Πέμπτη, 22 Οκτωβρίου 2015

Σχέδιο μαθήματος και φύλλο εργασίαςγια τη Φυσική της Α' Γυμνασίου: 5. Από τη θερμότητα στη θερμοκρασία – Η θερμική ισορροπία




 
Τα υλικά που θα χρειαστείτε

Α’ μέρος: διαφοροποίηση θερμότητας-θερμοκρασίας.
Ένας από τους κύριους στόχους της ενότητας αυτής είναι οι μαθητές να διαχωρίσουν τις έννοιες Θερμότητα και Θερμοκρασία. Παρακάτω προτείνονται μερικές δραστηριότητες που τα αποτελέσματά τους μπορούν να αξιοποιηθούν από το διδάσκοντα για να δείξουν ότι οι δύο έννοιες διαφοροποιούνται και να ξεκινήσει σχετική συζήτηση στην ολομέλεια της τάξης.
Επειδή τα πειράματα με πηγές θερμότητας και νερό υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να είναι επικίνδυνα σε μία τάξη με 5-6 ομάδες νεαρών μαθητών και ενός μόνο διδάσκοντα, προτείνεται ό,τι ακολουθεί να γίνει υπό μορφή επίδειξης. Επιλέξτε διαφορετικούς μαθητές κάθε φορά για να κάνουν τις σχετικές μετρήσεις και προσπαθήστε να τους εμπλέξτε όλους στη συζήτηση που θα ακολουθήσει.

Δραστηριότητα 1
1ο βήμα
Σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα βάζω 5 ml νερού βρύσης και μετράω τη θερμοκρασία θ0. Τοποθετώ πάνω από ένα κεράκι ρεσώ για ένα λεπτό ακριβώς και καταγράφω τη θερμοκρασία θ1. Προκαλώ συζήτηση: γιατί αυξήθηκε η θερμοκρασία του νερού;
Καταλήγουμε: προσφέρθηκε «κάτι» από τη φλόγα του κεριού. Ας το πούμε «θερμότητα».

2ο βήμα
Σε όμοιο δοκιμαστικό σωλήνα βάζω πάλι 5 ml νερού βρύσης και μετράω τη θερμοκρασία θ0 (λίγο – πολύ θα είναι ίση με πριν). Τοποθετώ πάνω από ένα κεράκι ρεσώ για δύο λεπτά ακριβώς και καταγράφω τη θερμοκρασία θ2 η οποία είναι μεγαλύτερη από τη θ1.
Ερώτηση: Γιατί η αύξηση είναι μεγαλύτερη στη δεύτερη περίπτωση; Δόθηκε περισσότερη θερμότητα με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη θερμοκρασία του νερού.

Δραστηριότητα 2
Σε δύο «αδιαφανείς» όμοιους δοκιμαστικούς σωλήνες βάζω διαφορετικές ποσότητες νερού βρύσης, χωρίς να καταλάβουν οι μαθητές ότι οι ποσότητες είναι διαφορετικές. Τις θερμομετρώ και καταγράφω τις ίδιες αρχικές θερμοκρασίες. Τοποθετώ τους 2 σωλήνες πάνω από δύο όμοια κεριά για 1 λεπτό και καταγράφω τις δύο διαφορετικές τελικές θερμοκρασίες. Προκαλώ συζήτηση: Αν υποθέσουμε ότι τα δύο κεριά παρέχουν ίσες ποσότητες θερμότητας γιατί καταλήξαμε σε διαφορετικές θερμοκρασίες; Δείχνω τελικά ότι υπήρχαν διαφορετικές ποσότητες νερού.
Συμπέρασμα: Ίδια ποσότητα θερμότητας μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετική θερμοκρασία.
Δραστηριότητα 3
Ρωτάω: διαφορετικές ποσότητες νερού θα φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία στους ίδιους χρόνους; Γιατί;
Κάνουμε το πείραμα. Η μεγαλύτερη ποσότητα αργεί περισσότερο.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Παρέχοντας θερμότητα μπορούμε να μεταβάλλουμε θερμοκρασία. Το πώς θα μεταβληθεί η θερμοκρασία εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Συνεπώς, η θερμότητα είναι μία έννοια που περιγράφει το μηχανισμό θέρμανσης ενώ η θερμοκρασία το πόσο πολύ θερμάνθηκε ένα σώμα.

