1. Mechanica
Practicum videometen treintje
Ikea treintje Lillabo (https://www.ikea.com/nl/nl/p/lillabo-locomotief-op-batterijen-50320056/)
Onderwerp: Eenparige beweging
Docentenhandleiding
Omschrijving
In deze activiteit gaan leerlingen leren hoe ze met videometen een grafiek kunnen maken van de beweging van een speelgoed treintje. Het is bedoeld voor leerlingen die (bijvoorbeeld in de onderbouw) al een keer het practicum over de beweging van een treintje al gedaan hebben. Met deze activiteit herhalen ze wat ze weten over plaats,tijd- en snelheid,tijd- grafieken en oefenen ze met het opstellen van een vergelijking voor beweging. Tot slot wordt de representatie van de bewegingskaart geïntroduceerd.
Leerdoelen
- Een videometing kunnen ijken en uitvoeren.
- Een beweging in woorden beschrijven (herhaling)
- Een snelheid,tijd grafiek kunnen maken van een voorwerp met constante snelheid. (herhaling)
- Een vergelijking opstellen bij een plaats,tijd-grafiek.
- Een bewegingskaart kunnen maken
Voorkennis
Benodigdheden
- Laptops met Coach 7
- Activiteit ‘videometen treintje’
Klassikale introductie van het practicum
- Als de groep niet eerder met Coach heeft gewerkt, laat dan duidelijk zien hoe het programma start en waar ze de activiteit kunnen ophalen. Laat ook zien wat de verschillende vensters zijn en wat ze doen.
- Leg uit dat ze eerst metingen gaan doen met het programma en dan de beweging op verschillende manieren gaan representeren op het whiteboard.
- Laat zien welke representaties van de beweging uiteindelijk op het whiteboard moeten komen (beschrijving in woorden, plaats,tijd-grafiek, vergelijking, snelheids,tijd grafiek en het ‘spoor’. Het spoor is een knop in Coach waarmee je alle meetpunten van de videometing zichtbaar kan maken. Dit introduceer je niet: in de instructie staat welke knop ze moeten hebben. Leerlingen kunnen zelf nadenken over wat de betekenis is van dit spoor).
Uitvoering
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- Leerlingen kunnen de metingen in tweetallen doen, zodat ze allemaal voldoende werk hebben.
- Leerlingen werken ongeveer 15 minuten aan het doen van de metingen en 10 minuten aan het opmaken van het whiteboard. Daarna wordt het practicum besproken in de kring.
Klassenorganisatie
- Vraag leerlingen om groepjes van 3 of 4 te vormen om de whiteboards te maken.
Inhoud kringgesprek
- Wat betekent de helling? Heb je daar bewijs voor (eenheden)?
- Wat betekent het snijpunt met de y-as?
- Wat stelt het ‘spoor’ voor?
- Als je alleen het spoor ziet, weet je dan in welke richting de trein bewoog?
- Hoe heb je de v,t-grafiek gemaakt?
Inhoud logboek (optioneel)
Laat ze een overzicht maken van verschillende representaties van beweging met constante snelheid.
Voorbeeld resultaten (optioneel)
In woorden: het treintje verplaatst zich van links naar rechts met een constante snelheid. Hij begint op 8,0 cm rechts van de oorsprong.
Plaats = 8,5·tijd + 8,0
Spoor:
+ + + + + + + + + + + +
Voorbeeld x,t-grafiek
Voorbeeld v,t-grafiek
Practicum botsende treintjes
Onderwerp: Eenparige beweging
Docentenhandleiding
Omschrijving
In deze activiteit passen leerlingen toe wat ze hebben geleerd over constante snelheid. Ze krijgen twee treintjes per groep (een snelle en een langzame) en mogen hier metingen aan doen. Daarna zullen de treintjes een bepaalde afstand uit elkaar worden gezet en op elkaar af rijden. Hun opdracht is te voorspellen waar dit gaat gebeuren en op die plek een stukje schilderstape op de vloer te plakken. Dit probleem kan met verschillende representaties van het constante snelheid model worden opgelost.
Leerdoelen
- Het toe kunnen passen van verschillende representaties van het constante snelheid model voor het oplossen van een praktisch probleem.
Voorkennis
- Leerlingen moeten bewegingen met een constante snelheid kunnen representeren als x,t-grafiek, als bewegingskaart en als formule.
Benodigdheden
- Twee ikea treintjes (LILLABO locomotief op batterijen). Bij één van deze treintjes vervang je één batterij door een leeg exemplaar, die je omwikkeld hebt met aluminium folie. Hierdoor wordt hij langzaam.
- Linialen
- Stopwatches
- Whiteboards, markers en doekjes
- Schilderstape
- Lang meetlint.
Klassikale introductie van het practicum
- Leg het doel van het practicum uit. Geef niet te veel instructie: het ‘hoe’ is helemaal aan de leerlingen.
- Geef wel aan dat ze whiteboards kunnen gebruiken om met elkaar te overleggen.
- Geef aan dat ze 5 minuten krijgen om te meten. Daarna moeten ze hun treintjes inleveren met een briefje met hun naam erbij. Zo kunnen ze hun eigen treintjes terugvinden.
- Pas dan krijgen ze te horen hoe ver de treintjes uit elkaar zullen worden gezet. Ze krijgen 10-15 minuten de tijd om uit te werken waar ze gaan botsen. Ze markeren deze plek met een stuk schilderstape.
Uitvoering
- Zet van te voren (of tijdens het werken) een baan uit van ongeveer 2,5 m lang. Dit kan met een strook schilderstape. Het is handig om groepjes te nummeren en deze nummers op de strook schilderstape te schrijven. Zo krijgt ieder groepje een eigen plek om de treintjes neer te zetten.
- Zorg dat leerlingen niet te vroeg weten hoe ver de treintjes uit elkaar staan. Anders gaan ze het gewoon uitproberen.
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- Leerlingen mogen 5 minuten metingen doen aan hun treintje. Vertel ze niet wat ze moeten meten.
- Daarna wordt de baanlengte bekend gemaakt. Leerlingen mogen 10-15 minuten werken om de plaats van de botsing te bepalen.
- Zet ieder groepje op een eigen plek. Laat de groepjes één voor één de treintjes starten, zodat goed te zien is wie goed heeft voorspeld
Inhoud kringgesprek
- Welke verschillende oplossingsmethodes waren er?
- Wat waren de voor- en nadelen van deze methodes?
- Voorbeeld resultaten (optioneel)
Voorbeeld van een leerling uitwerking.
Oefening krachten tekenen met snelle feedback
Werkblad: Krachtendiagrammen1
Bij beide aanpakken eerst de instructies voor krachten tekenen even klassikaal doornemen (pagina 2).
Belangrijk: alle krachten krijgen een label van … op …. Bijvoorbeeld kracht van hand op bal. Dit consistent labelen benadrukt dat krachten interacties zijn en onderscheidt wat de kracht veroorzaakt en wat de kracht ondergaat. Dit kan veel problemen voorkomen.
Aanpak 1 ontwikkelen van het krachtbegrip
- Leerlingen lezen de instructies en tekenen dan de krachtendiagrammen individueel op dit werkblad.
- In groepjes van drie vergelijken leerlingen resultaten en zetten de beste oplossingen op het whiteboard. Zet ook een foute oplossing op het whiteboard en waarom die fout is.
- In een klassikale discussie worden oplossingen besproken. Wanneer er veel fouten zijn, teken dan nog even een nieuwe situatie op het bord
Aanpak 2 na mechanica onderwijs formatief oefenen en toetsen van het krachtbegrip
- Leerlingen lezen de instructies en doen een oefenopgave.
- Vervolgens projecteert de docent de opgaven één voor één op het bord en leerlingen tekenen individueel het gevraagde krachtendiagram. Bij elke opgave loopt de docent even door de klas en ziet welke fouten worden gemaakt, geeft eventueel even kort individueel feedback. Een Powerpointbestand is beschikbaar.
- Zeer korte klassikale bespreking van de meest voorkomende fout en volgende slide. Houd de vaart erin!
Waarom bij aanpak 2 opgaven één voor één en individueel? Dat is om echt te werken aan individuele verbetering van misconcepties en om na elke opgave met feedback de leerling gelegenheid te geven de volgende opgave beter te doen. De leerling merkt dat hij of zij het steeds beter doet en dat motiveert! Eventueel een paar lessen later in 5 of 10 minuten nog enkele opgaven herhalen of nieuwe verzinnen. De verbetering is zeer zichtbaar!
Instructies krachten tekenen
Krachten worden getekend als een pijl,
- die aangrijpt op een voorwerp en begint in dat voorwerp (hoewel wrijvingskrachten en normaal krachten aangrijpen aan het oppervlak, worden ze in het object getekend opdat duidelijk is op welk object ze werken);
- die wijst in de richting van de kracht;
- met een lengte die de grootte van de kracht aangeeft;
- waarbij het voorwerp dat de kracht uitoefent èn het voorwerp waarop de kracht werkt worden aangegeven, dus Faarde op steen.
 |
De resultante of netto kracht is de som van alle krachten die op een voorwerp werken en we gebruiken een dubbele pijl (Þ) om die te onderscheiden van alle afzonderlijke krachten.
Voorbeeld 1: Figuur 1a laat een blok zien in vrije val en we verwaarlozen de wrijving met lucht. De pijl start in het blok en het label laat de oorzaak zien (aarde) en het voorwerp waarop de kracht werkt (het blok.
Voorbeeld 2: Figuur 2 laat een blok zien dat naar rechts glijdt met wrijving in tegengestelde richting. Hoewel de wrijving op het oppervlak werkt, tekenen we de kracht duidelijk in het blok opdat duidelijk is op welk voorwerp de kracht werkt. Het exacte punt waar de kracht aangrijpt, is alleen van belang bij
rotaties. Alleen de wrijvingskracht is getekend, andere krachten niet. De snelheidsvector is getekend als een pijl met puntjes om verschil te maken met de kracht pijl.
Voorbeeld 3: Figuur 3 laat de krachten op een steen zien die door twee touwtjes in positie wordt gehouden.
|
Opdracht
In de volgende figuren teken alle krachten die op de steen werken. Let op de grootte en richting van de krachten. Gebruik de correcte labels kracht van wat op wat zoals Faarde op steen, Ftouw1 op steen, etc.
Geen beweging
Practicum massa en gewicht
Onderwerp: mechanica
Omschrijving
In deze proef gaan de leerlingen zelf het verband ontdekken tussen massa en zwaartekracht. Ze hangen verschillende massa’s aan een krachtmeter en tekenen de grafiek van massa tegen zwaartekracht. Vervolgens stellen ze een formule op die bij de grafiek past en bespreken ze wat de betekenis is van de richtingscoëfficiënt van deze formule.
