ΕΝΕΡΓΕΙΑ – ΜΟΡΦΕΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ φυσικά ∆ηµοτικού 1 ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ Συγγραφέας: Παναγιώτης Τροχούτσος, φυσικός, υποδιευθυντής γυµνασίου Βασιλικού ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ; • Το εκπαιδευτικό σενάριο είναι η περιγραφή μιας διδασκαλίας, η αποτύπωση ενός μαθησιακού πλαισίου σε συγκεκριμένο αντικείμενο, με συγκεκριμένους διδακτικούς στόχους , παιδαγωγικές αρχές και πρακτικές. Ένα διδακτικό σενάριο μπορεί να έχει διάρκεια περισσότερων από μια διδακτικών ωρών. • Ένα σενάριο επικεντρώνεται στην διδασκαλία φαινομένων και εννοιών, και υλοποιείται με μια σειρά εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων προκειμένου να πετύχουμε συγκεκριμένα μαθησιακά αποτελέσματα. Σε κάθε ενότητα ή έννοια επιλέγουμε κατάλληλα σενάρια και δραστηριότητες οι οποίες βοηθούν τους μαθητές να εποικοδομήσουν τις γνώσεις τους και πιθανόν να αποκτήσουν στοιχεία της επιστημονικής μεθοδολογίας. Η δομή και η ροή κάθε δραστηριότητας, ο ρόλος του εκπαιδευτικού καθώς και η αλληλεπίδρασή τους με τα λογισμικά πραγματοποιούνται με φύλλα εργασίας. ∆εν είναι υποχρεωτικό η δηµιουργία ενός σεναρίου να αφορά µόνο τον σχεδιασµό δραστηριοτήτων βασισµένων σε κάποιο λογισµικό. Το διδακτικό σενάριο περιλαµβάνει: 1. 2. 3. 4. ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΡΟΛΟΥΣ ΤΩΝ ΣΥΜΜΕΤΕΧΟΝΤΩΝ ΤΙΣ ΑΝΤΙΛΗΨΕΙΣ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ ΤΑ ΕΝΔΕΧΟΜΕΝΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΑ ΕΜΠΟΔΙΑ Ένα διδακτικό σενάριο υλοποιείται µέσα από µια σειρά εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων στις οποίες περιγράφονται: 1. Η ΔΟΜΗ ΚΑΙ Η ΡΟΗ ΚΑΘΕ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 2. ΟΙ ΡΟΛΟΙ ΤΟΥ ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΑ- ΜΑΘΗΤΩΝ 3. Η ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥΣ ΜΕ ΤΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΟΠΟΙΑ ΜΕΣΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΟ. Κάθε σενάριο αποτελείται από δύο διακριτά µέρη: 1. ΦΥΛΛΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΑΘΗΤΗ 2. ΟΔΗΓΟΣ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ 2 Ένα εκπαιδευτικό λογισµικό µετατρέπεται σε περιβάλλον µάθησης εφόσον υπάρχουν τα κατάλληλα σενάρια και δραστηριότητες οι οποίες βοηθούν τους µαθητές να εποικοδοµήσουν τις γνώσεις τους. ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ ΣΕΝΑΡΙΟΥ 1. Περιεχόμενο Αναφέρουμε συνοπτικά το περιεχόμενο του μαθήματος ( διδακτική ενότητα-μάθημα-βαθμίδα-τάξη-χρόνο ) π. χ. • Τάξη: Ε΄Δημοτικού • Μάθημα: Φυσική • Διδακτική ενότητα: Ενέργεια- Μορφές και μετατροπές ενέργειας • Χρόνος: 2 διδακτικές ώρες. 2. Σύντομη περιγραφή του υπό μελέτη αντικειμένου ( Αν κρίνουμε ότι είναι απαραίτητο)π.χ. • Η ενέργεια ως έννοια , οι διάφορές μορφές ενέργειας και οι μετατροπές της από την μια μορφή στην άλλη , η διατήρηση της ενέργειας. 3. Υλικά και μέσα διδασκαλίας Αναφέρουµε τα υλικά, τα όργανα και τις διατάξεις που θα χρησιµοποιήσουµε. Π.χ .Το site προσοµοιώσεων http://phet.colorado.edu/el/simulation/energyforms-and-changes, µπρίκι, νερό, εστία θέρµανσης, θερµόµετρο, πλαστικό µπουκάλι, δοχείο Dewar ( θερµός) 4. Διδακτικοί στόχοι Αναφέρουμε τους διδακτικούς στόχους. Κατά την διατύπωση των διδακτικών στόχων δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται ασαφείς διατυπώσεις οι οποίες στηρίζονται σε ρήματα όπως: Κατανοήσουν, καταλάβουν, μάθουν, αντιληφθούν, κ.