Seminář pro předmaturitní a maturitní ročník
Vyučující: doc. RNDr. Stanislav Hledík, Ph.D., <stanislav.hledik@physics.slu.cz>, +420 553 68 4292, +420 721 281 989
Pracoviště: Fyzikální ústav v Opavě, Slezská univerzita v Opavě, Bezručovo nám. 1150/13, 746 01 Opava
Pro 3r/4LG a 7r/8LG ● Pro 4r/4LG a 8r/8LG ● Společné pro oba ročníky ● Často kladené dotazy
Cílem seminářů je předvést studentům jednotu a rozmanitost přírodních jevů, schopnost porozumět těmto jevům (včetně nezamlčení faktu, že mnohé z nich na své vysvětlení teprve čekají), demonstrovat, že znalost přírodních zákonitostí je nezbytnou podmínkou rozvoje a udržitelnosti odpovědné společnosti, a poskytnout jim impuls věnovat se přírodním vědám a fyzice obzvláště i ve vysokoškolském studiu. A samozřejmě na prvním místě – fyzikou se bavit!
Motto: Není nic menšího než zázrak, že moderní metody výuky ještě zcela neudusily svatou zvědavost bádání.
~ Albert Einstein
The aim of the seminars is to demonstrate to students the unity and diversity of natural phenomena, the ability to understand these phenomena (not hiding the fact that many of them are still waiting for their explanation), to demonstrate that knowledge of Laws of Nature is a necessary condition for the development and sustainability of a responsible society, and to give them the impulse to pursue natural sciences – and physics in particular – in their university studies. And of course first and foremost – to have fun with physics!
Motto: It is nothing short of a miracle that modern methods of instruction have not yet entirely strangled the holy curiosity of inquiry.
~ Albert Einstein
Seminář pro 3. ročník 4LG a 7. ročník 8LG
Seminář sleduje několik cílů a několik úkolů na různých časových škálách.
První škála je dlouhodobá (celoročníková) a směřuje k rozšíření středoškolského učiva o určité partie vysokoškolské fyziky a nezbytné matematiky. Studenti si osvojí základy diferenciálního a integrálního počtu na elementární pragmatické úrovni (zhruba do rozsahu typickém pro vysokoškolské předměty typu „proseminář z matematiky“ přednášené na fyzikálních oborech), komplexní čísla a jednoduché obyčejné diferenciální rovnice a jejich aplikace v mechanice, elektromagnetismu, případně jiných oblastech oblastech fyziky, mj. na vlastní a vynucené oscilace a rezonanci. Tyto znalosti zúročí v teoretickém a experimentálním zkoumání pružného kyvadla, včetně numerických simulací na počítači. Podle časových dispozic není vyloučeno ani zkoumání udivujících efektů jako je pohyb v rychle oscilujícím poli (Kapicovo kyvadlo) nebo synchronizace oscilátorů.
Druhá, střednědobá škála bude věnována zajímavým jevům aktuálním pro dané časové období (maximálně dvě až pět vyučovacích hodin) – jako příklad lze uvést diskuse o nebeské mechanice v období, kdy budou připravovány, resp. vypouštěny pilotované lety na Měsíc a Mars – obecně do této kategorie patří v daném období medializovaná témata. Zde se rovněž uplatní kvalitativní a „back-of-the-envelope“ výpočtu a odhady, včetně v dnešní době aktuálních problémů energetiky: generování, tok, skladování a využití energií, případně netriviální zajímavosti typu magnetické levitace.
Krátkodobá časová škála je zaměřena na vyložené aktuality jako například diskuse o udělení Nobelových cen za fyziku, viditelnost polární záře v ČR, astronomické jevy a podobně (maximálně jedna až dvě vyučovací hodiny). Náplň mohou studenti iniciovat sami. Lze kombinovat s návštěvami v planetáriu Unisféra či pozováními na observatoři WHOO!.
Studenti si nejpozději do dvou měsíců od zahájení semináře (tj. do konce října) poté, co si v semináři ujasní svoje zájmy, vyberou téma seminární práce, kterou budou s vyučujícím pravidelně konzultovat a na konci školního roku (v květnu až červnu) budou své výsledky prezentovat na semináři. Aktuální témata, která budou průběžně doplňována, jsou podrobně vypsána ve společné sekci Nabídka témat seminárních prací. Student si může téma navrhnout i sám a po schválení vyučujícím na něm pracovat.
Některé hodiny (s výjimkou počátečních a finálních seminářů) dostanou studenti domácí úlohu s dobou řešení do příštího semináře.
Bude doplňováno během září–prosince 2023.
