Lysakervassdragsprisen 2011 Arkimedes og gullkronen BOGSTAD SKOLE 15. mars 2011 Skrevet av: 6.trinn Bogstad skole, Kim Fjelking Slaatsveen og Terje Løken
Lysakervassdragsprisen 2011 Arkimedes og gullkronen Formål. Kunnskapsløftet sier: Naturvitenskapen har vokst fram som en følge av menneskers nysgjerrighet og behov for å finne svar på spørsmål om sin egen eksistens, liv og livsformer og vår plass i naturen og i universet og er på den måten en del av vår kultur. Naturvitenskapens lover og teorier er modeller av en sammensatt virkelighet, og disse modellene endres eller videreutvikles gjennom nye observasjoner, eksperimenter og ideer. En viktig del av allmennkunnskapen er å kjenne til at naturvitenskapen er i utvikling, og at forskning og ny kunnskap i naturvitenskap og teknologi har stor betydning for samfunnsutviklingen og for livsmiljøet. Selv om naturvitenskapen er delt opp i ulike fagdisipliner som biologi, fysikk og kjemi og geofag, er målet at skolefaget naturfag både teoretisk og praktisk framstår som et helhetlig fag. Kunnskap om, forståelse av og opplevelser i naturen kan fremme viljen til å verne om naturressursene, bevare biologisk mangfold og bidra til bærekraftig utvikling. Å arbeide både praktisk og teoretisk i laboratorier og naturen med ulike problemstillinger er nødvendig for å få erfaring med og utvikle kunnskap om naturvitenskapens metoder og tenkemåter. Dette kan bidra til utvikling av kreativitet, kritisk evne, åpenhet og aktiv deltakelse i situasjoner der naturfaglig kunnskap og ekspertise inngår. Varierte læringsmiljøer som feltarbeid i naturen, eksperimenter i laboratoriet og ekskursjoner til museer, vitensentre og bedrifter vil berike opplæringen i naturfag og gi rom for undring, nysgjerrighet og fascinasjon. Kompetanse i å forstå ulike typer naturvitenskapelige tekster, metoder og teknologiske løsninger gir et godt grunnlag for yrkesfaglige utdanninger, videre studier og livslang læring i yrke og fritid. Vårt mål med naturfagsundervisningen på Bogstad skole dette skoleåret har vært å vinkle faget mot praktisk arbeid uten at dette går utover den teoretiske innlæringen. Gjennom å undre, stille hypoteser, gjøre forsøk, diskutere og erfare har vi jobbet for at naturfagsrommet skal være et spennende sted å være. Vi vil at elevene skal glede seg til timene i naturfag. De skal komme inn i rommet med en forventning om at her skal vi forske og undersøke. Gjennom dette mener vi at motivasjonen vil øke og elevene vil få økt læringsutbytte til slutt. 1
Begrunnelse for valg prosjekt. For å nå målet vårt om at naturfag skal vinkles praktisk og spennende, ville vi gjennomføre et prosjekt som baserte seg på prinsippene i forskerspiren. Vi har tidligere hatt to store prosjekter hvor Lysakerelva har vært hovedfokus. Da har elevene jobbet med blant annet historien rundt vassdraget, planter, insekter, trær, fugler, dyr og vannkvalitet. Vi ønsket derfor å gjøre noe annerledes denne gangen. Barna har selv undret seg over at store tankskip kan flyte, mens en liten stein synker. Dette spørsmålet kom opp da vi tidligere snakket om at Lysakerelva ble brukt til tømmerfløting. Hvorfor flyter en tung tømmerstokk, mens en liten stein synker? Kan glimtene av noen genistreker i vitenskapshistorien være til inspirasjon for dagens elever? Vi ønsker at elevene gjennom prøving og feiling, motgang og skuffelser, bereder grunnen for den store oppdagelsen, det gylne øyeblikket. Nils Kristian Rossing ved Skolelaboratoriet sier at når et øyeblikk som dette inntreffer, gir det en så positiv og opphøyet opplevelse at en vil strebe mot å oppnå det igjen. Han mener at om vi klarer "å gjenskape" noen slike øyeblikk hos elevene, så betyr det mer enn vi er klar over. Det vil åpne opp for innsikt og en undersøkelsestrang preget av kreativ og skapende aktivitet, tror Rossing. (Gemini, Forskningsnytt for SINTEF og NTNU) Forankring i Kunnskapsløftet. Forskerspiren Kompetansemål: 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 bruke digitale hjelpemidler og naturfaglig utstyr ved eksperimentelt arbeid og feltarbeid Mangfold i naturen Kompetansemål: planlegge og gjennomføre undersøkelser i noen naturområder i samarbeid med andre 2
Fenomener og stoffer Hovedområdet omfatter sentrale områder fra fysikk og kjemi. Her behandles hvordan stoffer er oppbygd, reagerer med hverandre, sentrale fenomener som lyd, lys, elektrisitet og magnetisme, energi og energikilder. Området dreier seg om sammenhenger mellom fenomener, og hvordan mennesker har lært seg å utnytte ulike fenomener og stoffer. Kompetansemål: beskrive sentrale egenskaper ved gasser, væsker, faste stoffer og faseoverganger ved hjelp av partikkelmodellen 3
