Fizikai Szemle nyitólap |
Tartalomjegyzék |
LÁTVÁNYOS KÍSÉRLETEK MŰANYAG PALACKOKKAL
Hans-Joachim Wilke
Drezdai Műegyetem
Alkalmazott Fizikai és Didaktikai Tanszéke
Az önálló tanulói tevékenység széleskörű elterjesztésének szükségessége
A tanulás individuális folyamat. Jóllehet alapvetően a tanár befolyásolja, végeredményben mégis a diák hajtja végre. A korszerű oktatásban ezért arra kell törekedni, hogy a tanuló önálló tevékenysége kerüljön előtérbe a lehető legnagyobb mértékben és a passzív tanulás mindinkább háttérbe szoruljon. Már Comenius János Ámos (1592-1670) a “Didactica Magna" című főművében azt hangsúlyozta, hogy az oktatást úgy kell megszervezni, hogy a gyerek örömmel tanuljon. Azt hirdette, hogy “az igazán tevékeny módszer alkalmazásával a tanuló saját érzéki tapasztalatain és tevékenységén keresztül jut a tudáshoz". Ez a módszer az ember született ösztöneire épít.
A természettudományos oktatás, különösen a fizika tanítása optimális feltételeket kínál a tanulók önálló tevékenységéhez. Az önálló tevékenység sok tanulónál már iskolán kívüli területen, a fizikához közel álló hobby formájában megvalósul. A fizikaoktatásnak felszínre kell hoznia a tanulók ilyen irányú érdeklődését, fel kell kelteni az igényt, hogy szabadidejükben természettudományos kérdésekkel foglalkozzanak. A tanulóknak olyan feladatokat kell adni, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy manuálisan és szellemileg tevékenyek legyenek. Ezeknek a feladatoknak igazodniuk kell a tanulók életkori sajátosságaihoz.
Az önálló tanulói tevékenység fontos kiinduló pontjai a tanulói kísérletek. Növekvő nyitottságuk egyre több konstruktív elemet igényel. A végső cél többek között a fizikatanulás tervszerű fázisának elérése. Egy nyitott és a tervszerű tevékenységre építő oktatással lehetségessé válik, hogy a diákok az oktatás céljával azonosuljanak, a lehetséges kísérleti elrendezéseket együtt eltervezzék, összeállítsák és kipróbálják. Ezen a téren nagyon sok könnyen megvalósítható lehetőség adódik. A tervszerit tevékenység az önálló fizikatanulásnak olyan módszere, amely sikerélményhez vezet, fizikai gondolkodásmódot követel meg és alaposabb fizikai tudáshoz járul hozzá.
A műanyag palackos kísérletek előnyei
A diákok könnyebben megszerzik az új ismereteket és megértik a fizikát, ha a gyakorlati és elméleti tevékenységek egymással szorosan összekapcsolódnak és mindezt érdekes eszközökkel végzett látványos bemutatónak tartják. A tanulók önálló tevékenységük során általában tanulókísérleti eszközöket használnak fel. Ezek gyakori alkalmazásánál azonban a megszokás csökkenti a motivációt. Ezen kívül konstrukciójuk, valamint az a tény, hogy a gyerekek “apparátusnak" tekintik azokat, határt szab az alkalmazásuknak. A gyakorlati tevékenységek gyakran csak összeépítésre, összeillesztésre, összekapcsolásra korlátozódnak. A fizikatanárnak ezért folyton azon kell törnie a fejét, hogyan tudná további eszközök alkalmazásával más jellegű tevékenységre sarkallni a tanulókat, hogyan tudná kiegészítő eszközök alkalmazásával kiterjeszteni a tanulókísérleti eszközök felhasználási körét.
Nagyon jól ösztönözhetők a tanulók önálló kísérletezésre, ha műanyag palackokból preparált eszközöket adunk a kezükbe. Erre a célra az átlátszó műanyag palackok különösen alkalmasak, mert
E kiváló tulajdonságok következtében a műanyag palackokból könnyen lehet nagyon célszerű kísérleti elrendezéseket előállítani. Ezek jól láthatóak, messzemenően stabilak, könnyűek és esztétikailag megfelelőek. További előnyük, hogy nemcsak a tanár, hanem a diákok által is könnyen megszerezhetők. Így lehetséges az is, hogy minden tanuló a saját kísérleti elrendezését elkészítse és kipróbálja, illetve összeállítson különböző variációkat, és ezzel a kísérleti elrendezést a legjobban hasznosítsa.
