Netradiční laboratorní úlohy z fyziky

Ukázka řešení je ve formě powerpointové prezentace uložena na konci článku.

2. úloha – měření reakční doby

I když je možné, že tato úloha je hodně rozšířená, rád bych ji popsal a hlavně rozšířil.

Reakční doba je, zjednodušeně řečeno, čas, který uplyne mezi impulsem a reakcí na něj. Typickým příkladem reakční doby je brzdění automobilu. Doba brzdění se skládá z reakční doby a doby samotného brzdění. Pokud řidič zaregistruje důvod k brzdění, uplyne mezi tímto vjemem a sešlápnutím brzdy právě reakční doba. Z tohoto důvodu musejí řidiči dodržovat bezpečnou vzdálenost (řidičům se doporučuje dodržovat buď vzdálenost mezi auty odpovídající polovině rychlosti automobilu, nebo 3sekundový interval).

Pozn.: a) Celková doba při brzdění je ovlivněna i rychlostí šíření impulzu v brzdném systému. b) Nedodržení bezpečné vzdálenosti mezi automobily je jednou z nejčastějších příčin autohavárií. c) Brzdná dráha závisí samozřejmě i na brzdovém systému automobilu (ABS, stáří...) a na materiálu povrchu vozovky a kol. d) Reakční dobu ovlivňuje mnoho faktorů, hlavně alkohol a ostatní drogy.

V úvodu praktik jsou studenti seznámeni s pojmy chyba měření, odchylka nebo metoda měření.

Vzhledem k tomu, že reakční doba je velmi malá, musíme vymyslet takovou metodu, kterou zjistíme i velmi malý čas. Při diskuzi se studenty narazíme na to, že pouhým měřením času (např. stisknutí stopek) do měření vnášíme chybu způsobenou právě reakční dobou. Proto musíme využít nepřímou metodu (budeme měřit jinou fyz. veličinu než čas) – měření délky. Využijeme pravítko, u kterého má měřený student připravenou ruku. Zjišťujeme, jakou vzdálenost pravítko překoná za časový interval mezi tím, kdy je puštěno a kdy jej proměřovaný student zachytil. Pravítko se pohybuje volným pádem. Ze změřené délky pohybu pravítka a hodnoty tíhového zrychlení si každý student spočítá vlastní reakční dobu. Měření opakujeme 10krát. Pak lze vypočítat průměrnou odchylku i relativní odchylku.

Měření je samozřejmě nepřesné – oproti reakční době, např. při brzdění auta, se na pravítko soustředíme. Proto jsme se rozhodli zjistit, který impuls nejvíce ovlivňuje reakční dobu – zvuk, hmat či zrak. Při první sérii měření studenti soustředěně pozorovali pohyb pravítka. V další sérii zavřeli oči a reagovali na hlasový pokyn. Potom studenti se zavřenýma očima reagovali na dotek. V poslední sérii se opakovalo první měření, ale student pouštějící pravítko se snažil nejrůznějšími podněty ovlivnit pozornost chytajícího studenta. Každé měření jsme opakovali 10krát. I když se v tomto případě dal těžko udržet relativní klid, studenti se bavili dobře. Na závěr vzájemně porovnali své výsledky. Zajímavé je porovnání výsledků aktivně sportujících žáků (např. brankářů) se zbytkem třídy.

I pojem odchylka se ukázal být důležitý – protože jednotlivé hodnoty byly různé, studenti počítali odchylky. Na tomto případě se dá jasně vysvětlit, jaký je rozdíl mezi relativní a absolutní odchylkou – i když nám vyšla absolutní odchylka 0,2 s (což je velmi malé číslo), v našem měření to znamená, že relativní odchylka byla 25 %, což je opravdu dost nepřesné. I když je počítání odchylek podle studentů zbytečností, na tomto případě jasně vidí, že má smysl.

Velkou výhodou fyziky je, že popisuje svět kolem nás, ke každému tématu lze najít praktický příklad. Laboratorní úlohy umožňují prakticky vyzkoušet a dokázat, že to, co se studenti učí, opravdu platí. Někdy jsou zapotřebí specifické a nákladné přístroje, jindy si vystačíme pouze s běžně dostupnými předměty. Vhodná volba úloh ukáže alespoň některým studentům, že fyzika je logický předmět, který má široké spektrum aplikací v reálném životě, a že k řešení fyzikálních problémů nám často stačí jen přemýšlet. A to jsem chtěl těmito úlohami ukázat.