SVEUILITE U ZAGREBU PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET FIZIKI ODSJEK DIPLOMSKI RAD Zagreb, 2009.

1

SVEUILITE U ZAGREBU PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET FIZIKI ODSJEK SMJER: PROF. FIZIKE. Mirjana Pavii

Diplomski rad OSNOVNI TERMODINAMIKI POJMOVI

U NASTAVI FIZIKE Voditelj diplomskog rada: doc. dr. sc. Darko Androi Ocjena diplomskog rada: Povjerenstvo: 1. 2. 3. Datum polaganja: Zagreb, 2009. 2

Zahvaljujem mentoru doc. dr. sc. Darku Androiu i dr. sc. Maji Planini za pomo pri odabiru teme diplomskog rada te za sugestije i primjedbe tijekom njegove izrade. Roditeljima hvala na svoj potpori i podrci tijekom studiranja. Zahvalila bih i Stvoritelju koji mi je omoguio da bar malo upoznam njegova stvaralaka dijela i s ove fizikalne strane.

3

Sadraj

Sadraj........4

Uvod.......6

1. Hrvatski nacionalni obrazovni standard...........8 1.1 Predkolski odgoj...9 1.2 Termodinamiki pojmovi u osnovnoj koli..........9 .

2. Razredna nastava......................................................................................................11 2.1 Pregled tema iz razredne nastave prirode i drutva vezanih uz termodinamiku .11 2.2 Pregled tema iz razredne nastave treeg razreda, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u......12 2.3 Pregled tema iz razredne nastave etvrtog razreda, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u ......12 2.4 Termodinamiki pojmovi koji se javljaju u razrednoj nastavi prirode i drutva.....13

3. Predmetna nastava....................................................................................................15 3.1 Nastavni predmet priroda uvod u nastavu fizike..15 3.2 Tehnika kultura..16 3.3 Pregled tema iz fizike vezanih uz termodinamiku...............16 3.3.1 Pregled tema iz fizike u sedmom razredu osnovne kole, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u..18

4

4. Metodika priprema za izvoenje nastave fizike u sklopu razredne nastave prirode i drutva i nastave fizike u sedmome razredu......21

4.1 Priprema za izvoenje nastave fizike u sklopu prirode i drutva za trei razred osnovne kole......21 4.2 Priprema za izvoenje nastave fizike u sedmom razredu osnovne kole....24

5. Pokusi koji uenicima objanjavaju neke bitne termodinamike pojmove.......28

5.1 to se dogaa s tijelima dok ih zagrijavamo?..........................................................28 5.2 Toplina ....30 5.3 Voenje topline....33 5.4 Toplinski kapacitet.......34 5.5 Tlak..................35 5.6 Promjena volumena pri zagrijavanju ......38 5.7 Prvi zakon termodinamike.......39

Zakljuak.........43

Popis literature.......45

5

Uvod Termodinamika je po definiciji gr.( thermos- topao, vru, vreo + dynamis- sila, snaga, jakost ) dio fizike koji prouava zakone toplinske ravnotee i pretvaranja razliitih oblike energije iz jednog u drugi. Ona je vrlo vaan dio znanosti o toplini u kojoj se toplinski sistemi ne promatraju mikroskopski ve njihovo makroskopsko vladanje. Termodinamika pronalazi vezu topline i drugih oblika energije, posebice mehanikog rada. To je korisna tehnika disciplina tj. primijenjena znanost. Osamnaesto stoljee obiljeeno je velikom industrijskom revolucijom. Tehnikim pronalascima omoguen je prijelaz sa preteno runog rada na rad sa strojevima, te je najavljeno industrijsko doba. Do tog vremena proizvodnja se temeljila na radnim strojevima koji su se pokretali pomou energije ovjeka, ivotinja, vjetra i vode. Godine 1712. engleski kova Thomas Newcomen nainio je prvi parni stroj koji je uao u upotrebu. Stroj se koristio za crpljenje vode iz rudarskog okna, a mogao je zamijeniti uinak 50 konja. No, iako je stroj imao navedene prednosti, stupanj korisnosti mu je bilo veoma slab oko pola posto. Danas parne turbine termoelektrana imaju stotinjak puta vei stupanj korisnosti. Veliko otkrie bio je parni stroj kojeg je 1769. godine konstruirao Newcomenov suradnik James Watt (1736-1819) Glavna preinaka bila je u cilindru stroja. Stupanj korisnosti se poboljao na oko 3-4 posto. Ubrzo su uslijedila i druga otkria. Tako je 1807. godine Robert Fulton sagradio je prvi komercijalno iskoristiv parobrod koji je plovio na relaciji New York- Alabany, a 1814. godine George Stephenson je konstruirao prvu parnu lokomotivu. Novi izumi su veoma utjecali na pojeftinjenje prometa. eljeznice i parobrodi potisnule su potanske koije i jedrenjake. Dolo je do velikih promjena u drutvenom ivotu. Na koji nain toplina vatre daje snagu vodenoj pari? to je vatra? to je toplina? Zato toplina uvijek prelazi s toplijeg na hladnije tijelo? Zato se plinovi grijanjem ire? Ta i druga slina pitanja traila su odgovor, a odgovore je dala termodinamika. Saznanja koja nam daje termodinamika uvelike oblikuju na svijet. Razna tehnika pomagala aparati i strojevi svakodnevno nas okruuju, a s njima smo u doticaju od roenja. Kako dijete raste, ono promatra i stvara svoju sliku o svijetu oko sebe. Veoma je bitno da ta slika bude to blia realnosti, jer koncepcije koje se tada stvore teko se mijenjaju. Djeca su po prirodi znatieljna i trae odgovore na mnoga pitanja kao to su: zato je pe vrua, a hladnjak hladi, zato automobilu treba gorivo itd. Ovisno o djetetovoj dobi nije uvijek lako na takva pitanja odgovoriti jednostavno ali ipak tono. Roditelji ponekad i ne znaju ispravan odgovor, pa daju neko krivo tumaenje ili pak u nedostatku vremena pitanje ostave neodgovoreno. Dijete tada donosi vlastito objanjenje koje mu se ini loginim, ali se ne temelji na ispravnim pretpostavkama.

6

kola ima zadatak da te pretpostavke ispravi, dopuni, proiri i uvrsti. Na nastavi uenik stjee znanja, navike i sposobnosti i osposobljenost koju e koristiti u svakodnevnoj praksi radi zadovoljavanja osnovnih potreba i rjeavanja profesionalno-egzistencijalnih problema. Fizika je nastavni predmet koji se poinje predavati tek u sedmom razredu osnovne kole, u dobi uenika koja se smatra prikladnom za uenje apstraktnih matematikih formulacija osnovnih fizikalnih zakona. S jedne strane to je dobro odabrana dob jer u njoj uenik postaje kritian, spreman za raspravu i izvoenje eksperimenata, ali s druge strane to je prekasno jer je ve formirao neke krive koncepte o svijetu oko sebe. Kako bi se izbjeglo usaivanje krivih fizikalnih koncepata u uenikov um, potrebno je im ranije postaviti dobre osnove, na kojima e uenik kasnije moi graditi svoje znanje i usvajati fizikalne pojmove.

7

Poglavlje 1

1 Hrvatski nacionalni obrazovni standard (HNOS)

Zadatak odgoja i obrazovanja je razvijanje i stjecanje znanja potrebnih za obnaanje razliitih uloga u odrasloj dobi. Obrazovanje se definira kao intencionalno, pedagoki osmiljano i sustavno organizirano uenje, odnosno iskustvo pojedinca koje se oituje u porastu znanja i vjetine te razvoju sposobnosti. [Didaktike osnove nastave, autor: Filip Jelavi, Naklada Slap, Jastrebarsko, 1994. g.]. Uenik koji je stekao znanje stvara osobno iskustvo, postie osobni razvoj, mijenja svoje ponaanje.

Odgoj je takvo djelovanje na mlado bie koje ga ini osobom. On u pojedincu treba razviti osjeaj samopotovanja, jer je to preduvjet da osoba kasnije moe pokazivati ljubav i potovanje prema drugima.

Poto se nain ivota, zbog suvremene tehnologije, naglo mijenja, promijenjene su i uenike potrebe. Odgoj i obrazovanje je podruje gdje su te promjene jo oitije. Uvidjelo se da su nune promjene u obrazovnim programima, kako bi se uenici kasnije lake mogli nositi sa zahtjevima suvremenog drutva, te bolje rjeavati probleme s kojima e se susretati u svakodnevnom ivotu.

Hrvatski nacionalni standard (HNOS) je rezultat nastojanja da se hrvatska kola postupno mijenja i osuvremenjuje. U tu svrhu redefinirani su odgojno- obrazovni sadraji, te su oni osuvremenjeni i osloboeni od niza nepotrebnih i optereujuih podataka. Cilj HNOS-a je standardizirati odgojno obrazovne sadraje svakog nastavnog predmeta, te da svaki uenik, neovisno o uitelju, bude jednako izloen istoj koliini novih sadraja.

