Οδηγός Διδασκαλίας των Φυσικών Επιστημών με πειράματα.

Σ

τον παρόντα τόμο παρουσιάζονται πειράματα Φυσικών Επιστημών τα οποία, στη συντριπτική* τους πλειοψηφία, γίνονται με υλικά καθημερι νής χρήσης. Επιλέξαμε τη χρήση του όρου «υλικά καθημερινής χρήσης» και όχι «απλά υλικά» που συχνά χρησιμοποιείται αφενός γιατί π.χ. τα έξυπνα τηλέφωνα που χρησιμοποιούμε στο 14 ο Κεφάλαιο δεν είναι προφανώς καθό λου απλό υλικό και αφετέρου για να αναδείξουμε τη σχέση των Φυσικών Επι στημών με την καθημερινή ζωή. Η χρησιμοποίηση υλικών καθημερινής χρή σης προτείνεται ως επιλογή και όχι απλά ως λύση ανάγκης, λόγω του χαμηλού κόστους και της εύκολης εύρεσής τους, όπως πιθανά θα μπορούσε να υποθέ σει κάποιος. Στην παράγραφο 1.2 παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της χρη σιμοποίησης υλικών καθημερινής χρήσης για την εκτέλεση πειραμάτων. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται μια σύντομη ιστορία των 100 περίπου τελευταίων ετών που δείχνει τις εναλλαγές στην επιλογή καθημερινών ή ειδικών υλικών για την εκτέλεση

απόπειρα αιτιολόγησης

(δηλαδή

(Παπαμαύρος, 1929).

κάνει τα πειράμα

προχειρότερα και τα

σχολείο εργασίας»

Βέβαια η τάση που παρουσιάζει ο Παπαμαύρος δεν ήταν παγκόσμια η κυ

ρίαρχη, κυρίαρχη ήταν η χρήση των ειδικών υλικών. Το 1948 γράφτηκε το πιο γνωστό βιβλίο με πειράματα που γίνονται με καθημερινά υλικά το “Suggestion for science teachers in devastated countries” (Stephenson, 1948), από την UN ESCO. Στον Εισαγωγή, σελ. 8, διαβάζουμε:

«Κατά την διάρκειαν του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου πλείστα σχο

λεία εις πολλάς χώρας κατεστράφησαν. Όταν τα σχολεία αυτά ήρχι

ζαν να αναζούν και ν’ ανορθώνωνται υπήρξε πεντελής έλλειψις διδα

κτικών οργάνων. Εις αυτάς τας χώρας εκ παραδόσεως η διδασκαλία

των Φυσιογνωστικών εβασίζετο εις την παρατήρησιν και εις το πείρα

μα. Με τον σκοπόν να πληρώση το δημιουργηθέν σοβαρώτατον κενόν

η UNESCO προέβη εις την εκτύπωσιν ενός μικρού βιβλίου υπό τον τίτ λον […] «Οδηγίαι δια τους καθηγητάς των Φυσικών Επιστημών εις τας καταστραφείσας χώρας» (απόδοσις εκ του αγγλικού Μιχαήλ Παπαϊωάννου (1973)).

Το βιβλίο αυτό σηματοδότησε για τα επόμενα τριάντα χρόνια τη ματιά με την οποία έβλεπαν τα πειράματα με υλικά καθημερινής χρήσης: λύση ανάγκης στο πρόβλημα της έλλειψης των επιθυμητών ειδικών υλικών. Τα πειράματα με υλικά καθημερινής χρήσης χαρακτηρίζονταν στη βιβλιογραφία ως “Low cost experiment” και αυτό το πλεονέκτημά τους προβάλλονταν. Υπάρχουν ακόμη εκπαιδευτικοί που τα βλέπουν έτσι.

«Το εργαστήριο της Φυσικής ως χώρος μάθησης είναι εξοπλισμένο με ει

δικές πειραματικές διατάξεις, τις οποίες ο μαθητής δε θα συναντήσει ποτέ

έξω από αυτό. Από την εξέλιξη του μαθήματος της Φυσικής με τα όργα

να αυτά γίνεται αντιληπτή η διδακτική υπόθεση ότι ο μαθητής είναι σε

θέση να παραλληλίσει τα παρεμφερή φαινόμενα της καθημερινής ζωής

με τα σχολικά πειράματα, καίτοι αυτά προσεγγίζονται με όργανα και με

θόδους παντελώς ξένες με την καθημερινότητα. Για την επιβεβαίωση της

οπτιμιστικής αυτής υπόθεσης δεν συνηγορεί κατά τη γνώμη μου τίποτα»

(Muckenfub, 1986 στο Σάββας, 1996).

Αναγνωρίζεται ότι μπορεί τα ειδικά όργανα και συσκευές να εντυπωσιά ζουν και πιθανά να δημιουργούν και δέος για τη Φυσική ή και για τους λειτουρ γούς της αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι κατ’ ανάγκη βοηθούν το διδακτικό έργο.

«Να διαλέξεις υλικά των παρουσιάσεων με βάση τη σχέση τους και την

αξία τους για το σχηματισμό των εννοιών, όχι για να εντυπωσιάσεις. Να

ξέρεις πως το παρακατιανό δοχείο του καφέ “θα κληρονομήσει τη γη”

γιατί έχει ανείπωτες διδακτικές δυνατότητες, ενώ η πιο μεγαλεπήβολη συσκευή LASER θα γίνει “χώμα και σποδός” αν χρησιμοποιηθεί απλώς και μόνο για να θαμπώσει» (Scheider, 1982).

Σήμερα τα βιβλία της UNESCO προωθούν την άποψη που εδώ υποστη ρίζεται, δηλαδή την επιλογή των υλικών με κριτήριο τη συνάφεια με τον κό σμο της καθημερινής ζωής των παιδιών (Harlen and Elstgeest 2005, σελίδες 299-413). Στη σημερινή λογική και αν ακόμη είχατε στο σχολείο μας ειδικά όργανα και υλικά για πειράματα Φυσικών Επιστημών θα έπρεπε απλά να τα αντικαταστήσετε με υλικά από τον κόσμο της καθημερινής ζωής, όπου βέβαια τούτο γίνεται. Η χρησιμοποίηση υλικών καθημερινής χρήσης για την εκτέλε ση πειραμάτων δεν αντιμετωπίζεται, από τις αρχές ήδη της δεκαετίας του ’80, ως λύση ανάγκης, λόγω του χαμηλού κόστους

στην

Η Χαλκιά (2008, σελ. 146) σημειώνει ότι η χρήση υλικών

κόσμο της καθημερινής ζωής στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών:

«Συχνά προσκρούει στην αντίληψη πολλών εκπαιδευτικών που νομί ζουν ότι στο μάθημα των Φ.Ε. θα πρέπει να χρησιμοποιούν επιστημο

νικά όργανα ακριβείας, ή ειδικές συσκευές, και να πραγματοποιούν όλες τις επιστημονικές διερευνήσεις σε ειδικά διαμορφωμένους χώ ρους (εργαστήρια)».

Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, ο πρώτος από τους συγγραφείς έζη σε τις αντιδράσεις των εκπαιδευτικών στην παρουσίαση πειραμάτων με υλικά καθημερινής χρήσης αρχικά σε σεμινάρια που διοργάνωνε και στη συνέχεια, από τις αρχές της δεκαετίας του 1990, των φοιτητών του σε σχετικό πανεπι στημιακό μάθημα και εκπαιδευτικών της πρωτοβάθμιας σε μαθήματα στα προ γράμματα εξομοίωσης που έγιναν εκείνη την εποχή. Οι φοιτητές από την αρχή φάνηκε να εντυπωσιάζονται και να τα αγκαλιάζουν. Έτσι ο μονοψήφιος αριθ μός των «ηρωικών» φοιτητών που επέλεξαν το μάθημα «Πειραματική διδασκα λία των Φυσικών Επιστημών» γρήγορα πολλαπλασιάστηκε, κάποιοι έφερναν μαζί και φίλους από άλλες σχολές. Από τους εκπαιδευτικούς της Πρωτοβάθ μιας, αρχικά στο Διδασκαλείο και στη συνέχεια σε προγράμματα εξομοίωσης, δεν υπήρχαν ισχυρές αρνητικές αντιδράσεις, οι περισσότεροι το αποδέχτη καν και γνωρίσαμε αρκετούς που το εφάρμοσαν στις τάξεις τους. Βεβαίως εί χαμε και, μειοψηφικές, αντιρρήσεις της μορφής «αυτά δεν είναι Φυσική. Πρέ πει να δείξουμε κάτι πιο επιστημονικό, να δείξουμε στα παιδιά ότι η Φυσική είναι κάτι σοβαρότερο». Η πλειοψηφία των καθηγητών ΠΕ04 τα αποδέχτη κε, στη λογική όμως ότι παρέχουν λύση ανάγκης στο πρόβλημα της έλλειψης των επιθυμητών ειδικών υλικών. Από τους καθηγητές ΠΕ04 υπήρξαν ισχυρό

τις δικές τους εκτιμήσεις για τις αντιδράσεις των μαθητών τους στη διδασκα λία των Φ.Ε. με χρήση πειραμάτων με καθημερινά υλικά. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι οι εκπαιδευτικοί που τα εφάρμοσαν εντοπίζουν ως κύριο όφε λος το ενδιαφέρον των παιδιών για το μάθημα. Το ενδιαφέρον των παιδιών το έχουμε καταγράψει και σε δημόσιες παρουσιάσεις πειραμάτων, στις ερωτήσεις που μας έκαναν και στον ενθουσιασμό με τον οποίο διοργάνωσαν τέτοιες εκ δηλώσεις σε δικές τους παρουσιάσεις.

