Ο πολυμήχανος δάσκαλος φυσικής Teach article

Μετάφραση από τον Γιώργο Κουντουριώτη (George Kountouriotis). Ο δάσκαλος Φυσικής Keith Gibbs μοιράζεται κάποιες από τις πολλές του επιδείξεις και πειράματα για το μάθημα της…

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Floortje / iStockphoto

Κατά τη διάρκεια περισσότερων από 30 χρόνων διδασκαλίας της Φυσικής, έχω έρθει σε επαφή με πολλές ενδιαφέρουσες επιδείξεις και ιδέες διδασκαλίας – συχνά προτεινόμενες από συγγενείς, φίλους, συναδέλφους και παλιούς μαθητές. Το 2000, άρχισα να μαζεύω αυτές τις ιδέες μαζί – αυτή ήταν η βάση για τον ιστοχώρο σχολικής Φυσικής και τη συλλογή CD-ROM. Με τον καιρό, πρόσθεσα περισσότερες εξηγήσεις και διευκρινίσεις για δασκάλους που δεν έχουν ειδίκευση στη Φυσική.

Παρακάτω βρίσκονται 4 ιδέες από τη συλλογή. Ελπίζω να βρείτε τουλάχιστο μια από αυτές, καινούργια, προκλητική, διδακτική και διασκεδαστική, και ότι οι ιδέες αυτές βοηθούν να γίνει η Φυσική δημοφιλής και κάνουν τους ανθρώπους να αντιληφθούν ότι η Φυσική μπορεί να είναι ενδιαφέρουσα και διασκεδαστική.

Βράζοντας νερό σε μειωμένη πίεση

Εύρος ηλικιών: 13-15

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Keith Gibbs

Αυτό το απλό πείραμα δείχνει ότι η πίεση των κορεσμένων ατμών του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Γίνεται καλύτερα ως επίδειξη από το δάσκαλο, με οθόνη ασφαλείας ανάμεσα στον εξοπλισμό και τους μαθητές.

Υλικά

  • Μια σφαιρική φιάλη
  • Ένα πώμα με 2 τρύπες
  • Ένα γυάλινο σωλήνα, με εξωτερική διάμετρο τέτοια ώστε να ταιριάζει στην τρύπα του πώματος
  • Ένα λαστιχένιο σωλήνα με διάμετρο ώστε να συνδέεται με το γυάλινο σωλήνα
  • Ένα θερμόμετρο που να ταιριάζει στην (άλλη) τρύπα του πώματος
  • Ένα λύχνο Bunsen
  • Μια βάση απόσταξης και σφιγκτήρας
  • Μια οθόνη (πέτασμα) ασφαλείας
  • Ένας δίσκος
  • Νερό

Διαδικασία

  1. Στερεώστε το λαστιχένιο σωλήνα στο τέλος του γυάλινου σωλήνα.
  2. Στερεώστε το θερμόμετρο και τον γυάλινο σωλήνα στις τρύπες του πώματος, ρίξτε κρύο νερό στη φιάλη μέχρι λίγο πριν τη μέση. Κατόπιν σφραγίστε τη φιάλη με το πώμα.
  3. Στερεώστε το σφιγκτήρα στο λαστιχένιο σωλήνα αλλά μη τον κλείνετε.
  4. Χρησιμοποιείστε το λύχνο Bunsen για να θερμάνετε το νερό μέχρι βρασμού.
  5. Κλείστε το σφιγκτήρα και σβήστε το λύχνο Bunsen.
  6. Αναποδογυρίστε τη φιάλη και χύστε κρύο νερό από πάνω της.

Ο ατμός θα συμπυκνωθεί μέσα στη φιάλη, μειώνοντας την πίεση και επιτρέποντας το νερό να αρχίσει να βράζει ξανά. Όταν το νερό σταματήσει να βράζει, ρίξτε περισσότερο νερό πάνω στη φιάλη. Πόσο μπορείτε να μειώσετε την θερμοκρασία και να συνεχίσετε να παρατηρείτε το νερό να βράζει; Θα πρέπει να μπορέσετε να δείτε το νερό να βράζει στους 40 °C – μια φορά παρατήρησα το νερό να βράσει στη θερμοκρασία του σώματος (37 °C)!

