Πειραματική διερεύνηση των φαινομένων που αφορούν αμείωτες ταλαντώσεις

Transcript

1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΣΤΟ INTERACTIVE PHYSICS ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΕΝΑΡΙΟΥ 1.1 ΤΙΤΛΟΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ Πειραματική διερεύνηση των φαινομένων που αφορούν αμείωτες ταλαντώσεις 1.2 ΕΜΠΛΕΚΟΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Φυσική: Μηχανικές ταλαντώσεις, περιοδικά φαινόμενα, ομαλή κυκλική κίνηση, αμείωτες ταλαντώσεις. 1.3 ΓΝΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΛΗΨΕΙΣ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ Οι μαθητές θα πρέπει να έχουν διδαχθεί την έννοια του περιοδικού φαινομένου και κυρίως την ομαλή κυκλική κίνηση. Μια πιθανή αντίληψη των μαθητών είναι ότι η γραμμική αρμονική ταλάντωση δεν συνδέεται καθόλου με την ομαλή κυκλική κίνηση οπότε γενάτε συνήθως η απορία πως ένα όπως η κυκλική συχνότητα ω όπως και η φάση της ταλάντωσης(γωνία) μεγέθη καθαρά γωνιακά υπεισέρχονται σε μια ευθύγραμμη κίνηση. Επίσης μια αντίληψη που συνήθως εμφανίζεται είναι ότι η περίοδος ενός συγκεκριμένου ταλαντωτή εξαρτάται από το πλάτος της ταλάντωσης. Επίσης θεωρούν σαν δύναμη επαναφοράς για την ταλάντωση την F ελατηρίου ή μια επιπλέον δύναμη που ασκείται στο ταλαντούμενο σώμα και όχι την ΣF. 1.4 ΤΑΞΕΙΣ ΣΤΙΣ ΟΠΟΙΕΣ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΑΠΕΥΘΥΝΕΤΑΙ Φυσική Β, Γ Λυκείου. 1.5 ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Προβλέπεται στο Α.Π. η διδασκαλία των Ταλαντώσεων (αμείωτων και φθινουσών) Το διδακτικό σενάριο έχει ως πυρήνα 3 φύλλα εργασίας τα οποία ακολουθούν το πρότυπο «διαμόρφωση υποθέσεων(όπου αυτό μπορεί να γίνει), σχεδίαση πειραμάτων για τον έλεγχο των υποθέσεων, έλεγχος των υποθέσεων- με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων- και εξήγηση των αποκλίσεων-συγκλίσεων μεταξύ υποθέσεων-πειραμάτων». Αυτή η οργάνωση της μαθησιακής διαδικασίας είναι κατάλληλη και για άλλες γνωστικές περιοχές των φυσικών επιστημών όπως Χημεία, Βιολογία κ.ά. αλλά και για άλλες τάξεις. 1.6 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ & ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΥΛΙΚΟΤΕΧΝΙΚΗ ΥΠΟΔΟΜΗ Εφόσον οι μαθητές εργαστούν σε ομάδες 2-3 ατόμων απαιτείται κατάλληλος αριθμός Η/Υ και το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα πληροφορικής. Εναλλακτικά, το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα διδασκαλίας με έναν υπολογιστή και έναν βίντεο-προβολέα. Λογισμικό: 1. InteractivePhysics 2005 γιατί είναι ένα λογισμικό πραγματικού χρόνου και επίσης έχει την δυνατότητα να εκτελεστεί βήμα βήμα μπροστά ή πίσω οπότε και διευκολύνεται η κατα- 1

