1. Fizyka przez zabawę

Odczuwa się ogólny brak pomocy dydaktycznych w nauczaniu fizyki. Ceny gotowych zestawów są wysokie a eksponaty znajdujące się w zasobach pracowni szkolnych nie odpowiadają współczesnym kanonom użytkowości i estetyki. Naglącym problemem staje się wiec urozmaicenie lekcji fizyki za pomocą przedmiotów powszechnego użytku i doświadczeń gotowych do natychmiastowej demonstracji. Przykładów takich rozwiązań dostarczyła wystawa "Fizyka Zabawek" zorganizowana przez WSP w Słupsku i Uniwersytet Warszawski.

Wystawa odbyła się w dniach 18-25.09 w Warszawie w Pałacu Potockich i 4-08.10 w Ratuszu Miejskim w Słupsku. Ponadto wybrane eksponaty zostały przedstawione w Krakowie podczas "Jarmarku fizycznego". Wystawa pochodzi ze zbiorów Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech; jej pomysłodawcą jest prof. Vittorio Zanetti. W Polsce była pierwszą edycją, po ponad 50-ciu we Włoszech i zagranicą. Łącznie w ciągu dwóch tygodni zwiedziło ją około 10 tys. osób.

2. Eksponaty

Ideą wystawy było pokazanie, jak proste przedmioty, typu "ozdób biurkowych" lub zabawki mogą służyć dydaktyce fizyki. Przedstawiono 63 eksponaty, od najprostszych jak niesymetryczne celtycki czółenko kręcące się tylko w jedną stronę, do konstrukcyjnie skomplikowanych, jak kula wyładowania plazmowego wysokiej częstotliwości. Wśród publiczności największy entuzjazm wzbudzała świnka zawieszona wirtualnie (a właściwie jej obraz) nad dwoma zwierciadłami parabolicznymi oraz bańki mydlane puszczane przez poruszanie pętli z drutu (woda, płyn do naczyń, szare mydło i trochę kleju do tapet). Wiele z pokazanych przedmiotów, np. młynek Crooksa lub wahadło Newtona, znajduje się na wyposażeniu pracowni szkolnych. Niektóre z nich, jak np. "pętla śmierci" lub wahadło chaotyczne zostały skonstruowane w warsztacie Uniwersytetu.

Eksponaty zostały podzielone na cztery grupy tematyczne: 1) astronomia i pomiar czasu, 2) mechanika, 3) optyka i fale 4) zjawiska elektromagnetyczne. W pierwszej grupie pokazano zegary słoneczne i mapy nieba. Konstrukcje zegarów różnią się wskazówką (gnomonem), którą może być pręt, naciągnięta nitka, lub otwór w pionowo zawieszonej obręczy oraz sposobem zorientowania w stosunku do północy geograficznej. Zegar pasterza nie wymaga zorientowania a godzinę wyznacza się z nomogramów długości cienia dla danej pory roku.

W grupie zabawek z mechaniki zilustrowano zasady: zachowania energii (jojo, wahadło Maxwella), zachowania pędu (wahadło Newtona) oraz momentu pędu (żyroskop). Oddzielna grupa zabawek dotyczy zagadnień równowagi. Lejek o wewnętrznej powierzchni hiperbolicznej wyjaśnia ruch w polu grawitacyjnym. Piłeczka ze styropianu umieszczona w strumieniu powietrza z suszarki ilustruje zasadę Bernouliego.

Chyboczący się celtycki kamień jest asymetryczną bryłą, która kształtem przypomina gondolę. Gdy wprawia się go w obrót, wówczas wykazuje zaskakujące właściwości. Posiada on mianowicie wyróżniony kierunek obrotu. W jednym kierunku obraca się on bez problemu. Jednak gdy tylko spróbować go zakręcić w drugim kierunku, wówczas zaczyna chybotać się po czym zmienia kierunek obrotu na przeciwny. Podobnie, wprawiony początkowo w ruch wahadłowy w kierunku pionowym, po kilku sekundach zaczyna obracać się w wyróżnionym kierunku. Można spróbować wytłumaczyć to zjawisko prawem zachowania energii. Początkowo kamień celtycki posiada energię kinetyczną ruchu obrotowego. Energia ta zostaje zamieniona w energię ruchu drgającego, w końcu znowu w energię rotacyjną. Działanie występujących przy tym sił jest nadzwyczaj skomplikowane i prowadzi do złamania zasady zachowania momentu pędu (oczywiście tylko dla amuletu). Istotna jest szczególnie niesymetryczność bryły. Dobrym przybliżeniem "amuletu" są długopisy o niedokładnej obrotowej osi lub niezrównoważone czółenka.

