Οι εναλλακτικές ιδέες των παιδιών
Το ηλεκτρικό κύκλωμα
Οι έννοιες «φορτίο», «ηλεκτρικό ρεύμα», «ηλεκτρικό
κύκλωμα» αποτελούν ένα αρκετά ευρύ πεδίο μέσα στο οποίο εμφανίζονται πολλές και
διαφορετικές εναλλακτικές ιδέες, όσο και διαφορετικά ερμηνευτικά μοντέλα.
Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται από τους μαθητές
για την εξήγηση του φαινομένου «ηλεκτρικό κύκλωμα» υπήρξαν αντικείμενο μελέτης
για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα παγκοσμίως. Εδώ παρουσιάζουμε περιληπτικά τα
κυριότερα ερμηνευτικά μοντέλα, όπως προκύπτουν από τις εργασίες Osborne & Freyberg (1985) αλλά και
Shipstone (1984, 1988).
α) Το μονοπολικό μοντέλο:
Μόνο ένα σύρμα θα είναι αρκετό για να ανάψει το
λαμπάκι.
β) Το μοντέλο συγκρουόμενων ρευμάτων :
Το ρεύμα ξεκινάει από τους δύο πόλους της
μπαταρίας, ρέει προς δύο αντίθετες κατευθύνσεις και τελικά η φωτοβολία της
λάμπας συνδέεται με το γεγονός ότι στο σημείο εκείνο τα “δύο ρεύματα της
μπαταρίας” συγκρούονται και προκαλούν φωτοβολία ή ότι το ρεύμα αφήνει την
μπαταρία από τους δύο πόλους και καταναλώνεται μέσα από τα στοιχεία του
κυκλώματος.
γ) Το μοντέλο εξασθένησης:
Το ρεύμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση. Φεύγει από
τον ένα πόλο της μπαταρίας κάποιο ρεύμα, «καταναλώνεται» στη λάμπα και έτσι
επιστρέφει στη μπαταρία λιγότερο ή πως το ρεύμα ρέει προς μία κατεύθυνση γύρω
από το κύκλωμα, ενώ σιγά-σιγά εξασθενεί έτσι ώστε στα επόμενα στοιχεία του
κυκλώματος να πηγαίνει λιγότερο. Οι λάμπες που είναι πιο μακριά θα φωτοβολούν
λίγο.
δ) Το μεριστικό μοντέλο:
Το ρεύμα μοιράζεται ανάμεσα στα στοιχεία του
κυκλώματος. Όπου οι λάμπες είναι ίδιες, το ρεύμα μοιράζεται ίσα, έτσι ώστε όλες
οι λάμπες να φωτοβολούν το ίδιο. Αυτό σημαίνει ότι ίδιες λάμπες σε σειρά, θα
έχουν την ίδια λαμπρότητα, αλλά το ρεύμα δε θεωρείται ότι διατηρείται.
ε) Το επιστημονικό μοντέλο:
Ορισμένα παιδιά υποστηρίζουν πριν
τη διδασκαλία το επιστημονικά αποδεκτό μοντέλο για το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα
απλό ηλεκτρικό κύκλωμα. Φαίνεται, δηλαδή, πως κατανοούν τη μία και μοναδική
φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, καθώς και ότι το ηλεκτρικό ρεύμα διατηρείται
κατά μήκος των στοιχείων του κυκλώματος (δηλαδή έχει την ίδια ένταση σε όλα τα
σημεία του κυκλώματος.