Deze proef is geschikt voor de onderbouw, vanaf de 2e klas.
Leerdoelen
-
Kunnen maken van goede meettabellen en grafieken
-
Een formule op kunnen stellen bij een grafiek die een rechte lijn door de oorsprong is.
-
De zwaartekracht op of de massa van kunnen berekenen met \(F_z=m⋅g .\)
-
Begrijpen wat de 'g' betekent in de formule \(F_z=m⋅g .\)
Voorkennis
-
Leerlingen weten wat een kracht is (duwen/trekken, een interactie tussen twee dingen).
-
Fijn als leerlingen al ervaring hebben met het maken van meettabellen, grafieken en formules, maar niet noodzakelijk.
Benodigdheden
-
Voorwerpen met verschillende (bekende) massa’s die je aan een krachtmeter kan hangen. Het hoeven niet allemaal dezelfde voorwerpen te zijn. Handig om de massa’s er op te schrijven. Als je de tijd hebt, kun je de leerlingen zelf de massa laten bepalen met een balans (deze meet massa onafhankelijk van gewicht). Je kan ook volstaan met laten zien dat je van te voren de massa’s hebt bepaald met een balans.
-
Krachtmeters (bereik tot 5N; eventueel kun je ook een krachtmeter met een kleiner bereik geven voor kleinere massa’s).
-
Statieven met klemmen.
Klassikale introductie van het practicum
-
Laat zien hoe de krachtmeter werkt.
-
Vraag hoe je kan zien dat er een kracht werkt op de krachtmeter (de veer aan de binnenkant wordt vervormd).
-
Hang een voorwerp aan de krachtmeter. Vraag de leerlingen welke kracht nu wordt gemeten (Veerkracht; klopt! De veerkracht van de krachtmeter. Zwaartekracht wordt ook al snel genoemd. Zo niet; vraag dan of het de veerkracht zelf is die ervoor zorgt dat de veer wordt uitgerekt.) Als leerlingen al hebben gewerkt met krachtendiagrammen. Laat ze dan een diagram tekenen van de krachten op het gewicht. Laat ze iedere kracht een label geven van de vorm F[soort],van [voorwerp 1] op [voorwerp 2] . Dit zou het volgende op moeten leveren:
-
Vraag wat we moeten doen om de kracht die we meten te veranderen (een ander voorwerp ophangen).
-
Vraag welke grootheid we dan veranderen. (Gewicht). Op dit punt kan je een korte discussie voeren over het verschil tussen gewicht en massa. Definieer gewicht als hoe hard je op de grond duwt en massa als uit hoeveel ‘spul’ je bestaat. Vraag de leerling om zich voor te stellen dat we dit proefje in de ruimte doet. Is het voorwerp dan gewichtloos? Is het massaloos?
-
Indien de tijd het toelaat kun je een tabel maken met verschillen tussen massa en gewicht
|
|
Massa
|
Gewicht
|
|
Definitie
|
Hoeveelheid ‘spul’
|
Kracht waarmee je op de grond duwt.
|
|
Eenheid
|
Kilogram Kg
|
Newton N
|
|
Als je dit meet op de maan…
|
Blijft massa hetzelfde
|
Wordt het gewicht minder
|
|
Kan je meten met…
|
Een balans
|
Een weegschaal/veerunster
|
Uitvoering
- Opdracht: onderzoek het verband tussen massa en zwaartekracht. Meet hiertoe bij verschillende massa’s de zwaartekracht. Verwerk je metingen in een meettabel. Maak een grafiek van je metingen. Een goede klas kun je vragen om te proberen een formule op te stellen bij de grafiek.
- Spreek van te voren eenheden af (kracht in Newton, massa in kg)
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- Introductie practicum (10 minuten)
- Uitvoering (10 minuten)
- Opmaken whiteboard (5 minuten)
- Whiteboard bespreking (15 minuten)
Klassenorganisatie
- Laat de leerlingen in groepjes van 3 werken, groepjes random samengesteld.
- Laat de leerlingen eerst, als groepjes, de proef uitwerken op papier. Pas als dat af is mogen ze een whiteboard pakken.
- Laat leerlingen de onderzoeksvraag (Wat is het verband tussen massa en zwaartekracht?) en hun namen op het whiteboard vermelden, zodat duidelijk is wat ze doen en wie het doet.
Inhoud kringgesprek
- Waar moet een goede tabel aan voldoen?
- Waar moet een goede grafiek aan voldoen? (Deze vragen geven de leerlingen de kans om op een laagdrempelige manier te discussiëren over zaken die ze zelf goed snappen).
- Wat is op alle borden hetzelfde? Wat is er anders?
- Gaat de grafiek door 0,0 (de oorsprong)? Zou dat moeten?
- Zie je een patroon in de datatabel? (Leerlingen zien twee patronen: als massa verdubbelt, verdubbelt ook de zwaartekracht én als je de massa met 10 vermenigvuldigt krijg je de zwaartekracht).
- Kan je, met deze patronen, de zwaartekracht bij een massa van ….. voorspellen)? Test deze voorspelling.
- Hoe kan je het tweede patroon opschrijven als wiskunde formule \(F_{z,vanAardeopgewicht} \) (oftewel) \(F_z=m⋅10\)
- Wat betekent deze 10? Vraag de leerlingen wiskunde te gebruiken om de formule om te bouwen tot \(F_z/m=10\) . Laat zien welke eenheid de 10 krijgt (N/kg).
- Vraag wat deze eenheid je vertelt over de betekenis van de 10.
- Vraag of je op de Maan dezelfde grafiek zou vinden? (Ja, ook rechte lijnen). En vind je ook de 10? (Nee, die wordt lager). De ‘10’ zegt dus met hoeveel Newton de Aarde aan een massa van een kilogram trekt.
- Hierna kan je aangeven dat je, met nog preciezere metingen, geen 10 maar 9,81 N/kg vindt. Introduceer de letter g = 9,81 N/kg
Inhoud logboek (optioneel)
- Laat de leerlingen de formule noteren, met de betekenis van alle symbolen en de eenheden.
- Laat ze opschrijven wat de waarde en betekenis van g is.
Voorbeeld resultaten (optioneel
Practicum veren
Omschrijving
In dit practicum leiden leerlingen zelf een formule af voor de kracht die een veer uitoefent bij uitrekking. Hiertoe doen ze zelf metingen aan een veer die wordt uitgerekt met een krachtmeter. De docent kan ervoor kiezen om de leerlingen een bepaalde context te bieden. Bijvoorbeeld: een ontwerper van fitness apparaten wil weten hoe hard je aan een veer moet trekken bij een bepaalde uitrekking.
Leerdoelen
- Kunnen maken van goede meettabellen en grafieken
- Een formule op kunnen stellen bij een grafiek die een rechte lijn door de oorsprong is.
- De kracht die een veer uitoefent kunnen berekenen met \(F_v=C·u\).
- De betekenis van de veerconstante C uit kunnen leggen.
- (Extra: mogelijk ook laten zien dat het verband geldt binnen bepaalde grenzen (1 groepje bij extremere waarden laten meten of met elastiek)
Voorkennis
- Leerlingen weten wat een kracht is (duwen/trekken, een interactie tussen twee dingen)
- Fijn als leerlingen al ervaring hebben met het maken van meettabellen, grafieken en formules, maar niet noodzakelijk.
Benodigdheden
- Statief (zonder klemmen)
- Krachtmeters
- Veer
- Liniaal
- Schilderstape (om meetpunt te markeren)
- Whiteboard en toebehoren
- Eventueel wat extra/alternatief materiaal voor 1 of 2 groepjes zoals elastiek, rekbanden van fysiotherapie met passende gewichten (bv 1 kg), elastiek dat in kleding wordt gebruikt, etc.
Klassikale introductie van het practicum
- Als de leerlingen nog niet eerder met een krachtmeter hebben gewerkt, laat dan zien hoe de krachtmeter werkt.
- Maak de veer zo vast aan het statief dat de veer horizontaal op tafel ligt.
- Rek de veer uit met een krachtmeter. Vraag de leerlingen wat we aan deze situatie zouden kunnen meten. Ze moeten in ieder geval veerkracht en lengte en/of uitrekking van de veer noemen.
- Bespreek met ze hoe je de veerkracht meet (met de krachtmeter).
- Bespreek welke grootheid (lengte of uitrekking) bepaalt hoe groot de veerkracht wordt. Laat zien dat twee veren van verschillende lengte die je niet uitrekt allebei 0 N uitoefenen. Kan de lengte dan bepalen hoe groot de kracht wordt? (Nee).
- Vraag of er een verband zou kunnen bestaan tussen uitrekking van de veer en veerkracht (zou kunnen).
- Laat de leerlingen zelf nadenken hoe ze nauwkeurig de uitrekking van de veer kunnen meten. Noem expliciet dat ze hier over na moeten denken, maar geef (nog) geen tips.
Als alternatief zou je ook gewichtjes kunnen ophangen aan de krachtmeter. Dit heeft als nadeel dat de zwaartekracht de veer al een beetje uit zal rekken als er geen gewicht aan hangt. Leerlingen zien dit. Ook maakt het dit practicum complexer, omdat je uitgaat van krachtenevenwicht tussen zwaartekracht en veerkracht.
Uitvoering
- Geef als opdracht om het verband tussen die twee te onderzoeken. Hiertoe maken ze een meettabel voor tenminste 5 verschillende uitrekkingen, een F,u-grafiek en een formule die past bij de grafiek.
- Spreek van te voren af om uitrekking horizontaal uit te zetten en spreek af welke eenheden je gebruikt.
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- Introductie practicum (10 minuten)
- Uitvoering (10 minuten)
- Opmaken whiteboard (5 minuten)
- Whiteboard bespreking (15 minuten)
Klassenorganisatie
- Laat de leerlingen in random groepjes van 3 werken.
- Laat de leerlingen eerst de proef uitwerken op papier. Pas als dat af is mogen ze een whiteboard pakken.
- Laat leerlingen de onderzoeksvraag (Wat is het verband tussen uitrekking en veerkracht?) en hun namen op het whiteboard vermelden, zodat duidelijk is wat ze doen en wie het doet.
Inhoud kringgesprek
- Wat is op alle borden hetzelfde? Wat is er anders?
