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…

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

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)!

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.

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 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).

3. Ισορροπήστε ένα μικρό κέρμα (δοκιμάστε μια πέννα αγγλικής λίρας ή ένα κέρμα των 5 ή 10 λεπτών του Ευρώ) στο άγκιστρο.
4. 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.

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.

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.

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