Fizika

FIZIKA

9 - 12. évfolyam

Célok és feladatok a felsõ tagozatban

A 6 - 8. osztályban a tanítás általában kísérletbõl indult ki. A tanulmányozás egyszerû volt, így a gyermekek a kísérletek döntõ hányadát otthon meg tudták ismételni. Ahol csak lehetett, fizikai jelenségek megfigyelésére ösztönözték a gyermekeket. A jelenségek bemutatása és a kísérletek elvégzése után a tanulók önállóan, írásban összegezték tapasztalataikat.
A felsõ tagozatban a tudományos ismeretek tanítása a középtagozatban szerzett tapasztalatokból származó benyomásokra alapul, melyeket gondolati úton rendszereznek, végül szabályokká, törvényekké formálnak. Ez a világról alkotott képük kialakítása során megvédi a gyermekeket attól, hogy saját tapasztalataiknál és ítéletüknél fontosabbnak értékeljék a készen kapott, sokszor csak félig érthetõ törvényeket. A tanításban megjelenõ elméleteket az adott jelenségrõl szóló, minden részletre kiterjedõen kidolgozott gondolatkörként kell ismertetni, így például az atomelméletet a kémia kvantitatív szabályaiból, a fényelnyelésbõl stb. kell levezetni.

A felsõ tagozatban a fizikaoktatás célkitûzései:

A KÖVETKEZÕK MEGISMERÉSE ÉS MEGÉRTÉSE

• Fizikai alapjelenségek, és a folyamataik leírására irányuló próbálkozások.
• Fizikai mértékegységek és fogalmak definiálása - különös tekintettel az emberrel kapcsolatos aspektusokra - valamint a fõ mérési szabályok ismertetése és az egyenletek levezetése; a fizikai eredmények nagyságrendjének megbecslése.
• A mindennapi élet bizonyos jelenségeinek a fizikai folyamatok segítségével való megértése.
• A mûszaki berendezések fizikai mûködési elveinek megértése.
• A fizika fejlõdéstörténetének megismerése, a fõ irányvonalak bemutatása  jelentõs tudósok életútján keresztül.
• A fizikai modellek alapötleteinek megismerése, és hatékonyságuk megbecslése.

KÉPESSÉGEK ÉS KÉSZSÉGEK 

• Precíz megfigyelés, és a tapasztaltak szabatos leírása.
• Egyszerû kísérletek elvégzése és eredményeinek bemutatása.
• Megfigyelésekbõl származó önálló levezetések  felvázolása.

• Önálló kísérletek összeállítása megfigyelések végzése céljából.

• A mérési hibák felismerése, hatásuk értékelése.
• A mérési eredmények grafikus ábrázolása és kiértékelése.
• Fizikai folyamatok megértése a tanult szabályok, törvények segítségével.
• A fizika lehetõségeinek és korlátainak felismerése a valóság leírása során.
• Képesség a modellek valóságtartalmának megítélésére.
• A tanult anyagból önálló beszámoló készítése.
• Képesség a világ dolgainak teljes, holisztikus valójukban való vizsgálatára, és az emberi élethez való kapcsolatuk bemutatására.

ÉRZÉKELÉSEK, ÉRTÉKELÉSEK ÉS ÁLLÁSFOGLALÁSOK

• Kommunikációs és együttmûködési készség a megfigyelésben, kutatásban és kísérletezésben.
• A kvantitatív és a kvalitatív kutatás közötti különbség és eredményeik felismerése.
• Betekintés a dinamikus és visszacsatolásos folyamatok (ok-okozati viszonyok) jelentésébe, és az ezekbõl eredõ, az emberi gondolkodással szemben támasztott követelmények.
• A környezeti és energetikai következmények felismerése saját észleléseik alapján.
• Annak felismerése, hogy a fizikai gondolkodásmódnak folyamatosan változnia kell.
• Annak felismerése, hogy a természettudomány, és azon belül a fizika az emberi kultúra fontos része.
• Készség a tömegkommunikációs eszközök által szállított információk és ismertetések körültekintõ mérlegelésére.
• A különbözõ tudományos kutatási módszerek rendszerezése, és ezeknek az eredmények bemutatása terén mutatkozó jelentõségének felismerése.
• A természet bölcsességének értékelése, úgy is, mint az emberi törekvések példája.

