1 ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΓΕΡΑΚΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ ΜΑΪΟΣ 2010
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΕΛΙΔΑ ΕΝΤΥΠΟ Α. Οδηγός οργάνωσης της διδασκαλίας.3 ΕΝΤΥΠΟ Β. Φύλλα εργασίας μαθητή..6 Α Διδακτική προσέγγιση..6 1 Ο Φύλλο εργασίας.8 Β Διδακτική προσέγγιση 14 2 Ο Φύλλο εργασίας 15 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ..20 1 Ο Φύλλο αξιολόγησης.20 2 Ο Φύλλο αξιολόγησης 21 3 Ο Φύλλο αξιολόγησης 22 ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 2
1. ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΝΤΥΠΟ Α (Οδηγός οργάνωσης της διδασκαλίας) 1.1. ΤΙΤΛΟΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ 1.1.1. Δημιουργία Μηχανικών Κυμάτων Είδη Κυμάτων 1.1.2. Μέτρηση ταχύτητας διάδοσης κύματος-παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η ταχύτητα διάδοσης κύματος 1.2. ΕΜΠΛΕΚΟΜΕΝΗ ΓΝΩΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Φυσική 1.3. ΤΑΞΗ: Γ Γυμνασίου 1.4. ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: Κεφάλαιο 5 Ο, Μηχανικά Κύματα. Το διδακτικό σενάριο έχει ως πυρήνα δύο φύλλα εργασίας, τα οποία ακολουθούν το πρότυπο «πρόβλεψη, πειραματικός έλεγχος, σύγκριση πρόβλεψης-πειραματικού ελέγχου και διατύπωση συμπερασμάτων». 1.5. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΥΛΙΚΟΤΕΧΝΙΚΗ ΥΠΟΔΟΜΗ Το μάθημα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του σχολείου μας σε μαθητές δύο τμημάτων της Γ Γυμνασίου με τη βοήθεια υπολογιστή και βιντεο-προβολέα. Οι μαθητές χωρισμένοι σε ομάδες των τριών είχαν τη δυνατότητα να συζητούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια που επεξεργάζονταν τα φύλλα εργασίας και αξιολόγησης. Αξιοποιήθηκε το λογισμικό προσομοίωσης PhET «Wave on a String» ανηρτημένο στην Ιστοσελίδα http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf και ως βοηθητικό, μόνο για τα διαμήκη κύματα, το λογισμικό προσομοίωσης PhET «Συμβολή κυμάτων» (Wave Interference), ανηρτημένο στην Ιστοσελίδα http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=wave_interference 1.6. ΔΙΑΡΚΕΙΑ: 4 διδακτικές ώρες 1.7. ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Ενέργεια, Μηχανική Ενέργεια, Ελαστικές δυνάμεις, Ταλάντωση, χαρακτηριστικά μεγέθη μιας ταλάντωσης και μέση ταχύτητα. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 3
2. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ 2.1. ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΙΔΕΑ Οι μαθητές οικοδομούν την έννοια της Φυσικής «κύμα» και συγκεκριμένα «μηχανικό κύμα» με την οποία έρχονται για πρώτη φορά σε επαφή. Παράλληλα διαπιστώνουν ότι τα κύματα δεν μεταφέρουν ύλη αλλά ενέργεια και συνειδητοποιούν τη διαφορά μεταξύ εγκάρσιων και διαμηκών κυμάτων. Τέλος εξοικειώνονται με τα χαρακτηριστικά μεγέθη του κύματος και την έννοια της ταχύτητας. Επειδή δεν είναι εύκολο να επιδειχθούν και να μελετηθούν τρέχοντα κύματα στην τάξη, σχεδιάσαμε τη διδασκαλία μας έχοντας ως βασικό εργαλείο δύο προσομοιώσεις στον Η/Υ(διδακτικές ανάγκες). Οι προσομοιώσεις με κατάλληλη καθοδήγηση συνέβαλλαν ώστε οι μαθητές να αποκτήσουν γνώσεις και δεξιότητες στην συγκεκριμένη ενότητα και να αποφύγουν τη δημιουργία παρανοήσεων/εναλλακτικών ιδεών. 2.2. ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΑΠΟΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΑ ΚΥΜΑΤΑ Έρευνες έχουν δείξει ότι οι μαθητές αντιμετωπίζουν αρκετές δυσκολίες σχετικά με την κυματική κίνηση. Από τη μελέτη των Wittman, Steinberg, Redish, (Physics Teacher-1999)], φαίνεται ότι οι μαθητές φαντάζονται την κυματική κίνηση σαν κίνηση σωματιδιακή, που εξαρτάται μάλιστα απ τις αρχικές συνθήκες και όχι απ τις ιδιότητες του ελαστικού μέσου. Μια άλλη δυσκολία είναι η αδυναμία να φανταστούν την μορφή ενός κύματος αλλά και το πώς διαδίδεται στο χώρο. Εξαιτίας του ότι οι εικόνες των διδακτικών εγχειριδίων είναι στατικές και αφορούν μονοδιάστατα κύματα οι μαθητές δυσκολεύονται να φανταστούν πως θα μοιάζει το κύμα σε μια επόμενη χρονική στιγμή ή σε μια διαφορετική θέση. Επίσης οι μαθητές άλλοτε υποστηρίζουν ότι τα κύματα μεταφέρουν ύλη, άλλοτε υποστηρίζουν ότι τα κύματα δεν έχουν ενέργεια και άλλοτε ότι τα μεγάλα κύματα διαδίδονται γρηγορότερα από τα μικρά στο ίδιο μέσο (παρανοήσεις). 2.3. ΓΕΝΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ Να μπορούν οι μαθητές, στο τέλος της διδακτικής ενότητας: Να γνωρίζουν πώς δημιουργείται και πώς διαδίδεται ένα μηχανικό κύμα (πηγή, ελαστικό μέσο) Να διαπιστώνουν κατά τη διάδοση μίας κύμανσης σε ένα μέσο τα σωμάτια της ύλης δεν εκτελούν μεταφορική κίνηση αλλά ταλαντώσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας Να παρατηρούν ότι δεν υπάρχει μεταφορά ύλης και ότι κύμα σημαίνει μετάδοση κίνησης, μεταβίβαση ενέργειας που προσφέρεται από την πηγή. Να αντιληφθούν ότι η διαφορά μεταξύ εγκάρσιων και διαμηκών κυμάτων οφείλεται στη διαφορετική κίνηση των σωματιδίων του ελαστικού μέσου ως προς τη διάδοση του κύματος. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 4
Να εξοικειωθούν με τα μεγέθη που περιγράφουν ένα κύμα, να αποκτήσουν ικανότητα υπολογισμού της ταχύτητας ενός κύματος και να συνειδητοποιήσουν από τι εξαρτάται η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος. 2.4. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ PhET Μαθησιακή διαδικασία/όφελος Πρόκειται για μια προσομοίωση (simulation) που επιτρέπει την εικονική αναπαράσταση των κυμάτων κάτω από συνθήκες που αγγίζουν τις πραγματικές. Επιτρέπει τον χρήστη να μεταβάλλει τις συνθήκες που πραγματοποιείται το «εικονικό πείραμα» και να κατανοεί τον τρόπο που η μεταβολή αυτή επηρεάζει την εξέλιξη του φυσικού φαινομένου μακροσκοπικά και μικροσκοπικά. Προκαλεί το ενδιαφέρον κάνοντας το μάθημα περισσότερο ελκυστικό. Απαιτεί όμως προσεκτική καθοδήγηση με τη δημιουργία φύλλων εργασίας μέσω των οποίων οι μαθητές μπορούν να διερευνήσουν, να συζητήσουν και να καταγράψουν τα συμπεράσματά τους. Διαδικασία αλληλεπίδρασης Είναι ένα ανοικτό περιβάλλον μάθησης σχεδιασμένο ώστε να προάγει το τρίπτυχο «αλληλεπίδραση- πλοήγηση- ανατροφοδότηση». Παιδαγωγική προσέγγιση/όφελος Πρόκειται για ένα διερευνητικό λογισμικό που προάγει την ενεργητική μάθηση και νέους τρόπους διδασκαλίας. Παράλληλα συμβάλλει στην απόκτηση νέων δεξιοτήτων όπως κριτική σκέψη, ικανότητα διερεύνησης και αναζήτησης πληροφοριών, ανάπτυξη του μηχανισμού κριτικής αποτίμησης της πληροφορίας, ικανότητα επικοινωνίας και συνεργασίας. Τα σημεία που πρέπει να προσεχθούν ιδιαίτερα είναι: α) στην πρώτη προσομοίωση ο σχεδιασμός των σωματιδίων/μορίων δεν αναδεικνύει τις ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ γειτονικών μορίων και τείνουν να τα επαναφέρουν στη θέση ισορροπίας β) στην δεύτερη προσομοίωση(ήχος) ο περιορισμένος χώρος και ο μέτριος σχεδιασμός, ειδικά στη περίπτωση των σωματιδίων, δε δημιουργεί ευδιάκριτη εικόνα των πυκνωμάτων/αραιωμάτων(διαμήκη κύματα). 3. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Επιμορφωτικό υλικό από την επιμόρφωση των Εκπαιδευτικών Τεύχος 5: Κλάδος ΠΕ04,ΕΑΙΤΥ, Τομέας επιμόρφωσης και Κατάρτισης(ΤΕΚ) Βλάχος Ι. (2004): «Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες. Η πρόταση της Εποικοδόμησης», εκδόσεις Γρηγόρη Φυσική Γ Γυμνασίου. Οργανισμός Εκδόσεως Διδακτικών Βιβλίων, Αθήνα 2009. Φυσική Γ Γυμνασίου, Βιβλίο Εκπαιδευτικού, Οργανισμός Εκδόσεως Διδακτικών Βιβλίων, Αθήνα 2009 ΛΟΓΙΣΜΙΚΑ PhET http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=wave_interference ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 5
ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΝΤΥΠΟ Β (Φύλλα εργασίας μαθητή) 1 η διδακτική προσέγγιση 1. ΤΙΤΛΟΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ 1.1. Δημιουργία Μηχανικών Κυμάτων Είδη Κυμάτων Σκοπός: Ο σκοπός της 1 ης διδακτικής προσέγγισης είναι οι μαθητές να οικοδομήσουν την έννοια της Φυσικής «μηχανικό κύμα» μέσω εικονικής δραστηριότητας. Παράλληλα οι μαθητές στο τέλος της δραστηριότητας θα είναι ικανοί να διακρίνουν τα εγκάρσια από τα διαμήκη κύματα. Έννοιες κλειδιά: ελαστικό κύμα, εγκάρσια κύματα, διαμήκη κύματα, διαδικτυακή διαδραστική προσομοίωση. Μέθοδος διδασκαλίας και μάθησης: Μάθηση μέσω καθοδηγούμενης ανακάλυψης Συμβατότητα με το αναλυτικό πρόγραμμα: Κεφάλαιο 5 ο «Μηχανικά κύματα», «Είδη κυμάτων» και «Κύμα και Ενέργεια». Διάρκεια: Δύο διδακτικές ώρες Διδακτικοί στόχοι δραστηριότητας: 1. Να διατυπώσουν προβλέψεις στο ερώτημα «τι θα συμβεί σε ένα τεντωμένο σχοινί αν προκαλέσουμε μια διαταραχή στο άκρο του» 2. Να σχεδιάσουν και να συναρμολογήσουν ένα πείραμα (ελαστικό σχοινί) για τη δημιουργία και μελέτη ενός κύματος 3. Να επιβεβαιώσουν/διαψεύσουν την πρόβλεψή τους με την χρήση του εικονικού πειράματος της πρώτης προσομοίωσης 4. Να εξηγήσουν μικροσκοπικά την κίνηση των σωματιδίων της διαταραχής και να επιβεβαιώσουν τη μεταφορά ενέργειας και όχι μάζας 5. Να διαπιστώσουν μέσω μιας δεύτερης προσομοίωσης τη δυνατότητα της διαφορετικής κίνησης των σωματιδίων του ελαστικού μέσου και να ορίσουν τα δύο είδη κυμάτων (εγκάρσια και διαμήκη). Τα μοντέλα αναπαράστασης Α. http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf Αυτό που προσομοιώνεται στην οθόνη του υπολογιστή, θεωρούμε ότι είναι ένα ελαστικό σχοινί(σύστημα) που εκτείνεται σε άπειρο μήκος προς τα δεξιά όταν το παράθυρο είναι ανοικτό(επιλογή No End), ενώ στις άλλες δύο επιλογές (Fixed End και Loose End) το σχοινί έχει συγκεκριμένο μήκος. Στο αριστερό άκρο του σχοινιού έχουμε τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε μια διαταραχή με τρεις δυνατούς τρόπους. Είτε κουνώντας ένα γαλλικό κλειδί πάνω-κάτω (Manual), είτε δημιουργώντας με κατάλληλη διάταξη έναν παλμό (Pulse), είτε με ανάλογη διάταξη δημιουργούμε μια αρμονική ταλάντωση (oscillate). ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 6