Για το
συγκεκριμένο ζήτημα, τα αποτελέσματα της διεθνούς βιβλιογραφίας αποκαλύπτουν
ότι όταν οι μαθητές/ριες ηλικίας 10-12 ετών αντιμετωπίζουν λίγο πιο πολύπλοκα
κυκλώματα, με δύο λάμπες συνδεδεμένες σε σειρά ή παράλληλα, δείχνουν να
πιστεύουν ότι μια αντίσταση που προστίθεται σε ένα κύκλωμα, θα έχει επίδραση
στην ένταση του ρεύματος στα σημεία που βρίσκονται αμέσως μετά από αυτή
(αντίσταση), ενώ θεωρούν ότι το ρεύμα καθώς “ταξιδεύει/ κυκλοφορεί” κατά μήκος
του κυκλώματος, υφίσταται/ “δέχεται” ποικίλες επιδράσεις από τα στοιχεία του
κυκλώματος από τα οποία “περνά” διαδοχικά (σειριακό
μοντέλο) (sequence model) (Shipstone 1988). Ειδικά
για την παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων, τα ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι τα
παιδιά ηλικίας 10-12 ετών, δυσκολεύονται να κατανοήσουν την παράλληλη σύνδεση
λαμπών. Οι μαθητές/ριες πιστεύουν ότι η ένταση του ρεύματος είναι μεγαλύτερη
πριν τις διακλαδώσεις γιατί τα καλώδια βρίσκονται πιο κοντά στην μπαταρία ή
θεωρούν ότι σε ένα κύκλωμα με δύο λάμπες συνδεδεμένες παράλληλα, η ένταση του
ρεύματος είναι μεγαλύτερη σε σχέση με την ένταση του ρεύματος σε ένα κύκλωμα με
δύο λάμπες συνδεδεμένες σε σειρά, γιατί στην πρώτη περίπτωση συνδέθηκαν
περισσότερα καλώδια που έχουν στο εσωτερικό τους περισσότερα ηλεκτρόνια
(Πιλάτου & Σταυρίδου 2003).
Όσον αφορά στις ιδέες των μαθητών/ριών της Ε’ και Στ’ τάξης του
δημοτικού σχολείου για το ηλεκτρικό ρεύμα που χρησιμοποιούν καθημερινά στο
σπίτι, τα παιδιά αυτής της ηλικίας έχουν αποσπασματική αντίληψη για τη μεταφορά
του ηλεκτρικού ρεύματος. Πιστεύουν, δηλαδή, πως το ηλεκτρικό ρεύμα “έρχεται”
από την πρίζα του τοίχου όπου είναι αποθηκευμένο, ενώ, επηρεασμένα από
εμπειρίες καθημερινής ζωής, δείχνουν να μην έχουν κατανοήσει την έννοια του
απλού ηλεκτρικού κυκλώματος και πιστεύουν πως για να λειτουργήσει η κάθε
ηλεκτρική συσκευή χρειάζεται να συνδεθεί με ένα καλώδιο με την πρίζα του τοίχου
που έχει ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό της (Pilatou & Stavridou, 2004).
Μια προσπάθεια αντιμετώπισης του ζητήματος των εναλλακτικών αντιλήψεων
των μαθητών για το ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελεί το παιχνίδι «Λαμπάκια
και κυκλώματα», που προσφέρεται στην ενότητα. Οι μαθητές, για να ανάψουν το
ένα και, σε δεύτερο επίπεδο, τα δύο λαμπάκια, αναγκάζονται να εμπλακούν
ενεργητικά στον προβληματισμό του πότε διαρρέεται και πότε όχι από ηλεκτρικό
ρεύμα ένα κύκλωμα. Οι δύο λαμπτήρες συνδεδεμένοι σε σειρά φωτοβολούν το
ίδιο.
Ηλεκτρικά φορτία – Φόρτιση
Ηλεκτρικά
«μυστήρια»
: Εμφανίζονται ένα κορίτσι που
χτενίζει τα μαλλιά του και αυτά ηλεκτρίζονται, μια καταιγίδα με κεραυνούς, και
ένα στιλό που έλκει κομματάκια χαρτιού.
Η σελίδα αυτή αποτελεί εισαγωγή στην έννοια του
στατικού ηλεκτρισμού μέσα από βιωματικές καταστάσεις των μαθητών.
·
Πρόκληση συζήτησης
για καθημερινά φαινόμενα στατικού ηλεκτρισμού.
·
Γιατί συμβαίνουν
όλα αυτά; Η ερώτηση αυτή είναι ερέθισμα για την παραπέρα εξερεύνηση της
ενότητας που ακολουθεί.