Bakgrunn. Hva hadde Arkimedes i badekaret å bestille? Arkimedes fant loven for oppdrift da han skulle hjelpe kongen av Syrakus med å avsløre en bedragersk gullsmed. Med enkle midler kan vi gjenskape hvordan Arkimedes løste problemet med kongens krone, og hvordan han avslørte bedrageren! Samtidig kan vi lære noe om tetthet og oppdrift. Arkimedes levde på Sicilia et par århundrer før vår tidsregning. Han var et geni innen matematikk, teknikk og vitenskap. Det er ikke så mye vi vet om Arkimedes, men de fleste har hørt anekdoten om hvordan han spratt opp fra badekaret og løp naken gjennom gatene mens han ropte Eureka! (Jeg har det!). Kan Arkimedes hjelpe kongen med å avsløre en uærlig gullsmed? (Illustrasjon: John Leech) Men hva var det for problem Arkimedes hadde løst der i badekaret? Historien vil ha det til at Hieron, som var konge i Syrakus hvor Arkimedes bodde, hadde bedt universalgeniet Arkimedes om hjelp til å avsløre et bedrageri. Han hadde fått laget seg en krone i gull, men mistenkte at gullsmeden hadde stukket noe av gullet i egen lomme og erstattet det med billigere metall. Kunne Arkimedes hjelpe? Det kunne han. Ethvert barn vet jo at kroppen kjennes lettere i vann, og at vannstanden stiger når man legger seg i badekaret, så dette var ikke Arkimedes store oppdagelse. Det han fant ut, var at han kunne bruke dette til å avdekke forskjell i tetthet mellom to ting som veier like mye. Kronen veide jo like mye som gullet som gullsmeden hadde fått, men volumet var vanskelig å finne uten å smelte om kronen. Og det ville ikke kong Hieron. Siden kronen med lettere materiale vil ha større volum enn en gullklump som veier like mye, vil kronen fortrenge mer vann enn gullklumpen. Man kan derfor duppe de to objektene i et vannkar og se om vannstanden stiger like mye. Det er ikke så lett å få et nøyaktig mål på dette, og det vil jo avhenge av hvor stort karet er i areal. Det Arkimedes gjorde, var å veie kronen og gullklumpen nede i vannet. Selv om de veide like mye i luft, var kronen betraktelig lettere enn gullklumpen under vann. Arkimedes hadde løst problemet, kongen fikk avslørt bedrageriet og gullsmeden ble sannsynligvis et hode kortere. (fra www.naturfag.no) 4
5
Oppstart av prosjektet. Vi startet arbeidet med prosjektet tidlig i høst. For at elever skal kunne forstå Arkimedes sin løsning av problemet med gullkronen, må de ha gode kunnskaper om vann og vannets egenskaper. Vi begynte derfor med å gjennomføre en serie forsøk for at elevene skulle få kunnskaper om vann og dets egenskaper. Eksempler på forsøk: - Kan binders flyte? (overflatespenning) - Fotosyntesen på vinduet. - Båt med såpemotor. - Vannets faseoverganger - fryse en glassflaske med vann. - Kondensere vann fra et reagensrør til et annet (vannets kretsløp) - Dampmaskinen. - Stoffer med ulik egenvekt. Båter av aluminiumsfolie med spiker som last. Vi begynte timen med å stille elevene spørsmålene: Hva skjer om man fyller et badekar helt til randen med vann og så legger seg oppi selv? Hvorfor flyter en tømmerstokk, mens en bitte liten stein synker? Hvorfor kan tankskip på mange tonn flyte, mens et kronestykke synker? Elevene kom opp med sine hypoteser: - Trykk på vannet, tømmerstokk små hull (tar inn og slipper ut) ballast. - Stein synker fordi den er kompakt, treverk flyter fordi det har luft inni seg. - Formen til ting som flyter er hul, da har det luft inni seg. - Båter beveger seg, synker ikke når de er i bevegelse - Båten er spiss under og bretter seg utover vannet - Vakuum, vann under seg som dytter den opp - Stein flyter ikke fordi det ikke har luft inni seg (tetthet) - Båt har spesiell form og størrelse - Avhengig av hvilket materiale det er lagd av. - Luft inni en treplanke? - Plass inni tankskipet. - Luft inni 6
- Ting blir lettere i vann - Båten synker jo om man fyller den med vann - Formen, spiss ned i vannet. Vi stilte de så spørsmålet om hvordan vi skulle finne det ut. Elevenes svar: - Lese om det, lese om vann. - Forsøke å lage båter i ulike former og materialer, ta ting oppi og se hvor mye man kan laste i så det flyter. - Teste små båter, tenke fasong og vekt. - Legge vekt på flere steder i båten. - Sammenligne ulike materialer. - Forskjellige former - Båten er stor - spiker liten, samme materiale, men den ene flyter ikke... Elevenes oppgave. Elevene fikk i oppgave å lage båter av aluminiumsfolie og så teste ut hvor mange spiker de kunne laste i båten sin før den sank. De skulle diskutere formen på båten og fikk ikke lage båter som var lengre enn 12 centimeter. Etter å ha diskutert tegnet de båten og fikk godkjenning av lærer til å sette i gang med å teste. Vinnerbåten fløt med 49 spiker som last. Vi tok så frem denne båten og diskuterte med elevene hvorfor denne båten var bedre enn de andre. Elevene så med en gang at formen på denne båten var bedre enn de andre. De kom sammen frem til at alle båtene sank om man bare hadde nok spiker oppi dem. Vinnerbåten hadde høyere kanter enn de andre og kunne derfor bære mer last. 7