A háztartásban egyéb olyan eszközöket is talál a tanuló, amelyeket a műanyag palackok talapzataként, tartókonzoljaként használhat (például műanyag virágtartók). A nagy műanyagtálak a hidrodinamikai kísérleteknél a kifolyó, kiömlő vízmennyiségek felfogó edényeiként alkalmazhatók. A mechanikai kísérleteknél a műanyag szívószálak, kiürült golyóstollbetétek, rostirónok mint “csövek" és kiömlő nyílások használhatók. Az elektromosságtan területén az alufólia kiváló anyag elektródok, elektroszkópok, valamint leideni Palack készítéséhez. Az optikában az állítható fókuszú zseblámpák kielégítő fényforrások. A tanórai kísérleteknél a műanyag palackok a tanulókísérleti készlet eszközeivel és állványokkal kiegészítve használhatók.
Különleges: tulajdonságaik miatt a műanyag palackok nemcsak könnyen beszerezhető, hanem könnyen kezelhető kísérleti segédeszközök, és teljes értékű kiegészítői értékes egyedi oktatási eszközöknek: A diákok szemében nem tűnnek “apparátusnak". A műanyag palackok lehetőséget kínálnak arra, hogy kis tanulócsoportok vagy egy-egy tanuló a kísérleteit önállóan előkészítse és kisérleti eszközét előállítsa.
A műanyag palackok alkalmazásának didaktikai-módszertani indokai
A műanyag palackok sokféleképpen vonhatók be az oktatási folyamatba, és kiváló lehetőséget nyújtanak az oktatás, mint tervszerű tevékenység kialakításához. Célszerű néhány tanulót kiválasztani, akiket nekik megfelelő feladatokkal bízunk meg, és bevonjuk őket kísérleti eszközök, kísérleti elrendezések megtervezésébe és elkészítésébe. A tanulók otthon kidolgozzák elképzelésüket a kísérleti elrendezésről, összeállítják és kipróbálják azokat, majd magukkal hozzák az iskolába és ott elvégzik a kísérletet.
Egy: másik lehetőség abban áll, hogy minden diákot arra ösztönözzünk, hogy az órán bemutatott kísérleti elrendezések közül néhányat állítsanak össze otthon és kísérletezzenek azokkal. Ennek az eljárásnak az az előnye, hogy a tanulók önállóan szembesülnek a fizikával. Ehhez nagymérvű alkotókészség, konstruktív tenni akarás, ügyesség és kitartás szükségeltetik. A tanulók: szívesen mutatják meg ezeket az eszközöket és kísérleteket barátaiknak és családjuknak. A következő fokozat az, amikor a tanár bemutat az órán egy kísérletet egy bizonyos kísérleti elrendezésben és azt a feladatot adja a tanulóknak, hogy otthon próbálják összeállítani a kísérleti elrendezést különböző variációkban és keressék meg közöttük az optimálisat. Végül az is lehetséges, hogy a tanár csak a kísérleti eszközöket mutatja be és prognózisokat kér a tanulóktól a várható jelenségekről. A prognózisok ellenőrzése azután otthon történik a saját maguk által készített eszközökkel. Itt is kívánatos, hogy az iskolában is bemutassák a kísérleteket.
A kísérletek bemutatását a jelenségek magyarázatának kell követnie. Mivel a diákok a feltételeket kevéssé elemzik, hajlanak a spontán és kissé átgondolatlan véleménynyilvánításra. Ezek több olyan lehetséges magyarázathoz vezethetnek, amelyek egymásnak gyakran ellentmondanak, és más tanulók által megcáfolhatók. A látványos kísérletek olyan fontos didaktikai-metódikai eszközök, amelyek a tanulók tudásbeli hiányosságait felszínre hozzák. Arra ösztönzik a tanulókat, hogy pótolják azokat. Még a sikertelen próbálkozások is hozzájárulnak a diákok aktivizálásához. Ezért lenne ajánlatos ilyen kísérleteket tudatosan használni a tanulói aktivitás kialakításához.
