Dannelse av trykk i kolbe med ballonglokk

Transkript

1 Dannelse av trykk i kolbe med ballonglokk Innholdsfortegnelse Innledning. side 1 Teori. side 3 Utstyr..side 5 Framgangsmåte side 6 Risikovurdering side 7 Resultat..side 7 Naturvitenskapelig drøfting..side 7 Naturfagdidaktisk side 9 Konklusjon side 10 Innledning I denne rapporten har vi valgt å ta utgangspunkt i et elevforsøk som ble gjennomført under vår praksisopphold på Hunstad ungdomsskole. Forsøket ble gjennomført på åttende trinn, med en gruppestørrelse på femten elever. Forsøket er hentet fra læreverket Eureka! 8 Naturfag for ungdomstrinnet (Frøyland m.fl. 2006). Grunnboken vil videre i teksten omtales som Eureka!. Formålet med forsøket var at elevene gjennom en induktiv tilnærming skulle forstå hvordan volumet til gass og væske kan variere avhengig av trykk og temperatur. Eureka! formulerer hensikten på følgende måte: Bruk fantasi og fornuft når du planlegger dette forsøket. Oppdraget er at du skal kunne få en ballong til å blåse seg opp og til deretter å suges inn i kolben slik det er vist på tegningen. (Frøyland m.fl. 2006:117) (bilde 1) 1

2 Bilde 1: Illustrasjonsfigur. Laget av: Kamilla Pedersen Relevante mål fra LK06 er: Etter 7. Trinn: Forskerspiren: formulere spørsmål om noe han eller hun lurer på, lage en plan for å undersøke en selvformulert hypotese, gjennomføre undersøkelsen og samtale om resultatet forklare hvorfor det er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater Fenomener og stoffer: beskrive sentrale egenskaper ved gasser, væsker, faste stoffer og faseoverganger ved hjelp av partikkelmodellen (Lund, 2006) Etter 10. Trinn Forskerspiren: planlegge og gjennomføre undersøkelser for å teste holdbarheten til egne hypoteser og velge publiseringsmåte 2

3 forklare betydningen av å se etter sammenhenger mellom årsak og virkning og forklare hvorfor argumentering, uenighet og publisering er viktig i naturvitenskapen (Lund, 2006) Målene etter sjuende trinn er av størst relevans for dette forsøket. Men siden aktiviteten gjennomføres på åttende trinn er det sentralt å se på mål for ungdomstrinnet. Vi ser at målene etter tiende trinn ikke er hent relevante men forsøket vil være med på starte en utvikling mot disse målene. Vi tenker også at forøket kan være en fin måte å repetere de sentrale teoriene elevene skal ha lært på mellomtrinnet. Teori Alle stoffer er bygd opp av partikler. En partikkel kan være enten et molekyl, et atom eller et ion. En partikkel kan altså variere i størrelse og masse, alt fra det lille hydrogenatomet, til store nettverk av atomer. Ut i fra dette forstår vi at en partikkel vil kunne varierer i form, masse og volum. (Hannisdal og Ringnes,2011) Når vi har mange identiske partikler samlet, kaller vi det et stoff. Et stoff kan opptre i tre ulike faser. Disse fasene beskriver vi som faste stoffer, væsker og gasser. Hvilken tilstand stoffet opptrer i påvirkes av temperatur, men også trykk. Ved hjelp av partikkelmodellen kan vi forklare stoffenes tilstand og faseoverganger og illustrere partiklenes bevegelse og plassering i de ulike tilstandene. I et fast stoff ligger partiklene tett inntil hverandre og vibrerer. Når temperaturen synker, vil partiklene vibrere svakere, noe som fører til at partiklene ligger roligere og stoffet har mindre volum. Partiklene ligger systematisk i en bestemt struktur uavhengig av underlag eller beholder. Tettheten i stoffet er stor. (Hannisdal og Ringnes, 2011) Når temperaturen øker, vil partiklene vibrere kraftigere, de får økt bevegelsesenergi og bryter ut av sin faste struktur. Stoffet går over til væskeform. Partiklene kan nå bevege seg friere i forhold til hverandre. Denne faseovergangen kaller vi smelting. I en væske ligger partiklene uordnet og 3

