9-11 years Mat Vzdělávací obsah: Člověk a příroda / Fyzika Klíčové pojmy: Archimedovy zákony: plovající a potápějící se předměty ve vodě. Cílová věková skupina: 9-11 let Délka aktivity: 2 hodiny Shrnutí: Kritériem na posouzení kvality lodě je hmotnost, kterou udrží. Je to možné odměřit např. množstvím malých hřebíků, které unese bez potopení se. Právě o tomto děti diskutují a tvoří předpoklady, jak hluboká má loď být a jakou hmotnost unese. Cíl: Formulovat předpoklady (hypotézy) o vztahu mezi objemem vyduté části lodě a hmotností, kterou unese. Žáci vytvoří postup, jak testovat stanovený předpoklad (hypotézu) a poznávají následující aspekty: a) zjistí, že potřebují alespoň dvě lodě s různým objemem jejich vypouklých částí, b) použijí stejné množství plastelíny na stavbu obou lodí. Navrhnou postup, jak změřit maximální hmotnost, kterou loď udrží. Svoje návrhy zrealizují, uskuteční měření, dělají si poznámky a formulují závěry. Materiály a pomůcky (pro každou skupinu): plastelína nádoba s vodou cvoky nebo hřebíčky odměrný válec Kdo postaví nejlepší loď z plastelíny? Authors: Varela, P. & Sá. J. The content of the present document only reflects the author s views and the European Union is not liable for any use that may be made of the information therein.
KDO POSTAVÍ NEJLEPŠÍ LOĎ Z PLASTELÍNY? Motivace Učitel vyzve žáky ve skupinách, aby postavili loď z plastelíny, která unese nejtěžší náklad. Ptá se též na to, co je potřebné brát při stavbě do úvahy, na zřetel. Žáci by měli přijít k závěru, že loď je tím lepší, čím má větší vypuklinu. Bádání (Návrh a průběh experimentů, jejich pozorování) Stavba lodě (Návrh, realizace a pozorování) Jak zjistíme, která loď je dobrá? Operacionalizací kvality lodě je hmotnost, kterou unese, např. Množství hřebíčků nebo cvočků, které unese bez potopení se. Po tom, co žáci navrhnou kritérium hodnocení kvality lodě, je učitel povzbuzuje k tvorbě návrhů, jak to odměřit. Důležité je též uvědomit si, že jestliže chtějí lodě porovnávat, na jejich stavbu musí použít vždy stejné množství plastelíny. Každá skupina postaví loď a opatrně jí dá na vodu. Budou do ní přikládat hřebíky, až dokud se nepotopí. Počet hřebíčků si zaznamenají. Nejlepší loď je ta, která udržela největší počet hřebíčků. V závěru učitel navodí diskusi o charakteristikách nejlepší lodě. Jejím vyústěním má být formulace hypotézy vyjadřující vztah mezi vypuklostí lodě a hmotností, kterou udrží. Co můžeme říci o vypuklosti lodě? Učitel požádá žáky, aby navrhli postup, jak formulované hypotézy ověřit. Co bychom měli udělat, abychom ověřili, zda loď s velkým vnitřním prostorem odnese těžší náklad, než loď s menší vypuklinou? Problém, který může nastat, souvisí s měřením velikosti vypukliny. Žáci mají porozumět, že vypuklina je tím větší, čím víc vody se do ní vměstná, vejde. Objem vody odměříme odměrným válcem. Evaluace (záznam výsledků) Žáci by měli zaznamenávat získané hodnoty po dobu měření do tabulky v pracovním listu. V závěru žáci diskutují a porovnávají získané hodnoty, aby je uměli interpretovat a tvořit závěry.
