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
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.
Existují možnosti výuky základů speciální teorie relativity na gymnáziu i podle současného RVP G?
Základní poznatky ze speciální teorie relativity (dále jen STR), její základní principy a důsledky (relativnost současnosti, dilatace času, kontrakce délek a některé další) byly součástí gymnaziálních osnov fyziky prakticky od konce šedesátých, resp. začátku sedmdesátých let minulého století a tvořily v nich vždy samostatný tematický celek (obvykle pod názvem Speciální teorie relativity, Základy teorie relativity apod.). Situace se nezměnila ani po roce 1989, kdy namísto tradičních, centrálně vydávaných podrobných učebních osnov pro gymnázia vznikl na počátku druhé poloviny devadesátých let Standard vzdělávání ve čtyřletém gymnáziu (dále jen Standard - viz Věstník MŠMT, ročník LII, sešit 4, duben 1996). V něm jsou v oboru Fyzika základní poznatky ze STR opět uvedeny a soustředěny v samostatném tematickém celku s názvem Základy teorie relativity. Stejně je tomu pak i v Učebních dokumentech pro gymnázia, jež schválilo MŠMT s platností od 1. 9. 1999 a byly v témže roce vydány v Nakladatelství Fortuna, Praha. Tyto učební dokumenty jsou vlastně rozpracovanou verzí Standardu. V předmětu Fyzika pro 1. - 4. ročník čtyřletého gymnázia a pro 5. - 8. ročník osmiletého gymnázia jsou základní poznatky STR též uvedeny, a to v samostatném tematickém celku s názvem Speciální teorie relativity.
Situace se poněkud změnila s nástupem nové kurikulární reformy reprezentované mj. vytvářením RVP. Již v Rámcovém vzdělávacím programu pro gymnaziální vzdělávání pilotní verze (Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2004 - dále jen RVP GV) netvoří základní poznatky STR ve vzdělávacím obsahu oboru Fyzika samostatný tematický celek se specifickým názvem. Totéž platí i pro nyní již platný dokument Rámcový vzdělávací program pro gymnázia (Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2007 - dále jen RVP G), který vznikl na základě výsledků ověřování RVP GV na pilotních školách a na základě dalších jednání a diskusí s odborníky z vysokých škol a vědecko-výzkumných ústavů. Ani v RVP G již nejsou ve vzdělávacím obsahu oboru Fyzika základní poznatky ze STR explicitně uváděny v samostatném tematickém celku.
Nutno říci, že nezařazení STR, jako samostatného tematického celku do posledně dvou zmíněných dokumentů, vzniklo na základě požadavku učitelů fyziky z pilotních škol, kde se ověřoval RVP GV. Učitelé v souladu s novou kurikulární reformou, podle níž je hlavní důraz kladen na aplikaci získávaných vědomostí a dovedností, oprávněně požadovali vytvořit ve výuce fyziky dostatečný časový prostor, aby žáci dostali příležitost nabyté vědomosti a dovednosti skutečně využít při řešení problémů a úloh. A to podle názoru vyučujících nebylo možné jinak než určitou redukcí vzdělávacího obsahu a soustředěním vzdělávacího obsahu na vzájemně propojené fundamentální fyzikální pojmy a zákony.
Takové pojmy a zákony, pokud je dostatek času na to, aby si je žáci mohli aktivně a s porozuměním osvojit, jim dávají značný potenciál řešit velmi široké okruhy problémů, aniž by si k tomu museli vždy znovu osvojovat velké množství často izolovaných a vzájemně nepropojených informací. A vzdělávací obsah oboru Fyzika v současném RVP G (dále jen Fyzika) je konstruován právě tímto směrem. Proto byl tematický celek o STR z Fyziky vypuštěn, ale ze vzdělávacího obsahu nebyly vyjmuty ty základní pojmy a zákony, z nichž je možno některé relativistické důsledky (relativnost současnosti, dilataci času, kontrakci délek) na úrovni čtyřletého, resp. vyššího stupně víceletého gymnázia vcelku bez problémů odvodit formou žákovského řešení problémů (přirozeně v daném případě za intenzivní pomoci učitele). Žák tím může také opět lépe poznat hodnotu základních fyzikálních principů pro efektivní poznávání reality, má-li takové principy k dispozici. Nehledě na skutečnost, že základní principy (základní pojmy a zákony), na nichž stojí STR, mají mnohem větší rozsah platnosti a bohatší obsah, než pouze to, že jsou logickými východisky pro odvození těch důsledků, které tak dobře známe ze STR.
