RAČUNALNIŠKO PODPRTI EKSPERIMENTI NA TEMO TOPLOTE IN TEMPERATURE V OSNOVNI

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Študijski program: Matematika in fizika

RAČUNALNIŠKO PODPRTI EKSPERIMENTI NA TEMO TOPLOTE IN TEMPERATURE V OSNOVNI

ŠOLI

DIPLOMSKO DELO

Mentor: Kandidatka:

prof. dr. Slavko Kocijančič Ladislava Ježek Narobe

Ljubljana, september 2016

(2)

II Zahvala

:

Zahvaljujem se mentorju, profesorju dr. Slavku Kocijančiču za dolgoletno potrpljenje in pomoč pri diplomski nalogi.

Ladislava Ježek Narobe

(3)

III

Povzetek

Diplomska naloga predstavlja sodoben pristop k eksperimentalnem delu učitelja fizike v osnovni šoli. Ker je eksperimentalni del pouka ključen pri sodobnem poučevanju fizike, predstavlja diplomsko delo eno od možnosti izvedbe eksperimentalnega dela poučevanja.

Predstavljeni eksperimenti vključujejo uporabo računalnika kot podpornega sistema.

Z uporabo digitalnih sistemov, ki vključujejo uporabo računalnika, je možno kvalitetno in nazorno izvajati klasične eksperimente. Takšen način eksperimentiranja omogoča učencu kvalitativno spremljati fizikalne zakonitosti s takojšnjo povratno informacijo. S spreminjanjem pogojev je mogoče hitro in zanesljivo podati zaključke in ugotoviti fizikalne zakonitosti.

Namen diplomske naloge je usmeriti učitelja k uporabi digitalnih medijev pri izvajanju klasičnih eksperimentov v osnovni šoli. Učencem preko tovrstnega dela omogočimo realno izkustvo fizikalnih zakonitosti. Ob vse večjem trendu uporabe digitalnih medijev naloga ponuja sodoben pristop k poučevanju fizike.

Eksperimenti so pripravljeni zgolj za ozko fizikalno področje toplote in temperature, mogoče pa jih je prilagoditi tudi za druga področja, kot so biologija, kemija, naravoslovje in tehnika.

Ključne besede:

Toplota, temperatura, računalniško podprti eksperimenti, zajem podatkov, digitalni merilniki temperature – temperaturne sonde.

(4)

IV

Computer based experiments on heat and temperature in low secondary education

Abstract

This thesis presents a modern approach to experimental work of a physics teacher in elementary school. Experimental physics is essential in nowadays physics teaching, therefore this thesis could also be considered as one of the possible ways of teaching.

Experiments described below include computer use as a support system.

Use of the digital systems, including the use of computer, enables classic experiments to be carried out thoroughly and with quality. This way the students are capable to successfully comprehend physical laws with immediate feed-back. It is possible to rapidly and reliably draw conclusions and find out the physical laws by changing the terms.

The aim of this thesis is also to encourage teachers to the use of digital media in elementary school while experiments are being carried out and as such enable their students a real experience of the physical laws.

Experiments were prepared for a rather narrower range of heat and temperature.

However, it is possible to adjust these experiments to biology, chemistry, natural science and engineering.

Keywords:

Heat, temperature, computerised experiments, data acquisition, digital temperature meter - temperature probe.

(5)

V

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ... 1

2 TOPLOTA IN TEMPERATURA V OSNOVNI ŠOLI ... 3

2.1 POJEM TOPLOTE IN NOTRANJE ENERGIJE ... 4

2.1 FAZNE SPREMEMBE – SPREMEMBE AGREGATNEGA STANJA SNOVI... 5

2.2 TOPLOTNI TOK ... 6

2.3 PREHAJANJE TOPLOTE ... 7

3 PREGLED OBJAV ... 9

4 PROGRAMI, KI OMOGOČAJO RAČUNALNIŠKO PODPORO EKSPERIMENTALNEGA DELA . 10 5 VSEBINE V UČNEM NAČTU (FIZIKA, KEMIJA, BIOLOGIJA, NARAVOSLOVJE) ... 15

5.1 FIZIKA ... 15

5.1.1 SPLOŠNI STANDARDI ZNANJ ... 15

5.1.2 OPERATIVNI CILJI razvrščeni po temah in vsebinskih sklopih : ... 16

5.2 KEMIJA ... 17

5.2.2 OPERATIVNI CILJI ... 17

5.3 BIOLOGIJA... 19

5.4 NARAVOSLOVJE ... 21

6 PREGLED EKSPERIMENTOV ... 23

6.1 MERJENJE TEMPERATURE VODE PRI DOVAJANJU TOPLOTE ... 24

6.1.1 POTREBŠČINE ... 24

6.1.2 NAVODILO ... 24

6.1.3 NALOGE ZA UČENCE - PRIMER UČNEGA LISTA ... 27

6.1.4 PREDLOGI ZA UČITELJE - NALOGE ... 29

6.1.5 REŠITVE – (učni list) ... 31

6.2 RAZLIČNI MASI ... 32

(6)

VI

6.2.2 NAVODILO ... 32

6.2.3 NALOGE ZA UČENCE- PRIMER UČNEGA LISTA ... 36

6.2.4 PREDLOGI ZA UČITELJE ... 37

6.2.5 REŠITVE (učni list) ... 38

6.3 LATENTNA TOPLOTA ... 40

6.3.2 NAVODILO ... 40

6.3.3 NALOGE ZA UČENCE – PRIMER UČNEGA LISTA ... 44

6.4 IZPAREVANJE ... 48

6.4.2 NAVODILO ... 48

6.5 PREVODNIKI IN IZOLATORJI ... 53

6.5.2 NAVODILO ... 53

6.5.4 PREDLOGI ZA UČITELJE-NALOGE ... 58

6.6 KONVEKCIJA ... 60

6.6.2 NAVODILO ... 60

6.7 PREVAJANJE TOPLOTE – KONDUKCIJA ... 65

6.7.2 NAVODILO ... 65

6.8 TOPLOGREDNI PLINI (KEM) ... 72

(7)

VII

6.8.1 VODNA PARA (H2O) ... 73

6.8.1.1 POTREBŠČINE ... 73

6.8.1.2 NAVODILO ... 73

6.8.1.3 PREDLOGI ZA UČITELJE - NALOGE ... 76

6.8.2 OGLJIKOV DIOKSID (CO2) ... 77

6.8.2.2 NAVODILO ... 77

6.8.3 OZON (O3) ... 81

6.8.3.2 NAVODILO ... 81

7 ZAKLJUČEK ... 85

8 LITERATURA IN VIRI ... 86

KAZALO SLIK IN TABEL SLIKE Slika 1: Vernier - logotip ... 10

Slika 2: LabQuest Mini ... 11

Slika 3: Vernier LabQuest 2 ... 11

Slika 4: Površinska sonda za merjenje temperature ... 11

Slika 5: GoTemp termometer ... 12

Slika 6: Pasco - logotip ... 12

Slika 7: SPARKvue - logotip ... 12

Slika 8: Wireless Temperature Sensor PS-3201 ... 13

Slika 9: Program zazna merilnike... 13

Slika 10: Program SPARKlabs nudi vnaprej pripravljene navodila za poskuse ... 14

Slika 11: Program nudi več prikazov meritve: graf, analogni merilnik, tabele… ... 14

Slika 12: Segrevanje vode 1 ... 25

Slika 13: Segrevanje vode 2 ... 25

Slika 14: Graf časovne odvisnosti temperature za segrevanje vode ... 25

Slika 15: Segrevanje vode z različno maso 1 ... 33

Slika 16: Segrevanje vode z različno maso 2 ... 33

Slika 17: Graf časovne odvisnosti temperature za segrevanje različnih mas (modra 400g, rdeča 800g) ... 34

Slika 18: Segrevanje snega na radiatorju ... 41

Slika 19: Merjenje temperature pri fazni spremembi - temperatura ne veča ... 41

Slika 20: Sneg se je stalil ... 41

(8)

VIII

Slika 21: Temperatura narašča ... 41

Slika 22: Graf časovne odvisnosti temperature pri fazni spremembi - taljenje ... 42

Slika 23: Vodo segrevamo, da zavre ... 49

Slika 24: Graf časovne odvisnosti temperature pri vrenju ... 49

Slika 25: Merjenje temperature pri toplotnem prevajanju medenine in stekla ... 54

Slika 26: Toplotno prevajanje aluminija in železa ... 54

Slika 27: Toplotni prevodniki ... 54

Slika 28: Graf časovne odvisnosti temperature pri prevajanju toplote za medenino (rdeča) in steklo (modra) ... 55

