Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα στην Α' Λυκείου

Συνοπτική παρουσίαση 

Το σενάριο που ακολουθεί αφορά στη διδασκαλία του τρίτου νόμου του Νεύτωνα στην Α' Λυκείου. Η βασική διδακτική μεθοδολογία που υιοθετείται είναι η καθοδηγούμενη από ερωτήσεις διδασκαλία η οποία πλαισιώνεται από ομαδοσυνεργατικές μεθόδους, παρουσίαση μικροδιαλέξεων και πραγματοποίηση πειραματικών διατάξεων με καθημερινά υλικά.

Α. Γενικά στοιχεία

Εμπλεκόμενες γνωστικές περιοχές - Προαπαιτούμενες γνώσεις

Έννοιες: Δύναμη, 1ος και 2ος νόμοι του Νεύτωνα, άνωση

Διαδικασίες: Χρήση δυναμόμετρου, ζύγιση αντικειμένου με ζυγό

Διδακτικοί στόχοι 

Ως προς το γνωστικό αντικείμενο  οι μαθητές επιδιώκεται:

• να διαπιστώσουν πειραματικά τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα
• να εφαρμόσουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα για να προβλέψουν και να περιγράψουν φαινόμενα της καθημερινής ζωής.

Ως προς τη διαδικασία μάθησης οι μαθητές επιδιώκεται:

• να αναπτύξουν επιστημολογικά κριτήρια ελέγχου της επιστημονικής γνώσης με τη διατύπωση ερωτήσεων του τύπου «πώς γνωρίζουμε»,
• να αναπτύξουν δεξιότητες γλωσσικής επικοινωνίας με την πρόκληση εκτενών συζητήσεων στην ολομέλεια αλλά και στις ομάδες,
• να αναπτύξουν μεταγνωστικές δεξιότητες μέσω της παροχής ανάδρασης σε πραγματικό χρόνο και της συζήτησης στην ολομέλεια
• να υιοθετήσουν θετικότερη στάση ως προς το μάθημα της Φυσικής με την ενεργοποίησή τους και την αξιοποίηση απλών πειραματικών διατάξεων και σύγχρονης εκπαιδευτικής τεχνολογίας.

Β. Οργάνωση της διδασκαλίας και υλικοτεχνική υποδομή 

Οι μαθητές και οι μαθήτριες προτείνεται να εργαστούν σε ομάδες των 4-5 ατόμων. Στη συζήτηση στην τάξη, οι μαθητές θα συμμετέχουν και ατομικά αλλά και ως μέλη των ομάδων. 

Εκτιμώμενη διάρκεια 

2 διδακτικές ώρες 

Υλικοτεχνική υποδομή

-          Η/Υ και προβολικό σύστημα

-          Πυξίδα, μεταλλική ράβδος, μπαταρία 9 V, καλώδια σύνδεσης

-          Λεκάνη με νερό, «βάρκες» από φελιζόλ, 2 μαγνήτες νεοδυμίου

      Δυναμόμετρα

      Κλίκερς (αντί για κλίκερ κάθε μαθητής μπορεί να έχει 5 κάρτες διαφορετικού χρώματος: κάθε χρώμα αναπαριστά μία απάντηση πολλαπλής επιλογής, π.χ. κόκκινη κάρτα για το Α, μπλε για το Β κ.ο.κ.)

Διδακτική προσέγγιση 

Α’ Φάση: Καταγραφή αρχικών ιδεών των μαθητών. 

Τίθεται αρχικά η ερώτηση Q1 (Παράρτημα) με σκοπό να διαπιστωθεί η γνωστική αφετηρία των φοιτητών. Οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, χρησιμοποιώντας το κλίκερ του. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και αφού ο διδάσκων σχολιάσει την ενδεχόμενη διασπορά δηλώνει ότι η ερώτηση δεν θα απαντηθεί ακόμη αλλά θα τεθεί και πάλι σε διερεύνηση στο τέλος του μαθήματος. 