8

1.1 Predkolski odgoj Sva su djeca u Republici Hrvatskoj u godini dana prije polaska u kolu obuhvaena programima predkolskog odgoja u redovnim vrtinim programima i u programima predkole. Program predkole se preporuuje svoj djeci, ali nije obavezan. U dobi od 6 godina dijete : - namjerno opaajno-praktino spoznaje i istrauje okolinu, uoava veliinu, dubinu, udaljenost, oblik predmeta, orijentira se u prostoru i uoava slijed dogaaja u vremenu. - ulazi u razdoblje konkretnih operacija koje traje sve do njegove 11-12 godine. - stjee pojmove i stvara veze meu predmetima i pojavama -bolje rjeava probleme i planira, pri tome se slui raznim metodama: sluajni pokuaji i pogreke smiljeno i namjerno rjeavanje usmjeravanje akcije na jedno ili vie reenja -moe zamisliti konkretnu hipotetsku situaciju -ima vei broj ideja pri rjeavanju problema -otkriva zakonitosti i principe reda -uoava uzrono-posljedine veze Ve u predkolskoj dobi dijete moe mnogo toga nauiti te bi tu spoznaju uvijek trebalo imati na umu. No u tom razdoblju ivota dijete ima veliku potrebu za igrom tako da ga ne moemo opteretiti obavezama i uenjem, ali ako je igra paljivo smiljena ona moe biti pouna i zabavna.

1.2 Termodinamiki pojmovi u osnovnoj koli

Formalno obrazovanje iz predmeta fizike zapoinje u sedmom razredu osnovne kole. Termodinamiki pojmovi u nastavi javljaju se ranije u toku osnovnokolskog obrazovanja u razrednoj nastavi iz prirode i drutva te kasnije u tehnikoj kulturi i prirodi.

HNOS odreuje koliinu sadraja koji e se obraditi u pojedinom nastavnom predmetu, a isto tako broj tema i novih kljunih pojmova u svakoj pojedinoj temi. Kod obraivanja svake teme mora se dovoljno vremena ostaviti za praktiki i istraivalaki rad uenika, vjebanje, ponavljanje i ocjenjivanje postignutih rezultata.

U tablici (1) navedeni su pojmovi vezani uz termodinamiku, te kada i gdje u toku osnovnokolskog obrazovanja se oni pojavljuju.

9

Tablica (1), termodinamiki pojmovi u osnovnoj koli.

predmet priroda i drutvo

tehnika kultura

priroda povijest fizika

razred 1 2 3

pokus -mjerenje temperature -mjerna jedinica temperature -agregatna stanja

-

4

-Sunce-izvor energije i topline - svojstva vode u ovisnosti o temperaturi -svojstva zraka (tlak, gibanje) -vremenska prognoza

5 -energetika: temeljni oblici energije

-promjena agregatnih stanja vode

6

-energetika: toplinska energija goriva, aparati i strojevi

-energija i njezini oblici, -pretvorba energije

7

-termoelektrane, hladnjaci

-industrijska revolucija, parni stroj

-tlak -rad -temperatura -unutarnja energija -toplina

8

10

Poglavlje 2 2. Razredna nastava Razredna nastava obuhvaa mlae razrede od prvog do etvrtog razreda osnovne kole. Nastava treba uvaavati sva prethodna znanja s kojima su djeca dola u kolu i ona treba biti kreativna. Pod pojmom kreativna nastava podrazumijeva se skup pedagokopsiholokih, organizacijskih i didaktiko-metodikih mjera kojima se postiu progresivne promjene u planiranju, organizaciji i realizaciji odgojno obrazovnog rada u stvaralakim interakcijskim odnosima uitelja i uenika te povezivanje nastavnih sadraja koji se ue u koli s drutvom. 2.1 Pregled tema iz razredne nastave prirode i drutva vezanih uz termodinamiku. Djeca se pojmovima vezanim uz termodinamiku susreu jo u predkolskoj dobi u svakodnevnom ivotu. Tada usvajaju predodbe koje se kasnije teko mijenjaju i zato ih je potrebno, ako su krive, to ranije zamijeniti ispravnima. Nastavni predmet prirodu i drutvo uenici pohaaju u prva etiri razreda osnovne kole. Uenici e tada usvojiti pojmove koje e tek kasnije detaljnije obraivat, a predstavljaju temelj za daljnju nadogradnju znanja. Neke od zadaa ovog predmeta su :

- razvijati zanimanje za spoznavanjem zakonitosti u prirodi i drutvu - sustavno utjecati na razvijanje sposobnosti: promatranja, opisivanja, zakljuivanja, usporeivanja. - uenike nauiti upotrebi razliitih izvora znanja - razvijati sposobnost snalaenja u prostoru i vremenu - utjecati na usvajanje i bogaenje aktivnog rjenika

Prema programu, u prvim i drugim razredima na nastavi prirode i drutva uenici promatraju karakteristike vezane uz odreeno godinje doba i navike ljudi vezane uz njih. U treem se razredu susreu s pojmom pokusa i pojmom agregatnog stanja vode. Poetkom etvrtog ue o uvjetima neophodnim za ivot u sklopu ega dolaze u doticaj s nekim temeljnim pojmovima iz termodinamike.

11

2.2 Pregled tema iz razredne nastave treeg razreda, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u 15. Upoznavanje i istraivanje prirode Kljuni pojmovi : istraivanje prirode, izvoenjem pokusa. Potrebno predznanje: uoavanje promjena u prirodi. Novi struni pojmovi: termometar, stupanj Celzijev, tekuina, para. Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: imenovanje pribora i materijala za pokus, ne uiti shemu izvoenja pokusa, izostaviti faze izvoenja pokusa, vrelite, ledite. Osposobljenost koju uenik treba postii: uenik bi trebao znati izvesti jednostavne pokuse i donositi valjane zakljuke, upotrijebiti termometar i zapisati pravilno stupanj zagrijanosti tijela, uoavati i objanjavati razliite oblike pojavnosti vode. U obradi navedenih tema s uenicima treeg razreda, dobro je imati na umu da se kod njih javlja elja za radom u veim i manjim grupama. Potrebno im je omoguiti da rade individualno, samostalno, u parovima i grupama, kako bi njihove sposobnosti maksimalno dole do izraaja. Ako neki uenik zaostaje u radu dobro je da mu pomogne njegov vrnjak, a tek onda uitelj. Bitno je imati individualni pristup svakom ueniku bodriti ga i jaati mu samopouzdanje. 2.3 Pregled tema iz razredne nastave etvrtog razreda, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u 2. Uvjeti ivota- Sunce Kljuni pojmovi :Sunce- izvor svijetlosti i topline. Potrebno predznanje: doba dana, orijentacija prema Suncu Novi struni pojmovi: svjetlost, toplina, Sunce, Zemlja. Sadraji koje treba ispraviti li ispustiti: pojam svjetlosti i topline kao energije? (ui se u 6.r.) Osposobljenost koju uenik treba postii: uenik treba stei spoznaju da nam Sunce daje svijetlost i toplinu 3.Uvjeti ivota-voda Kljuni pojmovi: svojstva vode, kruenje vode u prirodi, vrelite , ledite. Potrebno predznanje: promjena stanja vode, termometar, uvjet ivota. Novi struni nazivi: tekuina, ledite, vrelite, vodena para, led. Sadraji koje treba ispraviti li ispustiti: voda je kapljevina mase 1L=1kg, temperaturni grafikoni. Osposobljenost koju uenik treba postii: uenik treba navesti svojstva vode na osnovi pokusa.

