Σχέδιο μαθήματος και φύλλο εργασίας για τη Φυσική της Α' Γυμνασίου: (νέα) εργαστηριακή άσκηση 5: μέτρηση της πυκνότητας

Εισαγωγικό σχόλιο

Η έννοια πυκνότητα παρουσιάζεται στον εργαστηριακό οδηγό της Β’ Γυμνασίου ως:

«… προκύπτει η έννοια της πυκνότητας ενός υλικού: Ονομάζεται η μάζα που έχει μια μονάδα όγκου του υλικού (1cm³ ή 1m³). Για τον υπολογισμό της χρησιμοποιούμε τη σχέση d=m/V».

Στο ερώτημα τι εκφράζει η πυκνότητα ενός υλικού, η συνηθισμένη απάντηση είναι: τη μάζα ανά μονάδα όγκου ενός υλικού. Το πόσο μη ακριβής είναι αυτή η έκφραση ίσως γίνεται καλύτερα κατανοητό αν φέρουμε ως παράδειγμα την έννοια αντίσταση. Άραγε η αντίσταση είναι/εκφράζει/ονομάζεται ο λόγος της διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού προς την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος; Μάλλον όχι! Η σχέση R=V/I, όπως και η σχέση d=m/V, είναι μαθηματικές εκφράσεις που υποδεικνύουν έναν τρόπο μέτρησης των εν λόγω εννοιών αλλά δεν περιγράφουν τι εκφράζουν οι έννοιες και το κυριότερο γιατί εισήχθησαν στη Φυσική.

Θεωρώ σε ό,τι ακολουθεί ότι η αυθαίρετη εισαγωγή της έννοιας πυκνότητα με την παράθεση ενός τύπου μέτρησης της αριθμητικής της τιμής δεν μπορεί να προσφέρει τίποτα στη διδακτική πραγμάτευση της έννοιας. Στη μορφή που παρουσιάζεται στο εργαστηριακό οδηγό δύσκολα μπορεί να οδηγήσει στην προσέλκυση του ενδιαφέροντος των μαθητών για τη Φυσική και την πειραματική ενασχόληση.

1^η διδακτική ώρα: η ανάγκη εισαγωγής της έννοιας πυκνότητα

1^η δραστηριότητα (στην ολομέλεια) - ανάδειξη της αδυναμίας των εννοιών μάζα και όγκος για την περιγραφή κάποιων φαινομένων.                                                           

Διαθέτουμε λίγο νερό και λίγο λάδι.

Τοποθετούμε 5 ml σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα και προσθέτουμε 2 ml λαδιού. Το λάδι επιπλέει πάνω στο νερό. Ζητάμε από τους μαθητές να εξηγήσουν γιατί το λάδι επιπλέει στο νερό. Αναμένεται να θεωρήσουν ότι το λάδι επιπλέει επειδή είναι πιο ελαφρύ.

Προσθέτουμε άλλα 10 ml λάδι οπότε το λάδι είναι πλέον σαφώς περισσότερο από το νερό. Ζητάμε από τους μαθητές να εξηγήσουν και πάλι γιατί το λάδι επιπλέει στο νερό.

(Αν κάποιοι μαθητές υποστηρίξουν ότι το λάδι επιπλέει επειδή τοποθετήθηκε μετά το νερό, επαναλαμβάνουμε τα παραπάνω τοποθετώντας πρώτα το λάδι και μετά το νερό.)

Επιχειρώντας να κάνουμε το «συνήγορο του διαβόλου» καταθέτουμε την ιδέα μήπως δεν παίζει ρόλο ο όγκος των υγρών αλλά η μάζα τους. Ζυγίζουμε 5 g νερού και 10 g λαδιού και τα τοποθετούμε σε δοκιμαστικό σωλήνα.

Ζητάμε αρχικά από τους μαθητές να προβλέψουν και στη συνέχεια να ερμηνεύσουν την έκβαση του πειράματος.

2^η δραστηριότητα

Διαθέτουμε δύο όμοια αδιαφανή μπουκαλάκια των 50 ml. Το ένα (μπουκαλάκι Α) το έχουμε γεμίσει με άμμο και το άλλο (μπουκαλάκι Β) με αλεύρι.

Με τη βοήθεια μερικών μαθητών μετράμε τον όγκο των δύο μπουκαλιών και συμπεραίνουμε ότι είναι ίσοι.

Με τη βοήθεια άλλων μαθητών ζυγίζουμε σε ηλεκτρονική ζυγαριά τα δύο μπουκαλάκια και συμπεραίνουμε ότι το Α έχει μεγαλύτερη μάζα από το Β.