τ.λ. Είναι ορθό να χρησιμοποιούνται ρήματα που δηλώνουν ενέργειες , όπως: Παρατηρήσουν, μετρήσουν, εξασκηθούν σε,…. ή σε ρήματα που δηλώνουν ικανότητες/δεξιότητες ή ικανότητα χρήσης γνώσεων , όπως: Να αναφέρουν π.χ. νόμους, τεχνικές μέτρησης ή να εξηγούν χρησιμοποιώντας………., να υπολογίζουν……., να προβλέπουν……, να επαληθεύουν πειραματικά, να διαπιστώνουν πειραματικά κ.τ.λ. Οι διδακτικοί στόχοι θα μπορούσαν να διακριθούν σε: • ΓΝΩΣΤΙΚΟΥΣ :Μετά το τέλος της διδασκαλίας οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να Αναφέρουν ότι η ενέργεια έχει διάφορες μορφές Να εξηγούν πως η ενέργεια μπορεί να αποθηκεύεται και να αναφέρουν διάφορες πηγές ενέργειας Να εξηγούν ότι η ενέργεια μπορεί να μετατρέπεται από μια μορφή σε μια άλλη 3 Να είναι σε θέση να αναφέρουν πως πολλές φορές προκαλούμε εμείς οι ίδιοι την μετατροπή της ενέργειας στην μορφή που μας είναι κάθε φορά χρήσιμη Να εξηγούν πως σε όλες τις ενεργειακές μετατροπές ένα μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα, την οποία δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε Να αναφέρουν ότι και ο ανθρώπινος οργανισμός είναι ένας ενεργειακός μετατροπέας Να διαπιστώσουν ότι το ενεργειακό περιεχόμενο των τροφών που καταναλώνει κάθε άνθρωπος πρέπει να είναι ανάλογο της ενέργειας που απαιτείται για τις δραστηριότητές του. • ΨΥΧΟΚΙΝΗΤΙΚΟΙ: Μετά το τέλος της διδασκαλίας ο μαθητής θα πρέπει να είναι σε θέση να Μπορεί να χειρίζεται τον Η/Υ και ειδικότερα ότι έχει να κάμει με την χρήση λογισμικών στην προσομοίωση φυσικών φαινομένων. Να συναρμολογεί στο εικονικό εργαστήριο διάταξη για την εξαγωγή της αρχής διατήρησης της ενέργειας Να εξοικειωθεί με την επιστημονική μεθοδολογία ( παρατήρηση-υπόθεση-πείραμα) Να ανατρέχει στο διαδίκτυο σε ιστοχώρους που είναι αξιόπιστοι και επιστημονικά έγκυροι για να βρίσκει τις πληροφορίες που χρειάζεται • ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑΤΙΚΟΙ: Να μπορεί να συνεργάζεται με τους συμμαθητές του Να αναπτύσσει θετική στάση απέναντι στις Φυσικές Επιστήμες 5. Προαπαιτούμενες γνώσεις: Αναφέρουμε τις γνώσεις που κατέχουν ήδη οι μαθητές πριν την διδασκαλία της συγκεκριμένης διδακτικής ενότητας. Στο επίπεδο των μαθητών της Ε΄Δημοτικού προαπαιτούμενες γνώσεις είναι κυρίως βασικές γνώσεις χειρισμού Η/Υ ( άνοιγμα- κλείσιμο, χειρισμός ποντικιού). 6. Μέθοδος διδασκαλίας-Διδακτικό μοντέλο- παιδαγωγική τεκμηρίωση: Το σενάριο ακολουθεί το διδακτικό μοντέλο της καθοδηγούμενης ανακάλυψης με στοιχεία εποικοδομητισμού με την υποστήριξη των νέων τεχνολογιών. Επίκεντρο της μάθησης είναι οι μαθητές, ενώ ο εκπαιδευτικός έχει ρόλο καθοδηγητικό και υποστηρικτικό. 7. Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών-Εννοιολογικά εμπόδια στην επίτευξη των διδακτικών στόχων. Ένα ακίνητο σώμα δεν μπορεί να έχει ενέργεια 4 Η ενέργεια στην ερμηνεία των φαινομένων συγχέεται με την δύναμη Όταν ένα σώμα σταματά να κινείται, η ενέργεια που είχε, χάνεται Οι περισσότεροι μαθητές θεωρούν ότι η ενέργεια παράγεται από τις πηγές και καταναλώνεται από τις διάφορες μηχανές Πολλοί μαθητές θεωρούν ότι η ενέργεια έχει υλική υπόσταση Οι μαθητές θεωρούν ότι η ενέργεια είναι εγγενής ιδιότητα κάποιων σωμάτων 8. Προστιθέμενη παιδαγωγική αξία από την χρήση των Τ.Π.