Ο διδάσκων καλεί δύο μαθητές και στήνει την κατάσταση που φαίνεται στο σχήμα της ερώτησης Q2 (Παράρτημα). Ενώ οι δύο μαθητές παραμένουν ανενεργοί καλούνται όλοι να απαντήσουν με τα κλίκερς, ο καθένας μόνος του, την ερώτηση Q2. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ζητείται από αντιπροσώπους όλων των απαντήσεων να υποστηρίξουν τις απόψεις τους. Καλεί στη συνέχεια το μαθητή που βρίσκεται με τα πόδια πάνω στον άλλο να σπρώξει το συνάδελφό του. Ο διδάσκων καλεί τους μαθητές να περιγράψουν ό,τι συνέβη. Με δεδομένο ότι έχουν κινηθεί και οι δύο μαθητές συνάγεται ότι έχει ασκηθεί δύναμη και στους δύο. Ζητείται από τους μαθητές όμως να αποφανθούν αν είναι δυνατό να διαπιστωθεί ότι οι δυνάμεις είναι ίσου μέτρου.

Β’ Φάση: Εισαγωγή του 3ου νόμου του Νεύτωνα. Ανάδειξη της νέας έννοιας. 

Στο πλαίσιο αυτό ο διδάσκων παρουσιάζει μία εκδοχή του ιστορικού πειράματος του Νεύτωνα. Σε μία λεκάνη με νερό υπάρχουν δύο μικρές «βάρκες» από φελιζόλ πάνω στις οποίες έχουν τοποθετηθεί δύο μικρού μεγέθους ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου. Οι «βάρκες» τοποθετούνται σε μία νοητή ευθεία έτσι ώστε ο βόρειος μαγνητικός πόλος της μίας να βρίσκεται απέναντι από το νότιο μαγνητικό πόλο της άλλης. Η νοητή ευθεία έχει τη διεύθυνση βορρά – νότου ώστε να μην ασκούνται ροπές στις δύο «βάρκες» όταν αφεθούν ελεύθερες να κινηθούν. Κρατώντας τη μία «βάρκα» σταθερή με το χέρι, ο 

διδάσκων αφήνει τη δεύτερη βάρκα να κινηθεί. Αυτή κινείται και κολλάει στην πρώτη. Ο διδάσκων ζητάει από τους μαθητές να περιγράψουν ό,τι είδαν με όρους Φυσικής. Επαναλαμβάνει τη διαδικασία κρατώντας τη δεύτερη «βάρκα» και αφήνοντας ελεύθερη την πρώτη. Ο διδάσκων ζητάει από τους μαθητές να περιγράψουν και πάλι ό,τι είδαν. Ζητάει από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα γίνει αν αφεθούν και οι δύο «βάρκες» ελεύθερες αλλά στη μέση της διαδρομής παρεμβληθεί ένα μικρό εμπόδιο, π.χ. ένα λεπτό κομμάτι φελιζόλ. Ζητείται από τους μαθητές να χρησιμοποιήσουν το δεύτερο νόμο του Νεύτωνα κατά την επιχειρηματολογία τους. Το πείραμα γίνεται και παρατηρείται ότι το εμπόδιο παραμένει ακίνητο. Συμπεραίνεται ότι οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των δύο «βαρκών» είναι ίσες και αντίθετες.

Προχωρώντας ένα βήμα ακόμη προς την αυστηρή ποσοτικοποίηση, ο διδάσκων μοιράζει δυναμόμετρα σε όλους τους μαθητές και τους ζητάει να ενώσουν τα δυναμόμετρα ανά δύο. Ο ένας μαθητής να τραβήξει το δυναμόμετρό του ασκώντας κάποια δύναμη, ενώ ο άλλος να κρατήσει παθητικά το δικό του δυναμόμετρο. Ζητείται από τους μαθητές να προβλέψουν τη σχέση μεταξύ των ενδείξεων των δύο δυναμόμετρων δικαιολογώντας τις απόψεις τους. Στη συνέχεια να πραγματοποιήσουν το πείραμα και να καταγράψουν τις ενδείξεις των δυναμόμετρων. Προκαλείται συζήτηση στην ολομέλεια στο τέλος της οποίας γράφεται στον πίνακα η σχέση F₁=-F₂ η οποία συνοψίζει τα πειραματικά αποτελέσματα. 