Wstający bąk (zwany czasami odwrotnym), w kształcie cebuli, po wprowadzeniu go w ruch obrotowy, zaczyna stawać na "głowie"! Odpowiedzialna jest za to siła tarcia. Energia dyssypowana pod wpływem sił tarcia jest większa, jeśli bąk wiruje na swoim szerszym biegunie (większy średni promień momentu siły tarcia przy tym samym nacisku). W związku z tym bąk dąży do zmniejszenia powierzchni tarcia, nawet kosztem podniesienia środka ciężkości. Oczywiście prędkość wirowania musi być dostatecznie duża ponieważ praca sił tarcia jest do niej proporcjonalna.

W dziale termodynamiki na uwagę zasługuje termometr Galileusza, w którym znajdują się małe, kolorowe bańki pływające w cieczy, której gęstość silnie zależy od temperatury oraz "termometr miłości" z cieczą o niskiej temperaturze wrzenia.

Ciekawym eksponatem jest szklany ptak, kołyszący się w górę i na dół jak perpetum mobile. W powleczonej filcem głowie ptaka zostaje zgromadzona woda, którą ptak uzupełnia przez zanurzanie dzioba w szklance z wodą. Przez parowanie ochładza się głowa do temperatury niższej niż temperatura otoczenia. Ciśnienie w głowie spada poniżej ciśnienia cieczy w dolnej części ptaka. Zachodzi więc wyrównanie ciśnienia. Ciecz podnosi się z dolnej części ptaka do głowy. Wskutek tego punkt ciężkości ptaka zostaje przesunięty w górę, a ptak pochyla się do przodu, aż jego dziób zanurzy się w wodzie. Przy tym ciecz może się z powrotem przelać do dolnej części ptaka. Obniża się środek ciężkości i ptak powraca do swego pierwotnego, pionowego położenia. Za pomocą tej zabawki można zaprezentować zjawiska i pojęcia termodynamiki takie jak wrzenie, parowanie i ciśnienie oraz aspekty punktu zaczepienia i środka masy. Szklanka z wodą ustawiona pod dziobem ptaka służy tylko jako ogranicznik wahań. Wahania ustają, jeśli głowa ptaka wyschnie.

W dziale optyki pokazano sposoby składania kolorów: przez sumowanie i różnicę, do czego wykorzystano dwa układy trzech filtrów i projektor do folii. Odpowiednio różne są kolory podstawowe dla obu sposobów: czerwony, zielony i niebieski oraz różowy, błękitny i żółty. W odejmowaniu filtry są częściowo na siebie nałożone i leżą na projektorze, w sumowaniu światło po przejściu przez filtry jest odbijane są pomocą luster (np. kosmetycznych) w jedno miejsce na ekranie.

Przedstawiono również różnego rodzaju światłowody, młynek Crooksa oraz przetwarzanie energii w ogniwie fotowoltanicznym. Efektowne jest też doświadczenie z kolorowymi cieniami wykorzystujące trzy żarówki o różnych kolorach (najlepiej wykorzystać żarówki używane na wystawach sklepowych, tzn. halogenowe na napięcie 12V i z selektywnymi warstwami odblaskowymi na reflektorze). Obserwuje się całą gamę kolorów dopełniających. Przechodzenie wiązki światła białego przez akwarium wypełnione wodą z kilkoma kroplami mleka ilustruje zasadę selektywnej absorpcji i rozpraszania światła słonecznego w atmosferze. Inne możliwe doświadczenie to efekt stroboskopowy: obraz przeźrocza z rzutnika może zostać pokazany na ekranie "wirtualnym", którym jest szybko poruszający się kij.

Zabawką, która wzbudzała chyba najwięcej emocji wśród dzieci jest "fatamorgana" składająca się z dwóch zwierciadeł wklęsłych. Obraz przedmiotu znajdującego się na dnie jednego ze zwierciadeł powstaje w otworze w drugim zwierciadle i jest na tyle ostry, że może wprowadzić w błąd osobę patrzącą pod odpowiednim kątem. Zabawka ta może być pomocna podczas lekcji z optyki geometrycznej i to zarówno w szkole podstawowej, gdzie przede wszystkim powinna zaintrygować dzieci, jak i w szkole średniej oraz na kursie podstawowym z fizyki na studiach, ze względu na dość skomplikowany sposób powstawania obrazu.

