Σχέδια μαθήματος και φύλλα εργασίαςγια τη Φυσική της Α' Γυμνασίου: (νέα) 4η εργαστηριακή άσκηση: μέτρηση όγκου

Η μέτρηση όγκου υγρών σωμάτων έχει ήδη αποτελέσει αντικείμενο πραγμάτευσης στην 3η εργαστηριακή άσκηση (1^η διδακτική ώρα, 1^η δραστηριότητα).

Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση στόχοι προτείνεται να είναι:

1.     Η μέτρηση όγκου στερεών σωμάτων

2.     Ο χειρισμός προβληματικών καταστάσεων που σχετίζονται με τη μέτρηση του όγκου

1^η διδακτική ώρα: Μέτρηση όγκου στερεών σωμάτων

1^η Δραστηριότητα (στην ολομέλεια)

Μέσα σε έναν ογκομετρικό κύλινδρο τοποθετώ συγκεκριμένη ποσότητα νερού, π.χ. 100 ml. Σε ένα δεύτερο ογκομετρικό κύλινδρο τοποθετώ ομοίως π.χ. 50 ml νερού. Ζητάω από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί στη στάθμη του νερού αν το νερό του δεύτερου ογκομετρικού σωλήνα προστεθεί στον πρώτο.

Αναμένεται η απάντηση ότι η στάθμη θα ανεβεί.

Ζητάμε να προβλέψουν τη νέα ένδειξη του ογκομετρικού κυλίνδρου.

Αναμένεται η απάντηση ότι η ένδειξη θα είναι 100+50=150 ml.

Ζητάμε από τους μαθητές να δικαιολογήσουν την άποψή τους (δίνοντας το λόγο και σε όσους έχουν ενδεχομένως προβλέψει κάτι διαφορετικό).

Γιατί άραγε συμβαίνει αυτό; Τα αντικείμενα καταλαμβάνουν χώρο, έχουν όγκο, και μία περιοχή του χώρου μπορεί να καταλαμβάνεται από ένα «αντικείμενο».

Ρίχνω μέσα σε ένα ποτήρι με νερό ένα στερεό αντικείμενο, π.χ. ένα βαρίδι δεμένο με πετονιά, και το βγάζω. Επαναλαμβάνω μερικές φορές μπροστά στους μαθητές και ζητώ να μου πουν τι παρατηρούν:

Η στάθμη του νερού ανεβαίνει όταν βάζω το βαρίδι μέσα στο νερό και κατεβαίνει όταν το βγάζω.

Γιατί άραγε συμβαίνει αυτό;

Τι μπορώ να μετρήσω βασιζόμενος σε αυτή την παρατήρηση;

2^η Δραστηριότητα (σε ομάδες)

Κάθε ομάδα διαθέτει έναν ογκομετρικό κύλινδρο στον οποίο υπάρχει διαφορετικός αρχικός όγκος νερού. Σε κάθε ομάδα δίνεται ένα βαρίδι των 150 g και ζητείται να υπολογιστεί ο όγκος του. Πώς θα εξασφαλιστεί η καλύτερη δυνατή ακρίβεια των μετρήσεων; Προσφυγή σε 3-4 μετρήσεις και υπολογισμός του μέσου όρου.

Ερώτηση: Όλες οι ομάδες έχετε ένα όμοιο βαρίδι αλλά ο αρχικός όγκος του νερού στο σωλήνα της διαφέρει. Η Α’ ομάδα έχει 100 ml νερού, η Β’ ομάδα 120 ml, η Γ’ ομάδα 140 ml, η Δ’ ομάδα 150 ml και η Ε’ ομάδα 160 ml. Πώς επηρεάζει αυτό το γεγονός κατά τη γνώμη σας το αποτέλεσμα της μέτρησης του όγκου του βαριδίου που θα κάνει κάθε ομάδα;

2^η διδακτική ώρα: διαχείριση προβληματικών καταστάσεων

Κάνουμε σύντομη ανασκόπηση των δραστηριοτήτων της 1^ης ώρας και τονίζουμε ως συμπέρασμα τον τρόπο μέτρησης όγκου στερεών αντικειμένων.

3^η δραστηριότητα (στην ολομέλεια)

Διαθέτεις μία μικρή βίδα και θέλεις να μετρήσεις τον όγκο της. Την τοποθετείς μέσα στον ογκομετρικό σωλήνα, η στάθμη του νερού ανεβαίνει, αλλά ανεβαίνει τόσο ελάχιστα που είναι αδύνατο να εκτιμήσεις τη μεταβολή του όγκου και άρα τον όγκο της βίδας. Τι θα μπορούσες να κάνεις για να μπορέσεις να μετρήσεις με ακρίβεια τον όγκο της βίδας;

Προκαλούμε συζήτηση στην ολομέλεια και καθοδηγούμε τους μαθητές στην ιδέα ότι για να είναι αισθητή η άνοδος της στάθμης για ένα τόσο μικρό αντικείμενο όπως η βίδα, ο σωλήνας θα πρέπει να είναι στενός.

Δείχνουμε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, το γεμίζουμε με νερό και σημειώνουμε με μαρκαδόρο τη στάθμη του. Ρίχνουμε τη βίδα και η στάθμη ανέρχεται πλέον αισθητά. Ο σωλήνας όμως δεν είναι βαθμολογημένος: Πώς μπορούμε να βαθμολογήσουμε το σωλήνα;

Δίνουμε σε κάθε ομάδα ένα δοκιμαστικό σωλήνα, έναν ογκομετρικό σωλήνα, έναν χάρακα, μαρκαδόρο και νερό και ζητάμε να υπολογίσουν τον όγκο της βίδας (βλ. το προτεινόμενο φύλλο εργασίας).

Θέλουμε οι μαθητές να αντιληφθούν ότι ο όγκος του νερού στον κυλινδρικό σωλήνα είναι ανάλογη με το ύψος του νερού. Τους καθοδηγούμε να φτιάξουν ένα διάγραμμα όγκου (όπως μετριέται από τον ογκομετρικό σωλήνα) – ύψους για τρία ζευγάρια τιμών. Αυτό μπορεί να γίνει προσθέτοντας διαδοχικά 5 ml νερού στο δοκιμαστικό σωλήνα και μετρώντας το ύψος της στάθμης του νερού από καθορισμένο σημείο (πάνω από το καμπυλωμένο μέρος του σωλήνα). Ο όγκος της βίδας μπορεί να προσδιοριστεί από το διάγραμμα μετρώντας το ύψος που ανέρχεται το νερό όταν τοποθετηθεί η βίδα.

Γενίκευση-Εφαρμογές

Εξαρτάται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήσαμε σε αυτή την άσκηση από το είδος του υγρού; Μπορεί, π.χ. να χρησιμοποιηθεί υδράργυρος; (βλ. ενδεικτικά: https://www.youtube.com/watch?v=EGv_YVQHu7U)

Διαθέτεις ένα αντικείμενο που δεν χωράει στο δοκιμαστικό σωλήνα. Περίγραψε μία διαδικασία για να μετρήσεις τον όγκο του.

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

1^ο 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».

2^ο 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

Φύλλο εργασίαςσε μορφή .doc

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;

Σχέδια μαθήματος και φύλλα εργασίας για τη Φυσική της Α' Γυμνασίου - 4. Μετρήσεις θερμοκρασίας - η βαθμονόμηση

Η ενότητα αυτή αποτελεί, εννοιολογικά, συνέχεια των προηγούμενων τριών: εξακολουθούμε να μιλάμε για διαδικασίες μέτρησης, συγκεκριμένα της μέτρησης θερμοκρασίας. Κατά συνέπεια, η διδακτική προσέγγιση θα μπορούσε να στηριχθεί, όπως έγινε και στις τρεις πρώτες ενότητες, στο ότι «η μέτρηση είναι μία διαδικασία σύγκρισης». Απομένει να προσδιοριστεί ποιο θα είναι το μέτρο σύγκρισης. Αν και οι μαθητές γνωρίζουν ότι η μέτρηση της θερμοκρασίας γίνεται με θερμόμετρο δε γνωρίζουν ούτε σε ποιο φαινόμενο στηρίζεται η λειτουργία του θερμομέτρου (η θερμική διαστολή των υγρών) ούτε το μηχανισμό που βρίσκεται πίσω από το πώς το θερμόμετρο καταλήγει να δείχνει τις συγκεκριμένες ενδείξεις (η θερμική ισορροπία). Επομένως, η στείρα (και βαρετή και μάλλον ανέφικτη) διαδικασία βαθμονόμησης ενός ήδη βαθμονομημένου θερμομέτρου, μικρή μόνο μαθησιακή αξία μπορεί να έχει για τους μικρούς μαθητές. Στο προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος που ακολουθεί επιχειρείται η ικανοποίηση των παρακάτω στόχων που τίθενται στο ΔΕΠΠΣ-ΑΠΣ του μαθήματος της Φυσικής της Α' Γυμνασίου: "... να αντιληφθούν τη διαφορα μεταξύ της εκτίμησης και της μέτρησης του φυσικού μεγέθους θερμοκρασία - να διαπιστώσουν με πειραματισμό την ανάγκη ακριβούς μέτρησης της θερμοκρασίας - να κατανοήσουν την αρχή λειτουργίας και τον τρόπο βαθμονόμησης του θερμομέτρου". Κατά πόσο είναι δυνατόν να επιτευχθούν στην πράξη απομένει να δοκιμαστεί.

Τα υλικά που θα χρειαστείτε

Α. Πρόσκληση ενδιαφέροντος
Για να αναδείξουμε την δυσκολία αντικειμενικής εκτίμησης του "πόσο ζεστό" είναι ένα αντικείμενο μπορούμε να προσφύγουμε στο γνωστό πείραμα που αρκετοί μαθητές έχουν κάνει και στο Δημοτικό. Έχουμε  τρεις λεκάνες (ή τρία κομμένα στη μέση μπουκάλια νερού του 1,5 λίτρου) με νερό: ζεστό, χλιαρό, κρύο. Ένας μαθητής από κάθε ομάδα καλείται να εκτιμήσει "πόσο ζεστό" είναι το νερό της μεσαίας λεκάνης, η οποία περιέχει το χλιαρό νερό. Αρχικά έχει το ένα του χέρι στη λεκάνη με το ζεστό νερό και το άλλο του χέρι στη λεκάνη με το κρύο νερό. Στη συνέχεια τοποθετεί και τα δύο του χέρια στη λεκάνη με το χλιαρό νερό. Πόσο ζεστό είναι το νερό; Οι μαθητές διαπιστώνουν βιωματικά ότι οι αισθήσεις μας δεν αρκούν για να απαντήσουμε αντικειμενικά στην ερώτηση αυτή. Το χέρι που ήταν στο κρύο νερό μας πληροφορεί ότι το νερό είναι ζεστό. Αντίθετα, το χέρι που ήταν στο ζεστό νερό μας πληροφορεί ότι είναι κρύο.
Εκμαιεύουμε το συμπέρασμα: η εκτίμηση με βάση τις αισθήσεις μας μπορεί είναι υποκειμενική. Στη Φυσική χρειάζεται να μετρήσουμε το πόσο ζεστό είναι ένα αντικείμενο. 

Β. Συζήτηση - Διατύπωση υποθέσεων
Πώς μπορούμε να μετρήσουμε "αντικειμενικά" το πόσο ζεστό είναι ένα αντικείμενο; 

Θυμίζουμε τα προβλήματα που υπήρξαν κατά την προσπάθεια μέτρησης του μήκους με διαφορετικές μονάδες μέτρησης (κασετίνες, τετράδια, παλάμες, κτλ) που οδήγησαν σε "υποκειμενική" εκτίμηση του μεγέθους ενός αντικειμένου (για παράδειγμα του θρανίου των μαθητών).

Επιχειρούμε να εκμαιεύσουμε ότι για να μετράμε "αντικειμενικά" πρέπει το αντικείμενο, ανάλογα με το πόσο ζεστό είναι να προκαλεί μία αντίστοιχη μεταβολή την οποία θα συσχετήσουμε με ένα μέτρο σύγκρισης. Επιχειρούμε να ακούσουμε ιδέες από τους μαθητές προκαλώντας συζήτηση στην ολομέλεια. Λόγω της εμπειρίας τους αναμένεται οι μαθητές να προτείνουν τη χρήση ενός "θερμομέτρου".

Δείχνουμε ένα θερμόμετρο καλώντας τους μαθητές να το δουν προς στιγμήν ως έναν στενό σωλήνα γεμισμένο με ένα υγρό. Το τοποθετούμε στη λεκάνη με το ζεστό νερό και καλούμε κάποιον μαθητή να δηλώσει στην ολομέλεια τι παρατηρεί: το υγρό ανεβαίνει μέσα στο σωλήνα. Τοποθετούμε το θερμόμετρο στο χλιαρό νερό και καλούμε έναν άλλο μαθητή να δηλώσει στην ολομέλεια τι παρατηρεί: το υγρό κατεβαίνει μέσα στο σωλήνα.

Παραλλαγή: Στο σημείο αυτό μπορούμε αντί να χρησιμοποιήσουμε ένα θερμόμετρο να χρησιμοποιήσουμε την ιδιοκατασκευή της παρακάτω φωτογραφίας, η οποία αποτελεί στην ουσία ένα χονδροειδές θερμόμετρο που προτείνεται στη σελίδα 89 του τετραδίου εργασιών του βιβλίου "Φυσικά Δημοτικού - ΕΡΕΥΝΩ ΚΑΙ ΑΝΑΚΑΛΥΠΤΩ" της Ε' τάξης, με μια διαφοροποίηση. Αντιγράφοντας από τον Παναγιώτη Κουμαρά: 

"...Η διαφοροποίηση που προτείνω στο πείραμα της σελίδας 89 είναι στο αντί να κλείνεται το στόμιο του μπουκαλιού, γύρω από το καλαμάκι, με πλαστελίνη να χρησιμοποιηθεί ένα μικρό γυάλινο μπουκάλι με βιδωτό καπάκι και να περάσει σφιχτά το καλαμάκι μέσα από το καπάκι. Το κλείσιμο του στομίου του μπουκαλιού με πλαστελίνη μπορεί να οδηγήσει το πείραμα σε αποτυχία γιατί με τη θέρμανση υπάρχει πιθανότητα να δημιουργηθεί ρήγμα στην πλαστελίνη γύρω από το καλαμάκι και το υγρό του μπουκαλιού να διαρρέει από εκεί αντί να αναβαίνει στο καλαμάκι. Για να μην υπάρξει διαρροή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μικρό γυάλινο μπουκάλι (ή και μικρό βάζο) με βιδωτό καπάκι. Γυρίζεις το καπάκι ανάποδα σε ένα κομμάτι ξύλο και το τρυπάς με τη βοήθεια σφυριού και καρφιού. Από την τρύπα περνάς σφιχτά το καλαμάκι. Πιέζοντας μικρά κομμάτια πλαστελίνη στο καπάκι, γύρω από το καλαμάκι, θα κλείσει η όποια μικρή τρύπα μπορεί να έμεινε ανάμεσα στο καλαμάκι και στο τοίχωμα από την τρύπα που έχει γίνει στο καπάκι. Γεμίζεις τελείως το μπουκάλι με οινόπνευμα και βιδώνεις το καπάκι."

 

Ένα αυτοσχέδιο "θερμόμετρο".

Καθοδηγούμε τους μαθητές να διατυπώσουν την ΙΔΕΑ: Μήπως μπορούμε να συσχετήσουμε το ύψος του υγρού μέσα στο σωλήνα με το πόσο ζεστό είναι το νερό στο οποίο το βυθίζουμε; Ποιες υποθέσεις πρέπει να κάνουμε;

ΠΡΟΣΟΧΗ! Σύμφωνα με πολλούς διδάσκοντες, η εμπειρία από τη μέχρι σήμερα (Φεβρουάριος 2014) εφαρμογή των διερευνητικών σεναρίων τα οποία απαιτούν από τους μαθητές να διατυπώσουν υποθέσεις, υποδεικνύουν τη μεγάλη αδυναμία των μαθητών να διατυπώσουν υποθέσεις που να μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά. Οι περισσότεροι μαθητές, για να μην πούμε και το ίδιο το "βιβλίο", διατυπώνουν, στην καλύτερη περίπτωση, αφηρημένες προτάσεις ή εικασίες που από τη στιγμή που δεν μπορούν ελεγχθούν δεν συνιστούν επιστημονικές υποθέσεις.

Οι μαθητές μπορεί (ή καθοδηγούνται) να διατυπώσουν διάφορες υποθέσεις. Ενδεικτικά:
Υπόθεση 1: όσο πιο ζεστό είναι το νερό της λεκάνης, τόσο πιο ψηλά θα ανεβαίνει το υγρό στο σωλήνα. Όσο πιο κρύο είναι το νερό τόσο πιο χαμηλά θα κατεβαίνει το υγρό στο σωλήνα.
Υπόθεση 2 (στην περίπτωση που έχουμε χρησιμοποιήσει το μπουκάλι με το οινόπνευμα): αν στη θέση του οινοπνεύματος βάλουμε νερό και πάλι το νέο υγρό θα ανεβοκατεβαίνει ανάλογα με το αν το τοποθετούμε σε λεκάνη με ζεστό ή κρύο νερό.
Υπόθεση 3 (στην περίπτωση που έχουμε χρησιμοποιήσει το μπουκάλι με το οινόπνευμα): το πόσο πολύ ανεβοκατεβαίνει το οινόπνευμα μέσα στο σωλήνα, εξαρτάται, εκτός από το πόσο ζεστό είναι το νερό της λεκάνης στην οποία το βυθίζουμε, και από την ποσότητα του οινοπνεύματος στο μπουκάλι, δηλαδή από το αν χρησιμοποιούμε μικρό ή μεγάλο μπουκάλι με οινόπνευμα.

Γ.  Ενεργώ - πειραματίζομαι
Ποια ή ποιες από τις παραπάνω υποθέσεις (αν έχουν διατυπωθεί περισσότερες από μία) μπορείς να ελέγξεις πειραματικά; Να συζητήσετε στις ομάδες σας και να προτείνετε μία πειραματική διαδικασία που μπορείτε να πραγματοποιήσετε. Να καταγράψετε, σε κάθε περίπτωση, τι θα μεταβάλλετε και τι θα κρατάτε σταθερό.

Από τις παραπάνω τρεις υποθέσεις αυτή που σχετίζεται πιο άμεσα με την προσπάθεια να "στηθεί" μία καταρχήν διαδικασία μέτρησης είναι η υπόθεση 1. Έτσι, επιχειρούμε να κατευθύνουμε τους μαθητές προς τη διερεύνηση αυτής της υπόθεσης. Επειδή η εκτίμηση του πόσο ζεστό είναι ένα το νερό μέσα σε μία λεκάνη δείχθηκε ότι είναι υποκειμενική καθοδηγούμε τους μαθητές μας να "πάνε στα όρια" για να ελέγξουν την υπόθεσή τους. 
Ένα ποτήρι νερό ψυγείου με παγάκια μπορεί να θεωρηθεί πραγματικά κρύο νερό. Τονίζουμε ότι αν το νερό "κρυώσει περισσότερο" (όταν το τοποθετούμε στην κατάψυξη, για παράδειγμα) παγώνει και παύει να είναι υγρό. Άρα αυτή είναι μία ακραία κατάσταση που μπορεί λίγο-πολύ αντικειμενικά να θεωρήσουμε ότι το νερό είναι κρύο. Αντίστοιχα, το νερό που βράζει, όταν τοποθετηθεί πάνω σε ηλεκτρικό "μάτι" ή πάνω από αναμμένο γκαζάκι, επίσης μπορεί να θεωρηθεί λίγο-πολύ αντικειμενικά ως ζεστό: κατά τη διάρκεια του βρασμού το νερό μετατρέπεται σε αέριο και παύει να είναι υγρό.

ΠΡΟΣΟΧΗ! Επειδή το νερό που βράζει είναι επικίνδυνο σε μία τάξη με 5-6 ομάδες και ΕΝΑΝ μόνο εκπαιδευτικό, προτείνεται το πείραμα να γίνει με επίδειξη.

Ακολουθώντας τις οδηγίες του 4ου φύλλου εργασίας του "βιβλίου" καλύπτουμε ένα θερμόμετρο με χαρτί ώστε να μην είναι εύκολα ορατή η κλίμακά του. Η διαδικασία αυτή δυσκολεύει παράλληλα την καταγραφή του ύψους του υγρού μέσα στο θερμόμετρο (υδράργυρου αν, όπως τα περισσότερα εργαστήρια, διαθέτετε τα παλιά, απαγορευμένα πλέον, υδραργυρικά θερμόμετρα ή του οργανικού υγρού που γεμίζει τα υποτιθέμενα θερμόμετρα "οινοπνεύματος"). Μπορεί να σας φανεί χρήσιμος ένας φακός με τον οποίο θα φωτίζετε τη στήλη του υγρού ώστε να είναι πιο εύκολα ορατή.
Η διάταξη του πειράματος θα είναι σαν αυτή της παρακάτω φωτογραφίας (με την ενδεχόμενη χρήση ηλεκτρικού ματιού αντί για γκαζάκι). ΠΡΟΣΟΧΗ! Το θερμόμετρο δεν πρέπει να ακουμπάει στον πυθμένα του δοχείου. Χρησιμοποιήστε έναν στατήρα για να το κρατήσετε στην κατάλληλη θέση.

Το θερμόμετρο, καλυμμένο με χαρτί, καταγράφει τη θερμοκρασία του νερού σε βρασμό

Τοποθετούμε το θερμόμετρο σε ποτήρι ζέσεως στο οποίο έχουμε βάλει νερό από το ψυγείο και πολλά παγάκια (τουλάχιστον 10 κανονικού μεγέθους) ώστε η θερμοκρασία του νερού με τον πάγο να φτάσει όσο το δυνατόν πιο σύντομα σε ισορροπία. Κάνοντας το πείραμα με τα υλικά και τις ποσότητες που φαίνονται στην παραπάνω φωτογραφία απαιτήθηκε χρονικό διάστημα 7 περίπου λεπτά. Μόλις η στήλη του υδραργύρου ή του "οινοπνεύματος" ισορροπήσει χαράσουμε μία γραμμή στο χαρτί που τυλίγει το θερμόμετρο.
Ξεκινάμε να θερμαίνουμε το ποτήρι και καλούμε κάθε τόσο έναν μαθητή να διαπιστώνει ότι η στήλη ανέρχεται μέχρι που κάποια στιγμή παραμένει στο ίδιο ύψος όταν πλέον το νερό βράζει. Χαράσουμε μία ακόμη γραμμή στο χαρτί, σβήνουμε την παροχή θερμότητας και απομακρύνουμε το θερμόμετρο από το νερό.



Για να μιλήσουμε για μέτρηση πρέπει να αντιστοιχήσουμε στις δύο χαραγματικές δύο αριθμούς. Προτείνουμε στους μαθητές να αντιστοιχήσουμε το 0 στην κάτω χαραγματιά και το 100 στην πάνω χαραγματιά, αν και θα μπορούσαμε να αντιστοιχήσουμε οποιοδήποτε ζεύγος αριθμών. Θυμίζουμε ότι με την ίδια αυθαιρεσία συμφωνήσαμε να αποκαλούμε 1 m το μήκος του πρότυπου μέτρου. Συμφωνούμε να λέμε ότι ο αριθμός που αντιστοιχήσαμε μετρά το φυσικό μέγεθος θερμοκρασία που περιγράφει το πόσο ζεστό ή πόσο κρύο είναι ένα αντικείμενο.

Πώς μπορούμε να εκτιμήσουμε αριθμητικά τη θερμοκρασία ζεστού, αλλά όχι βραστού νερού με το καλυμμένο με χαρτί θερμόμετρο που διαθέτουμε; 
Προτείνετε μία πειραματική διαδικασία για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία νερού σε ένα ποτήρι.

Μέσα από συζήτηση στην ολομέλεια προκύπτει η ανάγκη να αντιστοιχήσουμε βαθμούς μεταξύ του 0 και του 100 σε διαφορετικά ύψη του υγρού μέσα στο θερμόμετρο. Αυτό μπορεί να γίνει φέρνοντας μερικές ακόμη χαραγματιές.

ΠΡΟΣΟΧΗ! Η απόσταση μεταξύ των δύο ακραίων χαρακιών μετά βίας ξεπερνάει τα 12 cm ακόμη και σε μεγάλου μήκους θερμόμετρο. Συνεπώς, πέρα από αντιπαιδαγωγικό και ανούσιο είναι και ανέφικτο να καλέσουμε τους μαθητές να χαράξουν άλλες 98 χαραγματιές στο χαρτί που τυλίγει το θερμόμετρο.

Μία προφανής λύση είναι να χαραχθεί μία ακόμη γραμμή μεταξύ των δύο γραμμών. Ποιον αριθμό θα αντιστοιχήσουμε σε αυτή τη γραμμή; Θεωρώντας ότι το ανεβοκατέβασμα του υγρού είναι γραμμικό, κάτι που ούτε προφανές ούτε δεδομένο για όλα τα υγρά είναι (για το νερό ΔΕΝ είναι!), θα αντιστοιχήσουμε το 50. Μπορούμε να κάνουμε μερικές ακόμη γραμμές (στο μισό του μισού κάθε νέου διαστήματος, κάθε φορά).

Χρησιμοποιώντας το βαθμονομημένο θερμόμετρο που κατασκευάσαμε να μετρήσετε τη θερμοκρασία του νερού στο ποτήρι.

Δ. Συμπεράσματα
Είναι ακριβής η μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού με το βαθμονομημένο θερμόμετρο που κατασκευάσατε; Τι προβλήματα υπάρχουν; Πώς θα μπορούσατε να τα λύσετε;

Ενδεχομένως στο σημείο αυτό να μπορεί να μιλήσει κανείς για τα προβλήματα βαθμονόμησης και ακρίβειας της μέτρησης συγκρίνοντας τις μετρήσεις των μαθητών με το βαθμονομημένο θερμόμετρό τους με αυτές από ένα ψηφιακό θερμόμετρο, με το οποίο οι μαηθτές είναι μάλλον εξοικειωμένοι (τα περισσότερα θερμόμετρα είναι πλέον ψηφιακά στο σπίτι). Το να εστιάσουμε ξανά ΜΟΝΟ σε προβλήματα μέτρησης λόγω παράλλαξης (της γωνίας θέασης του μαθητή ως προς το θερμόμετρο) δεν προτείνεται από τη στιγμή που η βασική δραστηριότητα σε αυτή την ενότητα ήταν η διαδικασία βαθμονόμησης.
Αναμένεται ότι οι μαθητέςθα προτείνουν τη χάραξη περισσότερων γραμμών (πυκνότερη βαθμονόμηση) γεγονός που μπορούμε να αξιοποιήσουμε διδακτικά φέρνοντας στο προσκήνιο τα όρια λειτουργίας του οργάνου που κατασκευάστηκε: πόσες γραμμές μπορούμε στην πράξη να χαράξουμε; Πόση είναι η καλύτερη ακρίβεια που μπορούμε να πετύχουμε με αυτό το όργανο;

Ε. Εφαρμογή - Γενίκευση
Για να εμβαθύνουμε στη Φυσική που βρίσκεται πίσω από τις διαδικασίες βαθμονόμησης και θερμομέτρησης που διαπραγματεύτηκε η συγκεκριμένη ενότητα, προτείνεται να τεθούν και να συζητηθούν ερωτήσεις όπως οι παρακάτω:

