Ljubljana, 3. oktobra 2001 Modul 1: Snovni tokovi Mojca Čepič, Pedagoška fakulteta, Ljubljana Didaktična obravnava Metode pri pouku fizikalnega dela naravoslovja Pouk naravoslovja naj izhaja iz konstruktivističnih načel kjer je to le mogoče. Otroci naj pri pouku najprej povedo svoje izkušnje in poznavanje obravnavane tematike. Poslužujemo se lahko intervjuja z vprašanji, ki dovoljuje popolnoma nepravilne in nesmiselne odgovore (kaj ti misliš...). Vprašanja naj ne iščejo vzrokov, ampak naj opisujejo oziroma napovedujejo dogajanja (kaj ti misliš, da se bo zgodilo...). Nato naj otroci sami poskušajo in preverjajo svoje napovedi. Šele preko izvedenih poskusov osvajajo nova znanja. Zakaj snovni tokovi Tema snovnih tokov je bila vpeljana v naravoslovje kot fizikalna vsebina, ki ima mnogo povezav s preostalima znanostima - kemijo in fiziko. Reke in potoki vplivajo na ekosisteme v svoji okolici, preskrbujejo prebivalstvo z vodo, hrano in energijo, spreminjajo okolje zaradi erozije ipd. Zračni tokovi spremljajo vremenske spremembe in vplivajo na podnebje. Snovni tokovi so v živih bitjih. Kri, ki kroži po žilah prenaša hranilne snovi in kisik, odnaša presnovne produkte. Katera predznanja imajo učenci V šestem in sedmem razredu otroci obvladajo že precej spretnosti, ki so potrebne za naravoslovne dejavnosti: znajo razvrščati oziroma urejati po eni ali dveh spremenljivkah. Znali naj bi načrtovati preproste eksperimente, ki naj ovržejo ali potrdijo njihovo predpostavko. Pri poskusih obvladajo nadzor nad eno spremenljivko. Znajo tudi poročati, predstaviti rezultate svojih meritev oziroma opazovanj z uporabo tabel, histogramov in preprostih grafov. Učenci so se s snovnimi tokovi srečali že v nižjih razredih le poimenovali jih niso na ta način. Opazovali so iztekanje vode iz steklenic, pri tem so opazovali nižanje vodne gladine. Opazovali so tudi razlike med prelivanjem in 1
presipavanjem. Voda je predstavljala pripomoček za zavedanje ohranitvenih zakonov. Skozi vsa leta so opazovali vremenske pojave, določali so smer in hitrost pihanja vetra. V četrtem razredu se srečujejo s pojmom viskoznosti kot lastnosti, ki jo lahko urejamo z operacijo pretakanja. Opazovali so že sisteme kot so centralna kurjava ipd. Kratek pregled osvajanja teh znanj V prvem triletju so otroci predvsem udeleženci izvajanih eksperimentov. Oni se gibljejo, oni občutijo, oni opazujejo. Njihovo telo je merilni instrument. Hkrati se učijo tudi osnovnih operacij določanja spremenljivk, razvrščanja, urejanja, rabe besed pri poročanju, učijo se opisovanja krajevnih in časovnih dogodkov in spremenljivk. Srečajo se skoraj z vsemi fizikalnimi vsebinami, a le starosti primerno. V četrtem in petem razredu se postavijo na stališče neodvisnega opazovalca. Zavedo se, da morajo poskusi potekati tako, da način opazovanja oziroma merjenja ne (oziroma čim manj) vpliva na poskus in da je dober poskus tudi ponovljiv. Osnovni pojmi in kako jih osvojiti a) intenzivne in ekstenzivne količine Ekstenzivne ali aditivne količine so količine, ki se odvisne od "velikosti" opazovane snovi. Za velikost opazovane snovi vpeljimo ime množina. Ali ima morda kdo boljši predlog? Intenzivne količine so količine, ki so od množine opazovane snovi neodvisne. Kako pokazati razliko med obema vrstama količin: POSKUS: plastelin (najbolje play-doh) zgnetemo v kepo opišemo čim več njenih lastnosti npr. barva, masa, prostornina, trdota, vonj,... 2
