Een leraar fysica met heel wat in zijn mars Teach article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. De leraar fysica Keith Gibbs deelt met ons enkele van zijn vele demonstraties en experimenten voor het fysicaklaslokaal.

Figuur met dank aan Floortje /
iStockphoto

Gedurende de meer dan 30 jaar dat ik fysica onderwees, kwam ik veel interessante demonstraties en leerweetjes tegen – meestal aangebracht door verwanten, vrienden, collegas of oudstudenten. In 2000, begon ik deze juweeltjes te verzamelen – dat was de basis van de Schoolphysics website en de CD-ROM collectie. Mettertijd, voegde ik er meer verklaringen en achtergrondinformatie aan toe voor de leraars die niet in fysica afstudeerden.

Hieronder tref je vier ideëen van deze collectie aan. Ik hoop dat je tenminste één van hen nieuw, uitdagend, informatief en geestig zal vinden, en dat ze helpen om het onderwerp populairder te maken en de iedereen er op te wijzen dat fysica interessant en tof kan zijn.

Water koken onder verlaagde druk

Ouderdom: 13-15

Figuur met dank aan Keith
Gibbs

Deze eenvoudige proef toont aan dat de maximum dampdruk van water afhangt van de temperatuur. Dit experiment wordt best uitgevoerd als een demonstratie door de leraar met een veiligheidsscherm tussen het toestel en de leerlingen.

Materiaal

  • Een kolf met een ronde bodem.
  • Een stop met twee gaten
  • Een glazen buis die past in het gat in de stop
  • Een rubberen slang met een passende diameter zodat deze kan verbonden worden met de glazen buis
  • Een thermometer passend in het gat van een stop
  • Een bunsenbrander
  • Een statief en klem
  • Een veiligheidsscherm
  • Een bak
  • Water

Procedure

  1. Schuif de rubberen slang op het uiteinde van de glazen buis.
  2. Schuif de thermometer en de glazen buis in de gaten van de stop, vul de kolf voor iets minder dan de helft met koud water. Sluit dan de kolf af met de stop.
  3. Schuif de klem op de rubberen buis maar draai de klem nog niet toe.
  4. Draai de gastoevoer open en steek de bunsenbrander aan om het water te laten koken.
  5. Draai de klem toe en sluit de gastoevoer van de bunsenbrander af.
  6. Draai de kolf om en giet er koud water erover.

Binnen de kolf zal er stoom condenseren zodat de druk afneemt en het water weer begint te koken. Wanneer het water stopt met koken dien je nog meer water te gieten over de kolf. Hoe laag kan je de temperatuur wel krijgen en toch nog altijd het water laten koken? Je zou in staat moeten zijn water te laten koken bij 40 °C. Ik heb eens water laten koken bij lichaamstemperatuur (37 °C)!

 

Veiligheidsnota

Draag een beschermbril. Alhoewel er weinig kans voor is, is het mogelijk dat de glazen kolf uit elkaar spat. Daarom dien je ook een veiligheidsscherm te plaatsen tussen het experiment en de leerlingen. Als het kan moet je ook achter dit scherm gaan staan.

Lees ook de algemene veiligheidsnota.

 

Theorie

De verklaring van deze proef is dat de verzadigde dampdruk van water afhangt van de temperatuur: hoe lager de temperatuur, hoe minder waterdamp in de lucht (zie Tabel 1). Wanneer het water condenseert, vermindert de druk in de kolf – en natuurlijk kan het water dan koken bij minder dan 100°C.

Temperatuur

Verzadigde dampdruk

Tabel 1: Verband tussen de verzadigde dampdruk van water en de temperatuur
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

Een andere manier

Een eenvoudiger manier om deze proef uit te voeren is om om een spuit gedeeltelijk (voor ongeveer een vijfde) te vullen met warm water (van 50-60 °C). En dan de zuiger van de spuit omhoog te trekken. Dit verlaagt de druk in de spuit en maakt dat het water bij een temperatuur heelwat lager dan 100°C kookt.

De kleerhanger en de cirkelvormige beweging

Ouderdom: 14-18

Dit is een eenvoudige demonstratie van de centripetale kracht.

Figuur met dank aan Keith
Gibbs

Materialen

  • Een kleerhanger (uit metaaldraad)
  • Een metaalvijl
  • Een klein muntstuk

Procedure

  1. Buig de draad van de kleerhanger tot je een vierkant bekomt.
  2. Vijl het uiteinde van de haak vlak en buig dan de haak tot deze wijst naar de tegenoverliggende hoek van het vierkant (zie diagram).
  3. Breng een klein muntstuk (probeer het met een 5 of 10 eurocent muntje) in de haak in evenwicht.
  4. Plaats een vinger in de hoek van het vierkant aan de andere kant van de haak en laat de kleerhanger ronddraaien in een verticale cirkel. Het muntje zou op zijn plaats moeten blijven.
De bezoekers van een
pretpark moeten de
centripetale kracht bedanken

Figuur met dank aan
inabeanpod; bron: Flickr

Theorie

De kracht van de haak op het muntje zorgt voor de centripetale kracht, en deze werkt altijd naar het centrum van de rotatie.