Slika 29: Graf časovne odvisnosti temperature pri prevajanju toplote za aluminij (rdeča) in železo(modra) ... 55

Slika 30: Merjenje temperature pri konvekciji ... 61

Slika 31: Termometer (sonda) pri dnu Slika 32: Termometer pri vrhu ... 61

Slika 33: Graf časovne odvisnosti temperature pri konvekciji ... 61

Slika 34: Merjenje temperature pri kondukciji ... 66

Slika 35: Kondukcija ... 66

Slika 36: Graf časovne odvisnosti temperature pri kondukciji ... 67

Slika 37: Vodna para in suh zrak ... 74

Slika 38: Segrevanje ... 74

Slika 39: Graf časovne odvisnosti temperature pri segrevanju suhega zraka (temno modra) in vlažnega zraka (svetlo modra)... 74

Slika 40: Graf časovne odvisnosti temperature pri ohlajanju suhega zraka (temno modra) in vlažnega zraka (svetlo modra)... 76

Slika 41: Graf časovne odvisnosti temperature pri segrevanju zraka (temno modra) in CO2(rdeča) ... 78

Slika 42: Graf časovne odvisnosti temperature pri ohlajanju zraka (temno modra) in CO2(rdeča) . 80 Slika 43: Vir O3 ... 82

Slika 44: Toplogredni plin O3 ... 82

Slika 45: Toplogredni plin O3 in zrak ... 82

Slika 46: Graf časovne odvisnosti temperature pri segrevanju zraka (modra) in O3(rdeča) ... 82

TABELE Tabela 1: Merjenje temperature vode pri segrevanju ... 26

Tabela 2: Merjenje temperature pri segrevanju različnih mas (modra 400g, rdeča 800g) ... 35

Tabela 3: Merjenje temperature pri segrevanju snega ... 43

Tabela 4: Merjenje temperature pri izparevanju vode ... 50

Tabela 5: Merjenje temperature pri toplotni prevodnosti za steklo, medenino , aluminij in železo ... 56

Tabela 6: Merjenje temperature pri konvekciji ... 62

Tabela 7: Merjenje temperature pri kondukciji ... 68

Tabela 8: Merjenje temperature pri segrevanju suhega in vlažnega zraka ... 75

Tabela 9: Merjenje temperature pri povečani koncentraciji CO2 in zraka ... 79

Tabela 10: Merjenje temperature pri segrevanju zraka in O3 ... 83

(9)

IX

(10)

1

1 UVOD

V učnem načrtu za fiziko v osnovni šoli je le-ta opredeljena kot veda, ki v ospredje postavlja višje miselne procese, s poudarkom na razumevanju, in spodbuja učence k raziskovanju in razumevanju fizikalnih pojavov [21]. Zato program osnovne šole in standardi, ki jim sledimo, pogosto vključujejo uporabo digitalnih sistemov za izvedbo eksperimentalnega dela poučevanja fizike v osnovni šoli.

Koncept sodobnega poučevanja fizike predvideva uporabo računalniške tehnologije pri izvedbi eksperimentalnega dela. Namen takšnega dela z učenci je seveda jasen: učencu omogočimo, da postane učna snov lažje razumljiva, učenec razvija kritično mišljenje, rešuje podobne in nove probleme ter krepi ustvarjalnost.

Glede na popularnost in lahko dostopnost računalnikov, računalniške opreme ter sodobnih programov za zajem podatkov je vse več tudi poročil in analiz v svetovnem merilu, ki poročajo o delu učiteljev s sodobno opremo in računalniško podprtimi eksperimenti na vseh nivojih šolanja pri skorajda vseh naravoslovnih predmetih.

Pri uporabi računalniških programov za zajem podatkov so učitelji večkrat z navdušenjem poročali o rezultatih. Svetlana Gornostaeva v članku Teaching Science with Technology navaja: »… aplikacija za zajem podatkov je res fantastično orodje. Je mobilni laboratorij.

Ta sistem daje možnosti za enostavno in hitro opazovanje naravnih procesov med dogajanjem.« [7] Kot predmetna učiteljica geografije in biologije v članku opiše dejansko uporabo v razredu. Poudari vsestransko uporabo računalniško podprte tehnologije pri izvedbi eksperimentov na področju merjenja klimatskih parametrov, kot so: temperatura, vlažnost, atmosferski tlak, sončno sevanje, ultravijolično sevanje svetlobe in hitrost vetra.

Robert Tinker v svoji knjigi z naslovom Microcomputer-Based Labs: Educational Research and Standards govori o uporabi računalniškega laboratorija v poučevanju, ki v realnem času zajema in prikazuje podatke ter tako daje učencem nove načine za raziskovanje in razumevanje sveta. Knjiga posreduje paleto inovativnih izvedb računalniško podprtih eksperimentov in nudi prepričljive dokaze o vrednosti računalnikov pri takšnem načinu poučevanja [19].

Uporabnost računalniško podprtih eksperimentov je vsestranska. Računalnik močno skrajša pridobivanje podatkov in tako pomaga pri njihovi interpretaciji. Zelo elegantna je tudi grafična upodobitev razultatov. V članku Katalin Kopasz, Pétra Makra in Zoltána Gingla z naslovom Student experiments and teacher tests using EDAQ530 predstavljajo avtorji ugotovitve, ki so nastale pri delu v srednješolskem laboratoriju, kjer so dijaki uporabljali računalnik z vmesnikom za zajem podatkov. Avtorji poročajo, da je ta metoda dela omogočila dijakom samostojno, hitro in pregledno izvajanje eksperimentov, analizo

(11)

2 podatkov in lažje odkrivanje odnosov ter zakonov v fiziki. Računalniški vmesniki z ustreznimi podpornimi programi (v članku EDAQ530) so se uporabili v celi paleti poskusov: proučevanje trkov, nihanja, merjenje tlaka. Prav tako poročilo navaja uporabnost pri drugih predmetih, kot so kemija (merjenje pH-vrednosti), biologija in naravoslovje nasploh. V zaključku avtorji povzemajo, da je takšna oblika dela enostavna tako za dijake kot za učitelje. Nudi hitro in enostavno pridobivanje podatkov ter kvalitetno izkustvo fizikalnih zakonitosti in odnosov [11].

Vse več je tudi računalniških simulacij eksperimentov, ki naj bi omogočili učencu jasno predstavitev fizikalnih zakonitosti. Pod pojmom računalniška simulacija razumemo eksperiment ali eksperimentiranje z abstraktnim modelom, rešenim kot program za računalnik, kjer se procesi odvijajo v določenem časovnem intervalu zgolj v računalniku.

Ker so simulacije zasnovane tako, da ponujajo vnaprej določene rešitve, ki so po pravilu idealne ali vsaj pričakovane, se pri tovrstnem eksperimentiranju nekoliko izgubi učenčeva motivacija in ustvarjalnost. Včasih pa so rezultati simulacij tudi nerealni ali celo zavajajoči.

Zato računalniška simulacija pogosto ne doseže didaktičnega učinka dobrega demonstracijskega eksperimenta. Računalniške simulacije in animacije so seveda koristno dopolnilo pouka fizike, kadar je narava pojava taka, da ga ni mogoče pokazati z ustreznim poskusom.

V diplomski nalogi so predstavljeni demonstracijski eksperimenti, ki za razliko od računalniških simulacij potekajo klasično, njihova obdelava pa je s pomočjo računalniških programov in digitalnih merilnikov hitra, zanesljiva in pregledna. Takšen način eksperimentiranja je za učence boljši, saj jim omogoča hitro in pregledno spremljanje fizikalnih zakonitosti eksperimenta v realnem času.

(12)

3

2 TOPLOTA IN TEMPERATURA V OSNOVNI ŠOLI

Prenovljeni učni načrti so v osnovno šolo prinesli naravoslovne vsebine s področja toplote in temperature že zelo zgodaj. Učenci na kvalitativni ravni spoznajo energijo pri predmetu spoznavanje okolja že v 3. razredu. Vedo, da je hrana vir energije, potrebna za razvoj in rast telesa. Opazujejo snovi pri segrevanju in ohlajanju ter znajo pri tem napovedati spremembe snovi.

V 4. razredu spoznajo nekatere vrste prenosov toplote, toplotno in električno prevodnost ter prevodnike in izolatorje. Opazujejo spreminjanje lastnosti snovi pri segrevanju ter pri faznih spremembah.