- Gaat de grafiek door 0,0 (de oorsprong)? Zou dat moeten? (Ja, want als de veer niet wordt uitgerekt, zou er ook geen veerkracht moeten zijn)
- Wat betekent dat voor de formule (\(F_v=a·u+b\))? (De waarde van b moet 0 zijn).
- Hoe bepaal je de waarde van a? (Dat is de richtingscoëfficiënt, dus \(rc=\frac{F_v}{u}\))
- Zijn de waarden van a voor alle grafieken gelijk? (Nee)
- Welke eenheid heeft a? (N/cm)
- Stel a = 2 N/cm. Hoe hard moet ik dan trekken om de veer 1 cm uit te rekken? (2 N) En 4 cm? (8 N). Benoem dat het getal dus iets zegt over hoe moeilijk het is om de veer uit te rekken. Dit noemen we stugheid.
- Op dit punt kun je conformeren aan internationale afspraken. We gebruiken niet de letter a maar de letter C. Deze grootheid wordt de veerconstante genoemd. Deze wordt meestal gegeven in N/m (en niet per cm).
- Wat voor nut heeft deze formule? De formule wordt OVERAL gebruikt, in weegschalen, sportscholen, auto’s en treinen, veren op deuren in huis, veren in ouderwetse horloges en klokken, etc.
Inhoud logboek (optioneel)
- Laat de leerlingen de formule noteren, met de betekenis van alle symbolen en de eenheden.
- Laat ze opschrijven wat de waarde en betekenis van C is.
Voorbeeld resultaten (optioneel)
2. Elektriciteit
Practicum vaardigheden: Ohmse weerstand
Schakelschema
Docenthandleiding Wet van Ohm
Omschrijving
Als de spanning over een (Ohmse) weerstand twee keer zo groot wordt dan wordt de stroomsterkte door deze weerstand ook twee keer zo groot. Het verband tussen de stroomsterkte en de spanning is recht evenredig en dus voldoet een Ohmse weerstand aan de wet van Ohm (U=I∙R ). Met behulp van de schakeling uit figuur 1 maken de leerlingen een (I,U)-diagram van de weerstand. Door dit diagram met de wet van Ohm te combineren, bepalen ze de waarde van de gebruikte weerstand.
Er is ook een andere versie beschikbaar van het practicum Ohmse weerstand. De leerdoelen zijn hier anders.
Leerdoelen inhoud
- Bij een Ohmse weerstand is het verband tussen de stroomsterkte door en de spanning over de weerstand recht evenredig. De Ohmse weerstand voldoet dus aan de wet van Ohm.
- Begrippenlijst: Spanningsbron, stroommeter, spanningsmeter, Ohmse weerstand,
, (I,U)-diagram
Leerdoelen vaardigheid
- Praktische vaardigheden
- Een schakeling aanvullen met een stroommeter en spanningsmeter voor het meten van de spanning over en de stroomsterkte door een component van de schakeling
- Onderscheid maken tussen afhankelijke en onafhankelijke variabelen
- Natuurkundige vaardigheden
- Meetresultaten als meetpunten weergeven in een diagram en het verband tussen de twee grootheden tekenen met een rechte grafieklijn door de oorsprong
- De richtingscoëfficiënt van een rechte lijn in een diagram bepalen
- Wiskundige vergelijking van een lineaire lijn opstellen, uitgedrukt in natuurkundige grootheden
Voorkennis
- De leerling kan een stroommeter en spanningsmeter op de juiste manier aansluiten en aflezen.
- Een Ohmse weerstand voldoet aan de wet van Ohm.
- De leerling kan een schematische tekening van een schakeling omzetten naar een fysieke representatie van de schakeling. Blijf er als docent alert op dat leerlingen hier fouten mee kunnen maken.
Benodigdheden
- Stroommeter
- Spanningsmeter
- Regelbare spanningsbron
- Ohmse weerstand (het maakt niet uit of de groepjes met gelijk of juist verschillende weerstanden werken)
- Snoertjes
Klassikale introductie van het practicum
- Wanneer leerlingen in de onderbouw niet met modeldidactiek hebben gewerkt, maken ze bij dit practicum voor het eerst kennis met deze didactiek. Neem de tijd om het idee achter deze didactiek uit te leggen. Voor meer informatie zie: Project Modeldidactiek - Bètapartners (betapartners.nl) en American Modeling Teachers Association – Transforming STEM Education (modelinginstruction.org)
- Bespreek met de leerlingen het verschil tussen onafhankelijke en afhankelijke variabelen. Welke grootheid is de afhankelijke en welke de onafhankelijke variabele? Op welke plaats in de tabel en grafiek komt de (on)afhankelijke grootheid te staan? Leerlingen hebben een (I,U)-grafiek gemaakt waar de helling 1/R voorstelt.
- Het klassikaal herhalen van de wet van Ohm en de Ohmse weerstand is niet nodig. Het activeren van de voorkennis gebeurt middels het practicum.
Aanrommelfase leerlingen
Leerlingen kunnen moeite hebben met het juist aansluiten en aflezen van de stroommeter en spanningsmeter.
Meting leerlingen
Leerlingen kunnen te grote of juist te kleine tussenstapjes nemen waardoor het verband niet goed zichtbaar is en de waarde voor de weerstand onnauwkeurig bepaald wordt. In de leerlinghandleiding worden tussenstapjes van 0,4-0,6V geadviseerd.
Korte klassikale aanwijzingen
- Korte herhaling over het juist aansluiten van de spanningsmeter en stroommeter wanneer veel leerlingen hier moeite mee lijken te hebben.
- Bij het meten van de spanning worden tussenstapjes van 0,4-0,6 V geadviseerd.
- Benadruk dat in de tabel en bij de assen in de grafiek de juiste grootheden en eenheden moeten komen te staan en niet alleen de titels ‘afhankelijke grootheid’ en ‘onafhankelijke grootheid’.
- Er zullen zeker groepjes leerlingen zijn die scheurlijnen gebruiken. Je kunt er bewust voor kiezen minstens één grafiek met scheurlijn te behouden. Dit is een mooi punt voor de discussie.
Klassikale nabespreking
- Geef leerlingen eerst de opdracht om naar elkaars borden te kijken. Welke verschillen zie je? Welke overeenkomsten zie je?
- Welke grootheid is de onafhankelijke en welke de afhankelijke variabele? Kunnen zowel I als U de onafhankelijke variabele zijn? Hoe pas je de uitvoering dan aan?
- Wat is het gevolg van het gebruik van scheurlijnen in de grafiek? In hoeverre is dit gebruik toegestaan gezien het doel van dit practicum?
- Gegevens in de tabel worden door sommige leerlingen afgerond, andere leerlingen noteren metingen in 4 significante cijfers. Is de ene notatie beter dan de andere gezien het doel van dit practicum?
- Sommige leerlingen noteren meetpunten als dikke stip of kruisje in de grafiek. Is dit ‘beter’ dan het gebruik van een dun stipje?
- Welk verband is er tussen I en U? Hoe kun je dat zien aan de waarden in de tabel? Hoe kun je dit zien aan de vorm van de grafiek?
- Hoe is de richtingscoëfficiënt zo nauwkeurig mogelijk bepaald? Gebruik je hier één meetwaarde voor of een punt op de trendlijn? Welke optie geeft een nauwkeuriger resultaat?
- Op welke manier wordt de gevonden wiskundige vergelijking (uit de grafiek) gecombineerd met de wet van Ohm om de weerstandswaarde te vinden?
- Hoe bepaal je de eenheid van de richtingscoëfficiënt?
- Optioneel: laat leerlingen het beste bord uitkiezen en de gegevens hiervan netjes in hun schrift overnemen.
- Tenslotte de vraag ‘wat heb je geleerd’ over natuurkunde (inhoudelijk) en over experimenteel onderzoek doen (vaardigheden).
Organisatie
- Benodigde tijd: 50 minuten (introductie, uitvoering, verwerking, discussie).
- Leerlingen werken in groepjes van drie en geven hun resultaten weer op een whiteboard.
- Klassikale kringbespreking met whiteboards. De leerlingen staan achter hun bord.
- Optioneel: laat leerlingen het beste bord uitkiezen en de gegevens hiervan netjes in hun schrift overnemen.
Voorbeeld resultaten
Uit de grafiek volgt: 
.
De wet van Ohm zegt: \(\frac{U}{I}=constant = R\). De weerstand die bij dit practicum is gebruikt heeft dus een waarde van 9,6 Ω.
3. Elektromagnetisme
4. Straling
5. Trillingen
6. Golven
7. Optica
Demoles Optica: introductie licht
Docentenhandleiding
Omschrijving
In deze activiteit zetten de leerlingen hun eerste stap in het opbouwen van een model van licht. Dit wordt gedaan aan de hand van een serie korte demonstratie proeven.
Leerdoelen
Leerlingen kunnen laten zien dat:
- deeltjes (kleine balletjes) veel eigenschappen gemeen hebben met licht:
- ze komen ergens vandaan (een bron) en gaan ergens naartoe
- ze bewegen in een rechte lijn
- ze worden op een zelfde manier weerkaatst tegen een muur
- er ook veel verschillen zijn tussen deeltjes en licht, o.a.:
- lichtdeeltjes zijn veel kleiner
- lichtdeeltjes zijn veel sneller
- lichtdeeltjes wegen niks
- objecten alleen door ons worden gezien als er licht van dat object komt en in ons oog valt.
- objecten licht uitzenden in alle richtingen
Leerlingen leren hoe de volgende dingen er uit zien in een deeltjesmodel van licht:
|
Werkelijkheid
|
Natuurkundig model
|
|
Lichtstraal
|
Stroom van deeltjes
|
|
Licht zien
|
Deeltjes vallen in een oog
|
|
Directe lichtbron
|
Plek waar de deeltjes vandaan komen
|
|
Indirecte lichtbron
|
Plek waar de deeltjes vandaan weerkaatsen
|
Voorkennis
Geen
Benodigdheden
- Laser
- Rookspray
- Scherm
- Doos
- Lamp, ingepakt in aluminiumfolie
Klassikale introductie van het practicum
- Begin met een brainstorm. Vraag de leerlingen wat licht is. Laat ze eigenschappen van licht opschrijven. Ze zullen o.a. noemen:
- Licht heeft kleur
- Licht komt uit een lichtbron
- Licht kan weerkaatsen tegen een oppervlak
- Zeg de leerlingen dat je een model wil gaan maken van licht. Daarvoor zoek je iets dat er veel op lijkt en waarvan je helemaal snapt hoe het werkt. Dit is een lastige vraag, dus verwacht hier nog niet veel ideeën van ze. Gooi, om ze op een idee te brengen, een balletje tegen de muur.