Hoeveel muntjes kan je in evenwicht houden op de ronddraaiende kleerhanger? Mijn record is vijf muntjes. Met slecht één muntje en goed concentratie ben ik zelfs eens in geslaagd de kleerhanger tot stilstand te brengen zonder dat het muntje er af viel.

Elektromagnetische scheider

Ouderdom: 16-18

Dit is een simulatie op kleine schaal van een elektromagnetische scheider die gebruikt wordt in de industrie om niet-magnetische metalen te scheiden van ander afval dat geen metaal is. Het is bruikbaar als een demonstratie door de leraar.

Hoe een kunstenaar een
grote elektromagneet zag die
gebruikt als afscheider in de
industrie

Figuur met dank aan
ZargonDesign / iStockphoto

Materialen

  • Een U-vormige elektromagneet met een ijzeren kern die een sterk magnetisch veld opwekt
  • Een wisselstroombron
  • Reepjes aluminium (bijvoorbeeld keukenfolie)
  • Een dun stuk karton
  • Enkele papiersnippers

Procedure

  1. Plaats het stuk karton bovenop een van de armen van de elektromagneet en plaats enkele reepjes aluminiumfolie en ook papiersnippers op het karton.
  2. Verbindt de elektromagneet met de wisselstroombron en leg de stroom aan. De reepjes aluminium zullen uit het magnetisch veld gestoten worden.

Theorie

De elektromagneet waardoor een wisselstroom loopt induceert wervelstromen in de reepjes aluminium. Deze veranderen de reepjes in elektromagneetjes die afgestoten worden door de grote elektromagneet en zo van het karton wegvliegen. In de papiersnippers zijn er geen wervelstromen en daarom blijven ze op het karton liggen.

In de versie met een bewegende band van dit experiment, worden door elkaar gemengde reepjes van metalen en niet-metalen met een band naar een wisselstroom-elektromagneet gevoerd. Deze induceert wervelstromen in de reepjes metaal, die worden afgestoten door het veld en opzij vliegen terwijl de reepjes niet-metaal verder weggevoerd worden met de band.

Figuur met dank aan Keith
Gibbs
Figuur met dank aan Keith
Gibbs

Een blok drijvend in een vallende beker

Ouderdom: 11-18, afhankelijk van in hoever de theorie gezien is.

Dit is een zeer bruikbare demonstratie van een van de ideëen van de algemene relativiteitstheorie, waarbij gebruik gemaakt wordt van een houten blok drijvend in een beker gevuld met water die vastgemaakt is aan een veer.

Materialen

  • Een schroefveer vastgemaakt met een koord aan een plastieken beker
  • Een houten blok of rietje met modelklei (bijvoorbeeld Plasticine®)
  • Water

Procedure

  1. Vul de beker voor de helft met water, laat er de houten blok op drijven en hang het apparaat aan de veer.
  2. Ondersteun de beker, dan laat je die vallen, bevestigd aan de veer. De beker en met alles erop en eraan zullen dan in een vertikaal vlak op en neer schommelen maar de stand van het water zal in de beker gelijk blijven, en de blok zal op dezelfde hoogte blijven drijven in het water als het omlaag of omhoog beweegt.
Afbeelding gemaakt met een
computersimulatie van de
nachtelijke hemel waar een
zwart gat met een masa van
tien keer die van Zon
verondersteld wordt zich te
bevinden op een afstand van
600 km. Einstein’s theorie
over de algemene relativiteit
laat toe te berekenen hoe de
struktuur van een zwart gat
eruit ziet. Zwarte gaten
worden zijn vervormingen in
ruimte en tijd, met geen
volume en een oneindige
dichtheid.

Figuur met dank aan Ute Kraus;
bron: Wikimedia Commons

Theorie

De diepte waarop de houten blok drijft hangt zowel af van het gewicht (niet de massa) ervan en de opwaartse kracht erop. De opwaartse kracht hangt af van het gewicht van het verplaatste water. Omdat de versnelling van de beker en de blok veranderen zal het gewicht van de blok en de opwaartse kracht erop rechtevenredig met elkaar veranderen. Daarom zal de diepte waarop de blok in het water drijft niet veranderen als het apparaat schommelt.