Προκειμένου να ανιχνευτεί αρχικά και στη συνέχεια να αντιμετωπιστεί η παρανόηση σχετικά με το σημείο εφαρμογής της δράσης και της αντίδρασης, τίθεται η ερώτηση Q3 (Παράρτημα). Οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και γίνεται συζήτηση στην ολομέλεια. Εκπρόσωποι όλων των απαντήσεων καλούνται να παρουσιάσουν την άποψή τους προσπαθώντας να πείσουν με τα επιχειρήματά τους συμμαθητές τους. Τονίζεται ότι οι δύο δυνάμεις που συνιστούν ζεύγος δράσης-αντίδρασης ασκούνται σε διαφορετικά σημεία και διατυπώνεται ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα. Ζητείται από τους μαθητές να εξηγήσουν την ερώτηση Q3 κάνοντας χρήση του νόμου αυτού. 

Για να αποσαφηνιστεί ότι οι δύο δυνάμεις που συνιστούν ζεύγος δράσης-αντίδρασης ασκούνται σε διαφορετικά σημεία τίθεται η ερώτηση Q4 (Παράρτημα). Οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ζητείται από τους μαθητές να συνεργαστούν μέσα στις ομάδες τους προσπαθώντας να πείσουν ο ένας τον άλλο για την αλήθεια της απάντησής τους. Σε περίπτωση ομοφωνίας να επιχειρήσουν να τεκμηριώσουν πώς μπορεί να σκέφτηκε κάποιος που απάντησε διαφορετικά, εντοπίζοντας το αδύνατο σημείο της σκέψης του. Αμέσως μετά οι μαθητές απαντούν ξανά (ερώτηση Q5, Παράρτημα) χρησιμοποιώντας τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ακολουθεί συζήτηση στην ολομέλεια. Με την καθοδήγηση του διδάσκοντα διατυπώνεται η σωστή απάντηση. 

2η Διδακτική ώρα 
Γ’ Φάση: Εφαρμογή της νέας γνώσης. 
Επιχειρώντας την εμβάθυνση στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα με την εφαρμογή του σε καθημερινές καταστάσεις, ο διδάσκων παρουσιάζει έναν ζυγό ο οποίος ισορροπεί, όπως στην παρακάτω εικόνα.

Στους δύο δίσκους έχουν τοποθετηθεί ένα ποτήρι γεμισμένο με νερό και βαρίδια ώστε ο ζυγός να ισορροπεί. Ο διδάσκων ζητάει από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί αν τοποθετήσει ένα του δάκτυλο μέσα στο νερό ενός από τα δύο ποτήρια. Θέτει έτσι την ερώτηση Q6 (Παράρτημα) την οποία οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ζητείται από τους μαθητές να συνεργαστούν μέσα στις ομάδες τους προσπαθώντας να πείσουν ο ένας τον άλλο για την αλήθεια της απάντησής τους. Σε περίπτωση ομοφωνίας να επιχειρήσουν να τεκμηριώσουν πώς μπορεί να σκέφτηκε κάποιος που απάντησε διαφορετικά, εντοπίζοντας το αδύνατο σημείο της σκέψης του. Αμέσως μετά οι μαθητές απαντούν ξανά χρησιμοποιώντας τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ακολουθεί συζήτηση στην ολομέλεια. Τελικά ο διδάσκων προτείνει προσφυγή στο πείραμα. Καλείται ένας μαθητής να το πραγματοποιήσει και οι μαθητές αφού παρατηρήσουν ό,τι έγινε, καλούνται να περιγράψουν με όρους Φυσικής μεταξύ των οποίων και του τρίτου νόμου του Νεύτωνα το φαινόμενο. Ο διδάσκων ανακεφαλαιώνει χρησιμοποιώντας κατάλληλα την επιστημονική γλώσσα. 