Τα σφαιρίδια αναπαριστάνουν τα διαδοχικά στοιχειώδη (πολύ μικρά) τμήματα (ή μόρια) από τα οποία αποτελείται, τα οποία συνδέονται με ελκτικές δυνάμεις. Το μέσο αυτό (σχοινί) είναι ελαστικό, μπορεί δηλαδή να παραμορφώνεται και να αλλάζει σχήμα. Β. http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=wave_interference Αυτό που προσομοιώνεται στην οθόνη του υπολογιστή είναι η δημιουργία α) επιφανειακών κυμάτων, β) ηχητικών κυμάτων και γ) φωτεινών κυμάτων. Στα ηχητικά κύματα με την επιλογή μόρια(particles) και στα φωτεινά κύματα με την επιλογή διανύσματα(vectors) έχουμε τη δυνατότητα να παρακολουθήσουμε το είδος της κίνησης των μορίων. Σε αυτή την προσομοίωση θα περιοριστούμε μόνο στα ηχητικά κύματα. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 7
1 ο Γυμνάσιο Γέρακα Γέρακας./04/2010 Σχ. Έτος 2009-2010 Τάξη Γ Ονοματεπώνυμο:. 1 Ο Φύλο εργασίας για τους μαθητές Βήμα 1 ο : Διατύπωση προβλέψεων Να διατυπώσετε τις προβλέψεις σας στις εξής ερωτήσεις: Α. Τι θα συμβεί σε ένα τεντωμένο σχοινί (εικόνα 1) αν το κινήσεις με το χέρι σου προς τα πάνω και το επαναφέρεις στην αρχική οριζόντια θέση; Τι θα συμβεί αν το κινήσεις προς τα κάτω κατά τον ίδιο τρόπο; Σχεδίασε την κυματική εικόνα των παλμών που μεταφέρονται καθώς ταξιδεύουν από την μια άκρη του σχοινιού προς την άλλη σε δύο διαδοχικές χρονικές στιγμές και στις δύο περιπτώσεις. (1 η ) (2 η ) Εικόνα 1: Τεντωμένο σχοινί Β. Τι προκάλεσε η συγκεκριμένη κίνηση του χεριού;. Γ. Όταν σταμάτησε η κίνηση του χεριού σταμάτησε η διαταραχή; ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 8
Βήμα 2 ο : Σχεδιασμός και συναρμολόγηση εικονικής δραστηριότητας Να ανοίξετε την προσομοίωση(εικόνα 2) κάνοντας Ctrl-κλικ στον υπερσύνδεσμο παρακάτω http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf και να την Εικόνα 2: Αρχική επιφάνεια διεπαφής παρατηρήσετε προσεκτικά. Το σύνολο των σφαιριδίων αναπαριστούν το σωματίδια ενός σχοινιού, το οποίο μπορεί να παραμορφώνεται και να αλλάζει σχήμα. Παρατηρείστε ότι αρχικά το σύστημα(σχοινί) βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας. Οδηγίες: Αφού επιλέξετε την επιλογή manual χειροκίνητα θα εμφανισθεί ένα γαλλικό κλειδί στην οθόνη. Να θέσετε το κουμπί απόσβεσης «damping» στο μηδέν, να επιλέξετε την επιλογή «ελεύθερο άκρο» ( No end ) και να αφήσετε την τάση του σχοινιού Tension στη θέση High-10. Με τα δεδομένα αυτά έχουμε την προσομοίωση ενός σχοινιού, όπου το ένα άκρο συνδέεται με ένα κλειδί που μπορεί να ταλαντώνεται, ενώ το άλλο άκρο είναι ελεύθερο (εικόνα 3). Εικόνα 3: Τελική επιφάνεια διεπαφής ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 9
Βήμα 3 ο : Επιβεβαίωση/διάψευση των προβλέψεων με την χρήση εικονικού πειράματος Οδηγίες: Να κινήσετε προς τα πάνω το κλειδί και να το επαναφέρετε στην αρχική οριζόντια θέση. Κατόπιν να κινήσετε προς τα κάτω το κλειδί και να το επαναφέρετε στην αρχική οριζόντια θέση. Να επαναλάβετε μερικές φορές το βήμα 3 παρατηρώντας την κίνηση του πρώτου και του δεύτερο σωματιδίου. Επίσης να παρατηρήσετε την κίνηση του τρίτου πράσινου σωματιδίου, καθώς και του τελευταίου σωματιδίου. Να απαντήσετε τις ερωτήσεις: α. Τι προκάλεσε η συγκεκριμένη κίνηση του κλειδιού; [Προκάλεσε μια διαταραχή στη θέση ισορροπίας του συστήματος(στο σχοινί)] β. Όταν σταμάτησε η κίνηση του κλειδιού σταμάτησε η διαταραχή; [Η διαταραχή ταξίδεψε από τη μια περιοχή του σχοινιού στην άλλη μέσα από το σχοινί (μέσο διάδοσης).] γ. Τι ανάγκασε το 1 ο σφαιρίδιο να κινηθεί; [Το 1 ο σφαιρίδιο εξαναγκάζεται να κινηθεί από το κλειδί(πηγή ενέργειας). Κάνει την ίδια κίνηση (περιοδική, κάθετα προς τη διάδοση της