3. Θερμοκρασία και πίεση

 

Οι εναλλακτικές ιδέες των παιδιών

Tα παιδιά συχνά θεωρούν ότι (Osbome & Freyberg,  1985):

 

Ο αέρας υπάρχει μόνο όταν κινείται

·        Ένα σφραγισμένο δοχείο δεν περιέχει αέρα.

·        Ο αέρας υπάρχει μόνο όταν κινείται.

·        Πίεση έχει ο άνεμος και όχι ο ακίνητος αέρας.

·        Τα αέρια δεν ασκούν πίεση παρά μόνο μεταφέρουν κίνηση.

 

Η πίεση του αέρα

Προσπάθεια οικοδόμησης της έννοιας «πίεση» με τη βοήθεια ενός μοριακού μοντέλου, δεν έχει κάποιο ερευνητικό προηγούμενο. Στο πρόγραμμα επιχειρείται μια τολμηρή οικοδόμηση της έννοιας μέσω μιας εξομοίωσης της κίνησης των μορίων. O μαθητής «βλέπει» τα μόρια, τις συγκρούσεις με τα τοιχώματα των δοχείων και επιδρά σ’ αυτά αυξάνοντας ή μειώνοντας τη θερμοκρασία και τον όγκο του αερίου. H πίεση δεν ορίζεται από το πρόγραμμα. Παραμένει μια «περίεργη» ένδειξη σε ένα μανόμετρο, η οποία μεταβάλλεται όταν μεταβάλλονται ο αριθμός και η σφοδρότητα των συγκρούσεων.

 

Παρατήρηση για την ενότητα: Ενώ το κείμενο αναφέρεται σε μόρια ατμοσφαιρικού αέρα, το animation εμφανίζει ένα είδος μορίων. Η απλούστευση είναι προφανής και έγινε για να ελαχιστοποιηθεί ο αριθμός των πληροφοριών που δίνονται στη σελίδα και είναι ήδη πολλέςΣτόχος εξάλλου δεν είναι ο προβληματισμός που αφορά μείγματα αερίων, αλλά να δοθεί ένα απλό μοντέλο της κίνησης των αερίων

 

Αέριο σε ένα κλειστό δοχείο

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·        Να συσχετίζουν τη μεταβολή της πίεσης με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα.

·        Να συνειδητοποιήσουν την επίδραση της θερμοκρασίας τόσο στην ταχύτητα των μορίων όσο και στην πίεση του αερίου.

·        Να συνειδητοποιήσουν πως η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον αριθμό και τη σφοδρότητα των συγκρούσεων.

·        Να συνδέουν την πίεση που ασκούν τα αέρια με την κίνηση των μορίων.

 

Πριν τον αγώνα – Μετά τον αγώνα

: Animation που εμφανίζει τη μέτρηση της πίεσης στα λάστιχα ενός αγωνιστικού αυτοκινήτου πριν και μετά τον αγώνα.

 

Διδακτική προσέγγιση

H σελίδα αυτή αποτελεί εισαγωγή στην προσπάθεια να κατακτηθεί η έννοια της πίεσης των αερίων. Η κατάκτηση της έννοιας της πίεσης αποτελεί ένα ιδιαίτερα δύσκολο εγχείρημα και προϋποθέτει την κατάκτηση ενός μοντέλου για την κίνηση των μορίων των αερίων. Ο τελικός στόχος όλης της ενότητας είναι η ερμηνεία της μεταβολής της πίεσης μέσα από τη μεταβολή του αριθμού των συγκρούσεων ή της σφοδρότητας των συγκρούσεων των μορίων με τα τοιχώματα του δοχείου.

Η συγγραφική ομάδα προβληματίστηκε αρκετά για το αν οι μεταβολές της πίεσης πρέπει να έχουν ποιοτικό ή ποσοτικό χαρακτήρα. Επικράτησε τελικά η άποψη των ποσοτικών μεταβολών, γι’ αυτό το λόγο και χρησιμοποιήθηκαν μανόμετρα και μετρητές ταχύτητας των μορίων.

Ένας δεύτερος προβληματισμός αφορούσε στην παρουσίαση των μονάδων μέτρησης της πίεσης και της ταχύτητας των μορίων. Για την ταχύτητα προτιμήθηκε ο διεθνής συμβολισμός km/h, σαν παράσταση οικεία στους μαθητές από τα κοντέρ των αυτοκινήτων. Για την πίεση προτιμήθηκε η αναγραφή με ελληνικούς χαρακτήρες της ένδειξης «ατμόσφαιρες», αντί του λατινικού «Atm».

Η πίεση και η ταχύτητα των μορίων του «αέρα» είναι στην ουσία η μέση ταχύτητα μορίων αζώτου, υπολογισμένη στους 25 oC και σε δοχείο όγκου ενός λίτρου.

 

Η πίεση

: Ανοιχτό δοχείο, εφοδιασμένο με μανόμετρο (που εμφανίζει την πίεση σε ατμόσφαιρες) και διαδραστικό ρυθμιστή θερμοκρασίας.

 

H θερμοκρασία αυξάνεται και ένα «μυστηριώδες» μέγεθος που ονομάζεται «πίεση», αυξάνεται επίσης. O δάσκαλος μπορεί να παίξει με τη φαντασία και την περιέργεια των μαθητών, πριν τους οδηγήσει, όπως συνηθίζεται από το πρόγραμμα, «μέσα» στο δοχείο.