Slika 1 Dišeči plastelin različnih barv. - nato kepo plastelina razrežemo in za vsako od prej naštetih lastnosti ugotovimo, ali je v delu kepe enaka ali različna kot v celoti - lastnosti razvrstimo na dva stolpca oziroma na intenzivne in ekstenzivne (vendar je bolje, da otrok s poimenovanjem ne obremenjujemo) še nekaj poskusov za razmislek oziroma testiranje v razredu - kozarec tople vode prelijemo v dva kozarca - zrak iz enega balončka pretočimo v dva balončka b) zbiralnik Zrnate, tekoče in plinaste snovi shranjujemo v zbiralnike. Zbiralniki so posode, katerih stene ločujejo prostor, kjer snovi ni (ali je je manj) od prostora, kjer je snovi več. Znotraj zbiralnika se od okolice razlikuje intezivna količina. Npr. v posodi je voda, zunaj pa je ni. Lahko bi rekli, da je koncentracije vode v posodi večja, kot zunaj. V zračnici je več zraka, kot ga je v enako velikem prostoru izven zračnice. Zbiralnike enakih snovi lahko urejamo po kapaciteti. Kapaciteta je merljiva količina. Lastnost zbiralnika je lahko največja masa določene snovi, ki jo še spravimo vanj (predvsem zrnate snovi) ali prostornina (predvsem tekočine). Za pline je opis kapacitete bolj zamotan in je določen običajno funkcionalno. Kapaciteta plinskih jeklenk je običajno podana v kilogramih oziroma gramih. 3
Pri tem je zamolčano dejstvo, da je plin napolnjen pri določenem tlaku. Če bi jeklenko polnili s plinom pri drugačni temperaturi ali tlaku, bi bila masa plina drugačna. Jeklenka ima namreč natančno določeno prostornino, ki pa v različnih okoliščinah lahko vsebuje različne množine plina. PREDSTAVITEV oz. ZBIRKA: - menzure - različne plastenke - plastične posode za vodo - baloni - jeklenka(e) - zračnice oziroma gume Slika 2: Menzure različnih presekov in višin. Slika 3 Plastenke različnih oblik. Lahko dostopne in finančno nezahtevne. 4
Slika 4 Zbiralniki, ki omogočajo pretakanje. Slika 5 Zbiralniki za plin s spremenljivo prostornino. Slika 6 Zbiralniki za pline s stalno prostornino. Urejanje zbiralnikov po kapaciteti je dejavnost, ki otroke opominja na kontrolo spremenljivk. Pri tej starostni stopnji se že zavedajo ohranitvenih zakonov (po Piagetu - množina snovi se ne spremeni, če snov preoblikujemo ali razdelimo). Zato lahko kot dejavnost izvedemo urejanje posod različnih oblik po kapaciteti. Pozorni moramo biti na naslednje okoliščine: posode morajo 5
napolniti z enako snovjo (npr. vodo ali peskom), pozorni morajo biti na izgubljene množine snovi pri presipavanju, posode morajo biti napolnjene na enak način (do vrha). c) množina snovi v zbiralniku Množina snovi v zbiralniku je merljiva količina. Množino snovi v zbiralniku lahko npr. tehtamo, vendar so zbiralniki po svoji funkciji običajno neprenosljivi. Zato je mnogo bolje izbrati neko drugo količino, katere merjenje je preprosto, vendar nam omogoči izračun množine, ki jo potrebujemo. Lahko pa zbiralnik tudi umerimo. Za preprosto merjenje vsbine zbiralnika moramo izbrati tudi zbiralnik z ustrezno obliko. Pri zbiralnikih z ravnimi stenami zadošča, da merimo višino zrnate snovi ali tekočine. Višini