Aktiviteter
Stoff og temperatur

27.1.04 Erling Skaar

 

 

Undersøkelse av massetetthet
Utstyr: Kar med vann og ulike gjenstander. Undersøk ulike gjenstander om de er "lettere" eller "tyngre" enn vann. Med "lettere" og "tyngre" mener vi her liten og stor tetthet. Merk at vi kan omforme f.eks. plastilin slik at det flyter selv om det normalt vil synke. Forklar.

 Varm luft stiger
Utstyr: lettsvevende frø el.l. Undersøk ved hjelp av plantefrø, røk eller andre lettsvevende ting eller spiral av papir opphengt i en tynn tråd, hvordan luftstrømmene i et klasserom går. Er disse avhengig temperatur ute/inne, ovner, åpne vindu ol.

Varm luft er lettere enn kald luft
Utstyr: Flaske vektstang og lodd. Heng opp flaska og loddet i vektstanga slik at de er i balanse. Flaska skal henge opp ned. Varm opp lufta inni flaska ved hjelp av et stearinlys og se hva som skjer 

 

 

 

Flaskedykker
Utstyr: Glassflaske og fyrstikk eller plastflaske, isoporbit og en skrue. Figur til venstre viser flaskedykker laget av en skrue og en isoporbit.

Alternativ: Brekk av ca 6-10 mm av svovel-enden av fyrstikken. Putt den så opp i ei flaske full med vann og press deretter tommelen mot toppen av flaska.

 

 

Luft må ut før vann kan renne inn
Utstyr: Flaske og trakt med lite hull. Sett trakta ned i en tom flaske og tett med fett, voks eller liknende rundt tuten på flaska. Prøv å tømme vann i trakta.

Luft må inn før vann kan renne ut
Utstyr: Glass og bit av stivt papir. Fyll glasset fullt med vann og legg papirbiten tett over. Snu glasset og se om vannet renner ut. La elevene forklare.

Kommentar: Wedøe skiver følgende om det siste forsøket: Forklaringen er naturligvis den samme som før: Luft slipper ikke inn og dermed renner ikke vannet ut... For barnet vil det derimot fortone seg som en tryllekunst - morsomt, men uforståelig. (s115) Poenget her er at det er uheldig å vise forsøk som fremstår som uforståelige for barna fordi man ikke gir en relevant forklaring. Her vil vi da kort påstå at forklaringen til Wedøe ikke er en tilfredstillende forklaring som forklarer hvorfor vannet ikke renner ut. Vanlig erfaring forteller at ting vil falle ned når vi snur beholderen opp ned. Årsaken er da at tyngdekraften vil trekke det mot jorda. En forklaring av hvorfor ikke vannet faller ned i dette tilfelle må derfor si noe om hva slags kraft det er som motvirker tyngdekraften. I dette tilfelle er det da lufttrykket som er forklaringen. Det samme forsøket ville f.eks. ikke fungere på månen hvor det ikke er lufttrykk. Det som Wedøe skriver om luft som ikke slipper inn er rett nok, men poenget her er at det ikke er forklaringen som kan hjelpe barna med å forstå.

Vi kan løfte vann med å tette i toppen
Figur viser at vannet i et sugerør vil holde seg i røret så leng det er tett på toppen. Forklaring?

Når vi bruker sugerør er det lufttrykket som presser væsken inn i munnen.
Det er altså ikke krefter inni sugerøret som drar væsken opp, men når vi suger reduserer vi trykket inni sugerøret og luftrykket utenfor vil da presse væsken inn i munnen. Om vi lager et hull i sugerøret vil det ikke virke. Dette understreker da poenget ovenfor.

Det er lufttrykket som får vann til å "renne" oppover
Tofigurer til høyre viser hvordan vi kan demonstrere hevertprinsippet. Om man trekker slike eksemplene inn i undervisningen er det viktig at vi kommenterer det som virker "rart". I dette tilfellet er det er vel særlig at vann kan "renne" oppover bakke i noen delerav slangen. Forklaringen er da at det er lufttrykket som presser vannet oppover selv om vi ofte sier at vannet "suges opp".