 

Σημείωση ασφάλειας

Φορέστε γυαλιά ασφαλείας. Αν και απίθανο, είναι δυνατό η γυάλινη φιάλη να σπάσει, γι αυτό κρατήστε ένα πέτασμα ασφαλείας μεταξύ των πειραμάτων και των μαθητών. Αν είναι δυνατό, σταθείτε πίσω από την οθόνη και σεις.

Δείτε επίσης τη γενική σημείωση ασφάλειας.

 

Θεωρία

Η εξήγηση είναι ότι η πίεση των κορεσμένων ατμών του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία: όσο μικρότερη η θερμοκρασία, τόσο λιγότεροι είναι οι υδρατμοί που μπορεί να κρατήσει ο αέρας (δείτε τον Πίνακα 1). Όταν οι υδρατμοί συμπυκνώνονται, μειώνουν την πίεση στη φιάλη – και αυτό φυσικά, επιτρέπει στο νερό να βράσει σε μικρότερη θερμοκρασία από τους 100 °C.

Θερμοκρασία

Πίεση κορεσμένων ατμών

Πίνακας 1: Εξάρτηση της πίεσης των κορεσμένων υδρατμών από τη θερμοκρασία
37 °C 0.06 x 105 Pa
60 °C 0.19 x 105 Pa
75 °C 0.38 x 105 Pa
85 °C 0.57 x 105 Pa
100 °C 105 Pa

Μια εναλλακτική μέθοδος

Μια απλούστερη μέθοδος είναι να γεμίσετε εν μέρει (περίπου 20%) μια σύριγγα με χλιαρό νερό 50-60 °C. Κατόπιν τραβήξτε το έμβολο της σύριγγας. Αυτό μειώνει την πίεση μέσα στη σύριγγα, προκαλώντας βρασμό σε θερμοκρασία αρκετά μικρότερη από τους 100 °C.

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Keith Gibbs

Η συρμάτινη κρεμάστρα και η κυκλική κίνηση

Εύρος ηλικικών: 14-18

Αυτό είναι μια απλή επίδειξη της κεντρομόλου δύναμης.

Υλικά

  • Μια συρμάτινη κρεμάστρα
  • Μια μεταλλική λίμα
  • Ένα μικρό κέρμα

Διαδικασία

  1. Διπλώστε τη συρμάτινη κρεμάστρα μέχρι να σχηματίσει ένα τετράγωνο.
  2. Λιμάρετε το άκρο του άγκιστρου μέχρι να γίνει επίπεδο και μετά διπλώστε το μέχρι να δείχνει προς την αντίθετη γωνία του τετραγώνου (δείτε το διάγραμμα).
Οι αναβάτες των
περιστρεφόμενων
παιχνιδιών θα πρέπει να
ευγνωμονούν την
κεντρομόλο δύναμη

Η εικόνα προσφέρθηκε από
inabeanpod; Πηγή της εικόνας:
Flickr
  1. Ισορροπήστε ένα μικρό κέρμα (δοκιμάστε μια πέννα αγγλικής λίρας ή ένα κέρμα των 5 ή 10 λεπτών του Ευρώ) στο άγκιστρο.
  2. Τοποθετήστε ένα δάχτυλο στη γωνία του τετραγώνου απέναντι στο άγκιστρο και περιστρέψτε την κρεμάστρα σε κατακόρυφο κύκλο. Το κέρμα θα πρέπει να παραμείνει στη θέση του.

Θεωρία

Η δύναμη από το άγκιστρο στο κέρμα παρέχει την κεντρομόλο δύναμη, και αυτό πάντα δρα προς το κέντρο της περιστροφής.

Πόσα κέρματα μπορείτε να ισορροπήσετε στην περιστρεφόμενη κρεμάστρα; Το ρεκόρ μου είναι 5 κέρματα της μιας πέννας. Με μόνο ένα κέρμα και μεγάλη προσοχή, μια φορά κατάφερα να φέρω την κρεμάστρα σε ισορροπία χωρίς να πέσει το κέρμα.