Για να αξιολογηθεί η ικανότητα των μαθητών να αντιλαμβάνονται την ισότητα των μέτρων δράσης και αντίδρασης, τίθεται η ερώτηση Q8 (Παράρτημα). Οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και γίνεται συζήτηση στην ολομέλεια. Εκπρόσωποι όλων των απαντήσεων καλούνται να παρουσιάσουν την άποψή τους προσπαθώντας να πείσουν με τα επιχειρήματά τους συναδέλφους τους. Τίθεται το ερώτημα «γιατί η Γη και το μήλο κινούνται τόσο διαφορετικά;» με σκοπό να εκτιμηθεί από τους μαθητές η ανάγκη προσφυγής στο δεύτερο νόμο του Νεύτωνα και επομένως η αναγκαιότητα και η αλληλοσυμπληρωματικότητα του Νευτωνικού εννοιολογικού οικοδομήματος. 

Επανερχόμενοι στην αξιολόγηση της ικανότητας των μαθητών να εφαρμόζουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, τίθεται η ερώτηση Q9 (Παράρτημα). Οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και γίνεται συζήτηση στην ολομέλεια. Εκπρόσωποι όλων των απαντήσεων καλούνται να παρουσιάσουν την άποψή τους προσπαθώντας να πείσουν με τα επιχειρήματά τους συναδέλφους τους. Ζητείται από τους μαθητές να θυμηθούν την προσωπική τους εμπειρία με τα δύο δυναμόμετρα στην αρχή του μαθήματος και να συσχετίσουν τις απαντήσεις τους με βάση αυτή. 

Εισάγοντας στοιχεία ιστορίας της Φυσικής και εξακολουθώντας την αξιολόγηση της ικανότητας των μαθητών να εφαρμόζουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, παρατίθεται από το διδάσκοντα η ιστορία των ημισφαιρίων του Μαγδεμβούργου και το πείραμα που πραγματοποίησε ο Otto von Güricke για να

επιδείξει την τεράστια πιεστική δύναμη της ατμόσφαιρας. Τίθεται η ερώτηση Q10 (Παράρτημα) την οποία οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ζητείται από τους μαθητές να συνεργαστούν μέσα στις ομάδες τους προσπαθώντας να πείσουν ο ένας τον άλλο για την αλήθεια της απάντησής τους. Σε περίπτωση ομοφωνίας να επιχειρήσουν να τεκμηριώσουν πώς μπορεί να σκέφτηκε κάποιος που απάντησε διαφορετικά, εντοπίζοντας το αδύνατο σημείο της σκέψης του. Αμέσως μετά οι μαθητές απαντούν ξανά χρησιμοποιώντας τα κλίκερς (ερώτηση Q11, Παράρτημα). Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ακολουθεί συζήτηση στην ολομέλεια. 

Δ’ Φάση: Αξιολόγηση.  

Προκειμένου να αξιολογηθεί η διδακτική παρέμβαση στο σύνολό της, τίθεται η ερώτηση Q12 (Παράρτημα Δ) η οποία είναι η ερώτηση Q1 που τέθηκε στην αρχή του μαθήματος. οι μαθητές απαντούν, ο καθένας μόνος του, με τα κλίκερς. Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ζητείται από τους μαθητές να συνεργαστούν μέσα στις ομάδες τους προσπαθώντας να πείσουν ο ένας τον άλλο για την αλήθεια της απάντησής τους. Σε περίπτωση ομοφωνίας να επιχειρήσουν να τεκμηριώσουν πώς μπορεί να σκέφτηκε κάποιος που απάντησε διαφορετικά, εντοπίζοντας το αδύνατο σημείο της σκέψης του. Αμέσως μετά οι μαθητές απαντούν ξανά χρησιμοποιώντας τα κλίκερς (ερώτηση Q13, Παράρτημα). Προβάλλεται η κατανομή των απαντήσεων και ακολουθεί συζήτηση στην ολομέλεια. Τελικά ο διδάσκων προτείνει προσφυγή στο πείραμα, το οποίο πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός μαθητή. Οι μαθητές καλούνται να χρησιμοποιήσουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα για να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις τους.