Figuren under er da et eksempel på et forsøk som er konstruert for å virke uforståelig eller overraskende. Om vi fokuserer på de to glassene som er synlig ser vi at vannet strømmer fra det nederste til det øverste, og det er tilsynelatende imot tyngdeloven. Det man da ofte glemmer er å se lenger nede hvor like mye vann renner ut i en bøtte som står under bordet. Forklaring? Generelt er vel slike forsøk greie å bruke på høyere nivå i skoleverket som en test på om elevene har forstått teorien, men her vil vi da advare mot å trekke slike forsøk inn på lavere trinn.

Hjemmelaget barometer
Lufttrykket kan variere litt og meterologene bruker da et såkalt barometer for å måle slike variasjoner. Her vil vi ikke gå inn på bruk av barometer, men bare advare mot de problemer som dukker opp om man lager barometer etter oppskrifter som man finner i ulike aktivitetsbøker. Her har vi vist to eksempler på slike hjemmelagede barometer.

Den ene figuren viser en gummimembran fra f.eks. en ballong som er pålimt et sugerør. Den andre figuren viser en halvtom flaske som står på hode i et vannbad. Virkemåten til disse er da kort fortalt at når det ytre lufttrykket endrer seg vil luften inni glasset/flasken presses sammen eller utvide seg og det vil gi utslag på skalaen. Det man sjeldent sier noe om i aktivitetsbøkene som foreslår disse, er at temperaturendring også vil gi utslag. Om temperaturen i den innestengte luften endrer seg så kan man feilaktig tro at det er lufttrykket som endre seg. Et virkelig barometer skal ha et tilnærmet lufttomt rom for at det ikke samtidig skal påvirkes av temperaturendringer. Når vi har tatt med disse aktivitetene her så er det ikke fordi vi anbefaler dem i skoleverket, men fordi det er nyttig for en lærer å vite hvilke problemer som er knyttet til slike hjemmelagede måleinstrument og aktivitetene i seg selv kan gi nyttig forståelse.

Sammenheng mellom luftfart(vind) og trykk 
Bernouli's lov sier at lufttrykket minker når hastigheten til luften øker. Dette er et viktig prinsipp som f.eks. gjør at fly kan fly. Men det skaper også endel overraskende effekter i ulike sammenhenger og derfor inneholder aktivitetsbøker ofte mange forsøk som er basert på dette prinsippet. Her vil vi da kort anbefale å unngå slike forsøk på barnetrinnet, men om de dukker opp på grunn av elevspørsmål eller via diverse bøker, så bør læreren kunne kommentere dem på en faglig korrekt måte. Derfor har vi tatt med noen eksempler her.

I eksemplet til venstre blåser man i sugerøret. Da vil vann kunne suges opp fra glasset som følge av at luft strømmer raskt forbi toppen av det vertikale sugerøret. Sannsynligvis vil man imidlertid få problemer med å heve vannet så mye som figuren antyder.

I eksemplet til høyre er det mulig å få en mynt som ligger på bordet til å lette om vi blåser sterkt rett over mynten. Årsaken er da at det tilhørende fallet i lufttrykket over mynten vil få den til å lette fra bordet. Poenget er ikke å blåse på mynten men over den.

Et enklere forsøk som viser samme prinsippet er da vist på bildet hvor man blåser mellom to doruller. Mange tenker i en slik situasjon at det blir et høyere lufftrykk når vi tilfører ny luft, men det motsatte er da tilfelle. Dorullene trekkes mot hverandre fordi lufttrykket i "vinden" mellom dem vil minke.

Det er også tatt med et bilde av en svevende vattkule (papirkule, isoporkule, lette plastkuler ol) over en luftstrøm. Det kreves litt øving for å få det til, men når forholdene er optimale, vil man altså kunne oppleve at kula holder seg i luftstrømmen i stedet for å bli blåst vekk av luftstrømmen. Årsaken er da at lufttrykket minker i en luftstrøm og det er da årsaken til at kula trekkes inn igjen mot strømmen om den begynner å ramle ut.

 Luftstrømmer følger overflater Det er mulig å stoppe luftstrømmer ved å plassere noe i luftstrømmen. En papirbit kan f.eks. hindre at et stearinlys slukner når vi blåser mot det. Men om vi plassere en rund gjenstand foran starinlyset vil vi oppleve at luftstrømmen går rundt f.eks. flaska og "gjenoppstår" på baksiden slik figurene viser.