Ηλεκτρομαγνητικός διαχωριστής

Εύρος ηλικιών: 16-18

Αυτό είναι ένα μικρής κλίμακας μοντέλο του ηλεκτρομαγνητικού διαχωριστή που χρησιμοποιείται βιομηχανικά για το διαχωρισμό μη σιδηρομαγνητικών υλικών από άλλα μη μεταλλικά μικρά κομματάκια υλικών και είναι κατάλληλο για επίδειξη από το δάσκαλο.

Καλλιτεχνική
αναπαράσταση ενός
μεγάλου ηλεκτρομαγνήτη,
του τύπου που
χρησιμοποιείται για
διαχωρισμό υλικών σε
βιομηχανικά περιβάλλοντα

Η εικόνα προσφέρθηκε από
ZargonDesign / iStockphoto

Υλικά

  • Ένας πεταλοειδής ηλεκτρομαγνήτης με πυρήνα σιδήρου για να δώσει μεγάλης έντασης πεδίο
  • Μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος
  • Ρινίσματα από αλουμίνιο (π.χ. από αλουμινόχαρτο κουζίνας)
  • Ένα κομμάτι από λεπτό χαρτόνι
  • Μερικά κομματάκια χαρτί

Διαδικασία

  1. Τοποθετήστε το χαρτόνι πάνω στο ένα μπράτσο του ηλεκτρομαγνήτη και βάλτε μερικά κομματάκια αλουμινίου και χαρτιού πάνω στο χαρτόνι.
  2. Συνδέστε τον ηλεκτρομαγνήτη σε μια εναλλασσόμενη πηγή ρεύματος και διοχετεύστε ρεύμα. Τα κομματάκια του αλουμινίου θα απωθηθούν από το μαγνητικό πεδίο.

Θεωρία

Ο εναλλασσόμενος ηλεκτρομαγνήτης προκαλεί ρεύματα Eddy μέσα στα ρινίσματα του αλουμινίου. Αυτά μετατρέπουν τα ρινίσματα σε μικρούς ηλεκτρομαγνήτες οι οποίοι απωθούνται από τον μεγάλο ηλεκτρομαγνήτη και έτσι ανασηκώνονται από το χαρτόνι. Με τα μη μεταλλικά κομματάκια δεν υπάρχουν ρεύματα Eddy και έτσι αυτά μένουν πάνω στο χαρτόνι.

Σε μια εκδοχή του πειράματος με ζώνη μεταφοράς, ανακατεμένα μεταλλικά και μη μεταλλικά κομματάκια υλικών περνάνε κατά μήκος της ζώνης μεταφοράς πάνω από τον ηλεκτρομαγνήτη εναλλασσομένου ρεύματος. Αυτό προκαλεί επαγωγικά ρεύματα Eddy στα μεταλλικά ρινίσματα, τα οποία απωθούνται από το πεδίο και ανασηκώνονται και πέφτουν στα πλάγια ενώ τα μη μεταλλικά κομματάκια συνεχίζουν να κινούνται κατά μήκος της ζώνης. Τα σχολεία πιθανόν να μπορούν να κατασκευάσουν ένα τέτοιο μοντέλο για επίδειξη, χρησιμοποιώντας χαρτί και αλουμινόχαρτο.

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Keith Gibbs
Η εικόνα προσφέρθηκε από Keith Gibbs

Ξύλο που επιπλέει σε ένα βάζο που πέφτει

Εύρος ηλικιών: 11-18, ανάλογα με τη μεταχείριση της θεωρίας.

Αυτή είναι μια πολύ χρήσιμη επίδειξη μιας από τις ιδέες της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι ξύλου που επιπλέει σε ένα βάζο με νερό που υποβαστάζεται από ένα ελατήριο.

