Φυσική (ΔΕ) (Γενικό Λύκειο)
Κατεβάστε σε μορφή PDF
 1 ώρα

Μηχανικό πείραμα Joule - Θερμική Ισορροπία

Γενική περιγραφή περιεχομένου: 

Οι μαθητές έχουν διδαχθεί τις έννοιες θερμοκρασία, θερμότητα και θερμική ενέργεια. Επίσης έχουν διδαχθεί ότι όταν δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική αλληλεπίδραση (θερμική επαφή) τότε υπάρχει η δυνατότητα ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ τους. Έχουν μελετήσει θερμικές καταστάσεις με τη βοήθεια μικροσκοπικών μοντέλων στον Η/Υ.

Προυπάρχουσες αντιλήψεις των μαθητών

  • δεν αναγνωρίζουν τη θερμοκρασία ως ένα φυσικό μέγεθος που περιγράφει αντικειμενικά την θερμική κατάσταση ενός υλικού.
  • δεν αναγνωρίζουν ότι αντικείμενα διαφορετικής θερμοκρασίας που βρίσκονται σε επαφή, αποκτούν τελικά την ίδια θερμοκρασία.

           Οι μαθητές θεωρούν ότι:

  • δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας.
  • η θερμότητα είναι πάντα ζεστή, αλλά η θερμοκρασία μπορεί να είναι και κρύα.
  • η θερμότητα είναι ένα είδος ουσίας που ρέει, όπως τα υγρά.
  • τα υλικά έχουν θερμότητα.
  • η θερμική ενέργεια και η θερμότητα είναι το ίδιο πράγμα.
  • ένα σώμα με μεγάλη θερμοκρασία σίγουρα θα έχει και μεγάλη θερμική ενέργεια, ανεξάρτητα από την μάζα του.

Έχει γίνει πολύ μεγάλη συζήτηση για τη χρήση του όρου θερμότητα. Ο κίνδυνος είναι ότι, με τη χρήση του όρου θερμότητα, ενισχύεται η ιδέα πως αυτή αποτελεί ένα ξεχωριστό είδος «φευγαλέας ουσίας», η οποία εμπεριέχεται στα υλικά και μπορεί να ρέει από το ένα μέρος στο άλλο Harris (1981)- Erickson (1977). Αυτή την αντίληψη για τη θερμότητα είχε και ο Lavoisier (1789) «καλορικό πρότυπο», πριν την εργασία του James Joule το δέκατο ένατο αιώνα. 

Η προσέγγιση του θέματος γίνεται με εμπλουτισμένη ομαδική διδασκαλία. Η μέθοδος είναι ανακαλυπτική. Υπάρχουν και προαιρετικές και πρόσθετες δραστηριότητες διερεύνησης αλλά και επίλυσης προβλήματος. Οι δραστηριότητες αυτές είναι δραστηριότητες εμπλουτισμού και επέκτασης. Το σενάριο είναι για μία διδακτική ώρα η οποία δεν επαρκεί για τις δραστηριότητες αυτές. Ίσως στη μία ώρα να γίνει η πρόσθετη δραστηριότητα 3.3 όπου οι μαθητές στήνουν το πείραμα στο εικονικό εργαστήριο. 

Οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες των 2 ατόμων στο εργαστήριο πληροφορικής.

Ακολουθούν τις φάσεις του σεναρίου μέσω του Η/Υ και συμπληρώνουν ομαδικά τα φύλλα εργασίας και αναφοράς.

Ο εκπαιδευτικός:

α) φροντίζει για το σχηματισμό των ομάδων των μαθητών (εννοείται ότι αυτό έχει επαναληφθεί στο παρελθόν και οι μαθητές είναι εξοικειωμένοι),

β) δίνει σε κάθε ομάδα τα φύλλα εργασίας και αναφοράς,

γ) συντονίζει τη συζήτηση στην ολομέλεια, συμβουλεύει, επισημαίνει και φροντίζει να γίνεται σωστή διαχείριση του χρόνου,

δ) παραλαμβάνει τα συμπληρωμένα φύλλα εργασίας και αναφοράς τα οποία χρησιμοποιεί σε συνδυασμό με το φύλλο παρατηρήσεων και το φύλλο αυτοαξιολόγησης για την αξιολόγηση των μαθητών.

ΦΑΣΗ 1: Έναυσμα. Διαμόρφωση πρότερων εμπειριών και γνώσεων.

Αρχικά γίνεται έλεγχος της κατανόησης των εννοιών που εμπλέκονται στο σενάριο.

Ξεκινάμε από τις εμπειρίες των μαθητών  όπου οι μαθητές καταθέτουν τις απόψεις τους και ο εκπαιδευτικός αποκτά μια πρώτη ιδέα για τα νοητικά μοντέλα που έχουν αναπτύξει οι μαθητές. 