V 5. in 6. razredu učenci spoznajo toploto kot energijo, ki se pretaka iz telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo. Učenci spoznajo, da se telesu veča temperatura, če prejema toploto in da se mu temperatura zmanjšuje, če telo toploto oddaja.

Razlikujejo med temperaturo in toploto, znajo meriti temperaturo s termometrom ter poznajo enoto za merjenje temperature. Srečajo se s toplotnim tokom in razumejo pomen izolacijskih materialov v vsakdanjem življenju ter v naravi (toplotne izolacije pri živalih, obleka kot izolacijski material, izolacije bivalnih prostorov…). Srečajo se s prevodniki in izolatorji.

V 7. razredu pri naravoslovju opredelijo svetlobo kot energijo, ki lahko povzroča segrevanje snovi in spremembe agregatnega stanja. Spoznajo vzroke za povečanje emisij plinov in s tem povezano prekomerno segrevanje ozračja.

V 8. in 9. razredu so fizika, biologija in kemija že samostojni učni predmeti. Poglavja o notranji energiji in toploti, moči, toplotnem toku, energijskem zakonu, energijskih spremembah ter izkoriščanju in uporabi energije na sploh so razporejeni čez celotne učne načrte pri teh predmetih¹[1, 3, 4, 8, 9, 12, 15].

1Glej poglavje št. 5

(13)

4

2.1 POJEM TOPLOTE IN NOTRANJE ENERGIJE

V osnovni šoli definiramo toploto kot energijo snovi, ki se pretaka iz toplejših predelov snovi v hladnejše. Snov oddaja toploto na račun svoje notranje energije. Če snov toploto prejme, se ji poviša temperatura in s tem tudi notranja energija, če snov toploto odda, se ji notranja energija zmanjša. Čim višjo temperaturo ima telo, tem več ima notranje energije, in nasprotno. Sprememba temperature je največkrat pokazatelj spremembe notranje energije [9, 15].

Opredelimo tudi enoto za toploto oz. notranjo energijo Joules (J) in enoto za temperaturo:

stopinje Celzija (˚C) in Kelvin (K):

Da snov z maso m segrejemo za določeno temperaturno razliko ΔT, je potrebna toplota, ki se pretvori v notranjo energijo snovi (1) in (2):

∆ܹ_௡ = ܳ (1)

in

ܳ = ݉ ∙ ܿ ∙ ∆ܶ (2)

kjer je c specifična toplota snovi, ki je potrebna, da segrejemo 1 kg snovi za 1 K (enota J/kgK).

Notranja energija snovi je definirana kot vsota povprečne kinetične energije termičnega gibanja molekul in povprečne potencialne energije molekul zaradi molekularnih sil. V plinih zanemarimo vpliv medmolekularnih sil, upoštevamo le termično gibanje molekul.

Pri kapljevinah in trdninah pa zaradi zgoščenosti molekul, upoštevamo potencialno energijo molekul zaradi medmolekularnih sil. [10]

V osnovni šoli notranje energije ne definiramo tako strogo. Nakažemo le, da je notranja energija povezana z zgradbo snovi, oziroma s stanjem snovi. Notranjo energijo predstavimo kot energijo zaradi gibanja molekul. Povežemo jo sicer s temperaturo, nekako pa zamolčimo, da je povezana tudi s prostornino snovi. Kasneje sicer povežemo spremembo temperature telesa z njegovo prostornino (temperaturno raztezanje, tlak plina), vendar ne poudarjamo, da gre tudi za spremembo notranje energije.

Kot poseben primer navedemo tiste primere pri katerih se notranja energija spremeni na račun dovedenega dela.

Vpeljemo tudi zakon o ohranitvi energije ali prvi zakon termodinamike, ki pravi, da je sprememba polne energije sistema enaka vsoti prejetega ali oddanega dela in prejete ali oddane toplote (3) [4].

(14)

5

∆ܹ = ܣ + ܳ (3)

Povedano še drugače: energija se ne more uničiti ali nastati iz nič. Spreminja se lahko iz ene oblike v drugo ali prehaja s telesa na telo.

2.1 FAZNE SPREMEMBE – SPREMEMBE AGREGATNEGA STANJA SNOVI

Učenci iz lastnih izkušenj vedo, da lahko segrevanje ali ohlajanje snovi spremeni zgradbo snovi. Govorimo o faznih spremembah ali spremembah agregatnega stanja snovi. V osnovni šoli fazne spremembe nadgradimo z vpeljavo energijske bilance pri omenjenih spremembah snovi. Poudarimo, da se spremeni notranja energija snovi, kadar pride do fazne spremembe. Sprememba notranje energije pa je povezana s spremembo zgradbe snovi.

Pri taljenju trdnine ali pri izparevanju kapljevine se notranja energija poveča, zato moramo ob teh spremembah dovajati energijo, večinoma v obliki toplote. Za kondenzacijo plina in pri zmrzovanju kapljevine pa velja obratno: notranja energija snovi se zmanjša, snov ob fazni spremembi oddaja toploto.

Z eksperimenti lahko pokažemo, da je pri fazni spremembi taljenja, temperatura mešanice ledu in vode stalna (temperatura ledišča 0 ˚C), ne glede na to, da dovajamo toploto. Toplota se porablja za spremembo zgradbe snovi – za taljenje ledu. Temperatura je toliko časa stalna, dokler se ves led ne stali.

Enak sklep naredimo tudi pri vrenju. Pri vrelišče vode 100˚C se dovedena toplota porablja za spremembo agregatnega stanja snovi in temperatura se pri tem ne spreminja. Prav tako ni temperaturnih sprememb pri zmrzovanju in kondenzaciji.

Specifično talilno (qt) in izparilno toploto (qi) praviloma le omenimo in komentiramo ob preglednici za posamezne snovi. Ne vpeljemo pa enačbi (4) in (5) za dovedeno toploto pri faznih spremembah:

ܳ_௧ = ݍ_௧ ∙ ݉ (4)

in

ܳ_௜ = ݍ_௜ ∙ ݉ (5)

(15)

6

2.2 TOPLOTNI TOK

Če se toplota širi po snovi od višje temperature proti nižji, govorimo o toplotnem toku (P).

To je količnik med preneseno toploto in časovno enoto (6):

ܲ = ܳ

ݐ (6)

Pove nam, koliko toplote preide s telesa na telo v časovni enoti. Enota je ^௃

௦= ܹ(ܹܽݐݐ).

Toplotni tok poganja razlika temperatur (Δܶ). Odvisen je tudi od materiala iz katerega je telo (ߣ − ݏ݌݂݁ܿ݅݅č݊ܽ ݐ݋݌݈݋ݐ݊ܽ ݌ݎ݁ݒ݋݀݊݋ݏݐ, ݁݊݋ݐܽ ݆݁ ^ௐ

௠௄), od površine, skozi katero se toplota pretaka (S) in od dolžine v smeri pretakanja toplote (݈) [ 10 ] :

ܲ = ߣܵΔܶ

݈ (7)

V osnovni šoli toplotno prevodnost opredelimo zgolj kvalitativno, brez uporabe zgornje enačbe (7). Omejimo se na ugotavljanje, katere snovi so dobri oziroma slabi prevodniki toplote, torej, da je toplotna prevodnost odvisna tudi od snovi, iz katerega je telo.

Spoznajo, da je toplotni tok odvisen od debeline oz. dolžine telesa, skozi katerega se toplota pretaka [1, 3, 4, 8, 9, 12, 15].

(16)

7

2.3 PREHAJANJE TOPLOTE

Učenci v osnovi šoli spoznajo vse tri načine prehajanja toplote: kondukcijo, konvekcijo in sevanje. Prevajanje (prehajanje) toplote je spontan prenos toplote z mesta z višjo temperaturo na mesto z nižjo temperaturo. Prevajanje preneha, ko se temperaturi mest izenačita.

KONDUKCIJA

Prenos toplote s kondukcijo poteka v trdninah, kjer se toplota prenaša ob stiku. Po trdnih snoveh se prenaša energija od molekule do molekule. Na vročem koncu molekule močno nihajo, to nihanje pa se s trki in preko medmolekularnih vezi prenaša na druge molekule.

Nekatere trdne snovi dobro prevajajo toploto, druge spet ne.

Primeri kondukcije: mrzle dlani segrejemo ob toplem radiatorju ali pod toplo vodo, ptice grejejo jajca s svojimi telesi, gretje in kuhanje živil na vročem kuhalniku…²

KONVEKCIJA

Konvekcija (mešanje) praviloma lahko poteka v tekočinah, ker gre pri tem za gibanje molekul. V trdninah so molekule trdno vezane in ne morejo prosto spreminjati mesta. Pri konvekciji tekočina prejme toploto od toplotnega rezervoarja (grelnika), zaradi česar se zmanjša njena gostota, poveča se prostornina in spremeni tlak, tekočina se začne dvigati.

