1 ο Εργαστήριο Ο Ατμοσφαιρικός Αέρας ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 ΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «Ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΕΡΑΣ» 1. Η ΥΠΑΡΞΗ ΚΑΙ Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ 1.1. ΠΟΥ ΥΠΑΡΧΕΙ Ο ΑΕΡΑΣ. 1.2. Ο ΑΕΡΑΣ ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΟΞΥΓΟΝΟ. 2. ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ 2.1. Ο ΑΕΡΑΣ ΚΑΤΑΛΑΜΒΑΝΕΙ ΟΓΚΟ. 2.2. Ο ΑΕΡΑΣ ΣΥΜΠΙΕΖΕΤΑΙ. 2.3. Ο ΑΕΡΑΣ ΔΙΑΣΤΕΛΛΕΤΑΙ. 2.4. Ο ΑΕΡΑΣ ΕΧΕΙ ΠΙΕΣΗ.
ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΙ ΚΑΙ Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥΣ Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων «Ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΕΡΑΣ» 1. Η ΥΠΑΡΞΗ ΚΑΙ Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ 1.1. Που υπάρχει ο αέρας. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1η: Υλικά: χωνί, πλαστική μεμβράνη, επιστόμιο 1ο Βήμα: Πρόβλεψη - Τι θα συμβεί αν τοποθετήσετε στο στόμα σας (με την προσαρμογή επιστομίου) το σωληνωτό στόμιο του χωνιού και ρουφήξετε, όταν το του μέρος θα είναι καλυμμένο με πλαστική μεμβράνη; Πώς το εξηγείτε και γιατί; κωνικό Οι περισσότερες/οι φοιτήτριες/ές πρόβλεψαν σωστά ότι η πλαστική μεμβράνη θα κινηθεί προς το εσωτερικό του χωνιού. Η ερμηνεία του φαινομένου αναζητήθηκε μάλλον σε εσωτερικό παράγοντα παρά σε εξωτερικό αίτιο. 2ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος - Χρησιμοποιήστε τα προτεινόμενα υλικά, το χωνί και την πλαστική μεμβράνη. Τοποθετείστε την μεμβράνη σφραγίζοντας το φαρδύ στόμιο του χωνιού. Κατόπιν Ρουφήξτε από το σωληνωτό στόμιο του χωνιού (εκ περιτροπής για την παρατήρηση). - Περιγράψτε τις παρατηρήσεις σας για το φαινόμενο. Η πλαστική μεμβράνη κινήθηκε προς το εσωτερικό του χωνιού. 3ο Βήμα: Ερμηνεία του φαινομένου - Προσπαθήστε να ερμηνεύσετε τις παρατηρήσεις σας. Αν δυσκολεύεστε ζητείστε τη βοήθεια των υπευθύνων του εργαστηρίου. Το «ρούφηγμα» επέφερε ελάττωση του χώρου μες το χωνί. Έτσι ο εξωτερικός ατμοσφαιρικός αέρας «έσπρωξε» (άσκησε δυνάμεις) την πλαστική μεμβράνη, η οποία κινήθηκε προς το εσωτερικό του χωνιού. Παρόμοια ερμηνεύσιμο φαινόμενο: Αναπνοή (εισπνοή - εκπνοή): Το διάφραγμα (μυς) κατεβαίνει, οπότε δημιουργείται χώρος, με αποτέλεσμα ο ατμοσφαιρικός αέρας να εισέρχεται μέσα στους πνεύμονες. Αντίστοιχα, το διάφραγμα (μυς) ανεβαίνει, ελαττώνεται ο χώρος, ο αέρας εξέρχεται από τους πνεύμονες. 1.2. Ο αέρας περιέχει οξυγόνο. 2
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 2η: 1 ο Εργαστήριο Ο Ατμοσφαιρικός Αέρας Υλικά: κερί, αναπτήρας, βαθύ πιάτο με νερό, ποτήρι 1ο Βήμα: Πρόβλεψη - Τι θα συμβεί αν σκεπάστε με το ποτήρι το αναμμένο κερί που επιπλέει στο λίγο νερό του πιάτου; - Πώς το εξηγείτε και γιατί; Οι περισσότερες/οι φοιτήτριες/ές πρόβλεψαν σωστά ότι το κερί θα σβήσει. Η ερμηνεία του φαινομένου αναζητήθηκε από άλλες ομάδες στην έλλειψη οξυγόνου και από άλλες ομάδες