Δραστηριότητα 4: Σύνδεση με το μικρόκοσμο
Σε δύο όμοια δοχεία τοποθετώ ίσες ποσότητες ζεστού και κρύου νερού. Ρίχνω από μία σταγόνα χρώματος ζαχαροπλαστικής (ή υδατοδιαλυτό μελάνι). Πώς εξηγείται ό,τι παρατηρώ; Μικροσκοπική ερμηνεία.

Β’ μέρος – Θερμική ισορροπία
Α. Πρόκληση ενδιαφέροντος
Ο Γιάννης θέλει να πλύνει το καινούργιο του πουκάμισο αλλά το πλυντήριο έχει χαλάσει. Σύμφωνα με την ετικέτα του ρούχου πρέπει να το πλύνει στους 40 C. Αν το πλύνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία δεν θα καθαρίσει, αν το πλύνει σε υψηλότερη θα ξεβάψουν τα χρώματα. Ο Γιάννης διαθέτει νερό από τη βρύση θερμοκρασίας 20 C και ζεστό νερό από το θερμοσίφωνο θερμοκρασίας 60 C. Βοηθήστε το Γιάννη για να πλύνει με ασφάλεια το καινούργιο του πουκάμισο…

Β. Διατύπωση υποθέσεων.
Ποια θα είναι η θερμοκρασία ποσότητας νερού που θα προκύψει από την ανάμιξη νερού θερμοκρασίας 20 C και νερού θερμοκρασίας 60 C; Πώς μπορείς να ελέγξεις πειραματικά την υπόθεσή σου; Να σχεδιάσετε μία κατάλληλη πειραματική διαδικασία (λίγο πολύ αναμένεται κάτι σαν και αυτό που περιγράφεται στο βήμα Γ).

Γ. Ερευνώ – Πειραμαίζομαι
Διαθέτω δύο ποτήρια με νερό, θερμοκρασίας 60 C και 20 C, ίσης ποσότητας. Δύο μαθητές τα θερμομετρούν. Ερώτηση: αν αναμίξω το νερό των δύο ποτηριών τι θερμοκρασία θα έχει η ανάμιξη; Τι θα γίνει αν το ζεστό νερό είναι διπλάσιο σε ποσότητα από το κρύο; Τι θα γίνει αν το κρύο είναι διπλάσιο από το ζεστό; Οι μαθητές τείνουν να πιστεύουν ότι η θερμοκρασία, όπως η μάζα για παράδειγμα, έχει προσθετικές ιδιότητες. Νερό 60 και 20 βαθμών θα δώσει νερό θερμοκρασίας 80 C! Είναι μια ευκαιρία να αναδείξουμε πειραματικά την ανεπάρκεια των ιδεών τους. (Για μοντέλα μαθητών για τη θερμότητα και θερμοκρασία δες σχετικά: Σκουμιός, Χατζηνικήτα, 2000: http://www.rhodes.aegean.gr/ptde/labs/lab-fe/downloads/articles/SKOUMIOS_XATZHN.pdf‎)

Προκειμένου να ερμηνευτούν τα αποτελέσματα απαιτείται προσφυγή στο μικρόκοσμο. Αναφορά στη Δραστηριότητα 4 του Α’ μέρους.

 Δ. Συμπεράσματα.
Πώς μπορούν να εξηγηθούν οι μεταβολές στη θερμοκρασία του νερού που προκύπτει από την ανάμιξη;

Ε. Γενίκευση (Προσφυγή στο πείραμα του βιβλίου)
Αντί να έχω ανάμιξη χρησιμοποιώ τη λεκάνη και το ποτήρι, παρακολουθώ την εξέλιξη των δύο θερμοκρασιών, κάνουμε γραφικές παραστάσεις. Πώς επηρεάζεται η θερμοκρασία ισορροπίας αν αλλάξω τις ποσότητες του νερού στο ποτήρι και στη λεκάνη; Τι θα κάνω για να φτάσω σε ισορροπία σε όσο το δυνατόν πιο κοντά στη θερμοκρασία του νερού της λεκάνης; Τι προβλήματα μπορεί να έχει η μέτρηση με θερμόμετρο, με βάση το πείραμα αυτό; Είναι «αληθινή»; Είναι μικρότερη, μεγαλύτερη ή ίση με τη θερμοκρασία του σώματος που θερμομετριέται; Επίδειξη του μπουκαλιού με οινόπνευμα: τι προβλήματα μπορεί να αντιμετωπίσετε αν το χρησιμοποιήσετε για να μετρήσετε τη θερμοκρασία του νερού της λεκάνης;