12

4.Uvijeti ivota- zrak Kljuni pojmovi: zrak, svojstva zraka sastav zraka. Potrebno predznanje: vremenska obiljeja zaviaja, promjene godinjih doba. Sadraji koje treba ispraviti li ispustiti: tlak zraka, mjerenje tlaka, hrana i zrak daju energiju ivim biima Osposobljenost koju uenik treba postii: vezano uz termodinamiku, uenici bi trebali razumjeti znaenje pojma vjetra, uoiti koliko je vana prognoza vremena i obavjetavanje javnosti o njoj. Obraujui navedene teme dobro je znati da su uenici etvrtog razreda osposobljeni za samostalan rad pa im je dobro zadavati istraivalake zadatke u skladu s njihovim mogunostima. Kako bi im se osiguralo im bolji napredak nastava mora biti individualizirana. 2.4. Termodinamiki pojmovi koji se javljaju u razrednoj nastavi prirode i drutva Moj zaviaj 3, udbenik iz prirode i drutva za 3. razred osnovne kole, autori: De Zan, Jeli Omikus, kolska knjiga, Zagreb 2000. Uenici treeg razreda prvi puta se susreu s pojmom pokusa. Pokus se definira kao umjetno izazvana prirodna pojava cilj koje je bolje upoznavanje predmeta istraivanja. U poglavlju pod naslovom Istraivanje prirode odgovara se na pitanja to su prirodne pojave i kako se tekuine ponaaju na razliitim temperaturama, te se daju upute za izvoenje nekoliko pokusa. Iz udbenika se moe nauiti kako se tekuine ire dok ih zagrijavamo te kako zagrijavanjem vode raste njena temperatura. Temperatura se mjeri termometrom i pie u stupnjevima Celzija. Korak u svijet 3, autori : J. Bastati, B. Vladui, Propfil, Zagreb 2008. U zimi voda se vani zaledi. Zato se to dogaa? Uenici se sami pomou pokusa mogu uvjeriti da se voda javlja u tri agregatna stanja. Stave li u zamrziva plastinu au s vodom, voda e se smrznut. Izvan zamrzivaa led se otopi i pretvoriti u vodu. Ako vodu stavimo u loni i zagrijavamo je iznad nje e se veoma brzo pojaviti oblaii vodene pare. To pokazuje da voda mijenja stanja ovisno o tome da li je hladimo ili zagrijavamo. U prolosti vodena se para koristila za pokretanje parnih brodova i parnih lokomotiva. Na svijet 4, udbenik za 4. razred, autori: Ivan De Zan, Ivo Nejami, Boena Vranje oljan, kolska knjiga 2007. Prva cjelina bavi se temeljnim uvjetima koji su nuni za ivot. Sunce je uvjet ivota, ono nam daje svijetlost i toplinu. Temperatura zraka ovisi o dobu dana i poloaju Sunca. Suneva svijetlost djeluje na biljke.

13

U poglavlju pod naslovom: Voda-uvjet ivota, prikazuje se: kako odrediti ledite i vrelite vode, kruni tok vode u prirodi, da voda svakodnevno isparava, raspored tople i hladne vode u prirodi. Zrak-uvjet ivota uenike upoznaje s: pojmom tlaka zraka, barometrom, kretanjem toplog i hladnog zraka, koliko je vana vremenska prognoza i predvianje vremena. Moja domovina, udbenik za 4 razred osnovne kole iz prirode i drutva, autor: Tomislav Jeli, Alfa, Zagreb 2008. Prvih nekoliko poglavlja uenike upoznaju s temeljnim uvjetima ivota. Mogu se dobiti odgovori na pitanja: zato temperatura tijekom dana nije stalno ista, koji je uzrok promjeni godinjih doba, iz kog razloga vjetar struji, zato je vana vremenska prognoza.

14

Poglavlje 3 3. Predmetna nastava

Predmetna nastava obuvaa vie razrede od petog do osmog i veoma se razlikuje od one u niim. Prije svega vano je napomenuti da su uenici druge dobi pa psihofizike karakteristike imaju vaan utjecaj na nain i stil uenja. Posebno je specifian peti razred kad uenici imaju posebne potekoe kako bi se prilagodili novim uvjetima. Broj kolskih predmeta se poveava, a isto tako i broj dnevnih i tjednih sati.

Kod uenika viih razreda potrebno je vjebati stvaralake mate u uenju. Mata je veoma bitna za razvijanje kreativne osobnosti. Ona nam daje slobodu s obzirom na realnost. Stvaralaka mata obuhvaa:

- percepciju - ono to se percipira, - izolaciju - neke pojedinosti se odvajaju od drugih kako bi se bolje

promotrile, - asocijaciju - izdvojene injenice treba povezati s ostalima eksplicitnim i

implicitnim podacima s kojim dosad nisu bile asocirane i to na novim, realnim stvarima ili prividno moguim relacijama. U viim se razredima zahtjeva od uenika ulaganje vie napora, kritinosti, samostalnosti i stvaralakih aktivnosti pri usvajanju gradiva, sposobnosti i navika.

3.1 Nastavni predmet priroda uvod u nastavu fizike Predmet priroda koji uenici pohaaju u petom i estom razredu osnovne kole ima zadatak ujediniti i povezati raznolika podruja prirode i svijeta u jednu cjelinu. Ona objedinjuje fiziku kemiju i biologiju, pridonosi stvaranju cjelokupne slike okruenja i pokazuje uenicima dobar pristup shvaanja i rjeavanja problema. U petome razredu uenici se upoznaju s time to su to prirodne znanosti, zatim razmatraju promjenu agregatnih stanja. U estom razredu, vezano uz termodinamiku, ue to je to energija i koji su njeni oblici (toplinska, Suneva, svjetlosna, fosilnih goriva). Opisuje se kako jedan oblik energije prelazi u drugi. Uenicima se moe dati zadatak da npr. naprave istraivanje o tome

15

koji je izvor energije za zagrijavanje njihove kole, kolika je temperatura u uionicama i da li ima kolska zgrada dobru izolaciju. U temi koja govori o protoku tvari i energije na Internetu se moe pogledati prikaz zagrijanosti mora, morske struje, isparavanje nad morem, gibanje atmosfere. Obrauju se sadraji koji govore o ivotnim uvjetima u moru i na kopnu , gdje se kao izborni sadraj moe ispitati temperatura ledita morske vode. Nastava prirode bi trebala biti interaktivna, problemska, puna primjera iz svakodnevnog ivota. U njoj se usvajaju pojmovi koji slue kao podloga za predmete koji se ue kasnije u viim razredima, meu kojima je i fizika. 3.2 Tehnika kultura Jedna od glavnih zadaa tehnike kulture je upoznati uenike s osnovnim zadaama tehnike koja olakava ovjeku rad, a time i ivot. Nastavni predmet tehnike kulture uenici pohaaju od petog razreda to je dvije godine ranije nego to se susreu s nastavnim predmetom fizikom. U toku nastave tehnike kulture dolaze u doticaj sa sadrajima koji su usko vezani uz termodinamiku. Tako se ve u petom razredu obrauje tema iz energetike temeljni oblici energije. Ova izborna tema govori o tome kako su povezani energija, sila i rad, o razvoju koritenja energije u povijesti i o tome to sve spada u temeljne oblike energije. Uenici dolaze do spoznaje da je za svaku aktivnost potrebna energija. Neki oblici energije su: energija ivih bia, Suneva, toplinska, kemijska, izgaranja fosilnih goriva, elektrina, nuklearna i geotermalna. Daje se podjela na dva temeljna oblika energije i to na onu koja postoji u prirodi i onu koju ovjek dobiva pretvaranjem iz prirode pomou razliitih strojeva. Navodi se najvanije svojstvo energije - da ona ne moe nestati, ve da se samo moe pretvoriti iz jednog oblika u drugi. Opi cilj nastave tehnike kulture je izgraditi nov nain miljenja koji e ueniku omoguiti da: misli tehnoloki i pedagoki i da vjeba primjenu znanja. Na taj nain uenik razvija operativne i stvaralake sposobnosti, te samostalnost u radu. Kasnije u nastavi fizike to e mu znanje uvelike koristiti i pomoi na mnogim podrujima. Nastava tehnike kulture nastavlja se u sedmom i osmom razredu kada uenici ve pohaaju nastavu fizike. Tako se u sedmom razredu razmatra nain rada hladnjaka to nije dio nastavnog programa fizike u osnovnoj koli, a veoma je vana termodinamika tema. Budui da je bitno im prije ueniku razjasniti fizikalne zakonitosti, na nastavi tehnike kulture ranije nego na nastavi fizike mogue je dati osnove koje e mu u tome pomoi. 3.3 Pregled tema iz fizike vezanih uz termodinamiku Nastavni predmet fizika ima zadatak da uenicima pomogne u stjecanju prirodoslovne pismenosti, tj. da usvoje znanstveni nain razmiljanja to e im omoguiti razumijevanje prirode, zakonitosti koje u njoj vladaju i ovjeka kao njezinog integralnog dijela te izgraivanje kritikog stava o ovjekovoj intervenciji u prirodi. Ona bi kod uenika trebala razviti pozitivan stav prema znanosti, tehnologiji, drutvu i okoliu te pobuditi i razviti interes za daljnje obrazovanje u podruju znanosti i tehnologije.