στην έλλειψη αέρα. 2ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος - Ανάψτε το κερί και βάλτε το στο πιάτο. Ρίξτε λίγο νερό στο πιάτο (2 εκ. περίπου) ώστε το κερί να επιπλεύσει. Σκεπάστε μετά το κερί με το ποτήρι. Επαναλάβετε το πείραμα αν είναι απαραίτητο και κάντε τις παρατηρήσεις σας. 3ο Βήμα: Παρατήρηση του φαινομένου - Περιγράψτε τις παρατηρήσεις σας για το φαινόμενο. Το κερί θα σβήσει. Το νερό μέσα στο ποτήρι, θα ανέβει λίγο. 4ο Βήμα: Ερμηνεία του φαινομένου - Προσπαθήστε να ερμηνεύσετε τις παρατηρήσεις σας. Το αναμμένο κερί θα σβήσει αφού καταναλώσει το οξυγόνο που βρίσκεται μέσα στο ποτήρι. Ο αέρας (που αναφέρθηκε από πολλές ομάδες) είναι μίγμα, αποτελείται από πολλά αέρια, κυρίως άζωτο (78%)και οξυγόνο (21%). Από αυτά, μόνο το οξυγόνο συντελεί στην καύση του κεριού (και σε κάθε καύση). Το άζωτο (αλλά και τα σε ελάχιστη περιεκτικότητα υπόλοιπα αέρια) δεν συμμετέχουν στην καύση. Συνοψίζοντας, το οξυγόνο καίγεται, δημιουργείται χώρος μέσα στο ποτήρι και το νερό εισέρχεται για να καταλάβει τον διαθέσιμο χώρο. Έτσι η στάθμη του νερού μέσα στο ποτήρι ανεβαίνει. Η δραστηριότητα αυτή πραγματοποιήθηκε ποιοτικά, δηλαδή μας ενδιαφέρει το τι συμβαίνει. Θα μπορούσε να γίνει και ποσοτικά. Σε αυτήν την περίπτωση, η μέτρηση της ανόδου της στάθμης του νερού, σε ποσοστιαία αναλογία με το αρχικό ύψος του αέρα μέσα στο ποτήρι, προσφέρει πολύ καλή μέτρηση της ποσοστιαίας αναλογίας του οξυγόνου στον αέρα. Περαιτέρω ερωτήματα: 1. Τι χρειάζεται το νερό; Δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει το φαινόμενο χωρίς νερό; Το νερό δεν επιτρέπει στον εξωτερικό αέρα να εισέλθει μέσα στο ποτήρι και να αναζωογονήσει την καύση. Αν δεν χρησιμοποιήσετε νερό καλόν είναι να χρησιμοποιηθεί
ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΙ ΚΑΙ Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥΣ Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων πορσελάνινο πιάτο (όχι πλαστικό) και γυάλινο ποτήρι χωρίς εξογκώματα, ώστε να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή εφαρμογή. 2. Το οξυγόνο καταναλώνεται. Μήπως δημιουργείται κάποιο άλλο αέριο ώστε να αναπληρώσει το οξυγόνο και να μην ανέβει η στάθμη του νερού; Όντως, κατά την καύση δημιουργείται διοξείδιο του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα όμως είναι πολύ ευδιάλυτο στο νερό (θυμήσου τις φυσαλίδες στα ανθρακούχα αναψυκτικά). Έτσι διαλύεται στο νερό και δεν μπορεί να αναπληρώσει το οξυγόνο που καταναλώθηκε. 2. ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ 2.1 Ο αέρας καταλαμβάνει όγκο. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3η: Υλικά: λεκάνη με νερό, ποτήρι, χαρτί κουζίνας 1ο Βήμα: Πρόβλεψη - Τι θα συμβεί αν βυθίσουμε κατακόρυφα στη λεκάνη με το νερό ένα ποτήρι με τα χείλη του προς τα κάτω, το οποίο έχει στον πυθμένα του σφηνωμένη μια μπάλα χαρτιού; Θα βραχεί η μπάλα του χαρτιού; - Πώς το εξηγείτε και γιατί; Οι περισσότερες/οι φοιτήτριες/ές πρόβλεψαν σωστά ότι η μπάλα του χαρτιού δεν θα βραχεί. 2ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος - Τσαλακώστε το χαρτί σε σχήμα μπάλας και τοποθετείστε το στον πυθμένα του ποτηριού. Βυθίστε κατακόρυφα το ποτήρι πιέζοντας το στο νερό, με τα χείλη προς τα κάτω για να μη εκτραπεί. Επαναλάβετε το πείραμα αν είναι απαραίτητο και κάντε τις παρατηρήσεις σας. 3ο Βήμα: Παρατήρηση του φαινομένου - Περιγράψτε τις παρατηρήσεις σας για το φαινόμενο α) Τι παρατηρείτε σχετικά με τη στάθμη του νερού μέσα και έξω από το ποτήρι; Η στάθμη του νερού τόσο μέσα όσο και έξω από το ποτήρι ανέβηκε. 4
1 ο Εργαστήριο Ο Ατμοσφαιρικός Αέρας β) Βγάλτε το ποτήρι από το νερό και ελέγξτε το χαρτί. Έχει βραχεί; Το χαρτί μέσα στο ποτήρι δεν βράχηκε. 4ο Βήμα: Ερμηνεία του φαινομένου - Προσπαθήστε να ερμηνεύσετε τις παρατηρήσεις σας: Το ποτήρι περιέχει αέρα. Καθώς εισέρχεται κατακόρυφα και ανάποδα, μέσα στην λεκάνη με το νερό, το νερό συμπιέζει μερικώς τον αέρα, αλλά δεν είναι δυνατόν να τον συμπιέσει τελείως ούτε φυσικά να τον εκτοπίσει από το εσωτερικό του ποτηριού. Ως αποτέλεσμα, η στάθμη του νερού μέσα στο ποτήρι ανεβαίνει, αλλά η άνοδος αυτή είναι ελάχιστη. Αν το χαρτί είναι καλά στερεωμένο στον πάτο του ποτηριού, δεν θα βραχεί. Η δραστηριότητα δεν μπορεί να θεωρηθεί επιτυχημένη, σε περίπτωση που το ποτήρι γείρει λίγο. Σε αυτήν την περίπτωση, θα παρατηρήσετε φυσαλίδες αέρα να βγαίνουν έξω από το ποτήρι. Αν βγει αρκετός αέρας, τότε μπορεί το νερό που θα εισέλθει να βρέξει το χαρτί. Επίσης, η στάθμη του νερού θα ανέβει και έξω από το ποτήρι, επειδή μέσα στη λεκάνη βυθίζονται σώματα (ποτήρι, χέρι) που οι όγκοι τους εκτοπίζουν το νερό.
ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΙ ΚΑΙ Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥΣ Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων 2.2. Ο αέρας συμπιέζεται. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 4η: Υλικά: πλαστική σύριγγα εργαστηρίου 1ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος - Πάρτε την πλαστική σύριγγα, ενεργήστε σύμφωνα με την προτεινόμενη διαδικασία και παράλληλα περιγράψτε τις παρατηρήσεις σας. Τραβήξτε το έμβολο της σύριγγας προς τα έξω και σε όλη τη διαδρομή. Κλείστε μετά σταθερά το στόμιό της με το δάχτυλό σας. Τώρα πιέστε το έμβολο της σύριγγας προς τα μέσα κρατώντας κλειστό το στόμιό της. - Τι παρατηρείτε να συμβαίνει σ αυτή φάση; Περιγράψτε την παρατήρησή σας. Το έμβολο της σύριγγας συμπιέζει τον αέρα, του οποίου ο όγκος μικραίνει αλλά δεν μηδενίζεται. Τώρα αφήστε ελεύθερο το έμβολο της σύριγγας. - Τι παρατηρείτε να συμβαίνει σ αυτή φάση; Περιγράψτε την παρατήρησή σας. Το έμβολο της σύριγγας επανέρχεται στην αρχική του θέση. Ο συμπιεσμένος αέρας εκτοπίζει το έμβολο και καταλαμβάνει τον αρχικό του όγκο. 6
