Δευτέρα, 4 Νοεμβρίου 2013

Σχέδια μαθήματος και φύλλα εργασίας για τη Φυσική της Α' Γυμνασίου - 2. Μετρήσεις χρόνου-η ακρίβεια



Τα υλικά που θα χρειαστείτε



1η Διδακτική ώρα
Α. Προσανατολισμός
Προβάλλουμε με βιντεοπροβολέα τον πίνακα της παρακάτω εικόνας και αφηγούμαστε την παρακάτω ιστορία.



«Ευρώπη,  έτος 1581 κι εκείνος 17 ετών, γεννημένος στην Πίζα. Εκείνο το πρωινό έτυχε να βρίσκεται μέσα στον καθεδρικό ναό της πόλης. Μια πόρτα μισάνοιχτη, ένα μικρό αεράκι και ένας πολυέλαιος του ναού άρχισε να αιωρείται. Ο νεαρός, αγνοώντας τον περίγυρο εστίασε την προσοχή του στην αιώρηση και η ΙΔΕΑ- ΥΠΟΨΙΑ  γεννήθηκε. Είτε ο πολυέλαιος ταλαντευόταν με μεγάλο πλάτος, είτε με μικρότερο, είτε μόλις και μετά βίας έκανε την αιώρηση, ολοκλήρωνε τον ίδιο αριθμό αιωρήσεων. σε ίσους χρόνους. Έτος 1581, χρονόμετρο για τη μέτρηση τόσο μικρών χρονικών διαστημάτων δεν υπάρχει και ο νεαρός Γαλιλαίος  για να ερευνήσει το ότι το «πήγαινε – έλα» της  κάθε αιώρησης γίνεται στον ίδιο χρόνο με το «πήγαινε – έλα» της οποιασδήποτε επόμενης, κάτι δηλαδή που δεν είχε υποθέσει μέχρι τότε κανείς, σκέφτηκε να εμπιστευτεί τον σφυγμό του. Στις μέρες που ακολούθησαν, με ένα σπάγκο και ένα βαρίδι, δοκίμασε να εξετάσει το ισόχρονο όλων των αιωρήσεων μόνος του…» (πηγή: Ανδρέας Κασσέτας).

Ζητάμε από τους μαθητές να παρατηρήσουν τον πίνακα και να τον σχολιάσουν, εν τάχει, με βάση το παραπάνω κείμενο. Ενδεικτικά: γιατί το καπέλο του Γαλιλαίου είναι στο πάτωμα; Το έριξε ο αέρας; Φαίνεται άραγε να μετράει το σφυγμό του; Πώς αλλιώς θα μπορούσε να μετρήσει το χρόνο ταλάντωσης; (η ιστορία φαίνεται να υποδεικνύει ότι χρησιμοποίησε, πέρα από το σφυγμό του, ρυθμικά μουσικά μοτίβα (ο πατέρας του ήταν μουσικός!)).

Β. Πώς μετράμε το χρόνο; Λάθη που μπορεί να γίνουν κατά τη διαδικασία της μέτρησης.
Με βάση όσα έγιναν στην πρώτη ενότητα (μέτρηση μήκους) σε τι συνίσταται η μέτρηση του χρόνου; Εκμαιεύουμε από τους μαθητές ότι πρέπει να υπάρχει μία μονάδα μέτρησης με την οποία θα συγκριθούν τα χρονικά διαστήματα.
Ποια ήταν η μονάδα που χρησιμοποίησε αρχικά ο Γαλιλαίος, σύμφωνα με το παραπάνω κείμενο;
Μπορεί αυτή η μονάδα να είναι αντικειμενική;

Δραστηριότητα 1.
Καλούμε τους μαθητές να «βρουν» το σφυγμό τους και τους ζητάμε να μετρήσουν πόσο χρόνο, δηλαδή πόσους σφυγμούς μετράει ο καθένας τους, ώστε ο εκπαιδευτικός να κινηθεί από τη μία άκρη της αίθουσας στην άλλη. Αναμένεται να δώσουν διαφορετικά αποτελέσματα. Ζητάμε από τους μαθητές να χοροπηδήσουν, να κινηθούν έντονα για μερικά δευτερόλεπτα ώστε να ανεβάσουν τους σφυγμούς τους και επαναλαμβάνουμε τη μέτρηση.
Είναι αντικειμενική η μονάδα μέτρησης «σφυγμός»;

