ΚΑΤΣΙΚΟΓΙΩΡΓΟΣ ΤΕΛΙΚΗ 2010

Πρόταση Διδασκαλίας των Νόμων των αερίων

στο Εργαστήριο με τη βοήθεια του Συστήματος

Σύγχρονης Λήψης και Απεικόνισης των

Εργαστηρίων Φυσικών Επιστημών των Ενιαίων

Λυκείων

Διπλωματική Εργασία του

Γεώργιου Κατσικογιώργου

Υπό την επίβλεψη του Αναπληρωτή καθηγητή

Καμαράτου Ματθαίου

Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών

«Νέες Τεχνολογίες και Έρευνα στη διδακτική της

Φυσικής»

Τμήμα Φυσικής

Σχολή Θετικών Επιστημών

Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Ιούλιος 2007

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ........................................................................................................4 1.1 Το πείραμα .....................................................................................................5

1.1.1 Το πείραμα στην επιστήμη ....................................................................5 1.1.2 Η Αλληλεξάρτηση θεωρίας – πειράματος ............................................7 1.1.3 Η καθυστέρηση του πειραματισμού έναντι του θεωρητικού συλλογισμού ..........................................................................................................8 1.1.4 Η επιστημολογία του πειράματος ........................................................9 1.1.5 Η σημασία του πειράματος στη διδασκαλία........................................15 1.1.6 Ο ρόλος του πειράματος, η θέση της συζήτησης στη μαθησιακή διαδικασία ............................................................................................................18 1.1.7 Η διαχρονική ισχύς της πειραματικής διδασκαλίας στην Ελλάδα......20 1.1.8 Η αντιμετώπιση της πειραματικής διδασκαλίας σε άλλες χώρες .......22 1.1.9 Οι απόψεις των εκπαιδευτικών για την πειραματική διδασκαλία .......24

1.2 Οι Νέες Τεχνολογίες στη διδασκαλία της Φυσικής.....................................26 1.2.1 Η τεχνολογία στην υπηρεσία της μάθησης..........................................27 1.2.2 Αλλαγή των μοντέλων διδασκαλίας με την χρήση των ΝΤΕ ..............30 Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας μπορούν να βοηθήσουν τους εκπαιδευτικούς να ανανεώσουν τη μέθοδο διδασκαλίας τους και τους τρόπους μάθησης των μαθητών ...........................................................................32 1.2.3 Η ένταξη των ΝΤΕ στη διδασκαλία των Φ.Ε ......................................33 1.2.4 Η αξία των ΝΤΕ στη διδασκαλία, στη μάθηση και στην ανάπτυξη δεξιοτήτων ...........................................................................................................35 Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας ανταποκρίνονται στις ιδιαίτερες ατομικές ανάγκες και ικανότητες..........................................................36 1.2.5 Προτάσεις για την αποτελεσματικότερη ένταξη των ΝΤΕ στη διδασκαλία ...........................................................................................................37 1.2.6 Τα Συστήματα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης.........................39 1.2.7 Το Σύστημα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης των Εργαστηρίων Φυσικών Επιστημών των Ενιαίων Λυκείων ........................................................41 1.2.8 Η αποδοχή και χρήση του Συστήματος Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης στα Εργαστήρια Φ.Ε των Ενιαίων Λυκείων ..................................41 1.2.9 Οι γενικοί στόχοι..................................................................................44

2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ – ΘΕΩΡΙΑ .......................................................45 2.1 Ιστορική Ανασκόπηση .................................................................................46

2.1.1 Εισαγωγή .............................................................................................46 2.1.2 Πρώιμες έννοιες – Η φύση των αερίων ...............................................47 2.1.3 Η εποχή των πειραμάτων .....................................................................49 2.1.4 Πραγματικά αέρια................................................................................60 2.1.5 Μερικά χαρακτηριστικά του προβλήματος των επιστημονικών αναγνωρίσεων ......................................................................................................64

2.2 Θεωρία .........................................................................................................65 2.2.1 Εισαγωγή .............................................................................................65 2.2.2 Μακροσκοπική και μικροσκοπική μελέτη...........................................66 2.2.3 Θερμοδυναμικό σύστημα – Ισορροπία θερμοδυναμικού συστήματος – Θερμοδυναμικές μεταβλητές ...............................................................................67 2.2.4 Οι καταστατικές μεταβλητές Πίεση, Όγκος, Θερμοκρασία ................69 2.2.5 Οι νόμοι και η καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων ...............83 2.2.6 Πραγματικά Αέρια ...............................................................................89

3 Πειράματα...........................................................................................................92 3.1 Πειράματα επαλήθευσης των νόμων των αερίων........................................93

21/9/2010 - Τμήμα Φυσικής - Σελ. 1

3.1.1 1Ο Πείραμα : Νόμος του Boyle (Ισόθερμη Μεταβολή)......................93 3.1.2 Υλικά: ..................................................................................................94 3.1.3 Η πειραματική διάταξη: .......................................................................95 3.1.4 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας ...............95 3.1.5 Συμπεράσματα ...................................................................................116

3.2 2ο Πείραμα: Ν. Charles (Ισόχωρη μεταβολή)............................................118 3.2.1 Υλικά .................................................................................................119 3.2.2 Η πειραματική διάταξη ......................................................................120 3.2.3 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας .............120 3.2.4 Συμπεράσματα νόμου του Charles P=f(T)........................................131

3.3 3ο Πείραμα: Νομός του Gay – Lussac .......................................................132 3.3.1 Υλικά .................................................................................................133 3.3.2 Η διάταξη ...........................................................................................134 3.3.3 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας .............134 3.3.4 Συμπεράσματα νόμου Gay Lussac V=f(T).......................................146

4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ .........................................................................149 4.1 Εισαγωγή ...................................................................................................150

4.1.1 Η εποικοδομητική προσέγγιση της μάθησης .....................................150 4.1.2 Το πείραμα επίδειξης στη διδασκαλία των Φ.Ε ................................154 Φάση της ανασκόπησης. .................................................................................158

Διδακτικοί στόχοι.....................................................................................................159 4.1.3 Διδασκαλία στο εργαστήριο ..............................................................162

4.2 Εναλλακτικές ιδέες των παιδιών................................................................168 4.2.1 Για τα αέρια .......................................................................................168 4.2.2 Για την πίεση .....................................................................................169 4.2.3 Για τη θερμοκρασία ...........................................................................170

4.3 Η συγκρότηση ομάδων εργασίας στο εργαστήριο.....................................171 Α 174

4.4 Πρόταση Διδασκαλίας της Ισόθερμης μεταβολής με πείραμα επίδειξης ..176 Διδακτικοί στόχοι.....................................................................................................177

4.5 Πρόταση Διδασκαλίας της Ισοβαρούς μεταβολής μέσω πειράματος (Μετωπικό εργαστήριο) ........................................................................................181 ................................................................................................................................185 *3 Υγρό άζωτο και μπαλόνι...................................................................................186

5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ .............................................................................................193 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ................................................................................................193 5.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ – ΘΕΩΡΙΑ..................................................194 5.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ............................................................................................195 5.4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ.....................................................................196


Ευχαριστίες

Φτάνοντας στο τέλος αυτής της προσπάθειας, οφείλω να ευχαριστήσω το τμήμα

Φυσικής που θεσπίζοντας το ΠΜΣ «Νέες Τεχνολογίες και Έρευνα στη διδακτική

της Φυσικής», μας έδωσε τη δυνατότητα αναβάπτισης και επαναπροσανατολισμού

τόσο στην επιστήμη, όσο και στις διδακτικές μεθόδους και τα μέσα διδασκαλίας,

ώστε να μπορούμε να προσφέρουμε περισσότερα στους μαθητές μας αλλά και να

μπορούμε να επικοινωνούμε μαζί τους καλύτερα.

Ιδιαίτερα ευχαριστώ:

Τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας , Αναπληρωτή Καθηγητή κ.

Ματθαίο Καμαράτο για την άψογη συνεργασία μας, για τις πολύ χρήσιμες

παρεμβάσεις του και γιατί με τη όλη στάση του, ήταν πάντα δίπλα μου όταν τον

χρειαζόμουν.

Τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Κώτση Κων/νο, για τις πολύτιμες συμβουλές

του σε ότι έχει να κάνει με το διδακτικό μέρος της παρούσας εργασίας.

Τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Φούλια Στυλιανό για το χρόνο του και τις

παρατηρήσεις του.

Τον υπεύθυνο του εργαστηρίου του 4ου Ενιαίου Λυκείου Άρτας κ. Μιχάλη

Σιαφαρίκα, διότι έθεσε το χώρο και τον εξοπλισμό του εργαστηρίου στη διάθεση μου

για απεριόριστο χρόνο.

Τους συναδέλφους Β. Μανιώτη και Α. Καυκιά για τις χρήσιμες συζητήσεις που

είχα μαζί τους.


1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στη Φυσική, τα πρώτα μαθήματα, δεν πρέπει να περιέχουν τίποτα άλλο παρά πειράματα που προκαλούν το ενδιαφέρον. Ένα πείραμα που ενεργοποιεί τη σκέψη αξίζει περισσότερο απ’ ότι είκοσι τύποι που βγήκαν από το μυαλό μας.


1.1 Το πείραμα

1.1.1 Το πείραμα στην επιστήμη

Από ιστορική άποψη το πείραμα απέκτησε

σημαντική θέση στην εξέλιξη της επιστήμης την

εποχή της επιστημονικής επανάστασης, σύμφωνα με

τους Κόκκοτα Π & Βλάχο Ι1. Ο F.Bacon στο βιβλίο

του Novum Organum (1620) υποστηρίζει ότι η φύση πρέπει να ερμηνευθεί μέσω των

αισθήσεων υποβοηθούμενων με πειράματα.2 Την κατάλληλη γνώση την αποκτάει

κανείς όχι με την παθητική θέαση, αλλά με το πείραμα.

1.1.1 Το πείραμα στην

επιστήμη

Βασικά στοιχεία της διαδικασίας της πραγματικής έρευνας που αναπτύχθηκε

κατά το 17ο αιώνα ήταν η πειραματική μέθοδος, τα ίδια τα πειράματα, τα όργανα, η

στάση του πειραματιστή και οι προσδοκίες του. Η πειραματική μέθοδος περιέγραφε

τι θεωρείτο δυνατό στο εργαστήριο και τι αξία έπρεπε να δοθεί στα αποτελέσματα Τα

όργανα έγιναν απαραίτητο μέρος της ανακάλυψης. Σημείο αναφοράς της ανάπτυξης

της πειραματικής φιλοσοφίας ήταν οι συζητήσεις γύρω από τα όρια της γνώσης

καθώς επίσης και η ισχύς των εμπειριών μέσω των αισθήσεων.3 Το πειραματικό

όργανο είναι ένα είδος επέκτασης των αισθητηρίων του ανθρώπου, είναι όργανο

ενεργητικής διαμεσολάβησης ανάμεσα στον ερευνητή και στη φύση. Με το πείραμα,

που είναι μια στιγμή της γνωστικής διαδικασίας, ο ερευνητής ρωτάει τη φύση και την

αναγκάζει να του απαντήσει.2

Η εξέλιξη της τεχνολογίας είχε σημαντική συμβολή στην ανάπτυξη του

πειραματισμού, αφού κατασκευάστηκαν αρκετά όργανα ακριβείας που βοήθησαν

στην παρατήρηση και τη μέτρηση βάζοντας το ποσοτικό στοιχείο στον πειραματισμό.

Η λεπτότητα των οργάνων είναι πλέον πολύ μεγαλύτερη απ' ότι των ιδίων των

αισθήσεων.

Όμως μπορούμε να εμπιστευόμαστε τις αισθήσεις για την παρατήρηση και την

παραγωγή γνώσης; Τότε όμως προκύπτει ένα άλλο ερώτημα πιο κρίσιμο από το

πρώτο. Μπορούμε να εμπιστευόμαστε τα φαινόμενα που παράγονται επαγωγικά από

όργανα; Ερωτήσεις αυτού του τύπου αγνοήθηκαν συστηματικά από τους

πειραματιστές κατά τη διάρκεια των ερευνών τους. Ο πειραματιστής ποτέ δε θα βγει

έξω από τον κύκλο των αναπαραστάσεων του ώστε να είναι σίγουρος ότι

ανταποκρίνονται στον πραγματικό κόσμο όπως τον παρατηρούμε. Ο έλεγχος κάθε

αναπαράστασης είναι μία νέα αναπαράσταση.


Μέχρι σήμερα δεν άλλαξε τίποτα στις απόψεις μας για τη σημασία του

πειράματος στην παραγωγή της επιστημονικής γνώσης. Το επιστημονικό πείραμα

αποτελεί μοντέλο διαλεκτικής διαμεσολάβησης ανάμεσα στον άνθρωπο και στη φύση

και χρησιμεύει όχι μόνο να επεκτείνουμε με υλικά μέσα τη γνώση μας για τη φύση,

αλλά και για να ελέγξουμε την εγκυρότητα των θεωριών. Σε αυτό τον έλεγχο η

μαρτυρία του πειράματος είναι ουσιαστική στον έλεγχο των υποθέσεων μας. Γιατί

ενώ η παρατήρηση είναι περίπου μια παθητική θέαση των γεγονότων, το πείραμα

αποτελεί ενεργητική παρέμβαση του επιστήμονα στην πορεία των γεγονότων. Το

πείραμα αποτελεί μια μορφή πράξης και γι’ αυτό η σημασία του στην παραγωγή της

γνώσης είναι σημαντική. Όπως είναι γνωστό, η πράξη μετασχηματίζει τη φύση.

Προϋποθέτει γνώση και ταυτόχρονα είναι πηγή γνώσης. Η πράξη θέτει στους

επιστήμονες προβλήματα, για τη λύση των οποίων κατασκευάζουν θεωρίες. Η πράξη

δεν είναι μόνο η βάση της γνώσης, το κίνητρο, αλλά και το κριτήριο της αλήθειας

των γνώσεων μας. Στην πορεία της πρακτικής δράσης τελειοποιούνται τα εργαλεία

εργασίας, η τεχνική, τα μέσα πειραματισμού. Το γεγονός ότι το πείραμα είναι μορφή

πράξης συμβάλλει στην ανάπτυξη της σκέψης, γιατί το μυαλό αναπτύσσεται μέσω

της πράξης.

Από ιστορική άποψη το πείραμα ήταν μια δοκιμή σε μεγάλη κλίμακα. Όμως

από τη στιγμή που χρησιμοποιήθηκε η μέτρηση, όχι μόνο αναπαράγονται οι δοκιμές

με ακρίβεια, αλλά πραγματοποιήθηκε το τολμηρό βήμα της διεξαγωγής τους σε μικρή

κλίμακα. Αυτό το «σε μικρή κλίμακα» ή πρότυπο πείραμα είναι το βασικότερο

χαρακτηριστικό της νεότερης επιστήμης. Γιατί δουλεύοντας σε μικρή κλίμακα

μπορούμε να εκτελέσουμε πολύ περισσότερες δοκιμές και πολύ φτηνά.

Το πείραμα στη διαδικασία παραγωγής της γνώσης έχει πολλές και

διαφορετικές λειτουργίες:

• Δοκιμάζεται η αλήθεια μιας υπόθεσης.

• Δοκιμάζεται συνολικά μια θεωρία

• Αναζητούνται νέα φαινόμενα που προβλέφτηκαν θεωρητικά.

• Δημιουργούνται νέα υλικά, όπως συνέβη π.χ. σε μεγάλη έκταση στη Χημεία.

• Δημιουργούνται νέα αντικείμενα.4

• Μελετώνται αναλογίες και πρότυπα πειράματα.


1.1.2 Η Αλληλεξάρτηση θεωρίας – πειράματος

Από πρώτη άποψη η θεωρία και το

πείραμα φαίνονται ως δύο ανεξάρτητες

πηγές παραγωγής γνώσης στο χώρο των

Φυσικών Επιστημών. Ωστόσο υπάρχει

στενή σχέση αλληλοκαθορισμού. Τα

φυσικά φαινόμενα οριοθετούνται από την ανθρώπινη δραστηριότητα η οποία

περιλαμβάνει το συλλογισμό και τη θεωρητική προσέγγιση, που ναι μεν είναι

απαραίτητα γι' αυτό, αλλά δεν είναι αρκετά.

Για την αναλυτική φιλοσοφία η σχέση θεωρίας - πειράματος είναι μια λογική

σχέση μεταξύ προτάσεων. Το πείραμα είναι το μέσο παραγωγής δηλώσεων μετά από

παρατήρηση που έχουν μια λογική σχέση με τις προτάσεις που προκύπτουν από τη

θεωρία. Επιπλέον ο πειραματισμός είναι μια σκόπιμη και λογική δραστηριότητα που

με την εσωτερική συζήτηση παίρνει τη μορφή μιας λογικής σειράς προτάσεων.5 Ο

επιστήμονας που ασχολείται με τον πειραματισμό μετακινείται από το πρακτικό

πλαίσιο της προσωπικής εμπειρίας σε μια γενική συζήτηση όπου οι αμφισβητήσεις οι

γενικεύσεις και η κριτική είναι πολύ πιθανά πράγματα.

Πώς όμως οι παρατηρήσεις κάνουν αυτή τη μετακίνηση; Για να απαντήσει

κανείς σε αυτό το ερώτημα πρέπει να ξεφύγει από το πλαίσιο του επεξηγηματικού και

της δηλωτικής γνώσης και να κινηθεί στα όρια του παρατηρήσιμου όπου η

πειραματική πράξη παίζει τον σπουδαιότερο ρόλο και όπου θεωρούνται σημαντικές

οι διαδικασίες πραγματοποίησης της και επικοινωνίας της με τη θεωρία. Οι νοητικές

διαδικασίες και οι χειρισμοί των υλικών συμπληρώνουν το ένα το άλλο. Το μέσο με

το οποίο οι πειραματιστές εποικοδομούν τις αναπαραστάσεις και η συζήτηση που

μεταφέρει τη νέα εμπειρία αγκαλιάζει και τα δύο. Έτσι το πείραμα αναδύεται ως μια

πρακτική μορφή της συζήτησης και αυτό συνεπάγεται μια διαφορετική αντίληψη για

τη θεωρία.

Ωστόσο υπάρχει μια πολύπλοκη σχέση ανατροφοδότησης μεταξύ της

θεωρητικής εξήγησης και της πειραματικής παρατήρησης. Αλλά το πείραμα δεν είναι

ανεξάρτητο από τη θεωρία. Το γεγονός ότι τα περισσότερα πειράματα είναι ποσοτικά

δείχνει ακριβώς αυτή την εξάρτηση αφού τις περισσότερες φορές η θεωρία είναι αυτή

που καθορίζει γιατί μας ενδιαφέρουν οι ποσότητες. Επιπλέον τα πειράματα αυτά δεν

αποτελούν το μέσο δια του οποίου ελέγχεται η ορθότητα μιας θεωρίας.

1.1.2 Η Αλληλεξάρτηση

θεωρίας - πειράματος


Η κατανόηση των βημάτων που ακολούθησε η επιστημονική σκέψη έως ότου

φτάσει στη διατύπωση των επιστημονικών θεωριών όπως ισχύουν μέχρι σήμερα

βασίζεται - κατά ένα μεγάλο μέρος - στην κατανόηση, γνώση και αξιοποίηση των

κανόνων της λειτουργίας του πειράματος. Ως εκ τούτου η εκπαίδευση στις Φυσικές

Επιστήμες οφείλει να περιλαμβάνει την επαφή και εξάσκηση των μαθητών στην

πειραματική μεθοδολογία. Τα πειράματα είναι ένα οργανικό και αναπόσπαστο μέρος

του μαθήματος της Φυσικής και ένα πολύ ισχυρό εκπαιδευτικό εργαλείο στα χέρια

κατάλληλα εκπαιδευμένων δασκάλων.

1.1.3 Η καθυστέρηση του πειραματισμού έναντι του θεωρητικού συλλογισμού

Θα μπορούσε κανείς να

διερωτηθεί για ποιους λόγους η

πειραματική μελέτη της φύσης

καθυστέρησε τόσο πολύ να

αναπτυχθεί, γράφουν οι Κόκκοτας

Π & Βλάχος Ι1.

1.1.3 Η καθυστέρηση του

πειραματισμού έναντι του

θεωρητικού συλλογισμού

Όπως είπαμε, η πειραματική μελέτη της φύσης άρχισε συστηματικά κατά την εποχή

της επιστημονικής επανάστασης, που ήταν συνάρτηση της βιομηχανικής

επανάστασης. Ωστόσο, κατά τον Piaget, η καθυστέρηση της ανάπτυξης του

πειραματισμού έναντι του παραγωγικού συλλογισμού οφείλεται στις αντικειμενικές

δυσκολίες, τις οποίες εντοπίζει σε τρεις κυρίως λόγους.

Πρώτα γιατί το πνεύμα έχει από τη φύση του την κλίση να συλλαμβάνει

εποπτικά το πραγματικό και να συμπεραίνει όχι όμως και να πειραματίζεται, γιατί ο

πειραματισμός δεν είναι ελεύθερη ή τουλάχιστον αυθόρμητη και άμεση κατασκευή

του νου, όπως ο παραγωγικός συλλογισμός, αλλά προϋποθέτει την υποταγή σε

εξωτερικές απαιτήσεις που επιβάλλουν πολύ μεγαλύτερη εργασία εφαρμογών.

Ο δεύτερος λόγος που προεκτείνει και εξηγεί τον προηγούμενο είναι πως στο

πεδίο του παραγωγικού συλλογισμού οι πιο στοιχειώδεις ή οι πιο πρωτόγονες

ενέργειες είναι ταυτόχρονα και οι πιο απλές. Στο πεδίο των πειραμάτων, αντίθετα, το

άμεσο δεδομένο είναι πολύ περίπλοκο και το προκαταρκτικό πρόβλημα είναι πάντα ο

διαχωρισμός των παραγόντων μέσα από τούτο το μπέρδεμα.