Βιβλιογραφία

Delamont, S., Beynon, J., Atkinson,P., 1988. In the beginning was the Bunsen: The foundations of secondary school science. International Journal of Qual itative Studies in Education, 1,4, 315-328. Harlen W., 1986. Recent developments in primary and lower secondary school science. In: D. Layton (Ed) Innovations in science and technology educa tion. Vol. 1, p.p. 29 - 47. Paris, UNESCO. Harlen,W., Elstgeest,J., 2005. Διδασκαλία και Μάθηση των Φυσικών Επιστημών στην Πρωτοβάθμια Εκπαίδευση, εκδόσεις Τυπωθήτω-Γιώργος Δαρδανός. Αθήνα.

Scheider, W., 1982. 27 εντολές για δασκάλους Φυσικής. (Ελληνική μετάφρα ση στο: Βεργανελάκης Α., Δάσκαλοι και Διδασκαλία της Φυσικής. Έκδο ση: Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών «Δημόκριτος». Αθήνα.

Stephenson, J.P., 1948. Suggestion for science teachers in devastated countries. Paris: Unesco. Παπαϊωάννου, Μ., 1973 Ειδικός οδηγός διδασκαλίας φυσιογνωστικών μαθη

μάτων, Έκδοσις, Δευτέρα. Εκδόσεις ΑΘΗΝΑ. Αθήναι. Παπαμαύρος, M., 1929. Πρακτικές οδηγίες. Διδασκαλικό Βήμα, τεύχος 216. Σάββας, Στ., 1996. Το ερευνητικά εξελισσόμενο μοντέλο στη διδασκαλία της

φυσικής με ιδιοκατασκευές

απλά μέσα. Πρόταση εφαρ

Σύνοψη

Γενικοί διδακτικοί στόχοι

3.1 Διαφοροποίηση θερμότητας-θερμοκρασίας

3.2 Αποτέλεσμα της θέρμανσης των σωμάτων στις διαστάσεις τους

3.2.1 Θερμική διαστολή και συστολή αερίων

3.2.2 Θερμική διαστολή συστολή υγρών

3.2.3 Θερμική διαστολή συστολή στερεών

3.3 Αλλαγές κατάστασης

3.4 Θερμική αγωγιμότητα

3.5 Ερωτήσεις εμβάθυνσης

Βιβλιογραφία 3 ου κεφαλαίου

Γλωσσάριο επιστημονικών όρων

ότι

θερμότητα». Προκειμέ

ένα υγρό, η θερμο

σώμα να μην αλλάζει

Εμπλεκόμενες έννοιες: Θερμότητα, θερμοκρασία, αλλαγή κατάστασης.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να διαχωρίσουν τις έννοιες θερμότητα και

θερμοκρασία. Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί η έκβασή του έρχεται σε αντίθεση με την πρόβλεψη των περισσότερων παιδιών.

Ευκολία: Εύκολο.

Επικινδυνότητα: Προσοχή κατά τη χρήση πηγής θερμότητας. Αν μπορείς

απόφυγε να χρησιμοποιήσεις το γκαζάκι το οποίο, σε κάθε περίπτωση, δεν το δίνεις στα παιδιά. Βιντεοσκοπημένο πείραμα: —

Τι χρειάζεσαι

Ένα μικρό ηλεκτρικό μάτι (ή ένα γκαζάκι), ένα μπρίκι, ένα ψηφιακό θερμόμε τρο με εξωτερικό αισθητήρα και δυνατότητα

για να αυ

αυτή φτάσει στη θερμοκρασία

εξάτμιση, την αλλαγή φάσης,

που δίνεται σε μεγαλύτερους μαθητές: Η ενέργεια που προ σφέρεται από το ηλεκτρικό μάτι υπό μορφή θερμότητας αυξάνει, αρχικά, την κινητική ενέργεια των μορίων του νερού οδηγώντας στην αύξηση της θερμο κρασίας του. Στους 100 °C, μιλώντας για καθαρό νερό στην επιφάνεια της θά λασσας, η φυσική κατάσταση του νερού αλλάζει: από υγρό μετατρέπεται σε αέριο. Η ενέργεια που εξακολουθεί να λαμβάνει από το ηλεκτρικό μάτι χρη σιμοποιείται για το σπάσιμο των δεσμών μεταξύ των μορίων του υγρού νερού και όχι για την επιπλέον αύξηση της κινητικής τους ενέργειας, οπότε η θερμο κρασία του παραμένει σταθερή. Διδακτική διαχείριση Ζήτησε από τα παιδιά να συγκρίνουν την πρόβλεψή τους με ό,τι παρατηρούν να συμβαίνει και, αν μπορούν, να εξηγήσουν το πείραμα χρησιμοποιώντας τους όρους θερμότητα και θερμοκρασία. Επιδιωκόμενο αποτέλεσμα: Θερμότητα και θερμοκρασία δεν είναι το ίδιο, ούτε το ένα είναι μέτρο του άλλου, αφού,

Θερμότητα, θερμοκρασία, αλλαγή κατάστασης.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να διαχωρίσουν τις έννοιες θερμότητα και

θερμοκρασία.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί είναι πολύ εντυπωσιακό.

Ευκολία: Εύκολο.

Επικινδυνότητα: Προσοχή καθώς χρησιμοποιείς το γκαζάκι.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: https://youtu.be/Ap73fyOk7FI

Τι χρειάζεσαι Ένα χάρτινο μικρό κουτί, ένα γκαζάκι, ένα ψηφιακό θερμόμετρο με εξωτερικό αισθητήρα

πάνω από 100 °C.

Φυσική:

πρέπει να εξατμιστεί όλο το νερό και να στεγνώσει το χαρτί.

Παρατηρήσεις Δεν πρέπει το χαρτόκουτο να είναι από χοντρό χαρτόνι, γιατί τότε μπορεί να πιάσει φωτιά το έξω μέρος του (γιατί;). Επίσης μπορεί να ανάψουν τα «χείλη» του κουτιού, δηλαδή το στεγνό μέρος του κουτιού που βρίσκεται έξω (πάνω) από το νερό. Μη χρησιμοποιήσεις χάρτινο κουτί από γάλα ή από χυμούς κα θώς παράγονται αναθυμιάσεις είτε λόγω της πλαστικοποίησης του κουτιού είτε λόγω των χρωμάτων (επιγραφές) στην επιφάνειά του. Μπορείς να φτιά ξεις ένα χαρτόκουτο με χαρτί που θα το τσακίσεις στις γραμμές που δείχνονται στην Εικόνα 3.2 , και στη συνέχεια να το κολλήσεις. Αναζήτησε και χρησιμοποί ησε, αντί για το χαρτόκουτο, ένα χάρτινο κύπελλο του καφέ με επίπεδο πάτο.

Η ένδειξη αυτή της κλίμακας Κελσίου αντιστοιχεί στην ένδειξη

3.2 Αποτέλεσμα της θέρμανσης των σωμάτων στις διαστάσεις τους

Διαστολή παρατηρείται στα στερεά, υγρά και αέρια σώματα όταν θερμανθούν. Στα στερεά, και μέχρι ενός σημείου στα υγρά, τα δομικά στοιχεία του σώματος, άτομα ή μόρια, ταλαντώνονται γύρω από μια θέση ισορροπίας. Όταν το σώμα θερμανθεί, το πλάτος της ταλάντωσης αυξάνεται με αποτέλεσμα το σώμα να διαστέλλεται. Στα αέρια αυξάνεται η ταχύτητα των μορίων τους με αποτέλε σμα να αυξάνεται η πίεση σε κάθε σημείο τους. Αν τα τοιχώματα του δοχεί ου μπορούν να υποχωρούν,

συμβαίνει, πρακτικά, σε ένα

το αέριο σώμα, ενώ η πίεση παραμένει σταθερή. Κατά τη θέρμανση ενός σώματος η μάζα του παραμένει σταθερή ενώ ο όγκος του αυξάνεται, συνεπώς η πυκνότητά του ελαττώνεται. Σε αυτή τη γε νική συμπεριφορά υπάρχουν, όμως, και εξαιρέσεις όπως είναι, για παράδειγμα, η «ανωμαλία» διαστολής του νερού από 0 °C έως 4 °C. Σε αυτή την περιοχή θερμοκρασιών ο όγκος του νερού μειώνεται όταν έχουμε αύξηση της θερμο κρασίας, με αποτέλεσμα να μειώνεται και η πυκνότητα του νερού. Όταν τα σώματα ψύχονται τότε συστέλλονται, μειώνεται δηλαδή ο όγκος τους. Για σειρά ετών υπήρχαν μαθητές ή και φοιτητές μας που προβληματίζο νταν ποιο από τα δυο φαινόμενα είναι η διαστολή και ποιο η συστολή. Φάνη κε να βοηθά η ερώτηση «πότε λέμε ότι ένας άνθρωπος είναι συνεσταλμένος;» και η απάντηση «όταν στέκεται “μαζεμένος”».