Teo Bumbálek
Poslechová akustika obytných prostor (navrhl si sám)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Ethan Winer's home page ● The Audio Expert book
Julie Hořínková
Optimalizace tlaku při naprašování ultra-tenkých vrstev metodou IJD (navrhla si sama)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ●
Úspěšně prezentováno 2024-04-15.
Filip Kovář
Kam dopadne vertikálně vypálená střela? (pohyb v neinerciální rotující soustavě, případně se započtením odporu vzduchu; částečně se kryje s tématem č. 17)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● University of Cambridge: Non-Inertial Frames ● F. Bagnoli: We shoot a bullet vertically. Where will it land? ● Wikipedia: Coriolis force
Patrik Štencel
Dopplerův jev (pokrývá také téma č. 21)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Lec 15: Doppler Effect, Radiation, and Expanding Universe | 8.03 Vibrations and Waves (Walter Lewin)
Adrien Tanekou
Měření vzdušné rychlosti (airspeed) letadel a její význam
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● NASA: Downwash Effects on Lift ● Onemetre: Downwash ● Stall demonstration videos: Airflow by Mike Gibbins, Airflow during a stall by Harvs Air Service ● Wing Air Flow Demo by driller1234
Kateřina Volná
Výpočet orbity Space Shuttle (udrží se Space Shuttle orbiter/externí nádrž na oběžné dráze po vypnutí hlavních motorů SSME?)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Odkazy a zdroje k přednášce Teoretická mechanika, odrážka Kosmonautika
Seminář pro 4. ročník 4LG a 8. ročník 8LG
Seminář tematicky navazuje na Seminář pro 3. ročník čtyřletého a 7. ročník osmiletého gymnázia a rovněž sleduje několik cílů a několik úkolů na různých časových škálách.
Zatímco náplň druhé a třetí časové škály zůstává víceméně podobná, náplň první bude věnována rozvíjení metod vyšší matematiky a úvodu do lineární algebry, a hlavně jejich aplikaci na fyzikální koncepty typu tok vektorového pole plochou neuzavřenou i uzavřenou, křivkový integrál a cirkulace vektorového pole a jejich aplikace. Budeme diskutovat různé pohledy na stejný objekt – např. Newtonovu a Einsteinovu koncepci prostoru a času, jejich rozdíly a vymezení oblastí použitelnosti. Dotkneme se základů kvantové mechaniky včetně diskuse jejích filozofických problémů, astrofyzikálních témat. Hlouběji se budeme věnovat tématu energetiky započatému v semináři pro předcházející ročník.
Co se semináře týče, student opět bude moci vybrat téma seminární práce (tentokrát již dříve než do konce října za předpokladu, že absolvoval předešlý), a to buď zcela nové, nebo může pokračovat v původním, které ovšem rozpracuje do větší hloubky a detailněji. Obhajoby se budou konat kvůli maturitám samozřejmě dříve, nejpozději zhruba v průběhu února.
Některé hodiny (s výjimkou počátečních a finálních seminářů) dostanou studenti domácí úlohu s dobou řešení do příštího semináře.
Václav Divila
Antirezonátor (alias Absorbér vibrací)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Purdue University: Vibration absorption ● Daniel A. Russell: The Dynamic Vibration Absorber ● C. F. Beards: Damping in structures
Úspěšně prezentováno 2024-04-29.
Marek Chobot
N-pendulum alias Endulum (změna tématu v září 2023)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Ryan Rubenzahl: N-Pendulum Dynamics
Úspěšně prezentováno 2024-01-22.
Filip Ruský
Tepelné motory v letectví a kosmonautice (navrhl si sám, částečně se kryje s tématem č. 8)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Jaroslav Reichl – Encyklopedie fyziky: Tepelné motory ● Wikipedia, the free encyclopedia: Heat engine ● NASA: Beginner's Guide to Propulsion ● Zdeněk Kussior: Letecké motory ● Tomáš Voda: Modelování a řízení leteckých proudových motorů. Diplomová práce
Úspěšně prezentováno 2024-02-12.
Albert Vlček
Fraktální chapadla v akrylovém médiu (navrhl si sám)
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány)
Úspěšně prezentováno 2024-01-22.
Tobiáš Vlk
Magnusův jev
Odkazy: materiály na cloudu (mohou být průběžně doplňovány) ● Creating Creations at YouTube: How to make Cup Gliders (diy Magnus Effect plane) ● How Ridiculous at YouTube: Exercise Ball Magnus Effect from 200m!! ● Jaroslav Reichl – Encyklopedie fyziky: Magnusův jev ● Science World: Magnusův jev – jak rotuje míček v baseballu ● LodniNoviny.Cz: Nákladní plachetnice na Severním moři ● Fyzmatik píše: Flettnerovy lodě s rotory
Úspěšně prezentováno 2024-04-29.