διαταραχής) με το κλειδί.] δ. Τι είδους κίνηση κάνει το 2 ο σφαιρίδιο; [Η κίνηση που εκτελεί είναι η ίδια με αυτή που εκτελεί το 1 ο σφαιρίδιο με μία απειροελάχιστη χρονική υστέρηση. Δεν κινείται δεξιά - αριστερά αλλά πάνω κάτω]. ε. Με ποιο μηχανισμό αναγκάστηκε να εκτελεί την ίδια κίνηση; [Προέρχεται από την απομάκρυνση του πρώτου τμήματος του ελαστικού μέσου από την κανονική του θέση, που το αναγκάζει να ταλαντωθεί γύρω από τη θέση ισορροπίας που είχε αρχικά λόγω των ελαστικών ιδιοτήτων του σχοινιού. Τα δύο σφαιρίδια συνδέονται ελαστικά μεταξύ τους γεγονός που εξασφαλίζει τη συνέχεια του μέσου. Συμπερασματικά το 2 ο σφαιρίδιο εξαναγκάζεται να κινηθεί από το προηγούμενό του και εξαναγκάζει το επόμενό του να κινηθεί με τον ίδιο τρόπο (ταυτόχρονα;) Τελικά αυτή η διαταραχή προχωρεί στο σχοινί διαδοχικά από τμήμα σε τμήμα (από σφαιρίδιο σε σφαιρίδιο). Η διαταραχή διαδίδεται μέσα στο ελαστικό μέσο.] ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 10
στ. Γιατί το 4 ο πράσινο σφαιρίδιο αργεί να κινηθεί; [Διότι τίποτε ακόμη δεν το ανάγκασε να κινηθεί. Κάποια χρονική στιγμή μπαίνει σε ταλάντωση και αυτό το σφαιρίδιο και εκτελεί ακριβώς την ίδια κίνηση με το προηγούμενό του εξαναγκάζοντας στη συνέχεια το επόμενό του για την εκτέλεση ίδιας κίνησης.] ζ. Μεταφέρονται σφαιρίδια από τα δεξιά προς τα αριστερά; Τι είναι αυτό που μεταφέρεται τελικά; (Χρησιμοποίησε τους χάρακες της προσομοίωσης και παρατήρησε την κίνηση ενός συγκεκριμένου πράσινου σωματιδίου) Εικόνα 4: Φάσεις ταλάντωσης του πράσινου σφαιριδίου [Παρατηρούμε ότι το πράσινο σφαιρίδιο αφού κάνει μια κατακόρυφη ταλάντωση, επανέρχεται στη θέση ισορροπίας αναγκάζοντας το επόμενο σφαιρίδιο να κάνει την ίδια κίνηση(μετάδοση ενέργειας). Η ενέργεια που μεταφέρεται στα κύματα είναι η κινητική ενέργεια (αλλά και δυναμική ελαστικότητας) της ύλης, η διάδοση όμως αυτής της ενέργειας οφείλεται στη μεταβίβασή της από ένα μέρος της ύλης στο επόμενο και όχι με οποιαδήποτε κίνηση μαζών από ένα αρχικό σημείο στο τελικό σημείο του μέσου. Η ενέργεια μπορεί να διαδοθεί σε αποστάσεις με αυτό τον τρόπο (κύματα) χωρίς μετακίνηση μάζας(εικόνα 4).] Συμπέρασμα Κύμα είναι μια διαταραχή στην κατάσταση ισορροπίας ενός ελαστικού μέσου, η οποία διαδίδεται από μια περιοχή σε μια άλλη. Κατά τη διάδοση του κύματος μεταφέρεται ενέργεια χωρίς να μεταφέρεται ύλη. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 11
Βήμα 4 ο : Είδη κυμάτων Οδηγίες: Παράλληλα με την προσομοίωση που μελετάτε να ανοίξετε και την προσομοίωση http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=wave_interference. (εικόνα 5) Εικόνα 5: Επιφάνεια διεπαφής Να επιλέξετε την επιλογή ήχος (sound). Να θέσετε σε κίνηση την προσομοίωση(on) και να την παρατηρήσετε προσεκτικά. Να επιλέξετε την επιλογή μόρια (particles). Ερώτηση: Η κίνηση των μορίων στη δεύτερη προσομοίωση(εικόνα 7) είναι ίδια με την κίνηση των μορίων του σχοινιού στην πρώτη προσομοίωση(εικόνα 6); Εικόνα 6: Στιγμιότυπο εγκάρσιου κύματος Εικόνα 7: Στιγμιότυπο διαμήκους κύματος [Είναι διαφορετική. Τα σωματίδια στην πρώτη περίπτωση ταλαντώνονται κάθετα στη διάδοση του κύματος. Στη δεύτερη περίπτωση ταλαντώνονται παράλληλα με τη διάδοση του κύματος και δημιουργούν πυκνώματα και αραιώματα (στρώματα αέρα μεγάλης και μικρής πίεσης). ] Συμπέρασμα: Εγκάρσια κύματα (εικόνα 8) είναι τα κύματα, στα οποία τα σωματίδια του μέσου διάδοσης ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, π.χ. σχοινί (Διαδίδονται στα στερεά). ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 12
