1. Κατάσταση της ύλης και κίνηση των μορίων

 

Οι εναλλακτικές ιδέες των παιδιών

Οι εναλλακτικές ιδέες των παιδιών για τις έννοιες του 1ου κεφαλαίου, δημιουργούν, όπως προκύπτει από τη βιβλιογραφία, τεράστιο πρόβλημα διδακτικής προσέγγισης. Αυτό όμως που κυριαρχεί, κατά την άποψη των συγγραφέων, είναι η στατική θεώρηση της ύλης και η έλλειψη μικροσκοπικής αναπαράστασης για τη δομή της (Μαρινόπουλος & Σταυρίδου 2002). Ελπίζουμε πως οι μικροσκοπικές αναπαραστάσεις των μορίων που κατασκευάστηκαν για τις σελίδες του κεφαλαίου, θα βοηθήσουν στο να βελτιωθεί η κατάσταση.

 

Τα παιδιά συχνά θεωρούν ότι:

Tο «άυλο αέριο»

·        Αέρια είναι τα σώματα που η κατάστασή τους δεν είναι υλική (Μαρινόπουλος & Σταυρίδου 2002).

 

Tο υγρό είναι ελαφρύτερο

·        Ένα υλικό σε υγρή μορφή έχει λιγότερο βάρος (ή περιστασιακά περισσότερο) από ότι η ίδια μάζα του υλικού σε στερεή κατάσταση.

·        Ένα υλικό που βρίσκεται σε υγρή μορφή είναι βαρύτερο από την ίδια μάζα του υλικού σε αέρια κατάσταση (Stavy & Stachel 1984, Osborne & Cosgrove 1983).

 

Tο αέριο είναι κάτι σαν τη σκέψη

·        Δεν αναγνωρίζουν στον αέρα και τα άλλα αέρια μια υλική υπόσταση. Θεωρούν ότι έχουν χαρακτήρα προσωρινό, όμοιο με αυτό των «σκέψεων» (Piaget 1973, Brook & Driver 1989, Séré 1985, 1986, Mas κ.ά.,1987).

 

O καλός αέρας και το κακό αέριο

·        Ο αέρας είναι «καλός», χρήσιμος στην αναπνοή και τη ζωή, ενώ το αέριο είναι «κακό» γιατί μπορεί να είναι δηλητηριώδες και εύφλεκτο.

 

Tο «αρνητικό βάρος» του αερίου

·        Ο αέρας έχει όγκο αλλά όχι βάρος και δεν μπορεί να μεταφερθεί ή να ζυγιστεί (Μαρινόπουλος & Σταυρίδου 2002).

·        Το αέριο δεν έχει βάρος ή μάζα. H πιο κοινή σχετική εμπειρία των παιδιών είναι ότι τα αέρια τείνουν να ανεβαίνουν προς τα πάνω ή να επιπλέουν (Leboutet-Barrell 1976).

·        Τείνουν να προβλέπουν ότι τα αέρια έχουν την ιδιότητα του αρνητικού βάρους και γι’ αυτόν το λόγο, όσο περισσότερο αέριο προστίθεται σε ένα δοχείο τόσο πιο ελαφρύ γίνεται αυτό (Brook & Driver 1989).

 

Tο χρώμα του ατόμου

·        Τα άτομα ενός υλικού έχουν όλες ή τις περισσότερες μακρο-ιδιότητες του υλικού από το οποίο προέρχονται. Δηλαδή ένα μεμονωμένο άτομο μπορεί να είναι σκληρό ή κρύο ή να έχει χρώμα ή να είναι υγρό ή στερεό (Ben-Zvi κ.ά., 1986, Holding 1987, Pfundt 1981).

·        Τα «άτομα» δηλαδή του στερεού είναι «μικρά κομματάκια στερεού», ακίνητα, ανομοιόμορφα και χωρίς δυνάμεις που τα συγκρατούν. Tα «άτομα» του υγρού, αντίστοιχα, είναι «μικρές σταγονίτσες» υγρού (Ben-Zvi κ.ά., 1986, Holding 1987, Pfundt 1981).

 

Φυσική κατάσταση της ύλης

Oι μαθητές επιδιώκεται:

·          Να αντιληφθούν και να κατανοήσουν ότι τα στερεά διατηρούν τον όγκο και το σχήμα τους, σε αντίθεση με τα υγρά, που διατηρούν μόνο τον όγκο τους.