Pri tem hladnejša tekočina z večjo gostoto priteče na izpraznjeni prostor. Tam se ogreje in proces se ponavlja. Izmenjavi tekočine rečemo konvekcijski tok. Glavna dejavnika, ki vplivata na naravno konvekcijo, sta vzgon in težnost. Konvekcija je odvisna od vrste tekočine, razlike temperatur in geometrijskih razmer.

Konvekcija pa je lahko tudi vsiljena. Pri tem poskrbimo za tlačno razliko s pomočjo črpalk in tako določimo smer pretoka energije.

V osnovni šoli lahko otrokom na veliko različnih načinov približamo konvekcijo. Posebej dobrodošli so primeri iz vsakdanjega življenja: zračenje prostorov: topel zrak zapušča prostor skozi zgornji del okna, hladen vdira na spodnji strani, jadralni piloti izkoriščajo dvigovanje toplih zračnih mas za letenje, nad prižganim grelnikom čutimo dviganje toplega zraka, grelna telesa v stanovanjih (radiatorji) segrevajo okoliški zrak, ta se meša z ostalim zrakom v stanovanju in ogreva prostor…

Tudi z eksperimenti lahko pokažemo konvekcijo, tako da merimo temperaturo pri segrevanju vode na dveh koncih: tik pod gladino in ob dnu posode.³

2Eksperiment, s katerim pokažemo kondukcijo 6.7

3 Eksperiment 6.6

(17)

8 SEVANJE

Sevanje je prenos toplote z elektromagnetnim valovanjem z valovno dolžino od 10^ିସ ݉ do 0,5 ∙ 10^ି଺݉ po prosojni snovi ali praznem prostoru.

Primeri sevanja toplote, ki jih lahko obdelamo v osnovni šoli: sevanje grelnih teles v prostoru, odbojni materiali (npr. folija za avto stekla) in varovalna oblačila (npr. svetleči odbojni materiali gasilcev) preprečujejo apsorpcijo toplote, bela oblačila in svetle fasade stavb imajo enako vlogo v vročih podnebjih, ob večji telesnih naporih človeško telo seva velike količine toplote…[1, 3, 4, 8, 9, 12, 15].

(18)

9

3 PREGLED OBJAV

Prve objave eksperimentov podprtih z računalniškimi programi in vmesniki so se pojavile že leta 1995. Članki, objavljeni v reviji Fizika v šoli:: Uporaba računalnika pri obravnavi Ohmovega zakona v osnovni šoli (Polona Theuerschuh in Slavko Kocjančič),(letnik I, št.2, december 1995), Linearni svetlobni senzor (Štefan Oslaj in Slavko Kocjančič), (letnik V, št.1, 1999), Eksperimenti z ultrazvočnim slednikom ( Slavko Kocijančič in Tine Golež) in Uporaba računalniškega programa Cybersky pri pouku fizike v osnovni šoli (Đeni Plešnik) (letnik VI, št.1, maj 2000), Krmiljenje koračnega motorja z računalniškim vmesnikom (Miroslav Bogataj), in Poskusi, podprti z meritvami v realnem času (Samo Lasič) ( letnik IX, št.1, 2003), Uporaba računalnika kot štoparice pri eksperimentalnih vajah iz gibanja (Garsia Kosinac)(letnik XI, št.2 , 2006) [5].

Prispevki za osnovno šolo na mednarodnih konferencah SIRikt, (Mednarodna konferenca Splet izobraževanja in raziskovanja z IKT): Program Tracker in video analiza prostega padanja žoge, (Samo Božič, zbornik SIRikt 2011, str. 1004-1009), Uporaba tablice za eksperimentalno delo pri pouku fizike s podporo vmesnika Vernier, (Aljoša Kancler, zbornik SIRikt 2014, str. 254) [5].

Objave v priročniku: Posodobitve pouka v osnovnošolski praksi FIZIKA (Samo Božič-idr., uredil S.Božič, Ljubljana: ZRSŠ, 2013)⁴.

Drugi Newtonov zakon- (Stanislav Bobek, str. 66 – 70), Video analiza prostega padanja žoge (Samo Božič, str. 70–71), Raziskava upora s papirnimi padali (video analiza gibanja), (Tatjana Gulič, str.74–75) [5].

Po letu 2000 so se računalniki začeli množično uvajati v osnovne in srednje šole. Vse več je bilo šol, ki so med učne pripomočke uvrščale tudi računalnik. Opremljanje šol je potekalo zelo počasi. Danes je oprema z računalniki v šolskem prostoru dobra.

Računalnik je postal osnovno sredstvo, ki je na razpolago v vsaki učilnici. Nobenega dvoma ni, da je računalnik napredna tehnologija, ki jo je mogoče s pridom izkoristiti v izobraževalnem procesu.

Strokovno izobraževanje. Zavod Republike Slovenije za šolstvo v okviru stalnega strokovnega izpopolnjevanja strokovnih delavcev v vzgoji in izobraževanju izvedel program Uporaba računalniškega vmesnika pri eksperimentalnih vajah iz fizike, kemije in biologije, v šolskem letu 2003/04. Novejša izobraževanja Zavoda Republike Slovenije za šolstvo: Podpora IKT pri eksperimentalnem delu (ZRSŠ, 2015), Uporaba zvočnega slednika pri pouku fizike (ZRSŠ, 2015), Video analiza gibanja s programom Tracker (ZRSŠ,2016)[5].

4Dostopno na spletni strani:

http://www.zrss.si/digitalnaknjiznica/Posodobitve%20pouka%20v%20osnovno%C5%A1olski%20praksi%20FIZIKA/

(19)

10

4 PROGRAMI, KI OMOGOČAJO RAČUNALNIŠKO PODPORO EKSPERIMENTALNEGA DELA

V zadnjem času si poučevanja fizike v osnovni in tudi srednji šoli ne moremo več predstavljati brez računalnika. Tehnologija je močno napredovala. Računalniki so skoraj na vseh nivojih šolanja postali osnovni učni pripomoček. Vse več novih računalniških programov in njihovih nadgradenj omogočajo aktivno vključenost učencev v poučevanje in eksperimentiranje. Računalniški programi danes omogočajo učencu, da aktivno sodeluje pri izvedbi in obdelavi podatkov pri računalniško podprtih eksperimentih tudi preko pametnih telefonov ali iPoda.

V nadaljevanju bi rada predstavila programa dveh proizvajalcev, ki omogočata računalniško podporo eksperimentalnemu delu. To sta Vernier in Pasco.Slikovno gradivo in tehnični podatki, v tem poglavju, so vzeti s spletne strani podjetja Vernier [25] in podjetja Pasco [13].

VERNIER

Rčunalniško merilni komplet Vernier je eden najbolj razširjenih kompletov za računalniško podporo tako v osnovnih, kot v srednjih šolah. Že leta 2003 je bil komplet plasiran v srednje in osnovne šole. Zavod Republike Slovenije za šolstvo je izvedel tudi seminar o uporabi računalniškega vmesnika Vernier za učitelje in profesorje fizike, kemije in biologije. V osnovni verziji kompleta je bil računalniški program Logge Pro 3, računalniški vmesnik LabPro in merilniki [17,24].

Slika 1: Vernier - logotip

Danes je osnovna verzija računalniškega programa Logger Pro (verzja 3.8.2) za zajem podatkov in njihovo obdelavo že močno nadgrajena. Skoraj 80 Vernierjevih senzorjev je mogoče v tem programu uporabiti v realnem času. Pri tem se rezultati manifestirajo z grafičnimi in video analizami. Zajem podatkov lahko poteka preko različnih vmesnikov kot so LabQuest, LabQuest 2, LabQuest Mini, LabPro in drugi. Vse vmesnike je mogoče povezati z računalnikom tudi brezžično preko Wi-Fi-ja ali Bluetooth®a.

(20)

11

Slika 2: LabQuest Mini

Med temi naj omenim Vernier LabQuest 2. To je samostojna napravica, ki zajema podatke merilnikov, ki jih priključimo nanjo (npr. površinska sonda za merjenje temperature).

Podatki meritev se grafično prikažejo na zaslonu visoke ločjivosti, ki ga lahko upravlajmo z dotikom. Mini merilnik lahko uporabimo tudi kot USB senzorski vmesnik v programu LoggerPro.