Principy STR a RVP G
Jak známo, STR může být formulována různými způsoby, podle toho, jaké primitivní (základní, nedefinované) pojmy a jaké axiomy (výchozí, vzájemně nezávislé, hypotézy, postuláty, zákony) postavíme „do čela" této teorie. My se zde přidržíme, pokud jde o axiomy STR, tradičního způsobu (velmi blízkého „kořenům", vycházejících od Einsteina). Podle tohoto přístupu postačují k formulaci STR např. tyto postuláty:
Uvedené postuláty (a některé další primitivní pojmy, jakými jsou pojem polohy a času) postačují k tomu, abychom mohli logicky odvodit všechny ony známé důsledky plynoucí ze STR, tj. především relativnost současnosti, dilataci času či kontrakci délek a některé další. Důsledky, jež jsou sice kontraintuitivní a příčící se tzv. „zdravému" rozumu, ale logicky i fyzikálně nerozporné. Zdůrazněme jen, že výše uvedené postuláty jsou postačujícím základem pouze pro kinematiku STR. Pro formulaci dynamiky STR musíme zavést ještě některé další primitivní pojmy a postuláty, abychom obdrželi celou relativistickou částicovou mechaniku. Toto ale pro naše účely není nyní až tak podstatné.
Ptejme se nyní, zda je vzdělávací obsah oboru Fyzika v RVP G nastaven tak, že obsahuje (byť třeba i v jiné formulaci) hypotézy či zákony, které stojí v základech STR a mohou sloužit k odvození výše uvedených „prostoročasových důsledků" (tedy relativity současnosti, dilatace času a kontrakce délek) ve výuce fyziky na gymnáziu.
Začněme prvním postulátem. Je pravdou, že v takové podobě jako výše daný postulát ve vzdělávacím obsahu Fyziky formulován není. Je v něm ale zařazen pojem inerciální soustavy a skutečnost, že vzájemná rychlost inerciálních soustav je stálá, plyne bezprostředně (logicky) např. z toho, že inerciální soustavy jsou ty soustavy, v nichž platí první pohybový zákon (který je součástí vzdělávacího obsahu Fyziky). Lze tedy říci, že první postulát není žádný problém na základě vzdělávacího obsahu Fyziky zformulovat, aniž bychom museli tento vzdělávací obsah rozšiřovat o další nové pojmy či zákony. A to je podstatné.
Pokud se jedná o druhý postulát, ten je explicitně vyjádřen ve vzdělávacím obsahu Fyziky a je součástí učiva tematického celku Elektromagnetické jevy, světlo. Tím, že je ve vzdělávacím obsahu naznačeno, aby žák poznal i některé důsledky zmiňované zákonitosti o rychlosti světla (na škole je pak ponecháno které), je tím také vyjádřeno i důležité postavení dané zákonitosti v rámci fyzikálního poznávání a její úzká spojitost s vlastnostmi prostoru a času. Tato zákonitost se tak stává jedním z centrálních axiomů fyziky a nikoli pouze izolovaným experimentálním faktem, který se ve výuce pouze konstatuje, ale nedává do často překvapivé souvislosti s dalšími fakty, jakými jsou právě fundamentální vlastnosti prostoru a času.
Celkově tak můžeme říci, že vzdělávací obsah Fyziky dává i nyní všechny možnosti k tomu, aby si žáci ve výuce mohli osvojit některé základní poznatky ze STR, i když v tomto vzdělávacím obsahu není přímo zařazen samostatný tematický celek s názvem Speciální teorie relativity (či s názvy analogickými). Žáci si tak, i při vzdělávacím obsahu Fyziky obsaženém v nyní platném RVP G a bez jeho rozšiřování, mohou osvojit určité poznatky moderní fyziky o prostoru a času na stejné úrovni, jako tomu bylo dosud. O tyto poznatky nebudou tak ani nadále v žádném případě ochuzeni. Vzdělávací obsah Fyziky v současně platném RVP G tudíž reflektuje i důležitá témata moderní fyziky, jako tomu bylo v předchozích pedagogických dokumentech.