Υλικά

  • Ένα ελικοειδές ελατήριο δεμένο με σχοινί σε ένα πλαστικό βάζο
  • Ένα κομμάτι ξύλου ή καλαμάκι γεμάτο με πλαστελίνη (π.χ. Plasticine®)
  • Νερό

Διαδικασία

  1. Γεμίστε μέχρι τη μέση το βάζο με νερό, προσθέστε το ξύλο ή το καλαμάκι, και κρεμάστε το από το ελατήριο.
  2. Κρατήστε το βάζο και μετά αφήστε το να πέσει καθώς κρέμεται από το ελατήριο. Το βάζο και το περιεχόμενό του ταλαντώνονται σε ένα κατακόρυφο επίπεδο (πάνω και κάτω) αλλά το επίπεδο του νερού θα παραμείνει στην ίδια θέση μέσα στο βάζο, και το ξύλο ή το καλαμάκι θα επιπλέουν στο ίδιο επίπεδο μέσα στο νερό καθώς πέφτει ή ανασηκώνεται.
Εικόνα φτιαγμένη από
υπολογιστή του νυχτερινού
ουρανού με μια μαύρη
τρύπα μάζας δέκα φορές
μεγαλύτερης από του
Ήλιου,όπως φαίνεται από
μια απόσταση 600 km. Η
γενική θεωρία της
σχετικότητας του Einstein
επιτρέπει λεπτομέρειες της
δομής μιας μαύρης τρύπας
να υπολογιστούν. Οι μαύρες
τρύπες θεωρείται ότι είναι
παραμορφώσεις στο χώρο
και το χρόνο, αποτελούμενες
από μηδενικό όγκο και
άπειρη πυκνότητα.

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Ute Kraus; Πηγή εικόνας:
Wikimedia Commons

Θεωρία

Το βάθος στο οποίο το ξύλο ή το καλαμάκι επιπλέουν εξαρτάται από το βάρος του (όχι τη μάζα του) και την άνωση πάνω του. Η άνωση εξαρτάται από το βάρος του νερού που εκτοπίζεται. Έτσι, καθώς η επιτάχυνση του δοχείου και του ξύλου αλλάζει, το βάρος και η άνωση του ξύλου αλλάζουν ανάλογα μεταξύ τους, οπότε το βάθος στο οποίο επιπλέει το ξύλο παραμένει το ίδιο καθώς όλη η συσκευή ταλαντώνεται.

Αντικείμενα που υπόκεινται σε επιτάχυνση συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο όπως θα έκαναν μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο. Καθώς το βάζο και τα περιεχόμενά του ταλαντώνονται, έχουν μια επιτάχυνση που οφείλεται και στο σταθερό βαρυτικό πεδίο της Γης και στην απλή αρμονική κίνηση της ταλάντωσης.

Καθώς το βάζο κινείται προς τα πάνω, η συνολική επιτάχυνση είναι μεγαλύτερη από αυτή του βαρυτικού πεδίου της Γης και καθώς πέφτει, η επιτάχυνσή του είναι μικρότερη απ’ αυτή του βαρυτικού πεδίου της Γης. Στο καθοδικό μέρος της κίνησης, είναι σαν το βάζο να ήταν στο φεγγάρι όπου η βαρυτική επιτάχυνση είναι μικρότερη από αυτή της Γης.

Αυτή είναι μια πολύ χρήσιμη επίδειξη της ισοδυναμίας του βαρυτικού και του αδρανειακού πεδίου.

Ευχαριστίες

Οι εκδότες του Science in School θα ήθελαν να ευχαριστήσουν την Catherine Cutajar και τον Gerd Vogt για τη βοήθειά τους στην επιλογή των πειραμάτων που περιλήφθηκαν σε αυτό το άρθρο.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Για να δείτε περισσότερο (δωρεάν) εκπαιδευτικό υλικό από τη συλλογή του Keith Gibbs ή για να αγοράσετε τα CD-ROMs, επισκεφθείτε το: www.schoolphysics.co.uk

Author(s)

Αφού πήρε το πτυχίο της Φυσικής από το University College London, UK, ο Keith Gibbs παρακολούθησε μια σειρά μαθημάτων εκπαίδευσης δασκάλων στο Cambridge University. Στη συνέχεια δίδαξε Φυσική σε 4 διαφορετικά σχολεία στο Ηνωμένο Βασίλειο για 36 χρόνια και πήρε σύνταξη το 2002.