3.2.1 Θερμική

του αναψυκτικού στο πάνω μέρος του. Έχεις έτσι

βαθύ και στενό μπολ. Αφαίρεσε τις ετικέτες τόσο από το πλαστικό μπουκάλι

και από το μπουκάλι της ρετσίνας. Πέρνα τον λαιμό του ξεφούσκωτου μπα λονιού στον λαιμό του μπουκαλιού.

τοποθετηθεί στο ζεστό νερό, Εικό

να 3.3 . Αν το μπαλόνι είναι σχετικό μικρό υπάρχει μια θεαματική «ανόρθωση»

του μπαλονιού καθώς φουσκώνει απότομα. Όταν το μπουκάλι τοποθετείται στο κρύο νερό το μπαλόνι ξεφουσκώνει και μέρος του μπαίνει μέσα στο μπου κάλι (γιατί;), Εικόνα 3.4 . Ερμηνεία Ο αέρας στο εσωτερικό του μπουκαλιού θερμαίνεται και διαστέλλεται, οπό τε ένα μέρος του περνάει στο μπαλόνι και το φουσκώνει. Στο Δημοτικό λέμε απλά ότι τα αέρια όταν θερμαίνονται τότε διαστέλλονται. Στο Γυμνάσιο δώσε βάρος να καταλάβουν τα παιδιά ότι αυτό που μεταβάλλεται με την αύξηση της θερμοκρασίας είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων των αερίων που συ νιστούν τον αέρα, μεγαλώνει δηλαδή η απόσταση μεταξύ των μορίων (αύξη ση της θερμοκρασίας σημαίνει αύξηση ταχύτητας, και άρα αύξηση της μέσης ελεύθερης διαδρομής). Στο σημείο

Σε μεγαλύτερες τάξεις μπορείς να εξηγήσεις τα παραπάνω και με τη χρήση της έννοιας πίεση. Για παράδειγμα: Όταν βάλεις το μπουκάλι στο κρύο νερό με τα παγάκια τότε ο αέρας του μπουκαλιού ψύχεται και συστέλλεται, αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υποπίεσης (πίεσης μικρότερης από την ατμο σφαιρική) μέσα στο μπουκάλι. Τελικά, η διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης και της πίεσης στο εσωτερικό του μπουκαλιού οδηγεί στο αποτέλεσμα που εί δες. Σε μαθητές Λυκείου μπορεί να αναφερθεί ότι η διαστολή του αέρα μέσα στο μπουκάλι μπορεί να θεωρηθεί ότι γίνεται με σταθερή πίεση μόνο στην αρχή, οπότε ο αέρας περνώντας στο μπαλόνι καταλαμβάνει

και η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση της πίεσης.

Παρατηρήσεις Λ Προτείνεται να χρησιμοποιήσεις μπουκάλι από αναψυκτικό, και όχι νερού, ως δοχείο διότι τα τοιχώματά του δεν παραμορφώνονται πολύ από το ζε στό νερό.

Στοιχεία μεθοδολογίας της Φυσικής Μετά την εκτέλεση του πειράματος μπορείς να θέσεις στα παιδιά την ερώτη ση: Τι μπορούμε να ψάξουμε στη συνέχεια; Επιθυμητή απάντηση των παιδιών: Από τι εξαρτάται πόσο διαστέλλεται ο αέρας (πόσο θα φουσκώσει το μπαλόνι). Ζήτησε από τα παιδιά να διατυπώσουν σχετικές υποθέσεις. Επιθυμητές απα ντήσεις των παιδιών είναι οι εξής: Λ από το πόσο ζεστό είναι το νερό το οποίο έρχεται σε επαφή με το μπουκάλι, Λ από το μέγεθος του μπουκαλιού (αρχικό όγκο του αέρα). Ζήτησε από τα παιδιά να ελέγξουν την κάθε υπόθεση που διατυπώθηκε. Ακολούθως, τα παιδιά καλούνται να σχεδιάσουν πειράματα όπου κάθε φορά κρατούνται σταθερές όλες οι άλλες

VanCleave’s, J., 1994. Γεωλογία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1994. Χημεία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1995. Φυσική για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

Wilkes, A., 1990. Τo πρώτο βιβλίο πειραμάτων. Εκδόσεις Μαργαρίτα Ε.Π.Ε. Αθήνα.

Wilkes, A., Mostyn, D., 1983. Simple Science. Usborne Publishing Ltd. London. Αλεξόπουλος, Κ., Μαρίνος, Δ., 1999. Ο μικρός ερευνητής. 100 πειράματα

με απλά μέσα

Σύνοψη

7.1 Πλεύση

7.2 Άνωση

7.3 Υδροστατική πίεση

7.4 Ερωτήσεις εμβάθυνσης Βιβλιογραφία 7ου κεφαλαίου Γλωσσάριο επιστημονικών όρων

παξιμάδια

σιδερένια

σχέση (6) γίνεται ρ σιδήρου /ρνερού και

περίπου με 8, άρα συνεπάγεται ότι το νερό που εκτοπίζουν οι βίδες όταν τις ρίξουμε μέσα στο νερό έχει 8 φορές μικρότερο όγκο από αυτόν που εκτοπίζουν όταν είναι μέσα στο πλαστικό ποτήρι που επιπλέει. Στο πείραμα, επειδή το ποτήρι είναι διάφανο, μπορείτε να δείτε ότι ο βυθι σμένος όγκος του πλαστικού ποτηριού είναι πολύ μεγαλύτερος από τον όγκο που καταλαμβάνουν τα παξιμάδια που είναι μέσα σε αυτό.

το δοχείο (βάρκα)

μας.

7.3 Υδροστατική πίεση

Πείραμα 1 ο: Δεν πάει πιο μακριά όποιος τρέχει πιο γρήγορα!

Εμπλεκόμενες έννοιες: Άνωση, βάρος, όγκος.

Τάξεις εφαρμογής: Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να αλληλοεπιδράσουν με ένα πείραμα στο

οποίο η έκβαση εξαρτάται από δύο μεταβλητές.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί επιδεικνύει με απλό τρόπο ότι μια ευ

διαδεδομένη άποψη ακόμη και σε σχολικά εγχειρίδια είναι, εν γέ

λανθασμένη.

Τι θα κάνεις Χάραξε πάνω στο τοίχωμα του μπουκαλιού μια κατακόρυφη γραμμή από το μέσο του μπουκαλιού μέχρι τον πυθμένα του. Βάλε, πάνω στην κατακόρυφη γραμμή, ένα σημάδι στο μέσο του μπουκαλιού και ένα σημάδι στο ¼ της από στασης του πυθμένα από το μέσο του μπουκαλιού. Άναψε το γκαζάκι. Πιάσε, με το χαρτί κουζίνας, το καρφί

μέρος που είναι το κεφάλι του. Πλησί

γκαζάκι και θέρμανέ την.

ώστε να τρυπήσεις το τοίχωμα. Κλείσε με τα δάχτυλά σου τις δυο τρύπες και γέμι σε τελείως το μπουκάλι με νερό. Ακούμπησε το μπουκάλι στο «πιατάκι» της γλάστρας, έτσι ώστε το νερό που θα χυθεί όταν ανοίξεις τις τρύπες να πέφτει μέσα σε αυτό, Εικόνα 7.10 . Απομάκρυνε τα δάχτυλά σου από τις τρύπες. Από ποια τρύπα το νερό πάει πιο μακριά; Τι θα δεις Αρχικά, το νερό από την πάνω τρύπα πάει πιο μακριά από ό,τι το νερό από την κάτω τρύπα. Εικόνα 7.11 . Μετά από λίγη ώρα το νερό και από τις δυο τρύπες φτάνει το ίδιο μακριά, πέφτει δηλαδή στο ίδιο σημείο, Εικόνα 7.12 .