Το άτομο
Οι μαθητές επιδιώκεται: ·
Να γνωρίζουν τα δομικά συστατικά του ατόμου. ·
Να περιγράφουν το άτομο, χρησιμοποιώντας τους όρους:
πυρήνας, ηλεκτρόνιο, θετικό φορτίο, αρνητικό φορτίο. |
: Εμφανίζεται
αρχικά ένα μοντέλο ατόμου με ανθρώπινα χαρακτηριστικά (τεχνική που για λόγους
ελκυστικότερης παρουσίασης, χρησιμοποιήθηκε στην παρουσίαση όλων των ατόμων),
το οποίο αποκαλύπτει σταδιακά μπροστά στα μάτια του μαθητή τη δομή του και
δίνει το μήνυμα της πραγματικής του κατασκευής. Ο μαθητής κάνοντας ‘’κλικ’’ στο
κάθε στοιχειώδες σωματίδιο, μπορεί να διαβάσει πληροφορίες για το φορτίο του.
·
Ο δάσκαλος υπενθυμίζει πως όλα τα είδη των ατόμων, δηλαδή
το σύνολο της ύλης που μας περιβάλλει, είναι κατασκευασμένα από τα ίδια δομικά
υλικά: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
·
Ο δάσκαλος μπορεί να αναφερθεί στο ‘’μυστήριο’’ της
διαφοράς των ατόμων, τα οποία, παρ’ όλο ότι είναι φτιαγμένα από τα ίδια δομικά
υλικά, ωστόσο έχουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες και να αποκαλύψει ότι το
‘’μυστικό’’ βρίσκεται στο διαφορετικό αριθμό πρωτονίων του πυρήνα τους.
Παράδειγμα: ο άνθρακας έχει 6 πρωτόνια, το άζωτο έχει 7 πρωτόνια, το οξυγόνο έχει 8 πρωτόνια κτλ.
·
Ο δάσκαλος μπορεί να σχολιάσει την ετυμολογία της λέξης
«άτομο» (α-τομή).
Το ηλεκτρικό φορτίο
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να γνωρίζουν το είδος του φορτίου κάθε στοιχειώδους
σωματιδίου (τα πρωτόνια είναι φορτισμένα θετικά, τα ηλεκτρόνια αρνητικά και
τα νετρόνια ουδέτερα). ·
Να αιτιολογούν την ηλεκτρική ουδετερότητα της ύλης με
βάση τον ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων κάθε ατόμου. |
Η αντίληψη που πρέπει να σχηματίσουν οι μαθητές ότι το
φορτίο ενός σώματος οφείλεται στο φορτίο των στοιχειωδών σωματιδίων, είναι
θεμελιώδης στην προσπάθεια κατανόησης και ερμηνείας όλων των φαινομένων της
ενότητας. Ο δάσκαλος πρέπει να βοηθήσει προς την κατεύθυνση αυτή με ερωτήσεις
του τύπου:
·
Το άτομο του άνθρακα έχει έξι πρωτόνια. Πόσα ηλεκτρόνια
έχει; Το άτομο του οξυγόνου έχει οχτώ ηλεκτρόνια. Πόσα πρωτόνια έχει;
·
Ένα σώμα που έχει
1000 πρωτόνια και 1000 ηλεκτρόνια, χάνει 30 ηλεκτρόνια. Τι φορτίο θα αποκτήσει
το σώμα; κτλ.
·
Το μεγαλύτερο όμως
εννοιολογικό πρόβλημα δημιουργεί αυτή καθ’ αυτή η ιδιότητα του φορτίου, η οποία
μόνο φαινομενολογικά μπορεί να προσεγγιστεί.
Φόρτιση με τριβή
Οι μαθητές επιδιώκεται: ·
Να περιγράφουν τον τρόπο φόρτισης με τριβή. ·
Να κατανοούν ότι η εμφάνιση φορτίων λόγω της τριβής
οφείλεται στη μετακίνηση των ηλεκτρονίων. ·
Να αναγνωρίζουν μέσα από δραστηριότητες κάποια
παραδείγματα φόρτισης με τριβή, από την καθημερινή ζωή. |
: Εμφανίζεται η εικόνα μιας πλαστικής ράβδου. Πιέζοντας το πράσινο κουμπί,
μπορεί ο μαθητής να διαπιστώσει το αν η ράβδος είναι φορτισμένη ή όχι. Στη
συνέχεια, με «κλικ» στην κουκουβάγια, μπορεί να δει παραστατικά το φαινόμενο
της φόρτισης με τριβή σε μάλλινο ύφασμα.