Seminář bude probíhat prezenčně podle aktuálního rozvrhu.
Po expozici tématu a výkladu se předpokládá diskuse.
Pro přechovávání v rámci semináře poskytovaných materiálů slouží odkaz do mého Dropbox cloudu
kde je najdete v adresáři FvRS (případně můžete použít přímý link do něj). Kromě textů, obrázků, videí apod. ta najdete interaktivní soubory *.cdf (Wolfram Computable Document Format) a *.nb (Wolfram Mathematica Notebook), které si můžete přehrávat po nainstalování Wolfram Player; programem Wolfram Mathematica(je k dispozici ve fyzikální laboratoři) je možné je i vyvářet nebo editovat.
Nabídka témat seminárních prací
Kromě níže uvedených témat si můžete po dohodě s vyučujícím navrhnout vlastní téma, případně navázat téma na některý z problémů IYPT.
1. Magnusův jev (ovlivnění trajektorie sférického míče rotací při pohybu atmosférou, experimentálně s pokusem o teoretické vysvětlení)
2. Antirezonátor (zařízení k redukci vibrací mrakodrapů a mostovek)
3. Princip lékařské diagnostické metody MRI ([Nuclear] Magnetic Resonance Imaging, pouze teoreticky)
4. Magnetická levitace (teoretické shrnutí různých druhů magnetické levitace, levitaci permanentních magnetů možno i experimentálně)
5. Pohyb v rychle oscilujícím poli a Kapicovo (invertní) kyvadlo (experimentální úloha a pokus o teoretické vysvětlení)
6. Viditelnost objektů pohybujících se rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla (aneb jak by viděl hvězdnou oblohu pozorovatel vystřelený ze severního pólu směrem na Polárku rychlostí 0.99c)
7. Teorie duhy (pokus o vysvětlení fenoménu duhy, může obsahovat i vlastní experimentální sledování)
8. Pohyb tělesa s proměnnou hmotou (nejen reaktivní pohon, ale třeba i řetízek sesmekávající se přes hranu stolu apod)
9. Pohyb permanentního magnetu padajícího přes vodivou smyčku (princip magnetické brzdy)
10. Elektromobilita (výhody a problémy elektrického pohonu vozidel z fyzikálního pohledu)
11. Eulerův disk (vezměte minci, postavte ji hranou kolmo na tvrdou horizontální podložku, roztočte a sledujte její postupné “pokládání”)
12. Studium rezonance v sériovém obvodu RLC (ladění rezonanční frekvence pomocí změny L nebo C, teoretické i experimentální zkoumání)
13. Rozbor sci-fi povídky A. C. Clarka Maelström II (teoretický rozbor, zda záchrana kosmonauta Cliffa Leylanda popisovaná v povídce je realistická)
15. Stíhací křivka (teoretický rozbor stíhání prasátka řezníkem)
16. Kyvadlo s elastickým závěsem (teoretické a experimentální řešení)
17. Foucaultovo kyvadlo (teoretický rozbor – nejbližší je umístěno v ostravském planetáriu, tam možno i experimentálně)
18. Mechanická podobnost (teoretický rozbor podpořený každodenním pozorováním, proč jsou malá zvířátka lepšími sportovci než člověk)
19. Výpočet orbity Space Shuttle (udrží se Space Shuttle orbiter/externí nádrž na oběžné dráze po vypnutí hlavních motorů SSME?)
20. Rozbor konspirační teorie “druhého střelce” atentátu na J. F. Kennedyho 22. listopadu 1963 (proč se hlava JFK po zásahu zezadu pohybovala proti směru střely a proč k tomu není zapotřebí druhého střelce pálícího z opačného směru?)
21. Určení rychlosti auta z jeho akustického záznamu (lze ze zvukové nahrávky míjejícího auta určit jeho rychlost?)
22. Kam dopadne vertikálně vypálená střela? (pohyb v neinerciální rotující soustavě, případně se započtením odporu vzduchu)
Studenti budou hodnoceni podle aktivity ve vyučování a diskusích a podle domácích úloh, které jim budou zadány. Na začátku prvního pololetí (jakmile se zorientují v obsahu semináře, zhruba do konce října) jim budou přidělena témata seminárních prací, která budou během celého školního roku vypracovávat a konzultovat s vyučujícím. Na konci prvního pololetí proběhnou prezentace progresu seminárních prací, na nichž studenti seznámí ostatní s dosud získanými výsledky. Na konci druhého pololetí pak proběhnou finální oponentury seminárních prací.