Ο τρίτος λόγος, που εξηγεί την καθυστέρηση του πειραματισμού απέναντι στην

παραγωγική μέθοδο, έχει ακόμα πιο βασική σημασία, γιατί η λεγόμενη «ανάγνωση»

του πειράματος δεν είναι ποτέ απλή ανάγνωση, αλλά προϋποθέτει μια δράση πάνω


στο πραγματικό, αφού πρέπει να διαχωριστούν οι παράγοντες και συνεπάγεται μια

λογική ή μαθηματική δόμηση. Με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να πετύχουμε το

πειραματικό αποτέλεσμα χωρίς κάποιο Λογικομαθηματικό πλαίσιο και είναι

επομένως σωστό ότι πρέπει να διαθέτουμε πρώτα ορισμένα πλαίσια παραγωγικής

μεθόδου για να μπορούμε να πειραματιστούμε (Piaget, 1972).

Τέλος, ακόμα και στη σύγχρονη εποχή η αλληλεπίδραση μεταξύ οργάνων,

πειραμάτων και της ανάπτυξης των επιστημονικών εννοιών είναι υπερβολικά

δύσκολη. Για να τις μελετήσει κανείς έχει ανάγκη από μια ποικιλία προσεγγίσεων

από απλές λεπτομερείς περιπτώσεις που έμειναν ιστορικές έως τις κοινωνιολογικές

αναλύσεις του πειραματισμού ως μιας ομαδικής δραστηριότητας.

1.1.4 Η επιστημολογία του πειράματος Οι θεωρίες και τα πειράματα,

οι ιδέες και τα δεδομένα,

εξαρτώνται το ένα από το άλλο.

Επειδή αυτές οι αλληλεξαρτήσεις

είναι πολύ περίπλοκες οι θεωρητικοί δίνουν έμφαση σε διαφορετικές πλευρές αυτών

των παραγόντων.

Ίσως αυτή είναι η αιτία που υπάρχουν πολλές θεωρίες κατά το μάλλον ή ήττον

διαφορετικές μεταξύ τους οι οποίες προσπαθούν να ερμηνεύσουν το ρόλο του

πειράματος στις Φυσικές Επιστήμες. Μπορεί κανείς να διακρίνει τα εξής κύρια

ρεύματα:

Επαγωγισμός Η χρήση της παρατήρησης και του πειράματος φαίνεται ότι οριοθετούν την

επιστημονική προσέγγιση στην έρευνα της φύσης από το θρησκευτικό ή μαγικό

τρόπο ερμηνείας του κόσμου. Ξεκινώντας από αυτό μερικοί φιλόσοφοι της επιστήμης

υποστηρίζουν ότι οι νόμοι και οι θεωρίες παράγονται στη σκέψη των επιστημόνων

κατά μια διαδικασία που αρχίζει με τα δεδομένα που ανακάλυψαν οι πειραματιστές.

Αυτά τα δεδομένα παρακινούν τους ερευνητές να δοκιμάσουν μια υπόθεση.

1.1.4 Η επιστημολογία του

πειράματος

Η διαδικασία της ανακάλυψης φαίνεται ότι ξεκινάει από τον κόσμο των πραγμάτων

και των συμβάντων, όπως αυτά αποκαλύπτονται με το πείραμα και περνάει στον

κόσμο των πίστεων και των θεωριών. Ο τεχνικός όρος που χρησιμοποιείται για αυτό

το υποτιθέμενο πέρασμα από τα δεδομένα στις θεωρίες και τους νόμους είναι η

επαγωγή (induction), Έτσι υποστηρίζεται (Harre, 1981)6 ό,τι οι επιστήμονες φθάνουν

στους νόμους και τις θεωρίες από τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους τα οποία


ελέγχουν με άλλα πειράματα. Οι παρατηρήσεις και τα αποτελέσματα των πειραμάτων

αποτελούν τα δεδομένα (data) τα οποία παρέχουν μια στέρεη βάση για την ανέγερση

του εύθραυστου οικοδομήματος της επιστημονικής σκέψης. Οι υποστηρικτές της

επαγωγικής ανακάλυψης της γνώσης θεωρούσαν τους νόμους της φύσης ως

γενίκευση των δεδομένων και της συσσώρευσης δεδομένων ως υποστηρικτικό

στοιχείο αυτών των νόμων. Πολλοί απορρίπτουν την επαγωγική μέθοδο ως μέθοδο

ανακάλυψης των νόμων της φύσης. Ο R.Harre υποστηρίζει (Harre 1981)6 ότι

υπάρχουν δύο λόγοι για τους οποίους πρέπει να απορριφθεί η επαγωγική μέθοδος.

Πρώτον, οι νόμοι και οι θεωρίες κατά διαφόρους τρόπους προχωρούν πέρα από τα

αποτελέσματα των πειραμάτων. Τα πειράματα γίνονται εδώ και τώρα ακριβώς μόνο

με μερικά δείγματα. Οι νόμοι υποτίθεται ότι ισχύουν παντού και σε όλες τις εποχές

και για όλα τα δείγματα και τις ουσίες. Η πειραματική βάση είναι πολύ αδύνατη να

στηρίζει μια τόσο εκτεταμένη προοπτική, Δεν μπορεί να είμαστε σίγουροι ότι στο

παρελθόν ή στο μέλλον και σε απομονωμένες περιοχές κάποια πειράματα δε θα

έδιναν διαφορετικά αποτελέσματα από εκείνα πάνω στα οποία στηρίζαμε τους

νόμους και τις θεωρίες μας. Στην περίπτωση αυτή και οι νόμοι της φύσης θα

φαινόταν ότι είναι διαφορετικοί. Οι νόμοι και οι θεωρίες προχωρούν πέρα από τις

εμπειρίες επεκτείνοντας μια θεωρία, οι επιστήμονες ομιλούν για κρυμμένες

διαδικασίες που παράγουν παρατηρήσιμα αποτελέσματα.

Για παράδειγμα το φάσμα των ρινισμάτων σιδήρου που σχηματίζεται γύρω από ένα

μαγνήτη είναι ορατό.

Δεν είναι όμως ορατό το μαγνητικό πεδίο που όπως υποστηρίζει η θεωρία

υποχρεώνει τα ρινίσματα του σιδήρου να συμπεριφέρονται κατ’ αυτό το

χαρακτηριστικό τρόπο.

Πώς είναι δυνατόν πειράματα σε παρατηρήσιμες ιδιότητες των υλικών σωμάτων να

παρέχουν τη βάση για τους νόμους της συμπεριφοράς των πραγμάτων και των

διαδικασιών που ποτέ δεν μπορεί να παρατηρηθούν (Harre 1972).7 Ωστόσο υπάρχει

και δεύτερος σοβαρός λόγος για τον οποίο πρέπει να θεωρηθεί λανθασμένη η

επαγωγική λογική, δηλαδή ότι από τα πειραματικά δεδομένα μπορεί κάποιος να

καταλήξει σε νόμους και θεωρίες.

Ας υποθέσουμε ότι ένας πειραματιστής συλλέγει μια σειρά πειραματικών δεδομένων.

Καταρχήν δεν υπάρχει ακριβώς μια θεωρία που ερμηνεύει αυτά τα πειραματικά

δεδομένα , αλλά υπάρχουν πάρα πολλές από τις οποίες μπορούν να εξαχθούν σωστά

συμπεράσματα για αυτά. Λογικά δεν πειράζει αν κάποιες θεωρίες είναι σωστές ή


λανθασμένες αρκεί να ερμηνεύουν τα πειραματικά δεδομένα. Κατά συνέπεια μόνη η

ερμηνεία κάποιων πειραματικών δεδομένων δεν οδηγεί στην αποδοχή των θεωριών.

Για τη λογική βάση της επαγωγής υπάρχουν πολλές αντιρρήσεις. Είναι δύσκολο να

καταλήξει κανείς σε γενικεύσεις ξεκινώντας από απλές παρατηρήσεις όσο μεγάλος

και αν είναι ο αριθμός τους.

Όπως γράφει ο Popper, άσχετα από το πόσο πολλούς λευκούς κύκνους

μετρήσαμε αυτό δεν δικαιολογεί το συμπέρασμα ότι όλοι οι κύκνοι είναι λευκοί.

Αυτός, απορρίπτοντας την επαγωγική μέθοδο, θεωρεί ότι η δυνατότητα επαλήθευσης

δεν αποτελεί κριτήριο ελέγχου των επιστημονικών προτάσεων. Δεν μπορούμε λέει

από ατομικές προτάσεις να καταλήξουμε σε καθολικές. Η επαγωγή, δηλαδή η

εξαγωγή συμπερασμάτων, που βασίζονται σε πολλές παρατηρήσεις, είναι ένας μύθος.

Δεν είναι ούτε ψυχολογικό γεγονός ούτε γεγονός της καθημερινής ζωής ούτε ένα

γεγονός επιστημονικής διαδικασίας. Κατά τον Popper, η επαγωγική μέθοδος κάνει τις

θεωρίες μάλλον πιθανές παρά βέβαιες. Κατά τον Medawar, υπάρχουν τρεις λόγοι που

η επαγωγική μέθοδος σαν μέθοδος ανακάλυψης επιστημονικών αληθειών πρέπει να

απορριφθεί.

Πρώτος και βασικός λόγος είναι η αρχή της μεθόδου. Η έννοια «απλή

παρατήρηση» έχει και φυσιολογική διάσταση, γιατί δεν μπορεί να νοηθεί χωρίς

κάποια προκατάληψη. Κάθε πράξη παρατήρησης είναι σχεδιασμένη και δεν είναι

τυχαία. Ότι βλέπουμε ή αισθανόμαστε είναι συνάρτηση αυτού που έχουμε δει ή

αισθανθεί στο παρελθόν.

Ο δεύτερος λόγος είναι ότι η επιστημονική ανακάλυψη ή η γέννηση επιστημονικών

ιδεών, από το ένα μέρος, και η επίδειξη ή απόδειξη από το άλλο, είναι δυο

διαφορετικές ενέργειες. Ο J.S.Mill υποστηρίζει ότι η επαγωγή είναι η πράξη της

ανακάλυψης και απόδειξης γενικών προτάσεων σαν μια ενέργεια του μυαλού να

έκανε και τις δύο. Στην πραγματικότητα όμως πρόκειται για δύο πλήρως

διαχωρισμένες ενέργειες του νου.

Ο τρίτος και κυριότερος λόγος είναι το γεγονός ότι δεν είναι λογικά δυνατό να

καταλήξει κανείς με βεβαιότητα σε οποιαδήποτε γενίκευση που να περιέχει

περισσότερες πληροφορίες από το άθροισμα των αρχικών δηλώσεων πάνω στις

οποίες αυτή η γενίκευση θεμελιώθηκε. Δεν μπορεί μια μόνη ενέργεια του μυαλού να

οδηγήσει στην ανακάλυψη νέων πληροφοριών. Θα παραβίαζε ένα νόμο τόσο

θεμελιώδη, σαν αυτόν της διατήρησης της ύλης, το νόμο της διατήρησης των

πληροφοριών.


Κατά τον Medawar, η επιστημονική ανακάλυψη δεν μπορεί να στηρίζεται στην

επαγωγική μέθοδο, δηλαδή σε μια λογικά μηχανιστική διαδικασία σκέψης, η οποία

ξεκινώντας από απλές δηλώσεις γεγονότων που προκύπτουν από αποδείξεις που

στηρίζονται στις αισθήσεις μπορεί δήθεν να μας οδηγήσει με βεβαιότητα στην

αλήθεια των γενικών νόμων (Κόκκοτας, 1989)4.

Η Διάψευση (Fallibism)

Έχει υποστηριχθεί κατά καιρούς ότι ένα πείραμα που αποτυγχάνει να επαληθεύσει

μια θεωρία είναι ίσως χρησιμότερο από κάποιο άλλο που επιβεβαιώνει μια υπόθεση.

Γιατί στη δεύτερη περίπτωση η υπόθεση από την οποία δοκίμασε πρέπει να

απορριφθεί. Κατά τον Popper δεν πρέπει να σκεφτόμαστε ότι οι έρευνες παρέχουν

δεδομένα που οδηγούν οπωσδήποτε σε νόμους και θεωρίες. Αντίθετα πρέπει να

σκεφτόμαστε ότι τα πειραματικά αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις ως μέσα

ελέγχου για την απόδειξη νόμων ή θεωριών είναι μόνο εικασίες, Σύμφωνα με τη

θεωρία της διάψευσης οι θεωρητικοί της επιστήμης συζητούν για την πιθανότητα της

ορθότητας των νόμων και των θεωριών (και όχι τη βεβαιότητα) και με βάση αυτό

βγάζουν τα λογικά τους συμπεράσματα. Αν μια πρόβλεψη επιβεβαιωθεί δε σημαίνει

κατ' ανάγκη ότι η αντίστοιχη θεωρία είναι σωστή. Είναι δυνατό να είναι λανθασμένη.

Αλλά αν η πρόβλεψη είναι λανθασμένη και γνωρίζουμε τις συνθήκες κάτω από τις

οποίες εφαρμόστηκε ο νόμος ή η θεωρία, τότε αυτός ο νόμος ή η θεωρία πρέπει να

είναι λανθασμένη. Θα μπορούσε να υποστηρίξει κανείς ότι και το κριτήριο της

διάψευσης δεν είναι ασφαλές. Πώς είναι δυνατό ένας επιστήμονας να απορρίπτει ή να

αποδέχεται ένα νόμο ή μια θεωρία στηριζόμενος μόνο σε πειραματικά δεδομένα;

Σίγουρα το κάνει γιατί θεωρεί ότι τα πειράματα που ισχύουν εδώ και τώρα θα

ισχύουν παντού και στο μέλλον. Αυτό όμως δεν μπορεί κανείς να το εγγυηθεί.

Επιπλέον, υπάρχει και άλλο ένα πρόβλημα με τη διάψευση των νόμων ή των

θεωριών. Από μόνοι τους οι νόμοι δεν έχουν πειραματικά ελεγμένες συνέπειες. Για

να γίνει μια πρόβλεψη με βάση κάποιο νόμο απαιτούνται και κάποιες άλλες

βοηθητικές υποθέσεις οι οποίες περιλαμβάνουν και αυτές που έχουν σχέση με το

σχεδιασμό και την λειτουργία των οργάνων (R.Harre 1972)7.

Συμβατισμός (conventionalism)1 Τόσο ο επαγωγισμός όσο και η διάψευση υποθέτουν ότι οι νόμοι της φύσης

είναι εμπειρικές προτάσεις που μπορεί να είναι είτε σωστές είτε λανθασμένες. Η


κρίσιμη ερώτηση (Harre, 1981)6 δεν είναι αν οι νόμοι είναι σωστοί ή λανθασμένοι,

αλλά κάτω από ποιες προϋποθέσεις αυτοί παρέχουν την πιο οικονομική, αποδοτική

και διαφωτιστική περιγραφή της πραγματικότητας. Mε αυτή την έννοια τα πειράματα

δεν παρέχουν δεδομένα από τα οποία θα εξαχθούν επαγωγικά οι νόμοι ούτε

λειτουργούν ως τεστ αναζήτησης της αλήθειας ή διάψευσης των υποθέσεων. R.Harre

(1972)7.

Ο ρόλος του πειράματος είναι διαφωτιστικός. Επιτρέπει στον επιστήμονα να

δείξει την ισχύ της θεωρίας του, όχι ως μια συλλογή αληθειών, αλλά ως μια δέσμη

ιδεών. Η επιτυχία ενός πειράματος σημαίνει απλώς ότι ο τρόπος περιγραφής του

κόσμου μέσω της συγκεκριμένης θεωρίας αποδεικνύεται χρήσιμος. .

Όταν το πείραμα αποτυγχάνει αυτό δείχνει ότι οι θεωρητική πρόταση ήταν

ανεπαρκής.

Το Παραγωγικό μοντέλο (deductive model)1

Ο πειραματισμός με τη σύγχρονη έννοια είναι κριτική, είναι μια πράξη που

γίνεται με απώτερο σκοπό να ελέγξουμε μια υπόθεση και δεν έχει την παλιά έννοια

που του έδινε ο Bacon, όπου ένα πείραμα ήταν μια επινοητική εμπειρία, που στόχευε

να μεγεθύνει τις γνώσεις μας. Στο παραγωγικό μοντέλο ανάπτυξης της επιστημονικής

γνώσης σημαντικό ρόλο παίζει ο έλεγχος των υποθέσεων με τη βοήθεια του

πειράματος. Ο επιστήμονας στηριζόμενος σε κάποια θεωρία σχηματίζει μια υπόθεση,

της οποίας αναζητεί τη διάψευση. Αν θελήσουμε να προχωρήσουμε σε μια, βήμα

προς βήμα, τέτοια προσέγγιση θα λέγαμε ότι:

Ο επιστήμονας σχηματίζει μια υπόθεση Υ1 από μια θεωρία έστω Θ1.

Η Υπόθεση Υ1 πρέπει να ελεγχθεί πειραματικά. Για το σκοπό αυτό σχεδιάζει

ένα υποθετικό πείραμα ΠΥ και προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχουν

τα πειραματικά ευρήματα ώστε να επαληθεύεται η υπόθεση. Στη συνέχεια σχεδιάζει

την πειραματική διάταξη και προσπαθεί να πραγματοποιήσει το πείραμα με το οποίο

θα ελέγξει την υπόθεση που έχει κάνει. Αν τα πειραματικά αποτελέσματα ΠΙ, Π2, Π3

ταυτίζονται με τα αποτελέσματα του υποθετικού πειράματος ΠΥ που επαληθεύει τη

θεωρία του, αν ΠΥ = Π1 = Π2 = - Πν. Δηλαδή αν τα πειραματικά ευρήματα

συμφωνούν με τα αποτελέσματα του υποθετικού πειράματος ΠΥ που επαληθεύουν

την υπόθεση Υ1 με την οποία ελέγχεται η ορθότητα της θεωρίας ΘΙ, τότε η θεωρία

Θ1 είναι αποδεκτή.


Παρόλο που οι φιλόσοφοι των Φ.Ε. και οι Φυσικοί Επιστήμονες συμφωνούν ότι

οι Φ.Ε. βασίζονται στην παρατήρηση και το πείραμα μέχρι σήμερα έχει δοθεί λίγη

προσοχή στην ερώτηση πώς πιστεύουμε λογικά σε ένα πειραματικό αποτέλεσμα ή με

άλλα λόγια στο πρόβλημα της επιστημολογίας του πειράματος.

Πώς ξεχωρίζουμε ένα γνήσιο αποτέλεσμα από ένα αποτέλεσμα που είναι

δημιούργημα της πειραματικής συσκευής; Franklin, A (1989)8.

Υποστηρίζεται (Right or wrong) ότι υπάρχει μια επιστημολογία του πειράματος

που συνίσταται σε μια δέσμη στρατηγικών οι οποίες παρέχουν μια εύλογη πίστη στην

αξιοπιστία ενός πειραματικού αποτελέσματος. Οι στρατηγικές αυτές μπορούν να

διακρίνουν μια αξιόπιστη παρατήρηση ή μέτρηση από ένα τεχνητό αποτέλεσμα

(artifact).που δημιουργεί η πειραματική συσκευή και περιλαμβάνουν τα εξής:

1. Πειραματικούς ελέγχους και βαθμονόμηση κατά τα οποία η συσκευή παράγει

γνωστά φαινόμενα.

2. Την αναπαραγωγή τεχνητών αποτελεσμάτων (artifacts) που είναι

προκαταβολικώς γνωστή η ύπαρξη τους.

3. Παρεμβάσεις με τις οποίες ο πειραματιστής επηρεάζει το υπό παρατήρηση

αντικείμενο.

4. Ανεξάρτητη επιβεβαίωση του φαινομένου με τη χρήση διαφορετικών

πειραμάτων.

5. Τον περιορισμό των πιθανών πηγών λάθους και εναλλακτικές ερμηνείες των

αποτελεσμάτων.

6. Τη χρησιμοποίηση των ίδιων των αποτελεσμάτων για την υπεράσπιση της

ισχύος τους.

7. Τη χρησιμοποίηση μιας ανεξάρτητα καλά τεκμηριωμένης θεωρίας των

φαινομένων για την εξήγηση τους

8. Τη χρησιμοποίηση πειραματικής συσκευής, η λειτουργία της οποίας

στηρίζεται σε καλά τεκμηριωμένη θεωρία. Ο Hacking υποστηρίζει (Hacking, J.,

1983)9 ότι στα περισσότερα σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούνται πολύπλοκες

συσκευές με αποτέλεσμα τα αποτελέσματα να είναι επιβαρυμένα με τη θεωρία της

πειραματικής συσκευής.

9. Τη χρήση στατιστικών δεδομένων για την υπεράσπιση της

επιχειρηματολογίας.

Η σπουδαιότερη και ευρέως χρησιμοποιούμενη στρατηγική είναι αυτή των

πειραματικών ελέγχων και της βαθμονόμησης. Ο πειραματιστής ελέγχει αν η


πειραματική συσκευή μπορεί να αναπαράγει γνωστά αποτελέσματα. Παραδείγματος

χάριν αν ο πειραματιστής θέλει να μελετήσει το φάσμα που δίνει μια ουσία πρώτα

πρέπει να ελέγξει αν το φασματοσκόπιο που χρησιμοποιεί είναι αξιόπιστο. Δηλαδή αν

αυτό αναπαράγει, για παράδειγμα, τη σειρά Bulomer στο φάσμα του υδρογόνου. Αν η

σειρά αυτή αναπαράγεται σωστά από το συγκεκριμένο φασματοσκόπιο τότε η πίστη

του για την ορθότητα του φάσματος που παρατηρεί ενισχύεται. Οι τρεις πρώτες

στρατηγικές είναι απλές περιπτώσεις ελέγχου της υπόθεσης ότι η πειραματική

συσκευή λειτουργεί καλά. Γενικώς η παρατήρηση της απόδειξης που επιβάλλεται από

μια υπόθεση ενδυναμώνει την πίστη μας στην απόδειξη. Οι παραπάνω στρατηγικές

μπορούν να ενσωματωθούν στη φιλοσοφία των Φυσικών Επιστημών. Οι ερευνητές

χρησιμοποιούν τις στρατηγικές αυτές στην προσπάθεια τους να γνωρίσουν τη φύση.