Παρατήρηση: Στην παράσταση
τόσο της ράβδου όσο και του μάλλινου υφάσματος, εμφανίζονται μόνο τα ηλεκτρόνια
που μεταπηδούν από το ύφασμα στη ράβδο και όχι τα συνολικά θετικά και αρνητικά
σωματίδια που ούτως ή άλλως υπάρχουν σε κάθε υλικό σώμα.
Ο δάσκαλος μπορεί να ξεκινήσει το
μάθημά του παροτρύνοντας τα παιδιά να τρίψουν ένα πλαστικό καλαμάκι με χαρτί
κουζίνας και να το πλησιάσουν στον τοίχο ή σε ένα τζάμι. Τα παιδιά βλέπουν το
καλαμάκι να κολλά στον τοίχο ή το τζάμι, εντυπωσιάζονται και προσπαθούν να
δώσουν απαντήσεις και τις δικές τους ερμηνείες για το φαινόμενο.
Ο δάσκαλος μπορεί να αναφερθεί σε ένα
πλήθος καθημερινών φαινομένων που αφορούν στο στατικό ηλεκτρισμό, π.χ. τριβή
στα καθίσματα του αυτοκινήτου και φόρτιση, τριβή των μαλλιών με τη χτένα και
φόρτιση, αντιστατικά σπρέι μαλλιών κλπ.
Μπορεί να εξηγήσει πως τόσο η πλαστική ράβδος όσο και το μάλλινο ύφασμα
είναι στην αρχή ηλεκτρικά ουδέτερα γιατί έχουν ίδιο αριθμό πρωτονίων και
ηλεκτρονίων. Tα ηλεκτρόνια, όμως, στο μάλλινο
ύφασμα συγκρατιούνται πιο χαλαρά απ’ ότι τα ηλεκτρόνιά του στην πλαστική ράβδο.
Με την τριβή, λοιπόν, ένας αριθμός ηλεκτρονίων από το μαλλί, μεταπηδά στο
πλαστικό. Προφανώς, και το μάλλινο ύφασμα και το πλαστικό φορτίζονται.
Στη συνέχεια, αφού οι μαθητές παρατηρήσουν το πλαστικό αντικείμενο που
έλκει τα μικρά κομματάκια του χαρτιού, ο δάσκαλος μπορεί να θέσει τη βασική
ερώτηση: «Αν πλησιάσουμε το μάλλινο ύφασμα στα ίδια κομματάκια χαρτί, τι
νομίζεις ότι θα συμβεί;» και περιμένει να διαπιστώσει αν οι μαθητές έχουν
συνειδητοποιήσει ότι και το μάλλινο ύφασμα έχει φορτιστεί.
Έλξη και άπωση
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να γνωρίζουν και να χρησιμοποιούν με ακρίβεια τους
όρους «ομώνυμα» και «ετερώνυμα» φορτία. ·
Να κατανοούν ότι τα ετερώνυμα φορτία έλκονται και τα ομώνυμα
απωθούνται. |
: Με «κλικ» στα
κατάλληλα πλήκτρα, ο μαθητής βλέπει πώς έλκονται ή απωθούνται μεταξύ τους τα
ομώνυμα ή τα ετερώνυμα φορτισμένα μπαλόνια, αντίστοιχα.
Αν ο δάσκαλος το κρίνει σκόπιμο, μπορεί
να προτείνει στους μαθητές το παιχνίδι που υπάρχει στο σύνδεσμο «Ας παίξουμε/
Παίζω με ηλεκτρικά φορτία». Εκεί ο μαθητής, ακολουθώντας τις οδηγίες, προσπαθεί
να τοποθετήσει μέσα στα αυλάκια τα φορτισμένα σωματίδια, έτσι ώστε να μην
τοποθετηθούν συνεχόμενα δύο ομώνυμα φορτισμένα σωματίδια, γιατί αυτά απωθούνται
και το παιχνίδι διακόπτεται.
Με συνεχείς επαναλήψεις, ο δάσκαλος συζητά, για όσο
χρόνο χρειαστεί, για το φαινόμενο το οποίο εξελίσσεται, ώστε οι μαθητές να
εμπεδώσουν ότι:
o
«Τα ομώνυμα
ηλεκτρικά φορτία απωθούνται.»
o
«Τα ετερώνυμα
ηλεκτρικά φορτία έλκονται.»