7.10. Τοποθέτησε το μπουκάλι στην άκρη

νερό από τις δύο τρύπες

Ερμηνεία Το πόσο μακριά θα πάει το νερό εξαρτάται από την ταχύτητα υ με την οποία βγαίνει από την κάθε τρύπα, όχι όμως μόνο από αυτήν. Εξαρτάται και από τον χρόνο t που θα κινηθεί, ισχύει δηλαδή: s = u∙t. Σίγουρα, όσο πιο κάτω είναι η τρύπα από την οποία διαφεύγει το νερό τόσο μεγαλύτερη ταχύτητα θα έχει. Το ερώτημα, όμως, είναι αν θα έχει χρόνο για να κινηθεί ή αν θα πέσει πολύ σύντομα στο δάπεδο. Ας θεωρήσουμε μια τρύπα στο πλαϊνό τοίχωμα οριακά πάνω από τον πυθμένα του δοχείου. Εκεί έχουμε το μεγαλύτερο βάθος, άρα τη μεγαλύτερη πίεση, συνεπώς σε μια στοιχειώδη μάζα νερού που βρίσκεται σε αυτό το οριζόντιο επίπεδο ασκείται μεγαλύτερη δύναμη από ό,τι σε οποιο δήποτε άλλο σημείο του νερού μέσα στο μπουκάλι. Συνεπώς, το νερό από την τρύπα αυτή εκτοξεύεται με τη μεγαλύτερη ταχύτητα, μεγαλύτερη από την τα χύτητα με την οποία θα εκτοξευόταν αν η τρύπα ήταν πιο ψηλά. Το νερό όμως θα πάει μακριά; Όχι, γιατί όταν βγει από την τρύπα θα είναι ήδη πολύ κοντά στο δάπεδο, οπότε δεν υπάρχει αρκετός χρόνος για να κινηθεί στον αέρα πριν πέσει στο δάπεδο. Αποδεικνύεται ότι: α) το νερό που φεύγει από τρύπα που βρίσκεται στο μέσο της στήλης του νερού (το σημείο 3 στην Εικόνα 7.13) φτάνει πιο μακριά, και β) το νερό που φεύγει από δυο σημεία της στήλης τα οποία είναι συμμετρικά ως προς το κέντρο της στήλης του νερού (τα σημεία 1 και 5 ή 2 και 4 στην Εικόνα 7.13) φτάνει στο ίδιο σημείο του δαπέδου. Από την τρύπα 1 το νερό έχει μικρή ταχύτητα αλλά μεγάλο χρόνο πτήσης (δηλαδή, χρόνο κίνησης στον αέρα μέ χρι να φτάσει στο δάπεδο), ενώ από την τρύπα 5 έχει μεγάλη ταχύτητα αλλά μικρό χρόνο πτήσης (Κουμαράς, 2015, σ. 308-312). Στα παραπάνω παραδείγματα το δοχείο ακουμπάει στο επίπεδο στο οποίο καταλήγει το νερό. Αν το δοχείο ήταν τοποθετημένο σε κάποιο υποστήριγμα ύψους H, ώστε το νερό να έχει τον απαιτούμενο χρόνο για την πτήση του, τότε το νερό από την κατώτερη τρύπα θα μπορούσε

άποψη «όσο πιο χαμηλά, στο πλαϊνό κατακόρυφο τοίχωμα, είναι η

από την οποία φεύγει το νερό τόσο πιο μακριά φτάνει το νερό που φεύ

από αυτήν» πρέπει το δοχείο να βρίσκεται τοποθετημένο πάνω σε υποστή ριγμα που έχει ύψος Η ίσο ή μεγαλύτερο από το ύψος της στήλης του νερού που είναι μέσα στο δοχείο, Εικόνα 7.14 .

Πιθανοί λόγοι αποτυχίας του πειράματος Οι τρύπες στα τοιχώματα του μπουκαλιού πρέπει να γίνουν, όπως διατυπώ θηκε και παραπάνω, κάθετα ως προς τα τοιχώματα του μπουκαλιού. Διαφο ρετικά, η εκτόξευση του νερού από τις

τα πάνω είτε βολή προς τα κάτω με κάποια αρχική γωνία, ανάλογα με το πώς έχει τρυπηθεί το τοίχωμα.

Πείραμα 2 ο: Υδραυλικό πιεστήριο. Πόσα βιβλία σηκώνει ένας ουροσυλλέκτης;

Εμπλεκόμενες έννοιες: Υδροστατική πίεση.

Τάξεις εφαρμογής: Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να διαπιστώσουν ότι η έννοια βάρος δια φοροποιείται από την έννοια πίεση. Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί επιδεικνύει με απλό τρόπο ένα κρίσι μο πείραμα για την εισαγωγή της έννοιας πίεση, το οποίο έχει εντυπω σιακή έκβαση.

Ευκολία: Μέτριο. Επικινδυνότητα: Πρόσεξε πολύ κατά τη διαδικασία τρυπήματος του καπα

από το γκαζάκι.

μύτη από το καρφί, κρατώντας το προσεκτικά με το χαρτί κουζίνας από το κεφάλι του, και τρύπησε το καπάκι του μπουκαλιού στο κέντρο του ακου μπώντας κάθετα και σπρώχνοντας ελαφρά τη ζεστή μύτη του καρφιού. Πέ ρασε, σφιχτά, την άκρη από το σωληνάκι του ουροσυλλέκτη στην τρύπα. Με αυτό τον τρόπο έχεις, ουσιαστικά, συνδέσει ένα «χωνί» στον ουροσυλλέκτη. Άπλωσε πάνω στο τραπέζι την πλατιά επιφάνεια, τη σακούλα του ουροσυλ λέκτη, και τοποθέτησε πάνω σε αυτή αρκετά βιβλία, συνολικά,

7.16 .

βιβλία σταδιακά ανυψώνονται, Εικό

σακούλα του ουροσυλλέκτη αποτελεί τη μεγάλη επιφάνεια ενός υδραυλι κού πιεστηρίου και, αντίστοιχα, η διατομή του σωλήνα του ουροσυλλέκτη τη μικρή επιφάνεια. Στη μεγάλη επιφάνεια ασκείται δύναμη ίση με το βάρος των βιβλίων, ενώ στη μικρή η ασκούμενη δύναμη είναι ίση με το βάρος της ποσό τητας του νερού που είναι πάνω από την επιφάνεια του νερού της σακούλας, (στήλη ΒΑ). Επειδή οι αντίστοιχες πιέσεις είναι ίσες μεταξύ τους, ισχύει:

βιβλίων

στήλης

Άρα, το μικρό βάρος της στήλης νερού μπορεί να εξισορροπήσει το με γάλο βάρος των βιβλίων

εμβαδά των δύο

του

συμβεί

τέτοιο

Υδροστατική πίεση.

Τάξεις εφαρμογής: Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να διαπιστώσουν ότι η πιεστική δύναμη

σε μία δεδομένη επιφάνεια λόγω της πίεσης που υπάρχει σε αυτήν, δεν εξαρτάται από το βάρος του υπερκείμενου υγρού.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί επιδεικνύει με απλό τρόπο ένα κρίσι

μο πείραμα για την εισαγωγή της έννοιας πίεση, το οποίο έχει απρό σμενη έκβαση. Ευκολία: Δύσκολο. Επικινδυνότητα: Πρόσεξε πολύ κατά τη διαδικασία τρυπήματος του καπα κιού του μπουκαλιού με τη χρήση της φλόγας από το γκαζάκι. Βιντεοσκοπημένο πείραμα: https://youtu.be/d3rDTIRXslE

mm

60 ml, ένα στενό (δια

VanCleave’s, J., 1994. Γεωλογία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1994. Χημεία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1995. Φυσική για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

Wilkes, A., 1990. Τo πρώτο βιβλίο πειραμάτων. Εκδόσεις Μαργαρίτα Ε.Π.Ε. Αθήνα.