9. évfolyam

Óraszámok: évi 30 óra (3 epochahét: 30 óra)

Célok és feladatok:
A tanulókat úgy kell irányítani a tapasztalatszerzésben, hogy megértsék a környezõ világ folyamatait, különösen pedig a technológiában megismert folyamatokat. Emiatt gyakorolni kell a kétkedõ gondolkodást és ítéletalkotást, fõként a technológia birodalmában megismert gyakorlati dolgokkal kapcsolatosan. Az anyagok feldolgozására különösen a kísérletek leírásai jellemzõek. A szabályokat általában csak bizonyos példák esetén kell matematikai formulákkal is kifejezni, például olyan esetekben, amikor értelmes számítást lehet végezni, és ahol a tanulók tapasztalatot szerezhetnek a mennyiségek nagyságáról. El kell mélyíteni a fizika és módszereinek megértését, és bepillantást kell nyújtani mindennapi tárgyaink és technológiáink fizikai tartalmába.

Javasolt témakörök:

• Transzformátor.
• A feszültségkülönbség, az áram, és az ellenállás bemutatása.
• Morze jelátvitel (távíró).
• Csengõk, relék.
• Mosógép.

HÕTAN ÉS MECHANIKA
Ez leggyakrabban Rudolf Steiner javaslatai alapján épül fel, a gõzgép mûködési elvének megértése felé halad, de javasolt korszerûbb téma feldolgozása is.

• Otto von Guericke levegõnyomással kapcsolatos kutatásai.
• A gõzgép fejlõdéstörténete, és annak jelentõsége Európa történelmi fejlõdésében.
• A gõzkazán mûködése.
• Különbözõ üzemanyagok fûtõértékének összehasonlítása (ideális égési viszonyok között).
• Az alaptörvények tekintetében el lehet jutni a termodinamika 1. és 2. törvényéig.

A technológia új területei terén a következõ témákkal lehet továbbhaladni:

• Abszolút nullpont, a Kelvin-skála.
• Gõzturbina.
• Hûtõgép, és a hõszivattyú fordított mûködése.
• Belsõégésû motorok - 4-ütemû, 2-ütemû, dízelmotor, esetleg a Stirling-motor, Ottó-motor.
• Sugár- és rakétahajtás.
• Rakétahajtás.

ELEKTROMOSSÁG ÉS HANGTAN
Ezt Rudolf Steiner javaslata szerint minden olyan dolog bemutatásával lehet kezdeni, ami érthetõvé teszi a telefon elvét.

• A feszültségkülönbség, az áram, és az ellenállás fogalmának ismertetése vagy átismétlése (l. a 8. osztályos tananyagot).
• Ohm törvénye példákkal és számításokkal.
• Az elektromos munka és elektromos teljesítmény fogalmának és mértékegységeinek ismertetése.
• Az áram árának kiszámítása.
• A telefon mûködése hangtani és elektromossági szempontból.
• A tárcsázás technológiai megoldása.
• A különbözõ kommunikációs technológiák üzleti jelentõsége.
• Fax.
• Fénymásoló.

A hangtani Doppler-effektus bemutatására használható Rudolf Steiner javaslata:

• A kettõs csillagok relatív mozgásának ismertetése a Doppler effektus segítségével (ez a földrajz epochában is ismertetésre kerülhet).

További oktatási témák:

• Az elektromotor mûködési elve.
• Különféle gépek hatásfokának összehasonlítása.
• Jelentõs fizikatudósok életútjának ismertetése, vagy Watt, Guericke, Papin, Morse stb. életútjának önálló feldolgoztatása a diákokkal.
• Az energiaszükséglet, vagy az energiatakarékosság lehetõségeinek fakultatív feldolgozása.
• A készen elérhetõ energiaforrások összehasonlítása.
• A napenergia, és lehetséges jövõbeli jelentõsége (esetleg ismertetésre kerülhet a 10. vagy a 11. osztályban a technológia tantárgy keretében).
• A hidrogén, mint lehetséges energiahordozó.

