obvykle, že se zkrátí. Nejpřesvědčivějším argumentem je ukázat žákům experiment.
Z běžné zkušenosti, že voda "nadlehčuje", pak žáci usuzují, že gravitační působení je ve vodě slabší - "táhne to dolů méně". Zřejmě si neuvědomují, že na předmět působí ve vodě nejen gravitační síla, ale i vztlaková síla a při pohybu ještě odporová síla prostředí a pohyb je dán jejich výslednicí. Někteří žáci si dokonce myslí, že gravitace působí ve vodě směrem vzhůru. V tomto případě nejspíše zaměňují vztlakovou sílu za gravitační.- ve vakuu je slabší nebo neexistuje
- ve vodě je slabší, popř. působí směrem vzhůru
Gravitace ve vesmíru
- gravitační působení je jen záležitostí Země, ve vesmíru gravitace neexistuje
Představa souvisí s tím, že žáci silně spojují gravitaci se vzduchem. Ve vzduchoprázdnu se pak gravitace nemůže uplatňovat. - kosmonauti jsou v beztížném stavu, protože jsou mimo gravitační působení Země
Toto bývá jedno z nejčastějších vysvětlení nejen mezi žáky, ale i mezi dospělými. Jako reakci můžete položit otázku, proč potom družice či kosmická loď krouží kolem Země a neodletí někam pryč. Na oběžné dráze ji udržuje právě gravitační síla, kterou ji Země přitahuje.
Je dobré žákům předvést, že beztížný stav existuje i na Zemi. Můžeme je nechat sledovat, co se stane, když vezmeme do ruky závaží zavěšené na gumě či pružině a seskočíme s ním se stolu. Případně je můžeme vyzvat, aby si na dlaň natažené ruky položily pár učebnic a seskočily s nimi ze židle. V případě závaží se během letu guma (pružina) stáhne, protože za ni závaží přestane tahat - padá dolů stejně jako guma (pružina). Podobně přestanou knihy během letu tlačit na dlaň. V kosmické lodi je tomu stejně. Stav beztíže je způsoben tím, že loď, kosmonauti i všechno ostatní v kabině jsou v neustálém pádu.
Závěr
V článku jsem shrnula některé chybné představy žáků o gravitačním působení. Zmapování takových prekonceptů je prvním krokem na cestě k jejich překonávání. Pro konkrétní práci v hodinách je důležité, aby učitel věděl o jejich existenci, mohl na ně reagovat a vést žáky k tomu, aby si je sami uvědomili a poznali rozpor mezi nimi a tím, co se učí ve škole.
Podrobnější informace o citovaných výzkumech, ukázky rozhovorů s žáky i další úlohy lze nalézt v níže uvedené literatuře.
Literatura
Baxter, J.: Children's understanding of familiar astronomical events. International Journal of Science Education 11 (Special Issue), 1989, s. 502-513.
Driver, R. - Squires, A. - Rushford, P. - Wood-Robinson, V.: Making Sense of Secondary Science. Routledge Falmer, New York, 2003.
Jones, B. L. - Lunch, P. P. - Reesink, C.: Children's conception of the Earth, Sun and Moon. International Journal of Science Education 9 (1), 1987, s. 43-53.
Mandíková, D.: Výuka Newtonových zákonů I - intuitivní představy žáků.
Mandíková, D.: Intuitivní představy o pohybu a síle. Disertační práce. Praha, MFF UK 1990.
Nachtigall, D.: Vorstellungen von Fünfklassers über den freien Fall. Rukopis, Dortmund, 1981.
Nachtigall, D.: Vorstellungen im Bereich der Mechanik. In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik/Chemie, 34, 1986, č.13.
Rojko, M.: Omyly, které ovládly svět. PCVPP, Praha 1993.
Stead, K. - Osborne, R.: What is gravity? Some Children's Ideas. N.Z. Science Teacher. 30, 1981, s. 5-12.