4 temperaturen er høyere enn i det faste stoffet. Partiklene beveger og roterer om hverandre og er svakt bundet sammen. Hvis temperaturen stiger vil partiklene bevege seg raskere og kollidere oftere. Dette fører til at volumet øker og tettheten minker. I en væske vil stoffet forme seg etter beholderen. Hvis stoffet varmes opp til kokepunktet vil partiklene få så høy bevegelsesenergi at de løsrives fra hverandre. (Hannisdal og Ringnes, 2011) Et stoff som går fra væskeform til gassform gjennomgår en fordampning. Stoffet har fått lavere tetthet og større volum. I en gass er avstanden mellom partiklene mye større enn i væskeform og partiklene kan bevege seg fritt i rommet uavhengig av hverandre. Partiklene i en gass beveger seg i rette linjer med høy hastighet. For at de skal endre retning må de kollidere med andre partikler i omgivelsene. Når partiklene beveger seg fritt på denne måten vil de spres utover til stadig større områder. Dette kaller vi diffusjon. (Hannisdal og Ringnes, 2011) I korte trekk forklarer partikkelmodellen at jo høyere temperaturen er, dess raskere vil partiklene i et stoff bevege seg. Dette er årsaken til de store forskjellene i volum og tetthet mellom de ulike fasene. Som nevnt vil et fast stoff som går over til væske smelte. Et stoff fordamper når det går fra væske til gass. Ved avkjøling av gassen vil den kondensere til væske. Ved videre avkjøling vil væsken størkne til et fast stoff. Når et stoff varmes opp så fort at det går direkte fra fast stoff til gass kaller vi det sublimering. Når gassen raskt avkjøles til et fast stoff kalles det deposisjon. (Hannisdal og Ringnes, 2011) (Anonym: Wikipedia, 2012) De fleste stoffene kan beskrives ved hjelp av denne modellen. Et unntak er vannmolekylene. Vannet vil støtte seg til partikkelmodellen på temperaturer over 4 o C. Når vannet er ved 4 o C er det på sitt tyngste, altså tettheten er størst. Etter hvert som temperaturen synker til minusgrader vil vannmolekylene krystalliseres og volumet øker. Vannet har frosset til is. (Hannisdal og Ringnes, 2011) 4

5 Innledningsvis nevnte vi at stoffenes tilstander varier med trykk. Ved oppvarming i beholder vil partiklene kollidere oftere, men siden volumet er konstant vil trykket øke. Det motsatte skjer ved avkjøling hvor trykket vil avta. Hvis oppvarmingen skjer uten beholder vil partiklene fremdeles kollidere oftere, men de har fritt rom å bevege seg i, stoffet får økt volum og tettheten avtar. Har man en elastisk beholder vil beholderen få større volum hvis trykket inni er større enn omgivelsene, i motsatt tilfelle vil volumet minke hvis det er mindre trykk innvendig i forhold til omgivelsene. Utstyr: Grunnleggende utstyr: o Ballong o Kolbe Generelt utstyr som elevene mener de har behov for: o Fyrstikker o Gassbrenner o Vann o Stativklemme o Vernebriller o Trefotet stativ o Trådnett Av dette utstyret skal det meste være en del av det generelle utstyret som skal finnes på kjemilaben. Det måtte på forhånd kjøpes inn ballonger, disse er ikke særlig kostbare men man må regne med at det går fler enn man skulle tro. Ellers vil gass til gassbrennerne og fyrstikker være utstyr som kan være en begrensende faktor med tanke på forbruk. 5

6 Universitetet i Nordland: Lærerutdanning, kunst og kulturfag Av: Kjersti R. Sivertsen og Kamilla E. Pedersen Vår Framgangsmåte Elevene fulgte fremgangsmåten som stod beskrevet i Eureka!. Lag først en plan for hvordan du vil gjennomføre forsøket, og hva du trenger av utstyr. Sørg for at læreren har godkjent planen før du går i gang med forsøket. (Frøyland m.fl. 2006:117) På grunn av aktivitetens oppbygging ble ikke eleven presentert for et kokebokforsøk. Vi ønsker likevel å presentere framgangsmåten for utførelse. Vi vil presisere at elevene ikke fikk tilgang til denne informasjonen. Ha litt vann i en kolbe Kok opp vannet over gassbrenneren Tre på ballongen Kok til ballongen fylles med gass og har blitt blåst opp. (Bilde 1) Ta kolben av gassbrenneren og avkjøl i vannbad slik at ballongen suges inn. (bilde 3) Bilde 2: Ballongen har vokst. Foto: Eirik S. Melby Bilde 3: Ballongen har blitt sugd inn. Foto: Eirik S. Melby 6