2.3. Ο αέρας διαστέλλεται. 1 ο Εργαστήριο Ο Ατμοσφαιρικός Αέρας ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 5η: Υλικά: γυάλινο μπουκάλι, μπαλόνι, δοχείο ζέσης, ζεστό νερό 1ο Βήμα: Πρόβλεψη - Στο υλικά του έργου που προτείνεται υπάρχει ένα άδειο μπουκάλι. α) Τι περιέχει ένα άδειο μπουκάλι; Οι περισσότερες/οι φοιτήτριες/ές πρόβλεψαν σωστά ότι το άδειο μπουκάλι περιέχει αέρα. β) Τι θα συμβεί στις διαστάσεις ενός αερίου όταν το θερμάνω; Οι περισσότερες/οι φοιτήτριες/ές πρόβλεψαν σωστά ότι ο αέρας διαστέλλεται, δηλ. αυξάνει τον όγκο του. 2ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος - Προσαρμόστε ένα μπαλόνι στο λαιμό ενός μπουκαλιού, αφού πρώτα φυσήξετε αέρα μέσα στο μπαλόνι και στη συνέχεια τον αφήσετε να βγει έξω. Έτσι το μπαλόνι αποκτά ελαστικότητα. Τοποθετείστε προσεκτικά το μπουκάλι μέσα στο δοχείο με το ζεστό νερό. 3ο Βήμα: Παρατήρηση του φαινόμενου - Περιγράψτε τις παρατηρήσεις σας για το φαινόμενο. Το μπαλόνι σιγά - σιγά φουσκώνει. 4ο Βήμα: Ερμηνεία του φαινομένου Προσπαθήστε να ερμηνεύσετε τις παρατηρήσεις σας. Ο αέρας μέσα στο μπαλόνι ζεσταίνεται και έτσι αυξάνεται ο όγκος του, φουσκώνοντας το μπαλόνι.
ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΙ ΚΑΙ Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥΣ Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων 2.4. Ο αέρας έχει πίεση. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 6η: Υλικά: χωνί, γυάλινο μπουκάλι, πλαστελίνη, καλαμάκι, νερό (πλαστικό ποτήρι) 1ο Βήμα: Εκτέλεση Πειράματος α) Τοποθετήστε το χωνί στο στόμιο του μπουκαλιού και ρίξτε μια ποσότητα νερού. - Τι παρατηρείτε να συμβαίνει σ αυτή φάση; Περιγράψτε την παρατήρησή σας. Το νερό διέρχεται κανονικά από το χωνί και χύνεται στο μπουκάλι. β) Σφραγίστε τώρα το κενό που υπάρχει ανάμεσα στο στόμιο του μπουκαλιού και στο σωληνωτό του χωνιού, εφαρμόζοντας γύρω του πλαστελίνη. Στη συνέχεια προσπαθήστε να γεμίσετε το μπουκάλι με νερό, ρίχνοντας απότομα και με προσοχή, μια ποσότητα νερού. - Τι παρατηρείτε να συμβαίνει σ αυτή φάση; Περιγράψτε την παρατήρησή σας. Αρχικά, μικρή ποσότητα νερού διέρχεται από το χωνί. Στη συνέχεια όμως, το υπόλοιπο νερό δυσκολεύεται να περάσει και έτσι «φρακάρει». γ) Πάρτε τώρα το καλαμάκι κι αφού κλείστε/σφραγίστε με το δείκτη του χεριού σας ή κλείστε πιέζοντας με το δείκτη και τον αντίχειρα το πάνω άκρο του (στόμιο), περάστε το κατακόρυφα μέσα από το χωνί, ώστε η μια του άκρη να είναι μέσα στο μπουκάλι και η άλλη στην ατμόσφαιρα. Κατόπιν απομακρύνετε τον αντίχειρα ή το δείκτη σας από το καλαμάκι, ελευθερώνοντας το στόμιό του. - Τι παρατηρείτε να συμβαίνει σ αυτή φάση; Περιγράψτε την παρατήρησή σας. Νερό αναπηδά από το καλαμάκι προς τα έξω ενώ το νερό που ήταν στάσιμο στο χωνί χύνεται με ευκολία μέσα στο μπουκάλι. 8
