Pomysłowy nauczyciel fizyki Teach article

Tłumaczenie Marta Tondera. Nauczyciel fizyki Keith Gibbs zdradza niektóre ze swoich wielu prezentacji i eksperymentów przeznaczonych do sali fizycznej.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Floortje / iStockphoto

Podczas ponad trzydziestu lat uczenia fizyki widziałem wiele interesujących pokazów i pomysłów na lekcje, często podsuwanych przez krewnych, znajomych, kolegów z pracy i byłych uczniów. W 2000 roku zacząłem zbierać te pomysły – stały się podstawą strony internetowej Schoolphysics i płyty CD. Z czasem dodałem wyjaśnienia i tło dla nauczycieli nie zajmujących się fizyką na co dzień.

Poniżej przedstawiam cztery pomysły z tej kolekcji. Mam nadzieję, że każdy uzna chociaż jeden z nich za nowy, ambitny, pouczający lub po prostu fajny, i będą one służyły popularyzacji fizyki i pomogą ludziom zrozumieć, że ten przedmiot może być interesujący i zabawny.

Gotowanie wody pod zmniejszonym ciśnieniem

Zakres wiekowy: 13-15 lat

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Keith Gibbs

To proste doświadczenie pokazuje, że ciśnienie pary nasyconej wody zależy od temperatury. Najlepiej, gdy nauczyciel przeprowadzi demonstrację ustawiając ekran ochronny między sprzętem a uczniami.

Materiały

  • Kolba okrągłodenna
  • Korek z dwoma otworami
  • Szklana rurka o takim rozmiarze, aby zmieściła się w otworze korka
  • Gumowa rurka nadająca się do podłączenia do szklanej rurki
  • Termometr również mieszczący się w otworze korka
  • Palnik Bunsena
  • Stojak i łapa
  • Ekran ochronny
  • Taca
  • Woda

Procedura

  1. Zamocuj gumową rurkę na końcu szklanej rurki.
  2. Umieść termometr i szklaną rurkę w korku, a następnie nalej zimnej wody do kolby, poniżej połowy objętości. Umocuj korek w kolbie.
  3. Dopasuj łapę do gumowej rurki, ale nie dokręcaj zacisku.
  4. Użyj palnika aby doprowadzić wodę do wrzenia.
  5. Zaciśnij łapę na rurce i wyłącz palnik.
  6. Obróć kolbę do góry nogami i polej zimną wodą.

Para zgromadzi się wewnątrz kolby zmniejszając ciśnienie i pozwalając na ponowne wrzenie wody. Gdy woda przestanie wrzeć, jeszcze raz oblej kolbę. Przy jakiej temperaturze wciąż możesz zobaczyć gotującą się wodę? Powinieneś móc dojść do ok. 40°C – raz udało mi się zaobserwować wrzenie wody w temperaturze ciała (37 °C)!

 

Uwagi na temat bezpieczeństwa

Zawsze noś okulary ochronne. Mimo że jest to mało prawdopodobne, kolba może pęknąć, więc postaw ekran ochronny między eksperymentem a uczniami. Jeśli to możliwe również stań za ekranem.

Zobacz również ogólne uwagi na temat.

 

Teoria

Ciśnienie pary nasyconej wody zależy od temperatury: im niższa temperatura, tym mniej pary wodnej powietrze może utrzymać (patrz Tabela 1). Gdy woda się skrapla, obniża ciśnienie w kolbie i to pozwala na wrzenie wody poniżej 100 °C.

Temperatura

Ciśnienie pary nasyconej

Tabela 1: Zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury wody
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

Metoda alternatywna

Prostszym sposobem jest częściowe napełnienie strzykawki wodą (ok. 20%) o temperaturze 50-60°C. Następnie należy pociągnąć za tłok. To obniża ciśnienie w strzykawce powodując gotowanie się wody dużo poniżej 100 °C.

Metalowy wieszak na ubrania i ruch obrotowy

Zakres wiekowy: 14-18 lat

Prosty pokaz siły dośrodkowej

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Keith Gibbs

Materiały

  • Metalowy wieszak na ubrania
  • Metalowy pilnik
  • Mała moneta

Procedura

  1. Zegnij wieszak tak, by uformować kwadrat.
  2. Spiłuj końcówkę wieszaka na płasko i zegnij hak, aby celował w przeciwległy róg kwadratu (patrz ilustracja).
  3. Utrzymaj w równowadze na haku małą monetę (np. Brytyjską jednopensówkę lub 5- czy 10-centówkę).
  4. Włóż palec w róg kwadratu przeciwległy do haka i obróć wieszak w pionowym kółku. Moneta powinna pozostać na swoim miejscu.
Amatorzy wesołych
miasteczkach powinni być
wdzięczni sile dośrodkowej

Zdjęcie dzięki uprzejmości
inabeanpod; źródło obrazu:
Flickr

Teoria

Siła haka działająca na monetę zapewnia siłę dośrodkową, która jest zawsze skierowana do środka okręgu.