Ε. Τα εικονικά εργαστήρια αλληλοσυμπληρώνουν τις δυνατότητες των πραγματικών εργαστηρίων Ενισχύουν την διαθεματική προσέγγιση στην διδασκαλία και την μάθηση Τα περιβάλλοντα προσομοίωσης κάποιες φορές αποτελούν την μόνη προσέγγιση για την επίλυση κάποιων προβλημάτων. Κοστίζουν λιγότερο από την χρήση του πραγματικού συστήματος, δίνουν την δυνατότητα επανάληψης του ίδιου φαινομένου. ΣΤΑΔΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΝΟΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ 1η φάση: Προσανατολισμός-Έναυσμα Αφορά το ξεκίνημα της διδασκαλίας που είναι απαραίτητο να είναι καλά οργανωμένο, ώστε να τραβήξει την προσοχή και το ενδιαφέρον των μαθητών. Ο δάσκαλος εξηγεί με την έναρξη του μαθήματος τι πρόκειται να ακολουθήσει ώστε οι μαθητές να αφοσιωθούν καλύτερα στις δραστηριότητες που θα διεξάγουν οι ίδιοι. Προκαλεί το ενδιαφέρον με την παρατήρηση ενός φαινομένου ή μιας διαφάνειας ή την προβολή ενός βίντεο ή με την χρήση λογισμικού κ.τ.λ. Προσπαθούμε να εκμαιεύσουμε τις απόψεις τους σχετικά με φυσικά φαινόμενα και πραγματικές καταστάσεις. 2η φάση: Πρόβλεψη- διατύπωση υποθέσεων Σε αυτήν την φάση επιδιώκουμε οι μαθητές: • Να διατυπώσουν και να αναγνωρίσουν τις απόψεις που έχουν για το φαινόμενο. • Να επαναδιατυπώσουν τις απόψεις τους ως υποθέσεις προς πειραματικό έλεγχο. Σ΄ αυτήν την φάση οι µαθητές εκφράζουν προφορικά ή γραπτά τις ιδέες τους ή διατυπώνουν τις υποθέσεις τους. Οι µαθητές χωρίζονται σε οµάδες δυο ή περισσοτέρων ατόµων. Ενθαρρύνονται να εκφράσουν και να υποστηρίξουν τις υπάρχουσες απόψεις τους µε διάφορους τρόπους , όπως απάντηση σε ερωτηµατολόγια , η διατύπωση 5 παρατηρήσεων και απόψεων για ένα πείραµα ή µια προσοµοίωση. Στην φάση αυτή δεν γίνεται συζήτηση για το ποιες απόψεις είναι σωστές ή λάθος. 3η φάση: Πειραµατικός έλεγχος των προβλέψεων Ο δάσκαλος µετά την ολοκλήρωση των πειραµατικών δραστηριοτήτων οργανώνει συζήτηση την οποία και συντονίζει. Οι µαθητές ανακοινώνουν τα αποτελέσµατα των εργασιών τους. Ο δάσκαλος βοηθά τους µαθητές να διατυπώσουν την γνώση που ανακαλύφθηκε και ανακεφαλαιώνει το νέο περιεχόµενο. 4η φάση: ∆ιατύπωση των συµπερασµάτων Σε αυτή την φάση δίνουµε έµφαση στην συζήτηση των απόψεων µεταξύ των µαθητών η οποία όµως θα πρέπει να στηρίζεται σε στοιχεία και δεδοµένα. Στις αντίστοιχες δραστηριότητες εκτελείται σχολαστικός έλεγχος υποθέσεων- συµπερασµάτων ώστε να δηµιουργηθεί η βάση για την οικειοποίηση των συµπερασµάτων από τους µαθητές. Στο τέλος ενός είτε περισσότερων φύλλων εργασίας και κατά την διάρκεια της συζήτησης είναι σκόπιµο να θέσουµε ερωτήσεις αναστοχαστικού τύπου όπως τι άλλαξε στις αρχικές σου σκέψεις, τι σε οδήγησε να αλλάξεις τις απόψεις σου, ποια ήταν η µεγαλύτερη δυσκολία που συνάντησες. Στο τέλος δίνουµε στους µαθητές ένα φύλλο αξιολόγησης της διδασκαλίας µε στόχο να ελέγξουµε αν πετύχαµε τους διδακτικούς στόχους που θέσαµε. 5η φάση: Εφαρµογή Στην φάση αυτή οι µαθητές συσχετίζουν αυτό που έµαθαν µε τις εµπειρίες της καθηµερινής ζωής. Θα πρέπει να τους δοθεί η ευκαιρία πώς οι νέες γνώσεις που απέκτησαν µπορούν να εφαρµοστούν στην λύση πραγµατικών προβληµάτων. Η δυνατότητα που αποκτούν µε τις καινούργιες γνώσεις να ερµηνεύουν φαινόµενα που δεν µπορούσαν πριν να τα ερµηνεύσουν , κατοχυρώνει την υιοθέτηση αυτής της γνώσης επειδή ακριβώς αναγνωρίζουν την αξία της και την λειτουργικότητά της. 6η φάση: ∆ιανοµή του φύλλου αξιολόγησης της διδασκαλίας. 