تبیان، دستیار زندگی
هدف این دوره درسی معرفی مفهوم چگالی و جرم و حجم به دانش آموزان و انجام فعالیتی با استفاده از دانسته های آن ها درباره این مفاهیم است.
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

هوا هم چگالی دارد

فشار هوا

اهداف:

اهدف از این درس که دانش آموزان را به چالش بکشد تا دانسته های خود در مورد جرم، حجم و چگالی را برای طراحی یک بالن به کار ببرند.

وسایل لازم:

  1. یک بادکنک که با گاز هلیوم پر شده است.
  2. یک وسیله ی الکتریکی یا باتری خور مانند، لامپ، سی دی پلیر و ...

برای هر گروه:

مواد لازم برای ساخت بالن:

  1. روزنامه
  2. کیسه زباله
  3. کیسه زیپ دار
  4. دستمال کاغذی
  5. الکل مخصوص برای گرم کردن هوای داخل بالن
  6. قوطی
  7. ابزار مختلف: چسب نواری های مختلف، خط کش، چسب مایع و قیچی و...
  8. یک برگه ی یادداشت برای هر دانش آموز

توضیح اولیه

مفاهیم دریافتی:

  1. 1- چگالی میزان فشردگی جسم است.
  2. 2- اگر یک ماده نسبت به محیط پیرامون خود چگالی کمتری داشته باشد، در آن شناور می شود.
  3. 3- یک بالن هوای گرم شناوراست چون طراحی آن به گونه ای است که باعث می شود چگالی کمتری نسبت به هوای اطراف خود داشته باشد.

مهارت های دریافتی:

  1. 1- دانش آموزان چگالی مواد را با چگالی هوا خواهند سنجید.
  2. 2- دانش اموزان متغیرهایی را که با جرم و حجم در ارتباط اند، خواهند دید.
  3. 3- دانش آموزان با استفاده از یک جدول داده های خود را برای حل مسئله طبقه بندی خواهند کرد.
  4. 4- دانش آموزان مسائل را حل خواهند کرد.

طرح درس

1- بادکنک هلیوم را جلوی دانش آموزان رها کنید. از آن ها بپرسید چرا بادکنک در هوا معلق است و به سقف چسبیده. (جواب: چون چگالی هلیوم کمتر از چگالی هوا است و هوا خود ترکیبی از چندین گاز است.)

از دانش آموزان بپرسید که شناور ماندن یک بالن در هوا با پرواز هواپیما چه فرقی دارد. (بالن شناور می شود چون هوای گرم درون آن نسبت به هوای سردتر بیرون چگالی کمتری دارد و سبک تر است. ولی هواپیما با آن که از فلز ساخته شده است، به دلیل وجود موتورهای قوی خود می تواند حرکت کند) از دانش آموزان بپرسید که چه متغیرهایی بر چگالی بالن هوای گرم تأثیر دارد.(جرم و حجم)

2- به هر دانش آموز یک برگه ی یادداشت بدهید و از آن ها بخواهید که راجع به بخش هایی از بالن که به جرم و حجم ربط دارند فکر کنند. برای مثال: سنگینی سبد آن چقدر است، چند نفر را حمل خواهد کرد، بزرگی بالن چقدر است، شکل آن چگونه است. برای جرم و حجم روی تخته دو ستون تشکیل دهید، سپس ایده هر دانش آموز را در ستون مربوطه بنویسید. اگر این موضوع که با بالارفتن، چگالی هوا تغییر می کند در کلاس مطرح نشد، خود، آن را به عنوان یک متغیر ستون حجم بنویسید.

3- راجع به متغیرها، در کلاس بحث کنید و یادداشت ها را در کلاس بچرخانید تا مفهوم جرم و حجم خوب جا بیفتد. یادآوری کنید که اگر ماده ای بخواهد در ماده ای دیگر شناور بماند باید چگالی آن کمتر از محیط خود باشد. به دانش آموزان بگویید که برای سادگی فرآیند ساخت بالن و افزایش شانس موفقیت با تعداد کمی متغیر کار می کنیم.

4- از دانش آموزان بپرسید که مهندسان چگونه یک ساختمان یا پل می سازند. در راستای بحث، دانش آموزان خواهند فهمید که وقتی که مشخص شد که به یک پل/ساختمان نیاز است، یک نقشه برای آن طراحی می شود سپس طرح و مواد مورد نیاز برای ساختن پل/ساختمان امتحان می شوند و در پایان پل ساخته می شود.