Διαμήκη κύματα(εικόνα 8) είναι τα κύματα, στα οποία τα σωματίδια του μέσου διάδοσης ταλαντώνονται κατά την ίδια διεύθυνση διάδοσης του κύματος, π.χ. ήχος. (Διαδίδονται στα στερεά, στα υγρά και στα αέρια). Εικόνα 8: Κυματική εικόνα εγκάρσιου και διαμήκους κύματος ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 13
2 η διδακτική προσέγγιση 2. ΤΙΤΛΟΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ΜΕΣΟ 2.1. Μέτρηση ταχύτητας διάδοσης κύματος-παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η ταχύτητα διάδοσης κύματος11 * Σκοπός: Ο σκοπός της 2 ης διδακτικής προσέγγισης είναι οι μαθητές να υπολογίζουν την ταχύτητα διάδοσης κύματος μέσω εικονικού πειράματος. Παράλληλα οι μαθητές στο τέλος της δραστηριότητας. θα είναι ικανοί να διακρίνουν ότι η ταχύτητα του κύματος εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης. Έννοιες κλειδιά: περίοδος, συχνότητα, πλάτος, μήκος κύματος και ταχύτητα διάδοσης κύματος Μέθοδος διδασκαλίας και μάθησης: Μάθηση μέσω καθοδηγούμενης ανακάλυψης Συμβατότητα με το αναλυτικό πρόγραμμα: Κεφάλαιο 5 ο «Μηχανικά κύματα» Διάρκεια: Δύο διδακτικές ώρες Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διατυπώσουν προβλέψεις στο ερώτημα αν η κυματική εικόνα είναι ίδια για κάθε κύμα 2. Να σχεδιάσουν και να συναρμολογήσουν ένα πείραμα (ελαστικό σχοινί) για τη δημιουργία και μελέτη ενός κύματος 3. Να επιβεβαιώσουν/διαψεύσουν την πρόβλεψή τους με την χρήση του εικονικού πειράματος της πρώτης προσομοίωσης 4. Να διαπιστώσουν ότι η ταχύτητα δεν εξαρτάται από το πλάτος του κύματος αλλά εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης Μοντέλο αναπαράστασης http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf Πριν από την δραστηριότητα αυτή προηγήθηκε μία διδακτική ώρα για την παρουσίαση των χαρακτηριστικών μεγεθών του κύματος. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 14
1 ο Γυμνάσιο Γέρακα Γέρακας./04/2010 Σχ. Έτος 2009-2010 Τάξη Γ Ονοματεπώνυμο:. 2 Ο Φύλο εργασίας για τους μαθητές Βήμα 1 ο : Διατύπωση προβλέψεων Να διατυπώσετε τις προβλέψεις σας στις εξής ερωτήσεις: Α. Πότε μια πηγή παράγει κύμα; Όλα τα κύματα έχουν την ίδια κυματική εικόνα; Β. Πώς συνδέεται η ενέργεια της πηγής με το πλάτος του κύματος;. Γ. Θα μπορούσες να υπολογίσεις την ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος; Δ. Θα μπορούσες να προβλέψεις από τι εξαρτάται η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος; ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 15
Βήμα 2 ο : Σχεδιασμός και συναρμολόγηση εικονικής δραστηριότητας Οδηγίες: Να ανοίξετε την προσομοίωση κάνοντας Ctrl-κλικ στον υπερσύνδεσμο παρακάτω http://phet.colorado.edu/simulations/stringwave/stringwave.swf και να πλοηγηθείτε έτσι ώστε να δημιουργήσετε την παρακάτω επιφάνεια διεπαφής. Δηλαδή να αλλάξετε την επιλογή από χειροκίνητο(manual) se παλμό(pulse) και να επιλέξετε την επιλογή «χωρίς άκρη»(no end). Στο πράσινο πίνακα υπάρχουν τα μεγέθη «πλάτος»(amplitude), «εύρος παλμού» (pulse width), «απόσβεση» (damping) και «τάση» (tension), τα οποία μπορούν να μεταβάλλονται(εικόνα 9). Εικόνα 9: Επιφάνεια διεπαφής Βήμα 3 ο : Επιβεβαίωση/διάψευση των προβλέψεων με την