Várható eredmények:

• A diákok képesek eljutni a konkrét kísérletekbõl, jelenségekbõl az általános következtetésekig, magyarázatokig.
• A fizikai mértékegységeket biztonsággal használják.
• Ismerik a hõtani alapjelenségeket (kalorimetria, halmazállapot-változások, ideális gázok állapotjelzõi, Boyle-Mariotte-törvény, Gay-Lussac-törvények)
• A tanult fizikai ismeretekhez kapcsolódva tudja, hogy mely történelmi korban történtek és kiknek a nevéhez köthetõk a legfontosabb találmányok, felfedezések (gõzgépek, motorok).

10. évfolyam

Óraszámok: évi 30 óra (3 epochahét: 30 óra)

Célok és feladatok:
A tanulók egyre növekvõ tudatossággal tapasztalják meg a környezettel való kapcsolatukat, és ennek következtében a képzeletbeli tökéletesség és a bizonytalanság egymáshoz való viszonyát. Sok tantárgyban vissza kell menni a kezdetekhez. A mechanikában világosan érthetõ és megalapozott fogalmakkal lehet különbözõ módokon megkísérelni azt, hogy az ismeretek áttekinthetõek és biztonságot sugárzóak legyenek. Ennek érdekében a fizika matematikai formulákkal ellátása példák segítségével történjen. A tanulók elégedettséggel tapasztalhatják meg a matematikai állítások, valamint a megfigyelések, mérések eredményeinek egyezõségét (pl. az eldobott tárgy parabolikus röppályája esetén).
Az elvek, az arányok és a feltételek felismerését mennyiségi összehasonlítással kell gyakorolni.
A tanulók életteli, ismeretekben gazdag képet kapnak a késõ-reneszánsz nagy szellemi és tudományos fordulópontjáról, valamint a fizika születésérõl a bizonyító erejû történelmi kérdések és a jelentõs személyiségek (Galilei, Bruno, Kepler, Tycho Brahe) életrajzainak összevetésébõl. Így megtudhatják, hogyan ragadja meg a megfigyelõ, szemlélõdõ ember a fizikai világ tényeit és törvényeit kívülrõl, valamint a logika törvényszerûségeit elmélkedés által belülrõl. A diákok saját tudatuk fejlõdésébõl, valamint saját hibáik felismerésébõl tanulják meg a kutatás szabályait, és a megfelelõ megvilágításban látják a régi idõk "nagy elméit". Ugyancsak felismerik az összes kutatás és fejlesztés során elkövetett hibákból való tanulás fontosságát. Ezáltal átélik a diákok a tudásból eredõ biztonság élményét, és megtanulják, hogy új módon kapcsolódjanak a Földhöz és annak törvényszerûségeihez.

Javasolt témakörök:

KLASSZIKUS MECHANIKA

Kinematika (egyenletes mozgás)

• Sebességmérés.
• Az átlagsebesség fogalma.
• Sebességábrázolás vektorokkal.
• Sebesség parallelogramma.
• A gyorsulás fogalma.
• A lejtõn bekövetkezõ állandó gyorsulás mozgástörvényeinek kidolgozása, v=a*t, s=a/2*t2.
• Szabadesés, nehézségi gyorsulás, az erõ mértékegységei.
• Függõleges és vízszintes hajítás, esetleg ferde hajítás.
• A mozgás függetlenségének elve (függõleges hajításnál).

STATIKA

• Hooke törvénye, alkalmazása rugós erõmérõre.
• Az erõ mérése, az erõk egyensúlya.
• Az erõk ábrázolása vektorokkal.
• Rugalmas és képlékeny alakváltozás, hajlítás, nyomás, húzás.
• Testek súlypontja.
• A lejtõn a testre ható erõ és ellenerõ.

DINAMIKA

• A tömeg és az erõ fogalma.
• Newton mozgástörvényei.
• Ezen elvek történelmi fejlõdésének, valamint Newton élettörténetének ismertetése.
• Az energia-megmaradás törvénye.
• A mechanika aranyszabályának átismétlése.
• A mechanikai munka.
• Az energia fogalma.
• Súrlódás, tapadási és mozgási súrlódás.
• Forgómozgás.
• A Föld forgása.
• Centrifugális és centripetális erõ.
• Esetleg a coriolis-erõ (ld. a 10. osztályban a földrajz keretében).
• Forgatónyomatékok és nyomaték-kiegyenlítés.
• Impulzus, impulzusnyomaték, rugalmasság.
• Newton gravitációs törvénye.
• Kepler törvénye.
• Esetleg Kepler "Világharmóniá"-ja (vagy a csillagászat epocha keretében).
• Ingák.
• A Naprendszer szabályos mozgásai.
• A mechanikai hullámmozgás.
• A mechanikai rezgések és hullámok.
• Hullámok találkozásának speciális esetei (erõsítõ és gyengítõ interferencia, ha nem a 11. osztályban oktatják).