6 ΕΚΦΕ Εύβοιας ΕΝΕΡΓΕΙΑ – ΜΟΡΦΕΣ και ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ Εργαστηριακή άσκηση φυσικά ∆ηµοτικού Συγγραφέας: Γιάννης Μίχας, υπεύθυνος ΕΚΦΕ Εύβοιας ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ∆ΑΣΚΑΛΟ Ανοίγουµε το site: http://phet.colorado.edu/el/simulation/energy-forms-and-changes. Μπορούµε αν δεν έχουµε intenet κατά τη παρουσίαση, να το έχουµε αποθηκεύσει από πριν (energy-forms-and-changes_el.jar). Είναι στα ελληνικά. Υπάρχουν δύο οθόνες: Εισαγωγή και Ενεργειακά συστήµατα. Πάµε στην οθόνη Εισαγωγή Θερµότητα – θερµοκρασία Τοποθετούµε το νερό πάνω από τη πηγή θερµότητας και πλησιάζουµε στο νερό ένα θερµόµετρο. Πατάµε µε το mouse ‘ζεστό’ µέχρι να φτάσει στους 80ο και το αφήνουµε. Τι παρατηρούµε; - Η θερµοκρασία αυξήθηκε και άρχισε να µειώνεται. Γιατί αυξήθηκε; - Προσφέραµε ενέργεια από το ηλεκτρικό µάτι σε µορφή θερµότητας. Γιατί µειώνεται; - Το ζεστό νερό χάνει ενέργεια γιατί το περιβάλλον του είναι πιο κρύο. 2) Πατάµε το κουµπί “Σύµβολα Ενέργειας”. Εµφανίζονται πακέτα ενέργειας που περιέχονται µέσα σε κάθε σώµα. Το νερό εµφανίζεται µε πολλά πακέτα ενέργειας, το τούβλο µε λίγα και το σίδερο µε ενδιάµεσα. Ο λόγος που στο νερό είναι πολλά και στο τούβλο λίγα, είναι η διαφορά στη θερµοχωρητικότητα των σωµάτων (εξηγείται παρακάτω). Τι παρατηρούµε; - πακέτα ενέργειας µπαίνουν από τη πηγή θερµότητας στο υλικό και άλλα πακέτα φεύγουν από το υλικό προς το περιβάλλον. Τα πακέτα που µένουν στο σώµα είναι πιο πολλά απ’ ότι πριν. 3) Πατάµε το κουµπί “κρύο”. Προβλέψτε τι θα γίνει µε τα πακέτα ενέργειας. - όσο το σίδερο θα είναι ζεστό θα φεύγουν πακέτα ενέργειας από το σίδερο προς το µάτι. Όταν η θερµοκρασία του σίδερου πέσει κάτω από τη θερµοκρασία δωµατίου, τότε θα έρχονται πακέτα ενέργειας από τον περιβάλλοντα χώρο προς το σίδηρο για να τον ζεστάνουν. 4) Μετράµε τη αρχική θερµοκρασία του τούβλου και του σίδερου (22ο ) Ζεσταίνουµε το τούβλο στους 100ο και το ακουµπάµε πάνω του το σίδερο που είναι κρύο. Παρακολουθούµε τις µεταβολές στις θερµοκρασίες των δύο σωµάτων και τα 7 πακέτα ενέργειας που µεταφέρονται, από το ένα σώµα στο άλλο. Καταγράφουµε τη τελική θερµοκρασία. Τι παρατηρούµε; - η θερµοκρασία του θερµού σώµατος µειώνεται και του ψυχρού αυξάνεται µέχρι να γίνουν ίσες. Όταν γίνει αυτό λέµε ότι το σώµα βρίσκεται σε θερµική ισορροπία. - Πακέτα θερµότητας φεύγουν από το θερµό σώµα και µεταφέρονται στο ψυχρό. Συµπεράσµατα 1) Η θερµότητα ρέει αυθόρµητα από το ζεστό προς το κρύο σώµα. Έτσι η θερµοκρασία του ζεστού σώµατος µειώνεται και του κρύου αυξάνεται, µέχρι να εξισωθούν οι θερµοκρασίες. Η διαφορά θερµοκρασίας είναι η αιτία της µεταφοράς θερµότητας από το ζεστό στο κρύο σώµα. 2) Ένα σώµα που είναι ζεστό µπορεί να γίνει ακόµα πιο ζεστό µε την παροχή ενέργειας από το µάτι της κουζίνας. Η θερµότητα ρέει εξαναγκασµένα από το κρύο προς το ζεστό, όταν ξοδεύουµε ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσει το µάτι. 3) Η θερµότητα είναι τρόπος προσφοράς ενέργειας σε ένα σώµα, ενώ η θερµοκρασία είναι το αποτέλεσµα αυτής της προσφοράς. Θερµοχωρητικότητα Βάζουµε το νερό στο ένα µάτι και το τούβλο στο άλλο και τους βάζουµε θερµόµετρα. Θερµαίνουµε το νερό και µετά το τούβλο µετρώντας τα πακέτα ενέργειας που δίνουµε στα δύο σώµατα. Πρέπει να δώσουµε τον ίδιο αριθµό πακέτων (3 ή 4). Τι παρατηρούµε; - Το τούβλο