- Deel de klas in in groepjes. Ieder groepje krijgt een whiteboard. Vraag de leerlingen een analogie tabel te maken:
|
Overeenkomende eigenschappen
|
Niet overeenkomende eigenschappen
|
Eigenschappen waarvan je niet weet of ze overeenkomen
|
|
ze komen ergens vandaan (een bron) en gaan ergens naartoe
|
lichtdeeltjes zijn veel kleiner
|
|
|
ze bewegen in een rechte lijn
|
lichtdeeltjes zijn veel sneller
|
|
|
ze worden op een zelfde manier weerkaatst tegen een muur
|
lichtdeeltjes wegen niks
|
|
- Bespreek met de leerlingen of we, op grond van deze tabel, over licht na kunnen denken als kleine, snel bewegende deeltjes.
- Vraag de leerlingen wat, in een deeltjesmodel, een lichtbron is (lijkt op een ballenkanon) en wat een lichtstraal is (een stroom deeltjes)
Uitvoering
- Vraag de leerlingen hoe wij dingen kunnen ‘zien’.
- Zet de laser achter een scherm en laat hem in een doos schijnen. Let er op dat leerlingen niet in de doos kunnen kijken. Vraag de leerlingen of de laser aan staat.
- Laat zien dat hij inderdaad aan staat door je hand in de laserstraal te houden. Bespreek waarom ze nu de rode stip zien. Kom tot een conclusie als: ‘We zien alleen iets als er licht in je ogen valt’.
- Bespreek in welke richtingen de lichtstralen van de stip bewegen. Kom tot een conclusie dat, aangezien iedereen de stip kan zien, de lichtstralen in alle richtingen moeten bewegen. Teken dit als een stralendiagram op het bord.
- Laat zien wat er gebeurt als we rook spuiten tussen de laser en de doos. Vraag de leerlingen waarom ze nu wel de straal kunnen zien en hoe het stralendiagram op het bord veranderd moet worden.
- Laat de ingepakte lamp zien. De lamp staat uit. Maak een klein gaatje in het folie. Vraag de leerlingen de lamp te schetsen en te tekenen hoe de lichtstralen lopen die door het gaatje komen. Vraag de leerlingen of ze, met dit model, kunnen voorspellen of slechts één iemand het licht door het gaatje kan zien of dat iedereen in het lokaal dit kan zien.
- Laat zien dat iedereen het gaatje kan zien. Vraag welk stralendiagram juist is.
- Vraag wat het verschil is tussen de lamp (directe lichtbron; geeft zelf licht) en de stip op de hand (indirecte lichtbron; het licht komt ergens anders vandaan). Vraag naar andere voorbeelden van beiden.
- Vraag, als de tijd het toelaat en je de mogelijkheid ervoor hebt, of je ook iets zou kunnen zien als er helemaal geen licht in het lokaal is. Verduister het lokaal volledig (denk aan kieren, lampjes van computers, enz.) en doe het licht uit. De leerlingen zullen zelf ervaren dat je echt helemaal niets ziet.
Organisatie
- Je kunt ervoor kiezen om leerlingen in tweetallen te laten werken op kleine whiteboards of in grotere groepen (3 of 4 leerlingen) op grotere whiteboards. Belangrijk is dat de leerlingen elkaars whiteboards kunnen zien. Dit kan door de whiteboards aan de randen van het lokaal te plaatsen (in de vensterbank, op de demonstratietafel tegen een statief, enz.)
Inhoud logboek
- Laat leerlingen opschrijven hoe de volgende zaken er uit zien in het deeltjes model (zie ook leerdoelen in deze handleiding):
- Lichtstraal
- Licht zien
- Directe lichtbron
- Indirecte lichtbron
Oefenles Optica: stralendiagrammen
Docentenhandleiding
Omschrijving
In deze les wordt het stralendiagram en de bijbehorende conventies geïntroduceerd. De leerlingen oefenen met opgaven.
Leerdoelen
Leerlingen leren hoe ze de volgende zaken in een stralendiagram kunnen weergeven:
|
Werkelijkheid
|
Natuurkundig model
|
Stralendiagram
|
|
Lichtstraal
|
Stroom van deeltjes
|
Rechte lijn met een pijl
|
|
Licht zien
|
Deeltjes vallen in een oog
|
Lijnen vallen in een oog
|
|
Directe lichtbron
|
Plek waar de deeltjes vandaan komen
|
Plek waar lijnen vandaan wijzen
|
|
Indirecte lichtbron
|
Plek waar de deeltjes vandaan weerkaatsen
|
Plek waar minimaal één lijn aankomt en meer lijnen vandaan wijzen
|
Leerlingen leren het stralendiagram te gebruiken om voorspellingen te doen over of iets zichtbaar is of niet.
Leerlingen leren het begrip ‘gezichtsveld’.
Voorkennis
Benodigdheden
Klassikale introductie van het practicum
- Introduceer het stralendiagram. Benadruk het gebruik geodriehoek en het aangeven van de richting van lichtstralen.
- Geef een voorbeeld om te laten zien wat ‘zichtbaar’ is voor een waarnemer op een bepaalde plaats. Introduceer de term ‘gezichtsveld’.
Uitvoering
- Selecteer een aantal opgaven uit je eigen lesmethode waarbij met stralendiagrammen bepaald moet worden of iets zichtbaar is of niet.
- Leerlingen werken weer in groepjes van 3 of 4. Laat de leerlingen de opgaven eerst op papier uitwerken. (15 à 20 min)
- Laat daarna ieder groepje één opdracht uitwerken op groot whiteboard. Zorg dat er van iedere opgave minimaal twee uitwerkingen zijn.
- Groepjes die klaar zijn plaatsen hun bord aan de randen van het lokaal. Vertel de leerlingen dat ze straks vragen moeten stellen over elkaars borden. Geef leerlingen even de tijd om elkaars borden te bekijken en vragen te bedenken. (5 minuten)
- Vorm daarna een kring. De leerlingen zitten in groepjes bij elkaar en houden hun borden voor zicht.
Inhoud kringgesprek
- Laat de leerlingen benoemen of er verschillen zijn tussen de uitwerkingen. Zo niet, dan zijn we het eens. Anders moet er over gesproken worden.
Inhoud logboek (optioneel)
- Laat leerlingen de conventies voor stralendiagrammen noteren
Practicum: schaduwen
Onderwerp: Optica
Algemene beschrijving
Omschrijving
Bij dit practicum passen de leerlingen toe wat ze hebben geleerd over het maken van stralendiagrammen op schaduwen. In eerdere lessen (01 Demo licht en 02 Oefenles stralendiagrammen) hebben licht gemodelleerd als deeltjes die zelf onzichtbaar zijn en die in rechte lijnen bewegen. Ze passen het dit model toe om te verklaren:
- hoe schaduwen ontstaan
- hoe schaduwen veranderen als je het object voor de lichtbron verplaatst.
- hoe schaduwen veranderen als er meer lichtbronnen zijn
- wat er gebeurt als de lichtbron uitgebreid is (zoals een tl-balk).
Leerdoelen
- Leerlingen kunnen uitleggen hoe een schaduw ontstaat
- Leerlingen kunnen een stralendiagram gebruiken om te voorspellen waar een schaduw van een object terecht zal komen en hoe deze zal veranderen bij het verplaatsen van het object of de lichtbron.
Bij een les langer dan 50 minuten of bij twee lessen:
- Leerlingen kunnen uitleggen wat er wordt bedoeld met de begrippen kernschaduw en halfschaduw.
- Leerlingen kunnen met een stralendiagram laten zien hoe kern- en halfschaduw ontstaan.
Voorkennis
- Leerlingen kunnen zich lichtstralen voorstellen als een stroom deeltjes die kunnen weerkaatsen tegen voorwerpen.
- Leerlingen kunnen lichtstralen weergeven in een stralendiagram.
Benodigdheden
- Kaartje* met knijper
- Spanningskastje
- Twee snoertjes
- Twee lampjes
- Zaklamp
- Klein whiteboard (als projectiescherm). Indien niet aanwezig kan de schaduw ook op de muur worden geprojecteerd.
- Groot whiteboard (voor stralendiagrammen)
*Kaartjes
Een klein kartonnen kaartje is voldoende. Met een wasknijper kun je zorgen dat het kaartje rechtop blijft staan. Eventueel kunnen leerlingen ook hun eigen spullen uit hun tas of etui gebruiken, als ze niet te groot zijn.
*Lichtbron
Belangrijk is dat de lichtbron zo goed mogelijk puntvormig is. De fietslampjes die vaak gebruikt worden in een elektriciteitspracticum voldoen hier prima aan. Het lampje van een telefoon is vaak ook prima. Zaklampen hebben vaak een reflector, waardoor het een uitgebreidere lichtbron wordt. Dit geeft een wazige schaduw, terwijl je op grond van het model een scherpe schaduw verwacht. Anderen bestaan uit meerdere led lampjes, waardoor de schaduw ook wazig wordt. Je kan dit oplossen door een stukje karton met een gaatje voor de lamp te zetten. Als je naar uitgebreide bronnen gaat kijken, dan haal je het karton weer weg.
Klassikale introductie van het practicum
- Maak alvast groepjes van drie leerlingen. Zorg dat ieder groepje een whiteboard heeft.
- Sluit een lampje aan en zet een kaartje met een knijper voor het lampje. Vang de schaduw op op een whiteboard.
- Vraag de klas hoe de schaduw ontstaat.
- Vraag de klas om de situatie weer te geven in een stralendiagram. Herinner ze aan de conventies (lichtstralen als rechte lijnen met pijlen, lichtbronnen met lichtstralen die ervandaan wijzen, gebruik een geodriehoek, etc.)
- Bespreek met de klas op wat voor manier je de schaduw kunt veranderen. Maak een lijst. Je komt uit op:
- object links/rechts schuiven
- object naar voren/naar achteren schuiven
- lichtbron links/rechts schuiven
- lichtbron naar voren/naar achteren schuiven
- Vraag de leerlinge om zelf te onderzoeken hoe al deze mogelijkheden de schaduw veranderen. Bij iedere situatie moeten ze een stralendiagram tekenen om te laten zien wat er verandert. Handige conventie: Een voorwerp of lichtstraal die verandert teken je met een stippellijn in de oude situatie en met gewone lijnen in de nieuwe situatie.
- Als je een les hebt die langer duurt dan 50 minuten, vraag de leerlingen dan om maar de helft van het whiteboard te gebruiken.