Δραστηριότητα 2.
Ζητάμε από τους μαθητές, σε ομάδες, να χρησιμοποιήσουν τα ρολόγια τους για να μετρήσουν το χρόνο που θα κάνει και πάλι ο εκπαιδευτικός να κινηθεί από τη μία άκρη της αίθουσας στην άλλη. Αναμένεται να δώσουν διαφορετικά αποτελέσματα. Ποια είναι η σωστή μέτρηση; Γιατί διαφέρουν οι μετρήσεις μεταξύ τους; Πώς θα μπορούσε να λυθεί το πρόβλημα;

Αναμένεται οι μαθητές να αξιοποιήσουν ό,τι απεκόμισαν από την διαπραγμάτευση του φύλλου εργασίας 1 για να απαντήσουν στις παραπάνω ερωτήσεις. Ενδεικτικά, αναμένεται να προτείνουν την προσφυγή στο μέσο όρο των μετρήσεων. Άρα στο σημείο αυτό μπορούμε να «αξιολογήσουμε» το προηγούμενο μάθημα.

Γ. Για το σπίτι
Χρησιμοποίησε το χρονόμετρο του κινητού τηλεφώνου των γονιών σου για να μετρήσεις πόσο διαρκεί η πτώση ενός κέρματος από το ύψος του κεφαλιού σου μέχρι το πάτωμα. Τι προβλήματα συναντάς; Υπόθεσε ότι έχεις πρόσβαση σε ό,τι εξοπλισμό επιθυμείς. Πώς θα μπορούσες να τα λύσεις;

2η Διδακτική ώρα
Δίνεται το φύλλο εργασίας ΦΕ2.
Κάθε ομάδα έχει πρόσβαση σε 2 μέτρα σκοινί, ένα ρολόι, διάφορα βαρίδια. Ως σημείο ανάρτησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα καρφί στον τοίχο (είτε κατεβάζουμε κάποιο κάδρο είτε καρφώνουμε μερικά καρφιά στους τοίχους της σχολικής αίθουσας).

Και πάλι, αν ο χρόνος δεν είναι αρκετός η παρουσίαση στην ολομέλεια μπορεί να γίνει σε μία 3η διδακτική ώρα.
Στο τέλος της ενότητας ο εκπαιδευτικός συνοψίζει τα σημαντικότερα σημεία δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στο ότι όταν εκτελείται ένα πείραμα με σκοπό τη διερεύνηση διάφορων παραγόντων πρέπει κάθε φορά να αλλάζει μία μόνο παράμετρος, ενώ οι υπόλοιπες συνθήκες πρέπει να παραμένουν σταθερές.
Επίσης, θα ήταν χρήσιμο εφόσον έχει προλάβει να «ελέγξει» τις εργασίες για το σπίτι να ζητήσει από τους μαθητές που πρότειναν πρωτότυπες (ακόμη και δύσκολο να εφαρμοστούν) προτάσεις επίλυσης του προβλήματος χρονομέτρησης πολύ μικρών χρονικών διαστημάτων με ένα χρονόμετρο, να τις παρουσιάσουν στην ολομέλεια και να προκληθεί συζήτηση αξιολόγησής τους μεταξύ των μαθητών.

Φύλλο εργασίας (σε μορφή .doc)


Α. Το πρόβλημα




Στη σχολική εφημερίδα σας στάλθηκαν για να δημοσιευτούν δύο εργασίες φυσικής. Και οι δύο μαθητές-συγγραφείς (ένας για κάθε μία εργασία) ισχυρίστηκαν ότι εκτέλεσαν δύο διαφορετικά πειράματα με σκοπό να ελέγξουν κατά πόσο θα μπορούσε να είναι επιστημονικά δυνατή η ιστορία που περιγράφει την παρατήρηση του ταλαντευόμενου πολυέλαιου από τον Γαλιλαίο.
Ο πρώτος ισχυρίστηκε ότι όσο πιο μεγάλο ήταν το μήκος του σκοινιού από το οποίο κρεμόταν ο πολυέλαιος που παρατήρησε ο Γαλιλαίος, τόσο πιο εύκολο θα ήταν για αυτόν να μετρήσει το χρόνο ταλάντωσης του πολυέλαιου με το σφυγμό του.
Ο δεύτερος ισχυρίστηκε ότι αν ο πολυέλαιος είχε αντικατασταθεί από έναν βαρύτερο που κρεμόταν από το ίδιο ύψος, ο Γαλιλαίος θα μπορούσε πιο εύκολα να μετρήσει το χρόνο ταλάντωσής του με το σφυγμό του.
Για να δημοσιευτεί μία εργασία στη σχολική εφημερίδα πρέπει να ελεγχθεί ώστε να στηρίζεται σε αδιαμφισβήτητα δεδομένα. Ως εκδότης της εφημερίδας ποια ή ποιες εργασίες θα δημοσιεύατε;