 

 Forsøk som har tilknytning til fysisk og kjemisk lagring av energi

I barnebøker, skolebøker og undervisningsopplegg for barn kan man finne ulike demonstrasjonsforsøk som har tilknytning til at vann omdannes mellom fast stoff, væske og gass, og her vil vi da kort kommentere noen slike. Vi vil da understreke at slik forsøk bør presenteres i sammenheng med konkrete læringsmål og ikke bare som enkeltstående morsomme forsøk. Generelt bør en lærer som er godkjent for undervisning av naturfag i grunnskolene ha kjennskap til forsøkene og kunne forklare dem, men de er ikke sikkert at de bør presenteres for barn langt nede i skoleverket. De forsøkene som er nevnt her er relativt krevende og erfaringer har vist at både voksne lærerbokforfattere og barn har problemer med å finne rett fysisk forklaring.

Kondensering
Gjør vannet synlig er tittelen på et eksperimentforslag i Gøy med fysikk VANN (s.6)  Teksten til figuren er: Sett et glass vann i kjøleskapet en times tid, til det er ganske kaldt. Når du tar det ut igjen vil du oppdage at det danner seg vanndråper på utsiden av glasset. Hva har skjedd? Det kalde glasset kjøler ned luften omkring seg, og noe av vanndampen i luften fortettes og danne vanndråper på utsiden av glasset. Av samme grunn kan du se vanndråper renne nedover på innsiden av duggete vindursruter når det er kaldt ute.

Luftfuktighet eller vanndamp er usynlige vann (H₂O) og jeg antar da at det er dette vannet man ønsker å synliggjøre. Annet vann som skyer, tåke eller dugger er små vanndråper som er synlige! Hvis man gjør som teksten sier vil man sannsynligvis få problemer med å se duggen eller vanndråpene som er vist på figuren hvis ikke luftfuktigheten i rommet er unaturlig stor og hvis ikke temperaturen i vannet var relativt lav da det ble satt inn i kjøleskapet. Det er grense for hvor mye man kan kjøle ned et glass vann i et kjøleskap på 1 time. Når man i teksten ikke nevner noe om eventuelle problemer og dessuten tegner vanndråper på glasset også over væskenivået, så tyder det på at de voksne som har laget og oversatt heftet ikke har forstått problemene som er knyttet til dette forsøket. Nå er det vel også noen som mener at slike bøker som er beregnet på barn bør bruker ordet kondensering (i stedet for "fortettes") siden dette er det vanligste norske ordet på det som skjer.

Her vil vi da bare si at forsøk som viser kondensering på kalde gjenstander (glass med isbiter i, ting som er tatt ut av frysen, osv) er nyttige og gode eksempler som viser at det finnes vann i luft som da kan kondenseres som dugg eller rim på kalde gjenstander om luftfuktigheten er høy. Høy luftfuktighet får man f.eks. på kjøkken når man koker mat eller innendørs når man tørker klær. I stedet for å sette et vannglass i kjøleskapet vil vi da anbefale å putte isbiter i glasset med litt vann og temperaturen i vannet vil da raskt gå ned mot 0°C. Om det så dannes dugg og senere større vanndråper på utsiden, er det avhengig av luftfuktigheten i rommet. I forbindelse med dette forsøket er det ellers viktig å understreke at vanndråpene på utsiden kommer fra luften og ikke fra innsiden av glasset eller fra kjøleskapet. Om man ikke har høy luftfuktighet, får man vanligvis demonstrert prinsippet ved å puste på et kaldt glass eller ei kald glassruter. Da vil man også kunne se at det dannes dugg og senere dråper på overflata. Den luften vi puster ut inneholder relativt mye fuktighet.

Her vil vi også nevne fram et annet demonstrasjonseksempel: Først vil vi understreke at man ikke ser vanndamp, men det vi ser er da små vanndråper/skyer som dannes på grunn av avkjøling. Vanndamp er usynlig. På figuren til høyre ser det ut som om vi ser vanndråper rett utenfor tuten og det er uheldig. I i virkeligheten vil vi se vanndråper litt lenger unna der det dannes skyer eller tåke på grunn av avkjøling. Poenget her er altså at vanndamp er usynlig på samme måten som luft er usynlig. Det er ellers et spørsmål om man får mange dråper til å dryppe ned fra skjeen om vi ikke samtidig avkjøler skjeen. Det er når vanndamp kommer i kontakt med kalde ting at vi får størst kondernsering, og den skjeen som figuren viser ser ikke kald ut.