PŘÍRUČKA NEPLOVAJÍCÍ PŘEDMĚTY SE STANOU PLOVAJÍCÍ A OPAČNĚ Archimedův zákon (Kdo postaví nejlepší loď? ) 9 až 11 let
i Informace pro učitele o procesu učení žáků Tyto úlohy se týkají Archimedových zákonů. Podle tohoto zákona, každé těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou, jejíž velikost se rovná váze kapaliny se stejným objemem, jaký je objem ponořené části tělesa. Hmotnost ponořeného tělesa a vztlak jsou dvě síly se stejnou hodnotou. Působí však opačně hmotnost působí směrem dolů, vztlak směrem nahoru. Jakmile hmotnost převýší vztlak, těleso se potopí. Když je hmotnost nižší než vztlaková síla, těleso vyplave na povrch, např. korková zátka na vodě. Též plechovka na vodě plave. Její objem je totiž velký v porovnání s její hmotností, což způsobí velkou vztlakovou sílu, větší než je její hmotnost. Jestliže je však plechovka zmačkaná a není tam žádná dutina naplněná vzduchem, stále se stejnou hmotností, ponoří se. Objem kovu nebo slitiny, z které je vyrobená, generuje malou vztlakovou sílu. V prvém případě je objem na hmotnost plechovky velký, t.j. je tu malá koncentrace hmoty na plochu. Jinými slovy, hustota tělesa je malá. Ve druhém případě, na stejnou hmotnost je malý objem. Je tu velká koncentrace hmoty nebo hustoty. Jestliže máme tělesa se stejnou hmotností, jde o změnu objemu, která způsobí změny v hustotě a následně jiné chování na vodě. Plávaní nebo ponoření tělesa závisí teda na jeho hustotě a hustotě kapaliny, do které je ponořené. Předmět plave, jestliže je jeho hustota nižší než hustota kapaliny. Jestliže je jeho hustota větší, těleso se ponoří. Čerstvé vajíčko je hustější než voda, do které je ponořené. Avšak rozpustíme-li trochu soli ve vodě, vajíčko vyplave. Sůl totiž zvýší hustotu vody. Je teda důležité poukázat na to, že předměty se stejnou hmotností a ze stejného materiálu, mohou plavat nebo se ponořit. Záleží to od objemu tělesa, 2
které žák porovnává s jeho tvarem. Čím je větší proláklina misky, tým větší je její objem. Děti ve věku 9 až 10 let umějí vnímat vztah/poměr hmotnosti a objemu a vytvořit si závěr, zda těleso bude plavat nebo se potopí. Tento vztah může být vyjádřen různě: těleso s velkou hmotností, které je malé, se potopí, těleso, které je lehké a má velký objem, plave, když je hmotnost na jednom místě, těleso se ponoří. V každém případě jsme ve stádiu intuitivního vysvětlování hustoty a následného vysvětlení chování těles na vodě. Aby děti přišli k tomuto porozumění, je potřebné rozeznávat pojmy jako je hmotnost, objem a množství hmoty. Musí porozumět, že stejná hmotnost a stejné množství hmoty může mít různý objem (velikost, tvar). Zajímavé je zjištění, že žáci umějí porozumět skutečnosti, že předmět může plavat na hladině nebo klesnout ke dnu, na základě vztahu mezi dvěma silami působícími na předmět, t.j. síly působící ve vodě směrem nahoru na těleso (vztlaková sila) a hmotnosti tělesa působící směrem dolů. 1 Prevzaté od Sá, J. (2002). Renew Practices in the 1st Cycle by way of Natural Sciences. Porto: Porto Editora. 3
Úloha 1 POSTUP NEPLOVAJÍCÍ PŘEDMĚTY SE STANOU PLOVAJÍCÍMI A NAOPAK
MATERIÁL PRO SKUPINU kousek alobalu plastelína nádoba s vodou CO SE ŽÁK NAUČÍ Zjistí, že předměty se stejnou hmotností mohou plavat nebo se též potopit. Zjistí, že hmotnost není jedinou veličinou, od které závisí, zda předmět plave nebo se potopí. Naučí se interpretovat data získané při pozorování, identifikovat další faktory kromě hmotnosti, které mají vliv na to, zda bude těleso plavat nebo se potopí. Naučí se interpretovat informace, identifikovat fenomén plavení nebo potopení se v závislosti od sil, které na předmět působí. 5
