Ανακάλυψη του ηλεκτρονίου

 Ένα βίντεο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τη διδασκαλία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου. Σε σωλήνα Crookes δημιουργούνται καθοδικές ακτίνες με τη βοήθεια πηνίου Ruhmkorff. Οι ακτίνες εκτρέπονται από την ευθύγραμμη πορεία τους όταν πλησιάσουμε ένα μαγνήτη (πρώτα το Βόρειο και μετά το Νότιο πόλο του).

 

Αγωγοί & Μονωτές

 Με τη βοήθεια γεννήτριας Van de Graaff και ηλεκτρικού εκκρεμούς, επίδειξη της διάκρισης των σωμάτων σε αγωγούς και μονωτές.

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (επίδειξη)

 Ένα βιντεοπείραμα για την επίδειξη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Για την επιτυχία του πειράματος πρέπει προηγουμένως να τρίψουμε το φύλλο Zn με ατσαλόμαλο (σύρμα κουζίνας), ώστε να απομακρυνθεί το λεπτό στρώμα οξειδίου του ψευδαργύρου. 

Και μια επέκταση: Αν μεταξύ της λάμπας υπεριωδών και φύλλου ψευδαργύρου εισάγουμε μια λεπτή γυάλινη πλάκα το ηλεκτροσκόπιο δεν εκφορτίζεται, καθώς το γυαλί απορροφά το σημαντικότερο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας.

Το φαινόμενο Tyndall και η ταχύτητα αντίδρασης

Η αντίδραση μεταξύ Θειοθειικού νατρίου και υδροχλωρίου είναι μια πολύ γνωστή αυτοξειδοαναγωγική αντίδραση κατά την οποία παράγεται θείο και διοξείδιο του θείου: 

 Άτομα θείου στο διάλυμα σχηματίζουν συσσωματώματα (κυρίως με την οκτατομική του μορφή) με αποτέλεσμα το σχηματισμό κολλοειδούς και σταδιακό θόλωμα του διαλύματος (φαινόμενο Tyndall). Η αντίδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα για την επίδειξη του χρώματος του ουρανού, όπως φαίνεται και στο επόμενο βίντεο, όπου μέσα στο πλαστικό ποτήρι έχουμε ρίξει αρχικά λίγες σταγόνες διαλύματος HCl 2Μ και μετά προσθέτουμε περίπου 10 mL διαλύματος θειοθειικού νατρίου 0,2Μ, ενώ κάτω ακριβώς από το ποτήρι έχει τοποθετηθεί ένας φακός με LED λευκού χρώματος. 

 Θα χρησιμοποιήσουμε την ίδια αντίδραση για να ελέγξουμε αν και πως εξαρτάται η ταχύτητα της αντίδρασης από τη συγκέντρωση του διαλύματος HCl. Κατ' αρχάς χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο σταγονόμετρο μετρήσαμε πως απαιτούνται 20 σταγόνες για να συμπληρωθεί όγκος ίσος με 1mL. Μετά καταταγράψαμε σε βίντεο πέντε διαφορετικά πειράματα που κάναμε ως εξής: 

