Τοπίο στη Φυσική

Παράθυρο στην Επιστήμη

Κατηγορία: Προσεγγίσεις

Η επιστημονική μελέτη του αινίγματος της δοκού που βάλλεται από σφαίρα

  • The Physics Teacher
  • By Asif Shakur, Salisbury University, Maryland US

Το παρακάτω άρθρο αναφέρεται σε ένα ενδιαφέρον πρόβλημα, με το οποίο μπορούν να ασχοληθούν οι μαθητές της Γ΄ Λυκείου, που επιθυμούν να εμπεδώσουν τις γνώσεις τους πάνω στις αρχές της διατήρησης της Ορμής και της Ενέργειας καθώς και στην περιστροφή στερεού σώματος. Δίνει όμως το έναυσμα και σε εκπαιδευτικούς να προχωρήσουν στη σύνθεση ερωτημάτων προς τους μαθητές τους σχετικά με την εφαρμογή των αρχών της διατήρησης.

Βίντεο 1: Οι δύο ξύλινες δοκοί χτυπιούνται σε διαφορετικά σημεία. Η μία κατ’ ευθείαν στο κέντρο της (η δοκός δεν περιστρέφεται) και η άλλη εκτός κέντρου (η δοκός περιστρέφεται). Ποια δοκός ανεβαίνει ψηλότερα;


Βίντεο 2: Η απάντηση. Και οι δύο φτάνουν στο ίδιο ύψος. Γιατί;

Η επιστημονική μελέτη του βίντεο της δοκού που βάλλεται από μία σφαίρα, δείχνει μια ξύλινη δοκό, η οποία βάλλεται από ένα κάθετο προς το στόχο τουφέκι. Το βίντεο δείχνει ότι η δοκός που χτυπήθηκε κατ’ ευθείαν στο κέντρο πηγαίνει ακριβώς τόσο υψηλό όσο θα πήγαινε αν τη χτυπούσαμε εκτός κέντρου(έκκεντρα). (Εικ. 1). Το πρόβλημα είναι ότι η δοκός που κτυπήθηκε εκτός κέντρου μεταφέρει, εκτός από την βαρυτική δυναμική ενέργεια και περιστροφική κινητική ενέργεια. Αυτό οδηγεί την πλειοψηφία των bloggers να ισχυριστεί ότι η δοκός που πυροβολήθηκε εκτός κέντρου δεν πρέπει να πάει τόσο ψηλά όσο αυτή που πυροβολήθηκε στο κέντρο. Άλλοι έχουν υποστηρίξει ότι η ενέργεια που συνδέεται με την περιστροφή είναι ασήμαντη και οι δύο περιπτώσεις και η δοκός θα πρέπει να ανεβεί στο ίδιο ύψος μέσα στα όρια του πειραματικού σφάλματος.

(περισσότερα…)

Συνθήκες Έλλειψης Βαρύτητας

Ο Νόμος της Παγκόσμιας Έλξης του Νεύτωνα δε διδάσκεται σε καμία τάξη του Γυμνασίου και Λυκείου. Παρόλα αυτά οι μαθητές πρέπει να διακρίνουν τη μάζα από το βάρος, να γνωρίζουν τι εννοούμε με την λέξη «βαρύτητα» και τι όταν συζητάμε για συνθήκες έλλειψης της βαρύτητας.

Αν και μέχρι σήμερα ακόμη δε γνωρίζουμε τον ακριβή μηχανισμό της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και δεν έχουμε ιδέα πώς λειτουργεί, απαιτούμε από τους μαθητές να αντιληφθούν, γιατί οι αστροναύτες αιωρούνται μέσα στο δορυφορικό θάλαμο και γιατί η Σελήνη δεν πέφτει ποτέ πάνω στη Γη, παρόλο που τη σέρνουμε διαρκώς μαζί μας. Η συνήθης απάντηση των μαθητών μας είναι ότι οι αστροναύτες βρίσκονται εκτός της ατμόσφαιρας ή ότι βρίσκονται πολύ μακρυά από τη Γη και δεν φτάνει μέχρι εκεί η έλξη της, όπως και η Σελήνη.