Ile monet możesz utrzymać na obracającym się wieszaku? Mój rekord to pięć jednopensówek. Z jedną monetą i przy dużym skupieniu udało mi się raz zwolnić obroty i doprowadzić wieszak do zatrzymania bez zrzucenia monety.

Rozdzielacz elektromagnetyczny

Zakres wiekowy: 16-18 lat

Symulacja rozdzielacza elektromagnetycznego używanego w przemyśle do oddzielania metali nieżelaznych od ścinków niemetalowych w małej skali, przewidziana jako pokaz przeprowadzony przez nauczyciela.

Artystyczne ujęcie
ogromnego elektromagnesu
używanego do
przemysłowego rozdzielania

Zdjęcie dzięki uprzejmości
ZargonDesign / iStockphoto

Materiały

  • U-kształtny elektromagnes z żelaznym rdzeniem dający intensywne pole
  • Zasilacz z prądem zmiennym
  • Ścinki aluminiowe (np. z folii kuchennej)
  • Kawałek cienkiej tektury
  • Ścinki papieru

Procedura

  1. Połóż tekturkę na jednym z ramion elektromagnesu i wysyp na nią kilka kawałeczków aluminium i papieru.
  2. Podłącz elektromagnes do zasilacza i włącz go. Kawałki aluminium zostaną odrzucone od pola magnetycznego.

Teoria

Elektromagnes AC wzbudził wirujący prąd wśród aluminiowych ścinków. To zmieniło je w malutkie elektromagnesy, które zostały następnie odepchnięte przez duży elektromagnes i spadły z tektury. W przypadku niemetali prąd nie został wzbudzony, więc te ścinki pozostały na kartonie.

W wersji z ruchomą taśmą, zmieszane wiórki metalowe i niemetalowe przesuwają się nad elektromagnesem. To również wzbudza prąd w metalowych ścinkach, które zostają odepchnięte i spadają poza taśmę, a niemetale pozostają. Szkoła może zapewnić taką konstrukcję na potrzeby pokazu, używając papieru i aluminium.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Keith Gibbs
Zdjęcie dzięki uprzejmości Keith Gibbs

Pływający klocek w spadającym słoiku

Zakres wiekowy: 11-18 w zależności od znajomości teorii

Bardzo przydatna demonstracja jednej z idei ogólnej teorii względności przy użyciu drewnianego klocka unoszącego się na wodzie w słoiku zawieszonym na sprężynie

Materiały

  • Sprężyna przyczepiona sznurkiem do plastikowego słoika
  • Drewniany klocek lub słomka wypełniona plasteliną
  • Woda

Procedura

  1. Wypełnij słoik wodą do połowy objętości, włóż drewniany klocek do środka i zawieś słoik na sprężynie.
  2. Przytrzymaj słoik, a następnie puść go, aby wisiał na sprężynie. Pojemnik wraz z zawartością będą drgać w pionowym planie (w górę i w dół). Poziom wody pozostanie w tym samym miejscu słoika, a klocek będzie unosił się na tym samym poziomie wody w czasie opadania i unoszenia.
Symulacja komputerowa
nocnego nieba
przedstawiająca czarną
dziurę o masie
dziesięciokrotnie większej od
słońca, widzianą z odległości
600 km. Ogólna teoria
względności Einsteina
pozwala na obliczenie jej
dokładnych wymiarów.
Uważa się, że czarne dziury
są zakrzywieniem
czasoprzestrzeni, mają
zerową objętość i
nieskończoną gęstość

Zdjęcie dzięki uprzejmości Ute
Kraus; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Teoria

Głębokość na jakiej klocek się unosi zależy zarówno od jego ciężaru (nie masy!) i siły wyporu. Siła zależy od ciężaru wypartej wody. Stąd wraz ze zmianą przyspieszenia klocka jego ciężar i siła wyporu zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. W wyniku tego poziom zanurzenia klocka nie zmienia się mimo drgań zbiornika.