Uitvoering
- Het aansluiten van lampjes is geen leerdoel van dit practicum. Doe het voor of vraag de toa dit alvast voor de leerling in orde te maken.
- Leerlingen kunnen dit practicum, na de klassikale start, vrij zelfstandig uitvoeren. Wel hebben sommigen misschien nog moeite met de stralendiagrammen. Let scherp op de conventies.
- Als je een les hebt die langer duurt dan 50 minuten kun je na 10 minuten het practicum kort tussentijds bespreken. Vervolgens kun je de leerlingen wijzen op de schaduwen die tl-balken maken van de kaartjes. Deze zijn veel waziger. In een kort gesprek kun je ze richting het idee sturen dat het te maken heeft met dat de tl-balk veel breder is en dat ze dit kunnen testen door meer lichtbronnen naast elkaar te zetten. Dit kunnen ze doen door een paar extra lampjes parallel te schakelen (met hulp van docent en toa).
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- 50 minuten voor een les over alleen het verschuiven van object en lichtbron. Dan nog 25 minuten voor een les over het ontstaan van half- en kernschaduw bij een uitgebreidere lichtbron.
- Als je lessen van 70/80 minuten hebt kan het in één les.
Klassenorganisatie
- Het tempo van leerlingen verschilt sterk. Hier kan je gebruik van maken. Leerlingen die verder zijn kun je vragen om te kijken wat voor schaduw de tl balken maken van het kaartje. Zij bespreken dan vervolgens bij het kringgesprek wat er gebeurt als de schaduw wordt gemaakt door een uitgebreidere lichtbron.
Inhoud kringgesprek
- Laat verschillende groepjes onder woorden brengen hoe de schaduw verandert bij verschillende situaties. Leerlingen vinden het soms lastig om dit met woorden uit te leggen, maar dat is een goede oefening voor ze. Je kan helpen door:
- De leerlingen te vragen om hun eigen bord te beschrijven.
- Af en toe kort te herhalen wat de leerlingen hebben gezegd.
- De leerlingen te parafraseren, zodat ze kunnen checken of wat ze wilde zeggen is overgekomen.
- Als leerlingen zijn die naar meerdere lichtbronnen hebben gekeken, laat ze dan vertellen hoe dat de schaduw verandert.
- Vraag ze wat er zou gebeuren als je nog meer lichtbronnen op een rij zet (bijvoorbeeld 10).
- Vraag ze naar het verband tussen veel losse lichtbronnen en één lange lichtbron, zoals een tl-balk.
- Werk toe naar een conclusie als: bij een uitgebreide lichtbron is er een gebied waar slechts een deel van het licht terecht komt (halfschaduw) en een gebied waar helemaal geen licht terecht komt (kernschaduw)
Inhoud logboek / reflectief schrijven (optioneel)
- Een uitleg in eigen woorden van hoe schaduwen ontstaan, met een voorbeeld stralendiagram.
- De conclusies van het kringgesprek.
Practicum spiegels
Onderwerp: optica
Algemene beschrijving
Omschrijving
Bij dit practicum ontdekken leerlingen zelf de spiegelwet.
Leerdoelen
- Leerlingen kunnen het weerkaatsen van een lichtstraal weergeven in een stralendiagram.
- Leerlingen kunnen het verschil uitleggen tussen diffuse en spiegelende reflectie.
- Leerlingen kunnen de hoek van inval en de hoek van terugkaatsing aanwijzen in een stralendiagram en in een werkelijke situatie.
- Leerlingen kunnen met een geodriehoek de hoek van inval en hoek van terugkaatsing meten.
- Leerlingen weten dat, bij spiegelende reflectie, de hoek van inval en hoek van terugkaatsing gelijk zijn aan elkaar en dat dit bekend staat als de spiegelwet.
Voorkennis
- Leerlingen kunnen zich lichtstralen voorstellen als een stroom deeltjes die kunnen weerkaatsen tegen voorwerpen.
- Leerlingen kunnen lichtstralen weergeven in een stralendiagram.
Benodigdheden
Voor de demo vooraf
- Een laser
- Een demonstratiespiegel
- Een whiteboard
Voor het practicum
- Lichtkastje met enkele lichtspleet
- Spanningskastje + twee snoeren
- Geodriehoek
Klassikale introductie van het practicum
- Deel de groep op in groepjes van 3. Geef iedere groep een whiteboard en stiften met verschillende kleuren.
- Laat de leerlingen zien hoe een laserstraal weerkaatst tegen een whiteboard en tegen een spiegel. Vraag de leerlingen het verschil te benoemen. Vraag leerlingen wie de stip kan zien op het whiteboard (iedereen!) en wat dat betekent voor de lichtstralen die bij het bord vandaan gaan (die moeten in alle richtingen gaan).
- Vraag leerlingen hoe een muur de laserstraal zal weerkaatsen. Lijkt het meer op hoe het whiteboard lichtstralen weerkaatst of op de spiegel (lijkt meer op het whiteboard). Vraag leerlingen om verschillen te benoemen en verklaren tussen hoe de muur en het whiteboard weerkaatst (op de muur is de stip iets minder helder. Dit komt door de kleur: een deel van het licht wordt door de muur geabsorbeerd).
- Vraag de leerlingen om beide situaties weer te geven in een stralendiagram. Laat de borden aan de randen van het lokaal zetten, zodat iedereen alle whiteboards kan zien.
- Bespreek de stralendiagrammen. Werk toe naar de conclusie dat een spiegel een lichtstraal in één richting weerkaatst (spiegelende reflectie) en dat andere voorwerpen lichtstralen in alle richtingen (diffuse reflectie).
- Vaak zien leerlingen wel een vage stip op de spiegel. Vraag de leerlingen hoe dat kan. Werk toe naar een conclusie dat een ‘ideale’ spiegel dat niet doet. Spreek af dat we in opgaven voortaan uit gaan dat een spiegel ‘ideaal’ is.
- Brainstorm met de leerlingen: hoe kunnen we met een getal vastleggen in welke richting een lichtstraal loopt? (De hoek meten). Ten opzichte waarvan moet de hoek worden gemeten. (Hier kan je twee kanten mee op: als je hierna nog kromme spiegels gaat doen kan je accepteren dat de leerlingen de hoek ten opzichte van het oppervlak van de spiegel willen meten. Zodra je kromme spiegels gaat doen wordt vanzelf duidelijk dat dat niet handig is. Als je alleen vlakke spiegels behandelt, bespreek het dan als een conventie om de hoek ten opzicht van de normaallijn te meten). Introduceer de begrippen normaallijn, hoek van inval en hoek van terugkaatsing.
- Het is de moeite waard om op dit punt even te peilen hoeveel ervaring leerlingen hebben met het opmeten van hoeken bij wiskunde. Mogelijk moet er nog even geoefend worden. Doe voor hoe ze hun geodriehoek moeten houden om de juiste hoek te meten. Dit kan snel met een willekeurig figuur met een lichtstraal, bijvoorbeeld uit het natuurkundeboek.
- De leerlingen krijgen de opdracht om het verband tussen de hoek van inval en de hoek van terugkaatsing te onderzoeken. Geef niet te veel instructie over hoe ze dit moeten doen. Geef wel aan dat ze hun metingen in een datatabel moeten zetten (zet een lege tabel op het bord als voorbeeld). Je kan ervoor kiezen om ze een grafiek te laten maken van deze metingen. Leerlingen zullen namelijk nog wel eens afwijkende metingen hebben, waarbij de hoeken niet helemaal gelijk zijn aan elkaar. Dit geeft een mooie gelegenheid om te bespreken hoe de lijn van de grafiek getekend moet worden: van punt naar punt of een rechte lijn tussen de punten door.
- Demonstreer de werking van het lichtkastje en hoe je daar een zo smal mogelijke straal mee kan maken.
- Vraag leerlingen een whiteboard op te maken met daarop:
- Namen
- Titel (de onderzoeksvraag)
- Beschrijving van hoe er is gemeten (methode)
- Meettabel
- Grafiek (optioneel)
Uitvoering
- De leerlingen moeten zoveel mogelijk zelf uitzoeken hoe ze de metingen uitvoeren.
- Hou hierbij wel in de gaten hoe ze hun geodriehoek aflezen.
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
Klassenorganisatie
- Het maken en bespreken van de whiteboards kan eventueel de volgende les worden gedaan. Laat in dat geval de leerlingen de tabel en grafiek in hun schrift maken.
Inhoud kringgesprek
- Laat leerlingen benoemen wat hetzelfde is op alle borden en welke verschillen er zijn. Verschillen kunnen zijn:
- Sommige hebben de hoeken steeds exact gelijk, anderen net niet.
- (Als grafiek gevraagd is) sommigen zullen de grafiek van punt naar punt tekenen, anderen tekenen een rechte lijn.
- Sommigen zullen hoek van inval op de x-as hebben staan, anderen de hoek van terugkaatsing.
- Vraag de leerlingen of het punt (0,0) mee doet: verwacht je dat als de hoek van inval 0° is dat de hoek van terugkaatsing ook 0° is?
- Vraag wie denkt dat de hoeken écht gelijk zijn en wie denkt dat het toeval is.
- Vraag hoe de grafiek er uit zou moeten zien als de hoeken echt gelijk zijn.
- Bespreek wat het doel is van het tekenen van de lijn van een grafiek. Stuur naar een conclusie dat de lijn laat zien hoe je denkt dat de metingen écht moeten zijn (in een situatie zonder meetfout). Dan past het dus beter om een rechte lijn te tekenen. Omdat de lijn dus niet is wat we hebben gemeten, maar aangeeft wat wij denken dat de meting zou moeten zijn, noemen we de lijn een model. Benadruk dit: het is belangrijk dat leerlingen beseffen dat natuurkunde doen neer komt op modellen maken.
- Laat de leerlingen onder woorden brengen wat voor verband er bestaat tussen hoek van inval en hoek van terugkaatsing. Benoem dat deze bekend staat als de spiegelwet. Introduceer een wiskundige manier om dit op te schrijven: ∠i = ∠t
Inhoud logboek / reflectief schrijven (optioneel)
- De spiegelwet in woorden, in symbolen (∠i = ∠t) en eventueel als geschetste grafiek.
- De betekenis van de begrippen normaal, hoek van inval en hoek van terugkaatsing.
- De afspraak dat i en t ten opzichte van de normaal worden getekend.
- Eventueel kunnen de leerlingen afspraken over het maken van grafieken noteren.