χρήση εικονικού πειράματος Οδηγίες: Α. Στην παραπάνω επιφάνεια διεπαφής αφού θέσετε τις επιλογές: α) απόσβεση damping στο 0(αμείωτη ταλάντωση), β) πλάτος amplitude στη θέση «50», γ) εύρος παλμού pulse width στη θέση «50» και δ)τάση(tension) στη θέση «10», να πιέσετε το πράσινο κουμπί pulse για να δημιουργηθεί ένας παλμός. Να παρατηρήσετε την μορφή του παλμού και την κίνηση της μηχανικής διάταξης που δημιουργεί τον παλμό. Να επαναλάβετε αρκετές φορές την δημιουργία παλμού μεταβάλλοντας το πλάτος παρατηρώντας έτσι πιο προσεκτικά την παλινδρομική κίνηση της διάταξης. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 16
α. Σε τι διαφέρει ο παλμός σε σχέση με τον αρχικό παλμό; (μορφή, πηγή) Συμπέρασμα: Η πηγή του κύματος είναι ένας ταλαντωτής που ταλαντώνεται και το είδος της κίνησής του καθορίζει την μορφή της κυματικής εικόνας. Αυτή παρέχει την ενέργεια στα σημεία του ελαστικού μέσου και όταν παύσει να παρέχεται ενέργεια παύει η κίνηση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που μεταφέρεται τόσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος του κύματος (π.χ. τσουνάμι) Οδηγίες: Β. Να ενεργοποιήσετε τους χάρακες (rules) και το χρονόμετρο(timer) και να προσπαθήσετε να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης της διαταραχής, δηλαδή την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ο παλμός. Να βάλετε τον οριζόντιο χάρακα έτσι ώστε στη θέση μηδέν να αντιστοιχεί το τέταρτο πράσινο μπαλάκι(αρχή των αξόνων) και να πατήσετε το κουμπί «παλμός» για να δημιουργηθεί η διαταραχή. Όταν η διαταραχή πλησιάζει στο σημείο μηδέν Εικόνα 10: Επιφάνεια διεπαφής β να πατήσετε «pause. Στη συνέχεια με δραστηριότητας την επιλογή step να μετρήσετε τον χρόνο που η διαταραχή διαδίδεται σε απόσταση 40cm (εικόνα 10). ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 17
β. Πόση είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος; Η ταχύτητα διάδοσης του παλμού είναι: u= Οδηγίες: Γ. Να βάλετε τιμές στις επιλογές τάσης και πλάτους όπως φαίνονται στους δύο πίνακες(1 και 2) και να υπολογίσετε την ταχύτητα σε κάθε περίπτωση. Να επαναλάβετε τις μετρήσεις και να συμπληρώσετε τους παρακάτω πίνακες. Συγκρίνετε τις ταχύτητες για το ίδιο πλάτος και διαφορετική τάση καθώς και για ίδια τάση και διαφορετικό πλάτος. (Η ίδια τάση αντιστοιχεί σε ίδιο ελαστικό μέσο) Τι παρατηρείτε; Πίνακας 1 Τάση(tension) Πλάτος(amplitude) 9 50 7 50 5 50 3 50 Ταχύτητα(cm/s) U=. U=. U=. U=. Πίνακας 2 Τάση(tension) Πλάτος(amplitude) 9 25 7 25 5 25 3 25 Ταχύτηταcm/s) U=. U=. U=. U=. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 18
Συμπέρασμα: Η ταχύτητα διάδοσης του κύματος σε ένα μέσο: Δεν εξαρτάται από το πλάτος του κύματος Εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης. Όταν τα υλικά σημεία του ελαστικού μέσου συνδέονται χαλαρά, η μετάδοση της κίνησης δεν γίνεται με τον ίδιο τρόπο που γίνεται όταν συνδέονται ισχυρά(ισχυρή αλληλεπίδραση-γρήγορη μετάδοση της κίνησης). ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 19
