NASTAVA FIZIKE U ŠKOLI I PRVO UVOĐENJE POJMA MASE POMOĆU TROMOSTI I TEŽINE U OSNOVNOJ ŠKOLI

Transcription

1 NASTAVA FIZIKE U ŠKOLI I PRVO UVOĐENJE POJMA MASE POMOĆU TROMOSTI I TEŽINE U OSNOVNOJ ŠKOLI Vladimir Paar Prirodoslovno-matematički fakultet, Sveučilište u Zagrebu i Hrvatska akademija znanosti i umjetnosti 1. UVOD: O SADAŠNJIM PROBLEMIMA NASTAVE FIZIKE U SVIJETU Uspješna nastava fizike u školi jedan je od najkrupnijih izazova pred suvremenim obrazovanjem u svijetu.opsežna istraživanja provedena u njemačkim školama (Phys.Blätt. 56(2000)7/8) pokazala su da je od svih školskih predmeta fizika učenicima najteži i najmanje privlačan predmet, unatoč tome što se njemački sustav u cjelini smatra najkvalitetnijim u svijetu. Najviše negativnih stavova učenici iskazuju prema slijedećim predmetima: fizika 30% kemija 28% matematika 20% francuski 17% povijest 13% njemački 11% glazba 10% sport 8% biologija 8% tehnika 8% religija 8% umjetnost 6% geografija 6% latinski 6% engleski 4% sociologija 4% itd. Dakle, najviše negativnih stavova učenici izražavaju prema fizici, a zatim prema kemiji te matematici. Ako se pak kao mjera atraktivnosti pojedinih predmeta uzme razlika između postotka pozitivnih i negativnih stavova s time da se sve vrijednosti 109

2 uvećaju tako da se najmanje atraktivni predmet (fizika) uzme na nuli, redoslijed predmeta po rastućoj atraktivnosti je slijedeći: fizika 0 kemija 1 francuski 10 povijest 13 njemački 16 latinski 16 religija 16 geografija 18 tehnika 20 sociologija 20 etika 20 astronomija 20 psihologija 21 ekonomija 21 matematika 21 glazba 21 politika 22 španjolski 22 informatika 26 biologija 29 umjetnost 31 engleski 33 sport 40 Dakle, najmanje atraktivni predmet za učenike je fizika a zatim slijedi kemija. Taj problem dobiva posebno značenje na početku 21. stoljeća budući da je fizika ključan predmet za orijentaciju mladog naraštaja na znanstvenotehnološki razvoj, koji je osnova za razvoj moderne privrede. U tom smislu Agenda 2000 Europske komisije u svojoj strategiji za razvoj Europske Unije u 21. stoljeću naglašava ključnu ulogu inovacije, istraživanja, obrazovanja i permanentnog usavršavanja za buduću Europu. Zbog toga potreba da se poveća kvaliteta i uspješnost nastave fizike u školi dobiva u svijetu i značajnu političku dimenziju. Općenito se nastavi fizike prigovara da je previše opterećena matematičkim aparatom i postupcima te da je previše orijentirana na puko memoriranje, a da ima premalo učeniku atraktivnih sadržaja, premalo interdisciplinarnih sadržaja, premalo kreativnih izazova i poticanja za razmišljanje i premalo zornosti. Također se naglašava važna uloga nastave fizike u osnovnom zadatku suvremenog obrazovanja, a to je da ima veliki 110