 

Ας δούμε τα μόρια

: Tο κλειστό δοχείο της προηγούμενης σελίδας με δύο βασικές διαφορές:

§          αποκαλύπτονται τα μόρια του αέρα που περιέχει

§          εμφανίζεται ένας νέος μετρητής που καταγράφει την τιμή της μέσης ταχύτητας των μορίων (χιλιόμετρα ανά ώρα), για κάθε θερμοκρασία που επιλέγει ο μαθητής.

 

Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα των μορίων, όπως βλέπουν οι μαθητές με τη βοήθεια του animation αλλά και το πιστοποιεί ο μετρητής ταχύτητας (σημειωτέον ότι οι ταχύτητες είναι ρεαλιστικές και υπολογισμένες για μόρια αζώτου).

Η αύξηση της ταχύτητας αυξάνει τον αριθμό αλλά και τη σφοδρότητα των συγκρούσεων των μορίων με τα τοιχώματα, όπως είναι εξάλλου ορατό. Αυτοί οι δύο παράγοντες αυξάνουν την πίεση.

O δάσκαλος μπορεί να βοηθήσει μέσα από παραδείγματα στο να διευκρινιστεί η έννοια «σφοδρότητα».

Nα γίνει απολύτως κατανοητό ότι το φαινόμενο είναι αντιστρεπτό (ψύξη-ελάττωση ταχύτητας κτλ).

 

Αέριο σε ένα άλλο δοχείο

Ας το ζεστάνουμε

Oι μαθητές συνειδητοποιούν πως:

·        μεταβολή της ταχύτητας των μορίων δεν αυξάνει κατ’ ανάγκη την πίεση

·        η πίεση ενός αερίου καθορίζεται όχι μόνο από τη σφοδρότητα των συγκρούσεων αλλά και από τον αριθμό των συγκρούσεων

·        μεταβολή του ενός μόνο παράγοντα δεν είναι αρκετή για να μεταβληθεί η πίεση

 

: Δοχείο εφοδιασμένο με μανόμετρο, μετρητή μέσης ταχύτητας των μορίων και διαδραστικό ρυθμιστή θερμοκρασίας. Το δοχείο είναι εφοδιασμένο με έμβολο σταθερού βάρους.

·          η κατακτημένη από τα παιδιά αντίληψη ότι η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα των μορίων και επομένως την πίεση, υφίσταται στη σελίδα αυτή ισχυρή δοκιμασία. H πίεση, όπως πιστοποιεί το μανόμετρο, παραμένει σταθερή.

·          ο δάσκαλος πρέπει να επαναφέρει στο προσκήνιο τους δύο κεντρικούς παράγοντες, δηλαδή τον αριθμό και τη σφοδρότητα των συγκρούσεων. Mε την αύξηση της θερμοκρασίας αυξήθηκε μεν η ταχύτητα και η σφοδρότητα των συγκρούσεων, μειώθηκε όμως ο άλλος παράγοντας, δηλαδή ο αριθμός των συγκρούσεων (και το αντίστροφο). Αυτό διατήρησε την πίεση σταθερή. Tο συμπέρασμα είναι πως σε τέτοιου είδους δοχεία η πίεση παραμένει σταθερή. Αυτό που μεταβάλλεται είναι ο όγκος.

 

Ας το πιέσουμε

Οι μαθητές επιδιώκεται:

Να συνειδητοποιήσουν πως η σταθερή θερμοκρασία δεν εξασφαλίζει κατ’ ανάγκη και σταθερή πίεση.

·        Να συνειδητοποιήσουν πως η πίεση ενός αερίου καθορίζεται όχι μόνο από τη σφοδρότητα των συγκρούσεων αλλά και από τον αριθμό τους.

·        Να συνειδητοποιήσουν ότι η μεταβολή ενός και μόνο παράγοντα είναι αρκετή για να μεταβληθεί η πίεση.

 

: Δοχείο σταθερής θερμοκρασίας, εφοδιασμένο με μανόμετρο και μετρητή μέσης ταχύτητας των μορίων. Το δοχείο είναι εφοδιασμένο με έμβολο, του οποίου το βάρος καθορίζει διαδραστικά ο μαθητής προσθέτοντας ή αφαιρώντας βάρη.

Στο σημείο αυτό οι μαθητές πρέπει να ολοκληρώσουν την εννοιολογική κατανόηση των ιδιοτήτων της πίεσης και να παραμείνουν για άλλη μια φορά πιστοί στην ερμηνεία των μεταβολών της μέσα από το δίπτυχο «πιο πολλές και πιο σφοδρές».

Οι συγκρούσεις μπορεί εδώ να πραγματοποιούνται με την ίδια σφοδρότητα, όπως πιστοποιεί η ταχύτητά τους, ο αριθμός τους όμως αυξάνεται λόγω της ελάττωσης του όγκου.

 

Πρόσθετο Υλικό

Βιογραφίες

·          Εβαντζελίστα Τορριτσέλλι

·          Ρόμπερτ Μπόιλ

·          Άντερς Κέλσιος

Βιβλιογραφία

Φύλλα εργασίας

Κριτήρια αξιολόγησης

Σχετικές συνδέσεις