2 νόηση εξέλιξης του φαινομένου και προφανώς η λήψη μετρήσεων 2. Προσομοιώσεις διαδικτύου γιατί με αυτές μπορούν να κατανοηθούν έννοιες όπως η σχέση ομαλής κυκλικής κίνησης και γραμμικής αρμονικής ταλάντωσης, η έννοια της αρχικής φάσης και άλλα 1.7 ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ 1. Η κατανόηση των περιοδικών φαινομένων και των εννοιών περίοδος και συχνότητα 2. Η κατανόηση της σχέσης ομαλής κυκλικής κίνησης και γραμμικής αρμονικής ταλάντωσης 3. Να κατανοείται η έννοια της αρχικής φάσης 4. Η κατανόηση των διαφορών φάσης μεταξύ των μεγεθών χ,υ,α,σf 5. Η κατανόηση ότι το πλάτος της ταλάντωσης δεν επηρεάζει την περίοδο της, και να αναφέρει από τι εξαρτάται η περίοδος του συστήματος 6. Να παριστάνει ο μαθητής γραφικά τα μεγέθη χ,υ,α,σf σε συνάρτηση με το χρόνο και να κατανοεί που αυτά παίρνουν τις μέγιστες και που τις ελάχιστες τιμές τους 7. Να γίνει κατανόηση του ότι σε ένα συγκεκριμένο ταλαντωτή, αν αλλάξω τη μάζα αλλάζει και το ω με τέτοιο τρόπο ώστε το D να διατηρείται σταθερό 8. Να σχεδιάζει και να εκτελεί απλά πειράματα μηχανικών ταλαντώσεων 9. Εξοικείωση με την διαδικασία «πρόβλεψη πειραματικός έλεγχος εξήγηση» ως βασικό πυρήνα της πειραματικής διαδικασίας. 10. Να διακρίνει μεταξύ τους τις διάφορες μορφές ενέργειας που έχει ένα σώμα όταν ε- κτελεί γραμμική αρμονική ταλάντωση και να αναφέρει πότε αυτές παίρνουν τις μέγιστες και πότε τις ελάχιστες τιμές τους και την σχέση των ενεργειών αυτών με την ο- λική ενέργεια. 11. Να υπολογίζει ο μαθητής την απομάκρυνση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση ενός σώματος που εκτελεί γραμμική αρμονική ταλάντωση, σε μια δεδομένη χρονική στιγμή 12. Να διακρίνει ο μαθητής την διαφορά μεταξύ δυναμικής ενέργειας του ελατηρίου και δυναμικής ενέργειας της ταλάντωσης 13. Η κατανόηση του κριτηρίου για να εκτελέσει ένα σώμα απλή αρμονική ταλάντωση (ΣF=-D.χ). Δηλαδή να μπορεί ο μαθητής να αποφαίνεται όταν είναι γνωστές οι δυνάμεις αν το σώμα εκτελεί ή όχι γραμμική αρμονική ταλάντωση 1.8 ΕΚΤΙΜΩΜΕΝΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ 4-6 διδακτικές ώρες για την εφαρμογή των δραστηριοτήτων των φύλλων εργασίας στην τάξη. Εδώ να τονίσουμε ότι η εφαρμογή του InteractivePhysics 2005 που περιγράφω παρακάτω μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλη τη διάρκεια της διδασκαλίας των ταλαντώσεων. Εδώ επικεντρώνουμε όμως μόνο στην διεξαγωγή των δραστηριοτήτων που αφορούν τους διδακτικούς στόχους 1,2,3,4,5,6,7,8,9 και εν μέρει στον 13 2 ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ Στο πλαίσιο της μελέτης των μηχανικών ταλαντώσεων οι μαθητές αδυνατούν να κατανοή- 2

