In dit practicum gaan de leerlingen nadenken over de vraag wat energie is en waar in een systeem het zich kan bevinden. Dit gebeurt op basis van de tekst van Feynman. Hiermee wordt het idee geïntroduceerd dat energie iets is dat niet gemaakt of vernietigd kan worden, maar alleen op verschillende plekken kan worden opgeslagen. Aan de hand van simpele demonstraties worden die plekken onderzocht. De leerlingen leren verplaatsingen van energie te beschrijven met behulp van cirkeldiagrammen.
Leerdoelen
Leerlingen weten dat energie iets is dat niet kan worden gemaakt of vernietigd, alleen verplaatst.
Leerlingen kunnen voorbeelden geven van verschillende plekken waar energie kan worden opgeslagen in een systeem.
Leerlingen kunnen de energie in een systeem beschrijven met behulp van een cirkeldiagram.
Voorkennis
Leerlingen kunnen het krachtenmodel toepassen.
Leerlingen hebben kennis gemaakt en geoefend met het begrip arbeid (zie de les Demo Arbeid op een hoverbal).
Benodigdheden
Pingpongbal
Tennisbal
Bowlingbal
Veren met verschillende veerconstanten
Hoverbal
Klassikale introductie van het practicum
Herhaal kort het begrip arbeid (oppervlakte onder F,s-grafiek). Focus op de eenheid: de Newton·meter. Als je deze eenheid googled valt op dat het dezelfde eenheid is als de Joule. Waar kennen we deze eenheid van? (Van de achterkant van een pot pindakaas. Die laat zien hoeveel energie je uit pindakaas kan halen.)
Wat is energie precies? Doe een korte brainstorm.
Laat de leerlingen de tekst van Feynman lezen. Vraag daarna wat energie is volgens Feynman. Werk toe naar: iets dat je niet kan maken of vernietigen, alleen verplaatsen.
Wat is precies het verband met arbeid? Laat leerlingen nadenken over de volgende vraag: Een kar wordt versneld met een constante kracht van 20 N over een afstand van 2m. Hoeveel arbeid is er verricht op de kar? Hoeveel arbeid moet je verrichten op de kar om hem tot stilstand te brengen? (Precies evenveel). Waarom is dat? (eh….)
Stel het volgende voor: als je arbeid verricht wordt er energie opgeslagen in de kar. Zolang als de kar beweegt heeft de kar deze energie. Kunnen we dan begrijpen waarom je precies evenveel energie nodig hebt om hem tot stilstand te brengen? (Ja, alle energie moet er uit en dan staat hij stil).
Conclusie: hoe meer energie een voorwerp heeft, hoe moeilijker het is om het voorwerp af te remmen. Wat maakt het nog meer moeilijker om een voorwerp af te remmen? (Massa)
Laat het pingpongballetje zien. Loop naar een leerling en vraag of hij zich zorgen zou maken als je het balletje met 1 m/s tegen zijn hoofd zou gooien. Dat is ongeveer zo snel als je kan wandelen (Nee, niet echt). En als we het met 5 m/s doen? Dat is zo snel als je kan rennen (Mwoah….). En met 10 m/s? Dat is zo snel als je kan fietsen (Dat is niet echt prettig).
Vervang het pingpongballetje door een tennisbal. Stel dat je die met 5 m/s tegen je hoofd krijgt. Maak je je zorgen? (Niet echt).
Vervang het pingpongballetje door een bowlingbal. Maak je je nu zorgen (Ja!!!).
Conclusie: energie in een voorwerp hangt af van snelheid en massa. Dit noemen we bewegingsenergie of kinetische energie. Laat de leerlingen hiervan een aantekening maken. Dit kan in de bijgevoegde spiektabel (zie spiektabel.docx).
Hoe kwam de hoverbal aan zijn kinetische energie? (Die kreeg hij van de veer). Zit daar dan energie in? (Kennelijk). Hoe kan ik de hoeveelheid energie in een veer vergroten? (Meer uitrekken). Maakt het uit welke veer ik gebruik (Ja, want sommige zijn stugger).
Conclusie: energie in een veer hangt af van uitrekking en de veerconstante. Laat ook hiervan een aantekening maken.
Neem de tennisbal en hou die op 1m hoogte boven het hoofd van een leerling. Zou je je nu zorgen maken (Nee). En als hij van 5m hoogte op je hoofd zou vallen? (Iets meer). En vanaf 10m hoogte (Dat is niet fijn). Zou je je ook zorgen maken als we deze proef in de ruimte zouden doen? (Nee, dan valt hij niet).
Op welk punt in zijn valbeweging heeft de bal de meeste kinetische energie? (Helemaal onderaan, want daar gaat hij het snelst). Hoe komt hij daaraan? (Die krijgt hij doordat de zwaartekracht er aan trekt). Dus de zwaartekracht verricht arbeid? (Kennelijk). Waar komt die energie dan vandaan (eh….). Vraag de leerlingen zich voor te stellen dat er zich een onzichtbare veer bevindt tussen de aarde en het voorwerp. Waar zou de energie dan opgeslagen kunnen zitten? (In die veer).