Wilkes, A., Mostyn, D., 1983. Simple Science. Usborne Publishing Ltd. London. Αλεξόπουλος, Κ., Μαρίνος, Δ., 1999. Ο μικρός ερευνητής. 100 πειράματα

με απλά μέσα

Σύνοψη

Γενικοί διδακτικοί στόχοι

Προαπαιτούμενες γνώσεις

10.1 Μάζα και όγκος

10.1.1 Μέτρηση της μάζας

10.1.2 Μέτρηση του όγκου

10.2 Πυκνότητα

10.2.1 Εισαγωγή της έννοιας πυκνότητα

10.2.2 Παιχνίδια με την πυκνότητα

10.2.3 Μεταβολή της πυκνότητας του νερού με τη θερμοκρασία

10.3 Δυνάμεις συνοχής

10.4 Δυνάμεις συνάφειας

10.5 Ερωτήσεις εμβάθυνσης

Βιβλιογραφία 10 ου κεφαλαίου

Γλωσσάριο επιστημονικών όρων

ψηλό διαφανές γυάλινο

πλαστικό ποτήρι, λάδι, νερό, πράσινο-μπλε οι νόπνευμα, ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο, μια πένσα. Τι θα κάνεις – Τι θα δεις – Ερμηνεία Ρίξε στο ποτήρι νερό, ώστε να δημιουργηθεί ένα στρώμα πάχους 3-4 cm, στη συνέχεια ρίξε λάδι και τέλος οινόπνευμα. Έχεις έτσι τα τρία υγρά να ισορρο πούν όπως φαίνεται στην Εικόνα 10.2 , καθώς το ενδιάμεσο στρώμα του λα διού εμποδίζει την ανάμειξη του οινοπνεύματος με το νερό. Προσοχή! Πρό σθεσε το οινόπνευμα απαλά, καθώς υπάρχει περίπτωση, αν ριχτεί ορμητικά, να διαπεράσει το στρώμα του λαδιού και να φτάσει στο νερό, οπότε και θα ανα μιχθεί με αυτό. Τσαλακώνοντας ένα κομμάτι από το αλουμινόχαρτο, διαμόρφωσέ το σε μπαλάκι και ρίξε το στο ποτήρι με τα υγρά της Εικόνας 10.2 . Το μπαλάκι αρ χικά πλέει στο οινόπνευμα, Εικόνα 10.3 , άρα η (μέση) πυκνότητα του σώμα τος ως συνόλου είναι μικρότερη

ανάλογα, και ίση με αυτήν του οινοπνεύ ματος, διότι το μπαλάκι

συνέχεια βγάλε το μπαλάκι

και συμπίεσέ («πύκνωσέ») το με τα χέρια σου. Ξαναρίξε το στο δοχείο. Τώρα βυθίζεται στο οινόπνευμα και πλέει μερικά βυθισμένο στο λάδι. Η πυκνότητά του τώρα είναι μικρότερη της πυκνότητας του οινοπνεύματος και μεγαλύτε ρη αυτής του λαδιού. Με τη συμπίεση αυξήθηκε η πυκνότητά του, το έκανες «πυκνότερο» (ταιριάζει και η λέξη με τη διαδικασία). Για να βυθιστεί στο νερό θα πρέπει το μπαλάκι να συμπιεστεί περισσότερο, με τη βοήθεια της πένσας. Είδαμε ότι για σώμα σταθερής μάζας, η ελάττωση

κα θώς η πυκνότητα της πλαστελίνης είναι μεγαλύτερη από αυτή του νερού. Αν στη συνέχεια ο βώλος διαμορφωθεί κατάλληλα σε «βαρκούλα» και αφεθεί στο νερό, θα επιπλέει. Τώρα η (μέση) πυκνότητα του «σώματος» (σε αυτό περιλαμ βάνεται και το «κούφιο» μέρος της βαρκούλας που περιλαμβάνει αέρα) είναι μικρότερη από αυτή του νερού. Η μάζα «σώματος», της πλαστελίνης και του αέρα, παρέμεινε ουσιαστικά η ίδια, ο όγκος όμως του «σώματος» έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα την ελάττωση της (μέσης) πυκνότητας.

Παιχνίδια με την πυκνότητα

Πείραμα 1 ο: Σταφίδες που χορεύουν

στόχος: Οι μαθητές να συσχετίσουν την επίπλευση και τη βύ

ενός αντικειμένου σε ένα υγρό με τις πυκνότητές

του πο τηριού και στη συνέχεια να βυθίζονται κ.ο.κ., Εικόνα 10.4 . Μπορείς να εξηγήσεις το φαινόμενο χρησιμοποιώντας μόνο την έννοια πυ κνότητα; Υπόδειξη: πρόσεξε τις φυσαλίδες που προσκολλιούνται στις σταφί

δες. Τι αποτέλεσμα έχουν στον όγκο της σταφίδας; Τι συμβαίνει στις φυσαλί δες όταν η σταφίδα φτάσει στην επιφάνεια; Ερμηνεία Οι φυσαλίδες του αερίου που εκλύονται προσκολλώνται στη σταφίδα και έτσι αυξάνεται ο όγκος του συσσωματώματος χωρίς να αυξηθεί ουσιαστικά η μάζα του. Ερμηνεία και για Δημοτικό: Το παραπάνω έχει ως συνέπεια η (μέση) πυ κνότητα του συσσωματώματος σταφίδα-φυσαλίδες να γίνει μικρότερη της πυ κνότητας του υγρού και το συσσωμάτωμα να ανέβει στην επιφάνεια. Εκεί οι φυσαλίδες φεύγουν, μένει η σταφίδα μόνη της και επειδή η πυκνότητά της εί ναι μεγαλύτερη του υγρού βυθίζεται σε αυτό. Στη σταφίδα, είτε στη διαδρομή της προς τον πυθμένα είτε όταν σταματήσει σε αυτόν, προσκολλώνται νέες φυ σαλίδες και επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία μέχρι να αραιώσουν/εκλείψουν οι φυσαλίδες. Τελικά οι φυσαλίδες λειτουργούν σαν να βάλατε «μπρατσάκια» στη σταφίδα. Η ερμηνεία στο Γυμνάσιο μπορεί να δοθεί με βάση την έννοια Άνωση: Το συσσωμάτωμα σταφίδα-φυσαλίδες δέχεται άνωση (A = Vσυσ ∙ρυγ. ∙g) μεγαλύτερη από το βάρος του (ουσιαστικά το βάρος της σταφίδας) και ανε βαίνει στην επιφάνεια. Στην επιφάνεια σπάζουν οι φυσαλίδες με συνέπεια να μικρύνει ο όγκος του. Η άνωση τώρα είναι μικρότερη από το βάρος της στα φίδας οπότε η σταφίδα βυθίζεται, κ.ο.κ.

Πείραμα 2 ο: Πώς μπορείς να κάνεις μια πατάτα να επιπλέει;

Εμπλεκόμενες έννοιες: Μάζα, βάρος, όγκος, πυκνότητα.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να εφαρμόσουν θεωρητικές γνώσεις για να

επιλύσουν μία προβληματική κατάσταση.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί επιτρέπει να αναδείξουμε την αδυνα

μία των παιδιών, και όχι μόνο, να μεταφέρουν γνώσεις από ένα πεδίο σε κάποιο άλλο.

Ευκολία: Εύκολο.

Επικινδυνότητα: Καμία.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: —

Τι χρειάζεσαι Ένα διαφανές ψηλό δοχείο, νερό βρύσης, μία μικρή πατάτα, δύο οδοντογλυ φίδες, δύο μικρά κομμάτια φελιζόλ. Τι θα κάνεις Γέμισε το δοχείο με νερό και ακούμπησε την πατάτα στην επιφάνεια του νε ρού. Τι παρατηρείς; Τι θα δεις Η πατάτα βυθίζεται στο νερό. Ερμηνεία Η πατάτα έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό και έτσι βυθίζεται σε αυτό. Διδακτική αξιοποίηση Θέσε το ερώτημα:

ώστε η πατάτα να επιπλέει στο νερό; Συνήθως

μπορούμε

ένα παιδάκι να επιπλέει στο

αλλά με την πατάτα; (Κουμαράς, 2017, σελ. 112).

Πείραμα 3 ο: Βουτιές στο λάδι

Εμπλεκόμενες

Γιατί εμπλέκει τα παιδιά σε μία διερευνητι

κή διαδικασία.

Ευκολία: Εύκολο.

Επικινδυνότητα: Καμία.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: https://youtu.be/RDJKPErkPoo

Τι χρειάζεσαι Νερό, ελαιόλαδο, οινόπνευμα, τέσσερα πλαστικά διαφανή ποτήρια, μια σύ ριγγα των 20 ml.

Τι θα κάνεις Βάλε στο ένα ποτήρι νερό, στο δεύτερο οινόπνευμα και στο τρίτο λάδι μέχρι περίπου τη μέση. Με τη σύριγγα πάρε 10 ml νερό και τοποθέτησέ τα στο τέ ταρτο, άδειο, ποτήρι. Στη συνέχεια, πάρε με την ίδια σύριγγα 16 ml οινοπνεύ ματος και πρόσθεσέ τα επίσης στο τέταρτο ποτήρι. Ανακάτεψε, με το ρύγχος της σύριγγας, τα δυο υγρά και πάρε μια μικρή ποσότητα από το μίγμα με τη σύριγγα. Βύθισε τη σύριγγα σε διάφορα βάθη στο ποτήρι με το λάδι και άφη σε εκεί κάθε φορά μια σταγόνα από το μίγμα. Τι παρατηρείς;

10.5. Η πατάτα επιπλέει στο νερό.

του λαδιού.