16

Prema HNOS-u predlae se iskustveno uenje tj. problemska i istraivaka nastava. Cilj takve nastave je potaknuti uenikovu znatielju i zainteresirati ga za odreenu temu. Kako bi se to postiglo predvieni su i dodatni izborni sadraji i izborne teme. U predloenim temama sadraji su smanjeni za 25% u odnosu na prijanji program. To daje dodatnog prostora za izvoenje pokusa. Poto je fizika prirodna znanost temeljena na eksperimentima, pokus bi trebao biti sredinji nastavni element. Kako su nastavna pomagala i sredstva esto nedostupna zbog financijskih razloga, potrebno je iskoristiti predmete koji nas okruuju i upotrijebiti ih u nastavi na zanimljiv, pouan i matovit nain. To od uitelja zahtjeva promiljen rad i dodatan trud kako bi sve dobro uskladio i svoj nastavni sat uinio interesantnim. Rezultat tog dodatnog napora bi trebao biti da je uenik potaknut na aktivno sudjelovanje u nastavi, a da nije samo pasivni promatra. Demonstracijski pokus veoma je bitan nastavni element i neophodan je za kvalitetnu nastavu, ali esto zbog nedostatka opreme uenici nemaju prilike sami izvoditi pokuse. Kada uenici sami izvode pokuse, vidjelo se da bi idealno bilo raditi u razredu s oko 20 uenika sa po etiri do pet kompleta za vjebu i uiteljem koji je orijentiran na problemsku nastavu. Uitelj je taj koji mora znati to na nastavi eli postii i kako to postii, a u konanici kako stei uvid u postignua uenika. Neki nastavnici smatraju da je dobro nastavu fizike odrati u blok satu. Na taj se nain lake obrade nastavni sadraji jer se obrauju u kontinuitetu i nije potrebno pospremati pribor. Tada se ima dosta vremena za izvoenje pokusa i za raspravu o njima. Prilikom provjere znanja svaki uenik ima dovoljno vremena da rijei zadatak. Mnogi se ne slau s time i uviaju nedostatke u radu u blok satovima. Jedna od mana je to to se tako stvara veliki vremenski razmak izmeu dva blok sata fizike, a pogotovo onda ako na dan kada je po rasporedu fizika pada neki praznik. Sadraji koji se obrauju moraju biti povezani sa svakodnevnim iskustvom uenika da bi ih on mogao lake usvojiti. Nastavni sadraj predstavlja osnovu na kojoj se temelji uenje. Rezultat uenja ne bi trebalo biti samo usvajanje novih sadraja, ve bi se moralo stei nove mogunosti ponaanja, razviti nov nain razmiljanja i rjeavanja problema. Kako bi se to postiglo, pred uenike se trebaju staviti zadaci koje mogu rijeiti uz napor zdravim naprezanjem. Kod izvoenja pokusa pred uenike se nee staviti gotove injenice ve e ih se zamoliti da izraze svoje miljenje i da predvide to e se u pokusu dogoditi. Konceptualno razumijevanje je vanije od enciklopedijskog znanja i iz tog razloga razumijevanju se mora dati prednost. Nikada se ne smije ispustiti iz vida da bit nastave nije samo u obrazovanju, ve i u odgoju. Nastava se treba izvoditi uvijek u pozitivnoj atmosferi, jer e jedino tada biti efikasna. Nastavne cjeline vezane uz unutarnju energiju i toplinu, prema predloenom redoslijedu dolaze tek na kraju sedmog razreda kada su uenici ve obradili neke pojmove vezane uz termodinamiku kao to su to: rad, energija, snaga i tlak. Kako su sve ove teme meusobno povezane u nastavku su navedene po predloenom slijedu.

17

3.3.1 Pregled tema iz fizike u sedmom razredu osnovne kole, vezanih uz termodinamiku prema HNOS-u 13.Tlak Kljuni pojmovi :tlak, paskal (Pa) Potrebno predznanje: teina, povrina. Novi struni pojmovi: tlak, paskal (Pa),tlakomjer, barometar. Obrazovna postignua: uenik treba znati objasniti pojam tlaka i rjeavati jednostavne zadatke. 14.Rad Kljuni pojmovi: rad sile, dul (J). Potrebno predznanje: sila, duljina. Novi struni pojmovi: rad sile, dul (J) Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: pojam mehaniki rad (ispustiti, nije ujednaeno poimanje) Obrazovna postignua: uenik treba znati objasniti pojam rad, uoiti ovisnost rada o sili i putu kojem sila djeluje, te znati primjenjivati matematike izraze u primjerima i zadacima. 15.Energija Kljuni pojmovi: energija, kinetika energija. Potrebno predznanje: energija, kinetika energija. Novi struni pojmovi: energija, vrste energije, kinetika energija. Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: izbjei uvoenje pojma mehanike energije. Obrazovna postignua: uenik treba znati objasniti pojam energija, izraunati energiju i rad. 19.Unutarnja energija Kljuni pojmovi: unutranja energija, toplina, temperatura. Potrebno predznanje: energija, kinetika energija, potencijalna energija. Novi struni pojmovi: unutarnja energija, toplina, temperatura. Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: ne koristiti pojam toplinska energija nego toplina. Obrazovna postignua: uenik treba razlikovati i objasniti pojmove unutarnja energija, toplina temperatura. 20.Toplinsko irenje tijela Kljuni pojmovi: toplinsko irenje tijela. Potrebno predznanje: temperatura, duljina, plotina, obujam, gustoa tvari. Novi struni pojmovi : Anomalija vode, toplinsko irenje tijela.

18

Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: koeficijent toplinskog linearnog rastezanja i koeficijent toplinskog volumnog irenja tijela. Obrazovna postignua: uenik bi trebao znati povezati i objasniti ovisnost obujma tijela o temperaturi i povezati ovisnost gustoe tijela o temperaturi 21.Mjerenje temperature Kljuni pojmovi: Celzijev stupanj ( C), kelvin (K), apsolutna nula. Potrebno predznanje: mjerenje temperature, toplinsko irenje tijela. Novi struni pojmovi: Celzijev stupanj ( C), kelvin (K), apsolutna nula. Sadraji koje treba ispustiti: Reaumurova i Fahrenheitovu ljestvicu, jednakost 1 C = 1K, T= t +273,15 (pogrean nain pisanja nije dimenzijski jednako) Obrazovna postignua: uenik treba biti sposoban izmjeriti temperaturu termometrom i izraziti je u razliitim mjernim jedinicama. 22.Prijelaz topline Kljuni pojmovi: voenje, strujanje, zraenje. Potrebno predznanje: toplina, unutarnja energija. Novi struni pojmovi: prijelaz topline, voenje, strujanje, zraenje, dobri i loi vodii topline, toplinski izolatori. Sadraji koje treba ispustiti: nazive kondukcija, konvekcija, radijacija. Obrazovna postignua: uenik treba biti sposoban navesti i objasniti primjere prijelaza topline voenjem, strujanjem i zraenjem te razlikovati pojmove topline i unutarnje energije. 23.Mjerenje topline Kljuni pojmovi: specifini toplinski kapacitet, dul po kilogramu i kelvinu, J/(kg K). Potrebno predznanje: toplina, temperatura, prijelaz topline. Novi struni pojmovi: specifini toplinski kapacitet. Sadraji koje treba ispraviti: nije korektno zapisati jedinicu za specifini toplinski kapacitet u obliku J/ kg K ( bez zagrade u nazivniku) Obrazovna postignua: uenik treba biti sposoban objasniti i interpretirati pojam specifinog toplinskog kapaciteta. Pravilo smjese za mjerenje topline. Kljuni pojmovi: temperatura smjese, predana toplina, primljena toplina. Sadraji koje treba ispustiti: naziv Richmannovo pravilo (zakon ) smjese. Novi struni pojmovi: predana toplina, primljena toplina, temperatura smjese. 24.Promjena unutarnje energije radom i toplinom Kljuni pojmovi: zakon ouvanja energije. Potrebno predznanje: rad, unutarnja energija, toplina.

19

Novi struni pojmovi: zakon ouvanja energije. Obrazovna postignua: uenik treba moi navesti primjere iz ivota o pretvaranju rada i topline u unutarnju energiju Izborna tema: Pretvaranje topline u rad Kljuni pojmovi: rad iz topline, rad koji obavlja plin, toplinski strojevi. Sadraji koje treba ispraviti ili ispustiti: ogranienja pri pretvaranju topline u rad ( Carnotov princip) Novi struni pojmovi: klip, toplinski strojevi ,parni stroj, motor s unutarnjim izgaranjem. Izborna tema: energija i energetika. Dio cjeline s nastavnom temom: energija, unutarnja energija i toplina. Novi struni pojmovi: izvori energije, obnovljivi i neobnovljivi izvori energije, energetika. Pri obradi navedenih tema, uitelji trebaju imati za cilj pouiti uenike kako ovladati primjenom razliitih izvora znanja te metodama i tehnikama djelotvornog uenja.