ανεβάζει πιο µεγάλη θερµοκρασία από το νερό, ενώ πήραν το ίδιο ποσό ενέργειας. Όταν σταµατήσει η προσφορά θερµότητας, τι συµβαίνει; (πατάµε το κουµπί “γρήγορα” για να µη περιµένουµε). Μετράµε τη θερµοκρασία και τα πακέτα ενέργειας που διαφεύγουν στο περιβάλλον καθώς τα σώµατα ψύχονται. Ποιο σώµα χάνει πιο πολλά πακέτα ενέργειας; - Το τούβλο κρυώνει πιο γρήγορα από το νερό και χάνει περισσότερα πακέτα. συµπέρασµα Τα υλικά όταν δεχτούν την ίδια θερµότητα δεν αντιδρούν µε τον ίδιο τρόπο. Άλλα ανεβάζουν τη θερµοκρασία τους πολύ και άλλα λίγο. Το νερό την ανεβάζει πολύ λίγο. Λέµε ότι έχει µεγάλη θερµοχωρητικότητα. Το φαινόµενο αυτό το παρατηρούµε το καλοκαίρι, στη θάλασσα. Ενώ η θερµοκρασία του αέρα είναι 35ο, η άµµος καίει πολύ (θερµοκρασία 70ο) και το νερό είναι δροσερό (θερµοκρασία 20ο). όταν όµως πέσει ο ήλιος η θερµοκρασία του νερού µένει ίδια (20ο ), ενώ της άµµου γίνεται πιο κρύα απ’ ότι του νερού (15ο ). Εξηγείστε αυτές τις παρατηρήσεις: Η πηγή θερµότητας και των τριών υλικών (άµµος, αέρας, θαλασσινό νερό) είναι η ίδια, ο ήλιος. Άρα το ποσό θερµότητας που πήραν είναι το ίδιο. Όµως η άµµος έχει πολύ µικρή θερµοχωρητικότητα, το νερό πολύ µεγάλη κι ο αέρας ενδιάµεση. Έτσι η άµµος ζεσταίνεται πολύ γρήγορα και το νερό πολύ αργά. Το βράδυ η άµµος κρυώνει πολύ γρήγορα και το νερό πολύ αργά. Άρα οι περιοχές κοντά στη θάλασσα (Χαλκίδα) δεν έχουν έντονες διακυµάνσεις στη θερµοκρασία, σε αντίθεση µε τις ηπειρωτικές (Κοζάνη, Τρίπολη) που το καλοκαίρι κάνει πολύ ζέστη αι το χειµώνα πολύ κρύο. 8 Πάµε στην οθόνη Ενεργειακά Συστήµατα έχουµε 3 υποµενού: - στα αριστερά έχουµε 4 τρόπους παραγωγής ενέργειας µε ποδήλατο µε νερό που πέφτει από ψηλά από τον ήλιο και από τον ατµό του νερού µιας τσαγιέρας. Στο δεύτερο υποµενού έχουµε δύο µηχανισµούς µετατροπής της µιας µορφής ενέργειας σε άλλη το φωτοβολταϊκό και το µύλο Στο τρίτο υποµενού έχουµε 3 καταναλωτές ενέργειας µια λάµπα πυράκτωσης µια λάµπα φθορισµού και ένα ποτήρι µε νερό που θέλουµε να ζεστάνουµε. Σχηµατικά: Παραγωγή ενέργειας Μηχανισµός µετατροπής σε άλλη µορφή ενέργειας Κατανάλωση ενέργειας Απώλεια ενέργειας προς το περιβάλλον Πως δηµιουργείται και πως εξαφανίζεται η ενέργεια; - η ενέργεια, ούτε δηµιουργείται, ούτε εξαφανίζεται. Μετατρέπεται από την µία µορφή στην άλλη. Το συνολικό ποσό ενέργειας παραµένει σταθερό, αλλά η ενέργεια δεν µετατρέπεται όλη, στην µορφή που εµείς επιθυµούµε. Ένα µέρος της µετατρέπεται, κατά προτίµηση, σε θερµότητα. Λέµε ότι: «Η ενέργεια παραµένει σταθερή σα ποσό. Η ενέργεια υποβαθµίζεται». Πατάµε το κουµπί “σύµβολα ενέργειας” (πάνω δεξιά). Κάνουµε διάφορους συνδυασµούς και καταγράφουµε τις µορφές τις ενέργειας που αλλάζουν Βρύση - µηχανική Μύλος - ηλεκτρική Νερό – θερµική Ήλιος – φωτεινή Μύλος – δεν µπορεί να Νερό – τίποτε µετατρέψει Ήλιος – φωτεινή Φωτοβολταϊκό – Νερό – θερµική ηλεκτρική Λάµπα πυράκτωσης – φωτεινή Λάµπα φθορισµού Ποδήλατο Τσαγιέρα Τι διαφορά έχει η λάµπα πυράκτωσης από τη λάµπα φθορισµού; Η λάµπα πυράκτωσης χάνει 9 φορές περισσότερη ενέργεια προς το περιβάλλον. 