Megfontolandó egy csillagászat epocha beiktatása (ha nem, akkor a fizika keretében kell ezt is megtartani). Rudolf Steiner nem ragaszkodik kimondottan külön epocha beiktatásához az alábbi témákban:

• a föld védõburkai,
• a heliocentrikus naprendszer,
• a 9 bolygó, aszteroidák és üstökösök,
• a nap és ritmusai,
• a nap hatásai a földre - egy csillag élettörténete,
• Kepler "Világharmóniája",
• a nap és a hold mozgásai, valamint ezek földre gyakorolt hatása.

   
Esetleg:

• az aranymetszés, mint a naprendszer ritmusát meghatározó alapelv,
• távcsövek, mikroszkópok, kamerák (az emberi szem), (bõvebben még a 11. osztályban).

Várható eredmények:

• A diákok jártasságot szereznek a vizsgálódás szempontjából lényeges és lényegtelen jellemzõk, tényezõk megkülönböztetésében a kísérletek során.
• Ismerik a kinematikai és dinamikai alapfogalmakat (út, idõ, sebesség, gyorsulás, szabadesés, erõ, Newton-törvények, kör és forgómozgás)
• A tanult összefüggéseket, képleteket alkalmazzák egyszerû  feladatok megoldásában.
• Ismerik és használják a tanult fizikai mennyiségek mértékegységeit.
• Ismerik a mechanika történeti fejlõdését, neves tudósok elgondolásait (Arisztotelész, Galilei).

11. évfolyam

Óraszámok: évi 30 óra (3 epochahét: 30 óra)

Célok és feladatok:
Rudolf Steiner javaslatait követve, a fizika modern felfedezéseihez (akkoriban az alfa, béta és gamma sugarakhoz) való eléréshez végig kell haladni az elektromosság elméletén, az elektromágnesesség elméletén, és a rádióaktivitás alapjelenségén, valamint a fizikai alapfogalmak 19. és 20. századi fejlõdésén. Különös gonddal vizsgálandók az elektromos és a mágneses mezõk. Ennek következtében a diákok megfigyelésekkel és mérésekkel kifejlesztett intelligenciája a matematikai gondolkodást igénylõ területek felé fordul. Az alapelv, hogy a kiindulási pont mindig egy kísérlet, a korábbi osztályokban megszokottak alapján változatlan marad.

Javasolt témakörök:

ELEKTROMOSSÁG

• Az elektromosság története.
• Esetleg: az elektrosztatika (ismétlése).
• Az elektromos mezõ fogalma.
• Kondenzátorok.
• Van de Graaf generátor (mint az elektrosztatika példája).
• Áram által keltett mágneses mezõk.
• Faraday motor alapelve.
• Az elektromos feszültség, töltés, áram és ellenállás fogalmainak általánosabb szinten történõ átismétlése.
• A feszültség, az áramerõsség, az ellenállás és a teljesítmény kapcsolata.
• Az elektromos áram hõhatása.
• Különbözõ anyagok áramvezetési szabályai.
• Indukció: induktív ellenállás, Lenz törvénye, a Lorenz-erõ.
• Eddy örvényáramú féke.
• Szupravezetés.
• Energia, mint kalkulációs alapegység (a 10. osztályban tanult energiatörvények kiterjesztése).
• A fordítottan ható áramok induktivitása; az elektromos és mágneses mezõk polaritása.
• Az áramerõsség és a feszültség idõbeli lefolyása kondenzátor töltése és kisütése során.
• Kondenzátorok szabályai, mértékegységei, kapacitásszámítás, dielektrikumok.
• Elektromos rezgõkör.
• Áramerõsség (kvantitatív).
• Csillapított elektromos rezgések feszültség- és áramerõsség diagramjai.
• Elektromos rezgõkörök rezgési fázisai.
• Csillapítatlan elektromos rezgõkörök, szintetizátor.
• Rezgéshossz és frekvencia; Thomson hullámformulája.