Β. Για να διευκολυνθείτε συμπληρώστε τα παρακάτω, δουλεύοντας στις ομάδες σας.
Β1. Τι νομίζετε ότι πρέπει να κάνετε για να αποφασίσετε ποια ή ποιες εργασίες θα δημοσιεύσετε;
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………

Β2. Να κάνετε δύο υποθέσεις, που θα μπορούσατε να ελέγξετε, σχετικά με το από τι εξαρτάται ο χρόνος ταλάντωσης ενός αντικειμένου κρεμασμένου από σκοινί..
1η ……………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………………
2η ………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………

Γ1. Περιγράψτε ένα πείραμα και τις μετρήσεις που θα κάνετε για να ελέγξετε την πρώτη σας υπόθεση (Υποθέστε ότι έχετε πρόσβαση μόνο στα υλικά που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή στην τάξη σας: σκοινί, βαρίδια, καρφιά, το ρολόι σας). Τι θα κρατήσετε σταθερό; Τι θα μεταβάλλετε;
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Γ2. Να κάνετε το πείραμα που περιγράψατε παραπάνω και να καταγράψετε τις μετρήσεις σας. Τι προβλήματα συναντήσατε; Πώς τα λύσατε; Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε; Μπορείτε να υποδείξετε κάποια ή κάποιες εργασίες που είναι επιστημονικά ορθό να δημοσιευτούν στην σχολική εφημερίδα;
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………

Γ3. Περιγράψτε ένα πείραμα και τις μετρήσεις που θα κάνετε για να ελέγξετε τη δεύτερή σας υπόθεση (Υποθέστε ότι έχετε πρόσβαση μόνο στα υλικά που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή στην τάξη σας: σκοινί, βαρίδια, καρφιά, το ρολόι σας). Τι θα κρατήσετε σταθερό; Τι θα μεταβάλλετε;
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Γ4. Να κάνετε το πείραμα που περιγράψατε παραπάνω και να καταγράψετε τις μετρήσεις σας. Τι προβλήματα συναντήσατε; Πώς τα λύσατε; Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε; Μπορείτε να υποδείξετε κάποια ή κάποιες εργασίες που είναι επιστημονικά ορθό να δημοσιευτούν στην σχολική εφημερίδα;
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………

Δ1. Παρουσιάστε σύντομα στις υπόλοιπες ομάδες την πορεία που ακολουθήσατε (τι πρέπει να διερευνήσετε, υποθέσεις που κάνατε, μετρήσεις που έγιναν, συμπεράσματα στα οποία καταλήξατε).



Ενδεικτικές απαντήσεις στο φύλλο εργασίας
Παρατήρηση: Επειδή οι μαθητές δεν είναι εξοικειωμένοι με το να κάνουν υποθέσεις (τις συγχέουν συνήθως με τις προβλέψεις τους), είναι ίσως σκόπιμο στα πρώτα φύλλα εργασίας τα ερωτήματα Β1 και Β2 να αντιμετωπίζονται στην ολομέλεια. Αφήστε λίγο χρόνο στις ομάδες να σκεφτούν και να προτείνουν απαντήσεις στο Β1 και συζητήστε τις στην ολομέλεια. Προτείνετε/καθοδηγήστε την υιοθέτηση μίας κοινής απάντησης, όπως αυτή που ακολουθεί, ώστε οι μαθητές να αντιληφθούν μέσα από την πράξη τι τους ζητάμε να κάνουν. Στα φύλλα εργασίας των επόμενων ενοτήτων η παρέμβαση του εκπαιδευτικού σε αυτό το σημείο πρέπει να ελαττωθεί στο ελάχιστο. Ομοίως, σε ό,τι αφορά το ερώτημα Β2 αφήστε τους μαθητές να προτείνουν διάφορες ιδέες οι οποίες πρέπει να υποβληθούν σε έλεγχο από την ολομέλεια στο κατά πόσο μπορούν να ελεγχθούν. Υπόθεση που δεν μπορεί να ελεγχθεί πρέπει να απορριφθεί.

Β1. Θα πραγματοποιήσουμε τα δύο πειράματα που ισχυρίζονται ότι εκτέλεσαν οι δύο συγγραφείς για να ελέγξουμε τα αποτελέσματά τους. Για οποία εργασία επιβεβαιώσουμε το ισχυρισμό του συγγραφέα της θα τη δημοσιεύσουμε.