Fordamping
Når vi her bruker litt tid på kondensering så er det fordi det ofte er mindre kjent enn fordamping som er den motsatte prosessen. De fleste barna vet at vann fordamper og det kan man da enkelt demonstrere med å ha litt vann på ei skål og sette den på en varm plass. Vannet vil da før eller senere forsvinne og vi sier da at vannet har fordampet selv om det ikke var så varmt at det kokte. Vi bør med andre ord understreke at flytende vann kan fordampe til vanndamp ved alle temperaturer, men denne omdanningen går altså fortest ved 100 °C når vannet koker. Selve kokeprosessen er ellers litt vanskelig å forklare og her anbefaler vi da å ikke bringe inn diverse "enkle forsøk" som er vanskelige å forklare for tidlig. Et vanlig forsøk er f.eks. det som er vist til høyre hvor man får vann med en temperatur omkring 50°C til å koke når vi har det i ei engangssprøyte og minsker trykket ved å trekke ut stempelet. Forklaringen har da sammenheng med at lufttrykket påvirker kokepunktet for vann. Merk ellers at den aktuelle reduksjonen i trykket vil medføre at temperaturene i vannet faller raskere enn normalt og følgelig vil vannet koke en forholdsvis kort tid. Selv voksne har problemer med å forklare denne typen forsøk og av pedagogiske hensyn bør man unngå forsøk som er vanskelige å forklare.

Forsøk med forbrenning 
Her følger et annet vanlig forsøk som er så vanskelig å forklare at mange lærebøker forklarer det feil. Her vil vi da kort kommenterer det, men det betyr ikke det samme som at vi anbefaler å bruker det i grunnskolen. Men det er relativt stor sjanse for at man kommer over dette forsøket i en eller annen lærebok, og det viktigste er da at man gir rett forklaring.

Hensikten med forbrenning er vanligvis å fremskaffe varme eller lys i ulike situasjoner. Dette kan man da snakke om med barna. Det er også viktig at barna vet at oksygen er en viktig forutsetning for at ting skal brenne og at de stoffene som inngår i forbrenningen (stearin, ved osv.) ikke blir borte men blir omdannet til andre stoff. Mange bøker beregnet på de lavere klassetrinnene inneholder ofte et forsøk som tilsynelatende forteller noe om hvor mye oksygen som har gått med i forbrenningen. Forsøket handler da om at man plasserer et stearinlys i et avgrenset luftrom og se hva som skjer med luften. Figuren til venstre er fra Gøy med fysikk LUFT (s 34) og figuren til høyre er fra Damms store vitenskapsbok (s.119). I den første boken står det at "vannet stiger når flammen blir svakere"  i tilknytning til en pil som viser vannivået på figuren. I den andre boka står det at "Etter hvert som lyset brenner stiger vannet i krukken, og tar plassen etter oksygenet som blir brukt opp." Problemet med begge disse og mange andre forklaringer er at de ikke er rett og det viser da at de voksne som har skrevet bøkene ikke har forstått hva som skjer. Hvordan skal vi da forvente at barn forstår det? Om man observerer hva som skjer i slike tilfeller vil man se at vannet stiger når lyset slukner og figuren til venstre som viser lys og høy vannstand samtidig er da ikke i samsvar med det vi observerer. Det er rett at oksygen (O₂) blir oppbrukt, men samtidig dannes CO₂ og vanndamp H₂O som vil oppta en tilsvarende stor plass eller kanskje mer og man skulle derfor ikke forvente en minskning av volumet til gassen når lyset brenner. Men hva er da årsaken til at vannet stiger når lyset er utbrendt? Mens lyset brenner og vi setter glasskolben over lyset er det varmt inni beholderen, men når lyset slukner blir det kaldere og luften vil trekke seg sammen. Dette er da årsaken at vannet trekkes oppover. Vi kan med andre ord få samme effekt ved å sette en varm kolbe med varm luft ned i kaldt vann. Nå vil også vanndampen kondenseres til vann når lyset slukner og mange ulike faktorer vil samvirke i det som skjer, men her er da hovedpoenget at man bør være forsiktig med å bringe inn forsøk som er vanskelige å forklare i grunnskolen.

