Název: Zjistěte teplotu Sledujte obrazovku! Témata: teplo, teplota a energie Čas: 5-6 vyučovacích hodin Věk: 09 11 let Diferenciace: Instrukce, ICT podpora atd.: LIM, PC Studenti se speciální vzdělávacími potřebami: Použití systému LIM by mohlo pomoci studentům se speciálními vzdělávacími potřebami. Nadaní studenti: Téma samo o sobě podporuje kreativitu a metakognici. 1
Pomůcky: - Předměty každodenní potřeby - Sensory teploty a tepla (Vernier: Go-temp a příslušný software, Logger-Lite, www.vernier.com) - LIM Požadované znalosti: základní znalosti vztahů proměnných a jednoduchá grafická reprezentace Výstupy: Kognitivní problém (tzn. znalost, která spustí proces modelování), který je studentům nabízen, je spojen s ohříváním. Začneme pozorováním, které nás vede ke zjištění, že k ohřívání dochází mnoha různými způsoby (kontaktem, třením, zářením), abychom mohli vytvořit obecný model toho, co se děje na makroskopické úrovni. Aktivita je rozdělena do dvou fází. V první fázi se studenti seznamují s pojmem teplota na základě jednoduchých experimentů. V druhé fázi studenti popisují daný jev na základě každodenních zkušeností a oteplováním, teplem vytvářeným kontaktem, a následném ověření v laboratorních podmínkách. Bezpečnost: 2
Popis hodiny: Úvodní aktivita V úvodu hodiny proběhne diskuze vyučujících matematiky a přírodních věd (fyziky). Vyučující diskutují a snaží se obhájit svou potřebu nezávislého učitele těchto dvou disciplín. Jak můžu tuto aktivitu využít jako učitel matematiky? Jak můžu tuto aktivitu využít jako učitel přírodních věd (fyziky)? A pokud budeme zvažovat spolupráci, jak tuto aktivitu využít? (Matematické a fyzikální kompetence). Po úvodní fázi diskuze se do spolupráce zapojí i studenti. Je možné studovat skutečný fenomén a nahlížet jej z matematického úhlu pohledu? Hlavní aktivita První hodina - Brainstorming: teplota a teplo. Učitelé mohou využít různé příklady z reálného života. - Pozorování: Začneme prostým pozorováním okolního světa, což vede k rozdělení látek do třech skupenství a kvantitativní popis proměnných, jako např. objem, hmota a teplota (Aktivita1). Základní myšlenkou této aktivity je spojit pojem teploty s hmatem! - Psaná zpráva (nebo nákres) činností zpracovaná studenty. Druhá/ třetí hodina - Změny teplot: zahřívání těla je představeno kvalitativně (tak, jak se mění teplota), k čemuž může docházet kontaktem se zdrojem tepla, třením a zářením. Vše je následně věřeno experimentálně zahříváním teplem (Aktivita 2). Otázky k použití: Kdy mají dva objekty stejnou teplotu? Kdy má jeden předmět vyšší/ nižší teplotu než předmět druhý? Příčina následek: v závěru vyučující iniciuje diskuzi o rovnocennosti třech způsobů transferu tepla (Aktivita 4). Jako příklad můžeme použít vařící vodu v hrnci, tající led, roztahování kovů... - Psaná zpráva (nebo nákres) činností zpracovaná studenty. Čtvrtá hodina 3
- Termoskop: Vyučující společně sestaví termoskop. Možné otázky: Co můžeme pozorovat při použití termoskopu?, Kdo jej může sestavit?, Které proměnné musíme kontrolovat? - Teploměr: po diskuzi učitel studentům představí běžně používaný nástroj pro měření teploty: lékařský teploměr; a zeptá se jich na jeho použití: Co zjišťujeme tímto nástrojem? - Zaměříme pozornost studentů na stupnici teploměru, představíme Celsiovu stupnici, její historii a použití: - Psaná zpráva (nebo nákres) činností zpracovaná studenty. Pátá/ šestá hodina - Měření... Sledujte obrazovku... Co můžeme říct? 4
Testovací fázi následuje fáze experimentální. V akváriu zahříváme vodu. Studenti diskutují o tom, jak se různé materiály či různé množství stejného materiálu zahřívají různě. Studenti mají odhadnout význam množství a hmoty v tomto procesu. - Diskuze a porovnání: provedeme několik dalších experimentů, vždy měníme množství či hmotu. Z experimentů vyučující pořídí záznam v podobě tabulek, které studenti následně převedou na graf. Studenti pracují ve větších skupinách a porovnávají své odhady s výsledky, které získají porovnáním grafů (analýza výskytu různých teplot ve stejném čase, analýza sklonu přímky). Tato aktivita vede ke konstrukci jednoduchého modelu nárůstu teploty v závislosti na množství a hmotě. Možné otázky: můžeme předpovědět teplotu těla?, Jak můžeme interpretovat tento jev na základě grafu a jeho geometrie? 5