lahko priredimo merilo za množino snovi v zbiralniku npr. 1cm dviga gladine pomeni, da se je prostornina tekočine povečala za 1 dl. Pravimo, da smo umerili merilo na zbiralniku. Postopek za umerjanje je preprost - v zbiralnik dolijemo ali dosipljemo znano prostornino ali maso snovi, izmerimo dvig gladine ali nivoja in merilo je določeno. Zbiralniki zanimivih oblik so morda zabavni, za šolske namene pa niso uporabni. Plini se v zbiralniku razširijo vedno po celotni prostornini. Zato je za množino plina ustrezna količina tlak, ki ga merimo z manometrom. Povezava med tlakom in maso snovi v zbiralniku je bolj zamotana - podaja jo splošna plinska enačba pv=m/m RT. Zbiralnik lahko glede na kazalec manometra umerimo vendar so na starostni stopnji 6. razreda bolj primerne semikvantitativne primerjave - čim večji je tlak v zbiralniku (posodi) tem večja je množina plina v njem. d) izolator Stene posode ločujejo prostor na dva dela, ki imata različne lastnosti. Stene posode hkrati preprečujejo izmenjavo snovi z okolico. Vse stene niso idealne. Baloni, napolnjeni s helijem, postanejo v nekaj dneh mehki in ne silijo več pod strop. Skozi stene balonov namreč helij uhaja. Za stene posod lahko vpeljemo izraz izolator, ker preprečuje uhajanje snovi v okolico. 6
e) snovni tokovi in vodniki Kadar se snov prenaša iz enega kraja na drugega, lahko govorimo o snovnem toku. Premikanje enega avtomobila po cesti običajno ne povezujemo s snovnim tokom, če pa opazujemo vožnjo strnjene kolone avtomobilov po avtocesti, pa nam je ideja snovnega toka že bližja. Premikanje teles in živih bitij so otroci obravnavali na najrazličnejše načine v prvih petih letih šolanja. V šestem razredu pa se ukvarjajo s snovnim tokom v bolj fizikalnem pomenu. O snovnem toku v fiziki govorimo namreč takrat kadar se "določena množina snovi" umakne iz "določenega kraja v določenem času", vendar jo tam nadomesti druga po lastnostih enaka snov. Z otroci se o o snovnih tokovih raje pogovarjamo v zvezi s konkretnimi primer: potok, reka, veter, vodovodna napeljava, centralna kurjava, ožilje, presnova... Snovni tok je lahko odprt - snov se izteka iz enega zbiralnika in teče v drugega - Kateri od prej naštetih primerov so odprti? Snovni tok je lahko krožni oz. zaprt - snov po sistemu cevi kroži, s seboj lahko tudi kaj prenaša, vendar se ne izmenjuje. Kateri od prej naštetih primerov so zaprti? Z masnim tokom običajno merimo prenašanje zrnatih snovi npr. rudniški tekoči trakovi, tekoče stopnice, dvigala,... Pri tekočih trakovih je količina, ki vpliva na velikost pretoka, širina trakov in njihova hitrost. S prostorninskim tokom merimo običajno tokove tekočin. Količini, ki določata pretok sta presek in hitrost. Med prostorninskim in masnim tokom je pri nestisljivih tekočinah preprosta povezava saj 1 liter vode pretečene v 1 sekundi pomeni hkrati tudi 1 kilogram vode pretečene v 1 sekundi. Pri plinih je povezava spet bolj zamotana, ker je potrebno upoštevati še tlak plina in v nekaterih primerih tudi temperaturo. Zopet lahko ostanemo pri semikvantitativni obravnavi otrokom znanih tokov kot so vetrovi, veter z večjo hitrostjo prej prinese slabo vreme, kot veter z manjšo hitrostjo, Snov lahko iz enega zbiralnika do drugega potuje po vodniku. Pravimo, da po vodniku teče snovni tok. Snovni tok po vodnikih teče sam od sebe ali pa ga moramo poganjati. Običajno so za pline vodniki cevi, tekočine pa se lahko pretakajo tudi po žlebovih ali strugah. 7