Επειδή η ιστορία της επιστήμης έχει θέση στη διδασκαλία γίνεται μια ιστορική αναδρομή της εξέλιξης των ιδεών για την έννοια "θερμότητα" και αναφορά στο ιστορικό πείραμα του Joule  με το οποίο επικυρώθηκε η υπόθεση ότι η θερμότητα είναι "κάτι" σαν το έργο και ταυτόχρονα βρέθηκε και η μεταξύ τους ποσοτική σχέση (μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας).

ΦΑΣΗ 2: Διατύπωση υποθέσεων

Οι μαθητές  διατυπώνουν υποθέσεις  με βάση τις πρότερες γνώσεις και εμπειρίες τους. Στη φάση αυτή ο εκπαιδευτικός δε διορθώνει τα πιθανά λάθη των μαθητών. Απλά οι απόψεις τους καταγράφονται στο φύλλο εργασίας και αναφοράς.

ΦΑΣΗ 3: Διερεύνηση-Δεδομένα-Ανάλυση δεδομένων

Στη δραστηριότητα 3.1 Οι μαθητές καταγράφουν τις αρχικές θερμοκρασίες, παρακολουθούν τη χρονική εξέλιξη των θερμοκρασιών και καταγράφουν τις τελικές θερμοκρασίες διαπιστώνοντας τη μορφή της χρονικής εξέλιξης των θερμοκρασιών. Επίσης οι μαθητές συμπληρώνουν τον πίνακα ανάλυσης των δεδομένων και καλούνται να αποφανθούν για τις ποσότητες του κρύου και του ζεστού νερού, ελέγχοντας τις υποθέσεις τους.Επιχειρείται η πρόκληση γνωστικής σύγκρουσης με στόχο τη διάκριση των εννοιών θερμοκρασία, θερμότητα και θερμική ενέργεια αλλά και τη μελέτη της χρονικής εξέλιξης των θερμοκρασιών μέχρι τη θερμική ισορροπία.

Προαιρετικές δραστηριότητες

Οι δραστηριότητες 3.2 και 3.3 είναι προαιρετικές και κατά την κρίση του εκπαιδευτικού θα μπορούσαν να εκτελεσθούν ή μία και και οι δύο από τους μαθητές ανάλογα με το χρόνο που διατίθεται.

Στή δραστηριότητα 3.2 δίνεται προαιρετικά αν υπάρχει χρόνος η δυνατότητα στους μαθητές να διερευνήσουν διάφορες περιπτώσεις θερμικής ισορροπίας με τη βοήθεια παραμετρικής προσομοίωσης αλλά και με τη χρήση αλληλεπιδραστικού λογιστικού φύλλου (φύλλο εργασίας 2) "thermal.xls" ως γνωστικό εργαλείο στο οποίο δίνεται η δυνατότητα αλλαγής όχι μόνο των μαζών και των αρχικών θερμοκρασιών αλλά και των ειδικών θερμοτήτων. Ο εκπαιδευτικός θα μπορούσε να δημιουργήσει νέα φύλλα εργασίας ή να προσθέσει στα υπάρχοντα δραστηριότητες που στηρίζονται στην προσομοίωση ή το λογιστικό φύλλο. 

 Στη δραστηριότητα 3.3 επίσης προαιρετικά οι μαθητές θα μπορούσαν να στήσουν το "πείραμα" στο εικονικό εργαστήριο.

Πρόσθετες δραστηριότητες

Οι πρόσθετες δραστηριότητες 3.4 και 3.5 δεν είναι στην ουσία δραστηριότητες του σεναρίου αυτού αλλά  φύλλα εργασίας για την εκτέλεση του πειράματος στο εργαστήριο φυσικής με απλά υλικά και με τη χρήση αισθητήρων αντίστοιχα. (φύλλα εργασίας 3 και 4)

ΦΑΣΗ 4: Συζήτηση, Εφαρμογές, Μεταγνώση

Με τις δραστηριότητες 4.1 έως 4.4  επιχειρείται  πρόκληση γνωστικής σύγκρουσης με στόχο τη διάκριση των εννοιών θερμοκρασία, θερμότητα και θερμική ενέργεια αλλά και τη μελέτη της χρονικής εξέλιξης των θερμοκρασιών μέχρι τη θερμική ισορροπία.

Οι μαθητές  συζητούν στις ομάδες και ανακοινώνουν τα αποτελέσματα. Επιχειρούνται πάλι γνωστικές συγκρούσεις, αναδόμηση των ιδεών των μαθητών αλλά και εφαρμογή της νέας γνώσης.

Συγκεκριμένα,  συζητείται ο σκοπός του σεναρίου.

Επίσης αναμένεται  οι μαθητές να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι μεταβάλλεται περισσότερο η θερμοκρασία του νερού με τη μικρότερη μάζα. και να καταλήξουν  στο συμπέρασμα ότι αυτό που μεταφέρθηκε από το τη μια ποσότητα νερού στην άλλη δεν είναι η θερμοκρασία, αλλά η θερμότητα, και το αποτέλεσμα αυτής της μεταφοράς είναι η μείωση της θερμοκρασίας και της θερμικής ενέργειας του ζεστού νερού, και η αύξηση της θερμοκρασίας και της θερμικής ενέργειας του κρύου νερού μέχρις ότου οι θερμοκρασίες εξισωθούν, οπότε λέμε ότι αποκαταστάθηκε η θερμική ισορροπία.