Πώς άραγε δύο μπουκάλια που καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο έχουν διαφορετικές μάζες; Ακούμε τους μαθητές και επιχειρούμε την παρακάτω βιωματική δράση:

Ζητάμε από τρεις μαθητές να σηκωθούν όρθιοι, να ενώσουν τα χέρια τους και να κάνουν έναν κύκλο όσο το δυνατόν μεγαλύτερο. Ποιος είναι ο «όγκος» του συμπλέγματος; Ζητάμε από δύο μαθητές να μπουν μέσα στον κύκλο χωρίς να μεταβληθεί το μέγεθός του. Αν όλοι οι μαθητές ήταν πάνω σε μία ζυγαριά σε ποια περίπτωση η «μάζα» του συμπλέγματος θα ήταν μεγαλύτερη; Πώς μπορούμε να μεγαλώσουμε ακόμη περισσότερο τη μάζα του; Κάντε το! (Αναμένεται να προσπαθήσουν να στριμωχτούν όσο το δυνατόν περισσότεροι μαθητές μέσα στον «κύκλο».)

Πώς μπορεί η παραπάνω δραματοποίηση να σχετίζεται με το πείραμα με τα δύο μπουκαλάκια; Τα διάφορα υλικά ενώ μπορεί να έχουν ίδιο όγκο έχουν διαφορετική μάζα επειδή διαφέρουν ως προς το πόσο στριμωγμένη είναι η ύλη σε αυτά. Όσο πιο στριμωγμένη τόσο περισσότερη ύλη σε συγκεκριμένο όγκο, τόσο μεγαλύτερη η μάζα. Διαφορετικά, όσο πιο στριμωγμένη η ύλη, τόσο μικρότερος όγκος μίας συγκεκριμένης ποσότητας μάζας. Οι φυσικοί μετράνε το πόσο στριμωγμένη είναι η ύλη σε ένα αντικείμενο με το μέγεθος πυκνότητα.

2^η διδακτική ώρα: μέτρηση της πυκνότητας

Πώς μπορούμε να εκτιμήσουμε (υπολογίσουμε) την πυκνότητα του νερού και του λαδιού;

Δραστηριότητα 3^η (σε ομάδες)

Οι μαθητές χωρισμένοι σε ομάδες μετράνε άλλοι την πυκνότητα του νερού και άλλοι του λαδιού. Ανακοινώνουν τα αποτελέσματα στην ολομέλεια.

Εναλλακτικά, αν δεν υπάρχει χρόνος, ζητάμε από τους μαθητές να εκτιμήσουν ποια πυκνότητα είναι μεγαλύτερη και γιατί. Ανατρέχουμε στο διαδίκτυο και βρίσκουμε τις πυκνότητες νερού και λαδιού.

Ποια υπόθεση μπορεί να γίνει γιατί το λάδι επιπλέει στο νερό;

Δραστηριότητα 4^η (σε ομάδες, φύλλο εργασίας)

Ένας μαθητής ισχυρίζεται ότι αν χωρίσεις ένα στερεό αντικείμενο σε δύο (ίσα) μέρη τότε η μάζα, ο όγκος και η πυκνότητα του δύο κομματιών έχουν τιμές ίσες με τις μισές τιμές του ολόκληρου κομματιού.

Έχει δίκιο ο μαθητής;

Β. Για να διευκολυνθείτε συμπληρώστε τα παρακάτω, δουλεύοντας στις ομάδες σας.

Β1. Τι νομίζετε ότι μπορείτε να κάνετε για να διαπιστώσετε αν ο μαθητής έχει δίκιο ή άδικο;

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

Β2. Να κάνετε μία υπόθεση, τέτοια ώστε να μπορέσετε να την ελέγξετε πειραματικά, για το πώς μεταβάλλεται η πυκνότητα ενός κομματιού πλαστελίνης όταν το τεμαχίζουμε στη μέση.

..……………………………………………………………………………………………………...

…………………………………………………………………………………………………………

Γ1. Περιγράψτε ένα πείραμα που θα κάνετε για να ελέγξετε την υπόθεσή σας (Υποθέστε ότι έχετε πρόσβαση μόνο στα υλικά που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή στην τάξη σας: έναν ογκομετρικό σωλήνα, μία ζυγαριά, ένα κομμάτι πλαστελίνης, νερό). Τι θα κρατήσετε σταθερό; Τι θα μεταβάλλετε;

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

Γ3. Να κάνετε το πείραμα που περιγράψατε παραπάνω. Τι προβλήματα συναντήσατε; Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε;

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………

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