20

Poglavlje 4

4. Metodika priprema za izvoenje nastave fizike u sklopu razredne nastave prirode i drutva i nastave fizike u sedmome razredu. 4.1 Priprema za izvoenje nastave fizike u sklopu prirode i drutva za trei razred osnovne kole. Nastavni predmet: priroda i drutvo Nastavna jedinica: mjerenje temperature termometrom ZADACI Obrazovni:

- nauiti pravilno koristiti termometar - znati objasniti nain rada termometra

- znati mjernu jedinicu za temperaturu Odgojni: -razvijanje pozitivnog odnosa prema radu, aktivnosti, samostalnosti, suradnji, timskom radu. Funkcionalni:

- razvijanje sposobnosti izvoenja jednostavnih pokusa - razvijanje sposobnosti zamjeivanja - razvijanje sposobnosti govornog, pismenog i likovnog izraavanja - razvijanje urednosti i tonost

Oblici rada: frontalni, individualni, skupni, kombinirani

21

Nastavne metode: - metoda demonstracije - metoda crtanja - metoda pisanja - metoda razgovora - eksperimentalna

Tip sata: obrada novih sadraja Korelacija s drugim predmetima: likovna kultura, Nastavna pomagala i sredstva: kolska ploa, kreda, posude s vodom, termometar, grija ARTIKULACIJA SATA Uvodni dio: postavljanje problema koji e uenike zainteresirati za gradivo Glavni dio: izvoenje pokusa i konstruiranje novih pojmova i modela Zavrni dio: primjena novih pojmova i modela TJEK IZVOENJA NASTAVE Nakon to se uenicima pokae toplomjer, pokrene se rasprava pitanjima: emu slui toplomjer? Kako ga koristimo? to gledamo na njemu? to se mijenja na toplomjeru dok mjerimo temperaturu? Zato se to dogaa?

Izvedemo pokus. Pokus Pribor: plamenik, tikvica, gumeni ep sa cjevicom, obojena voda.

Stupac vode u cjevici raste kako zagrijavamo vodu.

22

Kroz gumeni ep provuemo staklenu cjevicu te zaepimo tikvicu u kojoj je obojena voda. Vodu zagrijavamo na plamenu. to zapaamo, to se dogaa sa stupcem vodom u cjevici? Nacrtajte to ste vidjeli. to se dogaalo s toplomjerom dok smo mjerili temperaturu? Tvari imaju svojstvo da se zagrijavanjem ire, to svojstvo koristi i toplomjer, ali toplomjeru umjesto obojane vode imamo ivu. iva je otrovna tekuina i ako se termometar ili toplomjer razbiju ne bi je smjeli dodirivati, a kamoli gutati. Uenicima se pokae termometar te ih se upita: to je ovo i emu slui? Toplomjer koristimo za mjerenje temperature ljudskog tijela, a termometar za mjerenje temperature drugih tijela, tekuina ili plinova. Temperatura nam govori koliki je stupanj zagrijanosti nekog tijela. Nekoliko se termometara podjeli po razredu te se upita uenike. to ste vidjeli od ega se sastoji termometar? ( termometar se sastoji od: uske staklene cjevice, posudice s tekuinom i temperaturne ljestvice) esto se u termometar kao tekuina stavlja alkohol ili kako smo ve naveli iva. Uenike se zamoli da nacrtaju termometar i da oznae njegove dijelove. to pie na temperaturnoj ljestvici? Temperaturna ljestvica pokazuje kolika je temperatura. Temperatura se mjeri u Celzijevim stupnjevima ( C). Pokus Pribor: dvije posude s vodom, led, grija, termometar. Zamoli se nekoliko uenika da izvedu pokus pred razredom. U prvu posudu s vodom stavi se leda. Druga posuda se zagrijava sve dok voda u njoj ne pone vreti. Uenici oitavaju temperature na termometrima prije nego to su ih stavili u posude i nakon to su termometri neko vrijeme bili u posudama. Rezultate mjerenja svi uenici zapiu u biljenice. Kako bi kod kue izmjerili temperaturu mlijeka? -temperaturu moemo izmjeriti pomou termometra. Koja je mjerna jedinica za temperaturu? -temperaturu mjerimo u Celzijevim stupnjevima ( C) Kolika je temperatura vani kada se voda poinje smrzavati? -temperatura ledita vode je 0 C. Kolika je temperatura vode kada ona poinje vreti? -temperatura vrelita vode je 100 C. -temperaturama niim od 0 C dajemo predznak minus (-), a viim od 0 C pozitivan predznak (+) kojeg ne piemo jer se podrazumijeva.

23

4.2 Priprema za izvoenje nastave fizike u sedmom razredu osnovne kole. Nastavni predmet: fizika. Nastavna jedinica: mjerenje temperature. ZADACI Obrazovni: - uenik treba znati objasniti nain rada termometra - uenik treba znati izmjeriti temperaturu termometrom i izraziti je u razliitim mjernim jedinicama Odgojni: - razvijanje pozitivnog odnosa prema radu - razvijanje spremnosti na suradnju, i timski rad Funkcionalni: - uvjebavanje moi zapaanja i logikog miljenja. ARTIKULACIJA SATA Uvodni dio: na poetku e se postaviti problem koji e uenike zainteresirati za gradivo Glavni dio: izvoenje pokusa i konstruiranje novih pojmova i modela. Zavrni dio: primjena novih pojmova i modela Oblici rada: - frontalni - individualni - kombinirani. Nastavne metode: - metoda demonstracije

- metoda crtanja - metoda pisanja - metoda razgovora - eksperimentalna.

Tip sata: obrada novih sadraja Korelacija s drugim predmetima: matematika Nastavna pomagala i sredstva: ploa, kreda, tikvica s gumenim epom i staklenom cjevicom, obojana voda, grija, termometar. TJEK IZVOENJA NASTAVE Nakon to se uenicima pokae termometar, pokrene se rasprava pitanjima: Zato se, dok smo zagrijavali termometar, stupac ive produljio? Izvedemo pokus. Pokus Pribor: plamenik, tikvica, gumeni ep sa cjevicom, obojena voda.

24

Stupac vode u cjevici raste kako zagrijavamo vodu. Kroz gumeni ep provuemo staklenu cjevicu te zaepimo tikvicu u kojoj je obojena voda. Vodu zagrijavamo na plamenu. to zapaamo, to se dogaa sa stupcem vodom u cjevici? Koliina vode je ostala stalna, nismo je dodavali. to se dogodilo s vodom? to moemo zakljuiti? - Zagrijavanjem voda u cjevici se iri. to se dogaa sa stupcem ive u termometru kojeg zagrijavamo? iri se. Moemo zapaziti jednu vanu injenicu gotovo sve tvari kad ih zagrijavamo one se ire. (Iznimka je Anomalija vode). To svojstvo tvari iskoriteno je kod termometra, kako bismo mogli izmjeriti temperaturu. U termometru sa ivom, zagrijana iva se rastee u ovisnosti o temperaturi. Kako doi do mjerne ljestvice na termometru? Uenicima se da zadatak da objasne kako bi oni sami doli do mjerne ljestvice za temperaturu. Potrebne su im dvije toke toka ledita i toka vrelita vode. Astronom, Anders Celsius je prvi predloio mjernu ljestvicu prema kojem je i Celzijev stupanj (1C) i dobio ime. Uzeo je da e nula Celzijevih stupnjeva (0C) biti ona temperatura na kojoj se voda smrzava dok sto stupnjeva Celzijevih (100C) biti toka vrelita vode. Zabiljeio je poloaj toke ledita i toke vrelita na termometru te njihov razmak razdijelio sa 100 jednakih dijelova. Svaki djeli na termometru oznaava jedan Celzijev stupanj. Osim Celzijeve ljestvice fiziari koriste i Kelvinovu ljestvicu. Razmak izmeu susjedna dva stupnja Kelvinove ljestvice isti je kao i za Celzijevu. Stupanj u Kelvinovoj ljestvici naziva se kelvin (K). U emu se te dvije ljestvice razlikuju?

25

Prema Kelvinovoj ljestvici 0K nije temperatura na kojoj se voda ledi, ve temperatura apsolutne nule, tj. temperatura na kojoj prestaje nasumino gibanje molekula. Temperaturu u C moemo izraziti pomou K tako da vrijedi: T(K) 273,15 + t ( C). Treba naglasiti da se nikad ne pie K ve samo K.

Usporedba Kelvinove i Celzijeve temperaturne ljestvice. Uenici trebaju s ploe precrtati sliku koja usporeuje Celzijevu i Kelvinovu ljestvicu. Pokus Pribor: posuda s vodom, grija, termometar, ploa kreda, biljenice. Termometar se stavi u vodu koja se zagrijava. Zamoli se nekoliko uenika da oitaju razliite vrijednosti temperature s termometra u Celzijevom stupnju, te da ih upiu u tablicu na ploi. Nakon to su to uinili, svi uenici u svoje biljenice prepiu vrijednosti s ploe u Celzijevom stupnju i sami ih preraunaju u kelvine. Kada su svi rijeili zadatak, na plou se napiu tone vrijednosti u kelvinima.

stupnjevi Celzija

( C) kelvin (K)

17 22 30

60

26

Tablica koja prikazuje izmjerenu temperaturu u Celzijevim stupnjevima i kelvinima. Temperaturu mjerimo pomou termometra. Termometar mjeri temperaturu tako da promjene koje nastaju zbog zagrijavanja nekog tijela uini vidljivima. Mjerna jedinica za temperaturu je Celzijev stupanj ( C) koristimo li Celzijevu temperaturnu ljestvicu ili kelvin (K) kada koristimo Kelvinovu ljestvicu. Te dvije ljestvice povezane su na nain: T(K) 273,15+ t ( C)

27

Poglavlje 5 5. Pokusi koji uenicima objanjavaju neke bitne termodinamike pojmove

5.1 to se dogaa s tijelima dok ih zagrijavamo? Pokus 1. Pribor: dvije posude, kapaljka, tinta, vrua i hladna voda. U jednu posudu stavimo vruu, a u drugu hladnu vodu. U svaku posudu nakapamo nekoliko kapi tinte te promatramo to e se dogoditi.