1ο πείραμα: 20 σταγόνες HCl 2M + 9 mL δ/τος Na₂S₂O₃ 0,2M 

2ο πείραμα: 15 σταγόνες HCl 2M + 5 σταγόνες Η₂Ο + 9 mL δ/τος Na₂S₂O₃ 0,2M 

3ο πείραμα: 10 σταγόνες HCl 2M + 10 σταγόνες Η₂Ο + 9 mL δ/τος Na₂S₂O₃ 0,2M 

4ο πείραμα: 5 σταγόνες HCl 2M + 15 σταγόνες Η₂Ο + 9 mL δ/τος Na₂S₂O₃ 0,2M 

5ο πείραμα: 2 σταγόνες HCl 2M + 18 σταγόνες Η₂Ο + 9 mL δ/τος Na₂S₂O₃ 0,2M 

Με τον τρόπο αυτό το διάλυμα του HCl μαζί με το προστιθέμενο νερό έχει πάντα όγκο 1 mL, ενώ το τελικό διάλυμα έχει πάντα όγκο 10 mL. Συνεπώς σε κάθε πείραμα έχουμε σταθερή τη συγκέντρωση του θειοθειικού νατρίου και μεταβλητή τη συγκέντρωση του διαλύματος HCl. Η μεταβολή στο θόλωμα του διαλύματος καθορίζεται από τη συγκέντρωση του παραγόμενου θείου και συνεπώς μπορούμε να εκτιμήσουμε την ταχύτητα της αντίδρασης από το χρόνο (καλύτερα το αντίστροφο του χρόνου) που χρειάζεται το διάλυμα για να αποκτήσει συγκεκριμένο βαθμό θολώματος (ή φωτεινότητας καλύτερα). Το πλαστικό ποτήρι στο οποίο πραγματοποιείται η αντίδραση τοποθετείται πάνω σε ένα κομμάτι χαρτιού στο οποίο έχουμε σχεδιάσει με μπλε μαρκαδόρο ένα "X". Καθώς η αντίδραση εξελίσσεται, το διάλυμα θολώνει και σταδιακά το "Χ" εξαφανίζεται: 

 Το βίντεο κάθε πειράματος αναλύεται με τη βοήθεια του Tracker. Δημιουργούμε μια τροχιά τύπου "Περιοχή RGB" που είναι μια μικρή κυκλική περιοχή στα διάφορα καρέ του βίντεο, της οποίας το Tracker υπολογίζει τη φωτεινότητα. Τοποθετούμε την "Περιοχή RGB" στο κέντρο του μπλε "Χ" και αναπαράγοντας το βίντεο το Tracker σχεδιάζει την καμπύλη μεταβολής της φωτεινότητας σε συνάρτηση με το χρόνο. 

 Μεταφέροντας τα δεδομένα της ανάλυσης των πέντε πειραμάτων στο Excel παίρνουμε την επόμενη γραφική παράσταση μέσω της οποίας μπορούμε να επιβεβαιώσουμε την εξάρτηση της ταχύτητας της αντίδρασης από τη συγκέντρωση του διαλύματος HCl.

Τα αρχεία βίντεο της άσκησης θα τα βρείτε εδώ.

Τρία πειράματα στην ταχύτητα αντίδρασης

Τα αναβράζοντα δισκία εκτός από την αντίστοιχη δραστική ουσία περιέχουν ποσότητα όξινου ανθρακικού Νατρίου ή Καλίου και στερεού κρυσταλλικού οξέος (π.χ. κιτρικό οξύ). Κατά τη διάλυση του δισκίου στο νερό το όξινο ανθρακικό άλας αντιδρά με το οξύ παράγοντας αέριο διοξείδιο του άνθρακα, στο οποίο οφείλονται οι φυσαλίδες που παρατηρούμε κατά τη διάλυση του δισκίου.

Τοποθετούμε ένα πλαστικό ποτήρι που περιέχε1 100mL νερού πάνω σε μια ζυγαριά ακρίβειας 0,01g. Στο νερό ρίχνουμε ένα δισκίο βιταμίνης C ως εξής:

1ο πείραμα: Ολόκληρο το δισκίο σε νερό θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

2ο πείραμα: Κονιορτοποιημένο το δισκίο σε νερό θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

3ο πείραμα: Ολόκληρο το δισκίο σε νερό θερμοκρασίας 70 βαθμών Κελσίου.

Τα πειράματα έχουν καταγραφεί σε αντίστοιχα βίντεο, στα οποία έχει κατάλληλα μονταριστεί και ένα ηλεκτρονικό χρονόμετρο, ώστε να είναι δυνατή η μελέτη της μεταβολής μάζας του διαλύματος σε συνάρτηση με το χρόνο. Προφανώς η μείωση της μάζας που παρατηρείται οφείλεται στο αέριο διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται κατά τη διάλυση του αναβράζοντος δισκίου.