Przedmiot pod wpływem przyspieszenia zachowuje się tak samo jak w polu grawitacyjnym. Gdy słoik i jego zawartość drgają, posiadają przyspieszenie wynikłe ze stałego pola grawitacyjnego Ziemi i ruchu harmonicznego drgań.

Gdy słoik porusza się w górę, jego całkowite przyspieszenie jest większe od pola grawitacyjnego Ziemi, a podczas spadania mniejsze. Podczas ruchu w dół słoik zachowuje się jakby był na księżycu, gdzie przyspieszenie grawitacyjne jest mniejsze niż to na Ziemi.

Jest to bardzo użyteczna demonstracja równoważności i bezwładności pola grawitacyjnego.

Podziękowania

Wydawcy Science in School dziękują Catherine Cutajar i Gerd’owi Vogt’owi za pomoc w wyborze doświadczeń do tego artykułu.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Aby zobaczyć więcej darmowych materiałów dla nauczycieli zebranych przez Keith’a Gibbs’a lub kupić jego płytę CD zobacz: www.schoolphysics.co.uk

Author(s)

Po otrzymaniu dyplomu z fizyki na University College London, Keith Gibbs zdobył kwalifikacje nauczycielskie PGCE na Uniwersytecie Cambridge. Przez następne 36 lat uczył fizyki w czterech kolejnych szkołach w Anglii, przechodząc na emeryturę w 2002 roku.

Pomysły zawarte w tym artykule to zaledwie kilka z 700 doświadczeń i pokazów, które Keith Gibbs zebrał i opracował w ciągu swojej kariery. Wszystkie dostępne są na płycie CD (koszt 10 funtów). Te materiały, jak i wytłumaczenia przystosowane dla uczniów od 11 do 19 lat, dodatkowe animacje, plany lekcji, zdjęcia i wiele więcej są dostępne na kolejnej płycie, która po kupieniu (koszt 35 funtów) może być kopiowana w ramach szkoły i być udostępniona w szkolnej sieci. Dalsze informacje dostępne na stronie Schoolphysicsw1.

Keith napisał i przyczynił się do powstania wielu podręczników do fizyki. Ostatnio współpracował z wydawnictwem Pearson Education na animacjami dla uczniów liceum i projektami praktycznymi dla młodszych fizyków.

Keith podróżuje również prezentując swoją kolekcję eksperymentów. Jeśli jesteś zainteresowany jego wizytą, skontaktuj się z nim przez stronę Schoolphysicsw1.


Review

Cztery doświadczenia opisane w tym artykule są oryginalne, a jednocześnie wymagają jedynie sprzętu łatwo dostępnego w szkole. Opisane cel, materiały, procedura i wykresy dla każdego eksperymentu ułatwiają pracę nauczycieli i pomagają uczniom zrozumieć zachodzące procesy i ich wytłumaczenia. Dla czytelnika interesujące są również doświadczenia autora i wyniki przeprowadzonych przez niego eksperymentów.

Nauczyciele mogą wykorzystać prezentowane pomysły przy okazji różnych tematów lub dostosować do różnych grup wiekowych przez dostosowanie ilości teorii. Można je traktować jako wprowadzenie do nowej teorii lub jako prezentację poznanych faktów i połączenie teorii z praktyką. Dyskusja może być przeprowadzona z uczniami podczas eksperymentów lub wcześniej, aby mogli przewidzieć efekty i wytłumaczyć swoje wyniki.

Aktywności mogą zostać przeprowadzone z uczniami w różnym wieku. Eksperyment z wrzącą wodą nadaje się dla uczniów w wieku 13-15 na lekcję o temperaturze gotowania wody lub dla uczniów 16-19 na lekcję o prawach gazów. Zajęcia z wieszakiem mogą być użyte do wprowadzenia ruchu po okręgu, siły dośrodkowej i przyspieszenia dośrodkowego dla 16- i 18-latków. Dla 10- i 13-latków temat o rozdzielaczu elektromagnetycznym można przedstawić na lekcji przyrody, aby przedyskutować materiały magnetyczne; dla uczniów w wieku 14+ może być użyty na lekcjach o magnetyzmie. Eksperyment ze spadającym słoikiem jest przydatny dla uczniów 16+ do wprowadzenia ruchu harmonicznego, grawitacji i bezwładności.

Ten rodzaj prezentacji jest idealny dla uczniów, którzy są wzrokowcami i dzięki temu lepiej zrozumieją i zapamiętają teorię po zobaczeniu jej w praktyce.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-SA