Β2. 1η υπόθεση: Ο χρόνος της ταλάντωσης ενός αντικειμένου που είναι κρεμασμένο από σκοινί, εξαρτάται από  το μήκος του σκοινιού.
2η υπόθεση: Ο χρόνος της ταλάντωσης ενός αντικειμένου που είναι κρεμασμένο από σκοινί, εξαρτάται από  το βάρος του αντικειμένου.

Γ1. Θα κρεμάσουμε ένα συγκεκριμένο βαρίδι από ένα κομμάτι σκοινί με ένα καρφί στον τοίχο. Θα «τραβήξουμε» το βαρίδι λίγο αριστερά ή λίγο δεξιά και θα το αφήσουμε ελεύθερο να κινηθεί (να ταλαντωθεί). Θα μετρήσουμε με το ρολόι πόσος χρόνος περνάει ώστε το βαρίδι να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Στη συνέχεια, από το ίδιο καρφί θα κρεμάσουμε ένα μεγαλύτερο κομμάτι σκοινί στο οποίο θα δέσουμε το ίδιο βαρίδι. Θα τραβήξουμε το βαρίδι προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά όπως και προηγουμένως (προς την ίδια μεριά και κατά την ίδια γωνία). Θα μετρήσουμε με το ρολόι το χρόνο για να επιστρέψει το βαρίδι στην αρχική του θέση. Μπορούμε να επαναλάβουμε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι σκοινί μικρότερο από το αρχικό.

Γ2. Ήταν δύσκολο να μετρήσουμε με το ρολόι μας το χρόνο μιας ταλάντωσης. Για να λύσουμε το πρόβλημα μετρήσαμε το χρόνο για να γίνουν 10 ταλαντώσεις και διαιρέσαμε με το 10 (τον αριθμό των ταλαντώσεων) για να υπολογίσουμε το χρόνο μίας ταλάντωσης. Για το πολύ κοντό σκοινί μετρήσαμε … δευτερόλεπτα, για το αρχικό σκοινί μετρήσαμε … δευτερόλεπτα και για το πιο μακρύ σκοινί μετρήσαμε … δευτερόλεπτα. Άρα, επιβεβαιώσαμε την υπόθεσή μας: όσο το μήκος του σκοινιού μεγαλώνει ο χρόνος μίας ταλάντωσης αυξάνεται. Τότε είναι πιο εύκολο να μετρήσουμε το χρόνο αυτό με το σφυγμό μας. Η πρώτη εργασία μπορεί να δημοσιευτεί!

Γ3. Θα κρεμάσουμε ένα βαρίδι από ένα συγκεκριμένο κομμάτι σκοινί με ένα καρφί στον τοίχο. Θα «τραβήξουμε» το βαρίδι λίγο αριστερά ή λίγο δεξιά και θα το αφήσουμε ελεύθερο να κινηθεί (να ταλαντωθεί). Θα μετρήσουμε με το ρολόι πόσος χρόνος περνάει ώστε το βαρίδι να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Στη συνέχεια, από το ίδιο καρφί και το ίδιο σκοινί θα κρεμάσουμε ένα βαρύτερο βαρίδι. Θα τραβήξουμε το βαρίδι προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά όπως και προηγουμένως (προς την ίδια μεριά και κατά την ίδια γωνία). Θα μετρήσουμε με το ρολόι το χρόνο για να επιστρέψει το βαρίδι στην αρχική του θέση. Μπορούμε να επαναλάβουμε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας ένα ακόμη βαρίδι ελαφρύτερο από το αρχικό.

Γ4. Μετρήσαμε, όπως και στο πρώτο πείραμα, 10 ταλαντώσεις και διαιρέσαμε με το 10 (τον αριθμό των ταλαντώσεων) για να υπολογίσουμε το χρόνο μίας ταλάντωσης. Για το ελαφρύτερο βαρίδι μετρήσαμε … δευτερόλεπτα, για το μεσαίο βαρίδι μετρήσαμε … δευτερόλεπτα, ενώ για το βαρύτερο βαρίδι μετρήσαμε … δευτερόλεπτα. Άρα, η υπόθεσή μας δεν επιβεβαιώθηκε: ο χρόνος μιας ταλάντωσης δεν εξαρτάται από το βάρος του βαριδίου. Η δεύτερη εργασία δεν μπορεί να δημοσιευτεί!

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου