Η διάδοση της θερμότητας στα στερεά: οι καλοί και οι κακοί αγωγοί της θερμότητας

Transcript

1 Η διάδοση της θερμότητας στα στερεά: οι καλοί και οι κακοί αγωγοί της θερμότητας Το διδακτικό αντικείμενο Η επίδραση της παροχής θερμότητας στα διάφορα υλικά μπορεί να έχει διαφορετικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα σε κάποια υλικά όπως το χαρτί, το βαμβάκι ή το πλαστικό η παροχή θερμότητας, μαζί με άλλους παράγοντες, μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία χημικών αντιδράσεων, με τελικό αποτέλεσμα την μη αντιστρεπτή αλλαγή των υλικών αυτών. Πρόκειται για τις αλλαγές αυτές που αποκαλούμε συνήθως χημικά φαινόμενα. Σε άλλες περιπτώσεις η παροχή θερμότητας στα υλικά προκαλεί φυσικές μεταβολές, όπως για παράδειγμα οι αλλαγές κατάστασης που ήδη εξετάσαμε (εξαέρωση, υγροποίηση, τήξη, πήξη κλπ), δηλαδή αλλαγές που αποκαλούμε φυσικά φαινόμενα. Οι φυσικές μεταβολές γίνονται ευκολότερα αντιληπτές όταν τα θερμαινόμενα υλικά είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας, δηλαδή όταν επιτρέπουν με σχετική ευκολία τη διάδοση της θερμότητας στο εσωτερικό τους. Οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι τα στερεά, ενώ μικρή αγωγιμότητα έχουν τα υγρά και ακόμα μικρότερη τα αέρια. Μεταξύ των στερεών οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι τα μέταλλα, ενώ υλικά όπως το γυαλί, το ξύλο, ο φελλός, έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα και τα αναγνωρίζουμε ως κακούς αγωγούς της θερμότητας. Οι δυσκολίες που αντιμετωπίζει η παιδική σκέψη Είναι αυτονόητο ότι τα παιδιά δεν είναι σε θέση να διακρίνουν τους καλούς και τους κακούς αγωγούς της θερμότητας, καθώς δεν είναι πιθανό να μπορούν να αναγνωρίζουν τη διάκριση αυτή ακόμα και ως πιθανό ερώτημα. Στην καθημερινή τους ζωή βέβαια έχουν τέτοιες εμπειρίες, όπως για παράδειγμα με το κουτάλι που βυθίζουν στο ζεστό γάλα ή με τις κατσαρόλες στις οποίες ζεσταίνουμε νερό, αλλά οι εμπειρίες αυτές δεν αποτελούν αντικείμενο συστηματικής νοητικής επεξεργασίας (Ραβάνης, 1999). Ένα βασικό λοιπόν πρόβλημα για τα παιδιά είναι να αναγνωρίσουν ότι κάποια στερεά υλικά όταν θερμανθούν σε ένα σημείο τους θερμαίνονται σταδιακά σε όλη τη μάζα τους, ενώ άλλα υλικά θερμαίνονται μόνο στο σημείο που έρχονται σε επαφή με την πηγή θερμότητας. Επίσης σημαντικό πρόβλημα για τα παιδιά αποτελεί η διάδοση της θερμότητας διαμέσου του μεταλλικού υλικού, καθώς συχνά πιστεύουν ότι η θερμότητα διαδίδεται σε κάποιο άλλο

2 σημείο του θερμαινόμενου μεταλλικού αντικειμένου μέσω του αέρα (Μαυροπούλου κ. άλ., 1993). Οι στόχοι των δραστηριοτήτων Το ζήτημα της διάκρισης σε καλούς και κακούς αγωγούς της θερμότητας είναι πολύπλοκο αν επιχειρήσουμε να το προσεγγίσουμε σε όλες τους τις διαστάσεις. Στην περίπτωση των στερεών, όμως, το θέμα μπορεί να περιοριστεί στην προσπάθεια διάκρισης των υλικών σε αυτά που θερμαίνονται σε όλη τη μάζα τους ή μόνο στο σημείο επαφής με την πηγή θερμότητας. Γι' αυτό οι δραστηριότητες που προτείνονται δεν σχετίζονται παρά μόνο με απλά υλικά, όπως για παράδειγμα τα μέταλλα, το γυαλί και το ξύλο, με τη χρήση των οποίων μπορούμε να επεξεργαστούμε τη διάκριση αυτή. Χρησιμοποιούμενα υλικά Κομμάτια βαμβάκι βρεγμένα με οινόπνευμα, σπίρτα ή μικρό αναπτήρα, διατάξεις θέρμανσης νερού, ποτήρια, δοχεία με νερό, ράβδοι από αλουμίνιο, ξύλο, γυαλί ή πυρίμαχο διαφανές υλικό, κουτάλια μικρού πάχους και μήκους και μια σειρά από καθημερινά μεταλλικά και μη αντικείμενα, κόκκινα και πράσινα αυτοκόλλητα χαρτάκια. Οι δραστηριότητες Όλες οι δραστηριότητες αυτές πραγματοποιούνται ατομικά με κάθε παιδί ή σε μικρές ομάδες παιδιών. Πρώτη δραστηριότητα: θερμαίνοντας μια ράβδο αλουμινίου Αφού ανακοινώσουμε στα παιδιά ότι σκοπεύουμε να ζεστάνουμε τη μια άκρη ενός αλουμινένιου ραβδιού, τους ζητάμε να προβλέψουν αν θα ζεσταθεί και το υπόλοιπο ραβδί. Αφού συζητήσουμε τις απαντήσεις των παιδιών, θερμαίνουμε το ένα άκρο της αλουμινένιας ράβδου στο φλεγόμενο βαμβάκι αφού πρώτα το ανάψουμε και σταδιακά θερμαίνεται όλη η ράβδος (Σχήμα 1). Ζητάμε από τα παιδιά να ελέγξουν αν ζεστάθηκε ολόκληρο το ραβδί και σχολιάζουμε μαζί τους τις προβλέψεις που είχαν πραγματοποιήσει σε σχέση με τα αποτελέσματα του πειράματος. Κατά τη διάρκεια της συζήτησης προσπαθούμε να επικεντρώσουμε την προσοχή των παιδιών στην αύξηση της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία κατά μήκος της ράβδου, μέχρι το άκρο της που ήταν μακριά από την πηγή

3 θερμότητας. Επίσης επιχειρούμε να δώσουμε έμφαση στο ότι η θερμότητα (η "ζέστη" όπως λένε τα παιδιά) περνάει μέσα από τη μάζα της μεταλλικής ράβδου. Σχήμα 1. Θερμαίνοντας μια ράβδο από αλουμίνιο Δεύτερη δραστηριότητα: θερμαίνοντας μια γυάλινη ράβδο Αφού ολοκληρώσουμε την πρώτη δραστηριότητα, ανακοινώνουμε στα παιδιά ότι θα επαναλάβουμε τη δραστηριότητα με το γυάλινο ραβδί και τους ζητάμε προβλέψεις. Πριν πραγματοποιήσουμε οποιαδήποτε πειραματική διαδικασία, επισημαίνουμε τις προβλέψεις τους, τις συγκρίνουμε με τα αποτελέσματα της προηγούμενης δραστηριότητας (για παράδειγμα, "επομένως μου λέτε ότι όπως ζεστάθηκε το μέταλλο θα ζεσταθεί και το γυαλί" ή "επομένως μου λέτε ότι το γυαλί δεν θα ζεσταθεί όπως ζεστάθηκε το μέταλλο"). Στη συνέχεια θερμαίνουμε σε ένα φλεγόμενο βαμβάκι το γυάλινο ραβδί (Σχήμα 2). Τα παιδιά διαπιστώνουν ότι από το ραβδί θερμαίνεται μόνο το άκρο του που βρέθηκε στη φωτιά ενώ το υπόλοιπο παραμένει στην αρχική του θερμική κατάσταση και σχολιάζουμε πάλι μαζί τους τα αποτελέσματα. Κατά τη διάρκεια της συζήτησης προσπαθούμε να επικεντρώσουμε την προσοχή των παιδιών στην αμετάβλητη θερμική κατάσταση διαφόρων σημείων της ράβδου και στη συνέχεια κατευθύνουμε τη συζήτηση στη σύγκριση των αποτελεσμάτων της πειραματικής διαδικασίας με τις αρχικές τους προβλέψεις. Επίσης αφού ολοκληρώσουμε τη συζήτηση για τη συγκεκριμένη πειραματική διαδικασία, προχωράμε στη σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο δραστηριοτήτων, επιμένοντας στη διάκριση μεταλλικών και μη αντικειμένων σε σχέση με τη διάδοση της θερμότητας.

4 Σχήμα 2. Θέρμανση σε ένα σημείο γυάλινης ράβδου Τρίτη δραστηριότητα: βυθίζοντας μεταλλικά αντικείμενα σε ζεστό νερό Ζεσταίνουμε όσο το δυνατόν περισσότερο μια ποσότητα νερού και γεμίζουμε ένα ποτήρι. Παίρνουμε ένα μικρό και λεπτό κουτάλι και ζητάμε από τα παιδιά να προβλέψουν αν θα ζεσταθεί ολόκληρο, όταν το τοποθετήσουμε στο ζεστό νερό με το ένα άκρο του να βρίσκεται έξω από το νερό (Σχήμα 3). Σχήμα 3. Βυθίζοντας ένα κουτάλι σε ένα ποτήρι με ζεστό νερό Συζητάμε τις προβλέψεις τους και στη συνέχεια βυθίζουμε το κουτάλι στο ζεστό νερό και επιβεβαιώνουμε μαζί με τα παιδιά ότι ζεσταίνεται ολόκληρο. Στη συνέχεια αφού σχολιάσουμε τις προβλέψεις τους σε σχέση με τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας, προσπαθούμε να επικεντρώσουμε την προσοχή τους στη μεταλλική φύση του συγκεκριμένου αντικειμένου και γενικώς των διαφόρων υλικών. Τέταρτη δραστηριότητα: βυθίζοντας ξύλινα αντικείμενα σε ζεστό νερό Ζεσταίνουμε μια ποσότητα νερού και γεμίζουμε ένα ποτήρι. Ζητάμε από τα παιδιά να προβλέψουν αν θα ζεσταθεί ένα ξύλινο αντικείμενο (για παράδειγμα ένα ξύλινο κουτάλι αυτή τη φορά) όταν το βυθίζουμε σε ένα ποτήρι με ζεστό νερό. Αφού συζητήσουμε τις προβλέψεις τους, βυθίζουμε το ξύλινο αντικείμενο στο νερό έτσι ώστε ένα τμήμα του να εξέχει και διαπιστώνουμε μαζί με τα παιδιά ότι το τμήμα του που δεν είναι βυθισμένο στο νερό δεν

5 ζεσταίνεται. Συζητώντας προσπαθούμε να επικεντρώσουμε τη σκέψη των παιδιών στο ξύλο από το οποίο είναι φτιαγμένο το αντικείμενο. Στη συνέχεια κατευθύνουμε τη συζήτηση στη σύγκριση της εξέλιξης της διαδικασίας της θέρμανσης στα μεταλλικά και τα μη μεταλλικά αντικείμενα. Πέμπτη δραστηριότητα: θερμαίνοντας έναν αγωγό τον οποίον "κρατάμε" με ένα μονωτή Χρησιμοποιούμε τον σωλήνα αλουμινίου της πρώτης δραστηριότητας τον οποίον "πιάνουμε" με ένα μανταλάκι και τον κρατάμε με το μανταλάκι αυτό (Σχήμα 4). Σχήμα 4. Θερμαίνοντας έναν αγωγό τον οποίον κρατάμε με ένα μονωτή Εξηγούμε στα παιδιά ότι θα ζεστάνουμε τον σωλήνα στη φλόγα και τους ζητάμε να προβλέψουν αν θα μπορέσουμε να κρατήσουμε τον σωλήνα με το μανταλάκι ή αν το μανταλάκι θα ζεσταθεί και θα καούμε. Αφού συζητήσουμε με τα παιδιά τις προβλέψεις τους, πραγματοποιούμε το πείραμα (ζεσταίνουμε τον σωλήνα κρατώντας τον πάντα από το μανταλάκι) και τα προτρέπουμε να επιβεβαιώσουν το αποτέλεσμα. Μετά την ολοκλήρωση των πειραματικών διαδικασιών συζητάμε για τις προβλέψεις τους και επικεντρώνουμε τη συζήτηση στη διαφορά του μετάλλου και του ξύλου. Επίσης, ολοκληρώνοντας τον κύκλο των δραστηριοτήτων αυτών επιχειρούμε πάλι να διακρίνουμε ως προς την αγωγή της θερμότητας τα μεταλλικά και μη μεταλλικά αντικείμενα. Αξιολόγηση Δίνουμε στα παιδιά μια σειρά από μεταλλικά και μη μεταλλικά αντικείμενα, όπως επίσης αυτοκόλλητα κόκκινα και πράσινα χαρτάκια. Ζητάμε από ζευγάρια παιδιών να παίξουν ένα παιχνίδι: στα αντικείμενα που ζεσταίνονται ολόκληρα να κολλήσουν ένα κόκκινο χαρτάκι και σε όσα δεν ζεσταίνονται ένα πράσινο χαρτάκι. Αφού τελειώσουν, συζητάμε με τα παιδιά για

6 τις επιλογές τους και με βάση τη διάκριση σε μεταλλικά και μη μεταλλικά αντικείμενα και παρεμβαίνουμε όταν κρίνουμε ότι υπάρχει ανάγκη. Παρατηρήσεις 1) Η δραστηριότητα αυτή είναι προαπαιτούμενη για μια άλλη δραστηριότητα που θα ακολουθήσει με αντικείμενο τη θερμική διαστολή και συστολή των μεταλλικών υλικών. Στην περίπτωση όπου ο/η εκπαιδευτικός αποφασίσει να μην ασχοληθεί με τα φαινόμενα της διαστολής και συστολής, θα μπορούσε να μην πραγματοποιήσει τη δραστηριότητα αυτή. 2) Μπορούμε να πραγματοποιήσουμε τις δραστηριότητες αυτές σταδιακά (για παράδειγμα τις δύο πρώτες μια ημέρα, την τρίτη και την τέταρτη μια άλλη ημέρα και την πέμπτη αργότερα) ή και όλες μαζί σε μια ημέρα. Όμως, για να επιτυγχάνουμε τις αναγκαίες συγκρίσεις των υλικών, πραγματοποιούμε την δεύτερη αμέσως μετά την πρώτη δραστηριότητα και την τέταρτη αμέσως μετά την τρίτη. 3) Είναι αυτονόητο ότι για λόγους ασφάλειας τις θερμάνσεις των διαφόρων υλικών πραγματοποιούν οι νηπιαγωγοί, χωρίς να επιτρέπουν στα παιδιά να έρθουν σε επαφή με τις συσκευές θέρμανσης. Βιβλιογραφικές αναφορές ΜΑΥΡΟΠΟΥΛΟΥ, Μ. ΤΕΡΖΟΥΔΗ, Μ. ΡΑΒΑΝΗΣ, Κ. ΜΠΑΓΑΚΗΣ, Γ. & ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ, Γ. (1993). Η διάδοση της θερμότητας στα στερεά. Μελέτη των νοητικών παραστάσεων μαθητών προσχολικής ηλικίας. Στο Ένωση Ελλήνων Φυσικών, Πρακτικά 6 ου Πανελληνίου Συνεδρίου, τ. Α, Αθήνα, ΡΑΒΑΝΗΣ, Κ. (1999). Οι Φυσικές Επιστήμες στην Προσχολική Εκπαίδευση. Διδακτική και γνωστική προσέγγιση. Τυπωθήτω, Αθήνα.