νερό με το οινόπνευμα, δη

10 cm3 νερό με 16 cm3 λάδι, ώστε να δώσουν υγρό με πυκνότητα ίση

με αυτή του λαδιού, δεν είναι σταθερή, και δεν μπορεί να υπολογιστεί θεω

ρητικά, διότι: α) Η πυκνότητα του λαδιού, στη βιβλιογραφία συνήθως δίνε

ται 0,91 g/cm3 , δεν είναι σταθερή εξαρτάται από την περιοχή παραγωγής.

Ομοίως και η πυκνότητα του ακάθαρτου οινοπνεύματος ως βιομηχανικού

προϊόντος δεν είναι σταθερή, εξαρτάται από τις πρώτες ύλες και την περι

εκτικότητα του σε νερό.

Λ Ο όγκος του υγρού που προκύπτει από τη ανάμιξη νερού και οινοπνεύμα

τος δεν είναι ίσος με τα άθροισμα των όγκων που αναμίχθηκαν. Ενδεικτι κά για να φανεί η επίδραση των παραπάνω: από την ανάμιξη 10 cm3 νερού πυκνότητας 1 g/cm3 με 16 cm3 οινοπνεύματος (καθαρής αλκοόλης) πυκνό

τητας 0,79 g/cm3 δίνουν μίγμα πυκνότητας (10∙1 + 16∙0,79)/26 = 0,87 g/cm3

και όχι ίση με 0,91 g/cm3 . Λ Όλα αυτά μπορούν να ευρεθούν πειραματικά για τα συγκεκριμένα υλικά που έχεις. Μπορείς να αναμίξεις νερό και οινόπνευμα, αρχικά στην παραπάνω

αναλογία και στη συνέχεια τοποθετείς σε μια σύριγγα μια μικρή ποσότητα

του μίγματος σε κάποιο βάθος μέσα το λάδι. Αν αυτή ανεβαίνει την επιφά

νεια προσθέτεις νερό στο μίγμα, αν βουλιάζει προσθέτεις λάδι.

Λ Το πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό μορφή διερεύνησης από κά θε παιδί στο σπίτι του. Στόχος: να φτιαχτεί μείγμα νερού με οινόπνευμα το οποίο να αιωρείται μέσα στο λάδι, σε οποιοδήποτε σημείο του και αν αφεθεί.

Εικόνα 10.6. Σταγόνες του μίγματος επιπλέουν, σε διάφορα βάθη, στο λάδι.

VanCleave’s, J., 1994. Γεωλογία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1994. Χημεία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1995. Φυσική για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

Wilkes, A., 1990. Τo πρώτο βιβλίο πειραμάτων. Εκδόσεις Μαργαρίτα Ε.Π.Ε. Αθήνα.

Wilkes, A., Mostyn, D., 1983. Simple Science. Usborne Publishing Ltd. London. Αλεξόπουλος, Κ., Μαρίνος, Δ., 1999. Ο μικρός ερευνητής. 100 πειράματα

με απλά μέσα

Σύνοψη

Γενικοί διδακτικοί στόχοι

12.1 Το πεπτικό σύστημα

12.2 Το αναπνευστικό σύστημα

12.3 Το μυοσκελετικό σύστημα

12.4 Ερεθιστικότητα

12.5 Τα φυτά

12.6 Οικοσυστήματα

12.7 Ερωτήσεις εμβάθυνσης

Βιβλιογραφία 12 ου κεφαλαίου

Γλωσσάριο επιστημονικών όρων

κάποιες ασθένειες

Εύκολο.

Καμία.

πείραμα:

χρειάζεσαι

πλαστικό καπάκι π.χ. από συσκευασία στιγμιαίου καφέ, μερικά κομμάτια λευκού μάρμαρου σε μέγεθος που να θυμίζει ένα δόντι, ξύδι.

Τι θα κάνεις Τοποθέτησε τα κομμάτια του μάρμαρου μέσα στο πλαστικό καπάκι και ρίξε ξύδι ώστε να τα καλύψει μέχρι τη μέση

Γιατί επιτρέπει τη διερεύνηση της θερμιδικής

αξίας διάφορων ξηρών καρπών.

Ευκολία: Μέτριο.

Επικινδυνότητα: Προσοχή κατά τη χρήση φλόγας.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: — Τι χρειάζεσαι Μερικούς ξηρούς καρπούς (φιστίκια, καρύδια, αμύγδαλα), έναν πυρίμαχο δο κιμαστικό σωλήνα, ένα ξύλινο μανταλάκι, μία σακοράφα ή ένα κομμάτι σύρμα, έναν αναπτήρα, ένα θερμόμετρο, ένα ρολόι, ένα μικρό κομμάτι χαρτί. Τι θα κάνεις Πάρε ένα φιστίκι και πίεσε τη μύτη της σακοράφας στο κέντρο του, με προ σοχή ώστε αυτό να μην θρυμματιστεί. (Εναλλακτικά, αν δεν έχεις σακοράφα, πάρε ένα κομμάτι σύρμα και λύγισε την μια άκρη του σχηματίζοντας μια μι κρή θηλιά πάνω στην οποία μπορεί να στηρίζεται το φιστίκι.) Τύλιξε την άλλη άκρη της με το χαρτί. Γέμισε τον δοκιμαστικό σωλήνα με νερό σε ύψος μέχρι 3-4 cm και πιάσε τον από τη μέση του με το μανταλάκι. Τοποθέτησε το θερ μόμετρο μέσα στον δοκιμαστικό σωλήνα ώστε η άκρη του να βρίσκεται μέσα στο νερό

στοιχες καύσεις δεν συμβαίνουν με τον τρόπο που επιδεικνύεται στο πείρα μα αλλά με πολύ πιο αργές διαδικασίες όπως για παράδειγμα αυτή που είναι γνωστή ως κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs.

Διδακτική αξιοποίηση Παρουσίασε στους μαθητές το παρακάτω σενάριο με σκοπό τη διερευνητική εκπαιδευτική προσέγγιση. Χωρίς τροφή κανένας ζωντανός οργανισμός δεν μπορεί να επιζήσει. Μέσω της τροφής προσλαμβάνουμε την απαραίτητη ενέργεια για την πραγματοποί ηση όλων εκείνων των λειτουργιών που μας διατηρούν ζωντανούς. Πώς όμως παράγεται ενέργεια από τις τροφές; Έχουν όλες οι τροφές την ίδια ενεργεια κή αξία; Ίσως δεν έχεις αναρωτηθεί ποτέ μέχρι σήμερα αν καίγονται οι ξηροί καρποί. Ήρθε, λοιπόν, η ώρα να το δοκιμάσεις! Διάλεξε 2-3 διαφορετικούς, π.χ. καρύδι, φυστίκι, αμύγδαλο και βρες έναν ασφαλή τρόπο για να δοκιμάσεις αν καίγονται. Αν κάποια από αυτά καίγονται, τότε ποιο παράγει μεγαλύτερη πο σότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας τους; Πώς θα την μετρήσεις;

χρειάζεσαι

μεγάλο σκληρό πλαστικό μπουκάλι από νερό με το καπάκι του, ένα γκα ζάκι, αναπτήρα, ένα καρφί, χαρτί κουζίνας, ένα καλαμάκι, ένα γάντι μιας χρή σης, ένα μικρό μπαλόνι, ένα λαστιχάκι, πλαστελίνη, ένα ψαλίδι. Τι θα κάνεις Κόψε οριζόντια το μπουκάλι κοντά στον πάτο του, περίπου στο 1/3 του ύψους του, και κράτησε το πάνω τμήμα του. Άναψε το γκαζάκι. Κράτησε το κεφάλι του καρφιού, τυλιγμένο με ένα κομμάτι χαρτί κουζίνας και ζέστανε το μπρο στινό μέρος του στη φλόγα. Όταν ζεσταθεί το καρφί ακούμπησε την πυρωμέ νη μύτη του στο καπάκι και άνοιξε σε αυτό μια τρύπα, τέτοια ώστε να περνάει από αυτή σφιχτά το καλαμάκι. Πέρασε το καλαμάκι μέσα από την τρύπα. Βάλε την άκρη από το καλαμάκι, αυτή που είναι στο εσωτερικό του καπακιού, μέσα στον λαιμό του μικρού μπαλονιού. Χρησιμοποίησε το λαστιχάκι για να σφίξεις τον λαιμό του μπαλονιού

το πλαστικό γάντι στο ανοιχτό κάτω μέρος του μπουκαλιού έτσι ώστε να το κλείνει, Εικόνα 12.4 . Έχεις έτσι κλείσει το κάτω μέρος του μπουκα λιού με μια ελαστική μεμβράνη. Τράβηξε προς τα κάτω την ελαστική μεμβρά νη και μετά σπρώξε την προς τα πάνω, Εικόνα 12.4 .