Voorbeeld resultaten
|
Hoek van inval (°)
|
Hoek van terugkaatsing (°)
|
|
20
|
21
|
|
40
|
40
|
|
60
|
59
|
|
80
|
78
|
8. Stoffen en materialen
Practicum Warmtetransport
Warmteoverdracht
2 lessen voor onderbouw vmbo en havo/vwo
Warmteoverdracht is een practicum dat start met een elementaire oefening in het meten van temperatuur en tijd in een afkoelingsproces en dat eindigt met een open onderzoek naar effecten van isolatie. Nuttig voor de energietransitie! Het practicum werd ontwikkeld voor onderbouw vmbo maar is ook productief gebruikt voor andere onderwijsvormen. Het werd ook gepubliceerd in de School Science Review (VK) in 1987.
Het eerste deel van het practicum is een kookboekachtige oefening in meten en gegevensverwerking. Het tweede deel is open met veel ruimte voor leerlingideeën. Opdracht 3 is een isolatieopdracht nog zonder theorie. Verolgens worden de begrippen stroming, straling, en geleiding uitgelegd en dan volgt isloatieopdracht 4 waarin leerlingen vrij zijn om op wat voor manier dan ook isolatie aan te brengen en experimenteel te toetsen, maar waarin ze wel heen-en-weer moeten denken tussen het theoretisch model (stroming, straling, geleiding, deeltjes) en hun isolatiemethode.
Uiteindelijk zijn de isolatieopstellingen vaak zo goed dat er soortelijke warmten mee kunnen worden gemeten. Dat kan dan een volgend practicum zijn waarbij dan de nadruk ligt op zorgvuldig meten en rekenen.
Practicum Warmteoverdracht Leerlingwerkblad
Een practicum voor onderbouw vmbo/havo/vwo
Introductie
Thuis verwarmen we vaak vloeistoffen zoals water voor thee of koffie. Soms hebben we haast en is onze thee of koffie te warm om te drinken. Vervolgens proberen we het af te koelen door te roeren of te blazen. Op andere momenten willen we onze koffie zo lang mogelijk warm houden en doen we een soort deksel op onze koffiepot of gebruiken we een thermosfles. In een reeks activiteiten gaan we enkele methoden bedenken om vloeistoffen af te koelen of warm te houden, en we gaan zien hoe goed deze methoden werken.
Materialen
Per groepje van 2 of 3 leerlingen: 2 glazen van 250 ml, 1 bekerglas van 500 ml, 2 thermometers van 0 – 100 oC, stopwatch of eigen telefoon.
Algemeen materiaal voorin de klas verkrijgbaar: thermosflessen met heet water en elektrische waterkoker, isolatiematerialen zoals handdoeken, karton, piepschuim, katoen, aluminiumfolie.
Experiment 1
Vul met heet water uit de thermoskan twee identieke glazen tot ze elk voor de helft vol zijn. Label het ene glas A en het andere glas B. Wees voorzichtig, het water is HEET. Plaats een thermometer in elk glas en registreer gedurende zeven minuten elke 30 seconden de temperatuur van elk glas. Noteer je resultaten in tabel 1.
Vragen
- Koelt het water in de twee glazen even snel af? Waarom wel of waarom niet?
- Kun je, om vraag 1 te beantwoorden, de begin- en eindtemperaturen gebruiken in plaats van alle gegevens?
- Gebruik Excel om grafieken te maken van temperatuur A en temperatuur B versus de tijd.
- Is de afkoelsnelheid constant of verandert deze in de loop van de tijd?
- Kun je alleen de eindtemperatuur gebruiken om bovenstaande vraag te beantwoorden? Waarom of waarom niet?
- Waarom is het nuttig om elke halve minuut de temperatuur te registreren?
- Als we glas A vullen met water zodat het vol is en glas B zodat het halfvol is, welke zal dan sneller afkoelen? Waarom?
(Als je tijd over hebt, doe dan dit experiment om je voorspelling te controleren).
Experiment 2 (alleen vmbo)
Versnelt roeren het afkoelen van een kopje water? Ontwerp een experiment om te controleren of roeren het afkoelen versnelt. Controleer je plannen met de docent en voer je experiment uit. Je kunt voorzichtig roeren met je thermometer. Noteer je resultaten in Tabel 2.
(Alternatief: zou een deksel het afkoelen sterk vertragen? Ontwerp een experiment om dat te onderzoeken.)
Beschrijf hier je experiment in een schets:
Vragen
- Waarom kun je hier voor B het beste een ongeroerd glas gebruiken?
- Gebruik Excel om grafieken te maken.
- Denk je dat roeren het afkoelen versnelt? Gebruik je metingen om je antwoord te ondersteunen.
- Zal het soort roerstaafje een verschil maken? Zou roeren met een lepel een ander resultaat geven dan roeren met de thermometer? Leg uit.
- Wat zou voor een betere koeling zorgen: van de bodem naar de bovenkant van het kopje roeren (het onderste water naar boven brengen) of in cirkels roeren (het water laten rondstromen)? Waarom?
Experiment 3
In eerdere experimenten onderzochten we het koelen van twee glazen water en de invloed van roeren op het afkoelen van heet water. In dit experiment gaan we manieren bedenken om warm water zo lang mogelijk warm te houden. Bedenk een manier om water warm te houden en beschrijf een experiment om jouw methode te testen. Neem contact op met je docent voordat je je experiment uitvoert.
Beschrijf hier je experiment met een tekening.
Noteer je gegevens in een geschikte tabel.
Vragen
- Als je twee kopjes of glazen gebruikte, was de temperatuurdaling dan voor beide hetzelfde?
- Heeft jouw manier om het water langer warm te houden gewerkt?
- Als iemand jouw experiment zou willen kopiëren en het ene glas dicht bij een open raam zou zetten en het andere glas weg van het raam, zou dat dan een eerlijk experiment zijn? Waarom of waarom niet?
- Waarom is het beter om een glas te gebruiken dat je niet isoleert, naast het glas dat in dit experiment wel geïsoleerd is?
- Leg je experimentele resultaten uit.
- Wat zijn de bronnen van onnauwkeurigheden in dit experiment? Hoe kunnen deze bronnen van onnauwkeurigheid onder controle worden gehouden als je jouw experiment zou aanpassen en het opnieuw zou doen?
- Welke nieuwe vragen heeft dit experiment bij je opgeroepen?
- Beschrijf de manieren waarop warmte-energie je glazen verlaat om uit te leggen waarom de temperatuur van water daalt. Welke mechanismen of modellen kun je identificeren die ons kunnen helpen begrijpen hoe warmte-energie uit de glazen gaat, waardoor de temperatuur daalt?
Intermezzo theorie: hoe werkt warmteoverdracht?
In alle voorgaande experimenten werd het water na enige tijd koud, de warmte-energie verplaatste zich van het hete water naar de koudere omgeving. In de natuurkunde zijn er drie manieren waarop warmte van de ene plaats naar de andere kan bewegen (overdracht):
Geleiding:
Bij warmteoverdracht door geleiding wordt de warmte-energie van het ene molecuul doorgegeven aan het aangrenzende molecuul, dat op zijn beurt de warmte-energie doorgeeft aan het buurmolecuul. Wanneer we bijvoorbeeld één kant van een metalen staaf in een vlam verwarmen, wordt de warmte-energie van molecuul naar molecuul doorgegeven totdat deze de andere kant van de staaf bereikt. Merk op dat de moleculen zelf niet van hun plaats komen, alleen de warmte-energie verplaatst zich.
In sommige materialen, zoals metalen, kan de warmte gemakkelijk van het ene molecuul naar het andere worden verplaatst. In andere materialen zoals papier, textiel, piepschuim, en plastic kan de warmte zich niet gemakkelijk op deze manier verplaatsen.
Convectie:
Bij warmteoverdracht door convectie beweegt de warmte-energie mee met de moleculen. De moleculen bewegen van de ene plaats naar de andere en nemen de warmte-energie mee. Wanneer we bijvoorbeeld water in een pan verwarmen, verplaatsen de ‘hete’ watermoleculen aan de onderkant van de pan zich naar koelere plaatsen, waarbij ze de warmte- energie meenemen en deze afgeven aan koelere watermoleculen, waardoor al het water wordt verwarmd. Merk op dat bij convectie de moleculen van de warmere naar de koelere plaats bewegen, terwijl bij geleiding alleen de warmte-energie zich verplaatst en de moleculen op hun plaats blijven. Convectie kan alleen plaatsvinden in gassen en vloeistoffen, niet in vaste stoffen. (Waarom?)
Straling:
Bij warmteoverdracht door straling wordt de warmte-energie net als lichtenergie overgedragen. De warmte wordt uitgestraald als warmtestralen (zoals lichtstralen) van een warme plaats naar een koelere plaats. Op deze manier kan warmte-energie door een vacuüm bewegen, er zijn geen moleculen nodig om energie over te dragen. De warmte-energie van de zon verplaatst zich bijvoorbeeld door de ruimte naar de aarde door middel van straling. Warmtestraling kan worden gereflecteerd door metalen spiegels.
Naast deze belangrijkste manieren van warmteoverdracht is er nog een andere manier waarop warmte-energie kan bewegen, hoewel dit als een speciaal geval van convectie kan worden beschouwd. Wanneer vloeibaar water verdampt, absorbeert een molecuul veel energie en wordt het stoom. Wanneer de stoom een koud oppervlak raakt, geeft het zijn warmte-energie af en wordt het weer vloeibaar. Dit proces zou warmteoverdracht door verdamping en condensatie kunnen worden genoemd.
Experiment 4
Probeer met de hierboven gegeven informatie over warmteoverdracht een betere manier te bedenken om water zo lang mogelijk warm te houden. Denk goed na over hoe je warmteverlies via elk van de hierboven genoemde processen van warmteoverdracht kunt voorkomen. Voer vervolgens een experiment uit om je methode te testen en noteer de resultaten in een tabel.
Practicum Verdamping en Condensatie met Concept Cartoon
Beschrijving
Dit is een onderzoeksactiviteit voor leerlingen uit groep 7 of 8 primair onderwijs en onderbouw voortgezet onderwijs. Een glas water met ijsklontjes of een glas water direct uit de ijskast wordt op tafel gezet. De buitenkant wordt nat. Waarom? De verklaringen in de cartoon inspireren leerlingen tot discussie en onderzoek, maar leerlingen kunnen ook eigen verklaringen verzinnen en onderzoeken. Dat onderzoek kan alle kanten opgaan, maar de modeldidactiek whiteboards kunnen helpen om daar zicht op te houden en faciliteren discussie tussen groepjes en de docent.