Et annet forsøk som er basert på samme prinsippet er vist nederst til høyre. Det viser da et kokt egg uten skall som suges inn i en flaske. I dette tilfellet er det misvisende å tegne at papiret i bunnen av flasken brenner samtidig som egget suges inn. I praksis vil egget suges inn etter at ilden er sluknet.

Karbondioksid og forbrenning
Ofte bruker man karbondioksid (CO₂) for å slukke branner der det ikke er mennesker til stede. Denne gassen fortrenger oksygenet som er nødvendig forutsetning for en brann og også en forutsetning for at vi mennesker skal leve. Karbondioksid kan lages ved å helle litt eddik over natron eller ved å helle vann i Nyco fruktsalt. Side karbondioksid er tyngre enn luft kan den oppbevares i en flaske eller et glass, og helles over et stearinlys som vil slukne om karbondioksiden fortrenger oksygenet. Slike forsøk kan brukes for å viser at det finnes ulike gasser som har ulike effekter på forbrenning.

 

  

Normalt vil stoff utvide seg når temperaturen øker (Prinsipp 2)

(Ett kjent unntak fra denne regelen er vann mellom 0 og 4 °C og overgangen mellom is og vann.)

Det finnes mange eksempler på at ting utvider seg når de blir oppvarmet og følgelig er dette en kjent lovmessighet for de fleste. Men det er likevel viktig å undervise om det i skolen for at elevene skal bli mer bevisst hva som skjer og hvordan denne kunnskapen kan anvendes i ulike situasjoner.

I tillegg til å vite at  ting utvides når det blir oppvarmet, så er det også viktig at man vet litt om graden eller størrelsen til denne utvidelsen. Det er da generelt slik at gasser utvider seg mest og faste stoff utvider seg minst.

Virkemåten til termometer
Om alt hadde utvidet seg like mye når det skjedde en oppvarming ville vi i prinsippet ikke kunne påvise den aktuelle oppvarmingen ved hjelp av vanlige termometer. Et vanlig sprit-termometer er da basert på prinsippet om at innholdet i glasset(sprit) utvider seg mer enn selve glasset når temperaturen øker. I et vanlig max-min-termometer er det en gass som utvider seg og man leser da av i begge endene av en væskesøyle.  Bimetall-termometer vil tilsvarende inneholde to metaller som utvider seg ulikt mye når temperaturen forandrer seg og det der da årsaken til at viseren forflytter seg over en skala. Elektroniske termometer er på sin side fungerer fordi motstanden/resistansen i visse stoff vil endre seg når temperaturen endrer seg og det er da snakk om et annet prinsipp.

Hjemmelagede termometer
Det er ellers mulig å  lage et termometer som demonstrerer virkemåten til vanlige termometer. Et reagensglass med kork og et glassrør med litt vann i slik figuren til høyre viser vil da kunne påvise de relativt små temperaturendringene som skjer når vi tar på reagensglasset. I dette tilfellet er det da luft som utvider seg når den blir varm, men det er da også mulig å fylle reagensrør med vann og så kunne observere at vannsøylen stiger når vannet blir oppvarmet.

 En "tryllekunst" som viser at luft utvider seg når den varmes opp, er vist til venstre. Mynten som ligger på toppen er fuktet med vann, og når vi holder rundt glassflaska vil luften inni varmes opp og utvide seg. Mynten vil da bevege seg litt hver gang luft slippes ut.

Aktiviteter 2

Stoff utvider seg
Utstyr: Reagensrør, kork med hull og glassrør. Gjør eksperimenter som viser at både vann og luft utvider seg ved oppvarming. Hva utvides mest.  

"Luftpistol"
Utstyr: Reagensrør og kork. Avkjøl reagensrør og kork med kaldt vann og sett korken forsiktig i. Varm opp reagensglasset med hendene eller varmt vann. Korken kan sprette ut med et smell!

Standardforsøk
Utstyr: glasskar, snø, termometer og varmekilde. Sett varmekilden under glasskaret og termometeret oppi. Les av temperaturen med faste tidsintervall inntil alt vann er fordampet. Lag en grafisk fremstilling av resultatet. Forklar den karakteristiske kurva som fremkommer.