1.1.5 Η σημασία του πειράματος στη διδασκαλία

Η σπουδαιότητα του

πειράματος στη διδακτική πράξη

είχε αναγνωριστεί από πολύ παλιά.

Ο Edgeworths στο βιβλίο του

Essays on Practical Education, Johnson, London 1811, υποστηρίζει ότι οι μαθητές

νιώθουν μεγάλη ικανοποίηση όταν αποκτούν πειραματικά τη γνώση και ότι τα

πειράματα ταιριάζουν υπερβολικά στις ικανότητες τους. Δεν αγαπούν μόνο να

βλέπουν, αλλά και να κάνουν πειράματα1.

Σύμφωνα με τη Διδακτική της Φυσικής, τα πειράματα της Φυσικής - μεταξύ

άλλων -βοηθούν τους μαθητές10:

• Να κατακτήσουν τις απαραίτητες εμπειρίες για τη μελέτη των φαινομένων

της Φυσικής.

Οι μαθητές όταν ασχολούνται με τη μελέτη και την υλοποίηση των πειραμάτων

Φυσικής, αλληλεπιδρούν («συνομιλούν») με τα συγκεκριμένα φαινόμενα στα οποία

αναφέρονται αυτά τα πειράματα. Έτσι, αποκτούν τις κατάλληλες εμπειρίες, με τις

οποίες εμπλουτίζουν τις προσλαμβάνουσες «παραστάσεις» που έχουν για τον κόσμο.

Αυτές οι εμπειρίες θα αποτελέσουν τη βάση για μια πιο διεξοδική μελέτη αυτών των

φαινόμενων,

• Να προσεγγίσουν «σε βάθος» τις έννοιες της Φυσικής.

1.1.5 Η σημασία του πειράματος στη

διδασκαλία


Οι μαθητές, όταν συμμετέχουν στη διαδικασία σχεδιασμού μιας πειραματικής

διάταξης για τη διερεύνηση ενός φαινομένου, υποχρεώνονται να μεταβάλλουν κάποια

μεγέθη, να κρατήσουν σταθερά κάποια άλλα, και γενικά να μελετήσουν τις

παραμέτρους που υπεισέρχονται σε αυτό το φαινόμενο. Μια τέτοια ελεγχόμενη

θεώρηση ενός φαινόμενου τους διευκολύνει να τροποποιήσουν ή να οικοδομήσουν εκ

νέου τις αντιλήψεις τους για τις έννοιες της Φυσικής προς μια πιο επιστημονική -

ανάλογα με την ηλικία τους - θεώρηση των εννοιών αυτών.11 Ταυτόχρονα, τα

πειράματα Φυσικής συντελούν στην οικοδόμηση από αυτούς ενός στερεού

εννοιολογικού πλαισίου στο οποίο θα ενσωματώνονται αργότερα και νέες έννοιες

Φυσικής.

• Να βελτιώσουν τις δεξιότητες τους της παρατήρησης και της μελέτης των

φυσικών φαινόμενων.

Τα πειράματα της Φυσικής, όταν προγραμματίζονται με σαφείς εκπαιδευτικούς

στόχους από το διδάσκοντα, και υλοποιούνται από τους μαθητές συντελούν στην

άσκηση δεξιοτήτων, όπως η διατύπωση ερωτημάτων που παραπέμπουν σε

επιστημονικό τρόπο προσέγγισης του φυσικού κόσμου, ο σχεδιασμός κατάλληλων

πειραματικών διατάξεων για τη διερεύνηση φυσικών φαινομένων, η συνειδητοποίηση

της σημασίας αξιόπιστων μετρήσεων κατά τη διαδικασία του ελέγχου μιας υπόθεσης,

κ.λπ.

• Να διερευνούν και να επιλύουν καθημερινά προβλήματα.

Τα πειράματα Φυσικής ασκούν συστηματικά τους μαθητές στην εφαρμογή

επιστημονικής μεθοδολογίας κατά τη διερεύνηση προβλημάτων που αφορούν φυσικά

φαινόμενα. Έτσι αυτοί αναπτύσσουν ως στάση ζωής την άσκηση της επιστημονικής

μεθοδολογίας και σε άλλες καταστάσεις έξω από τη σχολική αίθουσα και πέρα από

τα προβλήματα που συναντούν σε αυτήν. Κατ’ αυτόν τον τρόπο συνηθίζουν να

εφαρμόζουν τις δεξιότητες που είναι απαραίτητες στην άσκηση της επιστημονικής

μεθοδολογίας για την επίλυση προβλημάτων της καθημερινής τους ζωής. Τέτοιοι

μαθητές εξελίσσονται σε πολίτες που αντιμετωπίζουν ενεργά τα καθημερινά

προβλήματα, αντί να υιοθετούν παθητικά προκαθορισμένες από άλλους λύσεις.

• Να αναπτύξουν κοινωνικές δεξιότητες συνεργασίας και επικοινωνίας.

Οι μαθητές, κατά το σχεδιασμό και την εκτέλεση των πειραμάτων Φυσικής,

εργάζονται σε ομάδες. Έτσι κατανοούν τη σημασία της συνεργασίας και της

επικοινωνίας μεταξύ των μελών μιας ομάδας για την εκτέλεση ενός στόχου.


Θα πρέπει ίσως να τονιστεί εδώ ότι η ιδιαίτερη εκπαιδευτική αξία των

πειραμάτων Φυσικής έγκειται κύρια στους νοητικούς χειρισμούς των εννοιών της

Φυσικής που πρέπει να κάνουν οι ίδιοι οι μαθητές όταν σχεδιάζουν ένα πείραμα, όταν

ελέγχουν μια υπόθεση ή όταν εκτελούν αξιόπιστες μετρήσεις.

Η σύγχρονη ψυχολογία υποστηρίζει ότι για την παραγωγή της γνώσης είναι

απαραίτητη η αλληλεπίδραση μεταξύ τής δραστηριότητας και της σκέψης του

ατόμου. Έτσι, ούτε ο απλός εμπειρισμός αλλά ούτε και ο απλός ρασιοναλισμός είναι

σε θέση να δώσουν αληθινή γνώση. Αν η γνώση παράγεται από τις πράξεις του

δρώντος ατόμου, τότε ο ρόλος του πειράματος είναι ουσιαστικός στη γνωστική

διαδικασία.

Το πείραμα λόγω των σκοπών που υπηρετεί είναι τελείως απαραίτητο,

ανεξάρτητα από την ηλικία των μαθητών γιατί, εκτός από την κατανόηση της

θεωρίας, συμβάλλει και στην ανάπτυξη τεχνικών δεξιοτήτων που είναι απαραίτητες

στο σύγχρονο άνθρωπο. Τέτοιες δεξιότητες είναι η σωστή χρήση συσκευών, η

κατανόηση και εκτέλεση οδηγιών, ειδικές δεξιότητες των χεριών κτλ. Ο μαθητής

ξεχνάει γρήγορα αυτά που ακούει, ενώ τα θυμάται όταν είναι αποτελέσματα

πειραματικών διαδικασιών. Εκτελώντας πειράματα είναι υποχρεωμένος να εργαστεί

μόνος του, να κάνει υποθέσεις, να επιλέξει τα μέσα που θα χρησιμοποιήσει, να

παρατηρήσει προσεκτικά, να κάνει μετρήσεις, να εφαρμόσει τρόπους, να καταλήξει

σε συμπεράσματα τα οποία και να επαληθεύσει. Με τον τρόπο αυτό συνηθίζει στην

επιστημονική μεθοδολογία. Επιπλέον συνηθίζει και στη νοοτροπία του επιστήμονα,

αποκτώντας συνήθειες όπως επιμονή, υπομονή, θάρρος, μαθαίνει να παίρνει

πρωτοβουλίες και να βασίζεται στις δικές του δυνάμεις. Το πείραμα του διεγείρει και

του διατηρεί το ενδιαφέρον, του προκαλεί την ευχαρίστηση που νιώθει ο δημιουργικά

εργαζόμενος και του μαθαίνει να είναι αντικειμενικός. Κατά τον ίδιο τρόπο το

γράψιμο ενός επιστημονικού δοκιμίου τον βοηθά να είναι σαφής, σύντομος και να

καταλήγει σε σωστά συμπεράσματα.

Εκτός όμως των πειραμάτων που γίνονται μετωπικά από όλους τους μαθητές,

στην διδακτική πρακτική των Φυσικών Επιστημών συνηθίζονται από πολύ παλιά και

τα πειράματα επίδειξης. Η πειραματική επίδειξη στην τάξη περιλαμβάνει μια σειρά

ενεργειών καλά προγραμματισμένων και σχεδιασμένων, που αποβλέπουν στην

απεικόνιση ενός φαινόμενου και την κατανόηση του από τους μαθητές. Μπορεί να

γίνεται τόσο από το δάσκαλο όσο και από μαθητές. Αν χρησιμοποιηθεί στην αρχή του

μαθήματος, κάνει την παρουσίαση περισσότερο ζωντανή και προκαλεί το ενδιαφέρον


των μαθητών. Με τη βοήθεια του πειράματος επίδειξης μπορεί να διδαχτεί

μεγαλύτερος αριθμός μαθητών σε σύγκριση με την ερευνητική και ανακαλυπτική

διδασκαλία.

Βέβαια στο εργαστήριο πρέπει να επικρατούν οι καλύτερες δυνατές συνθήκες,

ώστε ο μαθητής να μπορεί να βλέπει από τη θέση του ότι γίνεται στο τραπέζι της

επίδειξης. Μικρές κινήσεις ή ενδείξεις μικρών οργάνων δυνατόν να μεγεθύνονται και

να προβάλλονται σε οθόνη για να παρακολουθούν όλοι οι μαθητές. Ενώ διαρκεί η

προβολή, οι μαθητές καλούνται να αποδώσουν γραφικά το φαινόμενο, να κάνουν

προβλέψεις και εκτιμήσεις, να αναζητήσουν τις αιτίες που το προκαλούν κτλ. Με τον

τρόπο αυτό το μάθημα αποκτά ενδιαφέρον και η μάθηση γίνεται αποδοτική. Με το

πείραμα επίδειξης ο δάσκαλος πρέπει να προβληματίσει τους μαθητές ζητώντας τους

να καταγράψουν τις παρατηρήσεις τους να κάνουν τις υποθέσεις τους και να βγάλουν

τα συμπεράσματα τους.

Ένα καλά σχεδιασμένο και σωστά εκτελεσμένο πείραμα επίδειξης είναι δυνατόν

να επιταχύνει τη σκέψη, να προκαλέσει σε συζήτηση τους μαθητές και να υποδείξει

το επόμενο βήμα στη μελέτη ενός φαινόμενου. Σήμερα, με την ανάπτυξη των Νέων

Τεχνολογιών, προσφέρονται πάρα πολλά μέσα για τον σχεδιασμό, την εκτέλεση και

την λειτουργική ένταξη πειραμάτων επίδειξης στην καθημερινή διδασκαλία.

1.1.6 Ο ρόλος του πειράματος, η θέση της συζήτησης στη μαθησιακή διαδικασία

Σύμφωνα με τον Καρανίκα,

Ι12, το πείραμα αποτελεί ισχυρό

εργαλείο πρόκλησης εννοιολο-

γικής αλλαγής. Αυτός που θα

επιθυμούσε να προσεγγίσει

εποικοδομητικά κάποιο γνωστικό αντικείμενο οφείλει να επιλέξει προσεκτικά το

κατάλληλο πείραμα.

1.1.6 Ο ρόλος του πειράματος, η θέση

της συζήτησης στη μαθησιακή

διαδικασία

Πολλοί ερευνητές είναι απόλυτοι για την αξία της πειραματικής διδασκαλίας.

Θεωρούν ότι, και η καλύτερη διάλεξη για επιστημονικές ιδέες δε μπορεί να

προσφέρει το αίσθημα της εμπιστοσύνης ή της κατανόησης του γνωστικού

αντικειμένου που προσφέρει το πείραμα. Νεότεροι ερευνητές αμφισβητούν την

απόλυτη άποψη ότι, η εργαστηριακή πρακτική-είναι η καρδιά της διαδικασίας

μάθησης των Φυσικών Επιστημών, Οι Κουλαϊδής & Ogborn στέκονται κριτικά


απέναντι στην επιμονή ορισμένων για διδασκαλία βασισμένη στην

υπερεκμετάλλευση του πειράματος (πχ αγγλικό εκπαιδευτικό σύστημα). Πολλοί

διδάσκοντες έχουν διαπιστώσει ότι οι μαθητές δε δείχνουν πάντα μεγάλη προθυμία

να αλλάξουν τον τρόπο που σκέφτονται, μόνο και μόνο επειδή είχαν δυο-τρεις

εμπειρίες στο εργαστήριο. Οι μαθητές στο εργαστήριο συχνά λειτουργούν μηχανικά,

χωρίς να καταλαβαίνουν το τι ακριβώς κάνουν, τους στόχους του πειράματος ή τις

αιτίες που οδήγησαν στην επιλογή μιας συγκεκριμένης διαδικασίας. Αυτά όμως, κατά

την άποψη μας, έχουν να κάνουν με τον τρόπο ένταξης του πειράματος στην όλη

μαθησιακή διαδικασία κι όχι με αυτό καθαυτό το πείραμα. Ο διδάσκων πρέπει να

επιλέξει με ιδιαίτερη προσοχή το κατάλληλο πείραμα, το οποίο θα εκτελεστεί στην

κατάλληλη στιγμή και για το οποίο ο μαθητής είναι ενημερωμένος για τους σκοπούς

που γίνεται. Η επιλογή των πειραμάτων είναι σπουδαία και το παρόν άρθρο επιδιώκει

να συμβάλλει προς αυτή την κατεύθυνση. Πέρα πάντως από οποιαδήποτε κριτική, οι

πειραματικές δραστηριότητες θεωρούνται ως ένας ευχάριστος και παρωθητικός

τρόπος εφαρμογής των θεωριών και προτύπων (μοντέλων).

Μετά την κατά κάποιο τρόπο απομυθοποίηση της διδακτικής παντοδυναμίας

του πειράματος, αναδύθηκε η αναγκαιότητα της συζήτησης. Στην παραδοσιακή

διδασκαλία η συζήτηση θεωρείται διαλυτικό στοιχείο και αποφεύγεται. Στην

εποικοδομητική προσέγγιση, αντίθετα, έχει καταλάβει κυρίαρχη θέση και

ενθαρρύνεται. Πρέπει όμως να τονιστεί ότι οι συζητήσεις θεωρούνται χρήσιμες και

απαραίτητες, μόνο όταν περιλαμβάνουν ενεργή συμμετοχή όλων των διδασκόμενων,

όπου η γνώμη του καθενός γίνεται σεβαστή και ο καθένας αισθάνεται ικανός να

συνεισφέρει στη διαδικασία. Ο διδάσκων θα πρέπει να έχει εμπειρία στη διεύθυνση

μιας τέτοιας συζήτησης, ώστε αυτή να έχει έναν συγκεκριμένο στόχο, να παραμένει στο

στόχο και να φτάνει σε κάποιο αποτέλεσμα. Ανάλογη εμπειρία πρέπει να έχουν και οι

μαθητές.

Η προσωπική μας άποψη για τη σημασία του πειράματος στη μαθησιακή

διαδικασία μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:

Το πείραμα είναι απολύτως αναγκαίο για την κατανόηση των διαφόρων φυσικών

μεγεθών και εννοιών, για την ανακάλυψη των μηχανισμών των φυσικών φαινομένων,

για την επιβεβαίωση των φυσικών νόμων, για την αναθεώρηση εσφαλμένων

αντιλήψεων κλπ. Μόνο του όμως δεν είναι ικανό να προσφέρει τα παραπάνω σε όλο το

φάσμα των Φυσικών Επιστημών. Χρειάζεται απαραιτήτως και η εποικοδομητική


συζήτηση, ως συμπλήρωμα της βιωματικής εμπειρίας από την εμπλοκή σε πειραματικές

διαδικασίες.

Σπουδαία μαθησιακά αποτελέσματα έχουμε όταν τα πειράματα που θα

χρησιμοποιηθούν στη διδακτική παρέμβαση απαιτούν τη συνεργασία μεταξύ των

μελών της μικρής ομάδας (πχ. ένας χρονομετρεί, άλλος θερμομετρεί, τρίτος

καταγράφει τις μετρήσεις και σε συνεργασία με τον τέταρτο κατασκευάζει το

διάγραμμα θ (t), κοκ). Στη διάρκεια του πειράματος θεωρείται σκόπιμο να δίνεται η

ευκαιρία ή να παροτρύνονται οι μαθητές να συζητούν και να διευκρινίζουν τα σημεία

που δεν έχουν γίνει κατανοητά. Γι’ αυτό, η εκτέλεση των πειραμάτων πρέπει να

ακολουθείται πάντα από συζήτηση σε επίπεδο ομάδας και σε επίπεδο τάξης.

1.1.7 Η διαχρονική ισχύς της πειραματικής διδασκαλίας στην Ελλάδα

O Πλάτωνας στο έργο του

Τιμαίος ή περί φύσεως, υποστηρίζει

ότι είναι ματαιοπονία να θέλει

κάποιος να διδάξει έναν φυσικό

νόμο χωρίς το αντίστοιχο πείραμα,

και ο Αριστοτέλης στο έργο του ‘Τα Φυσικά’ υποστηρίζει ότι η απώλεια

οποιασδήποτε αίσθησης συνεπάγεται απώλεια του αντίστοιχου τμήματος της γνώσης.

Με τα παραπάνω δεν υπονοείται ότι οι δύο φιλόσοφοι ήταν πειραματικοί φυσικοί,

αλλά ότι ήταν αποδεκτό ό,τι κριτικά αποδέχεται ο κοινός νους, όπως γράφει και η

Σπυροπούλου-Κατσάνη,Δ13.

Τον 19ο αιώνα οι δάσκαλοι του Γένους, Κ.Μ. Κούμας και Δ.Ν. Δάρβαρης

γράφουν:

«Πειράματα κάνομεν εξεπίτηδες διά να μάθωμεν ακριβέστερον την φύσιν τινών

αντικειμένων και διά να αποκαλύψωμεν τους κανόνες εις τους οποίους υπόκεινται» ή

«Πειραματικά όργανα μεταχειρίζομαι καθ' εκάστην εις τας παραδόσεις μου» (Κούμας

Κ. 1812).

Σύμφωνα με τον Δάρβαρη (1812), τα πειράματα ήταν μέσο «ώστε να κινούσιν

την περιέργειαν των μαθητών και να διαγείρωσιν τον προς την παιδείαν έρωτα».

Οι παραπάνω αναφορές έχουν ενδεικτικό μόνο χαρακτήρα και απλώς

οριοθετούν την αρχή της διαχρονικής ισχύος που έχει η πειραματική διδασκαλία των

Φ.Ε. στην Ελλάδα.

1.1.7 Η διαχρονική ισχύς της

πειραματικής διδασκαλίας στην

Ελλάδα


Σήμερα, ο νόμος (1566/85, άρθρο 42) για την Πρωτοβάθμια και Δευτεροβάθμια

Εκπαίδευση, αναφέρει:

«Η εξοικείωση των μαθητών με τα όργανα Φυσικής είναι παράγοντας

απαραίτητος για την επιτυχία της διδασκαλίας».

Από μελέτες που έγιναν στον ελληνικό χώρο (Κόκκοτας 1983, Παπασταματίου

1993, Χαλκιά 1995)14 διαπιστώνεται ότι η πειραματική διδασκαλία είναι

περιορισμένη στα ελληνικά σχολεία, παρ’ όλο που πολλοί εκπαιδευτικοί στα

εκπαιδευτικά συνέδρια αναγνωρίζουν τη σπουδαιότητα της. Όπως οι ίδιοι

ισχυρίζονται, η πειραματική διδασκαλία βοηθά τους μαθητές/ριες στη μάθηση και

τους ίδιους στο διδακτικό έργο τους (Πρακτικά και Περιλήψεις Συνεδρίων Ε.Ε.Φ.

1989,1993,1996). Αυτό, όμως, που συμβαίνει συνήθους στην πράξη είναι κάποια

πειράματα επίδειξης στα μαθήματα των Φ.Ε. και σε ελάχιστες περιπτώσεις η

συμμετοχή των μαθητών/ριών σε πειραματικές ασκήσεις. Το γεγονός αυτό

αποδίδεται στην έλλειψη υλικοτεχνικής υποδομής και διαθέσιμου χρόνου, αλλά και

στην αρνητική στάση των εκπαιδευτικών άλλων ειδικοτήτων, όπως βιολόγοι,

γεωλόγοι, κ.ά. (Χαλκιά 1995)14.

Η κύρια διδακτική μέθοδος που εφαρμόζεται στη χώρα μας, στην καθημερινή

σχολική διαδικασία, στην Υποχρεωτική Εκπαίδευση, βασίζεται στη μεταφορά της

γνώσης από τον εκπαιδευτικό ή το σχολικό εγχειρίδιο στον μαθητή/ρια, όπου

επιδιώκονται οι ειδικοί γνωστικοί στόχοι με απομνημόνευση του περιεχομένου για τις

εξετάσεις (Φλουρής 1995, Καριώτογλου κ.ά. 1997).


1.1.8 Η αντιμετώπιση της πειραματικής διδασκαλίας σε άλλες χώρες

Η πειραματική διδασκαλία

εισάγεται στις χώρες της Δύσης α-

πό το 1882 με την επίδειξη

πειραμάτων από τον εκπαιδευτικό.

Το πείραμα θεωρούνταν

απαραίτητο στοιχείο της διδασκαλίας, διότι μεταξύ άλλων προκαλούσε το ενδιαφέρον

και την περιέργεια των μαθητών/ριών.

Σήμερα, έπειτα από περίπου 130 χρόνια, άλλοι εκπαιδευτικοί υποστηρίζουν

ακόμη την άποψη αυτή και άλλοι θεωρούν το πείραμα επίδειξης χάσιμο χρόνου.