- Zobecnění: Učitel představí několik různých teplotních jevů. Studenti diskutují o grafech a snaží se najít případné vzorce. - Psaná zpráva (nebo nákres) činností zpracovaná studenty. Závěrečná prezentace Studenti prezentují svou činnost studentům z jiných tříd: různé aspekty tématu. Sedmá hodina Na základě předchozích hodin představíme jednoduchým způsobem pojem teploty. Jednoduchými experimenty se studenti seznámí s pojmem teploty. V této fázi navrhujeme pouze experimenty, které vycházejí z každodenního života. Primárně se chceme zaměřit na tepelnou izolaci domu. Testování modelu domu Cesta k poznání Tato podkapitola představuje základní pojmy, jako jsou ohřívání/ ochlazování, úspora energie, vedení, tepelné proudění a záření. Současně si připomeneme již dříve naučené pojmy: teplo, teplota a tepelná rovnováha s ohledem na obvyklé mylné představy studentů na této úrovni. V závěru této hodiny by měli studenti rozumět základním fyzikálním procesům, jako přenos tepla, ke kterému dochází mezi domem a okolním prostředím v různých klimatických podmínkách. Studenti se zapojí do konstrukce modelu domu ze stavebnice, kterou jim dodá vyučující. Naučí se používat sensory k měření tepelných zisků i ztrát a hodnotit izolaci. Ke zkoumání různých faktorů způsobujících oteplování a ochlazování studenti využívají poskytnuté nástroje a dostupné nízkonákladové materiály. Např. žárovka (zabalená do hliníkové fólie) představuje zdroj tepla, pro efekt větru můžeme použít elektrický větrák, a pro simulaci slunečného tepla můžeme využít stolní lampu. Tato lekce připravila 3 aktivity pro studenty: 6
a. Aktivita 1 zaměřena na konstrukci různých modelů domů a určení největších obtíží při udržování tepla v domě; b. Aktivita 2 zaměřena na analýzu rozložení teploty uvnitř domu; c. Aktivita 3 zaměřena na analýzu efektu zahřívání světlem. Následující tabulka charakterizuje tyto tři aktivity Aktivita Úkoly 1 Studenti diskutují o možnostech udržení tepla v modelu domu, vše si současně ověřují experimenty. 2 Studenti si experimenty ověřují, jak je v modelu rozložena teplota. 3 Studenti vyslovují hypotézy o vlivu slunečního záření teplotu uvnitř modelu, vše si ověřují experimenty. Aktivita 1: Jak udržet teplo v modelu Zadání: V zimě potřebujeme k udržení tepla v domě energii. Za pomoci vhodných modelů domů můžeme analyzovat, kolik energie spotřebujeme, abychom zahřáli model domu o 5 C oproti okolnímu prostředí. Cíle: Hlavními cíli této aktivity jsou: Navrhnout experiment pro změření oteplování a ochlazování různých modelů při využití stejné technologie; Identifikovat různé faktory, které mohou ovlivnit rozptyl tepla, a kontrolovat je během experimentu; Změřit, kolik energie potřebujeme k ohřevu každého modelu, aby byl o 5 C teplejší než okolí Pomůcky: Krabice z různých materiálů (stejné velikosti) představující různé modely domů. Tepelné sensory, které umístíme na stěnu proti zdroji tepla. Zdroje tepla (žárovky obalené hliníkovou fólií) Návrh použití: 7
Surface temperature sensor Různé skupiny mohou pracovat s různými modely stejných rozměrů a vytvořených z různých materiálů. Zdroj tepla a sensor budou umístěny, jak bylo zmíněno výše. Hlavním problémem je jak změřit rychlost, jakou se jejich model ohřeje a ochladí při použití známého zdroje tepla. Studenti mají: Zapnout zdroj tepla a sledovat teplotu dokud nedosáhne teploty přibližně Tenv +5 C. Poté zdroj tepla vypnout, aby teplota klesala až k Tenv. Zaznamenat časy, kdy byl zdroj tepla zapnut a vypnut. Spočítat dobu, po kterou musí být zdroj tepla zapnut, aby udržel model domu teplotu (Tenv +5 C). Každá skupina své výsledky prezentuje celé třídě, aby bylo možné určit, který model je lepší pro úsporu energie Následující obrázky dokumentují některá data z různých modelů v různých teplotních podmínkách. 1. Cyklus ohřívání a zchlazování dřevěného modelu domu zahřátého 15 W lampou (modrá linka) a 25 W lampou (červená linka): 2. Křivky ohřívání a zchlazení modelů domů vyrobených ze sádrokartonu vs. polystyrenu při použití a 25W zdroje tepla. 8
