Vlna z lidí: Podélné a příčné vlnění

Pokus číslo: 2062

Pohybová úloha
  • Cíl pokusu

    • Žák zažije roli částice v postupné vlně

    • Žák rozlišuje podélné a příčné vlnění

    • Žák pozoruje charakteristiky vlny

  • Teorie

    Mechanické vlnění se šíří jakýmkoliv pružným prostředím, tedy i lidmi držícími se za ruce.

    Vazbu mezi lidmi lze zařídit také tak, že žák následující pozoruje předchůdce a sám opakuje jeho pohyby. V tomto případě je vhodné využít nějakou dobře definovanou sekvenci pohybů jako: Stoj, dřep, stoj a vzpažení rukou v cyklické smyčce. V takovém případě lze zkoumat charakteristiky periodické vlny jako vlnová délka, amplituda, frekvence či perioda. Důležité je zdůraznit a diskutovat, zda žák opakuje pohyb po někom a je tedy součástí vlny nebo žák dělá pohyb sám za sebe a tudíž se o vlnu nejedná.

    Na následujícím odkazu můžete pro inspiraci shlédnout perfektně secvičenou vlnu vojáky:

    Jelikož při obou demonstracích každý žák zažije směr svého pohybu a vidí směr šíření celé vlny, může samostatně formulovat definici podélného a příčného vlnění.

    Úlohu jsme přejali a upravili po vzoru aktivity pozorované v rámci výuky fyziky na gymnáziu Špitálská učitelů Stanislava Gottwalda a Petra Pospíšila.

  • Pomůcky

    Dostatečný počet žáků, ideálně více než 15. Volitelně je možné využít fotoaparát/kameru s projektorem a metronom.

  • Postup: Podélná vlna

    Necháme žáky stoupnout si jeden za druhého do řady, každý žák dá své ruce na ramena žáka před sebou (Obr. 1). Úkolem je, aby každý žák zopakoval žákovi před sebou to, co se stalo jemu. Učitel bude stát poslední na konci fronty a bude zdrojem podélné vlny. Jemným postrčením do ramen žáka před sebou spustí vlnu. Je vhodné, aby žák vepředu (na začátku řady) měl před sebou volný prostor.

    Obr. 1: Demonstrace podélného vlnění. Zdroj vlnění je vpravo (pro žáky vzadu), podélná vlna se šíří směrem doleva (pro žáky dopředu). Fotografie zachycuje vlnu ve chvíli, kdy dorazila ke 4. osobě. Žáci vepředu řady teprve čekají, co se bude dít, protože postup vlny nevidí.

    Obr. 1

  • Postup: Příčná vlna

    Nejsnazší motivační variantou je zadat žákům, ať se sami dohodnou, secvičí a demonstrují mexickou vlnu. Na této demonstraci lze dobře ukázat rozdíl mezi pohybem částic a pohybem celé vlny.

    Lze také využít dobře definované sekvence pohybů jako: Stoj, dřep, stoj a vzpažení rukou v cyklické smyčce. Vlnu můžeme nechat postupovat přirozenou rychlostí jako na obr. 2 (A až C) nebo jednotlivé fáze provádět na tleskání. V takovéto vlně mohou žáci pojmenovat žáka ve stejné fázi a změřit tak vlnovou délku. Sami na sobě mohou měřit periodu.

    Obr. 2: Příčná vlna šířící se přirozenou rychlostí směrem vlevo.
 A: Začátek vlny, pouze první čtyři osoby vykonávají pohyb,
 B: Vlna o přibližně jednu periodu později,
 C: Vlna postoupila o přibližně dvě osoby vlevo. Přestože prostředí není zcela homogenní, můžeme na tomto obrázku dobře demonstrovat pojem vlnová délka.

    Obr. 2

  • Postup: Další varianty

    Úlohy lze využít i k jiným cílům, např. v rámci opakování jako skupinovou práci. Rozdáme žákům grafy popisující postupnou podélnou vlnu: Graf závislosti výchylky na poloze a graf závislosti výchylky zdroje na čase. Rozmístíme žáky do řady s půl metrovými rozestupy. Jejich úkolem je dohodnout se a modelovat postupující vlnu znázorněnou grafy.

    My jsme pro tuto úlohu použili vlnu s parametry: Vlnová délka \(λ=4\,\mathrm{m}\), perioda \(T=8\,\mathrm{s}\), amplituda \(y_\mathrm{m}=4\,\mathrm{dm}\). Během úlohy je vhodné pustit metronom s frekvencí \(f_\mathrm{metronom}=1\,\mathrm{Hz}\).

    Úloha má tři úskalí. První žák, tj. zdroj, musí vědět, jaký pohyb bude vykonávat. Žáci si musí uvědomit, že stačí pozorovat žáka ve vlně před sebou a vykonávat pohyb podle něj. Nejtěžší je zařídit správnou rychlost vlny, každý žák musí svůj pohyb dostatečně opozdit, aby se vlna pohybovala rychlostí \(v=0{,}5\,\mathrm{m/s}\) a vlnová délka byla opravdu \(λ=4\,\mathrm{m}\). Je pravděpodobné, že žáci budou potřebovat více pokusů, než se jim podaří vlnu vymodelovat. Po každém nezdaru, by měli dobře pojmenovat jednu věc, která se nezdařila a tu se pokusit opravit. Při naší testovací hodině bylo potřeba čtyř pokusů.

  • Metodické poznámky

    Podle počtu žáků lze třídu rozdělit na dvě poloviny, které se vystřídají – cvičící a pozorující – nebo mohou být součástí vlny všichni, v tom případě je vhodné využít fotoaparát nebo kameru.

    U všech pohybových aktivit je důležité, aby si žáci formulovali a zaznamenali své vlastní závěry z aktivity. Učitel by jim měl pomoci vhodnými otázkami a poskytnout dostatek času, během kterého mohou žáci odpovědi samostatně formulovat. Každá samostatná odpověď žáka, je výrazně hlubším poznatkem, než jakákoliv informace sdělená učitelem.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: delší než 10 minut