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Α. ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Ονοματεπώνυμο:. Γέρακας./04/2010 Να ελέγξετε τις προβλέψεις σας από το 1 ο φύλλο εργασίας Α. Τι θα συμβεί σε ένα τεντωμένο σχοινί αν το κινήσεις με το χέρι σου προς τα πάνω και το επαναφέρεις στην αρχική οριζόντια θέση; Τι θα συμβεί αν το κινήσεις προς τα κάτω κατά τον ίδιο τρόπο; Σχεδίασε την κυματική εικόνα των παλμών που μεταφέρονται καθώς ταξιδεύουν από την μια άκρη του σχοινιού προς την άλλη σε δύο διαδοχικές χρονικές στιγμές και στις δύο περιπτώσεις. (1 η ) (2 η ) Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις.. Β. Τι προκάλεσε η συγκεκριμένη κίνηση του χεριού; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις. Γ. Όταν σταμάτησε η κίνηση του χεριού σταμάτησε η διαταραχή; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 20
Β. ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Γέρακας./04/2010 Ονοματεπώνυμο:. Να ελέγξετε τις προβλέψεις σας από το 2 ο φύλλο εργασίας Α. Πότε μια πηγή παράγει κύμα; Όλα τα κύματα έχουν την ίδια κυματική εικόνα; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις Β. Πώς συνδέεται η ενέργεια της πηγής με το πλάτος του κύματος; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις. Γ. Θα μπορούσες να υπολογίσεις την ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις Δ. Θα μπορούσες να προβλέψεις από τι εξαρτάται η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος; Σωστή Λάθος Παρατηρήσεις ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 21
Α. ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Γέρακας./04/2010 Ονοματεπώνυμο:. Ονοματεπώνυμο:. Ονοματεπώνυμο:. Γ ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (Εργασία για το σπίτι) Σκοπός: Ο σκοπός αυτής της άσκησης-πρόβλμα (μάθηση μέσω επίλυσης προβλήματος) είναι η βαθμιαία ανάπτυξη ικανοτήτων/δεξιοτήτων υψηλού επιπέδου (ικανότητα διερεύνησης και αναζήτησης πληροφοριών και κριτικής σκέψης, ικανότητα επίλυσης προβλήματος, ικανότητα επικοινωνίας και συνεργασίας καθώς δεξιότητα χειρισμού προσομοίωσης). Παράλληλα δίνεται η δυνατότητα στους μαθητές να εφαρμόσουν και να γενικεύσουν τη νέα γνώση(μεταγνώση) Εικονικό πείραμα Πρόβλημα (χρονική διάρκεια μία εβδομάδα) Να μελετήσετε σε ομάδες την τρίτη δυνατότητα δημιουργίας διαταραχής (ταλάντωση,oscillate) με τη βοήθεια της πρώτης προσομοίωσης. Κατά τη διάρκεια της μελέτης η τάση θα παραμένει 10(ίδιο ελαστικό μέσο) και η απόσβεση 0 (αμείωτη ταλάντωση) Συγκεκριμένα Α. Να παρατηρήσετε την νέα κυματική εικόνα και να την συγκρίνετε με τις δύο προηγούμενες ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 22
Β. Να μεταβάλλετε πρώτα το πλάτος και έπειτα τη συχνότητα και να παρατηρήσετε την κυματική εικόνα Γ. Με τη βοήθεια του χάρακα να υπολογίσετε το μήκος κύματος Δ. Καταγράψτε σε 5 διαφορετικές συχνότητες και τα αντίστοιχα μήκη κύματος. Υπολογίστε για κάθε ζεύγος συχνότητας-μήκους κύματος την ταχύτητα διάδοσης και καταγράψτε τα στον παρακάτω πίνακα τιμών. Τι παρατηρείτε; Εξαρτάται η ταχύτητα από το μήκος και τη συχνότητα του κύματος; α/α Συχνότητα(Hz) Μήκος κύματος(m) Ταχύτητα(m/s) 1 25 2. 3. 4. 5.. Τάση =10 ΣΤ. Επαναλάβατε το πείραμα με μια διαφορετική τάση(τάση =5). Πώς επηρεάζει την ταχύτητα η τάση του σχοινιού; α/α Συχνότητα(Hz) Μήκος κύματος(m) Ταχύτητα(m/s) 1 25 2. 3. 4. 5.. Τάση =5 ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 23
Ζ. Επαναλάβατε το πείραμα με διαφορετικό πλάτος, αλλά την ίδια τάση όπως προηγουμένως. Επηρεάζει το πλάτος την ταχύτητα; α/α Συχνότητα(Hz) Μήκος κύματος(m) Ταχύτητα(m/s) 1 25 2. 3. 4. 5.. Πλάτος =70 Να διατυπώσετε τα συμπεράσματά σας.. ΑΝΝΑ ΜΠΑΡΑΤΣΗ-ΜΠΑΡΑΚΟΥ Σελίδα 24