Slika 3: Vernier LabQuest 2

Slika 4: Površinska sonda za merjenje temperature

Poleg programa Logge Pro lahko namestimo tudi različico Logger Lite. Prednost tega programa je, da lahko temperaturno sondo GoTemp direktno priključimo na računalnik preko USB- priključka, brez vmesnika. Program avtomatično zazna sondo in meritev se lahko prične.

(21)

12

Slika 5: GoTemp termometer

Obstaja pa še več programov za iPhone, iPade in iPode. Fizikalne video analize so dostopne preko prograna Video Physics^TM, ki ga naložimo preko spletnih aplikacij za pametene telefone.

PASCO

Slika 6: Pasco - logotip

Računalniški program SPARKvue, podjetja Pasco je namenjen tako začetnikom kot tudi bolj izkušenim in zahtevnejšim uporabnikom.

Slika 7: SPARKvue - logotip

Podpira eksperimente s področja kemije, fizike in biologije. Lahko ga namestimo na osebni računalnik v okolju Windows® in Mac®, na iPad®, iPhone® in Android®. Sam program ponuja tudi več kot 80 prosto dostopnih internetnih laboratorijskih dejavnosti.

Prav tako ga je mogoče zelo preprosto namestiti na prenosne naprave. Njegova največja prednost je v brezžični povezavi vseh merilnikov preko USB-ja ali Bluetooth®Smart-a s programom SPARKvue.

Za izvajanje eksperimentov imamo na voljo več merilnikov proizvajalca Pasco:

• temperaturne sonde,

(22)

13

Slika 8: Wireless Temperature Sensor PS-3201

• merilec pH vrednosti – pH meter,

• merilnik tlaka,

• silomer,

• voltmetr in ampermetr,

• merilec gibanja…

Z namestitvijo programskega paketa SPARKvue, se odpre okno SPARKlabs. Program se takoj poveže z vsemi napravami preko Bluetooth®a. Program takoj zazna merilnik in ponudi meni dejavnosti in uporabe..

Slika 9: Program zazna merilnike

V meniju programa »Experiments« lahko izberemo vnaprej pripravljene aktivnosti – eksperimente za učence ali demonstracijo. Eksperimenti so pripravljeni kot vaje za učence, tako da so navodila podana vnaprej, meritve pa samostojno izvedemo. Na koncu vsakega eksperimenta so tudi povzetki in ugotovitve.

(23)

14

Slika 10: Program SPARKlabs nudi vnaprej pripravljene navodila za poskuse

Lahko pa z merilniki izvajamo popolnoma samostojne dejavnosti. V meniju izberemo okno

»Build«, ki ponuja različne verzije prikazov in meritev. Ponuja grafe, tabele, različne prikaze z merilniki itn. Vsak eksperiment lahko tudi shranite .

Slika 11: Program nudi več prikazov meritve: graf, analogni merilnik, tabele… ⁵

Na tržišču je danes seveda še več proizvajalcev opreme za računalnike, vendar sem se omejila zgolj na dva. Glede na želje, zahteve in finančne zmogljivosti pa je izbira posameznega učitelja seveda njegova.

5Povzeto po: https://www.pasco.com/prodMulti/sparkvue-software/index.cfm

(24)

15

5 VSEBINE V UČNEM NAČTU (FIZIKA, KEMIJA, BIOLOGIJA, NARAVOSLOVJE)

V spodnjih tabelah so predstavljeni eksperimenti s področja toplote in temperature umeščeni v posamezne tematske in vsebinske sklope glede na operativne cilje in standarde znanj pri posameznih predmetih. Operativni cilji in standardi znanj so vzeti iz veljavnih učnih načrtov za fiziko, kemijo, biologijo in naravoslovje v osnovnošolskem izobraževanju. [20-23]

5.1FIZIKA

5.1.1 SPLOŠNI STANDARDI ZNANJ Učenci:

• načrtno opazuje pojave in zapisuje opažanja,

• po navodilih izvede fizikalne poskuse ter ustrezno zabeleži dogajanja in meritve,

• izbere ustrezne pripomočke (vključno z IT) za zbiranje in obdelavo podatkov ter jih pravilno uporabi,

• bere preproste grafe,

• iz grafa odčita neznane vrednosti,

• uporabi tabele, grafe, ipd. za prikaz medsebojne odvisnosti količin,

• odgovori na raziskovalno vprašanje,

• predstavi fizikalno znanje, ki ga je uporabil pri interpretiranju rezultatov ter razmišljanja, ki so ga vodila k oblikovanju zaključkov,

• primerja dejanske rezultate z napovedmi in ugotavlja ujemanje,

• predlaga morebitne izboljšave uporabljenih metod,

• predstavi nova vprašanja, ki so se mu porajala med poskusom in po njem,

• na podlagi predhodnega znanja postavi hipotezo, ki mu pomaga pri načrtovanju poskusa,

• opredeli ključne spremenljivke, ki jih je treba upoštevati pri izvedbi poskusa,

• določi, katere količine bo pri poskusu spreminjal in katere bo ohranil nespremenjene,

• uporabi različne oblike in metode (vključno s simboli, diagrami, tabelami, skicami, grafi in IT) za predstavitve kvalitativnih in kvantitativnih podatkov in zaključkov.

(25)

16 5.1.2 OPERATIVNI CILJI razvrščeni po temah in vsebinskih sklopih :

TOPLOTA IN NOTRANJA ENERGIJA EKSPERIMENTI

[2,16]

1. Zgradba trdnin, kapljevin in plinov Učenci:

• na mikroskopski ravni razložijo dogajanja ob taljenju, strjevanju, izparevanju in kondenzaciji snovi,

• LATENTNA TOPLOTA

• IZPAREVANJE

2. Temperatura

• opredelijo temperaturo kot količino, ki jo pokaže termometer, ^•^MERJENJE

TEMPERATURE VODE PRI DOVAJANJU TOPLOTE

• spoznajo Celzijevo in Kelvinovo temperaturno lestvico ter znajo pretvarjati zapise,

• uporabijo termometer za merjenje temperature (E).

3. Notranja energija

• razložijo primere, v katerih so spremembe notranje energije povezane s spremembo temperature,

•MERJENJE TEMPERATURE VODE PRI DOVAJANJU TOPLOTE

4. Toplota

• opišejo razliko med pojmoma temperatura in toplota, ^• LATENTNA TOPLOTA

• IZPAREVANJE

• s poskusi raziščejo zakonitosti prehajanja toplote (E), ^•KONVEKCIJA

•PREVAJANJE TOPLOTE - KONDUKCIJA

• razložijo odvisnost spremembe notranje energije od prehajanja toplote.

• MERJENJE

5. Računanje toplote

• uporabijo enačbo za računanje toplote, ^•^MERJENJE

• RAZLIČNI MASI

• primerjajo spremembo notranje energije s prejeto ali oddano toploto. ^• LATENTNA TOPLOTA

• IZPAREVANJE

6. Toplotni tok

• uporabijo enačbo za računanje toplotnega toka, ^•^VSI

• raziščejo pomen oblačil in izolacijskih materialov za zmanjševanje toplotnega toka.

• PREVODNIKI IN IZOLATORJI

FIZIKA IN OKOLJE

7. Fizikalna dognanja nam lajšajo življenje

• Učitelj samostojno ali skupaj z učenci izmed tem, kot so npr. nekatere izbirne vsebine, fizikalno zgodovinske teme, teme v zvezi s sodobnimi odkritji ali opisom sodobnih naprav (GPS, mobilna telefonija,

polprevodniki, računalniki, laserji, tekoči kristali, optična vlakna, jedrske elektrarne, pospeševalniki, nanotehnologija, ekologija itd.), izbere tisto, za katero meni, da bo učence zanimala, in z njo zaokroži pouk fizike v osnovni šoli.

• TOPLOGREDNI PLINI

(26)

17 5.2KEMIJA

Predstavljene eksperimente s področja toplote in temperature ni mogoče direktno uporabiti pri kemiji. Lahko pa priredimo eksperimente za posamezne sklope. Tako na primer lahko:

• merimo temperaturo pri eksotermnih ali endotermnih reakcijah,

• preverjamo energijski zakon za posamezno kemijsko reakcijo,

• ugotavljamo temperaturne razlike pri segrevanju nekaterih toplogrednih plinov⁶ itn.

Našteti standardi in cilji so podani okvirno in nakazujejo možnosti, kjer bi se podobni eksperimenti v povezavi s toploto, temperaturo in notranjo energijo lahko izvajali pri kemiji [2,6].