Dejavnosti Za opazovanje tokov so predvsem primerne dejavnosti naravoslovnega dne. Če imate v bližini šole potok ali nenevarno reko, lahko otroci merijo hitrost reke tako, da vanj mečejo plavajoče predmete (pozor onesnaževanje) npr. suhe vejice in merijo čas, ki ga veijca potrebuje za določeno vnaprej izmerjeno razdaljo. Merijo lahko na mestih, kjer je potok različno širok. Opazujejo smer pretakanja vode tako, da vodo posujejo s smrekovimi iglicami. Tako lahko opazujejo vrtinčenje vode za ovirami in podobno. V majhnih potokih lahko strugo preoblikujejo in ponovno ugotavljajo, kako se spremeni smer in hitrost vodnega toka (pozor, na koncu je potrebmo vzpostaviti prejšnje stanje). Če je v bližini šole merilna palica za merjenje rečnega vodostaja (lahko jo tudi postavite), lahko izvedete tudi dolgotrajnejša opazovanja z risanjem diagrama višine rečne gladine v odvisnosti od časa, pri opombah oziroma rečnem dnevniku lahko zasledujete tudi poročila o pretoku reke oziroma vpisujeta opazke o vremenu (dež, sneg), temperaturah in podobno. f) tok tekočine teče zaradi razlike v višini gladin Demonstracijsko ustvarimo tokove tekočin in plinov s pretakanjem med različnimi zbiralniki (posodami ali baloni). Zrnate snovi lahko le presipamo, ne moremo pa jih pretakati. Demonstracijski poskusi in laboratorijski poskusi: - iztekanje vode iz plastenk - pretakanje vode med enakimi plastenkami - pretakanje vode med plastenkami različnih presekov - pretakanje vode po ceveh različnih presekov Potrebni pripomočki: - plastenke različnih presekov z iztoki in brez - povezovalne plastične cevi različnih presekov 8
Slika 7 Zbiralniki, ki omogočajo pretakanje, domače izdelave in ustrezna zbirka cevi različnih dolžin in presekov. Otroci naj vedno najprej napovejo izide poskusov. Vprašanja naj se začenjajo s "kaj mislite, da sebi..." in ne "kaj se bo zgodilo". Nato naj poskuse izvedejo. Kadar poročajo o poskusih, naj opisujejo dogajanje tudi z risbo oziroma stripom, ki nakazuje časovno spreminjanje opazljivih spremenljivk. S poskusi moramo počasi nakazati dejstvo, da tekočinski tokovi tečejo le zaradi višinskih razlik med gladinami. Snovni tok zmeraj teče iz posode z višjo vodno gladino v posodo z nižjo vodno gladino. Smer vodnega toka ni odvisna od množine snovi v posameznih zbiralnikih, kar je običajno razmišljanje. To napako razčistimo z izvajanjem pretakanja med posodami z različnimi preseki. Slika 8 Pretakanje med različnimi posodami. Izvedba pretakanja je možna na več načinov. Tehnično spretni lahko v plastenke vdelajo cevke, ki jih potem povežejo s cevkami z nekoliko večjimi preseki. Poskuse lahko izvedemo tudi z natego, kjer se še posebej izkaže, da sama razlika v gladinah pravzaprav ni vzrok snovni tok. 9