9 Συµπέρασµα Η ενέργεια βρίσκεται σε πολλές µορφές και µπορεί µε έναν µηχανισµό να µετατρέπεται από τη µια µορφή στην άλλη. ∆εν µπορεί να µετατραπεί οποιαδήποτε µορφή ενέργειας, σε οποιαδήποτε άλλη µορφή ενέργειας. Χρειάζεται και ένας µηχανισµός µετατροπής που δεν είναι διαθέσιµος πάντα. ∆ε µεταφέρεται όλη η ενέργεια στη µορφή που θέλουµε. Κατά τη µετατροπή της ενέργειας, ένα µέρος της µετατρέπεται σε άλλες µορφές από αυτή που επιλέαµε εµείς, συνήθως θερµότητα. Θερµική ισορροπία ΙΙ Εικόνα 1. Ο ήλιος ακτινοβολεί φωτεινή ενέργεια, που µετατρέπεται σε ηλεκτρική στο φωτοβολταϊκό και που µετατρέπεται σε θερµική στο βραστήρα του νερού. Το νερό ζεσταίνεται και βράζει και η θερµότητα διαχέεται στο περιβάλλον. Αν βάλουµε τα σύννεφα σε ύψος ¾ στη κλίµακα πολλά-λίγα, µπορούµε να µετριάσουµε την ακτινοβολία του ήλιου και να κάνουµε το νερό να µη βράζει, αλλά να παραµένει η θερµοκρασία σταθερή (π.χ. στους 80οC). Πως γίνεται αυτό; Μετρείστε τα πακέτα ενέργειας που µπαίνουν και βγαίνουν από το νερό. (ένα µπαίνει – ένα βγαίνει). Από το νερό χάνεται τόση θερµότητα, όση ηλεκτρική ενέργεια του προσφέρει το φωτοβολταϊκό (ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ). Τι θα γίνει αν αυξήσουµε κι άλλο τα σύννεφα και γιατί; 10 Η θερµοκρασία θα πέσει. Η ηλεκτρική ενέργεια που µπαίνει είναι λιγότερη από τη θερµική ενέργεια που χάνεται προς το περιβάλλον. Ποδήλατο Ο ποδηλάτης δίνει ενέργεια στο µύλο (δυναµό) και µετά από λίγο σταµατά και ζητάει τροφοδοσία. Γιατί; Κουράστηκε. Πατάµε το κουµπί “Σύµβολα Ενέργειας”. Ο ποδηλάτης έχει αποθηκευµένα 15 πακέτα ενέργειας. Πως τα παρέλαβε; Από το φαγητό. Μετά από λίγο χρόνο που κάνει ποδήλατο κουράζεται και σταµατά. Τα πακέτα ενέργειας έχουν τελειώσει. Που πήγαν; Έγιναν ηλεκτρική ενέργεια στο µύλο. Πως θα ξαναπάρει δύναµη; Πρέπει να φάει. Βρύση Ανοίγουµε τη βρύση πολύ λίγο (η γραµµή ροής να είναι διακεκοµµένη). Η θερµοκρασία του νερού ανεβαίνει για λίγο, αλλά σταµατά και σταθεροποιείται σε µια θερµοκρασία (π.χ. 55οC). Γιατί η θερµοκρασία, ούτε ανεβαίνει, ούτε κατεβαίνει; ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ. Τι θα γίνει αν µειώσουµε κι άλλο τη ροή; Θα αρχίσει το νερό να κρυώνει. Πραγµατικά πειράµατα ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Βάζουµε ένα µπρίκι µε νερό να ζεσταθεί, αλλά χαµηλώνουµε τη φλόγα, τόσο ώστε, ούτε να κρυώνει, ούτε να ζεσταίνεται. Βάζουµε ένα πλαστικό µπουκάλι νερό από το supermarket στο ψυγείο από βραδίς (5ο ). Ζεσταίνουµε µια άλλη ποσότητα νερού στους 45ο και τη βάζουµε σε ένα άλλο ίδιο µπουκάλι. Μετράµε τη θερµοκρασία στα δύο µπουκάλια και τα αναµιγνύουµε σε ένα θερµός από αφρολέξ. Περιµένουµε λίγο και µετράµε τη θερµοκρασία. Τη βρίσκουµε περίπου 25ο . Γιατί; Το ζεστό νερό έδωσε θερµική ενέργεια στο κρύο νερό και κρύωσε. Το κρύο παγάκι πήρε ενέργεια από ζεστό νερό και ζεστάθηκε. Επειδή οι µάζες τους ήταν ίσες, τα δύο υλικά συναντήθηκαν στο µέσο όρο της διαφοράς θερµοκρασίας που είχαν. Ο µέσος όρος µεταξύ 5ο και 45ο είναι 25ο . ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Ψήνουµε ένα τοστ µε ζαµπόν, τυρί και ντοµάτα. Το αφήνουµε για ένα λεπτό να κρυώσει. Γιατί η ντοµάτα καίει πιο πολύ από τα άλλα υλικά; Έχει πολύ νερό και αργεί να κρυώσει. 11 ΕΚΦΕ Εύβοιας ΕΝΕΡΓΕΙΑ – ΜΟΡΦΕΣ και ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ φυσικά ∆ηµοτικού ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΑΘΗΤΗ Ανοίγουµε το site: http://phet.colorado.edu/el/simulation/energy-forms-and-changes. Πάµε στην οθόνη “Εισαγωγή” Θερµότητα – θερµοκρασία Τοποθετούµε το νερό πάνω από τη πηγή θερµότητας και πλησιάζουµε στο νερό ένα θερµόµετρο. Πατάµε µε το mouse ‘ζεστό’ µέχρι να φτάσει στους 80ο και το αφήνουµε. Τι παρατηρούµε; ……………………………………………………………………………………. Γιατί αυξήθηκε; …………..