JELGENERÁTOR, A HALLHATÓ HANGTARTOMÁNY HATÁRAI

• Adók és vevõk; többek között rezonancia, triódák, elektroncsövek (katódsugárcsõ), emissziós színkép (folyamatos, hõdrótos színkép); az elektron fogalmának fejlõdése, valamint a Millikan kísérlet, tranzisztorok.
• Adódipól, dipólszabályok, elektromágneses rezgésmezõk, elektromágneses hullámhosszak.
• A jelátvitel története.
• Rádiósugárzás, mûködõ rádióvevõ építése lehetséges.

ATOMFIZIKA

• Nagyfeszültségû szikrainduktorok; gázemisszió (emissziós csövek).
• Katódsugarak, röntgensugarak (az atomméret alatti mozgó pozitív és negatív töltéshordozó részecskék - ionok és elektronok tulajdonságai), valamint ezek megfelelõi az alfa-, béta- és gammasugarakban, oszcilloszkóp.
• Radioaktivitás, a radioaktivitás elõfordulásai a természetben, radioaktív bomlás; atommaghasadás, atomreaktorok, mesterséges radioaktív izotópok, észlelõeszközök (Geiger-Müller csövek, ködkamrák).
• Az atombomba technológiai fejlesztésének története (veszélyek, sugárvédelem).
• Atomfúzió.
• Esetleg: félvezetõk, diódák, tranzisztorok (l. információtechnológia).

Várható eredmények:

• A diákok pontosan megértik az elektrosztatikai jelenségeket (Coulomb-törvény, elektromos mezõ fogalma).
• Ismerik az elektromosság és a mágnesesség tulajdonságait (feszültség, áramerõsség, ellenállás, Ohm-törvénye, áram hatásai), és a közöttük lévõ kapcsolatot (Lenz-törvénye).
• A történeti áttekintés során megismert eszközök mûködésének alapelveit megértik (Van de Graaf-generátor, leideni-palack, kondenzátor, transzformátor).
• Képesek egyszerû feladatok megoldására az ismert összefüggések segítségével. Ismerik az alapvetõ atomfizikai jelenségeket, a radioaktivitás elõfordulását, felhasználását.

12. évfolyam

Óraszámok: évi 40 óra (4 epochahét: 40 óra)

Célok és feladatok:
Mostanra a fiatalok érettek lettek arra, hogy megfelelõ tudatossággal sajátítsanak el elméleteket. Most már értelmesen megtárgyalhatók tudományelméleti kérdések is, mint például az induktív és deduktív gondolkodás fizikai modelljének jelentõsége. Emiatt törekedni kell arra, hogy a diákok ne higgyenek vakon a tudományban, hanem inkább saját ítélõképességükben bízzanak. Ez döntõ jelentõségû segítség lehet személyiségük fejlõdésében. Ez megtehetõ az optikában - ha még nem tették meg a 11. osztályban - vagy az atommodell tárgyalása során.
Fontos alapismeretek közlése mellett áttekintést kell adni a modern tudományos ismeretekre jellemzõ jelenségekrõl és eszmékrõl is.
A fény és az anyag találkozásának különbözõ megközelítési módjai határozzák meg az oktatás útját.

Az optika tárgykörében az alábbiak gyakorolhatók:

• Kiindulás a környezetükbõl származó jelenségektõl.
• Analitikus gondolkodás a megfigyelés komplett módjának témakörében.
• Szimptomatikus megközelítés.
• Álláspontok megvitatása - az ítélõképesség fejlesztésére.
• Hidat kell verni az optika, az ember, és a mûvészetek közé.
• Különösen hasznos ekkor az egyes tantárgyak tanterveinek összehangolása.

