Uvod

Objasniti ponašanje tvari uporabom modela čestica jedna je od velikih obrazovnih ideja u prirodoslovnoj edukaciji. Učenici koji započinju srednjoškolsko obrazovanje možda su se već susreli s modelom čestica, no moguće da nisu bili svjesni na koji način vanjski uvjeti mogu utjecati na ponašanje čestica. Micro:bit uređaji mogu se programirati da simuliraju ponašanje čestica i potaknu ispitivanje učinaka različitih agregatnih stanja.

Svemirski kontekst

Materijali uporabljeni u istraživanju svemira izloženi su širokom rasponu utjecaja koji nisu prisutni na Zemlji. Potrebno ih je pažljivo odabrati zbog njihovih svojstava da podnesu ekstremne temperaturne, tlačne i akceleracijske uvjete te da nastave učinkovito funkcionirati. Neki pokusni materijali pokretani su uporabom gorivnog članka. Molekule plina spajaju se da bi se proizveo elektricitet, stvarajući tekućinu u procesu. Tekućina se zatim pretvara ponovno u plin uporabom vanjskog izvora energije poput sunčeva zračenja. Bitno je da „goriva“ uporabljena u tome sustavu ne promijene svoje stanje u čvrsto izlaganjem niskim temperaturama ili ekstremnim tlakovima.

Prethodno znanje

Tvar postoji na Zemlji u trima agregatnim stanjima – čvrstom, tekućem i plinovitom. (Poslije će u školi učenici učiti o plazmama). Mnogi se materijali mogu promijeniti iz jednog u drugo stanje promjenom tlaka ili temperature. Učenici uobičajno smatraju vodu tekućinom ali će također uočiti da se zagrijavanjem može pretvoriti u plin, a hlađenjem u čvrsto tijelo. Ta se svojstva mogu objasniti uporabom modela čestica. Čestice vode (molekule) ne mijenjaju svoje stanje pod utjecajem temperaturnih ekstrema nego se mijenja njihovo ponašanje u odnosu na druge čestice. U čvrstim su tijelima čestice zbijene u krutim mrežama. U tekućinama, čestice su i dalje međusobno povezane ali su slobodne kretati se jedna prema drugoj. U plinovima, pak, nisu vezane i slobodne su kretati se nasumično.

Nakane učenja

• Zapaziti razliku u ponašanju čestica čvrstih tijela, tekućina i plinova.
• Simulirati učinke zagrijavanja i hlađenja na agregatna stanja tvari.
• Napraviti vezu između kretanja čestica i zagrijavanja.

Podešavanjem unosa u Micro:bitov kod, učenici će biti u mogućnosti promijeniti svojstva materijala modeliranog u simulaciji.

Sredstva

• Micro:bit i veza s računalom
• Paketić baterija
• Računalo s pristupom Micro:bitovu mrežnome mjestu za skidanje koda.

Priprema

Kod za ovu aktivnost dostupan je ovdje.

Kada je kod skinut, potrebno ga je sastaviti i prenijeti (LED na poleđini vašeg Micro:bit uređaja bljeskat će tijekom prijenosa, što će vam uzeti nekoliko sekundi). Dodatna je pomoć dostupna ovdje.

Želite li započeti, pritisnite dugme za povratak sustava u početno stanje na poleđini uređaja.

Nastavna aktivnost

Kada se postupak prvi put izvodi na Micro:bit uređaju, LED zaslon simulira skupinu čestica u krutom stanju. Protrese li se uređaj povećat će se „energija“ čestica što će biti pokazano u pojačavanju intenziteta zaslona. Daljnjom trešnjom uređaja na zaslonu se simulira otapanje, a potom i isparavanje do plina dok su čestice naširoko raspršene. Zaslon će se vratiti u simulirano tekuće stanje ako ga prestanete tresti.

Potaknite učenike da promijene zaslon iz tekućeg u plinovito stanje. Raspravite moguća objašnjenja koja se odnose na povezanost kretanja i promjene stanja.

Potaknite učenike da promijene zaslon u čvrsto stanje – za što će im biti potrebno ostaviti ga da se ohladi, odnosno da se toplinska energija prenese natrag u okolinu. Raspravite temu koji materijali postoje na Zemlji u tri različita agregatna stanja, kao i oni koji ne postoje. Neka učenici objasne ponašanje materijala kao što je jod i kruti ugljikov dioksid.

U svemiru su materijali izloženi ekstremnim temperaturama – vrlo niskim temperaturama izvan Zemljine atmosfere, posebice u sjeni ili udaljavanju od Sunca; zatim i vrlo visokim temperaturama ponovnim ulaskom u Zemljinu atmosferu, ili kada se putuje blizu Sunca.

Uređivanjem označenih dijelova Micro:bitova koda, učenici mogu promijeniti točke topljenja i vrelišta kako bi odgovarale različitim materijalima.

To se može iskoristiti i za simuliranje utjecaja svemirskog putovanja na stanja brojnih materijala koji se koriste u svemiru poput vode, kisika, keramike, aluminija.

NASA objavljuje mnoštvo članaka o istraživanju razvoja i uporabe novih materijala. Zadajte učenicima da pišu o uporabi materijala u svemiru, povezujući svoje istraživanje s Micro:bitnim aktivnostima u ovoj lekciji.

Mogućnosti procjenjivanja

Možete procijeniti razumijevanje učenika glede modela čestica čvrstih tijela, tekućina i plinova kroz raspravu i njihovo tumačenje na koji način Micro:bitni postupak predstavlja taj model. Oni bi trebali znati demonstrirati jake i slabe strane uočene u simulaciji.

Učenici bi trebali biti svjesni učinka promjenljivih uvjeta na čvrsta tijela, tekućine i plinove. To se može vrednovati na temelju proširenog pisanja o uporabi raznih materijala koji se koriste u svemirskim letovima. Naložite učenicima da skiciraju grafikon za pokazivanje kretanja čestica pod različitim temperaturama, te da naznače na svojem grafikonu krute, tekuće i plinovite faze.

Daljnji koraci

Nađite točku tališta i vrelišta u širokom rasponu materijala koji se koriste u svemiru. Podesite kod u postupku Micro:bita prema zadanim postavkama za plinove i kruta tijela.

Izvor:

microbit0.blob.core.windows.net