3 transferni potencijal za kasnije cijeloživotnio obrazovanje i osposobljavanje za stalno stjecanje novih znanja koja se u budućnosti pokažu relevantnim, a sada se još ne mogu predvidjeti. Svakom od tih faktora treba posvetiti pažnju u stremljenjima za modernizaciju nastave fizike. Sažetak simpozija Njemačkog fizikalnog društva o nastavi fizike u školi, održanog godine glasi: «Više misliti, manje računati!» («Mehr denken, weniger rechnen!» U nedavnoj studiji objavljenoj u SAD (J. Hubisz, American Association of Physics teachers, naglašava se problem razumljivosti gradiva iz fizike u školskoj nastavi. Posebno je istaknuto da se još uvijek u nastavi i u udžbenicima problem razumljivosti gradiva i adekvatnosti ilustracija suviše promatra sa stajališta stručnjaka (fizičara, psihologa, pedagoga), a premalo sa stajališta učenika. Posebno se naglašava da ono što se u udžbeniku stručnjacima čini jasnim i razumljivim, često nije razumljivo učeniku, jer učenik tumačenja i ilustracije doživljava drukčije nego nastavnik. Time ključan izazov postaje komunikacija učenika i nastavnika. O kvaliteti sadržaja iz fizike u udžbenicima za 6-8 razred Hubisz daje izrazito negativno mišljenje: «These are terrible books» i lošu kvalitetu udžbenika okrivljuje kao važnu komponentu zašto nastava fizike u američkim školama nije kvalitetna, što ide na uštrb stvaranja kadrova za visoku tehnologiju, koji su ključni za budućnost američke privrede. Posebno mjesto pripada ulozi zornosti u nastavi fizike i poticanja stvaranja zornih predodžbi. Taj aspekt nastave fizike naglašavali su u svojim razmatranjima Bohr i Piaget, ali nastava fizike je suviše ostajala na pozicijama formalističkog pristupa. Sukladno Bohr-Piagetovom pristupu, u nastavi fizike treba više koristiti slike, ilustracije, zorne pokuse, kompjutorske simulacije, opažanja itd. Također sve relevantniji postaje stav koji je o nastavi fizike iznio poznati fizičar Weisskopf: «Prva obaveza nastavnika fizike je da se trudi da se u nastavi svladaju fizikalni koncepti, kako bi se stekao pojmovni okvir na kojemu se osnivaju sve druge znanosti. Prioritet je da se koncepti postave ispred računanja.» U ovom članku pokušava se na jednom konkretnom problemu nastave u sedmom razredu osnovne škole, uvođenju mase, uvesti pristup uz veće uvažavanje ovih principa suvremene nastave. Treba istaknuti da u vezi mase i težine učenik često ima krive predkoncepcije koje treba ispravljati usporedo sa svladavanjem novih spoznaja. Najčešća kriva predkoncepcija je da se brkaju pojam mase i težine. To brkanje posvuda je prisutno u svakodnevnom životu, ali i u nekim predmetima koje učenici uče u ranijim razredima. 111

4 U prvom uvođenju pojma mase, u prvoj nastavnoj jedinici treba koristiti isključivo pojam tromosti, i uvesti masu kao mjeru tromosti na temelju konkretnih zornih primjera. Tek u slijedećoj nastavnoj jedinici pojam mase iskazuje se kao mjera težine. Učenik treba jasno uočiti da se masa iskazuje s jedne strane kao mjera tromosti, a s druge strane kao mjera težine. Ali treba paziti da ne dođe do «vrtnje u krugu»: da se masa tumači pomoću težine a težina pomoću mase. Takve logičke klopke uočene su u nizu udžbenika fizike. Zato je važno da se pojam mase uvede najprije isključivo pomoću tromosti, bez ikakvog spominjanja težine. Spomenimo ovdje (ali nemojmo time opterećivati učenika) da je fizičarima trebalo dosta truda i vremena da shvate da je masa kao mjera tromosti (koju su zvali troma masa) i masa kao mjera težine (koju su zvali teška masa) ustvari jedna te ista veličina. Posebno je pitanje trećeg «lica» mase, a to je masa kao mjera količine tvari. Taj je problem još složeniji i ovdje ga se dotiče tek tangencijalno, i upućuje se učenika da će više o tome učiti u kemiji. No treba reći da je tretiranje tog problema u školi tek na razini znatnog pojednostavljivanja. U slijedećim poglavljima prikazano je kako je taj problem obrađen u udžbeniku za sedmi razred osnovne škole Paar: Fizika 7, uz pokušaj uvažavanja prethodno iznesenih načela. 2. Mjerenje mase pomoću tromosti tijela Razmislimo: Gurnemo li kolica, učinimo to uz mali napor. Da bismo guranjem pokrenuli automobil koji stoji na cesti, treba mnogo veći napor. Stanje gibanja Mijenja li tijelo tijekom vremena mijena svoje mjesto u prostoru, kažemo da se giba. Ostaje li na istom mjestu, kažemo da miruje. Znamo li da u nekom trenutku tijelo miruje ili da se giba i kako se giba, kažemo da znamo stanje gibanja. Tromost je svojstvo tijela Kad autobus naglo krene, gibanje autobusa ne prenosi se istog trenutka na tijelo putnika. Kad autobus naglo krene prema naprijed, putnikovo tijelo u autobusu poleti prema natrag. Tek kad se putnik čvrsto primi za ručku ili udari u sjedalo, gibanje autobusa prenijet će se na tijelo putnika. 112