Πριν από το 1960 η εκπαίδευση επηρεάζεται από την ψυχολογία της

συμπεριφοράς με το γνωστό διπολικό μοντέλο ερέθισμα-ανταπόκριση και την τάση

ότι «αφού το πείραμα είναι στοιχείο της μεθοδολογίας των Φ.Ε., θα πρέπει να είναι και

βασικό στοιχείο της διδασκαλίας των Φ.Ε.», δηλαδή να γίνεται στη διδακτική πράξη

αυτό που γίνεται στις Φ.Ε.

Στις δεκαετίες του '60 και του '70 στα περισσότερα Αναλυτικά Προγράμματα

των προηγμένων χωρών (Αγγλία, Γερμανία, ΗΠΑ) προάγονται οι πειραματικές

ασκήσεις, οι οποίες εκτελούνται από τους μαθητές/ριες, και θεωρούνται

ενδιαφέρουσες και αποτελεσματικές στη μάθηση. Οι εκπαιδευτικοί θέτουν δύο

ζητήματα, το οικονομικό κόστος και το χάσιμο του χρόνου. Κατά την άποψη τους ο

χρόνος που απαιτείται για το πείραμα θα μπορούσε να αξιοποιηθεί πιο σωστά στην

προετοιμασία των μαθητών/ριών για τις εξετάσεις.

Οι αναμορφωτές των Αναλυτικών Προγραμμάτων όμως εμμένουν ότι οι Φ.Ε.

είναι καθαρά πειραματικές επιστήμες και συνεπώς πρέπει να διδάσκονται με

εργαστηριακές ασκήσεις, οι οποίες βοηθούν στην ανάπτυξη και αισθητοποίηση

αφηρημένων εννοιών ξεκινώντας από συγκεκριμένες καταστάσεις (Reid and Tracey

198516, Lunch 198717, Watson 199518).

Από το 1960 και μετά, μέσα στο γενικότερο κλίμα της αμφισβήτησης των

εκπαιδευτικών διαδικασιών, οι απόψεις του Piaget κερδίζουν έδαφος στη Δυτική

Ευρώπη και στη Βόρεια Αμερική, όπου κυριαρχούσε η επίδραση του Burner. Οι

απόψεις του Piaget και του Bruner λαμβάvovται υπόψη από τους αναμορφωτές στο

σχεδιασμό των Αναλυτικών Προγραμμάτων,

1.1.8 Η αντιμετώπιση της

πειραματικής διδασκαλίας σε

άλλες χώρες


Σύμφωνα με τις απόψεις αυτές, ο μαθητής/ρια μαθαίνει και διατηρεί τη γνώση,

όταν συμμετέχει ενεργά και ανακαλύπτει τη γνώση μέσα από συγκεκριμένες

δραστηριότητες. Επίσης, θεωρείται ότι η συνεργασία των μαθητών/ριών σε μικρές

ομάδες, ο πειραματισμός και η συζήτηση με τα μέλη της ομάδας, η επεξεργασία

δεδομένων για την αποδοχή ή απόρριψη μιας υπόθεσης και η άσκηση των μαθητών

στη μεθοδολογία των Φ.Ε. οδηγούν στην ανάπτυξη κριτικής σκέψης (Bruner 196119,

Unesco 1980/85).

Υποστηρίζεται ακόμη ότι για μαθητές/ριες 13-16 χρόνων η πειραματική

διδασκαλία θα είχε περισσότερο ενδιαφέρον, αν είχε τη μορφή έρευνας και όχι τη

μορφή αυστηρής δομημένης άσκησης, όπου ο μαθητής/ρια καλείται να

πραγματοποιήσει στο εργαστήριο.

Από τη δεκαετία του '80 μέχρι σήμερα, τα αποτελέσματα των ερευνών έδειξαν

ότι η διδασκαλία των Φ.Ε. είναι πιο επιτυχής όταν στο σχεδιασμό της πειραματικής

διδασκαλίας και γενικότερα στις διδακτικές δραστηριότητες λαμβάνονται υπόψη οι

προϋπάρχουσες αντιλήψεις των μαθητών/ριών για τα φαινόμενα, και τις αντίστοιχες

έννοιες που τα περιγράφουν και τα ερμηνεύουν (Pope and Gilbert 198220, Strike et al.

198221, Driver and Oldham 1986,22 Driver 1989,23 Blumenfeld et al. 199124). Αρχικά

οι μα-θητές/ριες καλούνται σε συνεντεύξεις ή στη συμπλήρωση ερωτηματολογίων,

και στη συνέχεια οι ερευνητές/εκπαιδευτικοί ταξινομούν τις απαντήσεις των

μαθητών/ριών και σχεδιάζουν πειραματικές δραστηριότητες, με στόχο να

προκαλέσουν «γνωστική σύγκρουση» μεταξύ των προϋπαρχουσών αντιλήψεων/ιδεών

των μαθητών/ριών και της νέας γνώσης, μέσα από παρατηρούμενα γεγονότα.

Διαμορφώνεται μια νέα υπόθεση για την πειραματική διδασκαλία και τη μάθηση, η

εποικοδομητική προσέγγιση (con-structivist approach) ή εποικοδομητισμός. Οι

πειραματικές διαδικασίες αποκτούν άλλη διάσταση και ο ρόλος που αποδίδεται στο

πείραμα, εκτός των άλλων, είναι οι μαθητές/ριες να διακρίνουν τις μη

διαφοροποιημένες έννοιες, με τις οποίες συχνά περιγράφουν ή ερμηνεύουν τα

διάφορα φυσικά φαινόμενα.


1.1.9 Οι απόψεις των εκπαιδευτικών για την πειραματική διδασκαλία

Σε έρευνα του Lynch (1987)17

διαπιστώθηκε ότι οι εκπαιδευτικοί

θεωρούν πως η πειραματική

διδασκαλία μπορεί να συμβάλει:

1.1.9 Οι απόψεις των εκπαιδευτικών

για την πειραματική διδασκαλία

α) Στην απόκτηση της επιστημονικής γνώσης.

β) Στην εισαγωγή της επιστημονικής μεθοδολογίας.

γ) Στην πρόκληση ενδιαφέροντος των μαθητών/ριών.

δ) Στην καλλιέργεια επιστημονικών τάσεων, όπως αντικειμενικότητα, προθυμία

για έρευνα, κριτική σκέψη, ελεύθερο πνεύμα.

ε) Στην ανάπτυξη εργαστηριακών δεξιοτήτων.

Τα ερωτήματα, όμως, που τίθενται στη συνέχεια είναι:

« Μόνο η πειραματική διδασκαλία είναι ο καλύτερος τρόπος για να προκαλέσει

το ενδιαφέρον των μαθητών/ριών;

« Ποιες δεξιότητες αποκτούν οι μαθητές/ριες μέσα από την πρακτική άσκηση

στο εργαστήριο;

* Ποιες έννοιες κατανοούν οι μαθητές/ριες και ποιες «επιστημονικές τάσεις»

καλλιεργούνται στο εργαστήριο;

Τα στοιχεία που συγκεντρώθηκαν από διάφορες έρευνες έδειξαν ότι οι

μαθητές/ριες θεωρούν την πειραματική διδασκαλία λιγότερο βαρετή από τις διαλέξεις

(Hofstein and Lunetta 198225, Denny and Chennell 198626), και ότι το 57% θεωρούν

την πειραματική διδασκαλία πολύ καλή, το 40% των ίδιων μαθητών/ριών ηλικίας 13-

16 χρόνων θεωρούν τις εργαστηριακές ασκήσεις ενδιαφέρουσες, όταν οι μαθητές/ριες

καταλαβαίνουν τι κάνουν, ενώ δυσανασχετούν όταν κάτι δεν πάει καλά (Hodson

1989)27.


Όσον αφορά τις δεξιότητες που επιδιώκεται να αποκτήσουν οι μαθητές/ριες

μέσα από τις πειραματικές δραστηριότητες, οφείλουν να είναι εκείνες που αφενός θα

συμβάλουν στη μάθηση, και αφετέρου θα μπορούν να προεκταθούν και σε άλλες

δραστηριότητες. Τέτοιες δεξιότητες μπορεί να είναι η σωστή λήψη μετρήσεων, η

οργάνωση και η καταγραφή δεδομένων, και στη συνέχεια η μεταφορά τους σε

διαγράμματα και η αξιοποίηση τους στην εξαγωγή συμπερασμάτων. Έρευνες, όμως, οι

οποίες έχουν γίνει στον τομέα αυτόν έδειξαν ότι από τους 15χρονους μαθητές/ριες

ύστερα από αρκετά χρόνια άσκησης τους στο εργαστήριο, μόνο το 11% ήταν σε θέση

να διαβάσουν μια ένδειξη σωστά και το 14% να πραγματοποιήσουν ένα ηλεκτρικό

απλό κύκλωμα από ένα σχεδιάγραμμα (APU Report Science at Age 15).

Αυτό πιθανόν να οφείλεται στο γεγονός ότι οι μαθητές/ριες δεν είχαν εκτιμήσει

από την αρχή πώς λειτουργεί μια συσκευή, πού και γιατί χρησιμοποιείται, τι μετράει

ή, αν πρόκειται για αποτελέσματα, ποια μπορεί να είναι τα αποδεκτά και ποια όχι,

πώς μπορεί να τα αξιολογήσει ο μαθητής/ρια και για ποιο λόγο τα κατέγραψε

(Hodson 1990) 27.

Όσον αφορά την εισαγωγή των μαθητών/ριών στη μεθοδολογία των Φ.Ε. και

την κατανόηση των επιστημονικών εννοιών, οι έρευνες στην Αμερική έδειξαν ότι

μεταξύ των τριών μορφών διδασκαλίας (διάλεξη - συζήτηση, διάλεξη και πείραμα

επίδειξης -συζήτηση, και πειραματική διδασκαλία - συζήτηση), η μόνη διαφορά που

παρατηρήθηκε ήταν στις δεξιότητες, οι οποίες άλλωστε δεν ήταν στοιχείο των άλλων

μορφών διδασκαλίας, ενώ καμία διαφορά δεν παρατηρήθηκε στην κατανόηση των

εννοιών και στη μεθοδολογία των Φ.Ε. (Yager 1969) 28.

Επίσης, έχει διαπιστωθεί από έρευνες που έγιναν σε μαθητές/ριες της

Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης στη Βρετανία, ότι το ενδιαφέρον των μαθητών/ριών

επικεντρώνεται κατά κύριο λόγο στη διεξαγωγή των πειραματικών εργασιών, χωρίς

πολλές φορές να κατανοούν ποια έννοια ή ποιο φαινόμενο μελετούν, τι επιδιώκουν μ'

αυτό, ποιος είναι ο σκοπός του πειράματος, και για ποιους λόγους ακολουθήθηκαν

κάποιες διαδικασίες (Moreira 198029). Για το λόγο αυτόν η πειραματική άσκηση των

μαθητών/ριών χαρακτηρίστηκε ως εκτέλεση «συνταγών μαγειρικής» και

δικαιολογημένα θεωρήθηκε χάσιμο χρόνου (Hodson 1989) 27.


1.2 Οι Νέες Τεχνολογίες στη διδασκαλία της Φυσικής

Αυτή καθαυτή η Τεχνολογία δεν αλλάζει τη διδασκαλία και τη μάθηση. Το κρίσιμο στοιχείο είναι ο τρόπος με τον οποίο εντάσσεται ολοκληρωμένα στην καθημερινή διδασκαλία.

Για το επιστημονικό πνεύμα κάθε γνώση είναι απάντηση σε μια ερώτηση. Αν δεν υπήρξε ερώτημα δεν υπάρχει επιστημονική γνώση. Τίποτα δεν είναι αυτονόητο. Τα πάντα οικοδομούνται.

Gaston Bachelard


1.2.1 Η τεχνολογία στην υπηρεσία της μάθησης

Οι απόπειρες να

χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία των

ηλεκτρονικών υπολογιστών για τη

βελτίωση της μάθησης άρχισαν με

τις προσπάθειες πρωτοπόρων όπως οι Atkinson και Suppes (π.χ. Atkinson, 196831,

Suppes & Morningstar, 196832), όπως τονίζει ο Κόκκοτας, Π30. Η παρουσία της

τεχνολογίας των υπολογιστών στα σχολεία έχει αυξηθεί πάρα πολύ από τότε και

υπάρχουν προβλέψεις ότι αυτή η τάση συνεχώς θα αυξάνεται (U.S. Department of

Education, 1994). H ρομαντική άποψη της τεχνολογίας είναι ότι η απλή παρουσία της

στα σχολεία θα βελτιώσει τη μάθηση και την επιτυχία των μαθητών. Στο αντίθετο

άκρο βρίσκεται η άποψη ότι τα χρήματα που διατίθενται για την τεχνολογία και ο

χρόνος που καταναλώνεται από τους μαθητές για την ενασχόλησή τους με αυτή, είναι

χρόνος και χρήματα χαμένα (σκεπτικιστική άποψη για την ένταξη των νέων

τεχνολογιών στη μαθησιακή διαδικασία). Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν

επανεξετάσει κείμενα για την τεχνολογία και τη μάθηση και έχουν καταλήξει στο

συμπέρασμα ότι η βελτίωση της επιτυχίας των μαθητών και της μάθησης των

εκπαιδευτικών έχει μεγάλες πιθανότητες να υπάρξει, αλλά μόνο αν η τεχνολογία

χρησιμοποιηθεί σωστά (π.χ. Cognition and Technology Group at Vanderbilt, 199633

Dede,1998). Έτσι, η υπολογιστική υποστήριξη της μάθησης μέσω της χρήσης

λογισμικού και ψηφιακού υλικού, παράλληλα με τη σωστή ανάπτυξη υπολογιστικής

και δικτυακής υποδομής στα σχολεία κρίνεται από παιδαγωγική άποψη ως

επιβεβλημένη ανάγκη.

Ενώ όμως υπάρχει ένας αυξανόμενος αριθμός μελετών αποτελεσματικότητας

που γίνονται στον τομέα των εκπαιδευτικών εφαρμογών της τεχνολογίας, η σύνθεση

των ερευνητικών αποτελεσμάτων δεν έχει δώσει ισχυρά επιχειρήματα για τον

αντίκτυπό της στη διδασκαλία και τη μάθηση (Clark, 1994). Αυτό σημαίνει ότι ο

σχεδιασμός υπολογιστικού περιβάλλοντος ικανού να επιφέρει ουσιαστικά μαθησιακά

αποτελέσματα απαιτεί σαφή θεωρητικά πλαίσια. Επίσης απαιτεί ένα πλέγμα

αναλύσεων που λαμβάνει υπόψη θεωρήσεις για τη μάθηση, το ρόλο του μαθητή, το

ρόλο του δασκάλου και τις διδακτικές στρατηγικές, το κοινωνικό πλαίσιο στο οποίο

λαμβάνει χώρα η μάθηση, τους ειδικούς και γενικότερους εκπαιδευτικούς στόχους.

1.2.1 Η τεχνολογία στην υπηρεσία της

μάθησης


Αυτό που σήμερα είναι γνωστό για τη μάθηση παρέχει σπουδαίες

κατευθυντήριες γραμμές για τις χρήσεις της τεχνολογίας που μπορούν να βοηθήσουν

μαθητές και εκπαιδευτικούς να αναπτύξουν τις ικανότητες που απαιτούνται για τον

εικοστό πρώτο αιώνα. Οι νέες τεχνολογίες παρέχουν ευκαιρίες για τη δημιουργία

περιβάλλοντος μάθησης που επεκτείνει τις δυνατότητες των «παλιών» –αλλά ακόμα

χρήσιμων– τεχνολογιών (βιβλία, μαυροπίνακες), γραμμική και άμεση επικοινωνία

των Μ.Μ.Ε., όπως το ραδιόφωνο και η τηλεόραση –που επίσης στις μέρες μας

προσφέρουν νέες δυνατότητες. Εντούτοις, η τεχνολογία δεν εγγυάται αποτελεσματική

μάθηση. Λανθασμένες χρήσεις της τεχνολογίας μπορούν να σταθούν εμπόδιο στη

μάθηση –για παράδειγμα, όταν οι μαθητές καταναλώνουν τον περισσότερο χρόνο

τους επιλέγοντας γραμματοσειρές και χρώματα για έκθεση στα πολυμέσα αντί να

σχεδιάζουν, να γράφουν και να επεξεργάζονται τις ιδέες τους. Όλοι γνωρίζουν πόσο

πολύ χρόνο μπορούν να σπαταλήσουν οι μαθητές περιπλανώμενοι άσκοπα

(«σερφάροντας») στο διαδίκτυο. Ωστόσο, πολλές πλευρές της τεχνολογίας

διευκολύνουν τη δημιουργία περιβάλλοντος που είναι σύμφωνο με τις σύγχρονες

αποδεκτές μαθησιακές αρχές που υιοθετούνται από αυτό το βιβλίο.

Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι νέες τεχνολογίες προσφέρουν δυνατότητες

αλληλεπίδρασης (Greenfield and Cocking,1996)35, είναι ευκολότερο να

δημιουργηθούν περιβάλλοντα στα οποία οι μαθητές μπορούν να μαθαίνουν μέσα από

την πράξη, να λαμβάνουν ανατροφοδότηση και συνεχώς να βελτιώνουν την

κατανόησή τους και να οικοδομούν νέα γνώση (Barron et al.,199836, Bereiter and

Scardamalia, 1993)37. Οι νέες τεχνολογίες μπορούν επίσης να βοηθήσουν τους

ανθρώπους να συλλάβουν δυσνόητες έννοιες, όπως η διαφοροποίηση μεταξύ

θερμότητας και θερμοκρασίας (Linn et al., 1996)38. Οι μαθητές μπορούν να

ασχοληθούν με τη σύλληψη και τη διαμόρφωση προγραμμάτων στον υπολογιστή,

αυξάνοντας την πιθανότητα να μεταφερθούν τέτοιου είδους σημαντικές δεξιότητες

από τη σχολική τάξη στη ζωή. Αυτές οι τεχνολογίες παρέχουν επιπλέον πρόσβαση σε

μια απέραντη περιοχή πληροφοριών, που περιλαμβάνει ηλεκτρονικές βιβλιοθήκες,

δεδομένα για ανάλυση, και άλλους ανθρώπους που παρέχουν πληροφορίες,

ανατροφοδότηση και έμπνευση. Επίσης, μπορούν να βελτιώσουν τις δυνατότητες

μάθησης των εκπαιδευτικών, όπως και αυτές των μαθητών, και να αυξήσουν τους

συνδέσμους μεταξύ σχολείων και κοινοτήτων, συμπεριλαμβανομένων και των

σπιτιών των μαθητών.


Με την υπολογιστική υποστήριξη, θα μπορεί πλέον το μάθημα των Φυσικών

Επιστημών, αλλά και τα άλλα μαθήματα, να στοχεύουν σε ριζική αναβάθμιση του

ρόλου του μορφωτικού περιβάλλοντος, καλλιεργώντας στο μαθητή όχι μόνο κάποιες

συγκεκριμένες γνώσεις, αλλά και γενικότερες ικανότητες, ώστε να είναι σε θέση να

αυτενεργεί, να συνεργάζεται, να εξερευνά και να διερευνά, να αξιολογεί τις

πληροφορίες συνδυάζοντας την κατανόηση των φυσικών εννοιών με την ανάπτυξη

δεξιοτήτων στις επιστημονικές διαδικασίες.

Όμως το ερώτημα που τίθεται είναι πιο ρόλο παίζει ο υπολογιστής και γενικά τα

υπόλοιπα πολυμέσα, σε σύγχρονα μαθησιακά περιβάλλοντα. Η μάθηση

αντιμετωπίζεται ως διαδικασία προσφοράς και λήψης πληροφοριών ή περισσότερο

ως ενεργητική διαδικασία οικοδόμησης και επέκτασης της γνώσης με δεδομένη την

ενεργό εμπλοκή του μαθητή;

Γίνεται προσπάθεια να διερευνηθεί η σχέση ανάμεσα στις νέες τεχνολογίες και

τις σχολικές δραστηριότητες, φωτίζοντας κάποιες παραμέτρους που υπεισέρχονται

στο οικοδόμημα της σχέσης αυτής. Ως σημαντικό προς διερεύνηση τίθεται

α) η διερεύνηση της προβληματικής που αναπτύσσεται μεταξύ των

εκπαιδευτικών μπροστά στο ενδεχόμενο αλλαγής του ρόλου τους μέσα σε ένα

σύγχρονο τεχνολογικό περιβάλλον μάθησης και απώλειας του ελέγχου της εκπαι-

δευτικής διαδικασίας, γεγονός που τους καθιστά διστακτικούς στην αποδοχή των

υπολογιστών ως ουσιαστικό εργαλείο μάθησης

β) η εξέταση της κατάστασης του σημερινού σχολείου, όσον αφορά την

αξιοποίηση αλλά και την ενσωμάτωση των νέων τεχνολογιών σε όλο το φάσμα της

εκπαιδευτικής διαδικασίας, πώς αποτιμάται δηλαδή η σημερινή εκπαιδευτική

πραγματικότητα, σε σχέση με τους στόχους που έθεσε η πολιτεία για ουσιαστική

ένταξη των υπολογιστών στη διδασκαλία όλων των γνωστικών αντικειμένων στην

τάξη και

γ) η διατύπωση προτάσεων, σχετικά με τις ενέργειες που πρέπει να δρομο-

λογηθούν από την πολιτεία, αλλά και τις ενέργειες που πρέπει να αναλάβουν οι ίδιοι

οι εκπαιδευτικοί, προκειμένου να επιτευχθεί μια περισσότερο ουσιαστική και

αποτελεσματικότερη χρήση των νέων τεχνολογιών σε διάφορους τομείς λειτουργίας

της σχολικής πραγματικότητας39.