3 σουν 1)τη σχέση ομαλής κυκλικής κίνησης και ΓΑΤ 2)την έννοια της αρχικής φάσης και της διαφοράς φάσης των μεγεθών χ,υ,t και 3)το γεγονός ότι η περίοδος της ταλάντωσης δεν ε- πηρεάζεται από το πλάτος της για ένα συγκεκριμένο ταλαντωτή. Η διαπραγμάτευση των ταλαντώσεων αποτελεί σημαντική ενότητα καθώς το πρότυπο του απλού αρμονικού ταλαντωτή είναι ένα βασικό πρότυπο σε όλα σχεδόν τα πεδία της φυσικής. Σε αυτό το πλαίσιο, η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαιτέρα τα εικονικά εργαστήρια στην ανάπτυξη διδασκαλιών για την αντιμετώπιση αυτών των μαθησιακών δυσκολιών έχει μεγάλο διδακτικό ενδιαφέρον. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι διδακτικές προσεγγίσεις των σχολικών βιβλίων για τη διδασκαλία των μηχανικών ταλαντώσεων, περιγράφεται το προτεινόμενο διδακτικό σενάριο και παρατίθενται διδακτικές υποδείξεις-προτάσεις, με βάση τα φύλλα εργασίας, για την υλοποίηση του σεναρίου. 2.1 ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΠΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΥΝ ΤΑ ΣΧΟΛΙΚΑ ΒΙΒΛΙΑ Τα σχολικά βιβλία που χρησιμοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια για τη διδασκαλία της φυσικής αξιοποιούν τη μαθηματική περιγραφή των ταλαντώσεων με τις δυνατότητες που προσφέρει το περιβάλλον «χαρτί μολύβι». Δίνεται βέβαια σωστά η κατεύθυνση πραγματοποιήσεων πειραμάτων υπολογισμού της περιόδου της ταλάντωσης και η αξιοποίηση του multi log στην λήψη και επεξεργασία γραφικών παραστάσεων. Τα πειράματα αυτά είναι χρήσιμα και θα μπορούσαν και πρέπει να παρουσιαστούν στους μαθητές με επίδειξη μιας και δεν δίνεται η δυνατότητα με multi log πραγματοποίησης πειραμάτων με τους μαθητές χωρισμένους σε ομάδες. 2.2 ΤΟ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΣΕΝΑΡΙΟ Η προτεινόμενη οργάνωση της διδασκαλίας: Έχει ως πυρήνα τρία φύλλα εργασίας στα οποία παρουσιάζονται γεγονότα και εξηγήσεις καθώς και εφαρμογές του τύπου «πρόβλεψη πειραματικός έλεγχος εξήγηση». Αξιοποιεί τις δυνατότητες που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαιτέρα το πρόγραμμα που έχει δημιουργήσει ο εκπαιδευτικός με το λογισμικό InteractivePhysics Το περιβάλλον του αρχείου που έχει δημιουργηθεί με το InteractivePhysics 2005 περιλαμβάνει: 1. ένα σώμα που ταλαντώνεται σε οριζόντιο επίπεδο, δεμένο στη μία άκρη οριζόντιου ε- λατηρίου η άλλη άκρη του οποίου είναι στερεωμένη. 2. δυνατότητα εκτέλεσης προσομοιώσεων σε πραγματικό χρόνο αλλά και βήμα βήμα (μπροστά πίσω), πράγμα το οποίο διευκολύνει την διερευνητική μάθηση. 3. Επιλογείς με τη βοήθεια των οποίων μπορούμε να αλλάζουμε παραμέτρους όπως η αρχική θέση, η αρχική ταχύτητα, η σταθερά του ελατηρίου, τη μάζα και την απόσβεση (αν πρόκειται να μελετηθούν οι φθίνουσες ταλαντώσεις). 4. Γραφικές παραστάσεις χ(t), υ(t), α(t), ΣF(t) και ΣF(x), πράγμα χρήσιμο για τη μελέτη των ταλαντώσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων. 5. Επίσης υπάρχουν μετρητές του t του χ του υ, και της α, με τη βοήθεια των οποίων θα 3