Slika 9 Model, s katerim lahko pokažemo pretakanje in ustvarjanje razlik v višini vodnih gladin. g) tok teče zaradi tlačne razlike Višina vodne gladine pravzaprav ni tista, ki povzroča tok. To lahko demonstriramo s hidravlično dvigalko ali s povezanimi injekcijskimi iglami. Natega sama je tista, ki lahko vzpodbudi vprašanja na temo višine gladine. Tokovi tečejo namreč zaradi tlačnih razlik. Pojem tlaka spoznajo otroci že v četrtem in petem razredu. Tlak je fizikalna količina, ki povezuje silo in površino. Enaka sila, ki deluje na manjšo površino povzroči pod to površino večji tlak, kot enaka sila, ki deluje na večjo površino. Človeški čuti za tip so v bistvu čutilo za tlak. Poskus: Dve krogli različnih mas in radijev. Večja krogla naj ima tudi večjo maso, vendar ne v razmerju z volumnom. Npr. plastelin in kovinska krogla različnih radijev. Učenec naj pove, katera krogla ima večjo maso. Odgovor je (običajno) napačen. 10
Slika 9 Krogli imata različno maso, in različno velikost. Človek oceni, da ima večjo maso telo, ki na dlani povzroči večji tlak. Poskus: V veliko škatlo zložimo gobe za tablo. Gobe naložimo še v dodatno vrsto, jih stisnemo in zapremo pokrov. Pri zapiranju pokrova otroci doživijo občutek, ki ga povzroča tlak, hkrati pa se zavedo, da se množina snovi v zbiralniku poveča, če je v zbiralniku večji tlak. Slika 10 Gobi imata večjo prostornino od škatle. V škatlo ju lahko stisnemo. Višina vodne gladine določa tlak v tekočini pod njo (p = ρ g h). Semikvantitativno zvezo lahko povemo s stavkom: čim večja je globina, tem večji je tlak. Občutki so otrokom znani, lahko jih nanje tudi opozorite npr. na naravoslovnih dnevih ali v šoli v naravi, če so možnosti kopanja. Prav tako je običajno otrokom znan način, kako povečati domet vodnega curka (vodne pištole, cevi itd.). Te občutke lahko povežemo s prikazom iztekanja vode iz zbiralnika, ki ima odprtine na različnih globinah. Spodnji curki imajo večjo hitrost iztekanja in zato daljši domet. Lahko jih uporabimo za 11
semikvantitativno merilo za tlak: čim dalje pada voda, tem večji je tlak na mestu iztekanja. Slika 11 Tlak pri odprtini določa hitrost iztekanja vode. Čim večja je hitrost, tem dalje pade vodni curek. Tlak plinov lahko povezujemo z občutki pri napihovanju balonov ali zračnih blazin (naravoslovni dnevi in šole v naravi). Množina plina v zbiralniku je povezana s tlakom, čim večji je tlak plina v zbiralniku, tem več je zraka v zbiralniku. Ta povezava velja za zbiralnike s stalno prostornino. Pri balonih je drugače. Tlak v notranjosti balona povečuje tudi deformacija balonske stene oziroma njena napetost. Slika 12 V obeh balonih je tlak enak. Zato se zrak med balonoma ne pretaka več. 12
Na masni pretok vpliva več dejavnikov: z otroci lahko ugotavljate, kateri dejavniki. - tlačna razlika - povezava z višino vodne gladine, s množino zraka v posodi - presek povezave - iztekanje iz odprtin različnih presekov - lastnosti tekočine - viskoznost; raba izrazov, ki opisujejo viskoznost (pretakanje olja, vode, malinovca) h) tok lahko razlike zmanjšuje Iztekajoča voda zmanjšuje vsebino zbiralnika in znižuje gladino v zbiralniku. Dotekajoča voda povečuje vsebino zbiralnika. Podobno velja za pline. Iztekajoči plin zmanjšuje vsebino zbiralnika in zmanjšuje tlak v zbiralniku... Dokler obstaja tlačna razlika med obema koncema povezave, tako dolgo teče snovni tok. Snovni tok poganja tlačna razlika med mestom na vstopu v povezavo in mestom na izstopu iz povezave. Zaradi iztekanja oziroma dotekanja se razlika zmanjšuje, zato je