5 Obrnuto će se zbiti kad autobus u vožnji naglo zakoči. Tada putnikovo tijelo u autobusu poleti prema naprijed. Stoga možemo reći: Tijelo ustraje u svome mirovanju, ako je mirovalo. Također, tijelo ustraje u svom gibanju, ako se gibalo. Tijelo će ostati u svom stanju dotle dok ga neko vanjsko djelovanje ne prisili na promjenu stanja. Mogli bismo reći da tijelo, poput tvrdoglava magarca, nastoji ostati u stanju u kojemu je. Prirodno je svojstvo svakog tijela da nastoji ostati u stanju mirovanja ako miruje, ili u stanju gibanja ako se giba. To svojstvo se zove tromost ili inercija. Slika 1 Primjer: Mokar pas suši se tako da koristi inerciju kapljica vode. On se snažno strese amo-tamo. Pri gibanju krzna u jednom smjeru kapljice vode u krznu brzo se gibaju u tom smjeru, pa kad naglo promijeni smjer gibanja u suprotnom smjeru, kapljice vode koje nisu čvrsto vezane za krzno izlijeću iz krzna. Slika 2 Masa pokazuje kolika je tromost tijela Pri bacanju ili hvatanju košarkaške lopte, zbog tromosti lopte osjetimo otpor kad god lopti mijenjamo stanje mirovanja ili gibanja. Potreban je neki napor da svladamo taj otpor. Pri bacanju medicinske lopte taj je otpor mnogo veći, zato jer medicinska lopta ima veću tromost od košarkaške lopte. Zašto? Kažemo da je to zbog toga što je masa medicinske lopte veća od mase košarkaške lopte. Neka tijela imaju veću tromost a neka manju. 113

6 Tromost izražavamo masom tijela. Što je masa tijela veća, to je veća njegova tromost. Pokus: Petar uzme dvije prazne limenke od piva. Jednu napuni željeznim kuglicama, a drugu ostavi praznom. Obje limenke stavi na tlo. Tada naiđe njegov prijatelj Tin, šutne nogom praznu limenku, i ona odleti. Tin je udarcem lako pokrenuo limenku iz stanja mirovanja u stanje gibanja. Zatim šutne i drugu limenku, napunjenu željezom. Taj udarac je bolan, a limenka se samo malo pomakne. Slika 3 Petar to tumači ovako: limenka napunjena željezom ima mnogo veću masu nego prazna limenka i zato se mnogo više opire promjeni iz stanja mirovanja u stanje gibanja. USPOREDIMO MASE TIJELA POMOĆU TROMOSTI Pokus: Katarina uspoređuje masu dviju kugli na glatkoj površini stola. Između kugli opruga. Dlanovima pritisne kugle jednu uz drugu tako da je opruga stisnuta, i zatim ih pusti. Opruga se naglo raširi i odgurne kugle jednu od druge, i one polete u suprotnim smjerovima. Kugla označena s B odleti brže nego kugla označena s A. Katarina zaključuje da se kugla A više Slika 4 opire promjeni svog stanja mirovanja, tj. da ima veću masu. 114

7 Jedinica mase kilogram Da bismo mogli mjeriti masu, trebamo znati što je jedinica mase. Međunarodnim sporazumom dogovoreno je da se za jedinicu mase uporabi masa valjka napravljenog od metala platine i iridija, koji se čuva u Međunarodnom uredu za mjere i utege u Sevresu kraj Pariza. Taj se uzorak jedinice mase zove prakilogram. kilogram kg temeljna jedinica Međunarodnog sustava jedinica (SI) Osnovna jedinica za masu je kilogram. Znak za kilogram je kg. Masa jedan kilogram jednaka je masi prakilograma. Masa od jednog kilograma je gotovo jednaka masi jedne litre čiste vode na temperaturi 4 o C. Manje su jedinice mase: dekagram (znak: dag), gram (znak: g) i miligram (znak: mg): 1 kg = 100 dag 1 kg = g 1 g = mg Veća jedinica za masu je tona (znak: t): 1 t = kg MJERIMO MASU POMOĆU TROMOSTI Katarina ponavlja sličan pokus kao ranije, ali sada s jednom kuglom poznate mase od 1 kg. Kugle poveže čvrstom niti, tako da je opruga stisnuti između kugli. Plamenom žigice zatim propali nit. Ako kugle polete jednako brzo u suprotnim smjerovima, znači da su im mase jednake. U tom slučaju je i masa druge kugle jednaka 1 kg. Na taj način Katarina izmjeri masu druge kugle. Slika 5 115