Τι θα δεις Όταν τραβάς προς τα κάτω την ελαστική μεμβράνη, το μπαλόνι μέσα στο μπου κάλι φουσκώνει. Όταν την σπρώχνεις προς τα πάνω, το μπαλόνι ξεφουσκώνει.

Ερμηνεία Αρχικά η πίεση μέσα στον χώρο του μπουκαλιού που περιορίζεται από το μπα λόνι, το γάντι και τα τοιχώματα του μπουκαλιού είναι ίση με την ατμοσφαι ρική. Μέσα στο μπαλόνι η πίεση είναι πάντα ίση με την ατμοσφαιρική, μια και το εσωτερικό του επικοινωνεί διαρκώς με την ατμόσφαιρα, Όταν τραβά με το γάντι προς τα κάτω, μέσα στο μπουκάλι δημιουργείται υποπίεση διότι ο αέρας που υπάρχει εκεί απλώνεται σε μεγαλύτερο χώρο. Αυτό έχει ως απο τέλεσμα να υπάρχει διαφορά πίεσης μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερι κού χώρου του μπαλονιού, με αποτέλεσμα να δημιουργείται πιεστική δύναμη που ωθεί το τοίχωμα του μπαλονιού προς τα έξω. Έτσι το μπαλόνι φουσκώ νει (μπαίνει αέρας σε αυτό) μέχρις ότου οι πιέσεις μέσα και έξω από αυτό (δη λαδή, μέσα στο μπουκάλι) να γίνουν ίσες. Όταν σπρώχνουμε το γάντι προς τα πάνω, τότε μέσα στο μπουκάλι δημιουργείται υπερπίεση διότι ο αέρας που υπάρχει εκεί περιορίζεται σε μικρότερο χώρο. Αυτό έχει ως τελικό αποτέλε σμα να βγει αέρας από το μπαλόνι, έτσι το μπαλόνι ξεφουσκώνει μέχρις ότου οι πιέσεις μέσα σε αυτό και έξω από αυτό (δηλαδή μέσα στο μπουκάλι) να γί νουν ίσες. Στην παραπάνω ανάλυση δεν παίρνουμε υπόψη τις ελαστικές τά σεις της μεμβράνης του μπαλονιού. Παρατηρήσεις Λ Η κίνηση της ελαστικής μεμβράνης πάνω-κάτω αντιστοιχεί στην κίνηση του διαφράγματος, αναδεικνύοντας τον ρόλο του στον μηχανισμό της αναπνο ής. (Επίσης, και η κίνηση των πλευρών συντελεί στην αναπνοή, αν και σε

το πείραμα αυτό δεν δείχνεται.)

καλύτερα αποτελέσματα πρέπει το μπαλόνι που

του

μέσα

να μη μπαίνει αέρας από

καλαμάκι, γύρισε το καπά

κόλα, ώστε να κλείσουν τα

κενά που μπορεί να υπάρχουν ανάμεσα στο καλαμάκι και στο πλαστικό ή

χρησιμοποίησε λίγη πλαστελίνη για να κλείσεις τυχόν υπάρχουσες σχισμές

στο καλαμάκι και στα τοιχώματα της τρύπας.

Μπορείς να χρησιμοποιήσεις

αιχμηρά

γάντι.

κατά

2 ο: Πόσο αέρα χωράνε τα πνευμόνια μας;

Εμπλεκόμενες έννοιες: Αναπνευστικό σύστημα, πνεύμονας, πίεση, ισορ ροπία.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να μετρήσουν τη χωρητικότητα των πνευ μόνων τους σε αέρα.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί δίνει αποτελέσματα που συνάδουν με την ειδική βιβλιογραφία. Ευκολία: Εύκολο. Επικινδυνότητα: Καμία. Βιντεοσκοπημένο πείραμα: https://youtu.be/FIaO4-HZgIk

Τι χρειάζεσαι

Μία λεκάνη με νερό, μια πλαστική φιάλη όγκου 5 L (π.χ. αποθήκευσης κρα σιού ή λαδιού), ένα εύκαμπτο λάστιχο (σωλήνα) μήκους περίπου 60 70 cm, ψαλίδι, ένα μπουκάλι νερού

κάνεις

βρεθεί μέσα στο νερό της λεκάνης. Πέρασε τη μία άκρη του λάστιχου μέσα στη φιάλη, αξιοποιώντας το κόψιμο που έχεις κάνει στο στόμιό της. Πάρε μια βα θιά ανάσα και φύσηξε τον αέρα που έχεις στα πνευμόνια σου μέσα στη φιάλη. Τι θα δεις Η φιάλη γεμίζει με αέρα στο πάνω της μέρος, που

ενώ

στη

τώρα ο

Από τη βαθμο

της φιάλης μπορείς να μετρήσεις τον όγκο του αέρα που έχεις φυσή

μέσα στη φιάλη, άρα, χοντρικά, και τη χωρητικότητα των πνευμόνων σου.

νερό δεν χύνεται όταν γυρίσεις ανάποδα τη φιάλη λόγω της ατμοσφαιρι

πίεσης

της μικρότερης πυκνότητάς του από το νερό, πηγαίνει στο πάνω μέρος της φιάλης. Η πίεση του αέρα αυ ξάνεται σπρώχνοντας το νερό έξω από τη φιάλη.

Πείραμα 3 ο: Η νόσος των δυτών

Εμπλεκόμενες έννοιες: Διαλυτότητα αερίων, πίεση, αναπνοή, άζωτο.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να παρατηρήσουν τον μηχανισμό που προ

καλεί τη νόσο των δυτών.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί προκαλεί το ενδιαφέρον των παιδιών.

Ευκολία: Εύκολο.

Επικινδυνότητα: Καμία.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: —

Εικόνα 12.5. Κόψε, σε ένα μέρος του, το στόμιο

της φιάλης με ένα ψαλίδι.

Εικόνα 12.6. Η φιάλη αδειάζει από νερό και γεμίζει με αέρα

τα πνευμόνια σου.

το

του όγκου της σύριγγας, Εικόνα 12.7. Κλείσε το στόμιο της σύριγγας με

δάκτυλό

θα δεις

τράβηξε

έμβολό της.

υγρό γεμίζει με φυσαλίδες, Εικόνα 12.8 , σαν να βράζει.

Ερμηνεία Μέσα στο αναψυκτικό υπάρχει διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα. Η αύξηση του όγκου, όταν τραβάς το έμβολο, μειώνει την πίεση μέσα στη σύριγγα γε γονός που οδηγεί στη μείωση της διαλυτότητας του αέριου διοξειδίου του άν θρακα στο αναψυκτικό. Έτσι, το αέριο ελευθερώνεται δημιουργώντας τις φυ σαλίδες που παρατηρείς. Παρομοίως, το διαλυμένο άζωτο μέσα στο αίμα και τους ιστούς απελευθερώνεται αν μειωθεί απότομα η εξωτερική πίεση προκα λώντας ό,τι είναι γνωστό ως νόσος των δυτών. Παρατηρήσεις Λ Το αναψυκτικό προτείνεται να έχει παραμείνει μερικές ώρες στο ποτήρι ώστε να έχει «ξεθυμάνει», να έχει χάσει δηλαδή αρκετό από το διαλυμένο μέσα σε αυτό CO2 . Σε αυτή την περίπτωση η όψη του θα μοιάζει με αυτή του νερού.

Εικόνα 12.7. Το ανθρακούχο νε ρό μέσα στην ανοικτή σύριγγα.

Εικόνα 12.8. Το νερό έχει γεμίσει φυσαλίδες σαν να βράζει.

Σύνδεση με την καθημερινή ζωή Η νόσος δυτών οφείλεται στην παρουσία φυσαλίδων στους ιστούς του σώ

ματος, από το αέριο άζωτο που προσλαμβάνεται κατά την αναπνοή από τον ατμοσφαιρικό αέρα και έχει διαλυθεί στο αίμα και τους ιστούς κατά τη διάρ κεια μιας κατάδυσης. Η ποσότητα του αζώτου που διαλύεται στους ιστούς του σώματος κατά τη διάρκεια μιας κατάδυσης εξαρτάται από το βάθος της κατά δυσης και τη διάρκεια της έκθεσης στο βάθος. Αν ο δύτης αναδυθεί γρήγορα τότε μπορούν να δημιουργηθούν

Ατμοσφαιρική πίεση, υποπίεση, ισορροπία, αναπνοή.

Τάξεις εφαρμογής: Δημοτικό, Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να διαπιστώσουν πώς η ατμοσφαιρική πί

εση βρίσκεται σε ισορροπία με την εσωτερική πίεση ενός οργανισμού.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί συνδέεται με την εξερεύνηση του δια

στήματος η οποία προκαλεί το ενδιαφέρον των παιδιών.

