Deze activiteit is gebaseerd op het werk van Kelly O’shae. Twee hoverballen worden op gang getrokken met twee verschillende veren. De leerlingen moeten bedenken hoe ze er voor kunnen zorgen dat beide hoverballen dezelfde eindsnelheid bereiken. Ze komen er als snel achter dat, als beide veren dezelfde kracht uitoefenen, één van beide hoverballen veel sneller gaat. De oppervlakte onder de grafiek (de arbeid) blijkt een betere voorspeller voor de eindsnelheid.
Leerdoelen
Leerlingen zien dat als een voorwerp op gang wordt getrokken door een veer, de kracht op het moment van loslaten geen goede voorspeller is van de eindsnelheid..
Leerlingen zien dat de oppervlakte onder de F,u-grafiek wel een goede voorspeller is voor eindsnelheid.
Leerlingen kunnen de oppervlakte onder F,u- of F,s- grafieken gebruiken om uitspraken te doen over de eindsnelheid van voorwerpen met dezelfde massa.
Voorkennis
Leerlingen weten wat veerkracht is.
Leerlingen kunnen de Wet van Hooke toepassen.
Leerlingen hebben ervaring met het aflezen en interpreteren van grafieken.
Benodigdheden
Twee hoverballen met een paperclip aan de voorkant bevestigd.
Liniaal
Twee veren met een voldoende verschillende veerconstante (Ik gebruikte C = 3,5 N/m en C= 7,5 N/m)
Touwtjes voor aan de veren
F,u-grafieken van beide veren
Voorbereiding
Maak, van te voren, aan iedere veer een touwtje vast. Dit zorgt ervoor dat je de hoverball op gang kan trekken, zonder dat hij gelijk botst met de veer.
Het op gang trekken van één van de hoverballen vereist een beetje techniek. Oefen van te voren om de hoverballen op gang te trekken en er daarna voor te zorgen dat de bal geen last heeft van het touwtje of de veer. Dit kun je doen door de veer omhoog te trekken, zodat hij niet in de weg zit.
Maak van te voren twee F,u-grafieken in één diagram van beide veren.
Klassikale introductie van de demo
Demonstreer het op gang trekken van één hoverball. Laat duidelijk zien wat je doet om te zorgen dat de hoverball, na het op gang trekken, niet wordt gehinderd.
Instrueer een toa of leerling om twee hoverballen tegelijk op gang te kunnen trekken. Je kunt kiezen om beide veren even ver uit te rekken. Vraag de leerlingen wat ervoor zorgt dat beide ballen verschillende snelheden krijgen.
Deel de F,u-grafieken van beide veren uit.
Brainstorm: vraag de leerlingen met ideeën te komen voor een antwoord op de vraag hoe je ervoor kunt zorgen dat beide ballen dezelfde snelheid krijgen. Zorg dat ze in ieder geval noemen dat je met de grafiek kan kijken bij welke uitrekking beide veren met dezelfde kracht trekken.
Probeer het idee uit. Vraag de leerlingen of het gelukt is (Nee! Eén bal is duidelijk sneller.)
Brainstorm: kijk of er nog nieuwe ideeën zijn. Zo niet, introduceer dan dat je uit een grafiek ook helling en oppervlakte onder de grafiek kan aflezen.
Vraag of het mogelijk is om voor beide veren een uitrekking te kiezen waarbij de twee grafieken dezelfde helling hebben (Nee! Beide grafieken hebben een verschillende helling en die helling verschilt niet bij verschillende uitrekkingen).
Vraag of het mogelijk is om voor beide veren een uitrekking te kiezen waarbij de oppervlakte tussen F= 0 en de grafiek hetzelfde is (Ja, dit is mogelijk).
Kies een uitrekking voor één veer en vraag de leerlingen om de oppervlakte onder de grafiek van deze veer te bepalen. Laat ze daarna een uitrekking zoeken voor de andere grafiek, waarbij de oppervlakte onder deze grafiek (ongeveer) hetzelfde is. Als je een bovenbouw klas hebt kun je eventueel kijken of leerlingen dit exact op kunnen lossen. Laat ze de uitrekking die ze vinden rapporteren via (kleine) whiteboards of door hun meting op het bord te schrijven.
Voer de proef opnieuw uit met de uitrekkingen die de leerlingen hebben gevonden. Neem eventueel een gemiddelde voor hogere nauwkeurigheid. Als het goed is krijgen beide hoverballen nu (ongeveer) dezelfde snelheid.
Bespreek met de leerlingen welke conclusie we nu kunnen trekken. Werk toe naar een conclusie als ‘Bij gelijke oppervlakte onder een F,u-grafiek krijgen dezelfde voorwerpen ook dezelfde eindsnelheid’
Benadruk dat deze oppervlakte iets belangrijks moet zijn. Bepaal de eenheid van de oppervlakte (N·m) en benoem dat dit ook wel de Joule J wordt genoemd. Het woord energie hoef je nog niet te gebruiken, maar soms komen de leerlingen er zelf mee.
Vraag de leerlingen om met een algemene formule te komen voor het berekenen van arbeid voor veren ()
Vraag de leerlingen hoe de grafiek moet worden veranderd als de arbeid niet door een veer wordt uitgeoefend, maar door een motortje die een constante kracht geeft (de grafiek wordt nu een horizontale lijn. De moet worden vervangen door afgelegde weg ).
Vraag leerlingen met een algemene formule te komen voor het berekenen van arbeid bij een constante kracht ().
Uitvoering
Laat leerlingen reflectief schrijven over deze opdracht (5 minuten)
Indien de tijd het toelaat is dit een goed moment om ze opdrachten te geven waarbij ze uitspraken moeten doen over wat arbeid doet met snelheid. Een voorbeeld van zulke opgaven zijn te vinden in het bijgevoegde werkblad. Leerlingen kunnen eerst individueel de opdrachten maken. Daarna deel je de klas op in groepjes en vraag je ieder groepje om één van de opdrachten uit te werken.
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning: Twee lessen van 50 minuten
Les 1
20 minuten: Introductie, uitproberen van ideeën t/m het idee van het gebruik van oppervlakte
5 minuten: zoeken van een uitrekking waarbij oppervlakten onder beide grafieken gelijk zijn.
10 minuten: uitproberen, formuleren van conclusies en komen tot formules
5 minuten: reflectief schrijven.
Les 2:
15 minuten: individueel werken aan opdrachten
10 minuten: uitwerken van één van de opdrachten is groepjes
5 minuten: gallery walk: laat leerlingen een post it met hun naam plakken op een bord waar ze een vraag over hebben.
15 minuten: laat een paar groepen hun borden presenteren. Hierbij kun je gaan voor de borden met de meeste post-its of voor een bord waar je zelf iets interessants gezien hebt.
)
moet worden vervangen door afgelegde weg 
).
).