Στην επισυναπτόμενη γραφική παράσταση φαίνεται η μεταβολή στην ποσότητα του παραγόμενου αερίου σε συνάρτηση με το χρόνο, επιτρέποντάς μας την εκτίμηση της ταχύτητας της αντίδρασης και του τρόπου που επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και την επιφάνεια του δισκίου.

Τα τρία βίντεο θα τα βρείτε εδώ, εδώ και εδώ. 

Ποιοτική μελέτη μαγνητικού πεδίου ρευματοφόρων αγωγών

 Η ένταση του μαγνητικού πεδίου σε κάθε σημείο του χώρου γύρω από ρευματοφόρο αγωγό είναι ανάλογη της έντασης του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό και εξαρτάται από τη θέση του σημείου στο χώρο σε σχέση με την κατανομή του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η εξάρτηση της έντασης τού μαγνητικού πεδίου από τη θέση του κάθε σημείου καθορίζει και τη μορφή του μαγνητικού φάσματος και μας περιγράφει ποιοτικά την μορφή του μαγνητικού πεδίου.

Αν θέλουμε να περιγράψουμε επομένως την μορφή του μαγνητικού πεδίου γύρω από ρευματοφόρο αγωγό πρέπει να απεικονίσουμε την εξάρτηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου από τη θέση. Αυτή η διαδικασία μπορεί πειραματικά να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα μαγνητικού πεδίου, μετρώντας την ένταση του πεδίου σε διάφορα σημεία και λαμβάνοντας υπόψη την ενδεχόμενη συμμετρία.

Μπορούμε όμως να πραγματοποιήσουμε τη διαδικασία στο εργαστήριο με ένα αυτοσχέδιο αισθητήρα όπως περιγράφεται στα επόμενα βίντεο και μετά να συγκρίνουμε το αποτέλεσμα με την θεωρητική πρόβλεψη.

Η κατασκευή του αισθητήρα και η πειραματική διαδικασία περιγράφονται στα δύο έγγραφα που μπορείτε να μεταφορτώσετε από εδώ και εδώ. Το πρώτο έγγραφο περιέχει ένα φύλλο εργασίας για χρήση στην τάξη (Γ' Λυκείου), και το δεύτερο περιλαμβάνει μια πιο αυστηρή εκδοχή και σύγκριση με το αντίστοιχο θεωρητικό μοντέλο.

Εφαρμογή του κανόνα του Lenz

Σε μια σχεδόν κατακόρυφη μπάρα αλουμινίου αφήνεται να γλιστρήσει ένα κέρμα των 50 λεπτών και ένας μαγνητικός δίσκος νεοδυμίου.

Ακόμη ένα βίντεο, κατάλληλο και για ανάλυση με το Tracker:

Κανόνας Lenz - Μαγνητική πέδηση

 

Ακόμη μία επίδειξη ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων : 

Μαγνητική πέδηση και κανόνας του Lenz.

(Δείτε το καλύτερα σε πλήρη οθόνη)

Προσομοίωση του ημερήσιου κύκλου φυτού

Με τη χρήση ενός αισθητήρα διοξειδίου του άνθρακα συνδεδεμένου σε ένα Arduino μετράμε τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα κατά τον ημερήσιο κύκλο ενός φυτού. Ουσιαστικά μέσα σε 15 λεπτά προσομοιώνουμε ένα πλήρες ημερονύκτιο του φυτού:

Το πείραμα αποτελεί μέρος των πειραμάτων που πραγματοποιήσαμε με ομάδα μαθητών του 3ου Γυμνασίου Ηγουμενίτσας και παρουσιάσαμε στο φεστιβάλ Science on Stage στην Πορτογαλία.

Ανίχνευση Διοξειδίου του Άνθρακα στην καύση

 Εύκολη και πετυχαίνει πάντα..