Οι ιδέες σ’ αυτό το άρθρο είναι μερικές μόνο από τις 700 ιδέες και πειράματα που ο Keith Gibbs έχει μαζέψει με τα χρόνια και είναι διαθέσιμα σε CD-ROM (αυτή τη στιγμή στοιχίζει £10). Αυτά, μαζί και με διευκρινίσεις κατάλληλες για 11-χρονους έως 19-χρονους μαθητές, κινούμενες εικόνες, σχέδια μαθημάτων, εικόνες και πολλά περισσότερα, είναι διαθέσιμα σε ένα άλλο CD-ROM το οποίο, αν αγοραστεί (αυτή τη στιγμή στοιχίζει £35) μπορεί να αντιγραφεί μέσα στο σχολείο και να γίνει διαθέσιμο μέσω του δικτύου του σχολείου. Δείτε τον ιστοχώροw1 του Schoolphysics.

Ο Keith έχει γράψει και έχει συμμετοχή στη συγγραφή πολλών βιβλίων. Πρόσφατα, έχει δουλέψει με την Pearson Education σε κινούμενες εικόνες για προχωρημένου επιπέδου μαθήματα Φυσικής και πρακτικά σχέδια εργασίας (projects) για νεαρότερους μαθητές Φυσικής.

Ο Keith επίσης ταξιδεύει πολύ, επιδεικνύοντας τη συλλογή των πειραμάτων του. Αν ενδιαφέρεστε για μια επίσκεψη, επικοινωνήστε μαζί του μέσω του ιστοχώρουw1 του Schoolphysics.


Review

Τα 4 πειράματα που περιγράφονται σ’ αυτό το άρθρο είναι καινοτομικά και χρησιμοποιούν αντικείμενα που είναι εύκολα διαθέσιμα στα σχολικά εργαστήρια. Ο σκοπός, τα υλικά, η διαδικασία και το διάγραμμα για κάθε πείραμα κάνουν πολύ εύκολα κατανοητές σε δασκάλους και μαθητές τις διαδικασίες και τις θεωρίες που εμπλέκονται. Είναι επίσης ενδιαφέρον να διαβάσετε για τις εμπειρίες του συγγραφέα και τα αποτελέσματα που πήρε από αυτά τα πειράματα.

Οι δάσκαλοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα πειράματα σε μια ευρεία σειρά από θέματα Φυσικής και να τα προσαρμόσουν σε διαφορετικές ηλικιακές ομάδες, ανάλογα με το πόση θεωρία επιλέγει ο δάσκαλος να εξηγήσει. Θα μπορούσαν να εκτελεστούν ως εισαγωγικά πειράματα ή κατά τη διάρκεια εξήγησης της θεωρίας στους μαθητές, για να γίνει η ενοποίηση των εννοιών με τα γεγονότα. Μια συζήτηση μπορεί γίνει με τους μαθητές κατά τη διάρκεια των πειραματικών διερευνήσεων για να προκαλέσουμε τους μαθητές να κάνουν προβλέψεις και να εξηγήσουν τα αποτελέσματα.

Οι δραστηριότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μαθητές διαφορετικών ηλικιών, ανάλογα με το που θα δοθεί έμφαση. Η δραστηριότητα με το νερό που βράζει θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με μαθητές 13-15 χρονών για να συζητηθεί το σημείο βρασμού του νερού, αλλά και με μαθητές 16-19 χρονών σε ένα μάθημα για τους νόμους των αερίων. Τα πειράματα με την κρεμάστρα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με μαθητές 16 έως 18 χρονών για να εισαχθεί η κυκλική κίνηση, η κεντρομόλος δύναμη και η κεντρομόλος επιτάχυνση. Για μαθητές 10 έως 13 ετών, η δραστηριότητα του ηλεκτρομαγνητικού διαχωριστή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε γενικά μαθήματα επιστήμης ή για να συζητηθούν τα μαγνητικά υλικά, για μαθητές ηλικίας 14+ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μαθήματα για το μαγνητισμό. Τέλος, το πείραμα με το βάζο που πέφτει θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μαθητές ηλικίας 16+για να διδάξουμε την απλή αρμονική κίνηση, τη βαρύτητα και την αδράνεια.

Αυτά τα είδη επίδειξης είναι ιδανικά για μαθητές που είναι οπτικοί τύποι και οι οποίοι θα καταλάβουν και θα θυμούνται τη θεωρία καλύτερα όταν τη δουν να εφαρμόζεται στην πράξη.


Catherine Cutajar, Μάλτα




License

CC-BY-NC-SA