Důsledky postulátů STR
Máme zde na mysli především ty důsledky, které lze vcelku bez problémů odvodit i na střední škole z uvedených postulátů STR pomocí určitých myšlenkových experimentů a pomocí středoškolské matematiky. Jedná se o relativitu současnosti, dilataci času a kontrakci délek. Přitom, pokud jde o dilataci času či kontrakci délek, je možné i na střední škole odvodit pomocí myšlenkových experimentů a středoškolské matematiky též známé kvantitativní vztahy mezi dobami dané události (resp. délkami daného tělesa) určovanými v inerciálních soustavách, jež se vůči sobě pohybují rovnoměrně přímočaře. Tyto způsoby odvození jsou u nás velmi dobře popsány v různých středoškolských učebnicích fyziky a není nutno je zde podrobně rozebírat (viz např. Karel Bartuška: Fyzika pro gymnázia, speciální teorie relativity, Prometheus, spol. s r.o., 1993). Důležité je mít zde stále na mysli, že tyto důsledky máme prezentovat žákům jako něco, co je už založeno v zákonitostech, jež před tím poznali jako spolehlivě ověřená fakta (stálost rychlosti světla v inerciálních soustavách), a co je tedy v plném souladu s těmito fakty, byť se takové důsledky na první pohled mohou jevit vzhledem k naší běžné zkušenosti jako paradoxní.
Relativistická dynamika
Uvedené postuláty STR jsou dostatečné pouze pro formulaci kinematiky STR. Formulace dynamiky STR vyžaduje připojení ještě dalších postulátů, abychom obdrželi konzistentní (částicovou) relativistickou mechaniku. Její některé poznatky, především pak relativistický vztah pro hmotnost tělesa a Einsteinův vztah mezi hmotností tělesa a jeho energíí, byly vždy součástí vzdělávacího obsahu fyziky v pedagogických dokumentech od konce šedesátých, resp. začátku sedmdesátých let. S nástupem RVP GV, resp. RVP G, již ale v těchto dokumentech do vzdělávacího obsahu oboru Fyzika zařazeny (po diskusi s učiteli gymnázií) nebyly. Důvodem byla především potřeba zmenšit rozsah vzdělávacího obsahu oboru tak, aby bylo možno ve výuce věnovat více času aplikaci žákovských vědomostí a dovedností a řešení problémů. Navíc je třeba si uvědomit, že i podle učebních dokumentů, vytvořených před zaváděním RVP, byly uvedené poznatky relativistické dynamiky žákům vždy pouze sdělovány. Na úrovni střední školy je totiž nebylo možno logicky ani heuristicky odvozovat z postulátů obdobným způsobem, jako tomu bylo v případě relativistické kinematiky.
Vzhledem k pojetí RVP G není pak přirozeně též žádný problém, aby škola, pokud to uzná za vhodné či potřebné, rozšířila (např. pro vymezené skupiny žáků) vzdělávací obsah Fyziky i o vybrané poznatky relativistické dynamiky. Rozšíření vzdělávacího obsahu daného oboru, který definuje RVP G, je totiž plně v kompetenci školy.
Závěr
I vzdělávací obsah Fyziky v současně platném RVP G umožňuje, aby si žáci osvojili určité základy (kinematiky) STR, i když nejsou explicitně soustředěny v samostatném tematickém celku. Vzdělávací obsah Fyziky není nutno ani v nejmenším rozšiřovat o další pojmy a zákony, aby všichni žáci „vyššího" gymnázia měli šanci postulátům (kinematiky) STR i některým jejich důsledkům porozumět. Pokud se jedná o poznatky relativistické dynamiky, jejich výběr a zařazení do výuky fyziky je plně v kompetenci školy.
Tento materiál je publikován pod licencí Creative Commons – Uveďte původ – Neužívejte komerčně – Nezpracovávejte 3.0 ČR.