Newtonovy pohybové zákony

Newtonovy pohybové zákony tvoří jádro dynamiky: popisují, jak síly mění pohyb tělesa v inerciální vztažné soustavě. První zákon vymezuje setrvačnost a inerciální soustavu, druhý kvantitativní vztah mezi výslednicí sil, hmotností a zrychlením, třetí zákon párovost sil akce a reakce. Výstup G-FYZ-02-003 vyžaduje, aby žák tyto zákony používal k předvídání pohybu, nikoli jen k jejich vyjmenování.

Látka navazuje na kinematiku (rychlost, zrychlení) a na skládání sil. V I. ročníku gymnázia se zákony procvičují na přímočarých situacích, na volném pádu bez odporu, na klidném tělese s vyrovnanými silami a na jednoduchých párech sil (země–těleso, dva vozíky). Hybnost, tření a gravitační pole se v plánu rozvíjejí samostatně; zde stačí, aby žák rozlišil, kdy je výslednice nulová a kdy způsobuje zrychlení.

Cílem hodiny je, aby žák v konkrétní situaci určil inerciální soustavu, sestavil síly, rozhodl o zrychlení a správně přiřadil akci a reakci dvěma různým tělesům. Tím se naplňuje i tematický celek G-FYZ-02-007 v části první, druhý a třetí pohybový zákon a inerciální soustava.

Předpoklady

• Skalární a vektorové veličiny, směr a skládání vektorů
• Kinematika: rychlost, klid a rovnoměrný přímočarý pohyb
• Zrychlení jako změna rychlosti
• Síla, výslednice a rovnováha sil

Klíčové pojmy

Inerciální vztažná soustava

Soustava, v níž platí první zákon: volné těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu. Typicky laboratoř spojená se Zemí při běžných školních pokusech.

První pohybový zákon (zákon setrvačnosti)

Těleso nemění rychlost, dokud na ně nepůsobí nenulová výslednice sil. Klid i rovnoměrný přímočarý pohyb jsou dynamicky totéž: výslednice je nulová.

Druhý pohybový zákon

Výslednice sil se rovná součinu hmotnosti a zrychlení (F = m a). Směr zrychlení je směr výslednice; větší hmotnost znamená menší zrychlení při stejné síle.

Hmotnost jako míra setrvačnosti

Hmotnost říká, jak „neochotně“ těleso mění rychlost. Není totéž co tíha: tíha je síla, hmotnost je vlastnost tělesa.

Třetí pohybový zákon (akce a reakce)

Síly mezi dvěma tělesy jsou stejně velké, opačného směru a působí současně, každá na jiné těleso. Proto se ve volném diagramu jednoho tělesa akce a reakce nesčítají.

Výslednice a předvídání pohybu

Žák z diagramu sil určí, zda těleso zrychluje, brzdí, zatáčí, nebo se pohybuje rovnoměrně. To je konkrétní naplnění G-FYZ-02-003.

Volný silový diagram

Na jedno zvolené těleso kreslíme jen síly, které na ně působí. Reakce na toto těleso nepatří; patří na partnera interakce.

Časté miskoncepce

• Častá chyba

  „Když se auto pohybuje stálou rychlostí, musí ho pořád tlačit větší síla než tření, jinak by se zastavilo.“

  Jak na to

  Nakreslete vodorovné síly u rovnoměrné jízdy: tah motoru a odpor/tření stejně velké, výslednice nula. Pak stejný obrázek bez tahu — výslednice vzad, auto brzdí. Oddělte „udržet rychlost“ od „zvýšit rychlost“.

• Častá chyba

  „Akce a reakce se vyruší, proto se nic nepohne — vždyť jsou stejně velké.“

  Jak na to

  U dvou vozíků spojených pružinou nebo u odrazu od zdi ukažte, že každá síla působí na jiné těleso. Do diagramu jednoho vozíku patří jen síla od druhého, ne obě.

• Častá chyba

  „Tíha a hmotnost je totéž; na Měsíci má člověk menší hmotnost, proto skáče výš.“

  Jak na to

  Změřte tíhu dynamometrem a hmotnost porovnejte jako m v F = m a (stejný vozík, stejná síla, stejné zrychlení). Tíha Fg = mg se mění s g, hmotnost ne.

• Častá chyba

  „Pohyb vždy vyžadá sílu ve směru rychlosti; bez síly dopředu těleso hned zastaví.“

  Jak na to

  Vozík na vzduchové dráze nebo kulička na hladké desce: po krátkém impulsu pokračuje, i když už ruka nepůsobí. První zákon: mění se rychlost jen při nenulové výslednici.

Jak učit

2–3 hodiny

1. Evokace: žáci tipují, které síly působí na učebnici ležící na stole a na učebnici rovnoměrně posouvanou po stole, a zda „pohyb potřebuje sílu“.
2. Jádro: tři zákony na stejném diagramu sil — klid a rovnoměrný pohyb (F = 0), zrychlení (F = m a), pak pár sil na dvou tělesech (akce–reakce).
3. Reflexe: žáci u jedné nové situace (rozjezd, volný pád bez odporu, odraz dvou vozíků) napíší, který zákon rozhoduje a proč.

Nápady na aktivity

• Dvojice kreslí volné diagramy: kniha na stole, kniha tažená rovnoměrně, kniha zrychlovaná; u každého uvedou, zda platí 1. nebo 2. zákon.
• Krátký pokus se dvěma vozíky různé hmotnosti a pružinou mezi nimi: žáci předpoví zrychlení a ověří, že síly na vozíky jsou stejně velké (3. zákon), zrychlení různá (2. zákon).