Το ηλεκτρικό ρεύμα- ηλέκτριση
Ας παίξουμε λίγο - Αγωγοί και
μονωτές
Οι μαθητές επιδιώκεται: ·
Να γνωρίζουν την ιδιαίτερη δομή των μετάλλων (πλέγμα
ατόμων/ιόντων-ελεύθερα ηλεκτρόνια) και να αποκτήσουν ένα παραστατικό μοντέλο
της μικροσκοπικής δομής των μετάλλων. ·
Να κατανοούν ότι το κοινό μικροσκοπικό χαρακτηριστικό
των μεταλλικών αγωγών είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. |
: Εμφανίζεται
φωτογραφία εναέριου καλωδίου μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος, εικόνα οικεία στους
μαθητές. Η φωτογραφία συνοδεύεται από εισαγωγική ερώτηση για το τι μεταφέρουν
τα καλώδια της φωτογραφίας και από τι υλικό είναι φτιαγμένα. Με «κλικ» στην
κουκουβάγια εμφανίζεται το εσωτερικό του αγωγού, με ελεύθερα ηλεκτρόνια να
κινούνται. Στο σημείο αυτό ο δάσκαλος μπορεί να κάνει την ερώτηση «γιατί το
πουλί που κάθεται στο καλώδιο, δεν παθαίνει ηλεκτροπληξία;» Η απάντηση φυσικά
είναι η εξής: «επειδή η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ποδιών του πουλιού είναι
πολύ μικρότερη από τη διαφορά δυναμικού που αναγκάζει το ρεύμα να κινηθεί κατά
μήκος του αγωγού». Η απάντηση όμως που προτείνεται να δοθεί στο μαθητή από τον
δάσκαλο είναι: «επειδή το ηλεκτρικό ρεύμα δεν επιλέγει να περάσει μέσα από το
σώμα του πουλιού, αλλά επιλέγει το δρόμο με τα λιγότερα εμπόδια (μικρότερη
αντίσταση), δηλαδή το σύρμα».
Προσοχή: Τα χρώματα για την παράσταση των
ατόμων του μετάλλου και των ελεύθερων ηλεκτρονίων, έχουν επιλεχθεί αυθαίρετα
για λόγους εποπτικούς. Πρέπει να τονιστεί στους μαθητές ότι ούτε τα ηλεκτρόνια, ούτε τα άτομα του
μετάλλου έχουν στην πραγματικότητα χρώμα.
Διδακτική
προσέγγιση
Η μικροσκοπική παράσταση των ελεύθερων
ηλεκτρονίων είναι ιδιαίτερα θεμελιώδης στην προσπάθεια κατανόησης και ερμηνείας
των φαινομένων της ηλέκτρισης και του ηλεκτρικού ρεύματος, όπως επίσης και στην
κατάκτηση της έννοιας του αγωγού και του μονωτή.
Ο δάσκαλος στο σημείο αυτό μπορεί να
επαναφέρει το θέμα της ηλεκτρικής ουδετερότητας του μετάλλου και να εξηγήσει
ότι το συνολικό αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων είναι πάντοτε ίσο με το
συνολικό θετικό φορτίο των πρωτονίων του μετάλλου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν
είναι κάτι διαφορετικό από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια. Είναι ορισμένα ηλεκτρόνια
που έχουν δραπετεύσει από κάποια άτομα του μετάλλου και κινούνται πλέον
ελεύθερα στο μέταλλο, γι’ αυτό και ονομάζονται «ελεύθερα ηλεκτρόνια».
Μπορεί επίσης να συνδέσει το θέμα της
φόρτισης του μάλλινου υφάσματος με την τριβή, τονίζοντας τη διαφορά (στο
μάλλινο δεν έχουμε ελεύθερα ηλεκτρόνια αλλά απλώς ορισμένα από τα ηλεκτρόνιά
του αποσπώνται με την τριβή από τα άτομα).
Ηλεκτρικό ρεύμα
Οι μαθητές επιδιώκεται: ·
Να κατανοούν και να ορίζουν το τι είναι ηλεκτρικό
ρεύμα. ·
Να αντιλαμβάνονται και να περιγράφουν την προσανατολισμένη
κίνηση των ηλεκτρονίων, που προκαλείται από την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης
(σύνδεση με μπαταρία) στα άκρα του αγωγού. ·
Να περιγράφουν τους τρόπους ηλέκτρισης σε μικροσκοπικό
επίπεδο. ·
Να αναγνωρίζουν το ρόλο της μπαταρίας ως πηγής
ενέργειας στο απλό κύκλωμα |
Ο δάσκαλος καλεί τους μαθητές να
παρατηρήσουν τη διαφορά της κίνησης των ηλεκτρονίων πριν και μετά την εφαρμογή
της τάσης. Δηλαδή ποια κίνηση αποτελεί ρεύμα και ποια όχι.