5.2.1 SPLOŠNI STANDARDI ZNANJ Učenec:

• obvlada osnovne eksperimentalne tehnike (segrevanje, merjenje prostornine (merilni valj), tehtanje z digitalno tehtnico) in izvaja poskuse (eksperimente),

• sistematično in natančno opazuje, zbira, beleži in ureja podatke, zbrane pri eksperimentalnem delu, razbere in posploši soodvisnosti oziroma oblikuje zaključke/sklepe,

• opredeli spremenljivke, ki jih je treba upoštevati pri izvedbi poskusa,

• zastavlja raziskovalna vprašanja in načrtuje poskus,

• opiše oziroma argumentirano predstavi potek, opažanja in ugotovitve samostojnega eksperimentalnega dela oziroma demonstracijskih poskusov,

• zna uporabljati podatke iz različnih informacijskih virov z IKT (poljudno strokovna literatura, svetovni splet, zbirke podatkov idr.), jih ustrezno uporabiti in predstaviti (npr. pri izdelavi seminarskih nalog, plakatov, projektnem delu, raziskavi itd.).

5.2.2 OPERATIVNI CILJI

KEMIJSKE REAKCIJE

Korelacija s fiziko: Sonce vir energije (temperatura); Toplota in notranja energija

• Ve, da je vsaka kemijska reakcija snovna in energijska sprememba,

• razlikuje med eksotermnimi in endotermnimi reakcijami,

• ve, da za kemijske reakcije velja zakon o ohranitvi mase.

6Eksperiment 6.8

(27)

18 DRUŽINA OGLJIKOVODIKOV S POLIMERI

Korelacija s fiziko: Toplota in notranja energija (pridobivanje energije in stem povezana okoljska vprašanja)

• Pozna lastnosti (topnost, gostota, vrelišče, reaktivnost) osnovnih ogljikovodikov oziroma njihovo odvisnost od zgradbe,

• razlikuje med popolnim in nepopolnim gorenjem ter pozna posledice nepopolnega gorenja,

• pozna škodljive vplive uporabe ogljikovodikov in njihovih derivatov na okolje ter ukrepe za njihovo preprečevanje.

(28)

19 5.3BIOLOGIJA

Biologija je kot naravoslovna znanost, tako kot fizika in kemija, v svoji osnovni funkciji eksperimentalna veda. Zato že v osnovnošolskem izobraževanju stremimo k ciljem, ki bi učencu približale naravoslovni način razmišljanja, povezanega z eksperimentiranjem. Tudi UN za biologijo poudarja pomen eksperimentalnega dela za učence. Spodaj navedeni standardi in cilji so tisti, pri katerih je očitna korelacija s fizikalnim področjem toplote in temperature. [18] Posebej zanimivi so eksperimenti s področja presnove živil (ogljikovi hidrati, beljakovine, maščobe). S pomočjo merjenja temperaturne spremembe (pri sežiganju živila segrevamo vodo v epruveti in merimo spremembo temperature), lahko izračunamo energijsko vrednost živila( energ.vrednost = masa živila(g) *x (ml) H₂O *4,2 kJ

*ΔT). Glede na navedene standarde in cilje navajam le nekatere možnosti za računalniško podprte poskuse s temperaturnimi sondami, ki bi jih lahko izvajali pri pouku biologije. :

• merjenje energijske vrednosti živil s pomočjo sežigalne toplote,

• merjenje temperature pri nekaterih osnovnih reakcijah v organizmu (npr.

oksidacija),

• merjenje toplotne prevodnosti materialov,

• merjenje izgube toplote pri dobri/slabi izolaciji (obleka, krzno, perje…),

• merjenje temperaturnih sprememb pri reakcijah s kvasovkami, mlečnimi beljakovinami…,

• ugotavljamo temperaturne razlike pri segrevanju nekaterih toplogrednih plinov⁷ itn.

5.3.1 SPLOŠNI STANDARDI ZNANJ Učenci so zmožni:

• načrtovati in izvesti preprost poskus, sistematično opazovati in meriti, določiti in kontrolirati parametre pri poskusu, načrtovati in izvesti preprosto raziskavo ter interpretirati rezultate, uporabiti podatke za oblikovanje razlage oziroma alternativnih razlag, oblikovati argumentirano kritiko razlag in postopkov.

Učenci razumejo, da:

• ima človeški organizem sisteme za prebavo, dihanje, prenos snovi, izločanje, gibanje, regulacijo in koordinacijo delovanja, razmnoževanje in za obrambo pred boleznimi, sistemi so funkcionalno povezani med seboj,

7Eksperiment 6.8

(29)

20

• morajo vsi organizmi imeti sposobnost za pridobivanje in izrabo energije ter snovi iz okolja, rast, razmnoževanje in vzdrževanje stabilnega notranjega okolja ob življenju v spremenljivem zunanjem okolju,

• je glavni vir energije za ekosisteme sončna energija, energijo, ki v ekosistem vstopa kot sončna energija, proizvajalci med fotosintezo pretvorijo v kemijsko vezano energijo. Tovrstna energija nato potuje od organizma do organizma po prehranjevalnem spletu,

• zaradi naravnih vzrokov in človekovih dejavnosti lahko okolje vsebuje snovi, ki so škodljive za človeka in druge organizme.

5.3.2 OPERATIVNI CILJI

RAZISKOVANJE IN POSKUSI

• Znajo samostojno postaviti raziskovalna vprašanja in načrtovati preprosto raziskavo(znajo izbrati in uporabiti ustrezna orodja ter tehnologijo za izvajanje poskusov, zbiranje podatkov in prikaz podatkov: npr. računalnik, osebni računalnik, tehtnico, mikroskop, daljnogled),

• razlikujejo med spremenljivimi in kontroliranimi parametri pri poskusu,

• znajo izdelati ustrezen graf za prikaz podatkov in razviti kvantitativne trditve o odnosih med spremenljivkami,

• razlikujejo med linearnimi in nelinearnimi odnosi med podatki, prikazanimi na grafu.

ZGRADBA IN DELOVANJE ČLOVEKA

• Razumejo vlogo posameznih delov prebavne cevi in povežejo sestavo hrane s procesi v prebavni cevi,

• razumejo procese mehanske obdelave hrane in jih povežejo s prebavo,

• razumejo, da opravlja koža različne naloge, predvsem pa je meja med organizmom in okoljem,

• razumejo vlogo kože pri uravnavanju telesne temperature.

BIOTEHNOLOGIJA

• Spoznajo, da je človek že zelo zgodaj uporabljal organizme za proizvodnjo različnih dobrin (npr. uporaba kvasovk pri proizvodnji kruha, piva in vina; uporaba mikroorganizmov pri proizvodnji mlečnih izdelkov).

VPLIV ČLOVEKA NA NARAVO IN OKOLJE

• Razumejo vplive človeka na biotske sisteme (organizmi, ekosistemi, biosfera) in te vplive raziščejo v lastnem okolju (urbanizacija, prekomerna raba naravnih virov, degradacija in drobljenje ekosistemov, onesnaževanje okolja idr.),

• spoznajo vzroke in posledice nastanka ozonske luknje,

• spoznajo vzroke in posledice globalnega segrevanja (okrepljen učinek tople grede).

(30)

21 5.4NARAVOSLOVJE

Naravoslovje je v osnovnošolskem izobraževanju predhodnica vsem naravoslovnim predmetom. Tako lahko že zelo zgodaj otroke uvajamo v eksperimentalni način izkustva naravoslovnih zakonitosti. Posebej s področja toplote in temperature je mogoče že zelo zgodaj izvesti celo kopico eksperimentov [ 14 ], ki sem jih tudi sama vključila v svojo nalogo:

• merjenje temperature snovi pri dovajanju toplote in pri ohlajanju⁸,

• prenašanje toplote s prevajanjem⁹,

• prenašanje toplote s konvekcijo¹⁰,

• prenašanje toplote s sevanjem,

• merjenje toplotne prevodnosti snovi (prevodniki in izolatorji)¹¹,

• merjenje temperature pri faznih spremembah¹²,

• ugotavljamo temperaturne razlike pri segrevanju nekaterih toplogrednih plinov¹³ itn.