Domeinen
(Leeftijd: 10 – 16 jaar): faseovergangen, temperatuur, deeltjes, onderzoek/ontwerp vaardigheden.
Voorkennis
Geen
Figuur 1 Concept cartoon over condensatie (Naylor & Keogh 2010).
Leerdoelen (inhoud)
- Leerlingen kunnen uitleggen wat er gebeurt bij condenseren en verdampen met een simpel deeltjes model en kunnen voorbeelden geven uit het dagelijks leven.
Leerdoelen (vaardigheden)
- Leerlingen kunnen een plan bedenken om een uitspraak te verifiëren en falsifiëren en gebruiken daarbij een controle experiment.
- Leerlingen voeren het plan gedisciplineerd en stap-voor-stap uit.
- Leerlingen formuleren een redelijke conclusie.
- Leerlingen suggereren verbeteringen in het eigen experiment.
Benodigdheden
- glazen
- ijsblokjes
- koud water in kan, thermosfles of plastic fles uit de ijskast
- heet water in thermosfles of uit een waterkoker
- maatbeker, of maatcilinder
- nauwkeurige weegschaal
- wat extra materialen die leerlingen zouden kunnen gebruiken en die hun creativiteit kunnen inspireren zoals oude kranten, plastic, deksels voor de glazen (bv schotels), plastic of metalen bekers, isolatiemateriaal.
Introductie van het practicum en uitvoering
- Klassikaal: De docent haalt een glas koud water uit de ijskast. Zeer snel vormt zich condens op de buitenkant van het glas. Hoe komt dat? Waarschijnlijk kennen de leerlingen het verschijnsel al en weten sommige leerlingen misschien heel zeker hoe het komt. In de praktijk blijkt dat geen probleem te zijn in deze activiteit omdat de nadruk ligt op het verzamelen van bewijsmateriaal voor en tegen de verschillende standpunten.
- Klassikaal of in de groepjes: Laat leerlingen even praten over wie er gelijk zou kunnen hebben in de cartoon en waarom. Zijn er ook andere mogelijke antwoorden?
- Groepjes: Verdeel nu de leerlingen in random groepjes van 3 of hooguit 4 leerlingen met de opdracht een experiment te bedenken. Ze doen dat aan de hand van vragen op het planning werkblad maar noteren antwoorden links op het whiteboard. Zie leerling versie.
- Groepjes: organiseren zichzelf, bijvoorbeeld 1 leerling per groepje haalt de spullen die ze denken nodig te hebben, een andere leerling ontfermt zich over verslaggeving (zie organisatie).
- Groepjes: leerlingen voeren hun experiment uit en noteren observaties en conclusie rechts op het whiteboard. De leerkracht/docent loopt rond, observeert, luistert, stelt vragen.
Klassikale post-lab discussie
De whiteboards en een rondgang door de klas tijdens het experimenteren helpen de docent een didactisch slim pad te kiezen door de whiteboard presentaties. Daarbij zijn er twee aandachtspunten: 1) wat hebben we geleerd over verdamping en condensatie (conceptueel), en 2) wat hebben we geleerd over experimenteren en de kwaliteit van bewijsmateriaal.
Organisatie
- In modeldidactiek werken we meestal met random groepjes van 3 of 4 leerlingen.
- Bij grote klassen in het primair onderwijs is het vaak handig te werken met een taakverdeling in de groep (coöperatief leren): 1 leerling zorgt voor de spullen, 1 leerling noteert resultaten op het whiteboard, 1 leerling houdt in de gaten dat het plan wordt gevolgd (andere taakverdelingen zijn mogelijk). De taakverdeling rouleert een volgende keer.
Tips
Het ligt voor de hand om in de einddiscussie eerst in te gaan op experimenten die rechtstreeks verband houden met de uitspraken in de cartoon. Dan conclusie formuleren en daarna wat hebben we nog meer geleerd over het verschijnsel condenseren. Vervolgens een discussie over de kwaliteit van experimenten en bewijsmateriaal. Wat zou je een volgende keer anders doen?
Ervaringen
Bij deze activiteit blijkt de drempel naar onderzoek heel laag te zijn. Leerlingen, maar ook workshops met leerkrachten of docenten, hebben er vertrouwen in dat ze dit wel kunnen en ze leren ook onderweg. De eerste groep kinderen (groep 7 & 8) rende meteen enthousiast weg om spullen te zoeken die ze dachten nodig te hebben, zonder enig nadenken. Vandaar de introductie van een planning worksheet om dat nadenken af te dwingen. In de basisschool hebben we in het werken met concept cartoons (ook andere cartoons) vaak de start discussie en planning van een experiment gedaan tegen het eind van de vorige les om dan de volgende les met experimenteren te beginnen. Bijkomend voordeel is dat er gezorgd kan worden voor eventuele extra materialen.
Natuurkunde van condensatie (voor docenten/leerkrachten van andere vakken)
- IJs, water, en waterdamp bestaan uit watermoleculen (H2O). Die moleculen zitten strak aan elkaar vast (ijs), of trekken elkaar sterk aan maar kunnen wel vrij bewegen (water) of bewegen zo snel vanwege de temperatuur dat ze elkaars’ aantrekkingskracht niet of nauwelijks voelen en zich verspreiden over een grote ruimte (waterdamp). Wanneer die snel bewegende waterdamp moleculen tegen een koud oppervlak aankomen (zoals de buitenkant van een glas ijswater), dan verliezen ze snelheid en condenseren ze vervolgens door de onderlinge aantrekkingskracht tot waterdruppels. Dat is wat er aan de buitenkant van een glas ijswater gebeurt. Waterdampmoleculen uit de lucht condenseren tot druppels.
- Bij een glas heet water zie je ook condensatie op het glas, maar dan op de binnenkant boven het water. Er vindt verdamping plaats, de damp komt tegen de koudere binnenrand van het glas en condenseert weer tot water. In het begin is het temperatuurverschil van onderste deel van het glas dat in contact is met het hete water, en het bovenste deel (geen water) heel duidelijk te voelen. De binnenrand van het glas is dus kouder dan de waterdamp van het hete water. Resultaat …… dampvorming tegen de binnenrand.
- De drie aggregatietoestanden zijn al genoemd: IJs (vast), water (vloeibaar), waterdamp (gas). Om van de een naar de ander te gaan is energie nodig. Verdampen gebeurt bij elke temperatuur. Bij elke temperatuur kunnen moleculen aan het oppervlak toevallig wat extra energie op doen en ontsnappen uit de vloeistof (verdampen). Het verschil met koken is dat bij koken verdamping overal in de vloeistof plaatsvindt en niet alleen aan het oppervlak. Dat koken gebeurt bij een heel specifieke temperatuur (water 100 oC) terwijl verdamping bij elke temperatuur plaatsvindt. De was droogt ook in de winter al kan het langer duren.
- Emma uit groep 6 (!) suggereerde na enkele experimenten die anders uitkwamen dan ze voorspeld had, dat als adem tegen een kouder oppervlak komt, er condens ontstaat. Maar als adem tegen een warmer oppervlak aankomt, dan ontstaat er geen condens. En dat klopt! Als er een hoge graad van verzadiging is, zoals waterdamp in adem, dan vindt condensatie plaats tegen elk voorwerp dat een lagere temperatuur heeft dan de damp, dus bij adem een lagere temperatuur dan 37 graden.
- In het glas met heet water besloeg de binnenkant van het glas. Bij heet water vindt veel verdamping plaats en wordt veel damp gevormd. Als de wand van het glas die boven het water uitsteekt toch kouder is dan die waterdamp, dan gaat het daarop condenseren.
Mogelijke experimenten (zie ook tabel 1)
In onze lessen kwamen we o.a. de volgende experimenten tegen:
- Als het water uit de lucht komt, dan zou het glas zwaarder moeten worden. Glas direct uit de ijskast op een weegschaal zetten en zien wat er gebeurt. Wordt het glas zwaarder? Komt het vocht aan de buitenkant van het glas van buiten of van binnen het glas? Het moet een nauwkeurige weegschaal zijn want het gaat om druppels. Deksel op het glas om verdamping te voorkomen.
- Je kunt ook ademen op het glas en zien wat er dan gebeurt, ook dan wordt het nat en de adem komt duidelijk van buiten het glas. Maar is massatoename te meten?
- Emma (10 of 11 jaar in een plus klas) stelde voor om te zien of adem op de buitenkant van een glas heet water ook condenseert. Nee dus. Ze concludeerde: als waterdamp tegen iets aankomt dat kouder is (kouder dan de damp), dan condenseert het. Dus adem op een glas water met kamertemperatuur en er is condensatie. Adem uit op een glas water van 40 of 50 graden en je krijgt geen condensatie van waterdamp in adem.
- Dit is een schitterend idee. In werkelijkheid is het als volgt: lucht kan per liter een bepaalde hoeveelheid waterdamp bevatten. Die hoeveelheid is afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperatuur kan lucht meer waterdamp bevatten dan bij lagere temperatuur. Als vochtige lucht afkoelt, dan zal er dus waterdamp uit moeten en die condenseert dan. Dat gebeurt als warmere vochtige lucht tegen iets aankomt dat kouder is. Om het nog ingewikkelder te maken spreken we over verzadigde lucht als de hoeveelheid waterdamp maximaal is en over onverzadigde lucht als er bij die temperatuur nog wel meer waterdamp bij kan.
- Als (volgens leerlingen) ijs aan de buitenkant van het glas gesmolten zou zijn: doe een deksel op het glas. Wordt de buitenkant nu nog nat?
- Als water (volgens leerlingen) door het glas lekt, dan zou het waterniveau in het glas moeten dalen. Is dat zo? Neem bv een maatbeker of maatcilinder. Laat eerst zien dat die ook van buiten nat wordt. Doe dan een experiment waarbij de maatcilinder met koud water + ijs wordt gevuld en zie of het waterniveau naar beneden gaat bij condensatievorming op de buitenkant. Een handiger experiment is gewoon een deksel op het glas te zetten en kijken of condensatievorming wel of niet gebeurt.
- Luca en Lloyd (10 jaar) voorspelden dat het waterniveau zou stijgen want ijs wordt water en in het begin steekt het ijs eruit. Dus hun experiment was de eigen voorspelling van stijging van water versus Bea’s voorspelling dat het waterniveau zou dalen. Maar het waterniveau stijgt niet, klasgenoot Joost herinnerde zich dat ijs een kleiner volume aanneemt wanneer het water wordt.
- Als water door het glas lekt: neem een glas van ander materiaal, probeer diverse materialen (bij sommige isolerende materialen zoals piepschuim zal condensvorming aan de buitenkant minder zijn doordat de buitenkant misschien niet koud genoeg is).