4 ανιχνεύσει ο μαθητής τις μέγιστες και τις ελάχιστες τιμές των μεγεθών ή ακόμη να ελέγξει την αρχή διατήρησης της ενέργειας και άλλα. 6. Υπάρχει γράφημα κατά την εκτέλεση των προσομοιώσεων που δείχνει πως μεταβάλλεται η κινητική, η δυναμική και η ολική της ενέργεια(αυτό έχει τη δυνατότητα μετατροπής με ένα κλικ σε μετρητή ενεργειών ή να παρουσιάσει μαζί τις τρεις γραφικές παραστάσεις Κ(t), U(t) και Εολ(t)) Στα παραπάνω φαίνεται η πρόσθετη διδακτική αξία από την χρήση των ΤΠΕ Ακόμη ο εκπαιδευτικός Χρησιμοποιεί Applet του τύπου: 4

5 για να γίνει κατανοητή α)η σχέση μεταξύ ομαλής κυκλικής κίνησης και γραμμικής αρμονικής ταλάντωσης β) η έννοια της αρχικής φάσης των μεγεθών χ,υ,α,f και γ)ο λόγος της εισαγωγής στην περιγραφή των μεγεθών της φάσης (γωνίας) Εστιάζει στην διαδικασία μετάβασης από μια δοσμένη προσομοίωση Γ.Α.Τ. σε μια γραφική παράσταση και αντίστροφα (συγχρονική απεικόνιση). Προτείνει δραστηριότητες πειραματισμού με αλλαγή των παραμέτρων(επιλογείς) σε ποικίλες περιπτώσεις Α. Τα φύλλα εργασίας δημιουργήθηκαν, χωρίς να ακολουθούμε την προσέγγιση που προτείνεται από την ομάδα δημιουργίας των δραστηριοτήτων που συνοδεύουν το εξελληνισμένο λογισμικό. Στόχος η καλύτερη αξιοποίηση ενός λογισμικού το οποίο προσφέρει δυνατότητες προσομοιώσεων και παρεμβάσεων στη διαμόρφωση των γραφικών παραστάσεων Β. Οι δραστηριότητες των μαθητών και η οργάνωση της διδασκαλίας: Οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες 2-3 στην αίθουσα πληροφορικής. Εναλλακτικά, το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα διδασκαλίας με έναν υπολογιστή και βιντεο-προβολέα. Κάθε φύλλο εργασίας έχει 2-3 σελίδες. Κάθε δραστηριότητα δίνεται στους μαθητές ξεχωριστά. Όταν ολοκληρωθεί η μία δραστηριότητα τότε δίνεται στους μαθητές η επόμενη. Όπου υπάρχει δυνατότητα, δραστηριότητα των μαθητών στο φύλλο εργασίας είναι και η πρόβλεψη. Με αυτήν επιδιώκουμε: (α) Να διατυπώσουν-αναγνωρίσουν οι μαθητές τις απόψεις που έχουν για το φαινόμενο. (β) Να επαναδιατυπώσουν τις απόψεις τους ως υποθέσεις προς πειραματικό έλεγχο. Δεν γίνεται συζήτηση για το ποιες απόψεις είναι σωστές ή λάθος. Αυτή η κρίση θα προκύψει αργότερα από τη συζήτηση. Μετά το τέλος κάθε δραστηριότητας ακολουθεί συζήτηση. Γίνεται σχολαστικός έλεγχος υποθέσεων-πειραματικών αποτελεσμάτων ώστε να δημιουργηθεί η βάση για την οικειοποίηση των συμπερασμάτων από τους μαθητές. Βασικός παράγοντας αποτελεσματικής χρήσης των φύλλων εργασίας είναι η παραγωγική οργάνωση της συζήτησης των απόψεων μεταξύ των μαθητών. Ο καθηγητής έχει το ρόλο του συντονιστή και όχι του κριτή του «σωστού-λάθους». Η καλή οργάνωση των συζητήσεων θα επιτρέψει την ολοκλήρωση σε 4-6 διδακτικές ώρες. Πριν την δραστηριότητα 1 του 1ου φύλλου εργασίας, εξηγείτε η σχέση ομαλής κυκλικής κίνησης και γραμμικής αρμονικής ταλάντωσης. Ένα απλό πείραμα της σχέσης αυτής μπορεί να εκτελεστεί στην τάξη από τον διδάσκοντα. Βάζοντας το χέρι του απέναντι από μια φωτεινή πηγή, στο τοίχο θα δημιουργηθεί σκιά. Αν το χέρι αρχίζει να κάνει ομαλή κυκλική κίνηση, η σκιά στον τοίχο θα κάνει γραμμική αρμονική ταλάντωση. Άρα μπορεί ο μαθητής να κατανοήσει ότι η γραμμική αρμονική ταλάντωση μπορεί να προκύψει από την προβολή της ομαλής κυκλικής κίνησης. Στην συνέχεια με τη βοήθεια του Applet αλλάζο- 5

6 ντας τη θέση που ξεκινάει το περιστρεφόμενο διάνυσμα (ακτίνα του κύκλου) βλέπουμε τις διαφορετικές γραφικές παραστάσεις και συνδυάζουμε τη γωνιακή αρχική θέση του περιστρεφόμενου διανύσματος με την αρχική φάση της ταλάντωσης. Η προσομοίωση στο Το φύλλο 1 ένα πραγματεύεται την αρχική φάση των διαφόρων ταλαντωτικών μεγεθών καθώς και τις διαφορές φάσης τους. Το φύλλο 2 στην δραστηριότητα 1 εξετάζει αν υπάρχει εξάρτηση της περιόδου από το πλάτος της ταλάντωσης και εισαγωγικά προσπαθεί να αντιληφθεί ο μαθητής πως γίνεται η μέτρηση της περιόδου (ο χρόνος που μεσολαβεί για να περάσει το κινητό από μια θέση για δεύτερη φορά με την ίδια φορά) ενώ ταυτόχρονα έχει τη δυνατότητα να αντιληφθεί το χρόνο αυτό πάνω στη γραφική παράσταση. Στην δραστηριότητα 2 εντοπίζει ο μαθητής τις θέσεις που παίρνουν τα διάφορα μεγέθη τις μέγιστες και ελάχιστες τιμές τους και τέλος Το φύλλο 3 Εξετάζει αν μεταβάλλεται η περίοδος σε σχέση με τη μάζα και το κ του ελατηρίου καθώς επίσης διερευνά αν υπάρχει εξάρτηση της περιόδου από την αρχική ταχύτητα Εξετάζει από τι εξαρτάται η κλίση του διαγράμματος ΣF(x) και προβληματίζει το μαθητή σχετικά με τη σχέση D=k=mω 2. Tέλος συμπεραίνει με τη βοήθεια της προσομοίωσης ότι το D=κ από την κλίση της ευθείας ΣF(x) Το φύλλο 1 υποστηρίζει τους διδακτικούς στόχους 1,2,3,4 Το φύλλο 2 υποστηρίζει τους διδακτικούς στόχους 5,6,8,9 Το φύλλο 3 υποστηρίζει τους διδακτικούς στόχους 5,7,και εν μέρει το στόχο 13 3 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. InteractivePhysics Επιμορφωτικό υλικό για την εκπαίδευση των επιμορφωτών στα ΠΑΚΕ 3. Βιβλίο καθηγητή φυσικής Β Ενιαίου λυκείου 4. Βιβλίο καθηγητή φυσικής Γ Ενιαίου λυκείου (θετικής και τεχνολογικής Κατεύθυνσης) 6