·          Να κατανοήσουν ότι τα υγρά διατηρούν τον όγκο τους αλλά όχι και το σχήμα τους.

·          Να κατανοήσουν ότι τα αέρια δεν διατηρούν ούτε τον όγκο, ούτε το σχήμα τους, αλλά καταλαμβάνουν όλο τον όγκο που τους διατίθεται.

Τα στερεά

: Εμφανίζεται το σκίτσο ενός «πρωτόγονου», από τον οποίο ο μαθητής, με τα κατάλληλα πλήκτρα, μπορεί να του ζητήσει να πιέσει μια πέτρα. Επίσης, τοποθετώντας διαδοχικά μέσα σε ποτήρι την πορτοκαλάδα ή το πορτοκάλι, μπορεί να συγκρίνει τη διαφορά του υγρού από το στερεό, όσον αφορά στη διατήρηση του σχήματος και του όγκου τους.

·          Παιχνίδι με τον πρωτόγονο, την πορτοκαλάδα και το πορτοκάλι.

·          Ο δάσκαλος μπορεί να εξηγήσει ότι τα στερεά είναι πρακτικά ασυμπίεστα. Η οριακή συμπίεση στερεού, ίσως προκαλέσει το σπάσιμο των κρυστάλλων του.

 

Τα υγρά

: Ο μαθητής, χρησιμοποιώντας κατάλληλα πλήκτρα, αδειάζει υγρό σε συγκοινωνούντα δοχεία διαφόρων σχημάτων και παρατηρεί την αλλαγή του σχήματος του υγρού. Με το ίδιο σκεπτικό, αδειάζει το περιεχόμενο ενός μπουκαλιού σε ένα ποτήρι.

·          Παιχνίδι με τα συγκοινωνούντα δοχεία που εμφανίζονται στην οθόνη. Παρατήρηση και διατύπωση συμπερασμάτων.

 

Τα αέρια

: Εικόνα του κλόουν με το μπαλόνι - Εικόνα του δοχείου με το άρωμα. Παρουσιάζεται παραστατικά η συμπεριφορά των αερίων. Ο μαθητής, χρησιμοποιώντας κατάλληλα πλήκτρα, μπορεί να δει πώς αλλάζει το σχήμα ενός μπαλονιού ή πώς εξαπλώνεται, μετά από εξάτμιση, το άρωμα στο χώρο.

 

·          παιχνίδι με τον κλόουν της οθόνης

·          παιχνίδι με το άρωμα

Ο δάσκαλος μπορεί να ζητήσει την ανακεφαλαίωση και σύγκριση των ιδιοτήτων στερεών, υγρών και αερίων. Παρατήρηση και διατύπωση συμπερασμάτων.

 

Κίνηση των μορίων

Στα στερεά

Oι μαθητές επιδιώκεται:

·        Να κατανοήσουν ότι τα μόρια των στερεών σωμάτων δεν είναι ακίνητα, αλλά κινούνται διαρκώς (να ξεπεραστεί, δηλαδή, η αντίληψη των παιδιών ότι η ακινησία των στερεών συνεπάγεται και ακινησία των μορίων τους).

·        Να μάθουν και να κατανοήσουν ότι ανάμεσα στα μόρια των στερεών αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις.

·        Να περιγράφουν την κίνηση των μορίων των στερεών και βάσει αυτού να ερμηνεύουν τη συμπεριφορά τους.

·        Να αποκτήσουν παράσταση της μικροσκοπικής δομής των στερεών και με βάση αυτή να ερμηνεύουν τις φυσικές ιδιότητες των στερεών

 

: Προσομοίωση μικροσκοπικής δομής ατόμων στερεού σώματος (άνθρακας), που παρουσιάζει την αδιάκοπη ταλάντωσή τους. Ο μαθητής, με κατάλληλο χειρισμό, μπορεί να «δει» τις ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στα άτομα και οι οποίες, για λόγους οπτικοποίησης, εμφανίζονται σαν μικρά ελατήρια.

 

Ο δάσκαλος, με αφορμή το μικροσκοπικό μοντέλο, συζητά για το τι εμποδίζει τα άτομα του άνθρακα να σκορπιστούν, με στόχο να εισάγει την αναγκαιότητα της ύπαρξης ελκτικών δυνάμεων μεταξύ των ατόμων. Μπορεί να χρησιμοποιήσει το animation της οθόνης και να προεκτείνει τη συζήτηση στην τάξη με ερωτήσεις όπως:

·          Τι θα συμβεί αν θερμάνουμε το στερεό; (με στόχο να εξηγήσουμε μέσω της αύξησης του πλάτους ταλάντωσης το φαινόμενο της διαστολής των στερεών).