……………………………………………………… Γιατί µειώνεται; ………………………………………………………………….. 2) Πατάµε το κουµπί “Σύµβολα Ενέργειας”. Εµφανίζονται πακέτα ενέργειας που περιέχονται µέσα σε κάθε σώµα. Το νερό εµφανίζεται µε πολλά πακέτα ενέργειας, το τούβλο µε λίγα και το σίδερο µε ενδιάµεσα. Επαναλαµβάνουµε τη διαδικασία 1). Τι παρατηρούµε; ……………………………………………………………………………………... ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 3) Πατάµε το κουµπί “κρύο”. Προβλέψτε τι θα γίνει µε τα πακέτα ενέργειας. ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 4) Ζεσταίνουµε το τούβλο µέχρι τους 100ο και βάζουµε πάνω του το σίδερο που είναι κρύο. Παρακολουθούµε τις µεταβολές στις θερµοκρασίες των δύο σωµάτων και τα πακέτα ενέργειας που µεταφέρονται, από το ένα σώµα στο άλλο. Τι παρατηρούµε; 12 Η θερµοκρασία………………………………………………………………………… Μέχρι πότε γίνεται αυτό; ………………………………………………………………………………………… Τα πακέτα θερµότητας ………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Συµπεράσµατα 1) …………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 2) …………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 3) ………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Όταν το σώµα πάψει να ανταλλάσσει θερµότητα µε το περιβάλλον του ή µε ένα άλλο σώµα µε το οποίο είναι σε επαφή λέµε ότι βρίσκεται σε θερµική ισορροπία. Θερµοχωρητικότητα Βάζουµε το νερό στο ένα µάτι και το τούβλο στο άλλο και τους βάζουµε θερµόµετρα. Θερµαίνουµε το νερό και µετά το τούβλο µετρώντας τα πακέτα ενέργειας που δίνουµε στα δύο σώµατα. Πρέπει να δώσουµε τον ίδιο αριθµό πακέτων (3 ή 4). Τι παρατηρούµε; ……………………………………………………………………………………… Όταν σταµατήσει η προσφορά θερµότητας, τι συµβαίνει; (πατάµε το κουµπί “γρήγορα” για να µη περιµένουµε). Μετράµε τη θερµοκρασία και τα πακέτα ενέργειας που διαφεύγουν στο περιβάλλον καθώς τα σώµατα ψύχονται. Ποιο σώµα χάνει πιο πολλά πακέτα ενέργειας; ……………………………………………………………………………………… συµπέρασµα ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 13 Το νερό ανεβάζει τη θερµοκρασία του πολύ λίγο. Λέµε ότι έχει µεγάλη θερµοχωρητικότητα. Το φαινόµενο αυτό το παρατηρούµε το καλοκαίρι, στη θάλασσα. Ενώ η θερµοκρασία του αέρα είναι 35ο, η άµµος καίει πολύ (θερµοκρασία 70ο) και το νερό είναι δροσερό (θερµοκρασία 20ο). Όταν όµως πέσει ο ήλιος η θερµοκρασία του νερού µένει ίδια (20ο ), ενώ της άµµου γίνεται πιο κρύα απ’ ότι του νερού (15ο ). Εξηγείστε αυτές τις παρατηρήσεις: ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Άρα οι περιοχές κοντά στη θάλασσα (Χαλκίδα) δεν έχουν έντονες διακυµάνσεις στη θερµοκρασία, σε αντίθεση µε τις ηπειρωτικές (Κοζάνη, Τρίπολη) που το καλοκαίρι κάνει πολύ ζέστη και το χειµώνα πολύ κρύο. Πάµε στην οθόνη “Ενεργειακά Συστήµατα” έχουµε 3 υποµενού: - στα αριστερά βλέπουµε 4 τρόπους παραγωγής ενέργειας, Παραγωγοί ενέργειας - στο δεύτερο υποµενού έχουµε δύο µηχανισµούς µετατροπής της µιας µορφής ενέργειας, στην άλλη Μετατροπείς ενέργειας - στο τρίτο υποµενού έχουµε 3 καταναλωτές ενέργειας Καταναλωτές ενέργειας Συµπληρώστε τα άδεια κελιά µε άλλους µετατροπείς και καταναλωτές που ξέρετε. 14 Μετά το καταναλωτή τι γίνεται η ενέργεια; ………………………………………………………………………………………… Σχηµατικά: Παραγωγή ενέργειας Μηχανισµός µετατροπής σε άλλη µορφή ενέργειας Κατανάλωση ενέργειας Απώλεια ενέργειας προς το περιβάλλον Πως δηµιουργείται και πως εξαφανίζεται η ενέργεια; ………………………………………………………………………………………… ……………….