Nie mniejszą popularnością cieszyła się kula plazmowa kojarząca się z atrybutem czarnoksiężnika, wchodząca w skład działu o elektromagnetyzmie. Szklana kula zawiera gaz pod obniżonym ciśnieniem (rzędu 100 Pa) i wewnętrzną elektrodę pod napięciem ok. 10.000 V. Częstotliwość prądu zmiennego wynosi ok. 30.000 Hz. Szklana kula stoi na podstawie, z której zasilana jest elektroda. Przy włączeniu elektroda wysyła świecące błyskawice (a właściwie, sznury wyładowania jarzeniowego), które rozchodzą się promieniście. Kolor wyładowania zależy od rodzaju i ciśnienia gazu wewnątrz kuli oraz strefy wyładowania. Za pomocą tej zabawki można przedstawić zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal elektromagnetycznych. Jeśli zbliżymy do kuli małą jarzeniówkę, zacznie ona świecić. Można także pokazać sposoby ekranowania pola elektromagnetycznego za pomocą różnych materiałów, np. folii aluminiowej, ręki itp.

Innymi eksponatami z tej grupy są lewitujące magnesy oraz "perpetum mobile" - przejeżdżające nieustannie po szynie wahadełko obrotowe bez widocznego źródła energii. W rzeczywistości w podstawie urządzenia znajduje się układ elektroniczny z cewką, która wytwarzając pole magnetyczne powoduje przyspieszenie wahadełka (oraz dodatkowy układ detekcji kierunku ruchu wahadła).

3. Uwagi organizacyjne

Nowatorskość wystawy prof. Zanettiego polega przede wszystkim na jej interakcyjnym charakterze. W zasadzie, zwiedzający mogą dotknąć każdego eksponatu. W praktyce, przedmioty szczególnie delikatne, jak np. pijący wodę szklany ptak (wypełniony lotnym freonem) lub termometr Galileusza są umieszczone, niejako przypadkowo, poza zasięgiem ręki. Zwiedzanie odbywa się w grupach po 10-12 osób, 10-15 minut na każdy dział.

O sukcesie wystaw decyduje również dokładne przygotowanie merytoryczne osób oprowadzających. Ważne jest w szczególności umiejętność wyjaśnienia zjawisk na różnym poziomie przygotowania fizycznego. Na jednym ze stanowisk ogląda się widmo żarówki "energooszczędnej" za pomocą okularów z naniesioną siatką dyfrakcyjną. W zależności od wieku zwiedzających można ograniczyć się do stwierdzenia: "o, jaka ładna tęcza" lub przeprowadzić krótki wykład o zasadzie dyfrakcji, konstrukcji siatki, skwantowanym widmie emisyjnym, rozkładzie Plancka dla żarówki termicznej itd.

Istotna jest też możliwość jednoczesnego przedstawienia kilku eksponatów, w których ta sama zasada fizyczna, np. równowagi statycznej, jest przedstawiona w różny sposób.

W Europie, a szczególnie w USA istnieje szereg specjalistycznych muzeów poświęconych nauczaniu przedmiotów przyrodniczych. Muzea te przedstawiają zarówno historię odkryć naukowych, jak i specjalnie przygotowane doświadczenia. Trydent liczy 100 tys. mieszkańców; stała wystawa nie miałaby więc dostatecznie licznej publiczności. Wystawa prof. Zanettiego, zgromadzona w kilku pudłach, organizowana jest więc okresowo, za każdym razem w nieco bardziej lub mniej interakcyjnej formie. W porównaniu z innymi tego rodzaju inicjatywami wystawa z Trento wyróżnia się zarówno prostotą jak i widowiskowym charakterem, pełnym ruchu i koloru.

Organizatorem wystawy było Polskie Towarzystwo Fizyczne, przy wsparciu finansowym Komitetu Badań Naukowych i sponsora Wydawnictwa Prószyński i S-ka. Przygotowaniami merytorycznymi kierowali prof. Krzysztof Ernst z Uniwersytetu Warszawskiego i prof. Henryk Wrembel z WSP w Słupsku.