8 Ponavljanje i dupuna znanja 1. Što u fizici podrazumijevamo pod nazivom tromost? A što pod tim nazivom podrazumijevamo kada govorimo o ponašanju ljudi? 2. Opišimo nekoliko primjera tromosti iz naše okoline. Komentirajmo sliku nepažljivog biciklista. Slika 6 3. U prometnim nezgodama tromost može biti vrlo opasna. Zašto? Kako može zaštitni pojas u automobilu ulogu zaštititi putnika od posljedica tromosti? A zračni jastuk? 4. Ako tanjur do ruba napunjen juhom nosimo pažljivo, juha se neće izlijevati preko ruba tanjura. No ako samo malo usporimo ili ubrzamo gibanje tanjura, juha će se prelijevati preko ruba. Zašto? Rješenje: Zbog inercije. Kapljice juhe ponašaju se slično kao tijela putnika u autobusu. Slika 7 5. Što povezuje masu i tromost? Može li se masa mjeriti usporedbom tromosti dvaju tijela? Kako? 6. Koja je osnovna jedinica mase? Koje su manje jedinice mase? 116

9 7. Može li pas s glatke površine stola povući stolnjak, a da torta ostane na stolu? Zašto? Slika 8 8. Što se zbiva s putnicima koji nisu zavezani pojasom kad automobil naglo zakoči? Slika 9 3. MJERENJE MASE POMOĆU TEŽINE TIJELA Razmislimo: U prijašnjim smo pokusima uspoređivali tromosti tijela i na taj način uspoređivali mase tih tijela. Ali mase tijela možemo usporediti na još jedan način, pomoću njihove težine. Što o težini i masi znamo iz iskustva? Što smo o težini učili u predmetima priroda, zemljopis i matematika? Jesu li masa i težina jedno te isto ili su to dvije različite veličine? Mase tijela uspoređujemo pomoću vage Kad zdjelice obične vage nisu opterećene, vaga stoji u vodoravnom položaju i kazaljka na ljestvici pokazuje nulu. Tada kažemo da je vaga u ravnoteži. 117

10 Kad neki predmet držimo na ruci, on nam pritiskuje ruku prema dolje. Silu kojom tijelo pritiskuje na vodoravnu podlogu na kojoj stoji zovemo težina tijela. Isto tako, tijelo stavljeno na zdjelicu vage, pritiskuje svojom težinom zdjelicu prema dolje. Na jednu zdjelicu vage stavimo jedno tijelo, a na drugu zdjelicu drugo tijelo. Slika 10 Svako tijelo zbog svoje težine pritišće na zdjelicu prema dolje. Ako je vaga u ravnoteži, tijela jednako pritišću na zdjelice s obje strane vage, tj. težine tih tijela su jednake. No, o čemu ovisi težina tijela? Fizičari su pokusima utvrdili da težina tijela ovisi o njegovoj masi. Što je veća masa tijela, to je njegova težina veća. To znači da su težine dvaju tijela jednake, ako su njihove mase jednake. Dakle: Ako je vaga u ravnoteži, tada tijelo na jednoj zdjelici ima jednaku masu kao tijelo na drugoj zdjelici. Pokus: Na jednu zdjelicu vage Nada stavi jabuku, a u drugu zdjelicu lagano sipa šećer, sve dok vaga ne dođe u ravnotežu. Tada jabuka ima jednaku masu kao hrpica šećera na drugoj zdjelici. Slika 11 MJERENJE MASE POMOĆU VAGE Masa tijela mjeri se pomoću vage i utega. Na jednu zdjelicu vage stavimo tijelo čiju masu mjerimo, a na drugu zdjelicu stavljamo utege sve dok vaga ne dođe u ravnotežu. Tada je masa tijela na jednoj zdjelici jednaka ukupnoj masi svih utega na drugoj zdjelici. 118

