Výuka elektřiny v Linuxu

Autor: Miroslav Kucián

Linux jako platforma pro výuku je spíše o nadšení pedagogů než o dlouhodobé strategii. Tento článek ukazuje, že by tomu tak být nemuselo, stačí vědět, jak na to.

Pokud škola nemá experimentální pomůcky nebo jich nemá dostatečné množství, může použít počítačové programy modelující fyzikální jevy. V tomto článku se budu zabývat použitím operačního systému Linux pro výuku elektřiny na základní škole a v nižších ročnících osmiletých gymnázií.

Proč Linux?

Operační systém Linux je Open Source. To znamená, že si jej může nainstalovat do svého počítače každý zdarma, aniž by se bál, že porušuje licenční práva. Dokonce ho stačí spouštět z DVD mechaniky nebo z USB disku. V druhém případě lze jednoduše ukládat i vlastní data a instalovat další software. V Linuxu existují programy pro běžnou práci, například prohlížeče Google Chrome nebo Mozilla Firefox, popř. kancelářské aplikace OpenOffice a LibreOffice, a další určené speciálně pro vzdělávání. O dvou fyzikálně zaměřených si dnes něco řekneme.

GCompris

První program, který zmiňuji, je součást vzdělávací sady GCompris. V ní je mnoho výukových aktivit určených pro děti, pro získávání vědomostí, rozvoj dovedností a logiky. Jednou z nabízených činností je jednoduchý simulátor elektrického obvodu, který je rozdělen do tří úrovní.

V první úrovni je k dispozici zdroj stejnoměrného napětí, žárovka, spínač a vodiče. Tuto úroveň je možné použít pro zjišťování chování obvodu při zapojení více spotřebičů paralelně nebo sériově. Po sepnutí obvodu se objeví hodnoty proudu a napětí na spotřebičích. Do obvodu je možné zapojovat více zdrojů, a tím docílit přehřátí a prasknutí žárovky. Při zapojení více žárovek za sebou je vidět pokles napětí na jednotlivých spotřebičích a i to, že se v nerozvětveném obvodu proud procházející těmito spotřebiči nemění. Při paralelním zapojení žárovek je vidět rozdělení proudu do jednotlivých větví při stejném napětí na spotřebičích. Pokud budeme v této úrovni přidávat postupně zdroje zapojené do série a tím zvyšovat napětí, můžeme odvodit závislost proudu na napětí ve stejném obvodu.

V druhé úrovni jsou k dispozici zdroj stejnosměrného napětí, žárovka, reostat, vypínač, přepínač a uzel. Zde je možné realizovat zapojení reostatu jako děliče napětí i zapojení pro změnu proudu. Velikost odporu se mění tažením za šedý obdélník uvnitř reostatu. Je zde tedy možné ukázat, jakým způsobem zapojit žárovky na postupné stmívaní. Dále lze díky přítomnosti přepínače řešit problémové úlohy typu:

• Zapojte dva přepínače tak, aby přepnutím libovolného z nich došlo ke změně stavu svitu žárovky.
• Zapojte obvod podle schématu a určete která žárovka bude svítit.

Ve třetí úrovni jsou k dispozici zdroj stejnosměrného napětí, žárovka, reostat, rezistor, vypínač, uzel a dioda. Tato úroveň nám umožňuje zapojovat do obvodu rezistory místo žárovek a sledovat, jak se mění proud při různých zapojeních stejných rezistorů. Můžeme ukázat, jak funguje Ohmův zákon v rozvětvených i nerozvětvených částech obvodu. Další možností je zapojení diody do obvodu jako názorná ukázka, že při přepólování zdroje neprojde obvodem žádný proud. S žáky pak můžeme diskutovat, kde by to šlo využít u zařízení napájených stejnosměrným napětím. Můžeme zadat problémovou úlohu: zapoj obvod pomocí diod tak, aby fungoval stejně (proud procházel stejným směrem) i při otočení baterie. V následné diskuzi můžeme položit otázku, co se stane, když k takovémuto zapojení připojíme střídavé napětí?

Program pro tvorbu elektrických obvodů ze sady GCompris je u žáků oblíben. Nemají s jeho obsluhou žádné problémy a pomáhá jim pochopit, jak fungují některé součástky v elektrickém obvodu. Pro učitele přinášejí možnost sestavovat s žáky elektrická zapojení i v případech, kdy škola není ideálně vybavena žákovskými soupravami na elektřinu nebo nemá prostředky na nákup zdrojů elektrické energie.

PhET Interactive Simulations

Druhým programem je součást balíku skriptů PhET Interactive Simulations. Ten je ke stažení a můžeme ho použít na všech počítačích, které podporují Javu a Flash. V současnosti se v sadě objevují objekty napsané v jazyce HTML5. My se budeme zabývat ukázkou interakce mezi magnetickým a elektrickým polem s názvem Generator, který najdeme na adrese http://phet.colorado.edu/cs/simulation/generator. Součástí tohoto programu je pět záložek, které se dají použít k pochopení vzájemné interakce magnetického a elektrického pole.

První záložka ukazuje magnetické pole tyčového magnetu, znázorněné pomocí malých magnetek. Můžeme si zobrazit velký kompas, a s jeho pomocí ukazovat, jak se mění magnetické pole při pohybu okolo tyčového magnetu. Druhá záložka umožňuje zjistit, na čem bude záležet velikost napětí při pohybu tyčového magnetu v okolí cívky a při zasunování do ní. Žáci zde mohou měnit počet závitů cívky, intenzitu magnetického pole tyčového magnetu a plochu závitu. Třetí záložka je elektromagnet. Zde má žák možnost zjistit, jak vypadá magnetické pole kolem cívky, kterou prochází elektrický proud. V první fázi je elektromagnet zapojen na zdroj stejnosměrného napětí, a můžeme měnit napětí na zdroji nebo počet závitů. Změna intenzity magnetického pole je dána zesvětlením nebo ztmavnutím magnetek znázorňujících magnetické pole. Ve druhé fázi může žák vyzkoušet, jak to vypadá, když cívku připojíme ke zdroji střídavého napětí. Čtvrtá záložka znázorňuje transformátor. K vyzkoušení pro žáky jsou dvě cívky, u kterých jde měnit počet závitů. Na primární cívce se dá zapojit stejnosměrné i střídavé napětí, a žáci se mohou pokusit se stejnosměrným napětím rozsvítit žárovku. Musí přijít na to, že cívkou musí pohybovat nebo zapínat a vypínat zdroj (případně ho přepólovat). U střídavého napětí mohou žáci zjistit, na čem závisí velikost indukovaného napětí. Poslední pátá záložka se nazývá generátor. Tato záložka představuje model alternátoru s možností pozorovat, na čem závisí velikost indukovaného napětí. 

Práce s těmito programy se mi osvědčila. Při výkladu s pomocí projektoru jsou žákům jasná zapojení a tak snadněji pochopí principy. Do řešení problémových úloh s využitím výukových aplikací se přidali i žáci, kteří při hodinách nebývají příliš aktivní. Programy se dají s úspěchem použít i při závěrečném opakování v 9. ročníku.