Učitel učí žáky zkoumat 1. 2. Začněte s úlohou, ve které se pracuje s alobalem. Jejím účelem je poukázat na to, že hmotnost není jen jedinou veličinou mající vliv na to, či se předmět ponoří nebo bude plavat: Ponoří se kousek alobalu? Vytvarujte z alobalu kuličku. Bude stále plavat? Existuje způsob, jak tuto alobalovou kuličku ponořit? Alobal bude plavat v obou případech. Je však způsob, jak kuličku ponořit: stlačením kuličky mezi dvě mince nebo jejím zploštěním tak, že je na ni položíme. 3. Pomozte žákům odpovědět na následující otázky: Můžeme udělat kuličku menší? Co se stane s alobalovou kuličkou, když ji stlačíme mezi dvěma mincemi? Povzbuďte žáky, aby stlačili kuličku a ponořily ji do vody. 4. Stimulujte mezi žáky diskusi o rozdílném chování kuličky ve vodě. Proč jednou plavala a potom se ponořila? Je to možné, aby se po stlačení stala těžší? Někteří žáci mohou tvrdit, že po stlačení kuličky, tato se stala těžší. Je ale třeba rozlišovat, zda pod pojmem těžší je skutečně myšleno zvětšení hmotnosti nebo hustoty. Je ve stlačené alobalové kuličce víc alobalu než v nestlačené? Přidal si víc alobalu, když si ji stlačil? Je stlačená kulička skutečně těžší? 6
5. Žáci v tomto věku umějí posoudit, že množství hmoty a hmotnost zůstávají nezměněné, jestliže se nic nepřidalo nebo neodebralo. Co je jiné, co by mohlo vysvětlit změnu chování kuličky ve vodě? Nabízíme několik možností, jak tento jev vysvětlit: hmotnost se dostala blíže k sobě, kulička ztratila vzduch, potom, jak jsme ji stlačili, může se snadněji ponořit. Vysvětlit změnu chování kuličky z alobalu po stlačení můžeme vysvětlit tím, že se zvětšila hustota, ale zmenšil objem (při zachovaní hmotnosti). Zmenšení objemu vede k zmenšení vztlakové sily. Učitel vede žáky k identifikaci vztlakové sily. Jak voda působí na kuličku z alobalu, když plave? Podívej, když držím kuličku v ruce, je to tak, jako když ji drží voda. Co dělá moje ruka kuličce? 6. Učitel stimuluje situaci, která vede k identifikaci další sily působící na tělesa ve vodě. Co se stane s kuličkou, když ji přestaneme držet? Proč předměty padají? Typické odpovědi jsou: nic je nedrží, předměty jsou těžké, předměty mají hmotnost. Je tedy důležité poukázat na to, že hmotnost je též síla. Je to síla, která tlačí předměty směrem dolů, tak jako tlačíme předmět nahoru zdvíhajíc ho silou naší ruky. Kolik sil působí na kuličku ve vodě? Jestliže bychom chtěli naznačit sílu, kterou působí míč, šipkou, kterým směrem bychom ji nakreslili? Jestliže bychom chtěli naznačit sílu, kterou působí voda, šipkou, kterým směrem bychom ji nakreslili? Jestliže se předmět ponoří, síla vody vůbec nepůsobí? 7
7. Nejčastější naivní představa je, že voda působí na předmět jen v případě, že předmět plove. Když na kuličku z alobalu působila síla, když plovala (směrem nahoru), jak je možné, že by se ztratila po stlačení kuličky? Jak by se mohla síla vody ztratit, když voda zůstala na stejném místě? Začněte aktivitu, v které žáci mění neplavající předměty (kuličky z plastelíny) na plavající (lodička z plastelíny). Kousek plastelíny se ponoří nebo bude plovat? Zkus to. Dalo by se to změnit tak, aby tento kousek plastelíny ploval? Učitel pomáhá žákům instrukcemi. Můžete změnit tvar. Je možné, aby plastelína plovala, když změníte její tvar? Dovolte dětem zkoušet různé tvary. Mohou modelovat ploché tvary, až se dopracují ke konkávnímu tvaru. (dutý) Vzpomeňte si na lodě. Jaký mají tvar? Po nějakém čase s dětmi diskutujte. Má plastelína tvaru lodě jinou hmotnost než měla předtím? Jak je možné, že teď plastelína plave? Zvětšila anebo zmenšila se síla vody, když jsme změnili tvar plastelíny? Jaký rozdíl byl v síle vody po tom, co jsme stlačili kuličku z alobalu a po tom, co jsme změnili tvar plastelíny na tvar lodě? Povzbuďte žáky k tomu, aby vyplnili tabulku za účelem systematizace zjištěných informací. Co jsme udělali Změna velikosti Změna síly vody Chování na vodě Kulička z alobalu Stlačili Zmenšila se Zmenšila se Ponořila se Kulička z plastelíny Vytvořili tvar lodě Zvětšila se Zvětšila se Plavala 8
JMÉNO: DATUM: / / PRACOVNÝ LIST NEPLÁVAJÍCÍ PŘEDMĚTY SE STANOU PLÁVAJÍCÍMI A NAOPAK 1 Kolik sil působí na kuličku z alobalu, kdy plave na vodě? Naznač jejich směr šipkami. Doplň následující větu: působí směrem nahoru a hmotnost působí. 2 Jaký je vztah mezi velikostí kuličky a velikostí síly vody? Doplň následující tabulku. Co jsme dělali Změna velikosti Změna síly vody Chování na vodě Kulička z alobalu Kulička z plastelíny Vyjádři, co jsi zjistil (použij informace z tabulky), jednou větou. 9