5.4.1 SPLOŠNI STANDARDI ZNANJ

Učenec:

• izvaja poskuse po navodilih,

• ustrezno uporablja pripomočke, opremo in tehnologijo pri eksperimentalnem delu,

• zna zbirati kvalitativne in kvantitativne podatke z opazovanjem in izvajanjem meritev, jih ustrezno zapisati in urediti (besedilno, s tabelami in grafi)

• razloži zvezo med dvema spremenljivkama pri poskusu,

• prepozna problemska vprašanja in predlaga načine , ki vodijo do rešitve oziroma do odgovora,

• napove rezultat poskusa, svojo napoved utemelji ter po izvedbi ugotovi, če se zaključki ujemajo z napovedjo.

8Eksperiment 6.1

9Eksperiment 6.7

10Eksperiment 6.6

11Eksperiment 6.5

12Eksperimenta 6.3 in 6.4

13Eksperiment 6.8

(31)

22 5.4.2 OPERATIVNI CILJI

TOPLOTA IN TEMPERATURA (5.r.) Učenci znajo:

• dokazati, da toplota prehaja s toplejšega na hladnejše,

• razlikovati med temperaturo in toploto,

• opisati različne termometre in meriti temperaturo,

• prikazati, da različne snovi različno prevajajo toploto,

• ugotoviti pomen in opisati vrste izolacijskih materialov ter poiskati primere uporabe,

• opisati različne vrste toplotne izolacije živih bitij in utemeljiti pomen.

ENERGIJA

Sonce – osnovni vir energije na Zemlji (6.r.) Učenci:

• Razumejo, da je sončna energija osnovni vir energije, nujno potreben za vzdrževanje življenja na Zemlji.

Svetloba in barve (7.r.)

• Spoznajo, da svetlobna energija lahko povzroča segrevanje snovi, spremembe agregatnega stanja, spremembe snovi in da lahko poganja električni tok,

Tokovi in energija (6.r.)

• Razumejo pomen toplotnega toka in ga povežejo s primeri iz narave,

• spoznajo primere prilagoditev organizmov, ki jih ščitijo pred izgubo toplote ali omogočajo hitrejše ohlajanje,

• razlikujejo med toplotnimi prevodniki in izolatorji ter navajajo primere njihove uporabe v vsakdanjem življenju.

ŽIVA NARAVA

Neživi dejavniki okolja (6.r.)

• Spoznajo nežive dejavnike okolja: zemeljska privlačnost, svetloba, temperatura, zračni tlak, veter, vlažnost zraka, gostota snovi;

VPLIV ČLOVEKA NA OKOLJE

Pomen učinkovitega izkoriščanja naravnih virov surovin in energije (6.r.)

• Spoznajo problematiko omejenosti in prekomernega izkoriščanja naravnih virov vode, surovin in goriv ter se zavedajo nujnosti gospodarnega ravnanja z njimi.

Človek onesnažuje zrak, vodo in tla (7.r.)

• Spoznajo vzroke za povečanje emisij plinov (ogljikov dioksid, metan, dušikovi oksidi) in s tem povezanim prekomernim segrevanjem ozračja (povečan učinek tople grede), ki se odraža na spreminjanju podnebja in na kopenskih in vodnih ekosistemih.

(32)

23

6 PREGLED EKSPERIMENTOV

V tem poglavju so predstavljeni le nekateri primeri eksperimentov s področja toplote, temperature in notranje energije za osnovno šolo. Nastali so zgolj kot ena od možnosti uporabe v osnovni šoli. Vsi eksperimenti so bili izvedeni z računalniškim programom eProLab: HiSkop, vmesnikom CMC-S3 in temperaturnimi sondami.

Eksperimenti so mišljeni zgolj kot vodilo in uporaben primer, ki ga lahko učitelj izvaja demonstracijsko ali pa delo pripravi za učence. Ti lahko izvajajo eksperimente v skupinah kot problemske naloge ali pa kot v naprej pripravljene naloge. Dodani so tudi primeri učnih listov in njihove rešitve za učence. Učni list je lahko povzetek ure ali pa navodilo učencem za njihovo samostojno delo.

(33)

24

6.1 MERJENJE TEMPERATURE VODE PRI DOVAJANJU TOPLOTE

Temperatura vode se povečuje, če ji dovajamo toploto. Toplota je energija, ki se prenaša s področja z višjo temperaturo na področje z nižjo temperaturo. Toploto ni mogoče neposredno meriti, zato merimo spremembo temperature. S pomočjo spremembe temperature ocenimo ali izračunamo dovedeno toploto. [ 16 ]

6.1.1 POTREBŠČINE

• temperaturna sonda

• računalniški program za zajem podatkov (npr. Logger Pro, podjetja Vernier)

• računalnik

• čaša vode s prostornino 250 ml

• stativni pribor

• električni grelnik (P = 150 W)

• mešalo

6.1.2 NAVODILO

• Pripravimo računalnik in ga povežemo z računalniškim programom

• V čašo odmerimo 300 ml vode.

• Sestavimo stativni pribor.

• Pripravimo grelnik. (P = 150 W) Grelnik naj bo pred izvedbo meritev nekaj časa priključen, da se segreje.

• Vodo predčasno segrejemo na približno 25°C.

• Vstavimo temperaturno sondo.

• Poženemo meritev.

(34)

25

Slika 12: Segrevanje vode 1

Slika 13: Segrevanje vode 2

Slika 14: Graf časovne odvisnosti temperature za segrevanje vode

(35)

26

Tabela 1: Merjenje temperature vode pri segrevanju

t (s) T (°C)

0,0 24,8

25,0 27,3

50,0 28,9

75,0 31,0

100,0 32,6

125,0 34,3

150,0 36,7

175,0 38,3

200,0 39,9

225,0 41,2

250,0 42,9

275,0 44,7

300,0 46,4

325,0 48,2

350,0 49,5

375,0 51,5

400,0 53,0

425,0 54,1

450,0 55,9

475,0 57,5

500,0 58,9

525,0 60,3

550,0 61,9

575,0 63,0

600,0 64,7

625,0 65,8

650,0 67,5

675,0 68,5

700,0 69,8

725,0 70,9

750,0 71,9

775,0 73,4

800,0 74,5

825,0 75,5

850,0 76,7

875,0 78,0

900,0 78,8

925,0 79,8

950,0 80,8

975,0 81,5

(36)

27 6.1.3 NALOGE ZA UČENCE - PRIMER UČNEGA LISTA

1. Iz grafa T(t) ugotovi, kako se temperatura spreminja s časom! Opiši graf T(t)!

2. Kako imenujemo fizikalni proces, ki ga opisuje graf T(t)?

3. V kakšnem agregatnem stanju je bila voda med poskusom?

4. V katerem temperaturnem območju je potekal poskus (odčitaj iz tabele meritev) 5. Grelnik vodi oddaja toploto. Voda toploto prejema.

Katera količina se na račun dovedene toplote vodi spreminja?

6. DOPOLNI: Temperatura vode se ves čas enakomerno ____________________.

Voda torej prejema v enakih časovnih presledkih enako količino ___________.

Količina dovedene_________________, ki jo voda prejme, je sorazmerna (∝) s spremembo ________________.

ZAPIS S SIMBOLI:

Q ∝ ∆T

7. Na grelniku piše: 150 W. To pomeni, da grelnik vsako sekundo odda vodi 150 J toplote.

Iz tabele odčitaj čas t meritve in izračunaj, koliko toplote je oddal grelnik vodi v tem času!

Račun: t = ______ Q = 150 W . t Q =

8. Odčitaj iz tabel začetno temperaturo (T_z) in končno temperaturo (T_k) vode!

Izračunaj temperaturno spremembo ∆T!

T_z = _______

T_k = _______

∆T = T_k – T_z = ________________

(37)

28 9. Voda prejema toploto od grelnika. V idealnih pogojih bi voda prejela vso toploto,

ki jo je grelnik oddal (glej nalogo 7).

Izračunaj koliko toplote je prejela voda med poskusom po enačbi:

Q = m . c . ∆T m... masa vode

c.... specifična toplota vode, ki nam pove koliko toplote potrebujemo, da segrejemo 1 kg vode za 1 K (4200 J/kgK)

T_z... začetna temperatura T_k... končna temperatura

∆T = Tk – Tz ... sprememba temperature vode

10.Primerjaj toploti iz naloge 7 in 9. Ali velja, da je oddana toplota grelnika enaka prejeti toploti vode : Qoddana (grelnika) = Qprejeta (vode) ? Odgovor utemelji! Poskušaj najti nekaj razlogov, zakaj enakost ne drži!

Odgovor, utemeljitev, razlogi:

11. Kako bi uspeli zmanjšati toplotne izgube? Naštej nekaj predlogov! Ali bi enakost:

Qoddana (grelnika) = Qprejeta (vode) držala v idealnih pogojih?