1.2.2 Αλλαγή των μοντέλων διδασκαλίας με την χρήση των ΝΤΕ Η εισαγωγή, τα τελευταία

χρόνια, των νέων τεχνολογιών

πληροφορίας και επικοινωνίας

στον χώρο της εκπαίδευσης στη

χώρα μας, θέτει το πρόβλημα της

αναδιάρθρωσης των παλιών

προτύπων διδασκαλίας και μάθησης και της προσαρμογής τους σε νέους τύπους

διδακτικών προσεγγίσεων, εναρμονιζόμενων με τις ιδιαιτερότητες του νέου αυτού

μέσου διδασκαλίας. Ένα θέμα, επίσης, που έχει τεθεί και συζητείται ευρέως αφορά

στο νέο ρόλο που θα διαδραματίσει ο εκπαιδευτικός, ο οποίος καλείται να αλλάξει

συνολικά την αντίληψη για το ρόλο του και τις διδακτικές τεχνικές που ακολουθούσε

έως σήμερα, σύμφωνα με την Ιωαννίδου, Ι.39

Το παραδοσιακό μοντέλο διδασκαλίας στηρίζεται στην παραδοχή ότι η μάθηση

επιτυγχάνεται μέσα από τη μετάδοση της γνώσης-απόλυτης αλήθειας από το

δάσκαλο-γνώστη στο μαθητή, ο οποίος θα εμπεδώσει τη γνώση που έλαβε μέσα από

επαληθεύσεις και εφαρμογές στις οποίες ο ίδιος θα προβεί30. Ο μαθητής στο μοντέλο

αυτό διδασκαλίας θεωρείται «λευκό χαρτί» και παθητικός δέκτης της γνώσης. Τις τε-

λευταίες δεκαετίες δίνεται έμφαση διεθνώς στις εποικοδομητικές προσεγγίσεις για τη

διδασκαλία, οι οποίες στηρίζονται στην παραδοχή ότι η γνώση δεν μεταδίδεται

παθητικά, παρά οικοδομείται ενεργητικά από τα άτομα που τη δέχονται και ότι οι

μαθητές οικοδομούν τις νέες γνώσεις μέσα από τη διδασκαλία, σε αναφορά με τις

προϋπάρχουσες γνώσεις τους40. Έρευνες επίσης στο χώρο της γνωστικής ψυχολογίας

επισημαίνουν ότι είναι αναγκαίο το σχολείο να μπορεί να δείχνει στο παιδί, πώς να

μαθαίνει (μεταμάθηση), έτσι ώστε το παιδί μέσα από δικές του ενέργειες αναζήτησης

πληροφοριών, να μπορέσει να οικειοποιηθεί τις γνώσεις που επιθυμεί41.

Ένα μαθησιακό περιβάλλον που έχει ενσωματώσει τη χρήση των τεχνολογιών

της πληροφορίας και της επικοινωνίας, φαίνεται να διαφοροποιείται σημαντικά από

το παλιό παραδοσιακό περιβάλλον και χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω στοιχεία42:

τη συνεργατικότητα που αναπτύσσεται μεταξύ των μαθητών, οι οποίοι δουλεύουν σε

ομάδες και επικοινωνούν μεταξύ τους, τη συμμετοχή του συνόλου της τάξης στη

διαδικασία της μάθησης, την αναζήτηση πληροφοριών- εκτός σχολικού εγχειριδίου-

σε έναν ευρύτερο χώρο που τους παρέχει το διαδίκτυο, τον μαθητοκεντρικό τρόπο

διδασκαλίας, με το μαθητή να αλλάζει ρόλο και να παύει να είναι παθητικός δέκτης,

θα επισημαίναμε ότι με τη χρήση των νέων τεχνολογιών στην εκπαίδευση, ο τρόπος

1.2.2 Αλλαγή των μοντέλων

διδασκαλίας με την εισαγωγή

των ΝΤΕ


διδασκαλίας παύει να είναι μετωπικός και δάσκαλο κεντρικός, κάτι που κατεξοχήν

χαρακτηρίζει τη διδασκαλία στην Ελλάδα, και γίνεται μαθητοκεντρικός, με το

μαθητή να λαμβάνει ενεργό ρόλο στη διαδικασία μάθησης του και όχι να παραμένει

σιωπηλός θεατής των δρώμενων.

Άξιο προσοχής είναι το γεγονός ότι ο ρόλος του εκπαιδευτικού αλλάζει άρδην

και παύει να θεωρείται, όπως στο δάσκαλο κεντρικό μοντέλο διδασκαλίας, ως ο

μόνος κάτοχος της γνώσης43. Τα παραπάνω είναι φυσικό να δημιουργούν ανασφάλεια

και φόβο στους εκπαιδευτικούς, οι οποίοι με την εισαγωγή των νέων τεχνολογιών

στην εκπαιδευτική διαδικασία, νιώθουν να διαταράσσεται η σχέση με τους μαθητές

τους και κατανοούν ότι πρέπει να επανεξετάσουν τον ρόλο τους. Αισθάνονται ότι

ασκούν λιγότερο έλεγχο στην εκπαιδευτική διαδικασία μια που η εξουσία

μεταβιβάζεται σε ένα πλήθος ειδικών44, όπως οι γνωστικοί ψυχολόγοι, οι

επιστημολόγοι, οι θεωρητικοί των διαφόρων γνωστικών αντικειμένων και της

πληροφορικής, κ.λ.π. Οι εκπαιδευτικοί βιώνουν αυτήν την απώλεια του ελέγχου στα

εκπαιδευτικά δρώμενα και οι αντιδράσεις τους, απέναντι στην εισβολή της νέας

τεχνολογίας, δεν είναι πάντα οι αναμενόμενες.

Σε έρευνα που έγινε, με τη μέθοδο των σε βάθος-ατομικών ημιδομημένων

συνεντεύξεων, ερευνήθηκαν 33 εκπαιδευτικοί της Β/θμιας Εκπαίδευσης σχετικά με

τη στάση τους στις νέες τεχνολογίες. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι οι

εκπαιδευτικοί αναγνωρίζουν μεν την χρησιμότητα των υπολογιστών, αλλά διάκεινται

αρνητικά όσον αφορά τη χρήση τους στη διδακτική πράξη και γενικά είναι

επιφυλακτικοί απέναντι σε αυτό το μέσο45. Επιφυλάξεις διατυπώνονται επίσης σε

διάφορες έρευνες46, όπου εξετάζεται η συμμόρφωση των εκπαιδευτικών σε

κοινωνικοπολιτικές επιρροές που κατευθύνουν την παραγωγή διδακτικών πακέτων

και χειραγωγούν το πλέγμα των σχέσεων εκπαιδευτικού -μαθητή- τεχνολογικού

προϊόντος γνώσης, δίχως ο εκπαιδευτικός να μπορεί να ελέγξει την όλη διαδικασία.

Προτείνεται δε η συμμετοχή των εκπαιδευτικών στη λήψη αποφάσεων που αφορούν

το ευρύτερο εκπαιδευτικό σύστημα.

Εκείνο που πρέπει να γίνει αντιληπτό και από τους ίδιους τους εκπαιδευτικούς

είναι ότι με την εισαγωγή των νέων τεχνολογιών στην εκπαίδευση, οι ίδιοι έχουν να

διαδραματίσουν ένα νέο ρόλο περισσότερο δημιουργικό, με την έννοια ότι παύουν να

λειτουργούν ως μεταδότες γνώσεων και καλούνται να συμβάλουν στη δημιουργία

ενός περιβάλλοντος μάθησης το οποίο θα βοηθά το μαθητή να οικοδομήσει τη γνώση

του47. Απαραίτητο όμως είναι οι εκπαιδευτικοί να αλλάξουν στάση απέναντι στις νέες


τεχνολογίες, να τις αντιμετωπίζουν με λιγότερο φόβο και να επαναπροσδιορίσουν το

ρόλο τους και τη σχέση με τους μαθητές τους. Σε αυτό μπορεί να συμβάλει

σημαντικά η επιμόρφωση τους στις νέες τεχνολογίες και οι δυνατότητες που μπορεί

να τους προσφερθούν μέσα από τη χρήση του διαθέσιμου κάθε φορά, εκπαιδευτικού

λογισμικού στην τάξη. Ακόμη, ο φόβος για χειραγώγηση των διδακτικών πακέτων

γνώσης, από ιδιωτικές εταιρίες, όπου δεν δίνεται προτεραιότητα σε βασικές

λειτουργίες της εκπαίδευσης και σε κοινωνικούς στόχους, μπορεί να

αντιμετωπισθεί48, στο βαθμό που οι εκπαιδευτικοί αναπτύξουν κριτική ικανότητα οι

ίδιοι, ώστε να μπορούν να αποτιμήσουν την ορθολογική ή όχι χρήση των νέων

τεχνολογιών και να μεταδώσουν αυτήν τη διάθεση για κριτική σκέψη και στους

ίδιους τους μαθητές τους. Η στάση αυτή για κριτική διάθεση δεν αναιρεί και την

προσπάθεια που πρέπει να καταβάλουν οι εκπαιδευτικοί για να μην εκχωρήσουν11

τον απόλυτο έλεγχο της εκπαιδευτικής διαδικασίας σε ειδικούς της πληροφορικής ή

άλλους τεχνοκράτες, οι οποίοι δεν είναι άμεσα εμπλεκόμενοι και γνώστες της

εκπαιδευτικής πραγματικότητας.

Είναι σαφώς αδύνατο για τους εκπαιδευτικούς να καταλάβουν πλήρως πώς

μπορεί η πληροφορική να ενσωματωθεί στη διδασκαλία άλλων γνωστικών

αντικειμένων, αν δεν είναι ενημερωμένοι σχετικά με τις δυνατότητες που τους

προσφέρει. Είναι σημαντικό οι εκπαιδευτικοί να μην παραμείνουν σε αυτό το

επίπεδο: χρειάζεται να προχωρήσουν στην κατανόηση της σύνδεσης της

πληροφορικής με το γνωστικό αντικείμενο της ειδικότητάς τους και να αντιληφθούν

τη σημασία που έχει η ανάπτυξη σχετικών δεξιοτήτων49. (Training Educators through

Networks and Distributed Systems-TRENDS)

Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας μπορούν να βοηθήσουν

τους εκπαιδευτικούς να ανανεώσουν τη μέθοδο διδασκαλίας τους και τους τρόπους

μάθησης των μαθητών

Η παρουσία ενός υπολογιστή στην τάξη ενθαρρύνει τους εκπαιδευτικούς να

χρησιμοποιούν περισσότερο τη φαντασία τους για να βρουν τρόπους για την

αποτελεσματικότερη χρήση του.

Οι εκπαιδευτικοί χρησιμοποιούν τρεις μεθόδους προσέγγισης:

1. χρήση του υπολογιστή σαν ένα μηχάνημα-εκπαιδευτή, που επιτρέπει στους

μαθητές να το χρησιμοποιούν μόνοι τους, συχνά ως ανταμοιβή για την καλή τους

συμπεριφορά,

2. χρήση εργαλείων λογισμικού, όπως επεξεργαστές κειμένου, για να

υποστηρίξουν την υπάρχουσα μέθοδο διδασκαλίας,


3. επινόηση νέων τρόπων διδασκαλίας ή εργασιών, των οποίων η υλοποίηση

γίνεται εφικτή ή πιο εύκολη με τη χρήση υπολογιστή.

Επειδή πολλές τάξεις διαθέτουν μόνο έναν υπολογιστή, οι εκπαιδευτικοί πρέπει

να σκεφτούν πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Μερικές φορές τον χρησιμοποιούν

με όλη την τάξη, μερικές φορές με μικρές ομάδες ή ατομικά. Διαπιστώνουν ότι η

ομαδική εργασία ενθαρρύνει τη συζήτηση, αλλά το μέγεθος της ομάδας είναι

σημαντικό, αν πρέπει να συμμετέχει το κάθε μέλος της ομάδας. Πρέπει να σκεφτούν

πώς μπορεί η ομαδική εργασία να αξιολογηθεί ατομικά.

Συχνά οι μαθητές είναι πιο ικανοί από τους δασκάλους τους στη χρήση της

τεχνολογίας. Οι εκπαιδευτικοί που δέχονται αυτή την αλλαγή στη σχέση τους μπορεί

να τη χρησιμοποιήσουν για να κερδίσουν περισσότερο χρόνο για την υποστήριξη της

μαθησιακής διαδικασίας. Οι μαθητές μπορούν να ελέγχουν το ρυθμό με τον οποίο

μαθαίνουν και να επιλέγουν τους τρόπους εργασίας τους με τους οποίους μαθαίνουν

καλύτερα.

Η εύκολη πρόσβαση σε πηγές πληροφοριών σημαίνει ότι ο εκπαιδευτικός δεν

ελέγχει πλέον και δεν περιορίζει την ποσότητα πληροφοριών με τις οποίες δουλεύει ο

μαθητής, και ότι οι έρευνες μπορεί να καταλήξουν σε καινούργιες κατευθύνσεις.

Οι μαθητές ερευνούν ιδέες μόνοι τους, με τους εκπαιδευτικούς έτοιμους να

δώσουν νέες πληροφορίες, να κάνουν συνδέσεις με προηγούμενα μαθήματα ή να

ανα-κατευθύνουν τη σκέψη, όταν η διαδικασία μάθησης έχει φτάσει σε αδιέξοδο. Οι

εκπαιδευτικοί και οι μαθητές γίνονται συνεργάτες στη μάθηση, χρησιμοποιώντας τον

υπολογιστή για να διερευνήσουν νέες περιοχές μαζί49.

Ένα σχετικό ερώτημα που τίθεται όμως σε σχέση με τα παραπάνω είναι: πώς

έχουν αξιοποιηθεί μέχρι σήμερα οι νέες τεχνολογίες στο σημερινό σχολείο και πόσο

έχουν ενσωματωθεί στην εκπαιδευτική διαδικασία;

1.2.3 Η ένταξη των ΝΤΕ στη διδασκαλία των Φ.Ε

Επιχειρώντας μια σύντομη

ιστορική αναδρομή42 της πορείας

εισαγωγής των νέων τεχνολογιών

στην εκπαίδευση στη χώρα μας, θα

λέγαμε ότι επίσημα εντάχθηκαν

στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση και προσεγγίσθηκαν αρχικά ως αυτόνομο γνωστικό

αντικείμενο (από το 1985 άρχισαν τα πρώτα μαθήματα πληροφορικής σε γυμνάσια

1.2.3 Η ένταξη των ΝΤΕ στη

διδασκαλία των Φ.Ε


της χώρας) και στη συνέχεια (τα τελευταία χρόνια), ως εργαλείο μάθησης, το οποίο

μπορεί να ενσωματωθεί στη διδακτική διαδικασία και να βοηθήσει σημαντικά στην ε-

μπέδωση εννοιών σε κάθε γνωστικό αντικείμενο.

Κάνοντας όμως, με τα σημερινά δεδομένα, μια αποτίμηση της κατάστασης, τα

ερωτήματα κατά πόσο τα σχολεία είναι επανδρωμένα με υπολογιστές και αν υπάρχει

διαθέσιμο εκπαιδευτικό υλικό, το οποίο μπορούν οι εκπαιδευτικοί να χρησιμοποιούν

καθημερινά στη διδασκαλία του μαθήματος τους, παραμένουν επίκαιρα50. Γεγονός

είναι ότι ακόμη δεν μπορούμε να μιλάμε για πλήρη ενσωμάτωση των υπολογιστών

στην εκπαιδευτική διαδικασία της χώρας μας και για καθημερινή και άμεση

πρόσβαση των εκπαιδευτικών σε εκπαιδευτικά προγράμματα λογισμικού. Η μέχρι

τώρα πορεία της ένταξης της νέας τεχνολογίας στην εκπαίδευση δείχνει ότι

προτεραιότητες δόθηκαν στη διδασκαλία του μαθήματος της Πληροφορικής με

ανάλογη επένδυση σε τεχνικό εξοπλισμό και δαπάνη χρημάτων, ενώ ζητούμενο

φαίνεται να είναι η παιδαγωγική εκπαίδευση των εκπαιδευτικών σε τεχνολογικά

περιβάλλοντα μάθησης όπου ο υπολογιστής λειτουργεί ως χρηστικό εργαλείο για μια

ποιοτική αναβάθμιση της διδασκαλίας και πάντα στην κατεύθυνση της αξιοποίησης

όλων των πορισμάτων της Γνωστικής Ψυχολογίας, της Παιδαγωγικής και της Δι-

δακτικής διαφόρων μαθημάτων.

Βέβαια μια έρευνα που έγινε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος

«Science Teacher Training in an Information Society»(STTIS, «Κατάρτιση

Εκπαιδευτικών των Φυσικών Επιστημών σε μια κοινωνία Πληροφορίας»), σε 5

χώρες (Ιταλία, Ισπανία, Γαλλία, Νορβηγία, Αγγλία)διαπιστώθηκε ότι παρόλο που οι

εκπαιδευτικές μεταρρυθμίσεις απαιτούν όλο και περισσότερο τη χρήση του

ηλεκτρονικού υπολογιστή στην τάξη αυτό δε φαίνεται να είναι πραγματικότητα. Σε

καμία από τις πέντε παραπάνω χώρες δε θεωρείται δεδομένη ή «προφανής» η χρήση

Η/Υ στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών. Και αυτό ανεξάρτητα του εξοπλισμού

του σχολείου σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Στη Νορβηγία π.χ., που υπάρχει

αντιστοιχία περίπου ενός υπολογιστή για κάθε πέντε μαθητές, συναντήθηκε η ίδια

δυσκολία να βρεθούν καθηγητές των Φυσικών Επιστημών που έκαναν χρήση Η/Υ

στο μάθημά τους, όσο και στην Ισπανία, όπου η αντιστοιχία είναι ένας υπολογιστής

για κάθε 30 μαθητές περίπου 51. http://www.sussex.ac.uk/education/1-4-25-1.html


1.2.4 Η αξία των ΝΤΕ στη διδασκαλία, στη μάθηση και στην ανάπτυξη δεξιοτήτων

Οι Τεχνολογίες των

πληροφοριών και των

επικοινωνιών (ΤΠΕ) - ο όρος

ΤΠΕ καλύπτει ένα ευρύ φάσμα

υπηρεσιών, εφαρμογών, τεχνολογιών, εξοπλισμού και λογισμικών, δηλαδή εργαλεία

όπως η τηλεφωνία και το Ίντερνετ, η εξ αποστάσεως μάθηση, η τηλεόραση, οι

ηλεκτρονικοί υπολογιστές, τα δίκτυα και τα λογισμικά που είναι αναγκαία για τη

χρήση των εν λόγω τεχνολογιών, - μπορούν να συνεισφέρουν θετικά όσον αφορά στη

διδασκαλία και στη μάθηση49. Οι μαθητές συχνά κερδίζουν στα ακόλουθα:

1.2.4 Η αξία των ΝΤΕ στη

διδασκαλία, τη μάθηση και στην

ανάπτυξη δεξιοτήτων

• αποκτούν κίνητρα,

• παρουσιάζουν καλύτερα εργασίες και υλικό,

• αποκτούν ικανότητες για την απάντηση ερωτήσεων,

• επιλύουν προβλήματα,

• διαχειρίζονται πληροφορίες,

• εξοικειώνονται με τις τεχνικές μοντελοποίησης.

Οι εκπαιδευτικοί διαπιστώνουν συχνά ότι (ανάμεσα σε άλλα οφέλη) η χρήση

των ΤΠΕ οδηγεί σε:

• αναθεώρηση στρατηγικών για τη διδασκαλία και τη μάθηση,

• περισσότερες ευκαιρίες διαφοροποίησης,

• περισσότερες προσδοκίες από την πλευρά των μαθητών,

• περισσότερες ευκαιρίες για εξατομικευμένη διδασκαλία και ομαδική

εργασία,

• καλύτερη κατανόηση του βαθμού μάθησης των μαθητών.

Οι ΤΠΕ αποτελούν πλέον από μόνες τους μια παράμετρο “κλειδί” για το

Πρόγραμμα Σπουδών. Χωρίς ένα σταθερό υπόβαθρο σε αυτόν τον τομέα, οι μαθητές

θα είναι σε μειονεκτική θέση σε σχέση με άλλους που μπορούν να αξιοποιούν τις

ΤΠΕ σε όλο το φάσμα του προγράμματος σπουδών, αλλά και σε ευρύτερους τομείς

εργασίας.


Είναι σαφές ότι η κοινωνία μας μεταβάλλεται ταχύτατα σε μια κοινωνία

πληροφορίας, απαιτώντας από τους πολίτες της να έχουν εξοικειωθεί με τις

διαθέσιμες πηγές πληροφοριών και με τη διαχείριση τους.

Για να μπορούν να εκμεταλλευτούν πλήρως τις πηγές πληροφοριών, οι μαθητές

χρειάζονται ευκαιρίες για να μπορέσουν να αναπτυχθούν:

• η αυτοπεποίθηση και οι δεξιότητες στη χρήση των υπολογιστών και των

περιφερειακών τους σε ένα ευρύ πλαίσιο περιπτώσεων,

• η γνώση της σημασίας και των ορίων των υπολογιστών και των εργαλείων

της πληροφορικής στην κοινωνία,

• η εκτίμηση του εύρους των εφαρμογών των TΠΕ, συμπεριλαμβανομένης της

χρήσης της Πληροφορικής στην επικοινωνία και τη διαχείριση πληροφοριών,

• ο έλεγχος και η μοντελοποίηση,

• η κατανόηση της συνεισφοράς των TΠΕ στην επίλυση προβλημάτων με

συστηματικό και μεθοδικό τρόπο.

Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας ανταποκρίνονται στις

ιδιαίτερες ατομικές ανάγκες και ικανότητες Δεν μπορούν όλοι να μάθουν με τον ίδιο τρόπο και με την ίδια ταχύτητα. Οι

καλοί εκπαιδευτικοί προσπαθούν πάντα να βρουν τρόπους παρουσίασης του υλικού

διδασκαλίας με διαφορετικούς τρόπους για διαφορετικούς μαθητές, αλλά αυτό δεν

είναι πάντα εύκολο. Οι ΤΠΕ μπορούν να βοηθήσουν σε αυτή την κατεύθυνση.