Οι συγκρούσεις των ηλεκτρονίων με τα
άτομα του αγωγού αποτελούν μια καλή παράσταση, ώστε να συζητηθεί το θέμα της
δυσκολίας στην κίνησή τους και της θέρμανσης του αγωγού. Μπορεί να γίνουν
ερωτήσεις σχετικά με το τι θα αλλάξει αν ο αγωγός είναι πιο στενός, ώστε να
συνδέσουν τη δυσκολία στην κίνηση των ηλεκτρονίων με την έννοια της ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ
του αγωγού.
Ο δάσκαλος πρέπει να διευκρινίσει
επίσης ότι η ταχύτητα των ηλεκτρονίων, όπως εμφανίζεται στην αναπαράσταση, είναι πολύ πιο αργή από ότι η πραγματική,
ώστε να μην αποκτήσουν οι μαθητές μόνιμα λανθασμένες παραστάσεις για το
ηλεκτρικό ρεύμα. (Η πραγματική τιμή της ταχύτητας της τυχαίας κίνησης των
ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι της τάξης των 1000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (km/sec), η οποία αν
κοινοποιηθεί στους μαθητές, αναμένεται να τους εντυπωσιάσει). Η πραγματική τιμή
της ταχύτητας των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην προσανατολισμένη κίνηση είναι της
τάξης των μερικών μόνο εκατοστών ανά λεπτό (cm/min).
Φόρτιση με
επαγωγή
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να κατανοούν και να περιγράφουν το μηχανισμό του
φαινομένου της φόρτισης με επαγωγή. |
: Εμφανίζεται
μια μεταλλική σφαίρα στην οποία εικονίζονται παραστατικά ορισμένα μόνο από τα
ελεύθερα ηλεκτρόνια, σε άτακτη κίνηση. Ο μαθητής μπορεί, με «κλικ» στην
κουκουβάγια, να δει παραστατικά την εξέλιξη του φαινομένου της φόρτισης με
επαγωγή.
Ο δάσκαλος εξηγεί ότι και τα
θετικά φορτία (πρωτόνια) και τα αρνητικά (ηλεκτρόνια) υπάρχουν τόσο στη ράβδο
όσο και στη σφαίρα. Η ράβδος όμως είναι φορτισμένη αρνητικά γιατί έχει
πλεόνασμα ηλεκτρονίων (τα ηλεκτρόνια είναι περισσότερα από τα πρωτόνια).
Θυμίζει, επίσης, στους μαθητές ότι η σφαίρα, μιας και είναι φτιαγμένη από
μέταλλο, διαθέτει ελεύθερα ηλεκτρόνια. Η φορτισμένη αρνητικά ράβδος,
πλησιάζοντας τη σφαίρα, απωθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (ομώνυμα ηλεκτρικά
φορτία) και μερικά από αυτά καταλήγουν στη γη μέσα από το σύρμα. Τελικά, η
σφαίρα αποκτά πλεόνασμα θετικού φορτίου, δηλαδή φορτίζεται θετικά.
Ο δάσκαλος μπορεί να προκαλέσει
συζήτηση, θέτοντας τα παρακάτω ερωτήματα:
·
Τι πιστεύεις ότι θα συμβεί αν απομακρύνουμε τη φορτισμένη
ράβδο από τη σφαίρα; και εξηγεί ότι επειδή η μεταλλική σφαίρα είναι θετικά φορτισμένη, έλκει ηλεκτρόνια (ετερώνυμα φορτία), τα οποία επιστρέφουν μέσω του
σύρματος από τη γη στη σφαίρα. Έτσι, η
σφαίρα γίνεται πάλι ηλεκτρικά ουδέτερη.
·
Πόσα ηλεκτρόνια υπολογίζεις ότι επέστρεψαν από τη γη στη
σφαίρα; (ακριβώς όσα είχαν φύγει).