Το αιωρούμενο πηνίο

Επίδειξη της μαγνητικής δύναμης σε ρευματοφόρο αγωγό:

Διαθέσιμο και στο κανάλι του ΕΚΦΕ στο youtube:

https://www.youtube.com/watch?v=MYvL6I0M8IU

Το πείραμα του Oersted (x3)

 Τρεις διαφορετικές εκδοχές του πειράματος του Oersted:

1. Με κινητό τηλέφωνο

2. Με μαγνήτες νεοδυμίου αναρτημένους σε ευθύγραμμο αγωγό

3. Το κλασσικό (με μικρή πυξίδα)

Διαθέσιμα και στο κανάλι του ΕΚΦΕ στο youtube:

https://www.youtube.com/watch?v=YwcVP9hSeg8

https://www.youtube.com/watch?v=rL3DtYhhZoM

https://www.youtube.com/watch?v=h4ycDvi1h4Q

Επίδειξη δύναμης Laplace

 Επίδειξη της δύναμης Laplace και εξάρτηση της φοράς της από τη φορά του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. Για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιούμε τέσσερις μαγνητικούς δίσκους νεοδυμίου.

"Κόβω φλέβες" - χημικά

 Μια ενδιαφέρουσα επίδειξη ενός πειράματος Χημείας (η εξήγηση στο βίντεο):

Βιντεοπειράματα: Μελέτη του φαινομένου της η/μ επαγωγής

 Ακόμη ένα πείραμα από τηη συνεργασία των ΕΚΦΕ Θεσπρωτίας και Λευκάδας: Μελέτη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής με χρήση του ΣΣΛΑ Multilog.

Το βίντεο είναι διαθέσιμο εδώ, και το σχετικό φύλλο εργασίας εδώ.

Διδάσκοντας πειραματικά στατικό ηλεκτρισμό

Παρουσιάζω εδώ μια πρόταση για τη διδασκαλία του στατικού ηλεκτρισμού, που βασίζεται σε δύο πυλώνες:

1. Την ιστορία των Φ.Ε.

2. Την αυστηρά πειραματική διδασκαλία

Καλύπτονται τα βασικά ηλεκτρικά φαινόμενα και οι ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου, μέχρι το νόμο του Coulomb (o οποίος δεν συμπεριλαμβάνεται). Ακολουθώ λίγο ως πολύ την ιστορική εξέλιξη από την αρχαιότητα μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα, περιγράφοντας τις σημαντικότερες παρατηρήσεις και τα αντίστοιχα πειράματα. 

Τα συμπεράσματα αυτών των πρωτοπόρων στη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων, με σύγχρονους όρους επαναδιατυπωμένα, ελέγχονται με πειράματα που γίνονται με τον τρόπο τους (δηλ. με ράβδους φορτισμένες με τριβή ή όργανα που οι ίδιοι χρησιμοποιούσαν π.χ το versorium του Gilbert), αλλά με υλικά καθημερινής χρήσης, (π.χ. σωλήνες PVC και καλαμάκια που τρίβονται με χαρτί ή τσόχα, κ.ά.). 

Θέλοντας να μπορούν οι σχετικές δραστηριότητες να εφαρμόζονται από το Δημοτικό μέχρι και το Λύκειο, απέφυγα οποιαδήποτε αναφορά στη μικροσκοπική ερμηνεία της ηλεκτρικής φόρτισης.

Είναι φανερό ότι για αντικειμενικούς λόγους ποτέ δε θα μπορούσε να διδαχθεί ο στατικός ηλεκτρισμός σε όλη του την έκταση με τον τρόπο που προτείνω. Όμως κάθε διδάσκων θα μπορούσε να επιλέξει ποιες από αυτές τις δραστηριότητες εξυπηρετούν τους διδακτικούς του στόχους ή ταιριάζουν στον τρόπο που διδάσκει, και να τις χρησιμοποιήσει, γνωρίζοντας πως τα αντίστοιχα πειράματα πετυχαίνουν. Εννοείται βέβαια, πως ένα πιστολάκι μαλλιών δε θα πρέπει να λείπει από το εργαστήριο όταν κάνουμε πειράματα στατικού ηλεκτρισμού (θα εκπλαγείτε από τα αποτελέσματα αν πριν από κάθε πείραμα ζεστάνετε για λίγο τα χρησιμοποιούμενα όργανα, ώστε να απομακρύνετε σκόνη και υγρασία).