7 Elevene delte seg selv i grupper hvor de jobbet sammen tre og tre. De fikk utfordringen presentert i plenum. Alle gruppene hadde tilgang til identisk utstyr. Risikovurdering Elevene skal på forhånd ha lært om lab- vett- regler. Vi minnet likevel på om at fyrstikken skal tennes før gassbrenneren og at vernebriller er forventet. Elevene arbeidet brannskadelige komponenter både i form av gassbrenneren og det kokende vannet. For å unngå ulykker er det viktig at elevene er bevisste på disse elementene, og at forsøket gjøres under kontrollerte forhold. Det vil si at vi krevde arbeidsro og fokus. Et tiltak for å forebygge ulykker var at forsøket ble gjennomført med halve klassen av gangen. Resultat De fleste elevene tredde på ballongen med en gang, og begynte deretter å koke vannet. Det var også variasjon i hvilken mengde vann elevene prøvde med. Noen hadde vann helt opp til randen av kolben, andre prøvde uten vann. Alle gruppene fikk ballongen til å utvide seg (i ulike grader), men ingen fikk ballongen til å bli sugd inn på første forsøk. Vi gikk rundt og stilte ledende men samtidig åpne spørsmål for å sette i gang de riktige tankeprosessene hos elevene. Elevene fikk da nye ideer og ble oppmuntret til å forsøke noe nytt. Da så vi at flere elever greide å trekke inn riktig teori og gjorde forsøk som var nærmere en riktig løsning. De forsøkte seg blant annet med å varme opp bare luft, de avkjølte både med og uten vannbad, og enkelte tappet varmtvann fra krana for å ha en høyere starttemperatur i vannet. Naturvitenskapelig drøfting Under gjennomføring med elever så vi at mange forstod at de måtte varme opp vann for å få ballongen til å utvide seg. Med utgangspunkt i partikkelmodellen vil en slik framgangsmåte være riktig. Når vannet koker vil partiklene bevege seg 7

8 raskere, de kolliderer oftere, går over i gassform og trykket inni ballongen øker. Dette førte til at ballongen utvidet seg. Noen elever forsøkte seg med å varme opp bare luft, og begrunnet dette i at partiklene beveget seg raskere og trengte større plass. Tanken var ok i forhold til teorien, men det sentrale for å få utslag på temperaturendringene, er å få faseoverganger for stoffet. Forholdet i massetettheten mellom vann og vanndamp er svært utpregende og tydelig. Og det er dette vi ønsket at elevene skulle få fram. Vi nevnte også at noen elever tappet varmtvann fra krana for å endre starttemperatur. Ved oppkoking ville ballongen blåses opp, men ved avkjøling fikk den ingen tydelig innsuging. Dette fordi at volumforskjellene mellom varmt og kaldt vann ikke er store nok med disse mengdene. Elevene hadde fortsatt vann i væskeform som utgangspunkt. (Hannisdal og Ringnes, 2011) Ved riktig gjennomføring vil vanndampen som skapes ved oppkoking uten ballong skape høy konsentrasjon av vanndamp inni kolben, ikke bare luft. Med vanndamp som utgangspunkt før ballongen ble tredd på vil vi ved videre oppkoking av vannet få en fordampning og ballongen vokser. Ved avkjøling derimot, vil vanndampen vi hadde i utgangspunktet kondensere: Siden H2O i væskeform har mye større tetthet enn i gassform ble det skapt et undertrykk og ballongen ble sugd inn. Noen grupper slet med å finne fram til riktig framgangsmåte. En årsak til dette kan ha vært manglende forkunnskaper om emnet. For å få en annen dynamikk i gruppene kan det også være en idé at læreren setter sammen gruppene. Andre endringer som kunne vært gjort er å bygge opp aktiviteten på en annen måte. Istedenfor å legge opp til et utforskende elevforsøk kunne vi enten gitt dem oppskriften som i et kokebokforsøk, eller hatt et demonstrasjonsforsøk av læreren. Ulempen med dette ville vært at vi hadde mistet aspektet med at elevene skulle være egne aktører knyttet til forskerspiren, noe som innledningsvis ble vektlagt gjennom LK06. Når det er sagt synes vi det var en god aktivitet, med mye engasjement og til dels høy wow- faktor. (Hannisdal og Ringnes, 2011) 8