·          Τι θα συμβεί αν ένα τμήμα των μορίων ταλαντωθεί προς την ίδια κατεύθυνση; (με στόχο να εξηγήσουμε φαινόμενα συντονισμού, π.χ. σπάσιμο κρυστάλλων από ήχους υψηλής συχνότητας, καταστροφές γεφυρών κτλ., θέματα τα οποία εξάπτουν τη φαντασία των παιδιών και βοηθούν στο να αποκτήσουν μόνιμες πεποιθήσεις για την κίνηση των μορίων των στερεών).

·          Αν το στερεό θερμανθεί κι άλλο και το πλάτος της ταλάντωσης των μορίων αυξηθεί πάρα πολύ, τι προβλέπετε ότι θα συμβεί; (για να κάνουμε εισαγωγή στην τήξη του στερεού).

 

Παρατήρηση:

1. Οι έννοιες «μόριο» και «άτομο» στον άνθρακα ταυτίζονται διότι το μόριο του άνθρακα είναι μονοατομικό.

2. Η δομική μονάδα των στερεών, ανάλογα με το υλικό, μπορεί να είναι άτομο ή μόριο ή ιόν, αλλά το κυρίαρχο στοιχείο στη διδασκαλία πρέπει να είναι ο τρόπος οργάνωσης των σωματιδίων, η ισχύς των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται (δυνάμεις συνοχής) και όχι το είδος των σωματιδίων.

 

Στα υγρά

Oι μαθητές επιδιώκεται:

·        να αποκτήσουν μικροσκοπική παράσταση της κίνησης των μορίων του υγρού και με βάση αυτή να ερμηνεύουν τη διατήρηση του όγκου του

·        να αντιληφθούν και να κατανοήσουν ότι τα μόρια των υγρών κινούνται συνεχώς.

·         να γνωρίζουν ότι ανάμεσα στα μόρια των υγρών αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις.

·        να περιγράφουν την κίνηση των μορίων των υγρών και βάσει αυτού να ερμηνεύουν τη συμπεριφορά τους.

 

: Εμφανίζεται ένας κόκκος γύρης σε μεγέθυνση, ο οποίος κινείται χωρίς προφανή λόγο. Ο μαθητής μπορεί να εμφανίσει, με «κλικ» στην κουκουβάγια, τα μόρια του υγρού, που κινούνται, και να αντιληφθεί τι προκαλεί την κίνηση του κόκκου της γύρης.

 

·          Ο δάσκαλος προκαλεί συζήτηση για τους λόγους που ο κόκκος της γύρης κινείται μέσα στο νερό. Διαπιστώνεται από τους μαθητές ότι τα μόρια των υγρών κινούνται.

·          Στη συνέχεια συζητά τους λόγους για τους οποίους τα μόρια των υγρών δεν καταλαμβάνουν όλο τον χώρο που τους προσφέρεται, αλλά διατηρούν τον όγκο τους κατά τη μετάγγισή τους από δοχείο σε δοχείο, προκειμένου να οδηγήσει τη σκέψη των μαθητών, στην ύπαρξη ελκτικών ΔΥΝΑΜΕΩΝ ανάμεσα στα μόρια των υγρών. Οι δυνάμεις αυτές δεν επιτρέπουν την ελεύθερη κίνηση και επομένως διατηρούν τον όγκο του υγρού.

·          Μπορεί να προκληθεί συζήτηση στην τάξη με το παρακάτω ερώτημα: «Αν θερμάνουμε το υγρό, η ενέργεια των μορίων του αυξηθεί αρκετά και οι δυνάμεις που ασκούνται δεν μπορούν πλέον να τα συγκρατήσουν, τι προβλέπετε ότι θα συμβεί;» (με στόχο να κάνει μια εισαγωγή στην εξαέρωση του υγρού).

 

Στα αέρια

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·        Να περιγράφουν την κίνηση των μορίων των αερίων.

·        Να αποκτήσουν παράσταση της μικροσκοπικής εικόνας των αερίων (συνεχής κίνηση, συγκρούσεις με τα τοιχώματα, μεγάλες ταχύτητες κλπ.)

·        Να ερμηνεύουν, με βάση την παράσταση αυτή, την ιδιότητα των αερίων να καταλαμβάνουν όλο τον όγκο που τους διατίθεται.