• Σε ποιο φαινόμενο στηρίζεται η λειτουργία του θερμομέτρου; (στη θερμική διαστολή των υγρών)
• Γιατί ένα θερμόμετρο λειτουργεί μεταξύ κάποιας κατώτερης και κάποιας ανώτερης θερμοκρασίας; (γιατί υγρό που χρησιμοποιείται παγώνει, γίνεται στερεό, σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και βράζει, γίνεται αέριο, σε υψηλότερες)
• Στο "βιβλίο" σου προτείνεται να χρησιμοποιήσεις ένα θερμόμετρο οινοπνεύματος, που λειτουργεί μεταξύ των θερμοκρασιών -10 C και 120 C. Να αναζητήσεις πληροφορίες στο διαδίκτυο για να ελέγξεις αν μπορεί πράγματι ένα τέτοιο θερμόμετρο να χρησιμοποιεί οινόπνευμα. (το οινόπνευμα, η αιθανόλη, βράζει στους 78 C, για να διατηρηθεί σε υγρή κατάσταση στους 120 C θα έπρεπε να είναι σε υψηλή πίεση. Τα θερμόμετρα οινοπνεύματος χρησιμοποιούν κηροζίνη, τολουένιο ή οξικό ισοπεντυλεστέρα).

Ως εισαγωγή για την επόμενη ενότητα της θερμικής ισορροπίας μπορεί επίσης να συζητηθεί το πόσο το μέγεθος του θερμομέτρου επηρρεάζει την ακρίβεια της μέτρησης. Για παράδειγμα, αν χρησιμοποιηθεί ως θερμόμετρο το αυτοσχέδιο που φαίνεται στην πρώτη φωτογραφία παραπάνω, θα ήταν το ίδιο ακριβές αν τοποθετούνταν σε μία λεκάνη με ζεστό νερό όγκου 5 λίτρων με το αν τοποθετούνταν σε ένα ποτήρι ζέσεως με το ίδιο ζεστό νερό όγκου 300 ml;

Στο σημείο αυτό αξίζει να επανέλθουμε αφού συζητηθεί στην επόμενη ενότητα το φαινόμενο της θερμικής ισορροπίας αφού σχετίζεται με τους περιορισμούς στην ακρίβεια της θερμομέτρησης που θέτει η ίδια η Φυσική.


Φύλλο εργασίας 4 (σε μορφή .doc)

Α. Το πρόβλημα

Έχουμε  τρία ποτήρια γεμισμένα με νερό: ζεστό, χλιαρό, κρύο. Ένας μαθητής θέλει να εκτιμήσει "πόσο ζεστό" είναι το νερό της μεσαίας λεκάνης, η οποία περιέχει το χλιαρό νερό. Αρχικά έχει το ένα του χέρι στη λεκάνη με το ζεστό νερό και το άλλο του χέρι στη λεκάνη με το κρύο νερό. Στη συνέχεια τοποθετεί και τα δύο του χέρια στη λεκάνη με το χλιαρό νερό. Πόσο ζεστό νομίζει ότι είναι το νερό σε αυτό το ποτήρι;

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

Β1. Τι νομίζετε ότι μπορείτε να κάνετε για να διαπιστώσετε «αντικειμενικά» πόσο ζεστό είναι το νερό στο μεσαίο ποτήρι του παραπάνω πειράματος;

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

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

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

Β2. Να κάνετε μία υπόθεση, τέτοια ώστε να μπορέσετε να την ελέγξετε, σχετικά με τη συμπεριφορά ενός «θερμομέτρου» όταν τοποθετείται σε ζεστό ή κρύο νερό.

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

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

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: Ζεστό (βραστό) και κρύο νερό, παγάκια, ένα θερμόμετρο του οποίου η κλίμακα είναι σκεπασμένη με χαρτί,  ποτήρι θερμοαντοχής). Τι θα κρατήσετε σταθερό; Τι θα μεταβάλλετε;

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

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

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

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

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

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

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

Γ2. Να κάνετε το πείραμα που περιγράψατε παραπάνω. Τι προβλήματα συναντήσατε; Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε;

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

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

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

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

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

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

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

Γ3. Ας θεωρήσουμε ότι το βραστό νερό έχει θερμοκρασία «100 βαθμούς» και ότι το νερό με παγάκια έχει θερμοκρασία «0 βαθμούς». Αναμίξτε βραστό και παγωμένο νερό. Θέλετε να εκτιμήσετε με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια τη θερμοκρασία του νερού που προκύπτει. Περιγράψτε ένα πείραμα που θα κάνετε.

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

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

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

Γ4. Εκτελέστε 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).