Šedou barvou jsou označena již zadaná témata.
Jednotlivé materiály najdete v podadresáři FvRS/Texts na výše uvedeném cloudu; názvy souborů korespondují s [Odkazy].
[Hle10] Hledík, S.: Přežívací tahák z komplexních čísel a kalkulu. 2010.
[KalD10] Kalus, R.: Diferenciální počet funkcí jedné reálné proměnné. Studijní text, 2010.
[KalI10] Kalus, R.: Integrální počet funkcí jedné reálné proměnné. Studijní text, 2010.
[Kee13] Handbook of Mathematics, Physics and Astronomy Data. School of Physical and Geographical Sciences, University of Keele, 2013.
[Nag78] Nagy, J.: Elementární metody řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Edice Matematika pro vysoké školy technické, sešit IX. Státní nakladatelství technické literatury, Praha, 1978.
[Plc95] Plch, R.: Příklady z matematické analýzy. Diferenciální rovnice. Přírodovědecká fakulta MU, Katedra matematiky, Brno, 1995.
[Wei75] Weisskopf, Victor F.: Of Atoms, Mountains, and Stars: A Study in Qualitative Physics. Science, New Series, Vol. 187, No. 4177 (Feb. 21, 1975), pp. 605–612. URL: https://www.jstor.org/stable/1739660
[X-SIPrefix] Předpony SI: yocto, …, mili, centi, deci, deka, hekto, kilo, …, yotta.
[Všechny byly naposledy ověřeny návštěvou 11. září 2023]
Přednáška základního kursu fyziky Elektřina a magnetismus v letním semestru na Fyzikálním ústavu SU v Opavě
Odkazy a zdroje přednášky Teoretická mechanika v zimním semestru na Fyzikálním ústavu SU v Opavě
Odkazy a zdroje přednášky Symbolické výpočty v zimním semestru na Fyzikálním ústavu SU v Opavě
Tabulky funkcí a integrálů “Abramowitz–Stegun online”: The NIST Digital Library of Mathematical Functions
Tabulky funkcí, integrálů a řad “Gradštejn–Ryžik online”: Table of Integrals, Series, and Products
Fyzikální konstanty (aktuální hodnoty): The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty
Software Wolfram Mathematica a Wolfram Player.
Fyzikální olympiáda ČR, International Physics Olympiad (viz též Wikipedia).
Problems for the 37th IYPT 2023/24, český překlad Zadání úloh pro 37. ročník Turnaje mladých fyziků (2023/24).
Mylná představa o elektřině: že se elektromagnetická energie šíří nosiči náboje (elektrony ve vodičích) – ve skutečnosti se šíří okolním prostorem.
R. P. Feynman: To snad nemyslíte vážně, pane Feynmane! – vzpomínky jednoho z nejvýznamnějších světových fyziků, v nichž fyzika hraje spíše vedlejší roli, přesto se o ní (kromě skvělé zábavy) hodně dozvíte.
Q: Jak by byla organizována případná online výuka?
A: Pravidla jsou následující:
Seminář by probíhal online ve standardním čase podle aktuálního rozvrhu.
Online přenosy by probíhaly prostřednictvím MS Teams. Doporučuji navštívit Návod k používání.
Před seminářem bych byl připraven online s cca 10’ předstihem kvůli minimalizaci časové ztráty vzniklé řešením případných komunikačních problémů.
Na začátku a na konci semináře je dobré na chvilku zapnout kamery a zvuk, při vlastní přednášce je pak s výjimkou dotazů vypnout, aby nebyl systém zpomalován a zamezilo se echu.
Online výuka je podporována softwarem pro virtuální tabuli OpenBoard. Záznam jednotlivých seminářů by byl k dispozici na výše uvedeném Dropbox cloudu v adresáři FvRS/Board (nebo použijte přímý link do něj) jednak v nativním formátu OpenBoard *.ubz, jednak jako *.pdf export. Nainstalujete-li si OpenBoard, budete si moci “popsané tabule” v nativním formátu prohlížet, doplňovat poznámkami, mazat, přehrávat vložené multimediální objekty apod. PDF export tyto možnosti sice postrádá, soubory mají ale méně než cca 1/10 velikost.
Pozor – při výuce mívám většinu času zapnut OpenBoard, který funguje pouze ve full-screen módu, takže nevidím, když se někdo hlásí zvednutím ruky nebo posláním příspěvku do chatu; místo toho je třeba zapnout mikrofon a hlasitě se ozvat. Dotazy během výuky jsou vítány.