Uzmemo da je temperatura vode u prvoj posudi T1 via od temperature vode u drugoj posudi T . Zato se u ovome sluaju tinta u prvoj posudi bre razmutila?

2

Zato se tinta u vruoj vodi prije razmutila? Kakva je razlika izmeu vrue i hladne vode? to se dogaa s tijelima dok ih zagrijavamo? Uenicima niih razreda treba objasniti da se molekule vode bre kreu to je ona vie temperature, dok uenicima sedmog razreda moemo dati i detaljnije objanjenje s

28

obzirom na predznanje koje imaju. Uenici su ve upoznati s pojmovima kinetike i potencijalne energije i pojmom sile. Kako bi lake odgovorili na pitanje to se dogaa s tijelima kad ih zagrijavamo? moramo se podsjetiti kako su tvari graene. Sve su tvari graene od atoma i molekula koje okruuje prazan prostor(vakuum). Izmeu atoma i molekula postoje privlane i odbojne sile. O tim silama ovisi u kojem e se agregatnom stanju tvar nalaziti. Meudjelovanje molekula nam govori da molekule imaju potencijalnu energiju (energiju poloaja). Potencijalna energija je energija koju neki sustav ima zbog odnosa izmeu njegovih dijelova. Slika na shematski nain prikazuje meusobni poloaj molekula u raznim agregatnim stanjima.

vrsto tekue plinovito Molekule u vrstim tijelima u potpunosti ne miruju, ve titraju oko svog ravnotenog poloaja amo - tamo. To titranje nije toliko izraeno da se ne bi mogle dobro definirati udaljenosti izmeu susjednih molekula. estice tvari se nalaze veoma blizu i zauzimaju tono odreen poloaj prema drugim esticama. Moemo zapaziti pravilnu strukturu odreenu ureenost. to e se dogoditi kada vrsto tijelo zagrijavamo? Tijelo e promijeniti agregatno stanje, prei e iz krutog u tekue. Zato? Zagrijavanjem tijelu dajemo energiju. Na raun te energije estice e se poeti slobodnije gibati. Svaka e se molekula gibati po pravcu tako dugo dok ne naleti na neku drugu molekulu, od koje se odbije i poleti u nekom drugom smjeru. Poveat emo im kinetiku energiju (energiju gibanja). Kinetika energija se definira kao energija tijela ili estice koju tijelo ili estica ima zbog svog gibanja. Molekule e se s porastom temperature gibati bre. Vie neemo moi zapaziti ureenost, kao kod vrstih tijela. Ipak estice e, u nekoj mjeri, osjetiti meudjelovanje sa susjednim esticama.

29

to e biti s naom tvari ako je i dalje nastavljamo zagrijavati? Tvar prelazi u plinovito stanje. estice dobivaju jo vie kinetike energije. Meumolekulske privlane sile vie nisu dovoljno jake da estice dre na okupu. estice tvari e se nasumino gibati i meusobno sudarati. Svaki e sudar esticama promijeniti smjer i brzinu gibanja. Kada tijelo zagrijavamo poveavamo mu unutranju energiju koja je jednaka zbroju kinetikih i potencijalnih energija svih molekula tijela. Sada moemo odgovoriti na pitanje koje smo postavili: Zato se tinta u vruoj vodi prije razmutila?. Kapljice tinte koje su dospjele u vruu vodu ee su se sudarale s molekulama vode nego u hladnoj vodi. To je razlog zato se tinta brzo rasprostranila u vruoj vodi, dok je u hladnoj puno due ostala skupljena na jednome mjestu.

Djeca u autobusu koji stoji mogu skakati i biti nemirna, a u autobusu koji juri mogu mirno sjediti na mjestima. Moramo naglasiti razliku izmeu gibanja tijela i gibanja molekula zbog topline. Kad se tijelo giba onda se sve njegove molekule gibaju zajedno na isti nain te zadravaju ureenost. Pri toplinskom gibanju molekule se nesreeno gibaju, ali itavo tijelo se ne mora pomicati. To zorno moemo usporediti sa djecom u autobusu. Kao to autobus moe mirovati i nema kinetiku energiju, a da su djeca u njemu nemirna i skau uokolo, isto tako i tijelo moe mirovati, a da se njegove molekule gibaju te je tijelo zagrijano. Cijelo tijelo nema kinetiku energiju jer miruje, no molekule od kojih je tijelo sastavljeno posjeduju kinetiku energiju. Sada zamislimo drugu situaciju. Djeca mirno sjede u autobusu na svojim mjestima, a autobus se kree. Ovu situaciju moemo usporediti sa sluajem kada je tijelo hladno, ali se giba odreenom brzinom. estice u hladnim tijelima nee totalno mirovati ve e titrati oko svojih ravnotenim poloajima. Situacija kada bi nestalo svakog gibanja meu esticama odgovara bi temperaturi apsolutne nule (0 K). Temperaturu apsolutne nule ne moe se eksperimentalno postii. U zbilji estice se uvijek gibaju, samo to gibanje moe biti slabije ili jae. Naravno, tijelo moe mirovati i biti hladno isto tako moe se gibati i biti zagrijano.

5.2 Toplina Pokus 2. Pribor: tri posude, vrua, hladna i topla voda.

30

Uzet emo tri posude. U prvu posudu stavimo hladnu vodu u koju smo stavili par kockica leda. U drugu posudu emo staviti neto jae zagrijanu, ali ne prevruu vodu da se ne opeemo, a u treu mlaku. Posude s razliitim temperaturama vode T1

Pokus 3. Pribor: dvije metalne kockice koje mogu prionuti jedna uz drugu, hvataljke, grijaa ploa. Uzmemo jednu metalnu kockicu te je zagrijemo, nakon toga je stavimo uz drugu hladniju kockicu. Nakon nekog vremena dodirnemo kocke.

Prijelaz topline. to se dogodilo s toplom , a to s hladnom kockicom? Da li se moe toplija kockica jo vie zagrijati na raun hladnije kockice?

Pokus 4. Pribor: aa, voda, led.

Zato se led topi u vodi?

32

Moemo zapaziti jednu vanu injenicu da toplina uvijek prijelazi s toplijeg na hladnije tijelo! Ako imamo dva tijela iste temperature kolika e biti izmjena topline meu njima? Toplina e biti jednaka nuli, ali tijela imaju odreenu temperaturu koja ne mora biti jednaka nitici. Kada se temperature tijela izjednae nema izmjene topline. Treba naglasiti da temperatura nije isto to i toplina! Toplina je energija u prijelazu. to je temperatura? Temperatura je svojstvo tijela ili dijela prostora koje odreuje hoe li ili nee biti izmjene topline izmeu dvaju susjednih tijela te u kojem e smjeru toplina tei. Ona je razmjerna prosjenoj kinetikoj energiji nasuminog gibanja molekula u tijelu. 5.3 Voenje topline

Zato nam se ploice ine hladnijima? Ako smo bosi hodali po kui mogli smo primijetiti da nam se ploice pod nogama ine hladnije od parketa. Da li su ploice na nioj temperaturi od parketa? Kako to da se temperature ploica i parketa nisu izjednaile nakon tako dugog doticaja? Da li su im temperature iste? U emu je zagonetka? Ploice i parketi zapravo jesu na istoj temperaturi, ali zato onda nemamo isti osjet topline u oba sluaja? Odgovor lei u tome to ploice i parketi ne provode toplinu jednako. Prijelaz topline izmeu dvaju tijela u dodiru naziva se voenje topline. Razmislite: zato su ruke na kuhinjskom priboru napravljene od plastike i drva, a ne od metala? Loi vodii topline nazivaju se toplinski izolatori.

33

Pokus 5. Pribor: grija, posuda s vodom, metalna ipka, drveni tapi, staklena cjevica, plastini tapi. Zadatak: zagrijemo vodu i u nju stavimo metalnu ipku , zatim drveni tapi itd. Treba odrediti koje su od navedenih predmeta dobri, a koji loi vodii topline.

Koji je tapi najtopliji ? 5.4 Toplinski kapacitet Pokus 6. Pribor: dva balona, svijea, voda. Uzmemo dva balona. Jednog napunimo zrakom dok u drugog stavimo i zraka i vode. Balone pribliimo vatri. to e se dogoditi s balonima?