11 Primjer: Vaga je u ravnoteži ako na jednoj zdjelici stoji jabuka, a na drugoj utezi od 100 g, 50 g, 10 g, 2 g i 1 g. Ukupna je masa utega: m = 100 g + 50 g + 10 g + 2 g + 1 g m = 163 g. Dakle, masa jabuke je 163 grama. Slika 12 Slog utega. Uz vagu se nalazi skup utega potrebnih pri mjerenju mase. Zovemo ga slog utega. MASA JE OČUVANA Što se zbiva s masom kad se tijelo mijenja? Odgovor daju pokusi. Rastopimo li šećer u vodi, masa otopine šećera bit će jednaka zbroju mase šećera i vode prije stavljanja šećera u vodu. Razlomimo li tijelo u sitne komadiće, ukupna masa svih djelića jednaka je masi tijela na početku. Pri promjenama tijela, ukupna masa ostaje jednaka. To je zakon očuvanja mase. Pokus: Danijel stavi na lijevu zdjelicu vage kuglu od plastelina, a na desnu zdjelicu stavlja utege sve dok vaga ne dođe u ravnotežu. Zatim iz te plastelinske kugle napravi dvije manje kugle i stavi ih na lijevu zdjelicu, ne dirajući utege na desnoj zdjelici. Vidi da je vaga i dalje u ravnoteži. Zatim od dviju plastelinskih kugli napravi više još manjih kuglica, koje oblikuje u različite figurice. Sve ih zajedno stavi na lijevu zdjelicu, i opet ne dirajući utege na desnoj zdjelici. Vaga i dalje ostaje u ravnoteži. Napokon zamijesi zajedno sve plastelinske figurice opet u jedno tijelo oblika kugle, i 119

12 stavi je na lijevu zdjelicu. Vaga i dalje stoji u ravnoteži. Danijel zaključuje: ukupna masa plastelina je pri svim promjenama oblika ostala nepromijenjena. Slika 13 Zakon očuvanja mase podjednako vrijedi u procesima koje učimo u fizici, u kemijskim reakcijama o kojima učimo u kemiji, i u biološkim procesima koje učimo u biologiji. Ponovimo što smo naučili o masi Što je veća masa nekog tijela, to je veća njegova tromost. Što je veća masa nekog tijela, to je veća njegova težina. Ponavljanje i dopuna znanja 1. Što povezuje težinu i masu tijela? Je li masa tijela jednaka težini? 2. Na tržnici Jasna kupuje dinju. Prodavačica važe jednu dinju i kaže: Ova zrela dinja ima težinu jedan kilogram. Što je prodavačica rekla pogrešno?rješenje: Kilogram je jedinica za masu, a ne za težinu. Pogrešno je reći da tijelo ima težinu u kilogramima. No takve su pogreške česte u svakodnevnom životu. Prodavačica je trebala reći: Ova zrela dinja ima masu jedan kilogram. 3. Na jednoj zdjelici uravnotežene vage je dinja, a na drugoj su tri utega od po pola kilograma i jedan uteg od 10 dekagrama. Kolika je masa dinje? Rješenje: Najprije trebamo sve mase izraziti pomoću iste jedinice, na primjer pomoću kilograma. Iz 1 dag = 0,01 kg slijedi 10 dag = 0,1 kg, pa je masa dinje: m = 0,5 kg + 0,5 kg + 0,5 kg + 0,1 kg. 4. Pridružimo napisane mase tijelima na slici. Koje tijelo ima najveću a koje najmanju masu? 120

13 Slika Napišimo masu planeta Zemlje masu buhe bez uporabe potencija broja deset. Slika Masa i količina tvari u tijelu. Osim veze s tromošću i težinom tijela, masa je povezana i s količinom tvari u tijelu: Što je veća količina tvari u tijelu, to je veća masa tijela. 7. Na primjer: Kriška jabuke ima manju masu nego cijela jabuka, jer je u njoj manja količina tvari.drvena kugla ima manju masu nego željezna kugla jednakog oblika. Makar su te kugle jednako velike, količina tvari u njima nije jednaka, nego je u željeznoj kugli veća. Dakle: Što je masa nekog tijela veća, to je veća količina tvari u njemu. Količina tvari određena je brojem i masom čestica od kojih je tvar građena. Više o tome učimo u kemiji. 4. ZAKLJUČAK Na prethodnom se primjeru pojam mase može analizirati sa stajališta načela obrazovanja za 21. stoljeće, kao što su jačanje transfernog potencijala učenja, nastava prijateljska prema učeniku, selektivnost, zornost, razumljivost, atraktivnost, poticaj na razmišljanje, i interdisciplinarnost. Treba voditi računa o tome da u svijetu sve više sazrijeva shvaćanje da dosadašnji stereotipi u nastavi fizike nisu vodili do zadovoljavajućih rezultata i da u tom smislu treba postupno unositi nove kvalitete u nastavi fizike. 121