برای اطمینان از این که بالن آن ها پرواز می کند ما در زیر یک برنامه ی شبیه سازی را آورده ایم که آن ها باید انجام دهند. این برنامه بیشتر شبیه مرحله ی آزمایش مهندسان است.

5- بعد از اتمام تمام دروس می توانید برگه سوالات امتحانی را بین دانش آموزان پخش کنید و نتیجه را بررسی کنید. با کلیک کردن روی کلمه پاسخ، پاسخ سوالات را دریافت کنید.

شبیه سازی:

1- یک وسیله ی الکتریکی انتخاب کرده و  آن را به دانش آموزان نشان دهید.  به آن ها بگویید که شما فهمیده اید که این وسیله کار نمی کند. برای این که علت را بفهمید چه کار باید بکنید. دانش آموزان را راهنمایی کنید که پیشنهاد دهند که باید روش کارکردن آن وسیله را تست کنند. بعد از شنیدن پیشنهادها ، تصمیم بگیرید که یکی از آن ها را امتحان کنید. برای نمونه به دانش آموزان فلوچارت کشف خرابی لامپ را نشان دهید( روی تخته بکشید یا با اورهد نمایش دهید). سپس فلوچارت کشف خرابی را به آن ها بدهید و اولین سؤال را در اولین مربع قرار دهید. به این ترتیب دانش آموزان به راحتی می توانند علت خرابی هر دستگاهی را کشف کنند.

2- به لیست متغیرهای جرم و حجم که قبلاً توسط کلاس تولید شد برگردید و هر کدام که توسط شبیه سازی کنترل شد را پاک کنید. به دانش آموزان یاد آوری کنید که منبع گرمایی، میزان گرمای اضافه شده، ورزن سبد و مسافران، و هر عامل بادی یا آب و هوایی توسط شبیه سازی ثابت فرض شده است. هم چنین به آن ها بگویید که این در شبیه سازی، جابجایی بالن در حد متر و فقط به قصد تعیین چگالی هواست. آن ها می توانند این آزمایش را با چهار شکل و اندازه و ماده مختلف برای بالن انجام دهند و در انتها بحث کنند که چطور هر کدام این متغیرها بر روی توانایی بالن برای شناور ماندن، تأثیر می گذارند.

3- بگذارید که دانش آموزان در گروه های 4-3 نفره کار کنند. دانش آموزان مراحل کار خود را باید در برگه ی کار ثبت کنند تا موفقیت آن ها شانس بیشتری یابد. در پیوست1  در ادامه درس می توانید توضیح شبیه سازی را مشاهده نمایید.

ساخت بالن:

1- هنگامی که دانش آموزان طرح پایانی خود را یافتند، باید مواد لازم را جمع کنند تا ساختن را شروع کنند. آن ها باید در گروه های طراحی و ساخت کار کنند. زمان ساخت ممکن است 1 یا 2 برابر زمان کلاس به طول انجامد.

2- زمانی که تمام گروه ها کارشان تمام شد، برای آزمایش بالن ها باید به فضای آزاد بروند. در این هنگام راجع به چگالی هوا صحبت کنید. از دانش آموزان بپرسید که چگالی هوای درون بالن چقدر باید باشد تا بالن بتواند پرواز کند.

منبع گرمایی بالن هرگروه را روشن کنید. بالن ها می توانند شناور شوند. آموزگار توجه کند که منبع گرمایی، متناسب با مکان و جغرافیا فرق می کند به گونه ای که قدرت شناور کردن بالن را داشته باشد.

خطر آتش سوزی با شناور شدن بالن شروع می شود. آموزگاران بیشتر خواهان استفاده از منابع گرمایی مطمئن تر هستند. همانند آزمایش با بالن هایی که منبع گرمایی آن ها مواد آتشگیر ضعیف تر است.

3- بعد از انجام آزمایش هر دانش آموز در برگه ی گزارش خود گزارشی از روش کار و مراحل ساخت بالن را بنویسد.

ارزشیابی:

1- دانش آموزان هنگام کار و شبیه سازی و هنگامی که در حال به دست آوردن نتیجه ی متغیرهای مؤثر هستند از طرف آموزگار ارزیابی می شوند.

2- دانش آموزان در طول فرآیند ساختن بالن، در مورد مهارت های حل مسئله و فعالیت های گروهی و بحث با آموزگار ارزیابی می شوند.

3- هم چنین از راه تحلیل موفقیت پرواز بالن ها و گونه ی طراحی، امتحان طرح و مراحل ساخت نیز ارزیابی خواهند شد.