34

Balon napunjen zrakom i balon napunjen zrakom i vodom. Zato balon s vodom nije prasnuo? to se treba dogoditi da balon prasne? Voda i zrak nemaju iste toplinske kapacitete. Voda je dobar vodi topline i brzo rashlauje gumenu opnu. Ona ima velik toplinski kapacitet te moe primiti mnogo topline da bi se zagrijala do temperature na kojoj gumena opna balona puca. To je razlog zato balon napunjen vodom nije prasnuo. Kod balona napunjenog zrakom bila je obrnuta reakcija. Zrak loe vodi toplinu i ima mali toplinski kapacitet. Kako zrak nije mogao rashlaivati opnu balona, ona je pukla. Toplinski kapacitet je omjer topline dovedene tijelu i promjene temperature tijela. Jedan od razloga zato nam se neka tijela iz okoline ine hladnija, a druga toplija jest taj to imaju razliite toplinske kapacitete. Neka tijela moraju dobiti vie topline od drugih da bi se zagrijala do istog iznosa temperature. Tijelo koje ima mali toplinski kapacitet lake e se zagrijat od onog tijela koje ima veliki toplinski kapacitet. 5.5 Tlak Pokus 7. Pribor: lonac s poklopcem, grijaa ploa, voda. Zaklopljen lonac zagrijavamo na grijaoj ploi. to e se poeti dogaati nakon nekog vremena kad voda pone vreti? to je uzrok ovoj pojavi? Poklopac ima odreenu povrinu A. U poetku dok je voda hladna molekule vode zauzimaju donji dio lonca do odreene razine, nalaze se u tekuem agregatnom stanju.

35

Kada vodu zagrijavamo molekule dobivaju sve vie i vie kinetike energije, te sve ee naputaju povrinu vode, prelaze u plinovito agregatno stanje, bre se nasumino gibaju. Daljnjim zagrijavanjem poveava se broj molekula u vodenoj pari. Neke od molekula dolaze do poklopca, udaraju u njega i odbijaju se. Molekule, koje imaju odreenu masu, u trenutku sudara mijenjaju smjer brzine, djeluju silom na poklopac. to je vie molekula u vodenoj pari to su ei sudari s poklopcem. Na poetku e se, u jednome trenu, samo mali broj molekula vodene pare sudarati s poklopcem, kasnije taj e se broj poveati. Doprinos svake pojedine molekule, u nekom trenu, e se zbrajati - sila na povrinu poklopca e rasti, te e poklopac poskakivati. Poto je gibanje molekula nasumino (u svim smjerovima) sila se nee poveati samo na povrini poklopca ve i na stjenkama lonca.

Lonac s vodom zagrijavamo.

Zagrijavanje. Okomito djelovanje pritisne sile F na jedinicu povrine A fiziari nazivaju tlakom, a oznaavaju sa p. Gornje rijei moemo napisati pomou formule:

AFp ,

to nam ova formula govori? Ako poveavamo silu F koja djeluje na povrinu A tlak p e se poveati. Isto tako tlak p e porasti ako istom silom F djelujemo na manju povrinu A. Mjerna jedinica je za tlak p je paskal (Pa), nazvana u ast francuskog matematiara i fiziara Blaisea Pascala. Paskal je izvedena jedinica, moemo je ovako raspisati:

mNPa 2

N je jedinica za silu, a m za povrinu. 2

36

U ovom pokusu mogli smo vidjeti da tlak raste s porastom temperature. to se s tlakom dogaa ako smanjujemo volumen? Pokus 8. Pribor: prica, barometar.

Ovisnost tlaka o volumenu. Sa gumenim crijevom poveemo barometar i pricu kao na slici . Ako smanjujemo volumen zraka u prici kako se ponaa tlak? Razmislite zato se tlak poveao? Zadatak. Oitamo vrijednosti volumena zraka u prici i tlaka na barometru, izmjerene vrijednosti zabiljeimo u tablicu. Ponovimo postupak nekoliko puta.

volumen tlak

to se moe zakljuiti? Kako se mijenja tlak u ovisnosti o volumenu? Dok tlak u plinu nastaje zbog gibanja njegovih molekula, tlak u tekuinama je posljedica teine tekuine i njene sposobnosti da se moe prelijevati. 5.6 Promjena volumena pri zagrijavanju. Pokus 9.

37

Pribor: tikvica i posuda s vodom. Prstom zaepimo tikvicu te je uronimo u posudu s vodom tako da joj otvor bude s donje strane kako u nju ne bi ulazila voda. Obuhvatimo tikvicu s rukama i na taj je nain zagrijavamo. to primjeujemo?

Zato iz tikvice izlaze mjehurii zraka kada je zagrijavamo? Moemo primijetiti da iz tikvice izlaza mjehurii zraka. Zato se to dogaa ? Pri zagrijavanju zrak se iri i zauzima vei obujam. Volumen (obujam) tijela je veliina prostora koje tijelo zauzima. Kako je zagrijanom zraku potrebno vie prostora on izlazi iz tikvice i u vodi ga vidimo kako izlazi u obliku mjehuria.

Zato na plai slabo napuhana lopta postaje tvrda?

5.7 Prvi zakon termodinamike. To je zakon o ouvanju energije.

38

Energija se ne moe niti stvoriti niti unititi ve moe samo prelaziti iz jednog oblika u drugi. Ako nema gubitka u okolini, energija koju je tijelo otpustilo jednaka je energiji koju je drugo tijelo dobilo. Opisani sustav naziva se zatvoreni sustav. Pokus 10.

Grije li jakna ? Pribor: jakna i termometar. Grije li jakna? Da bi odgovorili na to pitanje stavit emo termometar u jaknu i nakon nekog vremena provjerit emo da li termometar pokazuje viu temperaturu nego prije stavljanja u jaknu. to smo zapazili? Kako to objasniti? to se dogaa kada nas neto grije? to je toplina? Jakna je prije i poslije izvoenja pokusa ostala ista nije se promijenila ni njena temperatura ni ita drugo. Ako je toplina oblik energije, moe li ona stvoriti? Zato nam je toplije u jakni nego ako smo bez nje?(Jakna nas titi od hladnoe, ali nije izvor topline.) Koji su izvori topline? ( Sunce, grijalica, pe) Moe li nas pe grijati ako u nju ne stavljamo drva ili neko drugo gorivo koje izgara? Pe nam daje toplinu na raun izgaranja drva. Isto kao i pe i drugi izvori topline daju toplinu na raun nekog drugog oblika energije. Pokus 11. Pribor: dva drvena tapia.

39

Trljanjem tapii se zagriju.

Trljamo drvene tapie jednog o drugog. Dodirnemo tapie. to primjeujemo? Zato su se tapii zagrijali? Trljanjem drvenih tapia vrili smo rad. Molekule na dijelu tapia gdje smo ih trljali poele su se bre kretati, rezultat je bio porast temperature toga dijela. Rad je jedan od oblika energije i toplina je jedan oblik energije. Energija se u ovome pokusu samo pretvorila iz jednog oblika u drugi nije nestala, niti se stvorila. Kako se moe zapaliti vatra bez ibica ili upaljaa?

Kako zapaliti vatru bez ibica i upaljaa? Uenicima sedmog razreda moe se dati dodatno objanjenje. Unutarnja energija tijela se definira kao zbroj kinetike i potencijalne energije svih molekula tijela. Prvi zakon termodinamike nam govori da je promjena unutranje energije U sustava koji prelazi iz jednog stanja u drugo jednaka zbroju rada W izvrenog vanjskim silama i koliine topline Q dovedene sustavu: U= W + Q Oznaka [delta] oznaava promjenu neke veliine. Termodinamiki sistem razmjenjuje rad s okolinom na dva mogua naina: 1)Razmjenom topline Q s okolinom. Pri emu ako sustav prima toplinu od okoline Q e biti pozitivno, ako predaje okolini Q e biti negativno.

40

2)Radom W. Rad je negativan kada sustav vri rad, pozitivan kada okolina vri rad nad sustavom. Pokus 12. Pribor: igla, tanak listi presavijenog papira, plastelin. Tok pokusa: stavimo listi tankog papira na vrh igle tako da on samostalno stoji. Ruku pribliimo papiru. to se dogaa? Zato ?

Obrazloenje: dlan zagrijava zrak ispod papira. Zagrijani zrak se die, jer je laki od hladnijeg okolnog zraka. Papiri se vrti od zapea prema prstima, jer je zapee toplije od prstiju. Papiri vri rad na raun topline naih ruku.

Pokus 13. Pribor: boca, pumpa, manometar. U staklenoj zaepljenoj boci stlaimo zrak pomou pumpe za bicikl. Bocu naglo otvorimo. to smo zapazili? Koje je objanjenje ove pojave?

41

Adijabatska ekspanzija.