Ξαναδίνονται ερωτήσεις στους μαθητές ώστε να εφαρμόσουν τη νέα γνώση. Εδώ μπορεί να τεθεί και το ερώτημα «τι λέγατε στην αρχή; τι λέτε τώρα;» Μεταγνώση.

Με τη δραστηριότητα 4.5 με την ερωτηματική μέθοδο προσεγγίζεται το μηχανικό πείραμα του Joule

Η δραστηριότητα 4.6 είναι πρόσθετη δραστηριότητα εμπλουτισμού και επέκτασης η οποία θα μπορούσε να γίνει προαιρετικά σε άλλη ώρα ή στο σπίτι. Με τη δρασητριότητα αυτή οι μαθητές εισάγονται στη μέθοδο επίλυσης προβλήματος στο εργαστήριο και γνωρίζουν τις δυνατότηες της video ανάλυσης της κίνησης.

ΦΑΣΗ 5: Αξιολόγηση

O εκπαιδευτικός παραλαμβάνει τα συμπληρωμένα φύλλα εργασίας και αναφοράς των ομάδων τα οποία αξιολογεί στο γραφείο του.

Οι μαθητές εκτελούν δραστηριότητες με συνεργατικά quizzes διαφόρων μορφών και τους ανατίθενται και εργασίες όπως επίλυση ασκήσεων και προβλημάτων στο σπίτι.

Εκπαιδευτικό Πρόβλημα: 

Οι μαθητές να εξακριβώσουν ότι η θερμότητα δεν είναι ενέργεια ενός συστήματος αλλά ενέργεια που ανταλλάσεται μεταξύ συστημάτων και ότι δεν είναι μια υλική υπόσταση όπως το υποτιθέμενο θερμικό ρευστό. Επίσης με το μοντέλο ροής θερμότητας οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να εξηγούν γιατί αντικείμενα διαφορετικών θερμοκρασιών έρχονται σε θερμική ισορροπία, διακρίνοντας τις έννοιες θερμοκρασία, θερμότητα και θερμική ενέργεια.

Φάσεις Ψηφιακού Σεναρίου: 
15 λεπτά
Φάση 1: Έναυσμα. Διαμόρφωση πρότερων εμπειριών και γνώσεων
Χώρος Διεξαγωγής: Εργαστήριο Πληροφορικής ή Εργαστήριο Φυσικής
5 λεπτά
Φάση 2: Διατύπωση υποθέσεων
Χώρος Διεξαγωγής: Εργαστήριο Πληροφορικής ή Εργαστήριο Φυσικής
10 λεπτά
Φάση 3: Διερεύνηση-Δεδομένα-Ανάλυση δεδομένων
Χώρος Διεξαγωγής: Εργαστήριο πληροφορικής
15 λεπτά
Φάση 4: Συζήτηση, Εφαρμογές, Μεταγνώση.
Χώρος Διεξαγωγής: Εργαστήριο Πληροφορικής ή Εργαστήριο Φυσικής
15 λεπτά
Φάση 5: Αξιολόγηση
Χώρος Διεξαγωγής: Σπίτι ή στην αρχή του επόμενου μαθήματος στο εργαστήριο πληροφορικής
Διδακτικοί Στόχοι: 
  1. Nα διαπιστώσουν ότι αυτό που μεταφέρεται από το ζεστό στο κρύο δεν είναι η θερμοκρασία,
  2. Nα αναγνωρίζουν τη θερμότητα ως ενέργεια που ανταλλάσσεται όπως και το μηχανικό έργο
  3. Να διακρίνουν τις έννοιες θερμότητα, θερμοκρασία και θερμική ενέργεια.
  4. Να αναγνωρίζουν τη θερμική ισορροπία και περιγράφουν τη χρονική εξέλιξη των θερμοκρασιών
Λέξεις κλειδιά που χαρακτηρίζουν τη θεματική του σεναρίου: 
Θερμότητα
Θερμοκρασία
Θερμική ενέργεια
Θερμική ισορροπία
Μηχανικό πείραμα Joule
Υλικοτεχνική υποδομή: 
10 Η/Y ή 1 Η/Υ και projector
Δημιουργός Σεναρίου: ΣΑΡΑΝΤΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΔΗΣ (Εκπαιδευτικός)
Έλεγχος Σεναρίου με τα Προγράμματα Σπουδών: ΚΕΡΑΜΙΔΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ (Σχολικός Σύμβουλος)
Έλεγχος Επιστημονικής Επάρκειας Σεναρίου: ΚΑΛΚΑΝΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ (Συντονιστής)