9 Naturfagdidaktisk drøfting Vi opplevde at elevene viste stor interesse og var engasjerte i gjennomføringen. De ble bevisste på teoriene, og hvordan disse kunne tas i bruk for å oppnå et ønsket resultat i en praktisk aktivitet. Forsøket hadde både et teoretisk mål knyttet til naturfag, og et like viktig aspekt med at elevene fikk trening i å forske og få kjennskap til hvordan forskere kan arbeide for å finne ut av ulike problemstillinger og hypoteser. Aktiviteten fungerte godt, og vi ser verdien av en god refleksjon i etterkant av øvelsen for å skape en større forståelse. Vi synes det var viktig og spennende å gi eleven lov til å prøve og komme med egne teorier. I denne sammenhengen vil en felles refleksjon bidra til å få klarhet i eventuelle misoppfatninger. I dette forsøket har læreren en god mulighet til å presisere hva som skjer når et stoff utvider seg. Mange elever har lært at et stoff består av partikler, og når stoffet varmes opp utvider det seg. En vanlig misoppfatning her er at elevene tror det er selve partiklene som utvider seg. Dette er feil. Her må læreren være bevisst på at det er partiklenes bevegelse som fører til at stoffet utvider seg. Mange tenker at i lufta er det mange små molekyler. Det viktige blir å forklare dem at lufta er mange små molekyler. (Sjøberg, 2001) Å arbeide i grupper på denne måten hvor elevene sammen diskuterte og drøftet seg fram til forståelse kan i stor grad knyttes til det sosiokulturelle læringssynet. Det går ut på at alle aktørene kommer til aktiviteten med ulike kunnskaper og at de sammen, gjennom interaksjon og samhandling med andre får styrket sin individuelle forståelse. Ved å la elevene få forsøke og eksperimentere, blir de aktører i egen læring, noe som er med på å øke engasjement for forståelse. En praktisk gjennomføring er også et godt bidrag til å forsterke og øke kunnskap knyttet til bestemte teorier. (Svanberg og Wille, 2009) 9

10 I aktiviteten var det stor frihetsgrad. Dette kan føre til økt motivasjon. Videre er aktiviteten lagt opp til at elevene kan følge «standardmodellen» for naturvitenskapelig forskning. «Standardmodellen er egentlig ikke en metode, men en syntese som er sammensatt av flere metoder som har vokst frem de siste 400 årene. Den går ut på at man har fakta om et emne, en teori om det, en inspirasjon og et grunnlag for valg av metode. Ut fra dette vil man kunne lage seg en hypotese. Her utarbeider man en måte for å kunne teste ideen vitenskapelig. Dette er ofte omtalt som en «dristig fase». De neste fasen kalles ofte den «kritiske fasen». Det er fordi det er her man skal prøve ut teoriene/hypotesene sine, og da kan mye avhenge av beregninger og/eller om man har riktig utstyr osv. Resultatet man får av denne fasen vil enten føre til suksess, altså ny oppfinnelse, oppdagelse eller ny forståelse, eller så vil det føre til nye fakta og nye teorier. (van Marion og Strømme, 2008) I dette forsøket vi gjennomførte med elevene ga vi dem en «inspirasjon» ved å gi dem utfordringen. Her måtte de selv tenke ut en metode/teori ved hjelp av faktakunnskaper de selv satt inne med. Etter dette gikk de videre til den «kritiske fasen» ved at de måtte prøve sine egne teorier for å se om det fungerte. Når de feilet første gang, fikk de nye teorier og ny fakta, og gikk tilbake til den «dristige fasen» der de kom opp med en ny plan. Hos de aller fleste gruppene førte dette til slutt til at elevene satt inne med en ny forståelse og forsøket ble gjennomført med «suksess». (van Marion og Strømme, 2008) Konklusjon Vi opplevde at aktiviteten fungerte godt og at elevene fikk et godt læringsutbytte knyttet til både forskerspiren og fenomener og stoffer. Aktiviteten var fin som en avslutning for temaet. Vi kunne også brukt forsøket som en intro til fagstoffet hvis vi hadde bygd det opp som et kokebokforsøk eller et demonstrasjonsforsøk. Dette for å vekke interesse i forkant av temaet. Aktiviteten kan også bidra til økt forståelse innenfor små hverdagsproblemer. For eksempel åpning av syltetøyglass, men også for å kunne sette seg inn i debatter og artikler. Vi 10

11 opplever at elevene har et godt utgangspunkt for å arbeide videre mot LK06s nevnte måloppnåelse etter tiende trinn. 11

12 Kildeliste Anonym: Wikipedia (2012) (hentet ) Frøyland, M., Hannisdal, M., Haugan, J. og Nyberg, J. (2006), Eureka! 8 Naturfag for ungdomstrinnet. Gyldendal Norsk Forlag Hannisdal, M. og Ringnes, V.(2011), Kjemi for lærere. Gyldendal Norsk Forlag Lund, H. (2006), =5 (Hentet ) Sjøberg, S. (2001), Natur- og miljøfag. I: S. Sjøberg (red.) Fagdebatikk fagdidaktisk innføring i sentrale skolefag. Gyldendal Akademisk. Svanberg, R. og Wille, H. P. (2009), La Stå! Læring på veien mot den profesjonelle lærer. Gyldendal Norsk Forlag Van Marion, P. og Strømme, A. (2008), Biologididaktikk. Høyskoleforlaget