………………………………………………………………………… Μπορούµε να µετατρέψουµε όλη τη παρεχόµενη ενέργεια στη µορφή που εµείς επιθυµούµε; ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………. Λέµε ότι: «Η ενέργεια παραµένει σταθερή σα ποσό. Η ενέργεια υποβαθµίζεται». Πατάµε το κουµπί “σύµβολα ενέργειας” (πάνω δεξιά). Κάνουµε διάφορους συνδυασµούς και καταγράφουµε τις µορφές τις ενέργειας που αλλάζουν Βρύση - µηχανική Μύλος - ηλεκτρική Νερό – θερµική Ήλιος Μύλος – δεν µπορεί να Νερό – τίποτε µετατρέψει Ήλιος Φωτοβολταϊκό – Νερό – Λάµπα πυράκτωσης – Λάµπα φθορισµού – Ποδήλατο - 15 Τσαγιέρα Τι διαφορά έχει η λάµπα πυράκτωσης από τη λάµπα φθορισµού; ………………………………………………………………………………………… Συµπέρασµα ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Θερµική ισορροπία ΙΙ Εικόνα 1. Ο ήλιος ακτινοβολεί …………… ενέργεια, που µετατρέπεται σε ……………. στο φωτοβολταϊκό και που µετατρέπεται σε ……………… στο βραστήρα του νερού. Το νερό ζεσταίνεται και βράζει και η θερµότητα διαχέεται στο περιβάλλον. Με τα σύννεφα µπορούµε να µετριάσουµε την ακτινοβολία του ήλιου και να κάνουµε το νερό να µη βράζει, αλλά να παραµένει η θερµοκρασία σταθερή (π.χ. στους 80οC). Πως γίνεται αυτό; Μετρείστε τα πακέτα ενέργειας που µπαίνουν και βγαίνουν από το 16 νερό. ……………………………………………… Από το νερό χάνεται τόση θερµότητα, όση ηλεκτρική ενέργεια του προσφέρει το φωτοβολταϊκό (ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ). Τι θα γίνει αν αυξήσουµε κι άλλο τα σύννεφα και γιατί; ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ποδήλατο Ο ποδηλάτης δίνει ενέργεια στο µύλο (δυναµό) και µετά από λίγο σταµατά και ζητάει τροφοδοσία. Γιατί; ………………… Πατάµε το κουµπί “Σύµβολα Ενέργειας”. Ο ποδηλάτης έχει αποθηκευµένα …… (πόσα;) πακέτα ενέργειας. Πως τα παρέλαβε; …………………. Μετά από λίγο χρόνο που κάνει ποδήλατο κουράζεται και σταµατά. Τα πακέτα ενέργειας έχουν …………….. Που πήγαν; …………………………………... Πως θα ξαναπάρει δύναµη; ………………. ∆ώστε του να φάει (τροφοδοσία). Βρύση Ανοίγουµε τη βρύση πολύ λίγο (η γραµµή ροής να είναι διακεκοµµένη). Η θερµοκρασία του νερού ανεβαίνει για λίγο, αλλά σταµατά και σταθεροποιείται σε µια θερµοκρασία (π.χ. 55οC). Γιατί η θερµοκρασία, ούτε ανεβαίνει, ούτε κατεβαίνει; ………………………………. Τι θα γίνει αν µειώσουµε κι άλλο τη ροή; ……………………………... Πραγµατικά πειράµατα ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ 1) Βάζουµε ένα µπρίκι µε νερό να ζεσταθεί, αλλά χαµηλώνουµε τη φλόγα, τόσο ώστε, ούτε να κρυώνει, ούτε να ζεσταίνεται. Πως γίνεται αυτό; ………………………………………………………………………………………… 2) Βάζουµε ένα πλαστικό µπουκάλι νερό από το supermarket στο ψυγείο από βραδίς (5ο ). Ζεσταίνουµε µια άλλη ποσότητα νερού στους 45ο και τη βάζουµε σε ένα άλλο ίδιο µπουκάλι. Μετράµε τη θερµοκρασία στα δύο µπουκάλια και τα αναµιγνύουµε σε ένα θερµός από αφρολέξ. Περιµένουµε λίγο και µετράµε τη θερµοκρασία. Τη βρίσκουµε περίπου 25ο . Γιατί; ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Επειδή οι µάζες τους ήταν ίσες, τα δύο υλικά συναντήθηκαν στο µέσο όρο της διαφοράς θερµοκρασίας που είχαν. Ο µέσος όρος µεταξύ 5ο και 45ο είναι 25ο . 17 ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ 3) Ψήνουµε ένα τοστ µε ζαµπόν, τυρί και ντοµάτα. Το αφήνουµε για ένα λεπτό να κρυώσει. Γιατί η ντοµάτα καίει πιο πολύ από τα άλλα υλικά; …………………………………………………………………………………….