tok vedno manjši in se končno ustavi. Poskus: Tovrstne poskuse je najbolje, da delajo otroci v paru ali celo v četvero. Po dve plastenki povežemo s cevjo ali natego. Otroci zapisujejo odvisnost višine gladine od časa, rišejo grafe in ugotavljajo podobnosti. Z variacijo presekov zbiralnikov, presekov cevi oziroma lege zbiralnikov ugotavljajo podobnosti in razlike v meritvah. Končni zaključek je vedno enak, tok se ustavi, ko se izenačijo gladine oziroma posledično tlaki. i) razlike lahko ohranjamo s črpalkami V odprtih tokokrogih moramo odtekajoč plin ali vodo dovajati. Narava skrbi za dovajanje s padavinami, v vodovodnih napeljavah za stalni dotok vode skrbijo z zbiralniki,... V zaprtih tokokrogih tokove lahko poganjamo s črpalkami, ki za tok potrebno tlačno razliko ustvarjajo umetno. Za to porabljajo energijo. Modeli zaprtih tokokrogov, pogovori od zaprtih tokokrogih centralna kurjava (črpalka) ožilje (črpalka, meritve krvnega tlaka itd) 13
Slika 13 Tlačne ralike lahko ustvarimo tudi s pritiskom. Slika 14 Črpalka ohranja višinsko razliko. Stanje ni ravnovesno, je pa stacionarno. j) stacionarna in ravnovesna stanja Ravnovesna stanja so tista, ki se v daljšem času ne spreminjajo, vendar za njihovo vzdrževanje ne potrebujemo energije. Npr. vodoravna gladina vode je posledica prerazporeditve vode tako, da je potencialna energija celotne voda najmanjša. Če vodo v kozarcu razburkamo, se sama vrne v svoje mirujoče ravnovesno stanje. Naštejte nekaj ravnovesnih stanj v svoji okolici! Stacionarna stanja so tista, ki se v odvisnosti od časa ne spreminjajo. Gladina vode v pretočnem ribniku je ves čas enaka. Vendar voda v ribnik priteka in iz njega odteka. 14
Med stacionarnimi in ravnovesnimi stanji je pomembna razlika. Ni vsako stacionarno stanje ravnovesno, je pa vsako ravnovesno stanje stacionarno. k) tokovi zaradi koncentracijskih razlik Snovni tokovi se pojavijo tudi zaradi razlik v koncentraciji. Črnilo se počasi razleze po celotnem prostoru. V kaplji črnila je koncentracija molekul črnila večja kot izven kaplje. Naključno se več molekul giblje iz kaplje črnila navzven kot nazaj v kaplju črnila. Snovni tok zaradi razlike koncetracij zmanjšuje zmanjšuje razliko koncentracij. Teče tako dolgo dokler razlika obstaja. Slika 15 Tok zaradi koncentracijskih razlik. Razlivanje črnila v vodi. Črnilo se razliva dokler ni koncentracija črnila povsod enaka. 15
Slika 13 Razlivanje črnila v prostoru. l) tokovi zaradi potencialnih razlik Snovni tokovi tečejo iz višjih leg na nižje. V uvodnih poglavjih smo to povezovali s tlačno razliko. Vendar v rečnih tokovih in premikajočih se vodah tlak ni vedno gonilna razlika, temveč je gonilna razlika razlika v potencialih. Gravitacijski potencial je lastnost kraja in je zato intenzivna količina. Telo ima gravitacijsko potencialno energijo, ko ga dvignemo na neko višino. Če na isto (enako) višino dvignemo telo z večjo maso, ima le-to večjo potencialno energijo, kot telo z manjšo maso na enaki višini. Potencialna energija je torej ekstenzivna količina, potencial pa intezivna količina. Telesa oziroma snovi težijo na področja z čim nižjo potencialno energijo. Zrnate snovi se pretakajo le zaradi potencialnih razlik. Slike sta posnela Gregor Tarman in Goran Iskrić. 16