Igangsetting av Arkimedes og gullkronen. Vi presenterte kongens oppdrag til Arkimedes for elevene uten å fortelle noe om hvordan Arkimedes løste det. Alle barna var enige om at når man legger seg ned i et badekar stiger vannstanden og vi blir lettere under vann. Dette var utgangspunktet for forsøket de skulle gjennomføre. Elevforsøk. Gjenskape Arkimedes løsning av problemet med gullkronen. Materialer og utstyr et lodd eller annet objekt av metall (spikerbunt) som kan representere gullklumpen modellerleire en håndfull skruer og muttere sytråd fjærvekt et kar med vann Hypoteser. Plastelinaen fyller seg med vann (som i en svamp). Plastelinaen løser seg litt opp i vann. Plastelinaen har små luftehull som ikke blir fylt med vann. Spikerne har ikke noen luftehull. Så da veier de mer. Plastelinaen forandrer vekt når den blir våt. Hull i krona som han ikke har fylt med vann og gullklumpen har ingen sprekker eller hull. 8
Vi laget også en grubletegning ut fra hva elevene trodde kom til å skje. Utførelse Forsøket går ut på å finne ut hvordan to ting som veier like mye har forskjellig massetetthet ved hjelp av Arkimedes' lov. Form modellerleiren til en krone. Dekorer den med skruer og muttere helt til den veier eksakt like mye som gullklumpen. Fest sytråd i begge deler slik at de kan heises ned i vann. De skal ikke ligge på bunnen av karet, men henge i fjærvekta. Les av fjærvekta. Hvor mye veier kronen og gullklumpen under vann? Gjør forsøket en gang til for å kontrollere resultatene dine. Resultat. Alle gruppene fant ut at både kronen og gullklumpen blir lettere i vann, selv om de veide like mye utenfor karet. Men kronen blir enda lettere enn gullet, selv om de har samme masse. Vi fortalte så elevene at forskjellen i hva objektene veier under vann representerer forskjellen i tetthet. Hvis kronen er laget av et lettere materiale enn gullklumpen, vil den ha større volum og fortrenge mer vann. Da blir oppdriften større, og dette kan vi se av vekta. Vi kan også si at denne forskjellen i vekt under vann forteller oss hvor uærlig gullsmeden har vært. 9
10
Arkimedes lov: Oppdriften til et legeme nedsenket i væske er lik tyngden av den væsken legemet fortrenger. Etter at elevene hadde jobbet praktisk med forsøket Arkimedes og gullkronen, og blitt fortalt teorien, var det behov for å presisere for elevene at Arkimedes sin lov gjelder uansett hvilke legemer som senkes i vann. Mange elever ville forske mer for å forstå prinsippene skikkelig. Vi grep sjansen til å jobbe videre med dette, og gikk til innkjøp av Arkimedes sylindersett. Forsøket ble delt opp i ulike deler. Alle gjenstander som skulle senkes ned i målesylinder, ble først veid på vekt. Elevene skulle observere sammenhengen mellom hvor mye vannsøylen økte når objektene ble lagt oppi, og så veie det vannet som steg. De skulle så sammenligne vekten på objektet før det ble senket i vann med vekten på det vannet som steg. Vi viste et eksempel på tavla: 11
Bildene viser prosessen med veiing av ulike objekter. 12
Hva kom elevene frem til: Elevene kom frem til at når de senket sylinderen med vann eller med lodd i, så fortrengte sylinderen en mengde vann. Når de veide sylinderen med lodd i veide den mer enn om du fylte den med vann. Der hvor sylinderen veide mindre enn vannet som steg, fløt objektet. Dette skjedde hver gang de senket sylinderen uten loddet i. 13
En elevs forståelse av dette: Lærernes refleksjoner i etterkant. Det går an å undervise og få elevene på 6.trinn til å forstå Arkimedes lov. Viktigheten av å gjøre forsøk må ikke undervurderes. Elevenes interesse for å løse en så vanskelig oppgave beviser det. Deres evne til å observere underveis gjorde dem i stand til å forstå. Motivasjonen bare økte underveis. Elevene ville ikke slutte å forske på dette. De ville ha mer, og fikk det. Dette viser at vårt mål med den praktiske naturfagsundervisningen på barnetrinnet er en god metode for å oppnå forståelse. Ved å oppnå en slik interesse for faget vil elevene bli mer motiverte til å lære om og ta vare på naturen rundt oss, slik som Lysakervassdraget. 14