Η βαρύτητα είναι μια δύναμη που ασκείται μεταξύ οποιωνδήποτε δύο μαζών στο σύμπαν. Δεν υπάρχει πιο οικεία προς εμάς δύναμη από την έλξη που τραβά το σώμα μας, τα σπίτια μας και ό, τι άλλο υπάρχει στη ζωή μας, προς τον πλανήτη Γη από κάτω μας. Ακόμη και στην περίπτωση των αστροναυτών αυτή υπάρχει σε αφθονία. Η επίδραση της βαρύτητας απλώς συγκαλύπτεται από την κίνηση τους, καθώς περιφέρονται γύρω από τον πλανήτη. Μόνη διέξοδος είναι το βαθύ διάστημα, πέρα ​​από την περιοχή των πλανητών ή των αστέρων, όπου μπορεί πραγματικά να ξεφύγει κανείς από τη βαρύτητα.

Εικ. 1. Στο σώμα Σ, που βρίσκεται στη ζυγαριά, ασκούνται δύο δυνάμεις: Η έλξη της Γης w και η δύναμη N της ζυγαριάς (Α). Η ζυγαριά, με τη σειρά της, δέχεται από το σώμα Σ την αντίθετη δυναμη της Ν, λόγω της Δράσης-Αντίδρασης από τον 3ο Νόμο του Νεύτωνα (Β). Αυτή είναι η δύναμη που μετράει η ζυγαριά. Όταν η Ν μηδενιστεί το σώμα Σ αιωρείται.

Γενικότερα, η αίσθηση του βάρους που βιώνουμε στην καθημερινή ζωή είναι ακριβώς η αίσθηση του να στηριζόμαστε στο έδαφος, καθώς αυτό ασκεί πάνω μας κάθετες δυνάμεις, που εμείς αντιλαμβανόμαστε. Με λίγα λόγια όταν διαβάζουμε τα κιλά ενός σώματος Σ στη ζυγαριά, στην πραγματικότητα μετράμε την κάθετη δυναμη N που ασκεί το Σ πάνω στη ζυγαριά (εικ. 1, B), ως αντίδραση στην αντίθετη δυναμη N που ασκεί η ζυγαριά (εικ. 1, Α) πάνω στο Σ (Δράση-Αντίδραση). Αν μπορέσουμε με κάποιο τρόπο να μηδενίσουμε τη δυναμη Ν τότε προφανώς έχουμε πετύχει συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, γιατί το Σ ούτε θα δέχεται ούτε θα ασκεί δύναμη στο δάπεδο (ζυγαριά).

(περισσότερα…)

Το διάγραμμα Hubble, η Μεγάλη Έκρηξη και η ηλικία του Σύμπαντος

To 1929 o Edwin Hubble, μετά από μακροχρόνιες παρατηρήσεις στο Αστεροσκοπείο του Όρους Ουίλσον, στην Καλιφόρνια, ανακοίνωσε ότι σε ένα σύμπαν που διαρκώς επεκτείνεται, όσο πιο μακρυά βρίσκεται ένας γαλαξίας από εμάς τόσο πιο γρήγορα κινείται. Βρήκε δηλαδή ότι οι ταχύτητες που απομακρύνονται οι γαλαξίες είναι ανάλογες της απόστασής τους από εμάς. Με την ανακάλυψη αυτή εδραιώθηκε η πεποίθηση στην επιστημονική κοινότητα ότι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι καλά τεκμηριωμένη.

Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Πώς επιβεβαιώνεται η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης με τα ευρήματα του Hubble;

Μια εξαιρετική προσέγγιση του πώς μπορούμε να βρούμε μία απλή και κατανοητή μέθοδο, την οποία να προτείνουμε στους μαθητές των μεγάλων τάξεων του λυκείου (Β΄ και Γ΄ τάξης) ή σε πρωτοετείς φοιτητές, περιγράφει ο Dr Ted Forringer, καθηγητής σε τεχνολογικό κολλέγιο της πολιτείας Georgia, ΗΠΑ, σε άρθρο του στο επιστημονικό περιοδικό The Physics Teacher με τίτλο «A Guided Innquiry on Hubble Plots and the Big Bang».

O Dr Forringer χρησιμοποιεί απλά διαγράμματα, που δίνει στους μαθητές του, όπου φαίνονται οκτώ σωματίδια να κινούνται προς ορισμένες κατευθύνσεις και ζητάει από τους μαθητές να αναγνωρίσουν σε ποια από αυτά απεικονίζεται κάποια έκρηξη και με τι χαρακτηριστικά.