Javasolt témakörök:

OPTIKA (l. a 8. osztályos tantervben)

• A geometriai optika aspektusai.
• Az árnyék, a teljes árnyék és a félárnyék fogalma.
• A megvilágítás erõssége.
• A kontraszt fogalma és jelentõsége a látásban.
• Összehasonlítás: szem - fotocella, minõségek, mennyiségek, objektivitás a kvalitatív kutatások területén is.
• Utóképek és színes árnyékok (szukcesszív /egymást követõ/ és szimultán /egyidejû/ kontraszt) és fiziológiai alapjaik.
• Az emberi szem és mûszaki megfelelõi (pl. a fényképezõgép lencséi, blendéje); rövidlátás, távollátás, szemüvegek.
• A Weber-Fechner törvény (fénnyel való ingerkeltés sajátosságai, észlelõképesség, geometriai és aritmetikai sor).
• Az érzékszervi érzékelés és a tudat, érzékcsalódás.
• Goethe színelmélete (szivárványszínek); színminõségek.
• A zöld és a vörös spektrum polaritása, ezek megfelelõi a növényekben és az emberben.
• Esetleg: klorofil, hemoglobin: kémiai szerkezete.
• A kromatográfia alapjelensége Goethe szerint, a goethei természettudományos módszer. A fény és a sötétség polaritása Goethe szerint, és ennek jelentõsége az alkonyati színalkotásban (Rayleigh-féle fényszóródás).
• Az additív és szubtraktív színkeverés (technikai felhasználásuk) - megvilágításkülönbség.
• Spektrumszínek és testszínek.
• Síktükör.
• Domború és homorú tükrök.
• A tükrözés szabályai: képsík (mûszaki alkalmazások).
• Mikroszkóp - elektronmikroszkóp (felbontóképességük).
• Fénytörés, teljes visszaverõdés (törvényei) (határszög), Newton alapkísérletei prizmákkal.
• Fényelhajlás (pontszerû fényforrás, lézer; lézerfény - napfény).
• A fény hullámhossza, spektroszkóp, spektrométer. Színfelbontás
  
• Lencsék, fókuszpontok,
• Virtuális és valódi képek,
• Napfény fókuszálása gyûjtõlencsével vagy homorú tükörrel.
• Polarizáció - kettõs fénytörés (mûszaki alkalmazása a feszültségoptikában), aszimmetrikus térszerkezet - az izotrópia fogalma.
• Légköri természeti fényjelenségek és ezek keletkezésének fényelhajlási, interferenciai, fénytörési és polarizációs okai.
• A szivárvány és keletkezése; esetleges utalás az aranymetszésre a szivárványban.
• A fényelektromos hatás (és mûszaki alkalmazása).
• Elektronvolt, Planck-féle állandó.
• A fény kettõs természete (hullám - részecske elmélet), és hatása a 20. századi fizikai felismerésekre (a természettudományos modellek fejlõdésére) vonatkozóan, a fizika határaival foglalkozó metodikát illetõen; hipotézisek felállítása.
• A fény három modellje: hullám-, részecske-, és sugárzási modell, valamint ezek jelentõsége és a rájuk vonatkozó bizonyítékok.
• Relativitáselmélet, kvantumelmélet.
• 20. századi jelentõs kutatók életrajza (pl. Eintstein, Planck, Hahn, Schrödinger, Bohr, Heisenberg).

A diákok példákon keresztül ismerik meg itt a modern ismeretelméleti kérdéseket, valamint a tudomány és az etika problémáit.

• A fizika matematizálása és a kételkedés szabadsága.
• Képletszerkezetek, a tömeg-energia ekvivalencia; a fény és az anyag.
• Esetleg:
• Emissziós és abszorpciós színkép, színképelemzés, színképvonalak jelentése.
• Feszültségkülönbségek mérése fotocellával, és a hullámhosszok hozzárendelése.
• Millikan kísérlete (ha nem tanították a 11. osztályban az elektronnal kapcsolatban), Rutherford szóródási kísérlete, az anyag hullám-részecske kettõs természete.

Várható eredmények

• Ismerik a geometriai optika szerkesztési eljárásait, az optikai tárgy és kép fogalmát, összefüggéseit, a leképzési törvényeket, és azok feladatokban való alkalmazását.
• Ismerik a fénytörés jelenségét és törvényét, a fényvisszaverõdést, prizmát.
• Tudják a természetben elõforduló optikai jelenségek magyarázatát (fénytörés, délibáb), ismerik az optikai eszközök mûködését (nagyító, távcsõ, szemüveg).
• Betekintést nyernek a fizikai modellalkotásról és ennek jelentõségérõl konkrét példákon keresztül (fény természete, modelljei).