Ένας υπολογιστής:

• μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεπεραστούν οι φυσικές ανικανότητες και

να δώσει επιπλέον ευκαιρίες μάθησης στους μαθητές. Ακόμα και ο μαθητής που δεν

μπορεί να παρακολουθήσει μαθήματα στη σχολική αίθουσα έχει τη δυνατότητα να

μορφωθεί χρησιμοποιώντας την εξ αποστάσεως εκπαίδευση,

• μπορεί να εργασθεί με ταχύτητα προσαρμοσμένη στις ανάγκες των μαθητών

και όχι με ένα κοινό ρυθμό,

• επιτρέπει σε ένα μαθητή να γυρίσει πίσω, να ζητήσει διευκρινίσεις και να

κάνει λάθη χωρίς να τα βλέπουν οι άλλοι,

• επιτρέπει στο μαθητή να ξεκινήσει και να σταματήσει την εργασία του σε

διαφορετικά σημεία,

• μπορεί να έχει άμεση θετική ανταπόκριση, έτσι ώστε ο μαθητής να γνωρίζει

ότι βρίσκεται στη σωστή κατεύθυνση, χωρίς να χρειάζεται να περιμένει τον


εκπαιδευτικό για να διορθώσει την εργασία του, πριν να προχωρήσει στον επόμενο

στόχο του,

• μπορεί να είναι απεριόριστα υπομονετικός, δεν κρίνει, πληροφορεί το

μαθητή για την επιτυχία ή την αποτυχία, χωρίς να λέει αν ο μαθητής είναι καλός ή

κακός,

• δίνει τη δυνατότητα σύνδεσης με άλλες πηγές πληροφοριών, όπως ένα CD-

ROM και ένα αλληλεπιδραστικό video, επιτρέποντας στο μαθητή να παίρνει

πληροφορίες από μία πληθώρα πηγών, χωρίς να χρειάζεται να συμβουλευτεί τον

εκπαιδευτικό.

Καθώς δουλεύουν με μεγάλες συλλογές δεδομένων, οι μαθητές εξοικειώνονται

με διαφορετικούς τρόπους διαχείρισης της πληροφορίας. Η ομαδοποίηση, η

οργάνωση και η ταξινόμηση γίνονται συνήθεια και οργανώνουν τη δουλειά τους με

μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα.

1.2.5 Προτάσεις για την αποτελεσματικότερη ένταξη των ΝΤΕ στη διδασκαλία

Προσπαθώντας να διατυπώσουμε κάποιες προτάσεις προκειμένου οι νέες

τεχνολογίες να ενταχθούν αποτελεσματικότερα σε όλο τα φάσμα της σχολικής

πραγματικότητας, θα λέγαμε ότι εκείνο που προέχει, κατά κύριο λόγο από τη μεριά

της πολιτείας, είναι η επιμόρφωση των εκπαιδευτικών, όχι μόνο όσον αφορά στην

κατάρτιση τους στις νέες τεχνολογίες, αλλά και όσον αφορά στην επιμόρφωση τους

για το πώς μπορούν διδακτικά να άξιοποιηθούν οι νέες τεχνολογίες, σε συνδυασμό με

τις νεότερες θεωρίες για τη μάθηση30. Το πρόβλημα φαίνεται να εντοπίζεται στο

γεγονός ότι παράλληλα με τον εξοπλισμό σε υπολογιστική τεχνολογία που

δρομολογείται στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, δεν εξελίσσονται εξίσου οι

αντιλήψεις και γνώσεις της εκπαιδευτικής κοινότητας για τον ρόλο που μπορεί να

παίξουν οι νέες τεχνολογίες στην ποιοτική αναβάθμιση του εκπαιδευτικού μας συστή-

ματος. Το να αλλάξει η κοινωνία την υλικοτεχνική υποδομή στα σχολεία ή να

αλλάξει τα βιβλία30, δεν σημαίνει ότι μπορεί να επιτευχθεί η συνεργατική μάθηση,

όπου ο μαθητής θα αυτενεργεί μέσα σε ένα παιδαγωγικό κλίμα συνεργασίας με τον

καθηγητή.

Κάποια δε επιθυμητά χαρακτηριστικά52 που πρέπει να έχει η επιμόρφωση των

εκπαιδευτικών είναι: να είναι ενδοσχολική έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη τα ιδιαί-

τερα στοιχεία κάθε σχολικής μονάδας, να έχει μια συνέχεια και να μην είναι εντατική,


για να μπορούν οι εκπαιδευτικοί να ανταποκριθούν στον ετήσιο διδακτικό

προγραμματισμό που θα κάνουν, να στοχεύει στο να επιτύχει την αξιοποίηση των

νέων τεχνολογιών στη διδακτική όλων των γνωστικών αντικειμένων και τέλος να

ενθαρρύνει την ανταλλαγή απόψεων ανάμεσα σε όλους τους εμπλεκόμενους

εκπαιδευτικούς.

Προτεραιότητα επίσης πρέπει να δοθεί στην εισαγωγή των νέων τεχνολογιών

πληροφορίας και επικοινωνίας στην Πρωτοβάθμια Εκπαίδευση, μια που η βαθμίδα

αυτή της εκπαίδευσης, μακριά από το άγχος των Πανελληνίων εξετάσεων,

προσφέρεται για μια περισσότερο οργανωμένη χρήση του υπολογιστή53, ενώ η

συνεργασία των πανεπιστημιακών τμημάτων -που έχουν αναπτύξει ερευνητικές

δραστηριότητες στα θέματα αυτά- με όλους τους αντίστοιχους φορείς, όπως ΥΠΕΠΘ,

ΠΙ, ΚΕΕ κ.λ.π. επιβάλλεται, προκειμένου να αξιοποιηθεί όλη αυτή η εμπειρία για την

χάραξη εκπαιδευτικής πολιτικής.

Ένα άλλο στοιχείο που πρέπει να γίνει αντιληπτό από τους εκπαιδευτικούς κατά

τη διαδικασία επιμόρφωσης τους, είναι ότι δεν είναι όλα τα εκπαιδευτικά λογισμικά

κατάλληλα για όλες τις εκπαιδευτικές πρακτικές. Οι εκπαιδευτικοί πρέπει να

ενημερωθούν54 για διάφορους τύπους λογισμικών και πώς αυτά μπορούν να

ενταχθούν στη διδασκαλία, ανάλογα με τη δραστηριότητα στην οποία θα

επικεντρωθούν, όπως π.χ. ανάλυση πληροφοριών, σύνθεση, επίλυση προβλημάτων,

δημιουργία τεχνολογικών κατασκευών, κ.λ.π. Είναι σημαντικό να εκπαιδευθούν οι

εκπαιδευτικοί να μπορούν να επιλέγουν το είδος του λογισμικού που θα

χρησιμοποιήσουν για κάποιο συγκεκριμένο εκπαιδευτικό στόχο που θέλουν να επι-

τύχουν, π.χ. εισαγωγή κάποιας έννοιας ή εμπέδωση της έννοιας από τους μαθητές και

να γνωρίζουν επίσης και την χρονική στιγμή, που κρίνεται η πλέον κατάλληλη, για να

το εντάξουν. Απαραίτητο επίσης είναι να σχεδιασθούν αναλυτικά προγράμματα για

τεχνολογικά περιβάλλοντα μάθησης όπου μέσα από τους σκοπούς και στόχους θα

καθορίζονται οι αλληλεπιδράσεις55 ανάμεσα σε μαθητή, δάσκαλο, υλικό (hardware)

και λογισμικό (software).

Με το να αλλάξει μόνο ο τρόπος διδασκαλίας στην τάξη δεν σημαίνει ότι θα

επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, αν αυτή η αλλαγή δεν συνοδεύεται από την

προσπάθεια να τεθούν εκπαιδευτικοί στόχοι56 σε εθνικό επίπεδο, όπου βαρύτητα θα

δοθεί: α) στην ανάπτυξη των δεξιοτήτων των μαθητών για να μπορούν, μέσα σε ένα

φιλικό κλίμα συνεργασίας στην τάξη, να ανακαλύπτουν τη γνώση και να την

αξιολογούν κριτικά β) στον επανακαθορισμό του τι πρέπει να διδάσκεται, με την


έννοια ότι η γνώση που παρέχεται στους μαθητές, πρέπει να συνδέεται με την

πραγματικότητα, να καλύπτει λιγότερα θέματα, τα οποία θα μελετώνται σε βάθος και

να ελέγχεται κατά πόσο αυτή έχει γίνει κτήμα των μαθητών και όχι να ελέγχεται -

όπως γίνεται μέχρι σήμερα- ο βαθμός απομνημόνευσης αυτής της γνώσης από τους

μαθητές γ) σε ένα πιο ευέλικτο και αποκεντρωμένο εκπαιδευτικό σύστημα, όπου

καθηγητές, γονείς και τοπικοί φορείς θα μπορούν να παίξουν ο καθένας το ρόλο του

στην κατεύθυνση της βελτίωσης της εκπαίδευσης. Έτσι, οι αλλαγές στα αναλυτικά

προγράμματα πρέπει να επικεντρώνονται στο ξεκάθαρο ρόλο που μπορεί να

διαδραματίσουν οι νέες τεχνολογίες σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης.

Ο εκπαιδευτικός, από την άλλη μεριά, πρέπει να αποκτήσει θετική στάση

απέναντι στις νέες τεχνολογίες και να εγκαταλείψει την προκατάληψη που τον

διακατέχει απέναντι σε αυτές. Πρέπει να πιστέψει ακόμη στις δυνατότητες που

μπορεί να του δώσει το μέσο αυτό ως προς την αναβάθμιση της δουλειάς του.

Απαραίτητη προϋπόθεση για τα παραπάνω είναι η σωστή ενημέρωση και

επιμόρφωση των εκπαιδευτικών στην παιδαγωγική και διδακτική χρήση των μέσων

αυτών57. Σύμφωνα δε με έρευνες43, όσο περισσότερη γνώση αποκτούν οι

εκπαιδευτικοί για την παιδαγωγική και διδακτική λειτουργία των υπολογιστών, τόσο

θετικότερη στάση αποκτούν έναντι των νέων τεχνολογιών και τόσο περισσότερο τις

χρησιμοποιούν στη διδασκαλία τους.

1.2.6 Τα Συστήματα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης

Στην αγωνιώδη αναζήτηση των βέλτιστων Εκπαιδευτικών Μεθόδων και

Σχεδιασμού για την διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών (ΦΕ) στην εκπαίδευση, οι

Τεχνολογίες της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών (ΤΠΕ) διεκδικούν ένα

ανερχόμενο αν όχι πρωταγωνιστικό ρόλο. Ένα μικρό κομμάτι της εμπλοκής των ΤΠΕ

στην οικοδόμηση της γνώσης στις Φυσικές Επιστήμες αποτελούν τα εργαστήρια

βασισμένα σε υπολογιστή (Microcomputer Based Labs, MBL). Στην Ελλάδα

ονομάζονται Συστήματα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης (ΣΣΛΑ) και ο λόγος

ένταξης τους στην διδακτική πρακτική είναι κυρίως η υποστήριξη πειραμάτων

επίδειξης χωρίς να αποκλείεται όμως και η χρήση τους από μαθητές.

Τα Συστήματα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης


• καταγράφουν, μέσω κατάλληλων αισθητήρων, μετρήσεις φυσικών

μεγεθών σε ένα πείραμα που γίνεται εκείνη τη στιγμή μπροστά στους

μαθητές.

• μεταφέρουν και απεικονίζουν τις μετρήσεις, μέσω κατάλληλου

λογισμικού, σε ηλεκτρονικό υπολογιστή ακόμα και σε πραγματικό

χρόνο.

• έχουν τη δυνατότητα επεξεργασίας των μετρήσεων, μέσω έτοιμων

συναρτήσεων που διαθέτει το λογισμικό τους και απεικόνισης των

αποτελεσμάτων της επεξεργασίας.

• οι μετρήσεις ή οι γραφικές παραστάσεις μπορούν να εξαχθούν σε άλλα

προγράμματα (Word, Excel) για τη δημιουργία φύλλων εργασίας που θα

δοθούν στους μαθητές για περαιτέρω επεξεργασία, όπως θα γινόταν με

τις μετρήσεις από μια κλασική πειραματική διαδικασία με συμβατικά

όργανα μέτρησης.

Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι ότι:

προσφέρονται για την μελέτη φαινόμενων ή διεργασιών και την

επαλήθευση νόμων, μέσω πειραμάτων που μπορούν να σχεδιαστούν και να

πραγματοποιηθούν με τα μέσα των Εργαστηρίων Φυσικών Επιστημών.

πλεονεκτούν έναντι των άλλων εφαρμογών της Νέας Τεχνολογίας γιατί

περιγράφουν την ίδια την πραγματικότητα και όχι ένα μοντέλο της πραγματικότητας.

με τη χρήση τους μπορούν να μελετηθούν φαινόμενα που διαρκούν ελάχι-

στο χρόνο (της τάξης των ms ή μs).

εισάγουν τον μαθητή στην επιστημονική μέθοδο (παρατήρηση, πείραμα,

συμπέρασμα) με πραγματικές μετρήσεις μεγεθών και όχι με τιμές μεγεθών που

αναπαράγονται από το θεωρητικό μοντέλο και νομοτελειακά το επιβεβαιώνουν, όπως

συμβαίνει στα προγράμματα μοντελοποίησης και στις εφαρμογές Java.

Το πρόγραμμα εξοπλισμού των Εργαστηρίων των ΦΕ των Ενιαίων Λυκείων

περιέλαβε ένα MBL σύστημα με αποτέλεσμα τα περίπου 1.100 νέα εργαστήρια των

ΦΕ να είναι εφοδιασμένα με αυτό από τον Σεπτέμβρη του 2001.


1.2.7 Το Σύστημα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης των Εργαστηρίων Φυσικών Επιστημών των Ενιαίων Λυκείων

Το ΣΣΛΑ αποτελείται από ένα καταγραφέα δεδομένων (Data logger - Multilog)

στον οποίο προσαρμόζεται μια σειρά από αισθητήρες συλλογής των δεδομένων. Οι

αισθητήρες συνδέονται μέσω του καταγραφέα με Η/Υ. Το σύστημα συνοδεύεται από

το απαραίτητο λογισμικό (DB-Lab 3.2), το οποίο αναλαμβάνει την μεταφορά των

δεδομένων στον Η/Υ και την μαθηματική - γραφική επεξεργασία τους.

Περιλαμβάνει τους εξής αισθητήρες:

1. Δύναμης 2. Κίνησης

3. Θερμοκρασίας (2 τεμ.) 4. Διαφοράς δυναμικού (2 τεμ.)

5. Απόλυτης πίεσης αερίων 6. Έντασης ρεύματος (2 τεμ.)

7. Μαγνητικού πεδίου 8. Μικρόφωνο

9. Φωτεινής έντασης 10. Φωτοπύλη (2 τεμ.)

11. Μέτρησης ρΗ 12. Μετρητή Geiger-Muller

Ο καταγραφέας Multilog είναι ένας μικρός και εύχρηστος αναλογικο-ψηφιακός

μετατροπέας και ισχυρός καταγραφέας δεδομένων που λειτουργεί ανεξάρτητα από

υπολογιστή και τροφοδοσία ηλεκτρικού δικτύου, επιτρέπει μετρήσεις σε εξωτερικό

χώρο και είναι ευέλικτος για μετρήσεις σε εργαστηριακές αίθουσες.

Οι αισθητήρες είναι συσκευές οι οποίες μετατρέπουν τις τιμές των διαφόρων

φυσικών μεγεθών (π. χ. θερμοκρασίας , πίεσης, έντασης ηλεκτρικού ρεύματος , κλπ)

σε τιμές ηλεκτρικής τάσης 0 - 5V, συνήθως με γραμμική εξάρτηση. 58

http://epyna.kyk.sch.gr/modules.php?name=News&file=article&sid=937

1.2.8 Η αποδοχή και χρήση του Συστήματος Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης στα Εργαστήρια Φ.Ε των Ενιαίων Λυκείων

Από έρευνα των Βαμβακούση Χ. και Μακρυωνίτη Γ. 58 όπου επιχειρήθηκε

α) να καταγραφεί η συχνότητα χρήσης του ΣΣΛΑ από τους «φυσικούς» χρήστες

του (Καθηγητές, Μαθητές, Υπεύθυνους ΕΚΦΕ) και

β) να διερευνηθεί για ποιους λόγους το ΣΣΛΑ χρησιμοποιήθηκε ή δεν χρησιμο-

ποιήθηκε μέχρι τον Φεβρουάριο του 2003, προέκυψαν τα εξής:

Έγινε επιμόρφωση των καθηγητών στην χρήση του συστήματος από τους υπεύ-

θυνους Ε.Κ.Φ.Ε., στο 80.7% των σχολείων (355 σχολεία).


Το ΣΣΛΑ χρησιμοποιήθηκε "έστω και μια φορά", από τους καθηγητές σε 178

σχολεία, δηλαδή στο 40,7% του συνόλου. Το ποσοστό χρήσης του συστήματος είναι

το μισό του ποσοστού της επιμόρφωσης άρα ένα στα δύο σχολεία στα οποία έγινε

επιμόρφωση χρησιμοποίησε το σύστημα.

Χρησιμοποιήθηκε επίσης στο 19,1% των σχολείων από τους υπεύθυνους

Ε.Κ.Φ.Ε. στην τάξη, στο πλαίσιο των επιμορφωτικών δραστηριοτήτων των Ε.Κ.Φ.Ε.

Τέλος σε ένα πολύ μικρό ποσοστό (2,7%) έγινε χρήση του συστήματος από τους

ίδιους τους μαθητές.

Κατά την ανίχνευση των πλεονεκτημάτων του συστήματος τα οποία οδήγησαν

στην χρησιμοποίηση του από τους καθηγητές, παρατηρήθηκε ότι το μεγαλύτερο

ποσοστό (75%), αναφέρεται στην πολύ συχνή ή συχνή χρήση του συστήματος λόγω

της δυνατότητας του για "αυτόματη χάραξη γραφικών παραστάσεων".

Σε υψηλά ποσοστά (53%-58%) αναφέρεται η προτίμηση στη χρήση του ΣΣΛΑ

λόγω των ισχυρών χαρακτηριστικών καταγραφής δεδομένων (data logging) όπως:

• Λήψη μετρήσεων σε υψηλούς ρυθμούς (Εως 14.200 δείγματα ανά δευτερόλε-

πτο).

• Λήψη μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο.

• Αξιοπιστία των μετρήσεων.

• Ταυτόχρονες μετρήσεις διαφορετικών παραμέτρων (Έως 6 αισθητήρες

ταυτόχρονα).

Σε σημαντικά ποσοστά (44.4%) αναφέρεται η "συχνή ή πολύ συχνή" χρήση του

συστήματος λόγω της ""μεγάλης γκάμας αισθητήρων" άρα και της αυξημένης

δυνατότητας να "αντικαθιστά όργανα που δεν υπάρχουν ή δεν λειτουργούν".

Σε χαμηλότερα ποσοστά το ΣΣΛΑ αξιοποιείται λόγω της "πολύ καλής

μαθηματικής επεξεργασίας των δεδομένων" (41,6%) και της "δυνατότητας εξαγωγής

δεδομένων σε φύλλα εργασίας" (27,7%).

Στα υπέρ του συστήματος καταλογίζονται με υψηλά ποσοστά, η καινοτομία

(55,5%) και η ελκυστικότητα προς τους μαθητές (58,3%), ενώ αντίθετα εμφανίζεται

μειωμένη η ευκολία χρήσης του συστήματος (σπάνια-καθόλου 44,4%). Επίσης αξιο-

ποιείται ελάχιστα (16,6%) η δυνατότητα λήψης μετρήσεων σε εξωτερικό χώρο .

Τέλος η αξιοποίηση του συστήματος στο πλαίσιο της υλοποίησης στόχων (2000-

2001) του Γραφείου Εργαστηρίων του ΥΠ.Ε.Π.Θ. καταγράφεται σαν κίνητρο με

ποσοστά: 44,4% πολύ συχνά-συχνά και 25% σπάνια-καθόλου.


Κατά την αναζήτηση των λόγων για τους οποίους το ΣΣΛΑ δεν χρησιμοποιήθη-

κε, διερευνήθηκε αρχικά η επάρκεια των απαραίτητων υποδομών υποστήριξης του.

Από τις απαντήσεις δεν διαπιστώθηκε σαν λόγος μη χρήσης του συστήματος η

έλλειψη υποδομών. Έτσι λόγοι όπως: Δεν υπάρχει / δεν λειτουργεί ο Η/Υ, δεν

υπάρχει εργαστήριο πληροφορικής, δεν λειτουργεί βιντεοπροβολέας, συγκεντρώνουν

μικρά ποσοστά της τάξης 5,5%-19,4%. Διαπιστώθηκε όμως ότι υπάρχουν δυσκολίες

στην χρήση των υποδομών από την πλευρά των καθηγητών μια και καταγράφεται ένα

υψηλό ποσοστό 80,5% με "ανεπαρκή γνώση στη χρήση Η/Υ".

Στην προσπάθεια να διαπιστωθούν πιθανές δυσλειτουργίες και ελλείψεις του

συστήματος διαπιστώθηκε ότι σε χαμηλά ποσοστά αναφέρονται: "Προβλήματα με το

λογισμικό" (πολύ συχνά-συχνά 30,5%), "προβλήματα συνεργασίας με Η/Υ" (πολύ

συχνά-συχνά 22,1%), ενώ ο αριθμός και η λειτουργία των αισθητήρων κρίνονται

ικανοποιητικά (σπάνια-καθόλου 58,3%,55,6%). Σε γενικές γραμμές το ΣΣΛΑ

χαρακτηρίζεται αξιόπιστο.

Συμπερασματικά ούτε η έλλειψη υποδομών ούτε τα λειτουργικά προβλήματα

του συστήματος αποτελούν ανασταλτικούς παράγοντες για την χρήση του.

Η αιτία μη χρήσης που καταγράφεται με τα υψηλότερα ποσοστά (πολύ συχνά-

συχνά 88,9%) είναι "ο αρκετός χρόνος που απαιτείται για την εξοικείωση με το

σύστημα". Το γεγονός αυτό υποστηρίζεται και από την άποψη ότι "το ΣΣΛΑ είναι

περίπλοκο" (πολύ συχνά-συχνά 69,5%).