Αντί για τα διαγράμματα, με τη βοήθεια της εφαρμογής Interactive Physics, σχεδίασα τέσσερα μικρά βιντεάκια, με τα οποία μπορούμε να έχουμε μια άμεση παρουσιάση της όλης μεθόδου, αφήνοντας στον μαθητή να συνάγει  τα συμπεράσματά του και να απαντήσει μόνος του στο ερώτημα, γιατί πιστεύουμε ότι το σύμπαν μας ξεκίνησε με μια έκρηξη δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Η φύση μιας έκρηξης

Η άσκηση ξεκινάει με την πιο βασική ιδέα: «Με τι θα έμοιαζε, αν παίρναμε μια φωτογραφία από μια ομάδα σωματιδίων που ξεκίνησε ως μέρος μιας ενιαίας έκρηξης;» Για τους σκοπούς αυτής της άσκησης, υποθέτουμε ότι, μετά την έκρηξη, τα σωματίδια θα κινούνται σε μια ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα. Υπάρχουν δύο κύρια κριτήρια για τον προσδιορισμό των ομάδων των σωματιδίων που παρήχθησαν σε έκρηξη:

Όλα τα σωματίδια πρέπει να απομακρύνονται από το ίδιο κεντρικό σημείο.

Δεδομένου ότι όλα τα σωματίδια ταξιδεύουν για το ίδιο χρονικό διάστημα, τα σωματίδια που είναι πιο μακριά πρέπει να κινούνται ταχύτερα. Αυτό συμβαίνει αν σκεφτούμε ότι \displaystyle v = \frac{d}{t} . Επειδή  τα σωματίδια παράχτηκαν την ίδια στιγμή, ο χρόνος t της κίνησής τους θα είναι κοινός για όλα. Όχι όμως και οι ταχύτητές τους, γιατί μετά από μία έκρηξη, όλα τα «θραύσματα» δε φεύγουν με την ίδια ταχύτητα. Επομένως αυτά που θα έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες θα βρίσκονται και σε μεγαλύτερες αποστάσεις d.

Για την αντιμετώπιση του πρώτου σημείου, στους μαθητές εμφανίζονται τα δύο παρακάτω videos. Το video 1.1 , με σωματίδια που κινούνται μακριά από μια κεντρική θέση  και το video 1.2, με όλα τα σωματίδια να κινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Ρωτούμε, ποιο αντιπροσωπεύει σωματίδια που θα μπορούσαν να προέρχονται από μια έκρηξη.  Οι μαθητές το βρίσκουν αυτό απλό, και εύκολα αναγνωρίζουν ότι, προκειμένου να έχουν ξεκινήσει από μια έκρηξη, τα σωματίδια πρέπει να απομακρύνονται από μια κεντρική τοποθεσία

(περισσότερα…)

Το δίλημμα του Ταρζάν

Εικ. 1

…πριν καταπιαστήτε με το πρόβλημα.

Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι να έλθουν σε επαφή οι μαθητές, που τους ενδιαφέρει η Φυσική, με θεωρητικούς υπολογισμούς τους οποίους μπορούν να κάνουν αν έχουν γνώσεις για τις βολές και μάλιστα για την πλάγια. Η αλήθεια είναι ότι από τη διδακτέα ύλη των Λυκείων η πλάγια βολή έχει αφαιρεθεί και το μόνο που υπάρχει από τις βολές είναι η οριζόντια, την οποία διδάσκονται οι μαθητές της Β´ Λυκείου στη Φυσική ΓΠ. Θα μπορούσαν επίσης να ασχοληθούν με το πρόβλημα και οι πρωτοετείς φοιτητές θετικών επιστημών και γενικά ο καθένας που τον ενδιαφέρει να κάνει μία μικρή εξάσκηση σε απλές θεωρητικές γνώσεις  Φυσικής και λίγων μαθηματικών επιπέδου Γ´ Λυκείου ή πρώτου πανεπιστημιακού έτους.
Το λεγόμενο «Δίλημμα του Ταρζάν» μπορεί κανείς να το βρει σε αρκετές εκδοχές και προσεγγίσεις. Σας παρουσιάζω μια αρκετά εκλαϊκευμένη προσέγγιση από το περιοδικό The Physics Teacher της Αμερικάνικης Ένωσης Καθηγητών Φυσικής (AAPT) που αναπτύσσεται στο τεύχος του Νοεμβρίου 2013 από τους Matthew Rave και Marcus Sayers του πανεπιστημίου Western Carolina. Ως συνοδευτικό του άρθρου έχω προσθέσει και ένα αρχείο excel στο οποίο ενσωμάτωσα τους απαραίτητους μαθηματικούς τύπους για την κατασκευή του διαγράμματος που περιγράφει το άρθρο των δύο καθηγητών.