Voorwerpen die versnellen gedragen zich op dezelfde wijze als wanneer ze zich bevinden in een gravitatieveld. Als de beker en zijn inhoud schommelen, hebben ze een versnelling te wijten aan zowel het constante gravitatieveld van de Aarde als aan de harmonische beweging van de schommeling.

Als de beker naar omhoog beweegt, is de resulterende versnelling ervan groter dan deze van het gravitatieveld van de Aarde en als de beker valt, is de versnelling kleiner dan deze van het veld van de Aarde. Bij het omlaag bewegen is het alsof de beker op de Maan zou zijn, waar de valversnelling kleiner is dan op de Aarde.

Dit is een zeer bruikbare demonstratie van de equivalentie van gravitieveld en traagheidsveld.

Met dank aan

De editeurs van Science in School zouden graag Catherine Cutajar en Gerd Vogt willen danken voor hun hulp bij het uitkiezen van de experimenten die opgenomen werden in dit artikel.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Om meer (gratis) onderwijsmateriaal verzameld door Keith Gibbs te bekijken of om de CD-ROMs te kopen, zie: www.schoolphysics.co.uk

Author(s)

Na afgestudeerd te zijn aan University College London, UK, met een graad in fysica, begon Keith Gibbs een PGCE leraarsopleiding aan Cambridge University, UK. Hij onderwees fysica achtereenvolgend in vier verschillende scholen verspreid over de UK gedurende 36 jaar en ging met rust in 2002.

De experimenten in dit artikel zijn slechts enkele van de meer dan 700 die Keith Gibbs verzameld en ontworpen heeft gedurende al die jaren. Ze zijn verkrijgbaar op CD-ROM (voor het ogenblik voor £10). Deze experimenten evenals uitleg bruikbaar voor 11 tot 19 jaar oude leerlingen, simulaties, lesplannen, afbeeldingen en nog veel meer, zijn verkrijgbaar op een andere CD-ROM die, eens gekocht (voor het ogenblik voor £35), gecopieerd kan worden op school en gebruikt via het intranet. Zie de Schoolphysics websitew1.

Keith heeft enkele fysicaboeken geschreven en aan andere meegewerkt. Onlangs heeft hij samengewerkt met Pearson Education in verband met simulaties voor advanced-level lessen en projecten over wetenschappelijk werk voor jongere leerlingen.

Keith reist ook veel om zijn experimenten overal te gaan tonen . Als je interesse hebt voor dergelijke show neem dan contact op met hem via de Schoolphysics websitew1.


Review

De vier experimenten beschreven in dit artikel zijn vernieuwend en gebruiken materiaal die meestal beschikbaar is in de labo’s van de scholen. Het doel, materialen, procedures en diagram voor elk experiment maken het heel gemakkelijker voor leraars en leerlingen de processen en de theoriëen waarover het gaat te verstaan. Het is eveneens interessant om te lezen over de ervaringen van de auteur en de resultaten die hij bekwam met deze experimenten.

Leraars kunnen de experimenten gebruiken voor een groot deel van de fysica-onderwerpen en ze aanpassen aan de verschillende ouderdomsgroepen, afhankelijk van hoe diepgaand de leraar de theorie verkiest uit te leggen. Ze kunnen uitgevoerd worden als inleiding op de theorie of terwijl de theorie uitgelegd wordt. Maar ook om concepten te verankeren met feiten. Een discussie met de leerlingen gedurende het experimentele onderzoek moet hen aanzetten om voorspellingen te maken en de bekomen resultaten te verklaren.

De activiteiten kunnen met leerlingen van verschillende ouderdom gebeuren, afhankelijk van waarop de klemtoon gelegd wordt. De activiteit met het kokend water kan gebruikt worden met leerlingen van 13-15 jaar oud om het te hebben over het kookpunt van water; voor leerlingen van 16-19 jaar oud, kan het gebruikt worden in een les over de gaswetten. De experimenten met de kleerhanger kunnen gebruikt worden met leerlingen van 16-18 jaar oud om de cirkelvormige beweging, centripetale kracht en centripetale versnelling aan te brengen. Voor leerlingen van 10-13 jaar oud, kan de activiteit met de electromagnetische scheider gebruikt worden in de les natuurwetenschappen of om het te hebben over magnetische materialen. Voor leerlingen van meer dan 14 jaar oud, zou het kunnen gebruikt worden in lessen over magnetisme. Om te besluiten kan het experiment met de vallende beker gebruikt worden voor leerlingen ouder dan 16 jaar om de harmonische beweging, gravitatie en traagheid te leren.

Deze soort van demonstraties zijn ideaal voor leerling die visueel leren en die de theorie beter verstaan en onthouden wanneer ze die toegepast zien in de praktijk.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-SA