Κάθε πείραμα που περιγράφεται συνοδεύεται και από το σχετικό βίντεο, αν και η διδασκαλία αποκλειστικά μέσω των βίντεο δεν αποτελεί επιλογή.

Το κείμενο μπορείτε να μεταφορτώσετε από εδώ, 

ενώ τα σχετικά βίντεο είναι προσβάσιμα μέσα από το κείμενο
είτε μέσω των σχετικών QRCodes, 
είτε μέσω link κάνοντας "κλικ" στα εικονίδια των QRCodes.

Μια σειρά επιπλέον ή εναλλακτικών δραστηριοτήτων σχεδιάζεται και ήδη έχει αρχίσει η δοκιμή και η συγγραφή τους, ενώ ελπίζω να έχω την ευκαιρία να ολοκληρώσω το θέμα με μια σειρά δραστηριοτήτων με τη γεννήτρια Van de Graaff.

Βιντεοπείραμα: Παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης

Ακόμη ένα βιντεοπείραμα από τη συνεργασία των ΕΚΦΕ Θεσπρωτίας και Λευκάδας. Μελετάμε την παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης κατά τη περιστροφή ενός ισχυρού μαγνήτη στο κέντρο ενός κυκλικού πλαισίου και την εξάρτηση του πλάτους της παραγόμενης τάσης από τη συχνότητα περιστροφής.

.Το σχετικό φύλλο εργασίας θα το βρείτε εδώ και το βίντεο εδώ.

Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή

 Δύο ακόμη βίντεο στη σειρά του ηλεκτρομαγνητισμού και σε συνεργασία με το ΕΚΦΕ Λευκάδας.  Τα βίντεο αφορούν την ποιοτική μελέτη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Στο πρώτο χρησιμοποιούμε το βολτόμετρο - αμπερόμετρο πολλαπλών κλιμάκων του εργαστηρίου για την επίδειξη του φαινομένου.

Στο δεύτερο εναλλακτικό βίντεο η καταγραφή του επαγωγικού ρεύματος γίνεται με τη βοήθεια του συστήματος συγχρονικής λήψης και απεικόνισης Multilog.

Τα δύο βίντεο μπορείτε να τα βρείτε εδώ και εδώ, και το σχετικό φύλλο εργασίας εδώ.

Είμαστε αγωγοί (ΙΙ) ...

Επανέρχομαι με ένα βίντεο, για επίδειξη της αγωγιμότητας του ανθρώπινου σώματος: Χρειάζονται μόνο μια εννιάβολτη μπαταρία και ένα μπλε LED (εδώ τοποθετημένο σε βάση- πλαστικό καπάκι για αποφυγή του κινδύνου της από λάθος καταστροφής του).

Για την ιστορία η σπουδαιότερη επίδειξη της αγωγιμότητας του ανθρώπινου σώματος κατά το 18ο αιώνα ήταν αυτή του "ιπτάμενου αγοριού" που πρωτοπαρoυσίασε περί το 1730 ο Stephen Gray.

Βιντεοπείραμα: Μαγνητικό πεδίο πηνίου

 Ακόμη ένα βιντεοπείραμα από τη συνεργασία του ΕΚΦΕ Θεσπρωτίας με το ΕΚΦΕ Λευκάδας: Η εξάρτηση από την ένταση του ρεύματος της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο ενός πηνίου με 13 σπείρες σε μήκος 10,5cm.

Η πειραματική διάταξη

Το βίντεο του πειράματος μπορείτε να το βρείτε εδώ.

Το σχετικό φύλλο εργασίας θα το βρείτε εδώ.

Το βιντεοπείραμα είναι διαθέσιμο και στα κανάλια στο Youtube των δύο ΕΚΦΕ (Θεσπρωτίας και Λευκάδας).