Καθορίζοντας το Κέντρο Βάρους: Ο χορός της κάθετης δύναμης και της Τριβής

  • The Physics Teacher Magazine
  • By Nuri Balta *Middle East Technical University, Ankara, Turkey

Η διδασκαλία εννοιών της Φυσικής με βασικά υλικά,που βρίσκονται γύρω μας, είναι μια από τις ομορφιές της Φυσικής. Χωρίς ακριβά εργαστηριακά υλικά και χρονοβόρα  πειράματα, πολλές έννοιες της φυσικής μπορούν να διδαχθούν στους μαθητές με τη χρήση απλών εργαλείων. Επιδείξεις με τέτοιου είδους εργαλεία μπορούν να παρουσιάζονται ως αναπάντεχα γεγονότα που εκπλήσσουν, εντυπωσιάζουν ή προβληματίζουν τους μαθητές. Ο Greenslade έχει περιγράψει άριστα 14 πράγματα που μπορούμε να κάνουμε με μία ράβδο, ένα εκ των οποίων είναι το «ράβδος σε δύο δάχτυλα.» Σε αυτή την εργασία περιγράφω μερικές παραλλαγές της επίδειξης της  «ράβδου σε δύο δάχτυλα» .
Μια ράβδος πάνω σε δύο δάχτυλα 

Κρατήστε μία ομογενή ράβδο ή μεταλλικό σωλήνα σε οριζόντια θέση μεταξύ των δύο τεντωμένων δεικτών σας έτσι ώστε οι παλάμες να είναι η μία απέναντι της άλλης, όπως φαίνεται στην Εικ. 1 (α).  Ρωτήστε τους μαθητές πού θα συναντηθούν τα δάχτυλα, αν πλησιάσει το ένα με το άλλο. Οι περισσότεροι μαθητές προβλέπουν ότι θα συναντηθούν στο κέντρο της ράβδου.

cm1

Εικ. 1(α). Τα δάκτυλα ισαπέχουν από τις δύο άκρες της ράβδου
Εικ. 1(β). Τα δάκτυλα σε άνισες αποστάσεις από τα άκρα.

(περισσότερα…)

Γιατί πολλαπλασιάζουμε με g;

  • The Physics Teacher Magazine
  • By Jane Bray Nelson, Santa Fe College, Gainesville, FL

Ως νέα καθηγήτρια της Φυσικής, εξηγούσα πώς μπορεί κανείς να βρει το βάρος ενός αντικειμένου, που βρίσκεται ακίνητο πάνω σε ένα τραπέζι, κοντά στην επιφάνεια της Γης. 

Με ενόχλησε όταν ένας μαθητής ρώτησε, «Το αντικείμενο δεν επιταχύνεται, επομένως γιατί πολλαπλασιάζουμε τη μάζα του αντικειμένου με την επιτάχυνση της βαρύτητας;» 
 
Απάντησα κάτι σαν, «Αυτό είναι αλήθεια, αλλά αν το τραπέζι δεν υπ’ηρχε, το αντικείμενο θα επιταχυνόταν μ’ αυτή την τιμή» 
 
Οι πραγματικά μελετημένοι μαθητές συνέχισαν να ρωτούν, «Ναι, αλλά τι θα γινόταν αν το αντικείμενο βρισκόταν ακίνητο πάνω στην επιφάνεια της Γης; « 
 

Περίπου εκείνη την ώρα, άρχισα να ελπίζω ότι θα χτυπήσει το κουδούνι έτσι ώστε όλη αυτή η συζήτηση θα μπορούσε να καθυστερήσει μέχρι την επόμενη μέρα. Την επόμενη ημέρα, θα ήθελα να εξηγήσω ότι η μονάδα Newton είναι η ίδια με το  kg \cdot m/s^2 Πολλαπλασιάζοντας έτσι τα χιλιόγραμμα της μάζας επί την επιτάχυνση της βαρύτητας, θα πάρουμε ως απάντηση το βάρος σε Newtons. Ενώ όμως όλο αυτό έχει νόημα για μένα, είμαι σίγουρος ότι οι μαθητές συνέχισαν να περιμένουν να πάρουν τη σωστή απάντηση.

(περισσότερα…)

Τοπίο στη Φυσική © 2014 Frontier Theme