(38)

29 6.1.4 PREDLOGI ZA UČITELJE - NALOGE

1. Segrevamo lahko 0,5kg vode in iz meritev poskušamo s sklepanjem določiti specifično toploto vode. (Koliko toplote potrebujemo, da segrejemo 1 kg vode za 1 K; upoštevamo podatke iz grelnika in predvidimo izgub.o)

2. Specifično toploto vode pa lahko ocenimo tudi z računom, če upoštevamo, da se pri prenosu toplote izgubi približno 50% toplote grelnika. Tak izračun lahko naredimo z boljšimi učenci.

Velja namreč: prejeta toplota vode je enaka toploti, ki jo oddaja grelnik:

Q_vode = Q_grelnka m_v . c_v . ∆T = P_g . t

v T m

g t P cv

∆

⋅

=

REŠITVE:

Podatki – tabela meritev:

Pri izračunu upoštevamo, da je Pgrelnika= 75 W.

mv = 0,3 kg

T₁ = 24,8 °C , T₂ = 81,5 °C

∆T = 56,7 K t = 975 s IZRAČUN:

v T m

g t P c_v

∆

⋅

=

K kg

s s c_v J

7 , 56 3 , 0

975 / 75

⋅

= ⋅

kgK J c_v =4299 /

UGOTOVITEV: Glede na pogoje merjenja in uvedene približke za P_grelnika, je rezultat dokaj natančen in se približa tabelarni vrednost za vodo: cv= 4200 J/kgK

(39)

30 3. Z učenci lahko tudi izračunamo toplotni tok grelnika (podatke preberemo iz

meritev) :

Velja : P = t

Q, če je Q = m . c . ∆T REŠITVE:

Podatki – tabela meritev:

• T₁ = 24,8 _°C , T₂ = 81,5 _°C

• ∆T = 56,7 K

• m = 0,3 kg (300 ml)

• t = 975 s

• c_vode = 4200 J/kg K IZRAČUN:

) / ( 975 75

7 , 56 /

4200 3

, 0

ln W J s

s

K kgK

J

P_gre _ika kg⋅ ⋅ =

=

UGOTOVITEV:

Na grelniku je oznaka 150 W, torej se pri segrevanju izgubi polovica toplote. Toplotne izgube nastajajo zaradi segrevanja okolice.

(40)

31 6.1.5 REŠITVE – (učni list)

1. Temperatura se enakomerno veča s časom. Graf T(t) je premica.

2. Fizikalni proces se imenuje segrevanje.

3. Voda je v tekočem agregatnem stanju.

4. Meritev je potekala v temperaturnem območju med 25 °C in 80 °C.

5. Na račun dovedene toplote se vodi spreminja njena temperatura.

6. DOPOLNI:

povečuje toplote toplote temperature 7. t = 975 s

Q = 150 W . 975 s Q = 146 250 J 8. T_z = 24,8 °C ,

Tk = 81,5 °C

∆T = T_k - T_z = 56,7 K

9.

Q = m . c . ∆T

Q = 0,3 kg . 4200 J/kg K . 56,7 K Q = 71 442 J

10.Oddana toplota grelnika ni enaka prejeti toploti vode. Med segrevanjem se je del toplote grelnika izgubil. Grelnik je segreval tudi okolico, grelnik je segreval posodo z vodo...

11.Toplotne izgube lahko zmanjšamo z drugačnim načinom gretja (potopni grelnik),

preprečimo, da posoda segreva ozračje (izolacija posode). V idealnih pogojih (če ne bi prihajalo do izgub toplote) bi enakost Qvode = Qgrelnka držala.

(41)

32

6.2 RAZLIČNI MASI

Pri segrevanju različnih mas snovi za določeno temperaturno spremembo ugotovimo sorazmernost prejete toplote in mase.

6.2.1 POTREBŠČINE

• temperaturni sondi

• računalniški program

• računalnik

• grelnika

• čaši

6.2.2 NAVODILO

• Pripravimo računalnik in ga povežemo z računalniškim programom za zajem podatkov.

• V manjšo čašo odmerimo 400 ml, v večjo pa 800 ml vode.

• Pripravimo dve temperaturni sondi.

• V obe čaši vstavimo temperaturno sondo in počakamo nekaj trenutkov.

• Čaši postavimo na enaka, vključena grelnika.

• Poženemo meritev.

(42)

33

Slika 15: Segrevanje vode z različno maso 1

Slika 16: Segrevanje vode z različno maso 2

(43)

34

Slika 17: Graf časovne odvisnosti temperature za segrevanje različnih mas (modra 400g, rdeča 800g)

(44)

35

Tabela 2: Merjenje temperature pri segrevanju različnih mas (modra 400g, rdeča 800g)

T (s) T1 (°C) T2 (°C)

0,0 23,2 23,2

25,0 24,7 23,6

50,0 26,7 24,4

75,0 28,5 25,2

100,0 30,5 25,9

125,0 32,1 27,0

150,0 33,6 27,7

175,0 35,3 28,8

200,0 36,6 29,5

225,0 37,8 29,9

250,0 39,7 30,7

275,0 41,3 31,8

300,0 42,4 32,6

325,0 44,2 33,5

350,0 45,5 34,5

375,0 46,8 34,9

400,0 48,3 35,6

425,0 49,8 36,5

450,0 50,5 37,5

475,0 52,2 37,8

500,0 53,5 38,5

525,0 54,8 39,6

550,0 56,2 39,9

575,0 57,4 41,1

600,0 58,5 41,5

625,0 59,7 42,4

650,0 60,4 43,0

675,0 61,6 43,5

700,0 63,3 44,3

725,0 64,1 45,0

750,0 65,2 45,6

775,0 66,8 46,1

800,0 67,6 47,0

825,0 68,7 47,8

850,0 69,8 48,3

875,0 71,1 49,2

900,0 72,0 49,6

925,0 72,6 50,8

950,0 73,5 51,4

975,0 74,4 52,1

(45)

36 6.2.3 NALOGE ZA UČENCE- PRIMER UČNEGA LISTA

1. Iz tabele odčitaj spremembi temperature za obe premici:

ΔT₁=_________ in ΔT₂=___________

2. Kako je sprememba temperature povezana z maso vode pri poskusu?

3. Kako je strmina grafa T(t) povezana z maso?

4. Izračunaj, koliko toplote je prejela voda v obeh primerih v denimo 300 sekundah.

Podatke odčitaj iz tabele!

5. Dopolni graf T(t) s premico, ki bi prikazovala segrevanje 1600 g (200 g) vode v tem časovnem obdobju (grelniki so pri vseh meritvah enaki)!

6. Dovedena toplota za obe masi je bila v istem časovnem obdobju enaka, saj sta bila grelnika enaka. Katero količino bi moral spremeniti pri poskusu, da bi bili temperaturni spremembi za različni masi enaki?

Odg.: _______________________ali________________________.

7. Pri dvakrat večji masi in enakem času potrebujemo dvakrat več ____________, da segrejemo snov za isto temperaturno spremembo.

8. Dovedena _________________je sorazmerna z ________________.

(46)

37 6.2.4 PREDLOGI ZA UČITELJE

1. Eksperiment lahko izvedemo tudi z več različnimi masami (npr.: 100 g, 200 g, 300 g...), pri tem merimo temperaturo. Za tak eksperiment je potrebno več temperaturnih sond, program pa dovoljuje uporabo več merilnikov. Z dobljenimi meritvami lahko sklepamo na dovedeno toploto za 1 kg.

(47)

38 6.2.5 REŠITVE (učni list)

1.

ΔT₁= 74,4 ⁰C – 23,2 ⁰C ΔT₁= 51,2 ⁰C ΔT2 = 52,1 ⁰C – 23,2 ⁰C

ΔT₂= 28,9 ⁰C

2. Temperatura narašča (2-krat) hitreje v posodi z (2-krat) manjšo maso.

3. Bolj strm je graf T(t) za manjšo maso. Če dovedemo enako količino toplote manjši masi bo temperatura naraščala hitreje kot pri večji masi.

4.

Q = m . c . ∆T Podatki iz tabel:

∆T₁ = 19,2 ⁰C, m₁ = 400 g = 0,4 kg

∆T₂ = 9,4 ⁰C, m₂ = 800 g = 0,8 kg

Q₁ = 0,4 kg . 4200 J/kgK . 19,2 K Q₁ = 32 256 J

Q2 = 0,8 kg . 4200 J/kgK . 9,4 K Q2 = 31 584 J

Q1≅≅≅≅ Q2

5.

200g

1600g