Hodnocení

Žák u zadané situace v inerciální soustavě sestaví síly, určí výslednici a předpoví, zda těleso zrychluje, nebo se pohybuje rovnoměrně (G-FYZ-02-003).

Žák u interakce dvou těles správně umístí akci a reakci na dvě různá tělesa a neodečte je v jednom diagramu.

Související témata

• Síly a výslednice
• Zrychlení a zrychlený pohyb
• Tření a třecí síla
• Hybnost (úvod)
• Gravitační a tíhové pole
• Zákony zachování v mechanice

Zdroje

• RVP — prohledávání kurikula (Fyzika, pohyb těles)
• Otevřená data NPI
• PhET: interaktivní simulace sil a pohybu

Co pro vás ScioBot připraví k tématu Newtonovy pohybové zákony

Interaktivní aktivity, které žáci spustí na tabletu či tabuli, tisknutelné kartičky a hry pro celou třídu – každý formát na téma Newtonovy pohybové zákony jedním klikem.

Základní materiály

• Příprava na hodinu

  Kompletní příprava s cíli, průběhem a aktivitami.

• Pracovní list

  List s úlohami, klíčem a variantou.

• Písemka

  Časovaná písemka s body a variantami.

• Aktivita

  Aktivita do hodiny, kterou žáci hned spustí.

• Prezentace

  Sada slajdů k výkladu a procvičení.

• Kartičky

  Materiál k tisku (kartičky, plakát, pracovní list).

• QR hra

  Interaktivní hra k procvičení tématu.

Interaktivní aktivity 14

• Křížovka s tajenkou

  Legendová křížovka, kde se ve sloupci skrývá tajenka. Skvělá na opakování pojmů.

  10–20 min

• Kartičky

  Sada oboustranných kartiček na učení pojmů a definic. Žáci si je procvičí překlápěním.

  5–20 min

• Pexeso a spojovačka

  Dvojice kartiček s obrázky, pojmy nebo příklady. Spojovačka, pexeso i volné třídění – ideální na slovní zásobu i opakování.

  10–25 min

• Rozhodovačka

  Rychlé rozhodování mezi možnostmi s okamžitou zpětnou vazbou.

  5–12 min

• Otázky

  Sada otázek s výběrem odpovědí; jedna nebo více správných. Okamžitá sebekontrola.

  5–15 min

• Vpisování

  Žáci dopisují krátké odpovědi a ihned vidí, zda se trefili.

  5–15 min

• Rozřazovačka

  Žáci přetahují kartičky do správných kategorií.

  5–15 min

• Rozbory

  Žák přiřazuje značky k částem věty nebo výrazu — větné členy, slovní druhy, větné rozbory. Sebevyhodnocovací procvičování.

  10–20 min

• Označování

  Žáci označují správná slova přímo v textu.

  5–15 min

• Doplňování textu

  Žáci doplňují chybějící slova přímo do vět nebo krátkého textu.

  5–15 min

• Krok po kroku

  Žáci řadí kroky procesu do správného pořadí.

  5–15 min

• Popis obrázku

  Diagram s očíslovanými špendlíky. Žáci přiřazují popisky k částem obrázku — biologie, zeměpis, anatomie.

  5–15 min

• Přesouvání

  Žáci přetahují kartičky do přesně určených slotů.

  5–15 min

• Čtení s porozuměním

  Žáci čtou krátký text a odpovídají na otázky k jeho obsahu.

  10–25 min

K tisku a rozstříhání 8

• Páry

  Kartičky se dvěma polovinami, které k sobě patří (např. datum–událost). Žáci je vystřihnou a párovají.

  10–20 min

• Výběr z možností (s tajenkou)

  Kartičky s úlohami a třemi možnostmi. Písmena u správných odpovědí složí tajenku — žák si tak řešení zkontroluje sám.

  10–20 min

• Doplňování do vět

  Věty s výběrem ze dvou možností uvnitř — žák zakroužkuje správnou.

  10–20 min

• Hra Riskuj

  Kvízová hra se třemi podtématy a otázkami různé hodnoty — klasický formát Riskuj / Jeopardy.

  15–30 min

• Hra AZ kvíz

  28 otázek na hexagonální hrací pole — cílem je spojit všechny tři strany.

  15–35 min

• Označ správnou možnost

  Kartičky s otázkou a čtyřmi možnostmi — žák označí správnou (např. kolíčkem).

  10–20 min

• Já mám, kdo má …?

  Kartičky s tvrzením a otázkou — žáci je čtou v kruhu a hledají navazující odpověď.

  10–25 min

• Hádej, kdo jsem

  Kartičky s popisem osobnosti, věci nebo zvířete v 1. osobě — žáci tipují, o koho/co jde.

  10–25 min

Hry pro celou třídu 4

• AZ kvíz

  28 otázek na hexagonálním hracím poli — cílem je spojit všechny tři strany. Včetně náhradních ANO/NE otázek.

  15–35 min

• Riskuj

  Klasická hra se 5 kategoriemi a otázkami za 100–500 bodů — týmy soutěží o nejvyšší skóre.

  15–40 min

• Pexeso

  Klasické pexeso s 10 dvojicemi (pojem ↔ popis) — dva týmy se střídají a hledají shody.

  10–25 min

• Šarády

  Šarády se 12 úkoly (mluvení, kreslení, pantomima) — dva týmy hádají, kdo uhodne první, dostane bod.

  15–30 min

Očekávané výstupy