Ηλέκτριση με επαγωγή
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να κατανοούν και να περιγράφουν το μηχανισμό του
φαινομένου της ηλέκτρισης με επαγωγή. ·
Να κατανοούν, να περιγράφουν και να αναγνωρίζουν τη
διαφορά του φαινομένου της ηλέκτρισης από το φαινόμενο της φόρτισης. |
: Εμφανίζεται μια
μεταλλική σφαίρα στην οποία εικονίζονται παραστατικά ορισμένα μόνο από τα
ελεύθερα ηλεκτρόνια, σε άτακτη κίνηση. Ο μαθητής μπορεί, με «κλικ» στην
κουκουβάγια, να δει παραστατικά την εξέλιξη του φαινομένου της ηλέκτρισης με
επαγωγή.
Ο δάσκαλος υπενθυμίζει ότι στη ράβδο όσο και στη σφαίρα υπάρχουν τόσο θετικά φορτία (πρωτόνια) όσο και αρνητικά φορτία
(ηλεκτρόνια). Η ράβδος όμως είναι φορτισμένη αρνητικά γιατί έχει πλεόνασμα
ηλεκτρονίων (τα ηλεκτρόνια είναι περισσότερα από τα πρωτόνια). Θυμίζει, επίσης,
ότι η σφαίρα, μιας και είναι φτιαγμένη από μέταλλο, διαθέτει ελεύθερα
ηλεκτρόνια. Η φορτισμένη αρνητικά ράβδος, πλησιάζοντας τη σφαίρα, απωθεί τα
ελεύθερα ηλεκτρόνια (ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία). Τώρα όμως, δεν υπάρχει ο
αγωγός μέσω του οποίου θα δραπετεύσουν τα ηλεκτρόνια που απωθούνται
και έτσι η σφαίρα θα φορτιστεί (όπως
έγινε προηγουμένως). Τώρα τα ηλεκτρόνια απλώς
απωθούνται και ένας αριθμός τους μετακινείται όσο το δυνατόν μακρύτερα από
τη ράβδο. Το αποτέλεσμα είναι μια ‘’τοπική συσσώρευση’’ η ένα ‘’τοπικό
πλεόνασμα’’ ηλεκτρονίων στη μία πλευρά της σφαίρας. Αντίθετα, στην άλλη πλευρά
της σφαίρας παρατηρείται μια αντίστοιχη ‘’τοπική υπεροχή’’ ή ‘’πλεόνασμα’’
θετικών φορτίων ή (που είναι το ίδιο) ένα ‘’έλλειμμα’’ αρνητικών φορτίων. Αυτή
ακριβώς η ανισοκατανομή των φορτίων ΗΛΕΚΤΡΙΖΕΙ
τη σφαίρα.
Ο δάσκαλος μπορεί να προκαλέσει
συζήτηση, θέτοντας τα παρακάτω ερωτήματα:
·
Τελικά η σφαίρα είναι φορτισμένη;
·
Τι θα συμβεί αν η ράβδος απομακρυνθεί;
·
Ποια η διαφορά φόρτισης από την
ηλέκτριση;
·
Γιατί το μάλλινο ύφασμα συνήθως φορτίζεται και δεν
ηλεκτρίζεται, ενώ η σφαίρα μπορεί και να ηλεκτριστεί αλλά και να φορτιστεί; (η
διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι η σφαίρα είναι μεταλλική και επομένως
διαθέτει ελεύθερα ηλεκτρόνια ενώ το μάλλινο ύφασμα όχι).
Το
ηλεκτρικό ρεύμα στο σπίτι μας
·
Με αφορμή τις
εικονιζόμενες ηλεκτρικές συσκευές, ο δάσκαλος προκαλεί συζήτηση μέσα στην τάξη
για το πλήθος και τη σπουδαιότητα των διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών, ώστε οι
μαθητές να αντιληφθούν τη σπουδαιότητα της χρήσης του ηλεκτρικού ρεύματος στην
καθημερινή ζωή.
·
Εξηγεί επίσης πως
τα ηλεκτρικά κυκλώματα στο σπίτι λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο με αυτόν των
κυκλωμάτων στο εργαστήριο. Ότι και στο σπίτι υπάρχουν οι διακόπτες που ανοίγουν
και κλείνουν το κάθε κύκλωμα κλπ. Βέβαια, είναι απαραίτητο να σημειωθεί ότι η
ηλεκτρική εγκατάσταση στο σπίτι είναι πιο σύνθετη και αποτελείται από πολλά
επιμέρους κυκλώματα.