1 ο Εργαστήριο Ο Ατμοσφαιρικός Αέρας 2ο Βήμα: Ερμηνεία του φαινόμενου - Προσπαθήστε να ερμηνεύσετε τις παρατηρήσεις σας για το φαινόμενο και στις τρεις φάσεις του. Τα χωνιά έχουν κάποιες προεξοχές στο λαιμό τους. Αυτό επιτρέπει στο υγρό που χύνεται από το στόμιο του χωνιού, να εκτοπίζει τον αέρα που βρίσκεται μέσα στο μπουκάλι. Ο αέρας έτσι βγαίνει έξω από το μπουκάλι, εκμεταλλευόμενος τον χώρο που αφήνουν οι προεξοχές του λαιμού του χωνιού ανάμεσα στο χωνί και το μπουκάλι. Άμα φραχθεί ερμητικά αυτός ο χώρος (πχ. με πλαστελίνη), θα εισέλθει λίγη ποσότητα νερού, όσο είναι δυνατόν να συμπιέσει τον αέρα που βρίσκεται μέσα στο μπουκάλι. Στη συνέχεια, δεν θα μπορεί να χυθεί άλλο νερό και θα παραμείνει στάσιμο μέσα στο χωνί. Με το καλαμάκι δίνεται διέξοδος στον εγκλωβισμένο, μέσα στο μπουκάλι, αέρα να βγει έξω. Έτσι δημιουργείται χώρος για το νερό, που τώρα θα χυθεί. Στην αρχή μια μικρή ποσότητα νερού πετάγεται έξω από το καλαμάκι. Αυτό το νερό μπήκε μέσα στο καλαμάκι όταν το καλαμάκι βυθιζόταν στο νερό του χωνιού για να το διαπεράσει και να φτάσει μέσα στο μπουκάλι. Καθώς ο αέρας έβγαινε από το καλαμάκι, συμπαρέσυρε και αυτήν τη μικρή ποσότητα νερού, δημιουργώντας τον πίδακα που παρατηρήθηκε.
ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΙ ΚΑΙ Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥΣ Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων 3. ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ 3.1 Εναλλακτικές ιδέες νηπίων και μικρών μαθητών για τον ατμοσφαιρικό αέρα Πολλά νήπια και μικροί μαθητές δυσκολεύονται να κατανοήσουν την υλική υπόσταση του αέρα, όπως για παράδειγμα ότι ο αέρας έχει βάρος, αντίθετα μάλιστα θεωρούν ότι έχει αρνητικό βάρος ή και καθόλου. Δυσκολεύονται επίσης να κατανοήσουν ότι ο αέρας καταλαμβάνει όγκο και ότι τα αέρια γενικά καταλαμβάνουν όλο το χώρο, καθώς θεωρούν ότι συγκεντρώνονται σε ορισμένους χώρους, όπως τα υγρά. Δεν διαφοροποιούν το βάρος από τον όγκο και χρησιμοποιούν το εμφανές μέγεθος του δοχείου για να εκτιμήσουν το βάρος του περιεχόμενου αέρα. Ακόμη θεωρούν ότι μόνο ο άνεμος έχει πίεση και όχι ο ακίνητος αέρας, καθώς επίσης δυσκολεύονται να συσχετίσουν την πίεση στο εσωτερικό μιας μπάλας με την ατμοσφαιρική. Για περισσότερες λεπτομέρειες δες και Driver κλπ: Οικο-δομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών, εκδ. Τυπωθήτω, σελ. 197 3.2 Επιλογή πειραμάτων για εφαρμογή στο Νηπιαγωγείο. Στο εργαστηριακό μάθημα που μόλις ολοκληρώθηκε εκτελέσατε μια σειρά απλών πειραμάτων που αφορούν στην ύπαρξη, τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού αέρα και είναι κατάλληλα για το Νηπιαγωγείο. Κάποια από αυτά μπορούν να εκτελεστούν από τα ίδια τα νήπια με τις οδηγίες του / της Νηπιαγωγού, ενώ άλλα απαιτείται να εκτελεστούν από τον /την Νηπιαγωγό, ως πειράματα επίδειξης, για διάφορους λόγους. Στη συνέχεια δίνεται συνοπτικός πίνακας των δραστηριοτήτων αυτής της ενότητας, με τις αντίστοιχες προτάσεις εκτέλεσής τους. 1.1 Που υπάρχει ο αέρας από τα ίδια τα νήπια 1.2 Ο αέρας περιέχει οξυγόνο από την Νηπιαγωγό Θέματα ασφάλειας (αναμμένο κερί) 2.1 Ο αέρας καταλαμβάνει όγκο από τα ίδια τα νήπια 2.2 Ο αέρας συμπιέζεται από τα ίδια τα νήπια 2.3 Ο αέρας διαστέλλεται από την Νηπιαγωγό Θέματα ασφάλειας (ζεστό νερό) 2.4 Ο αέρας έχει πίεση από την Νηπιαγωγό Πολυπλοκότητα (καλή εφαρμογή πλαστελίνης) 10