Obrazloenje: Magla koja se pojavila na stjenkama boce nastala je od pare u zraku koja se naglo ohladila.

Zato se para ohladila? U ovom sluaju broj molekula zraka u boci nije bio konstantan. Na poetku smo

pomou pumpe dovodili zrak u bocu to je bio uzrok povienju tlaka u boci. Isto tako, temperatura zraka se, s porastom tlaka, povisila. Nakon otvaranja boce, kada je ep pod pritiskom odletio, molekule zraka su naglo napustile prostor boce to je imalo za posljedicu da se tlak u boci naglo snizi. Sniavanjem tlaka plin je izvrio rad. Taj rad je izvren na raun njegove unutranje energije. Budui da je proces bio adijabatski ( nismo dovodili toplinu), a izvren je rad na raun unutarnje energije, zrak se ohladio. Navedeno obrazloenje je u skladu s prvim zakonom termodinamike koji nam govori da je promjena unutranje energije sustava jednaka zbroju izvrenog rada i topline dovedene sustavu. Na principu adijabatske ekspanzije rade klimaureaji i hladnjaci. Pokuse koje sam navela moe se izvoditi i u niim i u viim razredima osnovne kole. Jednostavni su i uenici mogu iz njih nauiti vane injenice. Naravno u viim razredima mogu se dati detaljnija objanjenja i produbiti se znanje. Uenici u treem i etvrtom razredu osnovne kole na satovima prirode i drutva nemaju mnogo vremena koje je predvieno za obradu pojmova koji su vezani za termodinamiku, tako da navedeni pokusi naalost nemaju mjesta u sadanjem programu. Ipak, dobro ih je izvesti, ako se za to prikae prilika, jer su veoma pouni.

42

Zakljuak. U ovome sam radu pokuala dati cjelokupni pogled na to kada se uenici u toku osnovnokolskog obrazovanja susreu s osnovnim termodinamikim pojmovima. Dijete od roenja promatra svijet oko sebe i stvara predodbe o njemu koje se kasnije teko mijenjaju, zato je bitno da ga im ranije upoznamo s temeljnim fizikalnim pojmovima i zakonitostima. Ve pri dolasku u kolu dijete je ulo u razdoblje konkretnih operacija i moe rjeavati probleme i planirati, to je pogodno da ve tada pone usvajati neke osnovne pojmove koji su vezani za termodinamiku. Ipak, u prvom razredu osnovne kole, dijete ima veliku potrebu za igrom i ne smije ga se preopteretiti gradivom. Ono tada mora usvojit itanje, pisanje i temeljne matematike operacije, tako da predmet priroda i drutvo ima ogroman zadatak da razvija zanimanje za prirodne zakonitosti. U prvom i drugom razredu na nastavi prirode i drutva uenici promatraju karakteristike vezane uz odreeno godinje doba i navike ljudi vezane uz njih. Najvie pojmova vezanih uz termodinamiku u sklopu prirode i drutva ui se u treem razredu. Uenici se tada upoznaju s pojmom pokusa, te ga uz nadzor i vodstvo uitelja i sami mogu izvoditi. Pri izvoenju pokusa, uenike bi trebalo zamoliti da sami predvide to e se u pokusu dogoditi, jer e na taj naini uvjebavati fizikalan nain razmiljanja i rjeavanja problema. U treem razredu, ui se pravilna upotreba termometra, zapisivanje temperature tijela te se objanjavaju razliiti oblici stanja vode. U etvrtom se razredu razmatraju uvjeti koji su potrebni za ivot. Osim u razrednoj nastavi prirode i drutva i kasnije u predmetnoj nastavi fizike, uenici se s osnovnim termodinamikim pojmovima susreu i na predmetnoj nastavi iz prirode i tehnike kulture. Tako e uenici u petom razredu na razrednoj nastavi tehnike kulture uiti koji su temeljni oblici energije i vanu injenicu da se energija ne moe stvoriti niti unititi ve da se samo moe pretvoriti iz jednog oblika u drugi. S formalnim obrazovanjem nastave fizike zapoinje se tek u sedmom razredu osnovne kole. Tada se uenici na sistematian nain upoznaju s osnovnim termodinamikim pojmovima. Prije nastavnih tema vezanih uz toplinu ve su se upoznali s nekim od pojmova koji su usko vezani uz termodinamiku, kao to su: tlak, rad, energija. Uenici tako dobivaju dobru pojmovnu podlogu koja e im kasnije pomoi u usvajanju gradiva. Smatra se da je dob od 11-12 godina, kada mlade osobe ulaze u fazu formalnih operacija, podobna za poetak uenja fizike kao nastavnog predmeta. No, do tada uenici su iz osobnog iskustva ve, stekli neke predodbe i stvorili neke koncepcije vezane za termodinamiku , a nerijetko su one krive. Tako npr. uenici esto mijeaju

43

pojam topline s pojmom temperature, ili pak misle da je toplina neki fluid koji moe tei s jednog tijela na drugo. Iz tih razloga veoma je bitno da se dobro iskoriste prilike koje nam se nude u razrednoj nastavi prirode i drutva, te kasnije u predmetnoj nastavi iz prirode i tehnike kulture, kako bi se dali dobri temelji za usvajanje novog gradiva u sklopu nastavnog predmeta fizike.

44

Popis literature - 4 fizike, autori : Hrvoje Mesi, Nenad Raos , Zagreb, 2002. g. Tehniki muzej. - Hrvatska i svijet u 18 i 19 stoljeu, autori: Franko Miroevi, Trpimir Macan, Zagreb, 1996.g. kolska knjiga, etvrto izdanje. - Uvod u znanost o toplini i termodinamici , autor: Tomislav Petkovi , Zagreb 1997. g. Element, prvo izdanje. - Zanimljiva fizika, autor. J. I. Pereljman, Svitava, Zagreb, 2003. g. - Fizika 7, autori: Djakovi, Kurtovi, Ratkaj, Krnjai. Zagreb 2007. g. Profil. - Fizika udna znanost, autori: Ph. D. Irwing Adler. kolska knjiga, Zagreb 1972. g. - Dictionary of Physicis, Oxford, Fotth edition 2000.g. - Radna biljenica ,Fizika za 7. razred osnovne kole, autori: Zumbulka Betek Kadi, Nada Brkovi, Planinka peina, Zagreb 2008. g. Element. - Fizika 7, udbenik za 7 razred, autor: Vladimir Paar, kolska knjiga , Zagreb 2003.g. -Fizika 7, prirunik za nastavnike, autori: Sanja Prelovek Pero, Vladimir Paar, kolska knjiga , Zagreb 2003. g. -Iskustva u ostvarenju HNOS-a, autori: Danica Crni i suradnici, Kalnik Varadinske Toplice 2008.g. -Didaktike osnove nastave, autor: Filip Jelavi, Naklada Slap, Jastrebarsko, 1994. g. - http://public.mzos.hr - Tehnika kultura 5, udbenik za 5. razred osnovne kole, autori: Ida Srdi, Branko Hrpka, Alfa, Zagreb, 2007.g. -Tehnika kultura 5, radna biljenica iz tehnike kulture, autori: Ida Srdi, Branko Hrpka, Alfa, Zagreb, 2007.g.

45

46

- Moj zaviaj 3, udbenik iz prirode i drutva za 3. razred osnovne kole, autori: De Zan, Jeli Omikus, kolska knjiga, Zagreb 2000. g. -Upoznajem zaviaj 3, radni primjerak, autori: Ljiljana Klinger, Sanja Urek, Danica Vrga, kolska knjiga, Zagreb 2004.g. -Korak u svijet 3, autori: Jolanda Bastati, Banita Vladui, Propfil, Zagreb 2008. g. -Na svijet 4, udbenik za 4. razred, autori: Ivan De Zan, Ivo Nejami, Boena Vranje oljan, kolska knjiga 2007. g. - Moja domovina, udbenik za 4 razred osnovne kole iz prirode i drutva, autor: Tomislav Jeli, Alfa, Zagreb 2008.g. - Moja domovina, radna biljenica iz prirode i drutva za 4. razred osnovne kole, autor: Alfa, drugo izdanje Zagreb 2008. g. - http://eskola.hfd.hr/kucni_eks/ke9/kapacitet.htm -Universitiy Phisics, Yung & Treedman, Copyright 2004. g. -Otkrivamo fiziku 7., udbenik za 7. razred osnovne kole sa CD-om, autori: Sonja Prelovek-Pero, Branka Mikulii, Branka Miloti, kolska knjiga, Zagreb 2007. g. -Osobine i psiholoki uvjeti razvoja djeteta predkolske dobi, autori: Branka Starc, Mira udina Obradovi, Ana Plea, Bruna Profaca, Marija Lerica, Golden marketing Tehnika knjiga, Zagreb 2004.g. -Interaktivna stvaralaka edukacija, autor: Marko Stevanovi, Andromeda, Rijeka 2003. g.