 

: Εμφανίζονται κινούμενα μόρια αερίου μέσα σε δοχείο. Ο μαθητής έχει τη δυνατότητα να αυξομειώσει τον όγκο που καταλαμβάνει το αέριο και να παρακολουθήσει το φαινόμενο.

 

·          Ο δάσκαλος, αφού αφήσει τους μαθητές να παρατηρήσουν το animation της κίνησης των μορίων του αερίου και να παίξουν με το διάφραγμα, προκαλεί συζήτηση στην τάξη.       Μπορεί να επεκτείνει τη συζήτηση με τις παρακάτω ερωτήσεις:

·                Φανταστείτε ότι βρίσκεστε μέσα στο δοχείο και το μόρια χτυπάνε το πρόσωπο και το σώμα σας. Θα πονέσετε;

·                Γνωρίζει κανείς με τι ταχύτητα κινούνται τα μόρια του αέρα που βρίσκονται μέσα στην αίθουσα αυτήν τη στιγμή;

·                Σταθεροποιήστε κάπου το διάφραγμα και φανταστείτε ότι με έναν αναπτήρα θερμαίνουμε το δοχείο. Τι αλλαγές περιμένετε ότι θα συμβούν στα μόρια;

 

ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΜΟΡΙΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΣΕ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΔΩΜΑΤΙΟΥ

ΑΕΡΙΟ

ΤΑΧΥΤΗΤΑ

Υδρογόνο

6800 km/h

Ήλιο

4800 km/h

Υδρατμοί

2300 km/h

Νέον

2200 km/h

Άζωτο

1800 km/h

Διοξείδιο του άνθρακα

1500 km/h


Οι τρεις καταστάσεις

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·        Να αποκτήσουν παράσταση της συνέχειας των τριών καταστάσεων και της δυνατότητας αλληλομετατροπής τους.

·        Να κατανοήσουν ότι οποιοδήποτε υλικό σώμα μπορεί θεωρητικά και κάτω από κατάλληλες συνθήκες να βρεθεί στη στερεή, την υγρή ή την αέρια κατάσταση.

 

: Εμφανίζονται παραστατικά και οι τρεις καταστάσεις και ο μαθητής μπορεί να παρατηρήσει την αλλαγή στην κίνηση των μορίων κατά τη μετάβασή τους από τη μία κατάσταση στην άλλη.

 

·          Η ενότητα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί εισαγωγικά για την ενότητα ή ανακεφαλαιωτικά.

·          Τονίζεται ότι η αλλαγή των καταστάσεων δε σημαίνει αλλαγή των δομικών σωματιδίων. Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος οργάνωσής τους, η κίνηση και κατά βάση η ενέργειά τους.

 

Διάχυση

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·        Να αποκτήσουν παράσταση του μηχανισμού της διάχυσης των αερίων και των υγρών σε μικροσκοπικό επίπεδο και να ερμηνεύουν, με βάση αυτό, καθημερινά φαινόμενα διάχυσης αερίων και υγρών.

 

Αερίου σε αέριο

: Εμφανίζονται παραστατικά τα μόρια δύο διαφορετικών αερίων, να κινούνται σε δύο «κλειστούς» χώρους. Ο μαθητής μπορεί να ανοίξει το διάφραγμα που χωρίζει τα δύο αέρια και να παρακολουθήσει, σε αργή κίνηση, το φαινόμενο της διάχυσης αερίου σε αέριο.

Παρατήρηση: Όταν η διάχυση ολοκληρωθεί, το διάφραγμα που χωρίζει τα δύο αέρια κλείνει αυτόματα, ώστε ο μαθητής να μπορεί να μετρήσει τα άτομα των αερίων. Αν θέλει, μπορεί να το ξανανοίξει.

 

·          Παιχνίδι με τη διάχυση ώστε οι μαθητές να είναι σε θέση να περιγράφουν και να ερμηνεύουν το φαινόμενο της διάχυσης.

Επιπλέον, ο δάσκαλος μπορεί να προκαλέσει συζήτηση στην τάξη, γύρω από τα παρακάτω ζητήματα:

·          Mέσω του μηχανισμού διάχυσης των αερίων μπορεί να δοθεί ερμηνεία σε καθημερινά φαινόμενα (το άνοιγμα ενός μπουκαλιού με άρωμα και διάχυση των μορίων του στο χώρο, το άνοιγμα ενός αναπτήρα και η διάχυση των μορίων του υγραερίου στο χώρο του δωματίου).