Παράρτημα

 Q1. Q12. Q13.    Έχουμε μια μαγνητική βελόνη (πυξίδα) και πλησιάζουμε σε αυτήν διαδοχικά 1) έναν μαγνήτη, 2) έναν ρευματοφόρο αγωγό και 3) μια μεταλλική ράβδο. Σε ποιες από τις παραπάνω περιπτώσεις η μαγνητική βελόνη εκτρέπεται από την αρχική της θέση;

     1) Μόνο στην πρώτη

     2) Μόνο στη δεύτερη

     3) Στην πρώτη και στη δεύτερη

     4) Σε όλες τις περιπτώσεις

     5) Δε γνωρίζω

Q2. Στην κατάσταση που φαίνεται στη παρακάτω εικόνα:

   Α.  κανένας  από τους μαθητές δεν ασκεί δύναμη στον άλλον

   Β.  ο μαθητής “α” ασκεί δύναμη στον “b”, αλλά ο “b” δεν ασκεί στον “α”

   Γ.  και οι δυο μαθητές ασκούν δύναμη ο ένας στον άλλον, αλλά ο “b” ασκεί  μεγαλύτερη

   Δ. και οι δυο μαθητές ασκούν δύναμη ο ένας στον άλλον, αλλά ο “α” ασκεί μεγαλύτερη

   Ε.  και οι δυο μαθητές ασκούν δύναμη ίσου μέτρου ο ένας στον άλλον

Q3.

 

Συμφωνείτε με τη σκέψη του αλόγου; 

Α. Συμφωνώ, σύμφωνα με τον 3^ο ν. του Νεύτωνα η άμαξα δεν θα κινηθεί 

Β. Συμφωνώ μεν, αλλά αν και δεν γνωρίζω γιατί, η άμαξα θα κινηθεί 

Γ. Διαφωνώ, η σκέψη του αλόγου έχει σοβαρά λάθη φυσικής 

Δ. Δε γνωρίζω

Q4. Q5. Θεωρήστε ένα ακίνητο αυτοκίνητο σε έναν οριζόντιο δρόμο. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η προς τα κάτω βαρυτική έλξη της Γης πάνω στο αυτοκίνητο και η προς τα πάνω κάθετη αντίδραση του δρόμου είναι ίσες και αντίθετες, επειδή:

Α. Οι δύο δυνάμεις σχηματίζουν ζεύγος δράσης - αντίδρασης.

Β. Η συνισταμένη δύναμη στο αυτοκίνητο είναι ίση με μηδέν.

Γ. τίποτε από τα παραπάνω

Q6. Q7. Τι θα συμβεί;

Α. Η ζυγαριά θα εξακολουθήσει να ισορροπεί, επειδή η δύναμη που ασκεί το χέρι μας εξουδετερώνεται από την άνωση

Β. Η ζυγαριά θα γείρει προς τη μεριά του ποτηριού, λόγω της δύναμης που ασκεί το χέρι μας στο νερό

Γ. Τίποτα από τα προηγούμενα

Δ. Δε γνωρίζω

Q8. Αφήνουμε ένα μήλο να πέσει στο πάτωμα. Το μήλο κινείται υπό την επίδραση της βαρυτικής δύναμης που του ασκεί η Γη. Η δύναμη που ασκεί αντίστοιχα το μήλο στη Γη είναι σε σχέση με τη δύναμη που ασκείται στο μήλο από τη Γη

Α. Μεγαλύτερη
Β. Μικρότερη
Γ. Ίση
Δ. Μηδέν

Q9. Σύμφωνα με τα παρακάτω δύο σχήματα: 

Α. Η ένδειξη του δυναμόμετρου Α είναι μεγαλύτερη από την ένδειξη του δυναμόμετρου Β 

Β. Η ένδειξη του δυναμόμετρου Α είναι μικρότερη από την ένδειξη του δυναμόμετρου Β 

Γ. Οι ενδείξεις των δύο δυναμόμετρων είναι ίσες 

Δ. Η ένδειξη του δυναμόμετρου Β είναι ίση με μηδέν

Q10. Q11. Υποθέστε ότι ο von Güricke τοποθετούσε τις δύο ομάδες αλόγων από την ίδια μεριά (π.χ. στο αριστερό ημισφαίριο) και έδενε το άλλο ημισφαίριο με σκοινί σε ένα γερό δέντρο. Σε αυτήν την περίπτωση η δύναμη που θα ασκούνταν σε κάθε ημισφαίριο θα ήταν:

     1. Διπλάσια

     2. Ακριβώς η ίδια

     3. Μισή

     (σε σχέση με την πρώτη περίπτωση)