Poznámka V této aktivitě může učitel studentům představit různé typy teploměrů, počínaje klasickým rtuťovým. Učitel může představit také moderní digitální teploměry a prodiskutovat jejich použití, příp. infračervené, které měří teplotu vzdálených objektů bez potřebného fyzického kontaktu. Následně můžeme představit teplotní mikro-sensory, zejména povrchový typ, který bude v následujících aktivitách hojně využíván. V závěru aktivity můžeme ukázat fotky různých termogramů, abychom studentům představili termální analýzu, které se budeme podrobněji věnovat ve čtvrté podkapitole. Otázky: Jak bychom mohli snížit energii nezbytnou k udržení tepla v domě? Co a proč byste na svém domu změnili, abyste minimalizovali spotřebu energie nutné k udržení tepla v domě? Aktivita 2: Jak je v modelu domu rozložena teplota? Zadání: Zcela jednoduše poznáme, že v místnosti není teplota na různých místech stejná. Jak můžeme najít místa s vyšší teplotou? Cíle: Hlavním cílem této aktivity je, aby studenti pochopili, že teplota v domě se liší podle vzdálenosti od zdroje tepla a výšky od podlahy. Pomůcky: Používáme stejné pomůcky jako v aktivitě 1. Nicméně každá skupina tentokrát bude potřebovat 2 teplotní sensory. Návrh použití: Úkolem studentů je analyzovat rozložení teploty v domě. Úvodní diskuze povede studenty k identifikaci faktorů, které ovlivňují teplotu v daném místě, např. vzdálenost od zdroje tepla nebo výšku od podlahy. Studenti mají navrhnout experimenty, které berou v potaz kontrolu relevantních proměnných. 9
o Dva sensory umístěné ve stejné vzdálenosti od zdroje tepla, v různé výšce od podlahy o Dva sensory umístěné ve stejné vzdálenosti od zdroje tepla a ve stejné výšce od podlahy Možné otázky: Co můžeme říct o účinnosti tepelného zdroje umístěného vysoko na stěně? Jste schopni vysvětlit proč studený vzduch stoupá vzhůru? 10
Aktivita 3: Jaký vliv má sluneční svit na teplotu ve vašem modelu? Zadání: Je zřejmé, že tělo je ohříváno slunečním zářením. To samé se děje i se zdmi našich modelových domů. Jak může použitý materiál ovlivnit teplotu uvnitř domu? Cíle: Cílem této aktivity je analyzovat solární vlivy na teplotu domu. Konkrétní cíle: Zdůraznit vliv barvy stěn na absorpci záření; Objasnit fakt, že teplota modelového domu je ovlivněna schopností absorpce a vedení tepla použitých materiálů; Být schopni činit odhady na základě každodenní zkušenosti; Být schopni obhájit důkazy na základě každodenní zkušenosti. Pomůcky: Krabice z různých materiálů (stejných rozměrů) představující různé typy domů (viz Aktivita 1). Teplotní sensory, které budou umístěny na stěně naproti zdroji tepla. Žárovka simulující slunce. Návrhy na použití: Abychom analyzovali vliv vnějšího zdroje tepla, použijeme silnou žárovku (200 W) vně jako slunce. Úkolem studentů je ověřit tento vliv. Teplotní sensor umístí na stěnu naproti stěně zahřívané. Experiment můžeme ještě variovat a využít oba zdroje současně (vnější i vnitřní), např. ponecháme vnější zdroj zapnutý po celou dobu a zdroj vnitřní zapínáme a vypínáme. o Dvě různé krabice (dřevěná a sádrokartonová) zahřívané stejným sluncem. 11
Dva modely z různých materiálů jsou zahřívány stejnou lampou. Křivky na obrázku představují ohřívání a ochlazování dvou modelů. o Dvě vnější stěny stejné krabice, natřené různými barvami Jednu vnější stěnu modelu natřeme černou barvou, jednu barvou bílou a zahřejeme je stejnou lampou. Křivky ohřívání a ochlazování naleznete na obrázku. Poznámky pro vyučující Téma bylo vybráno, aby bylo možné reflektovat: - rozvoj adekvátní schopnost analyzovat problematickou situaci v různých oblastech; - pozorování, reflexi, schopnost formulovat hypotéz a formulovat domněnky, které povedou ke správnému a vědomému použití prostředků dané disciplíny; - přesné využití jazyka; - vyjadřování domněnek, odhadů a postupů a jejich následnou obhajobu; - kritickou analýzu výsledků a jejich verifikaci. 12