توسعه:

در فرآیندهای شبیه سازی و ساختی که در این درس آمده است دانش آموزان بالن هایشان را از روی طرح های از پیش آماده و با استفاده از مواد از پیش ساخته یا تهیه شده می سازند. دانش آموزان در این جا مجبور نیستند که حجم بالن و شکل آن و جرم مواد به کار رفته را محاسبه کنند تا ببینند چگالی آن چقدر باید کمتراز چگالی هوا باشد.

یک امکان این است که دانش آموزان تمام مراحل شکل، اندازه، شبیه سازی متغیرها و مواد را برای بالن های خود، خود محاسبه و اندازه گیری کنند. و در پایان علت های به پرواز در آمدن یا نیامدن بالن را قبل از آزمایش کردن، معین کنند.

پرسش هایی برای دانش آموزان:

  1. چگونه می خواهید چگالی را تعریف کنید؟
  2. یک مثال از تأثیر چگالی در زندگی یا کاربرد آن در کارهای جهان واقعیت بیان کنید.
  3. چگونه جرم را اندازه گیری می کنیم؟
  4. توضیح دهید که چرا بالن هوای گرم شناور می شود؟
  5. با استفاده از مفهوم چگالی توضیح دهید که چرا تکان دادن مایعاتی درون بطری ریختیم مهم است؟
  6. رابطه ی بین جرم و حجم و چگالی چیست؟
  7. کدام فعالیت برای دریافت مفهوم چگالی کمک بیشتری به شما کرد؟

پیوست1: توضیح شبیه سازی

در این جا یک توضیح برای آن چه باید شبیه سازی شود و فرمول های لازم برای آن وجود دارد.

1- کاربر باید ارتفاع موقعیتی که بالن در آن جا قرار دارد را بر حسب متر وارد کند که این بخش از محاسبات برای تعیین چگالی هوا در هر ارتفاعی داده شده است.

مقدار چگالی، چگالی هدف و نهایی برای ساخت بالن خواهد شد.

(ارتفاع)×(4-10×194/1)-226/1=چگالی هوا (D)

2- کاربر ممکن است یکی از طرح های زیر را انتخاب کند:

شکل

سایز

مواد

کروی

S

دستمال کاغذی

مکعبی

M

کیسه زباله

هرمی(با قاعده مربع)

L

کاغذ پرینت

XL

روزنامه

3- این شبیه سازی حجم بالن را بر حسب فرمول های زیر محاسبه خواهد کرد:

4/3πr3     حجم کره

4πr2        مساحت کره

ابعاد داده شده برای کره :

S:   r=5cm

M: r=10cm

L: r=15cm

XL: r=20cm

مساحت مکعب مستطیل:

(LW+LH+WH) 2

L×W×H :  حجم مکعب مستطیل

ابعاد داده شده برای مکعب مستطیل

S:   10cm×10cm×15cm

M:   15cm×15cm×20cm

L:   20cm×20cm×25cm

XL:   20cm×20cm×30cm

حجم هرم:     1/3b2h ،  در این جا h فاصله رأس هرم از قاعده و b طول ضلع قاعده است.

مساحت هرم:   2bh + b2 ،   در این جا h ارتفاع سطوح جانبی هرم است.

طول ضلع قاعده         ارتفاع هرم        ارتفاع سطوح جانبی

S:                       25cm                      24cm                        7cm

M:                      26cm                      24cm                      10cm

L :                      25cm                      20cm                      15cm

XL:                      36cm                      30cm                      20cm

4- در این مرحله از شبیه سازی باید جرم مواد به کار برده شده در بالن را محاسبه شود.

5-شبیه سازی بعدی محاسبه ی حجم بالن است. چگالی هوا که با ارتفاع متناسب است (در قسمت 1 توضیح داده شد) را باید در 0/93 ضرب کنید تا چگالی هوای گرم شده را بدست آورید (با گرم کردن هوا چگالی آن تا 7% کاهش می یابد). در این صورت از ضرب چگالی تقریبی هوا در حجم بالن می توان جرم هوای درون بالن را به دست آورد.

6- مجموع جرم مواد سازنده و جرم هوای درون بالن جرم کل بالن را تشکیل می دهد.

7- جرم کلی تقسیم بر حجم، چگالی کلی بالن را می دهد. با تأثیر منبع گرمایی که باعث می شود چگالی هوای گرم 7% نسبت هوای اطراف کمتر شود. در این صورت اگر چگالی کل بالن از چگالی هوای اطراف کمتر باشد بالن باید شناور شود.

مترجم: احسان انصاری

تنظیم: نسرین صادقی