Conclusie: energie kan worden opgeslagen in de ‘veer’ tussen de aarde en een voorwerp. Dit noemen we zwaarte-energie.
Leg de hoverbal op tafel en geef een duw, met de ventilator uit. Wat gebeurt er met de kinetische energie in de hoverball? (Die wordt minder). Waar blijft die energie dan? (Eh…..). Welke kracht is verantwoordelijk voor het afremmen (wrijving!).
Laat de leerlingen in hun handen wrijven. Vraag wat ze voelen (Mijn handen worden warm!). Hoe komt dat? (Deeltjes in mijn handen gaan sneller bewegen). Welke soort energie hoorde ook weer bij beweging? (Kinetische energie!). Gebeurt dit ook bij de hoverbal (Ja!). Waar is de energie dan gebleven (in de tafel en de lucht).
Conclusie: wrijving kan ervoor zorgen dat deeltjes in beweging komen. De energie daarvan noem je warmte. Laat hiervan een aantekening maken.
Optioneel: je kunt nu ook chemische energie introduceren, maar voor de opdrachten die volgen is dat niet noodzakelijk. Wil je dit wel, laat leerlingen dan nadenken over de chemische bindingen tussen moleculen die ook een soort veren zijn, waarin energie kan worden opgeslagen.
Introduceer het cirkeldiagram. De leerlingen gaan een werkblad maken waarbij ze steeds op drie aangegeven momenten een cirkeldiagram moeten tekenen. Ze geven eerst aan wat het systeem is: dit is een lijst die aangeeft naar welke plekken we kijken. Voor de eerste twee opgaven is dat de bal en de Aarde.
Geef de eerste twee opgaven als voorbeelden: één van een bal die van 2m hoogte op grond valt en één van een bal die van een hoge toren naar beneden valt. Verwijs steeds naar de aantekeningen. Laat ze alle vormen af gaan. Bijvoorbeeld bij opgave 1, plaatje 1: Beweegt er iets? Nee, dus geen kinetische energie. Is er iets dat hoogte heeft? Ja, dus er is zwaarte energie. Pas als je alles langs bent gegaan teken je het diagram.
Uitvoering
Leerlingen maken eerst alle opdrachten op het werkblad zelf 10 minuten).
Daarna verdeel je de klas in groepjes. Ieder groepje krijgt één opdracht om op whiteboard uit te werken.
Als er tijd is volgt een gallery walk. Leerlingen schrijven hun naam op post its. Deze moeten ze plakken op een bord waar ze een vraag over hebben. Dit kunnen twee soorten vragen zijn:
‘Wat bedoel je precies met…..’ (een verduidelijkende vraag)
‘Wat als ……..’ (een vraag waarbij je voorstelt iets te veranderen).
Hierna presenteren enkele groepjes hun resultaat.
Organisatie (optioneel)
Tijdsplanning: 2 lessen van 50 minuten
Het introduceren van de verschillende plekken voor het opslaan van energie kan vrij lang duren, afhankelijk van hoeveel discussie het oproept in de klas. Mocht er in die les nog tijd over blijven, dan kunnen de leerlingen een begin maken met het werkblad en die thuis afmaken. Op die manier kun je volgende les direct beginnen met het opmaken van whiteboards, de gallery walk en presentaties.
Les 1:
Herhaling arbeid en brainstorm (5 min.)
Lezen tekst Feynman (5 min.)
Bespreken verband arbeid en energie en het bespreken van verschillende plekken om energie op te slaan (20 min.)
Introductie cirkeldiagram (5 min.)
Individueel maken van het werkblad (10 min.)
Les 2:
Opmaken van whiteboards (10 min.)
Gallery walk (10 min.)
Presentaties (20 min.)
Reflectief schijven (5 min.)
Klassenorganisatie
Je kunt ervoor kiezen de introductie van de verschillende opslagplaatsen van energie korter te houden, door bijvoorbeeld de verschillende ballen niet te laten zien. Het kan echter wel erg helpen bij het beeld dat leerlingen hebben van energie.
Inhoud kringgesprek
De leerlingen moeten voor iedere vorm van energie aan kunnen geven hoe ze weten dat die aanwezig is. Vraag dus, als ze aangeven dat een voorwerp kinetische energie heeft, welk voorwerp er op dat moment beweegt. Als ze aangeven dat een voorwerp hoogte heeft, vraag ze dan om aan te geven ten opzichte van welk punt het voorwerp een hoogte heeft, enzovoort.
Kijk of leerlingen alle plekken waar ze energie zien ook in hun systeem meenemen. Als ze bijvoorbeeld zeggen dat energie is opgeslagen in de tafel (warmte), dan hoort de tafel in het systeem te staan. Dit wordt vooral belangrijk als we gaan kijken naar situaties waar er energie over de grens van het systeem gaat en er dus arbeid wordt verricht, maar het loont om dit nu al te introduceren.
Inhoud logboek (optioneel)
Zie hiervoor het document Demo soorten energie spiektabel.docx