Az önállóan összeállított kísérleti elrendezések és az érdekes jelenségek, amelyek a feltételek változtatásával maguk is változnak, végül is felébresztik a tanulók játékösztönét. A tanár által alkalmasan kijelölt feladatok lehetővé teszik, hogy a tanulók - kiindulva a műanyagpalackokkal végzett tevékenység során megszerzett tapasztalatokból - tevékenyek legyenek, kielégítsék kutatási vágyukat, miközben megismétlik a kísérleteket, vagy alkotó módon hozzájárulnak újabb variációk kidolgozásához.
A palackok alkalmazása a mechanika területétől kezdve a hőtani és elektromosságtani kísérleteken át egészen az optikáig vezet. A következőkben bemutatunk néhány kísérletet a kísérleti eszközök elkészítési módjával együtt.
A szívókút modellje
A szerkezetileg legegyszerűbb vízpumpa a szívókút (1. ábra). Előállításához le kell vágnunk egy műanyag palack alját. Célszerű magas, kis átmérőjű, széles szájnyílású műanyag palackot alkalmazni. A kifolyónyílásra egy kupakot csavarunk, amit egy borotvapengével körülbelül a feléig vízszintesen bemetszettünk úgy, hogy a felső része egy könnyen mozgatható fedéllé váljon. A palackot legalább 10 cm mélyen egy nagyobb vízzel telt edénybe merítjük. Most könnyedén fölfelé mozgatjuk a palackot, majd hirtelen lefékezzük, és gyorsan lefelé mozgatjuk. A palack legmagasabb helyzetében minden alkalommal kispriccel a víz a kupak nyílásán. Ezt a jelenséget a felfelé áramló víz tehetetlensége idézi elő. Mivel a kupak lezárása után a csőbe nem juthat be levegő, a víz szintje a palackban változatlan marad és a víz tehetetlenségének következtében minden fékezésnél a felső helyzet közelében marad a megemelkedett vízszint. Miután minden levegő kiszorult a palackból, a megemelkedett víz végül kifolyik a kupakon készített nyíláson.
A szívó-nyomó kút
A szívó-nyomókút előállításához két szelep alkalmazása szükséges. Szükségünk van egy nagy, szájával lefelé fordított palackra, amelyet egy átfúrt gumidugóval dugaszolunk be. A palack belsejében van egy nagyobb acélgolyó, amely az átfúrt dugóval szelepet képez. Csak a vizet engedi feljutni a palackba. Ha a golyó a lyukra illeszkedik, a víz nem tud kifolyni. Néhány centiméterrel a szelep fölött a palack oldalfalát átlyukasztjuk, és egy derékszögben meghajlított (0,5-1 cm átmérőjű) üvegcsövet ragasztunk a lyukba. Hogy élettartamát megnöveljük, egy műanyag foglalattal rögzítjük a csövet a palack oldalához a 2. ábrán látható módon. Ebbe az üvegcsőbe egy rövid gumicső darabot dugunk, amelynek a külső átmérője az üvegcső belső átmérőjével egyenlő. A gumicső felső, egyenesre vágott vége 1-2 cm-rel az üvegcső vége alatt legyen. Erre egy kis acélgolyót illesztünk, ez lesz itt a második szelep. Az üvegcsőre egy rövid gumicsődarabot húzunk, ennek a másik végére egy szemcseppentőhöz hasonlóan elvékonyodó rövid üvegcsövet illesztünk. A műanyag palackot szájával lefelé néhány centiméter mélyen egy vízzel telt edénybe süllyesztjük. A palack oldalfalainak megnyomása, majd kiengedése után nyomáscsökkenés áll be a palackban, mivel a második szelep az üvegcsőben lezár. Ezáltal víz áramlik be a palackba az első szelepen át. A következő nyomásnál kinyílik a második szelep és az üvegcsövön át kiáramlik a levegő. Többszöri ismétlés után a víz a palackban az üvegcső nyílásáig emelkedik, így az újbóli nyomásnál a második szelepen és a hegyes üvegcsövön át a szabadba jut. Az átlátszó műanyag palack és üvegcső lehetővé teszi, hogy a folyamatban a szelepek váltakozó játékát és a víz mozgását jól láthassuk.