·          Τονίζεται η επικινδυνότητα των εύφλεκτων αερίων.

·          Εξηγείται ότι οι περισσότερες οσμές στην καθημερινή μας ζωή οφείλονται στη διάχυση αερίων στον ατμοσφαιρικό αέρα.

·          Αποκαλύπτεται από το δάσκαλο ότι και αρκετά στερεά εξαερώνονται σιγά-σιγά και οι ατμοί τους διαχέονται στον ατμοσφαιρικό αέρα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα στερεού, του οποίου οι ατμοί διαχέονται στον ατμοσφαιρικό αέρα, είναι η ναφθαλίνη.

·          Τονίζεται το μη αντιστρεπτό της μεταβολής (το άρωμα θα μπορούσε να ξαναμπεί στο μπουκάλι;)

 

Υγρού σε υγρό

: Εμφανίζονται παραστατικά τα μόρια δύο διαφορετικών υγρών, να κινούνται σε δύο «κλειστούς» χώρους. Ο μαθητής μπορεί να ανοίξει το διάφραγμα που χωρίζει τα δύο υγρά, και να παρακολουθήσει, σε αργή κίνηση, το φαινόμενο της διάχυσης υγρού σε υγρό.

Παρατήρηση: Όταν η διάχυση ολοκληρωθεί, το διάφραγμα που χωρίζει τα δύο υγρά κλείνει αυτόματα, ώστε ο μαθητής να μπορεί να μετρήσει τα άτομα των υγρών. Αν θέλει, μπορεί να το ξανανοίξει.

 

Παιχνίδι με τη διάχυση

Στην ερώτηση «Τι νομίζεις ότι θα συμβεί αν ανοίξεις το διάφραγμα;» οι μαθητές, υποψιασμένοι από την προηγούμενη δραστηριότητα, θα προβλέψουν την ανάμειξη των δύο υγρών αρκετά πιο εύκολα.

Ο δάσκαλος βέβαια μπορεί να εμφανιστεί λιγότερο αισιόδοξος και να εξηγήσει πως δεν αναμειγνύονται όλα τα υγρά μεταξύ τους. Παράδειγμα, το νερό με λάδι, πετρελαιοκηλίδες στη θάλασσα κτλ.

 

Ας παίξουμε - Στερεό, υγρό ή αέριο;

: Κλασικό παιχνίδι ταχύτητας λήψης αποφάσεων και ομαδοποίησης. Tρία κουτιά με την ένδειξη στερεό-υγρό-αέριο στη βάση της οθόνης. Πινακίδες με  τίτλους (πάγος, σίδηρος, άζωτο κλπ.) «πέφτουν» από ψηλά και ο μαθητής πρέπει να αναγνωρίσει τη φυσική τους κατάσταση και να πιέσει έγκαιρα το κατάλληλο πλήκτρο, ώστε να οδηγηθούν στο σωστό κουτί. Αν καθυστερήσει ή πιέσει λάθος πλήκτρο, το παιχνίδι διακόπτεται και πρέπει να αρχίσει από την αρχή. Όταν το παιχνίδι ολοκληρωθεί, ο μαθητής επιβραβεύεται με ένα δυνατό χειροκρότημα. Όταν ο μαθητής μπαίνει στο παιχνίδι πιέζοντας το πράσινο εικονίδιο, τότε το παιχνίδι εξελίσσεται με πιο αργό ρυθμό.

Διδακτικοί στόχοι:

·          ενίσχυση της ικανότητας αναγνώρισης της φυσικής κατάστασης των σωμάτων

·          ενίσχυση της ικανότητας λήψης γρήγορων και σωστών αποφάσεων

·          ενίσχυση της ικανότητας ομαδοποίησης φυσικών σωμάτων με βάση μια ιδιότητα

 

 

Πρόσθετο Υλικό

Ας παίξουμε

·          Στερεό, υγρό ή αέριο ;

Ιστορική αναδρομή

·          Η ύλη κρατάει τα μυστικά της

Βιογραφίες

·          Δημόκριτος

·          Αβογκάντρο

·          Πλανγκ Μαξ

·          Φέρμι Ενρίκο

Βιβλιογραφία

Φύλλα εργασίας

Κριτήρια αξιολόγησης

Σχετικές συνδέσεις

Βίντεο

·          Πήξη υγρού