- Als waterdamp uit de lucht condenseert: breng het koude glas in een zeer droge omgeving, bv een gesloten doos met silicakristallen die vocht absorberen. Is er nu nog condensvorming op de buitenkant? Eventueel vochtigheid met hygrometer controleren.
- Doet een koud glas zonder water het ook? Ja met adem, maar niet met waterdamp op kamertemperatuur. Maar zie commentaar over warmtecapaciteit hieronder al zal dat een stap te ver zijn voor een deel van de leerlingen.
- Verkennen van het verschijnsel: experimenteren met andere materialen en bv ook met de Starbucks beker met dubbele isolatie. Nou dat is een mooi model voor dubbele ramen!
- Verkennen van het verschijnsel: Zou het ook met andere koude vloeistoffen kunnen? Neem een flesje schoonmaak alcohol (gedenatureerde alcohol 96% van Etos) en laat het ’s nachts in de ijskast staan en haal het eruit. Komen er druppels op de buitenkant? Of schenk het in een glas en doe er ijsklontjes in, komen er druppels op de buitenkant? N.B. de ijsklontjes zullen niet drijven maar zinken in alcohol!
- Joost en Rosa stelden voor het glas in plastic te verpakken. Ze voorspelden dat er nu water gevormd zou worden aan de buitenkant van het plastic en niet tussen het plastic en het glas. Ze gebruikten bubbelplastic. Ze vonden dat de buitenkant droog en warm aanvoelde terwijl de binnenkant van het plastic (dat tegen het glas zat) koud en nat was.
Tabel 1: Nog meer mogelijke experimenten
|
Experiment
|
Vraag
|
Verwacht resultaat
|
|
 
Koud koud met deksel
|
Wordt de buitenkant ook nat als je een deksel gebruikt? Bv, als Judith gelijk heeft, dan zou de buitenkant nog steeds nat worden.
|
Beide glazen beslaan
|
|
Koud warm
|
Wordt de buitenkant ook nat bij warm water, warmer dan de omgevingstemperatuur?
|
Het glas met warm water zal niet nat worden aan de buitenkant. Als het water echt heel warm is, dan beslaat het glas aan de binnenkant.
|
|
Koud koud
geïsoleerd
|
Als je het glas goed isoleert met bv papier/karton/watten, wordt de buitenkant dan nog nat?
|
Het geïsoleerde glas wordt soms wel en soms niet nat aan de buitenkant, afhankelijk van de kwaliteit van isolatie en hoeveel lucht er nog tussen glas en isolatie zit. Het kan zelfs extra nat worden want vanwege de isolatie verdampt de condens niet gemakkelijk opnieuw.
|
|
Olie water
Koud koud
|
Hangt het van de vloeistof af of de buitenkant van het glas nat wordt?
|
Nee, beide glazen worden nat aan de buitenkant. Wel zal het effect bij water sterker zijn vanwege de grotere soortelijke warmte van water.
|
|
Water metaal
Koud koud
|
Is er ook condensatie bij vaste voorwerpen, bv koud metaal?
|
Ja, ook het metaal wordt nat als het maar koud is, bv metaal uit de ijskast halen en afdrogen en dan neerzetten.
|
|
Beide glazen water kamertemperatuur
Geen adem
adem
|
Kan een glas met water op kamertemperatuur beslaan als je erop ademt?
|
Ja, het glas met de adem beslaat, het andere glas niet of langzamer (met waterdamp uit de lucht om het glas).
|
|
Water water
kamer heet
temperatuur
|
Als je ademt op glazen met water op kamertemperatuur en heet water, beslaan de glazen?
|
Glas met kamertemperatuur beslaat, glas met heet water beslaat niet aan de buitenkant, maar alleen aan de binnenkant door verdamping en condensatie van het hete water.
|
|
|
Een simpele verklaring die voor alle situaties opgaat: als vochtige lucht langs een kouder oppervlak (kouder dan de lucht) gaat, dan beslaat het oppervlak. Als vochtige lucht langs een even warm of warmer oppervlak gaat, dan beslaat het niet, dan is er geen condensatie.
|
Practicum dichtheid
Onderwerp: Stoffen en materialen
Omschrijving
In dit practicum zien leerlingen dat de verhouding tussen de massa en het volume van een stof altijd hetzelfde blijft. In deze vorm kan het practicum begin 2e klas worden gegeven. Als de leerlingen al wat verder zijn kunnen ze zelf een formule opstellen.
Leerdoelen
- Kennismaken met het bestaan van intrinsieke variabelen zoals materiaaleigenschappen die onafhankelijk zijn van de hoeveelheid materie (m, V) ondanks dat m en of V kunnen voorkomen in de formule. (andere voorbeelden zijn T en g).
- Het kunnen maken van goede meettabellen en grafieken.
- Inzien dat, bij een grafiek die een rechte lijn door de oorsprong is, de verhouding tussen de grootheden op de as altijd hetzelfde is.
- Eventueel: het op kunnen stellen van een formule bij een grafiek die een rechte lijn door de oorsprong is.
Voorkennis
- Het begrip stofeigenschap (= eigenschap van een stof waaraan je een stof kan herkennen) moet zijn geïntroduceerd.
- Fijn als leerlingen al ervaring hebben met het maken van meettabellen, grafieken en formules, maar niet noodzakelijk.
Benodigdheden
- Blokjes van verschillende materialen met een dichtheid groter dan 1 g/cm3, gesorteerd op soort materiaal. Minstens 5 van iedere materiaalsoort. Liefst hebben de blokjes massa’s die onderling flink verschillen. Als je dat niet hebt, kun je ook werken met blokjes die dezelfde massa hebben. In dat geval meten de leerlingen achtereenvolgens de massa’s en volumes van meerdere blokjes tegelijk (dus eerst van één blokje, dan van twee samen, dan van drie, enzovoort).
- Maatcilinders met water. Het volume moet voldoende zijn om 5 blokjes in onder te kunnen dompelen.
- Elektronische weegschalen.
- Whiteboards en toebehoren.
Klassikale introductie van het practicum
- Herhaal kort wat we bedoelen met stofeigenschappen.
- Is massa van een stof een stofeigenschap? (Nee, want als je er meer van neemt is de massa anders, maar is het nog steeds dezelfde stof) Is volume van een stof een stofeigenschap? (Nee, om dezelfde reden).
- Is ijzer zwaarder dan hout? (Ja… of nee, wacht! Dat hangt ervan af hoeveel ijzer en hout je neemt).
- Hoe zou je de massa van ijzer dan kunnen vergelijken? (Je moet er evenveel van nemen). Dus hetzelfde volume? (Ja).
- Zou de massa per volume eenheid dan een stofeigenschap kunnen zijn? (Dat zou kunnen).
- Dan moeten we dus onderzoeken of de massa per volume eenheid niet verandert als je meer of minder van een stof neemt.
- Hoe meten we de massa van een stof? (Met de weegschaal). Als je werkt met blokjes van dezelfde massa, laat dan zien dat als je steeds maar één blokje op de weegschaal legt, dan de massa’s dan heel dicht bij elkaar liggen. Hoe zou je veel grotere verschillen is massa kunnen krijgen? (Leg meer blokjes op de weegschaal)
- Hoe meten we het volume van een blokje? (Lengte x breedte x hoogte). Laat een blokje zien dat geen balk is (Oh…). Lees het volume van water in een maatcilinder af, dompel het blokje onder en lees het nieuwe volume af. Waarom is het volume van het water gestegen? (Het blokje duwt het water weg). Kan ik hieraan misschien zien wat het volume van het blokje was? (Ja, het verschil tussen de twee volumes).
Uitvoering
- Je opdracht is om het verband tussen massa en volume van een stof te onderzoeken. Maak een meettabel en meet massa en volume van ieder blokje (of, als je met blokjes van dezelfde massa werkt, eerst van één blokje, dan van twee, enzovoort). Maak een m,V-grafiek.
- Spreek af om volume horizontaal te zetten. Dit kan je introduceren als een afspraak om te zorgen dat onze grafieken goed te vergelijken zijn. Aangezien je massa én volume bij aanvang van het proefje niet weet, voldoet de conventie om de onafhankelijke variabele horizontaal te zetten hier niet.
- Spreek ook af welke eenheden je gebruikt (g en cm3 of mL).
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning:
- Introductie practicum (10 minuten)
- Uitvoering (10 minuten)
- Opmaken whiteboard (5 minuten)
- Whiteboard bespreking (15 minuten)
Klassenorganisatie
- Laat de leerlingen in random groepjes van 3 werken.
- Laat de leerlingen eerst de proef uitwerken op papier. Pas als dat af is mogen ze een whiteboard pakken.
- Laat leerlingen de onderzoeksvraag (Wat is het verband tussen massa en volume van een stof?) en hun namen op het whiteboard vermelden, zodat duidelijk is wat ze doen en wie het doet.
Inhoud kringgesprek
- Wat is hetzelfde? Wat is verschillend?
- Lopen alle grafieken even steil? (Nee). Welke grafieken zijn steiler? (Stoffen als ijzer en koper). Welke gaan minder steil (kunststof en hout)
- Wat zegt de steilheid over de stof? (Of het een grote massa per volume heeft)
- Hoe kunnen we de steilheid vergelijken met een getal? (Bereken hoeveel de grafiek omhoog gaat per stap naar rechts. Gebruik eventueel de term richtingscoëfficiënt).
- Kennen we een naam voor dit getal? (Als ze hier niet zelf op komen, introduceer de term dichtheid).
- Kan ik dit getal ook uitrekenen met een ander punt? Probeer dat eens uit. De leerlingen vinden steeds hetzelfde getal.
Noteer dichtheid als verhouding: \(\rho=\frac{m}{V}\). Introduceer de symbolen (
- ρ
) en veelgebruikte eenheden (g/cm3 of kg/m3).
- Checkvraag: een ijzeren staaf wordt in twee delen gezaagd. Het volume van deel X is twee keer zo groot als het volume van deel Y. We vergelijken de dichtheid van X met de dichtheid van Y. Welke uitspraak is waar?
- De dichtheid van X is twee keer zo klein als die van Y.
- De dichtheid van X is gelijk aan die van Y
- De dichtheid van X is twee keer zo groot als die van Y.
Inhoud logboek (optioneel)
- De dichtheid als verhouding: \(\rho=\frac{m}{V}\)
- De betekenis van de symbolen en eenheden
Voorbeeld resultaten (optioneel)
Coach activiteit - Videometen treintje