Ευκολία: Εύκολο. Επικινδυνότητα: Το τράβηγμα του εμβόλου δε θα πρέπει να ακολουθείται από την απότομη απελευθέρωσή του γιατί μπορεί να προκληθεί τραυ ματισμός. Βιντεοσκοπημένο πείραμα: — Τι χρειάζεσαι Δύο σύριγγες των 60 ml (χωρίς βελόνα), μερικά μικρά, μακρόστενου σχήμα τος μπαλόνια (νερομπαλόνια), ζαχαρωτά Marshmallow.

θα κάνεις

VanCleave’s, J., 1994. Γεωλογία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1994. Χημεία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1995. Φυσική για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

Wilkes, A., 1990. Τo πρώτο βιβλίο πειραμάτων. Εκδόσεις Μαργαρίτα Ε.Π.Ε. Αθήνα.

Wilkes, A., Mostyn, D., 1983. Simple Science. Usborne Publishing Ltd. London. Αλεξόπουλος, Κ., Μαρίνος, Δ., 1999. Ο μικρός ερευνητής. 100 πειράματα

με απλά μέσα

Σύνοψη

Γενικοί διδακτικοί στόχοι

14.1 Κινήσεις

14.1.1 Ευθύγραμμες

14.1.2 Κυκλικές

14.1.3 Ταλαντώσεις

14.2 Μελέτη του φωτός

14.3 Κυματικά φαινόμενα

14.4 Ερωτήσεις εμβάθυνσης

Βιβλιογραφία 14 ου κεφαλαίου

Γλωσσάριο επιστημονικών όρων

Λυκείου.

κίνησης.

κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων που

είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν διαφορετικά σε σχολικό εργαστή

ριο.

Ευκολία: Μέτριο.

Επικινδυνότητα: Καμία.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: https://youtu.be/pbuttqvRzKI Τι χρειάζεσαι Ένα έξυπνο κινητό τηλέφωνο με εγκατεστημένη τη δωρεάν εφαρμογή Phyphox, ηλεκτρονικό υπολογιστή, ένα κεκλιμένο επίπεδο (εναλλακτικά ένα μακρύ θρα νίο ανασηκωμένο σε κλίση), χριστουγεννιάτικα λαμπάκια, αμαξίδιο (εργαστη ριακό ή κάποιο παιχνίδι), τροχαλία, πετονιά, λάστιχο συσκευασίας, βαρίδια. Τι θα κάνεις Τοποθέτησε κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου, και στη μία άκρη του, τα χριστουγεννιάτικα λαμπάκια, όπως φαίνεται στην Εικόνα 14.1 : τα λαμπάκια να είναι προσανατολισμένα προς τα κάτω εκτός από αυτά που απέχουν μετα ξύ τους συγκεκριμένη απόσταση, π.χ. 20 cm, που πρέπει

(Εικόνα 14.3).

κάτω από

ώστε να ξεκινήσει να

τιμές Ενεργοποίηση πάνω από

κινείται

σταθερή

η οποία είναι διαφορε τική, ανάλογα με τον τρόπο που σπρώχνεις το αμαξίδιο για να ξεκινήσει να κινείται. Στην οθόνη του υπολογιστή, αλλά και σε αυτήν του τηλεφώνου, εμ φανίζονται τιμές όπως αυτές

Εικόνας 14.4 , οι οποίες αναπαριστούν τη χρο νική στιγμή που το αμαξίδιο

λαμπάκι που βρίσκεται

Ερμηνεία Με δεδομένη τη γωνία του κεκλιμένου επιπέδου, οι δυνάμεις που ασκούνται στο αμαξίδιο αναπαρίστανται στην Εικόνα 14.5 . Με κατάλληλη επιλογή των βαριδιών που αναρτούμε στην τροχαλία πετυχαίνουμε ώστε η συνισταμένη δύναμη στην διεύθυνση

: Οι μαθητές να μελετήσουν διάφορα είδη ευθύγραμμων

ομαλά μεταβαλλόμενων κινήσεων.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων που

είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν διαφορετικά σε σχολικό εργαστή

Μέτριο.

Καμία.

πείραμα:

14.4.

αμαξίδιο περνάει μπροστά

οποία βρίσκονται

Εικόνα 14.5.

που

λαμπάκια διανύεται σε διαφορετικό χρόνο. Όπως προκύπτει από την επεξεργασία των μετρήσεων, α. το αμαξίδιο επιταχύνεται προς τα πάνω, μέχρι τα βαρίδια να ακουμπήσουν στο πάτωμα, β. το αμαξίδιο επιβραδύνεται, σταματά στιγμιαία και αντιστρέφει τη φορά της κίνησής του. Ενδεικτική γραφική αναπαράσταση των πειραματικών δεδομέ νων που προκύπτουν δίνεται στην Εικόνα 14.6 (Pierratos & Polatoglou, 2020). Ερμηνεία Με δεδομένη τη γωνία του κεκλιμένου επιπέδου, οι δυνάμεις που ασκούνται στο τηλέφωνο αναπαρίστανται στην Εικόνα 14.5 . Με κατάλληλη επιλογή των βαριδιών που αναρτούμε στην τροχαλία πετυχαίνουμε ώστε η συνισταμένη δύναμη στην διεύθυνση που είναι παράλληλη με το κεκλιμένο επίπεδο (διεύ θυνση κίνησης) να είναι ίση με μηδέν. α. Όταν προσθέτουμε ένα μικρό βαρί δι ακόμη η ισορροπία παύει να υφίσταται: στο αμαξίδιο ασκείται μία σταθε

δύναμη στη διεύθυνση

είναι

το κεκλιμένο επίπεδο, με

ρύτητας.

3 ο: Ελεύθερη πτώση

έννοιες: Θέση, μετατόπιση, ταχύτητα, επιτάχυνση της βα

Τάξεις εφαρμογής: Γυμνάσιο, Λύκειο.

Διδακτικός στόχος: Οι μαθητές να μελετήσουν την ελεύθερη πτώση.

Γιατί να κάνω αυτό το πείραμα; Γιατί παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων που

είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν διαφορετικά σε σχολικό εργαστή ριο.

Ευκολία: Μέτριο. Επικινδυνότητα: Καμία.

Βιντεοσκοπημένο πείραμα: —

Τι χρειάζεσαι

Ένα έξυπνο κινητό τηλέφωνο με εγκατεστημένη τη δωρεάν εφαρμογή Phyphox, έναν στατήρα με λαβίδα, ένα μπαλόνι, ένα βαρίδιο, μία μεζούρα, μια καρφίτσα.

Τι θα κάνεις Στερέωσε με τον κατάλληλο σύνδεσμο τη

πάτωμα.

χρονόμετρό του, και του

ολοκληρώνεται

κινητό

κρότου

βαρίδι πέφτει και κάνει θόρυβο μό

δίνει ένδειξη του χρο

το μπαλόνι, οπότε ενεργοποιείται

το βαρίδι χτυπά στο πάτωμα, οπό

χρονομέτρηση, Εικόνα 14.8 .

τη στιγμή που σκάει το μπαλόνι το βαρίδι εκτελεί ελεύθερη πτώση. Το ακουστικό χρονόμετρο της εφαρμογής Phyphox παρέχει τον χρόνο κίνησης του βαριδίου. Μετρώντας με τη μεζούρα το ύψος από το οποίο αφέθηκε το βα ρίδιο μπορούμε είτε να επιβεβαιώσουμε τις εξισώσεις κίνησης της ελεύθερης πτώσης, είτε να υπολογίσουμε την επιτάχυνση της βαρύτητας g, από την κλί ση σε ένα διάγραμμα h t2 , επαναλαμβάνοντας το πείραμα για διάφορα ύψη. Παρατηρήσεις Λ Μπορεί να χρειαστεί να πειραματιστείς με διάφορες τιμές των επιλογών Κα τώφλι ενεργοποίησης και Ελάχιστη καθυστέρηση της εφαρμογής. Δες σχε τικά και το κείμενο στην οθόνη του κινητού, Εικόνα 14.8 .

Εικόνα 14.7. Η πειραματική διάταξη. Εικόνα 14.8. Στιγμιότυπο της οθόνης του τηλεφώνου.

VanCleave’s, J., 1994. Γεωλογία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1994. Χημεία για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

VanCleave’s, J., 1995. Φυσική για παιδιά. Εκδόσεις Γ. Α. Πνευματικού. Αθήνα.

Wilkes, A., 1990. Τo πρώτο βιβλίο πειραμάτων. Εκδόσεις Μαργαρίτα Ε.Π.Ε. Αθήνα.

Wilkes, A., Mostyn, D., 1983. Simple Science. Usborne Publishing Ltd. London. Αλεξόπουλος, Κ., Μαρίνος, Δ., 1999. Ο μικρός ερευνητής. 100 πειράματα Φυσικής με απλά μέσα για παιδιά από 12 ετών. Μακεδονικές