Ας παίξουμε - Παίζω με...ηλεκτρικά φορτία
: Ο μαθητής προσπαθεί να γεμίσει
τα έξι άδεια, αρχικά, αυλάκια, σημαδεύοντας και σπρώχνοντας τις φορτισμένες
σφαίρες. Oι σφαίρες είναι
δύο χρωμάτων, μπλε και κόκκινο (δηλαδή θετικά και αρνητικά φορτισμένες) και
πρέπει να τοποθετούνται εναλλάξ για να μην απωθούνται. Aν τοποθετηθούν σφαίρες ομώνυμα
φορτισμένες, το παιχνίδι διακόπτεται και πρέπει να αρχίσει από την αρχή. H
αποτελεσματικότητα του μαθητή καταγράφεται και βαθμολογείται αυτόματα.
Διδακτικοί στόχοι:
·
παγίωση, μέσω της δραστηριότητας του παιχνιδιού, της
αντίληψης ότι τα ομώνυμα φορτία απωθούνται και τα ετερώνυμα έλκονται
·
ενίσχυση της ικανότητας γρήγορης αντίδρασης
·
ενίσχυση της ικανότητας χειρισμού του ποντικιού
Αγωγοί και μονωτές
: Ένα κύκλωμα με μπαταρία και
λαμπάκι, το οποίο ο μαθητής πρέπει να κλείσει χρησιμοποιώντας διάφορα φυσικά
αντικείμενα, όπως ένας συνδετήρας, μια γόμα, ένα μολύβι κλπ. Παρατηρώντας πότε
το λαμπάκι ανάβει και πότε όχι, κατατάσσει τα αντικείμενα αυτά σε αγωγούς και
μονωτές με τη συμπλήρωση ενός πίνακα.
·
σύνδεση της έννοιας «αγωγός» και «μονωτής» με την
ιδιότητα της αγωγής του ηλεκτρικού ρεύματος
·
πειραματική-ανακαλυπτική προσέγγιση του θέματος «αγωγοί
και μονωτές»
·
ενίσχυση της ικανότητας ομαδοποίησης φυσικών σωμάτων με βάση
μια ιδιότητα
Λαμπάκια και κυκλώματα
: 1ο
επίπεδο: Μια μπαταρία, 4 λαμπτήρες και ένα κύκλωμα γεμάτο κενά. Ο μαθητής
καλείται να ανάψει ένα λαμπάκι χρησιμοποιώντας 3 μεταλλικά καρφιά τα οποία
πρέπει να τοποθετηθούν στα κατάλληλα κενά του κυκλώματος.
2ο επίπεδο: Όταν το λαμπάκι ανάψει, προσφέρεται ένα επιπλέον καρφί
και το ζητούμενο από το μαθητή είναι το να ανάψει ταυτόχρονα 2 λαμπάκια!
Διδακτικοί στόχοι:
Πρωτότυπο παιχνίδι, του οποίου η κατασκευή βασίστηκε στις παρανοήσεις των μαθητών σχετικά με τα ηλεκτρικά
κυκλώματα. Για να επιτύχουν οι μαθητές το άναμμα των δύο λαμπτήρων, θα
πρέπει να έχουν κατακτήσει τις αρχές της συνδεσμολογίας των απλών κυκλωμάτων.
Ας παίξουμε |
·
Παίζω με…
ηλεκτρικά φορτία ·
Αγωγοί και μονωτές ·
Λαμπάκια και κυκλώματα |
||
Ιστορική αναδρομή |
·
Από τον Θαλή στον Μάξγουελ |
||
Βιογραφίες |
·
Κουλόμ Σαρλ ·
Βόλτα Αλεσάντρο ·
Αμπέρ Αντρέ-Μαρί
·
Ωμ Γκέορκ Ζίμον |
||
Βιβλιογραφία |
Φύλλα εργασίας |
Κριτήρια
αξιολόγησης |
Σχετικές
συνδέσεις |
Βίντεο |
·
Ηλέκτριση με τριβή ·
Ηλεκτρομαγνήτης |