Danning av dugg/vanndråper og nedbør.
Utstyr: begerglass, skål, isbiter. Ha varmt vann i begerglasset og sett oppå ei skål med rund bunn med isbiter i. Skåla kan også lages av aluminiumsfolie el. Damp fra det varme vannet blir kondensert på undersida av skåla og drypper ned igjen som nedbør i det varme vannet.

 Luften inneholder vann som kan kondenseres.
Utstyr: Glass og isbiter. Legg isbiter oppi et glass med kaldt vann og undersøk om det etter en stund dannes dogg på utsiden. La elevene foreslå hva det er og hvor vannet har kommet fra.

To typer "kjøleskap"
Utstyr: melkekartonger, termometer, aviser, isbiter.  
Både når vann fordamper og når is smelter trenges det varmeenergi som trekkes ut fra omgivelsene som da blir litt nedkjølt.  Figuren til høyre viser et forslag til kjøleskap som er hentet fra ei bok. Utfordringen her er å sjekke hvor mye man kan få temperaturen i en melkekartong ned i forhold til romtemperaturen ved å bruke dette prinsippet og prinsippet med å putte isbiter i melkekartongen (kjølebagprinsippet). Hvilke metode gir mest avkjøling?

Lag og vurder 2 kjøleskap som er basert på fordampning og smelting og lag en log som viser temperaturutviklingen over tid. (Isoler gjerne "kjølebagen" med avispapir for å få mer nedkjøling)

 

Aktiviteter 3

Papirblomster på vann
Bildet viser hva som skjer når vi klipper ut en blomst og putter den opp i vann. Forklar hva som skjer og hvorfor.

Ulike stoff vil inneholde mer eller mindre vann (fuktighet) og i den sammenhengen kan det være aktuelt å vise at fuktigheten kan påvirke den ytre formen. Om vi klipper en blomst av papir og bretter kronbladene litt opp før vi setter den på vannet, vil vi se bevegelser som skyldes at vannet gradvis trenger inn i papiret.

Begrepsblanding - hva er problemet?

Når vi arbeide med de begrepene som er nevnt her er det ofte mange ulike fysiske forklaringer som er involvert og det er da viktig for læreren å hjelpe elevene med å forstå de enkle sammenhengene og ikke forvirre dem ved å trekke inn og blande sammen mange ulike fagfelt.  I boka Fysikk for de små (s52)  finnes en aktivitetsbeskrivelse som mange mener er lite oppklarende for barna. Oppgaven her er da å vurdere følgende sitater fra ei bok som tidligere ble brukt i lærerutdanningen i Volda. Er det i dette tilfellet barna eller de voksne som har størst problem med å skjønne hva det handler om? Språklig snakker man om lys og vann, men i praksis er det vel egentlig snakk om speiling og generelt er teksten uklar med hensyn på hva man ønsker at elevene skal lære. Sitat:

Kan et lys brenne i vann?

...
Gjennomføring
To barn holder glassruta loddrett midt på bordet. To andre setter hvert sitt lys foran ruta og tenner lysene. De to siste setter hvert sitt glass vann bak ruta. Barna med lysene flytter nå lysene fram og tilbake til de ser lysene brenne nede i vannet. Deretter måler de avstanden fra lyset til ruta, og fra ruta til glasset. Avstandene er like store.

L: "Kan lys brenne i vann?"
Hanne: "Ja, hvis det er sprit"

Ingen protesterer. Et eksempel på hvordan barn danner overordnede begrep ved hjelp av kjente begrep. I barnespråk betyr vann det samme som væske....

Så avslutter vi "lys-i-vann"-forsøket. L holder ruta i barnas øyehøyde, mens barna stiller seg to og to på hver sin side av ruta. Så måler vi slik at når de står like "over" piken eller guten på den andre siden av ruta, står de like langt fra ruta begge to. Naturligvis vil alle gjøre lysforsøket. Den som først holdt ruta, skulle etterpå tenne lyset og flytte det fra og tilbake osv. De ble glade da de konstaterte at de fikk nøyaktig samme resultat alle sammen.

Problemstillinger Hva er læringsmålet for en slik aktivitet? Hva er fasitsvaret på spørsmålet til læreren?...