Επίσης σαν βασική αιτία μη χρήσης του συστήματος εμφανίζεται το γεγονός ότι

"δεν γίνονται εργαστήρια γενικά" (πολύ συχνά-συχνά 69,4%), αλλά και όταν γίνονται

υπάρχει μια σαφής τάση για "προτίμηση στη χρήση κλασικών διατάξεων" (πολύ

συχνά-συχνά 83,3%) η οποία ενδεχόμενα ενισχύεται από την "ανεπαρκή επιμόρφωση

στην χρήση του ΣΣΛΑ" την οποία επικαλείται το 58,3% . Στα παραπάνω θα πρέπει

να προστεθεί και ένα μη αμελητέο ποσοστό 33,2% το οποίο δεν χρησιμοποιεί το

σύστημα φοβούμενο "πιθανή καταστροφή" του. Τέλος το 50% πιστεύει ότι το ΣΣΛΑ

δεν επιτρέπει την "ενεργητική συμμετοχή των μαθητών".

Στις "άλλες αιτίες" γίνεται αναφορά στην έλλειψη χρόνου, κεφιού, στη συχνή

αλλαγή καθηγητών ΠΕ04 και στη μη προσαρμογή των εργαστηριακών ασκήσεων με

χρήση αισθητήρων.


1.2.9 Οι γενικοί στόχοι

Έχοντας υπόψη την παραπάνω έρευνα και μια σχετικά επιφανειακή επαφή και

εμπειρία με το ΣΣΛΑ θελήσαμε να εμβαθύνουμε στην λειτουργία του και τη χρήση

του και να διαπιστώσουμε τα πλεονεκτήματα του και τις δυσλειτουργίες του

σχεδιάζοντας πειράματα για τη μελέτη των νόμων των αερίων και την εξαγωγή της

καταστατικής εξίσωσης.

Έγινε προσπάθεια να ανακαλυφθούν οι καλύτερες αρχικές συνθήκες που θα

έδιναν καλύτερα αποτελέσματα και θα βοηθούσαν στη πιο γρήγορη και

εναρμονισμένη με τη θεωρία εξαγωγή συμπερασμάτων από τα πειράματα.

Χρησιμοποιήσαμε το ΣΣΛΑ διότι με το «real time» χαρακτήρα του δίνει τη

δυνατότητα στους μαθητές και το διδάσκοντα να βλέπουν απευθείας τη μορφή των

γραφικών παραστάσεων που προκύπτουν, όπως επίσης και την αποθήκευση και

χρησιμοποίηση των μετρήσεων για παραπέρα υπολογισμό είτε σφαλμάτων, είτε

ακόμη και της τιμής του απολύτου μηδενός. Έγιναν προσπάθειες να ανακαλυφθούν οι

αιτίες που προκαλούσαν μεγαλύτερα σφάλματα ώστε τα πειράματα να μη

δημιουργήσουν νέες παρανοήσεις.

Εκτός όμως της ανίχνευσης των δυνατοτήτων του ΣΣΛΑ ως συσκευής που

διευκολύνει την πειραματική δουλειά, έγινε προσπάθεια να προταθεί ένας τρόπος

ένταξης του στη διδακτική πρακτική. Έτσι το κάθε πείραμα αναπτύχθηκε σαν ένα

πλήρες μάθημα διδασκαλίας στο εργαστήριο σύμφωνα με το μοντέλο του

εποικοδομητισμού. Ετοιμάστηκαν ερωτήσεις για την ανακάλυψη των εναλλακτικών

ιδεών, στοιχεία ιστορίας για την παρουσίαση των παράλληλων ενεργειών των

επιστημόνων μέχρι την κατάληξη στη διατύπωση της καταστατικής εξίσωσης.

Ετοιμάστηκαν φύλλα εργασίας , τα οποία μπορούν να δοθούν στους μαθητές, για

συμπλήρωση μετά την εκτέλεση του πειράματος στο εργαστήριο, είτε ως εργασία για

το σπίτι. Στα φύλλα εργασίας αξιοποιείται το σύνολο σχεδόν των πληροφοριών που

προκύπτουν από τις καταγραφές του ΣΣΛΑ για κάθε πείραμα, καθώς και εμπλέκονται

στοιχεία από την εφαρμογή των νόμων των αερίων στην καθημερινή ζωή.

Έγινε μια προσπάθεια για να οργανωθεί όσο το δυνατόν πληρέστερα η

διδασκαλία των πειραμάτων στο εργαστήριο και η καλύτερη ένταξή τους στη

διαδικασία διδασκαλίας.


2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ – ΘΕΩΡΙΑ


2.1 Ιστορική Ανασκόπηση

2.1.1 Εισαγωγή Οι ιστορικοί ισχυρισμοί που αφορούν τους νόμους των αερίων, όπως ο καθένας

μπορεί να τους βρει σε διάφορα εγχειρίδια, δεν είναι πάντα ακριβείς. Βρίσκουμε

πάντα περιπτώσεις, λανθασμένων και ξεχασμένων, ή ακόμη χειρότερα εσκεμμένα,

μη απόδοσης της αναγνώρισης μιας ανακάλυψης ενός επιστημονικού νόμου στον

πρωτεργάτη. Σε πολλά εγχειρίδια υπάρχει διαφωνία στην πατρότητα άρα και στην

ονομασία των ίδιων των νόμων των αερίων. Αν εξαιρέσουμε το νόμο που περιγράφει

την ισόθερμη μεταβολή P V=const την πατρότητα του οποίου αποδίδουν όλοι στον

Boyle (αν και κάποιοι ονομάζουν το νόμο Boyle –Mariotte), υπάρχει σύγχυση για

τους άλλους δύο νόμους, ειδικά για τη σχέση P-T η οποία αλλού αποδίδεται στον

Charles, αλλού στον Gay-Lussac, αλλού και στους δύο, αλλού ονοµάζεται «νόµος

πιέσεων» και αλλού αποδίδεται στον Γάλλο φυσικό Guillaume Amonton.

Χαρακτηριστικός της σύγχυσης είναι ο παρακάτω πίνακας που δείχνει πως

αποδίδουν, αρκετά εγχειρίδια σχολικά και πανεπιστημιακά, την πατρότητα των

νόμων.

Πίνακας Ι

(Νόμοι των αερίων σε διάφορα εγχειρίδια και σε δικτυακούς τόπους)

Α/Α Πηγή Σχέση P-V Σχέση P-T Σχέση V-T

1 Αντωνίου κ.ά. (2000) Boyle- Mariotte --- ---

2 Λιοδάκης κ.ά. (2001) Boyle Charles Gay Lussac

3 Ιωάννου κ.ά. (2001) Boyle Charles Gay Lussac

4 MultiLog Εγχειρίδιο πειραµάτων

Boyle Charles - Gay

Lussac

---

5 Abbott Boyle Charles Νόμος Πιέσεων

6 Ebbing Gammon Boyle --- Charles

7 P.W.Atkins Boyle Charles Charles

8 Ohanian Boyle --- Gay Lussac ή

(Charles)

9 H.D.Young Boyle Charles ---

10 Serway Boyle --- Charles και Gay


Lussac

11 Halliday-Resnck Boyle --- Charles και Gay

Lussac

12 Κυργιάκος-Μπλέρης Boyle- Mariotte Charles και Gay

Lussac

Charles και

Gay Lussac

13 Πλευριτάκης Ιωάννης Boyle Charles Gay Lussac

14 PU (δικτυακός τόπος) Boyle Charles Amonton

15 TAMU (δικτυακός τόπος)

Boyle Charles Amonton

Επομένως έχει ενδιαφέρον η έρευνα της ιστορίας των επιστημονικών

ανακαλύψεων για καθορισμό αν είναι δυνατόν:

της συµµετοχής καθενός από τους πρωτοπόρους αυτούς,

των εφευρέσεων που προηγήθηκαν και τους ενέπνευσαν (είναι

γνωστό για παράδειγμα, ότι οι πρώτες πτήσεις των αεροστάτων

των αδελφών Joseph και Etienne Montgolfier ώθησαν τους Charles

και Gay-Lussac να μελετήσουν στη συνέχεια τη σχέση πίεσης-

θερµοκρασίας),

των πειραματικών διατάξεων που χρησιμοποίησαν.

Η συµβολή των Robert Boyle, Jacques Charles, Joseph-Louis Gay-Lussac,

Guillaume Amonton, Amadeo Avogadro καθώς και αυτή του Joseph Lambert (που

εισήγαγε τον ορισμό του απολύτου μηδενός στην κλίμακα των θερμοκρασιών) και

του John Dalton (νόμος μερικών πιέσεων) στην διαμόρφωση της τελικής μορφής του

νόμου των αερίων θα αποτελέσει το πρώτο μέρος της παρούσης εργασίας.

2.1.2 Πρώιμες έννοιες – Η φύση των αερίων Η ιστορία της ατομικής θεώρησης της ύλης και της βαθμιαίας αποδοχή της από

την επιστημονική κοινότητα προκαλεί κατάπληξη από πολλές απόψεις -ως προς τις

απαρχές της, ως προς τη διάρκεια και την ένταση της σχετικής διαμάχης, ως προς την

ποικιλία των επιστημόνων και των κλάδων που αναμείχθηκαν, ως προς τη συχνά

απροσδόκητη σύμπτωση ανεξάρτητων επιχειρημάτων και ως προς τη συνεχώς

ογκούμενη πλημμύρα συνεπειών, η οποία τελικά παρέσυρε όλους τους

επιστημονικούς κλάδους.59

Η αρχή τοποθετείται κάπου στον 5ο

αιώνα π.Χ από τον Έλληνα φιλόσοφο τον Οι απόψεις των Αρχαίων Ελλήνων


Παρμενίδη τον Ελεάτη (γεννήθηκε γύρω στο 515 π.Χ), έναν από τους πιο

πρωτότυπους στοχαστές και φιλόσοφους της αρχαιότητας , με το ποίημά του ‘‘Περί

Φύσεως’’ μια βαθυστόχαστη διαπραγμάτευση των βασικών θεμάτων της

κοσμολογίας. Με το ποίημα αυτό, το οποίο αποτελείται από δυο άνισα τμήματα μας

εισάγει στην έννοια του όντος, την οποία διαπραγματεύεται με μια πρωτοτυπία που

εκπλήττει και θεμελιώνει ένα τομέα της φιλοσοφίας που ονομάστηκε αργότερα

οντολογία. Η οντολογία περιλαμβάνει τη μελέτη και ανάλυση εκείνων των εννοιών

που εκφέρονται με λέξεις όπως: ον, πραγματικότητα, ύπαρξη κλπ.

Ο Παρμενίδης, λοιπόν απορρίπτει κατηγορηματικά κάθε δυνατότητα αναφοράς,

κάθε σκέψη ή εννοηματική χρήση της γλώσσας για το μη υπάρχον, για το τίποτε.

Αρνείται την πιθανότητα ύπαρξης κενού60.

Ακολουθεί ο Αριστοτέλης ο οποίος στο κυριότερο έργο του ‘‘Τα Φυσικά’’

απορρίπτει την έννοια του κενού χώρου (περίπου το 350 π.Χ). Για δυο χιλιάδες

χρόνια οι φιλόσοφοι μιλούσαν για την απέχθεια που είχε η φύση για τον κενό χώρο –

την -horror vacui-. Λόγω αυτής της απέχθειας η φύση έλεγαν ότι εμπόδιζε τη

δημιουργία κενού μαζεύοντας οτιδήποτε υπάρχει κοντά και γεμίζοντας στιγμιαία μ’

αυτό οποιοδήποτε χώρο που κενώνεται61.

Σε αντίθεση με τον Παρμενίδη ήρθε ο Λεύκιππος (460 π.Χ) που εισήγαγε την

έννοια των ατόμων, αλλά υποστήριξε και την έννοια του κενού. Όπως αναφέρει ο

Σιμπλίκιος (στα Φυσικά 28,15) ‘δίπλα στον Λεύκιππο, ο Δημόκριτος ο Αβδηρίδης,

έθεσαν αρχές για το πλήρες και το κενό.’ Υποστήριξαν ότι η ύλη είναι πράγματι

διαιρετή πολύ πέρα της άμεσης εμπειρίας, αλλά υπάρχει επίσης ένα έσχατο υπόβαθρο

απείρως σκληρών, άτμητων, αδιαίρετων σωματιδίων, τα οποία θα μπορούσαμε να

ονομάσουμε άτομα60.

Ο Ρωμαίος ποιητής Λουκρήτιος, στο έργο του Σχετικά με τη Φύση των

πραγμάτων (De Rerum Natura), παρουσίασε τη διδασκαλία των πρωτότυπων

ελληνικών έργων, χαμένων σήμερα ως επί το πλείστον, και συνόψισε αυτήν την

ατομική θεωρία, η οποία «αποτελεί το αποκορύφωμα της ρωμαϊκής επιστημονικής

σκέψης» (Σάρτον) - αν και το έργο αυτό δεν θα πρέπει να θεωρείται κυρίως ως

επιστημονικό κείμενο.

Η καθοδηγητική αρχή του έργου του Λουκρήτιου είναι η ακόλουθη: «Όλη η

φύση, λοιπόν, όπως υφίσταται αυθύπαρκτη, αποτελείται από δύο πράγματα: υπάρ-

χουν τα σώματα και υπάρχει το κενό, στο οποίο βρίσκονται και κινούνται αυτά τα

σώματα...». Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από τα δύο αυτά έσχατα συστατικά


στοιχεία της πραγματικότητας: από την μία, στερεά και αιώνια σωματίδια και, από

την άλλη, το κενό. Σημειώστε ότι, εξ ορισμού, τα άτομα αυτά δεν είναι άμεσα

αντιληπτά από τις αισθήσεις. Κατά συνέπεια, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η

δομή της ύλης αποτέλεσε επί πολύ καιρό αντικείμενο αδιέξοδων συζητήσεων, είτε

αυτές κατέληγαν στην απόρριψη της ατομικής θεωρίας (από τον Πλάτωνα και τον

Αριστοτέλη), είτε αυτές κατέληγαν στην αποδοχή της σε κάποια μορφή αργότερα

(από το Γαλιλαίο, το Μπέικον, το Καρτέσιο, το Νεύτωνα) 59.

2.1.3 Η εποχή των πειραμάτων

Η λέξη αέριο επινοήθηκε πάντως από το

Βέλγο αλχημιστή Jean van Helmont.

Διάσημος στις ημέρες του ως άτομο της

μεγάλης εκμάθησης, ήταν ένας περίεργος συνδυασμός μοντέρνου εμπειρισμού αλλά

και μεσαιωνικού

αποκρυφισμού με

ισχυρές κλίσεις στο

υπερφυσικό. Υποστήριξε

ότι έχει δει και αγγίξει

την φιλοσοφική λίθο,

αλλά οι έρευνές του τον

έκαναν να κερδίσει τον

τίτλο ‘‘ο ιδρυτής της

πνευματικής χημείας’’.

Σε μια εργασία με τίτλο

Ortus medicinae – που

δημοσιεύθηκε μετά το θάνατο του το 1648, περίπου 12 χρόνια πριν τη δημοσίευση

της περίφημης δουλειάς του Boyle – εισήγαγε τον όρο αέριο. Βρήκε ότι το κάρβουνο,

κατά την καύση, εξάγει ότι ήταν γνωστό τότε ως πνεύμα, το ονόμασε ‘‘spiritus

sylvestris’’ το οποίο σημαίνει «το πνεύμα των ξύλων» και σημείωσε ‘‘..hunc

spiritum, incognitum hectenus, novo nominee gas voco’’ δηλαδή «αυτό το πνεύμα,

έως τώρα άγνωστο, του δίνω ένα νέο όνομα, αέριο.» Την ονομασία την έδωσε από τη

λέξη χάος των αρχαίων όπως ο ίδιος συνεχίζει παρακάτω, όπως τονίζει ο Raman,

V.V. (1973)62.

Η εισαγωγή του όρου –αέριο-

Εικ. 2.1.1 Το βιβλίο του Jean van Helmont –Ortus Medicinae –που εισάχθηκε ο όρος αέριο για πρώτη φορά


Στο μεταξύ, η ατομική θεωρία της ύλης είχε αρχίσει να αναπτύσσεται από μια

εντελώς διαφορετική κατεύθυνση - την έρευνα για τα αέρια.

Ο Γαλιλαίος, στις Δύο Νέες Επιστήμες

(1638), επεσήμανε ότι μια αντλία

αναρρόφησης δεν μπορεί να ανυψώσει το

νερό περισσότερο από 10,5 μέτρα περίπου. Το γεγονός αυτό προφανώς ήταν ευρέως

γνωστό την εποχή που ο Γαλιλαίος έγραψε το βιβλίο του οι αντλίες χρησι-

μοποιούνταν ήδη για την άντληση πόσιμου νερού από πηγάδια και για την

απομάκρυνση του νερού από πλημμυρισμένα ορυχεία, και έτσι οι περιορισμοί της

λειτουργίας τους θα είχαν γίνει φανεροί σε πολλούς εργάτες. Μια σημαντική

συνέπεια της περιορισμένης ικανότητας των αντλιών στην ανύψωση του νερού ήταν

η ανάγκη μιας άλλης μεθόδου για την άντληση του νερού από βαθύτερα ορυχεία η

ανάγκη αυτή απετέλεσε το αρχικό ερέθισμα για την ανάπτυξη ατμομηχανών, με τη

βοήθεια των οποίων το νερό μεταφερόταν σε κάδους. Μια άλλη συνέπεια ήταν η

περιέργεια των φυσικών του 17ου αιώνα να ανακαλύψουν γιατί η αντλία

αναρρόφησης λειτουργούσε καν, και τον λόγο για τον οποίο υπάρχει όριο στην

ικανότητα της να ανυψώνει το νερό.

Αν αφαιρέσουμε τον αέρα από ένα δοχείο και δημιουργήσουμε κενό,

παρουσιάζεται μια τάση αναρρόφησης διαφόρων αντικειμένων προς τα μέσα. Οι

αριστοτελικοί φιλόσοφοι εξηγούσαν αυτό το γεγονός όπως είπαμε πιο πάνω, λέγο-

ντας ότι η Φύση απεχθάνεται το κενό. Δεν είναι φυσικό, έλεγαν, ο χώρος να μην είναι

γεμάτος με ύλη, και επομένως η ύλη θα μετακινηθεί έτσι ώστε να γεμίσει

οποιονδήποτε κενό χώρο. Ο ισχυρισμός αυτός αποτελεί παράδειγμα τελεολογικής

ερμηνείας, η οποία βασίζεται στην «τελική αιτία» (άλλο παράδειγμα θα ήταν: «Η

βροχή πέφτει γιατί οι καλλιέργειες χρειάζονται νερό»). Ένας από τους βασικούς

στόχους της νέας μηχανικής φιλοσοφίας του 17ου αιώνα ήταν να εξαλείψει τέτοιες

τελεολογικές ερμηνείες και να εξηγήσει τα φαινόμενα με τη βοήθεια άμεσων

φυσικών αιτίων. Η αριστοτελική θεωρία ήταν ιδιαίτερα αδύνατη στη συγκεκριμένη

περίπτωση: ακόμα και αν δεχθεί κανείς την πρόταση ότι η Φύση απεχθάνεται το

κενό, θα είναι δύσκολο να εξηγήσει γιατί αυτή η απέχθεια είναι ακριβώς αρκετή για

να ανυψώσει το νερό 10,5 m, ούτε λιγότερο ούτε περισσότερο!

Ο Γαλιλαίος και ο Torricelli 59


Ο Evangelista Torricelli, ο οποίος υπήρξε για μικρό χρονικό διάστημα μαθητής

του Γαλιλαίου, συνειδητοποίησε ότι η

ατμόσφαιρα εξασκεί κάποια πίεση στην

επιφάνεια της Γης και διέβλεψε ότι αυτή η

ατμοσφαιρική πίεση θα μπορούσε να εξηγήσει τα

φαινόμενα που προηγουμένως αποδίδονταν στην

απέχθεια της Φύσης προς το κενό. Ο Torricelli,

σκέφθηκε ότι ο υδράργυρος, ένα υγρό περίπου 14

φορές βαρύτερο από το νερό, θα μπορούσε να

ήταν πολύ πιο βολικό από το νερό για

εργαστηριακά πειράματα· πράγματι, όπως

προέκυψε, η ίδια αντλία αναρρόφησης που

μπορούσε να ανυψώσει μια στήλη νερού 10,5 m

ήταν σε θέση να ανυψώσει μια στήλη

υδραργύρου μόνο 0,76 m.

Η αντλία στην πραγματικότητα δεν είναι καν αναγκαία για τη συγκράτηση μιας

στήλης υγρού στο απλό όργανο που έγινε γνωστό ως βαρόμετρο του Torricelli.

Παίρνουμε έναν ευθύ γυάλινο σωλήνα μήκους λίγο μεγαλύτερου από 0,76 m, ο

οποίος είναι ανοικτός στο ένα άκρο και σφραγισμένος στο άλλο, μια λεκάνη και

αρκετό υδράργυρο ώστε να γεμίσουμε τον σωλήνα και τη λεκάνη. Γεμίζουμε τον

σωλήνα μέχρι το χείλος, κλείνουμε το ανοικτό άκρο με το δάκτυλο μας, τον γυρνάμε

ανάποδα στη λεκάνη, και απομακρύνουμε το δάκτυλο μας. Διαπιστώνουμε τότε ότι ο

υδράργυρος κυλά στη λεκάνη, αλλά μόνο μέχρι το σημείο όπου η διαφορά μεταξύ

του επίπεδου στον σωλήνα και του επιπέδου στη λεκάνη είναι περίπου 0,76 m. To

αποτέλεσμα φαίνεται στην Εικ.2.1.2 (ο αριστερός σωλήνας). Στο πάνω μέρος του

σωλήνα, πάνω από τον υδράργυρο, σχηματίζεται ένας κενός χώρος. Ο Τοριτσέλλι

επανέλαβε την ίδια διαδικασία με έναν σωλήνα που είχε μεγαλύτερο εξόγκωμα στο

κλειστό άκρο του ο κενός χώρος σε έναν τέτοιο σωλήνα είναι μεγαλύτερος και θα

μπορούσαν να στερεωθούν σε αυτόν μικρά αντικείμενα.