Héron bor-automatája
A víz és a levegő kölcsönös kiszorításával lehetőség nyílik italautomata előállítására. Ehhez két egyforma műanyag palack függőleges oldalfalának felső részén, azonos magasságban, lyukat fúrunk (3. ábra). Ezekbe a lyukakba vízszintes helyzetben egy-egy rövid, kis belső átmérőjű üvegcsövet ragasztunk. A két csődarabot összekötjük egy rövid gumicsővel. Az egyik palackot lezárjuk egy átfúrt dugóval. A dugón keresztülvezetünk egy, a felső részén tölcsérben végződő függőleges helyzetű hosszú üvegcsövet, amely leér egészen a palack aljáig. A másik palackot az összekötő csővel szemközti oldalfalának alsó részén átfúrjuk. Ebbe a lyukba egy olyan csövet ragasztunk, amely derékszögben meghajlik és felfelé irányul. A palack kiöntő nyílása alatt körülbelül 5 cm-rel meghajlítjuk a csövet úgy, hogy néhány cm. hosszan vízszintesen fusson, majd ismét derékszögben, kifolyó nyílásával lefelé fordítjuk. A nyílás alá egy átlátszó üvegpoharat helyezünk. A második palackot a felső cső nyílásáig töltjük festett vízzel (vörösborral). Ezután lezárjuk a palackot a csavaros kupakjával. Az egész elrendezést lefedjük egy kartonpapírral úgy, hogy csak a tölcsér és a második palack kifolyónyílása legyen látható. Töltsünk most vizet a tölcsérbe! Meglepődve tapasztaljuk, hogy a “borautomatából" festett víz (vörösbor) folyik a pohárba. Éppen annyi vörösbor lesz a pohárban, mint amennyi vizet a tölcsérbe töltöttünk. Az első palackba töltött víz térfogatával egyenlő térfogatú levegő áramlik át a másik palackba. Ez a levegőmennyiség ugyanakkora térfogatú vörösbort nyom át a pohárba. Ilyen módon tudta Héron a vizet borrá változtatni.
Rezonanciacső
Két, meglehetősen magas műanyag palacknak levágjuk az alját. Közben vigyázzunk arra, hogy az egyiknél mélyebben legyen a vágott felület, hogy a két palackot alsó végükkel egymásba tolhassuk. Ebben a helyzetben összeragasztjuk őket (4. ábra). Az alsó palack nyílásába egy gumicsővel ellátott átfúrt dugót helyezünk. A biztosabb rögzítés céljából a palack eredeti kupakjára a gumicsővel megegyező méretű lyukat fúrunk, és átfűzve rajta a gumicsövet, visszacsavarjuk a palackra. A gumicső másik végére ugyanilyen módon szerelünk egy edényt, amit az előzőekben leírt módon két összeragasztott palackból készíthetünk. A felső palacknak vágjuk le a kúpos részét olyan mélyen, hogy az így keletkezett nyílás körülbelül 6 cm átmérőjű legyen! Ebbe a nyílásba helyezzünk egy kis hanggenerátort úgy, hogy lefelé sugározzon! Rögzítsük a jobb oldali edényt függőleges helyzetben egy állványhoz! Rögzítsük ugyanarra az állványra a hanggenerátor hangszóróját is!
Mindkét edényt töltsük félig vízzel, és a hanggenerátort csatlakoztassuk áramforráshoz. Ezt követően süllyesszük a másik edényt, míg az összes víz ki nem ürül a hanggenerátor alatti edényből. Ezután emeljük lassan ismét és figyeljük a hangerősséget. Egy meghatározott levegőoszlop-hosszúságnál a hangerő maximális lesz. Ebben az esetben a palack légterében állóhullám alakul ki. A következő maximumot egy körülbelül 7 cm-es oszlopmagasság-változásnál észleljük. A vízfelszín és a hanggenerátor közötti levegőoszlopban állóhullámok alakulnak ki. A hanggenerátornál duzzadóhely található, a vízfelszínen pedig csomópont, a köztük lévő térrészben ez többször megismétlődhet. Két duzzadóhely közötti távolság 7 cm, ez megfelel egy fél hullámhossznak. Így eszközünk, a hang levegőbeli sebességének ismeretében frekvenciamérésre is alkalmas.