Η ανακοίνωση των πειραμάτων του Torricelli το 1643 ώθησε άλλους

επιστήμονες [οι 'Οττο φον Γκέρικε (Otto von Guericke) και Ρόμπερτ Μπόυλ ήταν

μεταξύ των πρώτων] να κατασκευάσουν καλύτερες αντλίες κενού, για να

πειραματισθούν με τα φαινόμενα του κενού και τις ιδιότητες των αερίων σε χαμηλή

πίεση. ( Οι αντλίες αυτές ήταν σχετικά πρωτόγονες και δεν μπορούσαν να

Εικ. 2.1.2 Βαρόμετρο του Torricelli


δημιουργήσουν αυτό που σήμερα θα ονομάζαμε κενό. Σε πάθε περίπτωση, η πλήρης

απομάκρυνση κάθε ίχνους αερίου από ένα κλειστό δοχείο είναι αδύνατη, ακόμη και

σήμερα. Αλλά οι σημαντικές βελτιώσεις στην κατασκευή των αντλιών κενού στο

δεύτερο μισό του 19ου αιώνα οδήγησαν στην επίτευξη συνθηκών κενού σε τέτοιο βαθμό

ώστε έγινε δυνατή, από τη μια, η ανακάλυψη των υποατομικών σωματιδίων και, από

την άλλη, η κατασκευή των ηλεκτρικών λαμπτήρων πυρακτώσεως.)

Με μια αντλία και ένα γυάλινο δοχείο, μπορούσε κανείς να προετοιμάσει έναν

πειραματικό χώρο όπου ήταν δυνατό να μελετήσει την επίδραση του φωτός, του ήχου,

και των μαγνητικών ή ηλεκτρικών δυνάμεων μέσα σε μια ατμόσφαιρα αραιωμένη σε

διάφορους βαθμούς. Θα μπορούσε επίσης να προσπαθήσει να ανακαλύψει, με τη

βοήθεια της διαφοράς του βάρους ενός αγγείου πριν και μετά την «αναρρόφηση», το

βάρος του περιεχόμενου αερίου. Αντιστρόφως, θα μπορούσε να συμπιέσει αέρια σε

ένα δοχείο σε υψηλότερες πιέσεις.

Σύμφωνα με τον Torricelli και άλλους οπαδούς της μηχανικής φιλοσοφίας, η

δύναμη που συγκρατεί ψηλά τη στήλη του υδραργύρου στον σωλήνα δεν είναι παρά

η πίεση της ατμόσφαιρας, η οποία μεταδίδεται μέσω του υδραργύρου της λεκάνης. Ο

αέρας σπρώχνει προς τα κάτω την επιφάνεια του υδραργύρου και, αφού πρακτικά δεν

υπάρχει κάποιο αέριο στον χώρο που βρίσκεται στην κορυφή του σωλήνα, ο

υδράργυρος ανυψώνεται μέχρις ότου το βάρος του να είναι ικανό να εξισορροπήσει

τη δύναμη που ασκείται εξωτερικά από τον αέρα στην επιφάνεια του υδραργύρου της

λεκάνης. Στη πραγματικότητα το γεγονός αυτό εξηγείται με την ισορροπία της

πίεσης, και όχι της δύναμης, η οποία καθορίζει το ύψος της στήλης υδραργύρου (και

την ισορροπία των ρευστών γενικότερα).

Ήταν πολύ δύσκολο για πολλούς ανθρώπους να πιστέψουν ότι η ατμόσφαιρα

ασκεί πράγματι μια τόσο μεγάλη πίεση - σε κοινές μονάδες 1,04 κιλά βάρους ανά

τετραγωνικό εκατοστό. Για παράδειγμα, αν εγγράψουμε το τετράγωνο της βάσης του

πύργου του Άιφελ σε ένα κύκλο, υψώσουμε ένα κύλινδρο που να φτάνει μέχρι την

κορυφή του, και τον γεμίσουμε με αέρα τότε ο αέρας θα ζυγίζει περισσότερο από τον

ίδιο τον πύργο.

Ένα πολύ γνωστό πείραμα, που

εκτελέστηκε από τον Όττο φον Γκέρικε στο

Μαγδεμβούργο της Γερμανίας το 1654,

επέδειξε με δραματικό τρόπο το μέγεθος της ατμοσφαιρικής πίεσης. Ο φον Γκέρικε,

δήμαρχο του Μαγδεμβούργου εφάρμοσε προσεκτικά τα χείλη δύο μεγάλων κοίλων

Το πείραμα του Otto von Guericke


ορειχάλκινων ημισφαιρίων διαμέτρου περίπου 0,5m έτσι ώστε να σχηματίζουν

σφαίρα. Συνέδεσε τα ημισφαίρια με μια αεροστεγή δερμάτινη στεφάνη εμποτισμένη

με λάδι και αφαίρεσε τον αέρα στο εσωτερικό αυτού του χώρου με τη βοήθεια μιας

αντλίας κενού. Κατόπιν, σε κάθε ημισφαίριο δέθηκε μια ομάδα από οκτώ άλογα, και

οι δύο ομάδες

άρχισαν να τραβούν

προς αντίθετες

κατευθύνσεις. Τα

άλογα μόλις που

κατάφεραν να

διαχωρίσουν τα

ημισφαίρια ενάντια

στη δύναμη με την

οποία τα συγκρα-

τούσε η εξωτερική

ατμοσφαιρική

πίεση. Οι αγώνες

του έφεραν Εικ. 2.1.3 Το περίφημο πείραμα με τα «ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου

αποτέλεσμα με την ανακάλυψη της μηχανικής αεραντλίας που την επέδειξε στο

περίφημο πείραμα. Το όργανο αυτό για πρώτη φορά περιγράφηκε από ένα καθηγητή

των μαθηματικών που ονομάζονταν

Gaspar Schott σε ένα βιβλίο που είχε τίτλο

‘Mechanica hydraulica - pneumatica’ το

οποίο δημοσιεύτηκε το1657.

Οι

ιδιότητες του

αέρα και της

ατμοσφαιρικής πίεσης ερευνήθηκαν

διεξοδικά από τον Ρόμπερτ Μπόυλ (Robert Boyle), ο οποίος πληροφορήθηκε το

πείραμα του Γκέρικε στα 1657. Χρησιμοποιώντας μια βελτιωμένη αντλία κενού που

είχε κατασκευάσει για αυτόν ο Ρόμπερτ Χουκ, ο Μπόυλ κατάφερε να δημιουργήσει

έναν μεγάλο κενό χώρο στον οποίο θα μπορούσαν να εκτελεστούν διάφορα

Robert Boyle Εικ. 2.1.4 Τα ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου


Εικ. 2.1.5 Στο Spring of the air (1660) ο Boyle περιγράφει πως εισήγαγε την διάταξη του Torricelli (ένα γυάλινο σωλήνα γεμισμένο με υδράργυρο σε ένα δοχείο με υδράργυρο) μέσα στην αεραντλία του. Όταν έβγαλε τον αέρα από το δέκτη παρατήρησε ότι η στήλη του υδραργύρου κατέβηκε. Όταν έβαλε ξανά τον αέρα, η στήλη που ανέβηκε.

καινούργια πειράματα· για παράδειγμα, διαπίστωσε ότι διάφορα μικρά ζώα χάνουν

τις αισθήσεις τους και τελικά

πεθαίνουν αν στερηθούν τον αέρα.

Σε ένα πείραμα, ο Μπόυλ

τοποθέτησε ένα βαρόμετρο

Τοριτσέλλι σε ένα κλειστό δοχείο

και κατόπιν αφαίρεσε τον αέρα

από το δοχείο. Καθώς η ποσότητα

του αέρα στο δοχείο μειωνόταν, το

επίπεδο του υδραργύρου στον

σωλήνα έπεφτε, μέχρι που τελικά

έφτασε στο ίδιο επίπεδο με τον

υδράργυρο στη λεκάνη. Ο Μπόυλ

συνειδητοποίησε ότι αυτό το

αποτέλεσμα αποδεικνύει ότι είναι

η ατμοσφαιρική πίεση στο

εξωτερικό η οποία συγκρατεί

ανυψωμένο τον υδράργυρο στον

σωλήνα, και όχι κάποια έλξη που

ασκεί το ίδιο το κενό στην κορυφή

του σωλήνα59.Ο Ρόμπερτ Μπόυλ

δημοσιοποίησε τα πειράματα του

το 1660 στο ‘New Experiments

Physico – Mechanical Touching

the Spring of the Air and its

Effects’.

Ο Boyle δέχτηκε διάφορες αντιδράσεις για τη δουλειά του. Ας μη ξεχνούμε ότι

η Αριστοτελική φυσική της εποχής ήταν αντίθετη με την ύπαρξη κενού.Γι’ αυτό και

τα πειράματα του Torricelli δεν αντιμετωπιστήκαν με μεγάλο ενθουσιασμό από τους

υποστηρικτές της τότε κλασσικής φυσικής. Οι φυσικοί φιλόσοφοι χωρίστηκαν σε δυο

στρατόπεδα. Αυτούς που υποστήριζαν την ύπαρξη του κενού και τους άλλους που

υποστήριζαν ότι δεν υπήρχε πιθανότητα να υπάρχει κενό. Και παρόλο που δεν

αναμείχθηκε σ’ αυτή την κόντρα, σύντομα, τα συμπεράσματα του αμφισβητήθηκαν

από τον Φραγκίσκο Λίνους (Franciscus Linus), έναν Ιησουίτη επιστήμονα και


καθηγητή Μαθηματικών και εβραϊκών στο Πανεπιστήμιο της Λιέγης στο Βέλγιο62. Ο

Λίνους στο βιβλίο του με τίτλο ‘De corporum inseparaBilitate’ που δημοσίευσε το

1662 ισχυρίστηκε ότι ο φαινομενικά κενός χώρος πάνω από τον υδράργυρο περιέχει

στην πραγματικότητα μια αόρατη χορδή ή μεμβράνη, την οποία ονόμασε funiculus

(μια λατινική λέξη που σημαίνει «μικρό σκοινί»). Σύμφωνα με τον Λίνους, όταν ο

αέρας τεντώνεται ή αραιώνεται, το funiculus ασκεί μια βίαια ελκτική δύναμη σε όλα

τα αντικείμενα που το περιβάλλουν, και είναι αυτή η έλξη που συγκρατεί τον

υδράργυρο ανυψωμένο. Το επιχείρημα του ήταν ότι, αν κάποιος βάλει το δάκτυλο

του στην άκρη του σωλήνα της αντλίας κενού (ή μιας σύγχρονης ηλεκτρικής

σκούπας), μπορεί πράγματι να αισθανθεί το funiculus να τραβά τη σάρκα του δακτύ-

λου του. Η θεωρία τον funiculus μοιάζει σαν μια φανταστική ιδέα που κανένας

επιστήμονας σήμερα δεν θα μπορούσε να πάρει σοβαρά. Αλλά αυτό to είδος

ψευδομηχανικής εξήγησης των φυσικών φαινομένων ήταν ιδιαίτερα δημοφιλές στην

πρώιμη περίοδο της νεότερης επιστήμης

Ο Μπόυλ δεν αγνόησε απλώς τον Λίνους, συνειδητοποιώντας ίσως ότι η ιδέα

της ατμοσφαιρικής πίεσης χρειαζόταν περαιτέρω δικαιολόγηση πριν γίνει γενικά

αποδεκτή. Ούτως ή άλλως τότε ήταν μια εποχή που οι άνθρωποι της επιστήμης

έπρεπε να υπερασπιστούν τους εαυτούς τους απέναντι σε επιθέσεις και κριτικές των

φιλοσόφων59.

Μαζί με την ανασκευή της θεωρίας του funiculus, ο

Μπόυλ δημοσίευσε το 1662 ορισμένες ποσοτικές

μετρήσεις της σχέσης ανάμεσα στην πίεση και τον όγκο

του αέρα, για να στηρίξει τον νόμο που σήμερα είναι

γνωστός ως νόμος του Boyle. Έτσι στο βιβλίο του ‘A defence of the Doctrine

Touching the Spring and the Weight of the air’, είναι που μπορεί κάποιος να βρει

τον περίφημο νόμο του Boyle, όπως προτάθηκε από τον ίδιο τον Boyle για πρώτη

φορά. Αν και ο Boyle είναι διάσημος κυρίως για τον νόμο που συνδέει την πίεση με

τον όγκο, δεν θα πρέπει να ξεχνάμε ότι η συνεισφορά του στον ποιοτικό

προσδιορισμό της σημασίας της ατμοσφαιρικής πίεσης ήταν περισσότερο σημαντική

στην εποχή του. 62

Η συμπιεστότητα του αέρα, ένα γεγονός γενικά αναγνωρισμένο για αρκετό

καιρό, τέθηκε σε ποσοτική βάση με τη βοήθεια των ονομαστών πειραμάτων του

Μπόυλ, τα οποία κατέδειξαν ότι, για μια δεδομένη μάζα αέρα που περιέχεται σε ένα

Νόμος για Τ= σταθ.

Boyle και Towenley


κλειστό δοχείο σε σταθερή θερμοκρασία, κάθε μείωση του όγκου αυξάνει ανάλογα

την πίεση του αερίου και, αντιστρόφως, κάθε αύξηση της πίεσης ελαττώνει τον όγκο.

Σε σύγχρονη ορολογία, το αποτέλεσμα μπορεί να διατυπωθεί ως

Ρ V= σταθερό (σε σταθερή θερμοκρασία)

όπου Ρ είναι η πραγματική πίεση του υπό εξέταση αερίου (π.χ. σε N/m:) και V o

όγκος του (π.χ. σε m3).

Η πολύπλοκη ιστορία της ανακάλυψης του νόμου του Μπόυλ ξεκαθαρίστηκε

μόλις πρόσφατα από τους ιστορικούς. Φαίνεται ότι ο νόμος προτάθηκε για πρώτη

φορά από δύο άλλους Βρετανούς επιστήμονες, τον Χένρυ Πάουερ (Henry Power) και

τον Ρίτσαρντ Τάουνλυ (Richard Townley), στη βάση πειραμάτων τους που είχαν

ξεκινήσει από το 1653. Οι δύο αυτοί επιστήμονες δεν δημοσίευσαν τα αποτελέσματα

τους αμέσως. Μετά τη δημοσίευση των αποτελεσμάτων των πρώτων πειραμάτων του

Μπόυλ για την ατμοσφαιρική πίεση το 1660, ο Πάουερ έστειλε ένα άρθρο που

περιέγραφε τα αποτελέσματα της κοινής εργασίας τους σε ένα φίλο του στο Λονδίνο,

τον Γουίλλιαμ Κρουν (William Croone). Ο τίτλος του άρθρου ήταν «Πρόσθετα

πειράματα που εκτελέστηκαν στο Τάουνλυ Χωλ, στα έτη 1660 και 1661, με τη

συμβουλή και τη βοήθεια του Ηρωικού και Άξιου Κυρίου Ρίτσαρντ Τάουνλυ». Αλλά

ο Πάουερ αμέλησε να βάλει το δικό του όνομα στο άρθρο. Ο Κρουν έστειλε το άρθρο

στον Μπόυλ, ξεχνώντας να αναφέρει ότι ο συγγραφέας ήταν ο Πάουερ. Ο Μπόυλ

απέδωσε πολύ προσεκτικά την οφειλόμενη αναγνώριση για τις πληροφορίες που

δέχθηκε, και στη μονογραφία του 1662, με την οποία απάντησε στον Λίνους, δήλωσε

ότι δεν είχε αντιληφθεί ότι η απλή σχέση PV = σταθερό ισχύει για τα δεδομένα του

μέχρι που του το υπέδειξε ο Ρίτσαρντ Τάουνλυ. Μεταγενέστεροι επιστήμονες, οι

οποίοι διάβασαν απρόσεκτα το έργο του Μπόυλ (ή δεν το διάβασαν καθόλου),

υπέθεσαν ότι η ανακάλυψη έγινε αποκλειστικά από τον Μπόυλ59.

Ο Μπόυλ αναφέρθηκε και σε άλλους που είχαν τα ίδια πειραματικά

αποτελέσματα με αυτά του Τάουνλυ. Ο Hooke επίσης κάνοντας τα ίδια πειράματα

κατέληξε και αυτός στα ίδια αποτελέσματα. Επίσης, πολλοί ιστορικοί οι οποίοι έχουν

μελετήσει το ζήτημα, έχουν τονίσει ότι ο Boyle δεν ανέφερε την αξιοθαύμαστη

βοήθεια του Hooke αλλά ούτε και αυτός αναφέρει καμία συσχέτιση του μέντορά του

με το νόμο. Όμως και οι δυο αναφέρουν τον Τάουνλυ.

Το ερώτημα λοιπόν που τίθεται είναι πως πρέπει να ονομάζεται ο νόμος;

Νόμος του Boyle, νόμος του Townley, ή νόμος των Boyle – Townley;


Το ερώτημα εμφανίστηκε πάρα πολλές φορές με το πέρασμα των χρόνων και

στην αρχή υπήρχε μια ομοφωνία. Μέχρι το 1962 που ο C.Webster έφερε στο φως

επιπλέον αποδείξεις ότι ο Τάουνλυ θα μπορούσε να διεκδικήσει την προτεραιότητα

στην ανακάλυψη του νόμου.

Μία δεκαετία αργότερα της δημοσίευσης της εργασίας

του Boyle, ο Γάλλος Edme Mariotte, δημοσίευσε τέσσερις

πραγματείες στη φυσική, μια εκ των οποίων, η δεύτερη που

δημοσιεύτηκε το 1676, με τίτλο ‘De la Natura de l’ Air’. Εδώ εξέφρασε τη σχέση

όγκου – πίεσης χωρίς καμία αναφορά στον Boyle. Το βιβλίο του Mariotte έκανε μια

προσπάθεια να διασπείρει το νόμο του αερίου σε όλο την Ευρωπαϊκή επιστημονική

κοινότητα. Παρόλο που πολλοί υπαινίσσονται ότι ο Mariotte δεν ήταν εντελώς

απληροφόρητος για το νόμο του Boyle, οι Γάλλοι ποτέ δεν έλαβαν σοβαρά αυτή την

υποψία. Γι’ αυτό και στη Γαλλία, αλλά και σε κάποιες άλλες Ευρωπαϊκές χώρες είναι

γνωστός ως νόμος του Mariotte.

Edme Mariotte

Είναι φανερό όπως σημειώνει και ο καθηγητής B. Cohen: «Αυτή η υπόθεση

εμφανίζει έξι διεκδικητές». Η δική του κρίση είναι ότι « ο νόμος ανακαλύφθηκε

από τον Power και τον Towneley, επακριβώς επαληθεύτηκε από τον Hooke,

επακριβώς επαληθεύτηκε ξανά από τον Boyle (με τη βοήθεια σε κάποιο βαθμό

του Hooke), πρώτα δημοσιεύτηκε από τον Boyle, αλλά κυρίως δημοσιοποιήθηκε

από τον Mariotte.» 62

Ακολούθησε το 1679 ο Denis Papin, ένας Γάλλος φυσικός και ερασιτέχνης

γαστρονόμος, ο οποίος επινόησε τη χύτρα ταχύτητας. Εννοείται ότι ο Papin δεν

κατάλαβε ακριβώς τη λειτουργία της, απλά συνειδητοποίησε ότι υπάρχει σχέση

ανάμεσα στο σημείο βρασμού και την πίεση63.

Στα ίχνη της εργασίας του Μπόυλ,

καταβλήθηκε συνεχής προσπάθεια για την

ανακάλυψη της επίδρασης των αλλαγών της

θερμοκρασίας στην πίεση ή στον όγκο ενός

αερίου. Πως περάσαμε στο νόμο μεταξύ πίεσης και θερμοκρασίας;

Σχέση Πίεσης – Θερμοκρασίας

Guillaune Amontons

Παρόλο που ο Boyle ο ίδιος ενδιαφέρθηκε γι’ αυτό το πρόβλημα , η πρώτη

λεπτομερής έρευνα της σχέσης της θερμοκρασίας με την πίεση του αερίου

επιτεύχθηκε από τον Guillaume Amontons στις αρχές του 18ου αιώνα64. Ο Amontons

ήταν ο πρώτος που είχε την ιδέα της διάταξης που θα έπαιρνε ζεστό αέρα και θα

μετέτρεπε τη θερμότητά του σε μηχανικό ενέργεια. Ξεκίνησε από τις παρατηρήσεις


ότι η πίεση μιας συγκεκριμένης ποσότητας αέρα σε σταθερό όγκο διπλασιάζεται όταν

διπλασιαστεί και η θερμοκρασία. Αυτό το αποτέλεσμα περιγράφεται τώρα συμβολικά

ως εξής: P∞Τ και δίνεται στα κείμενα φυσικής είτε χωρίς κανένα όνομα, είτε

εσφαλμένα κάποιοι τον αναφέρουν ως νόμο του Charles. Ακόμη και ο Kenneth Ford

που μνημονεύει τον Amontons, σχολιάζει ότι «όχι πιο πριν, παρά στις αρχές του 18ο

αιώνα, συνδέθηκαν ποσοτικά η πίεση και ο όγκος ενός αερίου.» Παρόλο που η

δημοσίευση του Amontons, για τις ιδιότητες του αέρα, όπου εμφανίστηκε η σχέση

των μεγεθών P,T δημοσιεύτηκε πιο νωρίς περί το 170265.

Επίσης πρότεινε σε μια άλλη δημοσίευση ότι ο αέρας θα έπαυε να ασκεί

οποιαδήποτε πίεση εάν ψυχθεί αρκετά, ακριβέστερα, σύμφωνα με τον Amontons, εάν

η θέρμανση (θερμοκρασία) έφθανε κάτω περίπου δυόμισι φορές μεταξύ των

σημείων πήξεως και βρασμού του ύδατος – αυτό ισοδυναμούσε με -250 οC –τότε ο

αέρας δε θα ασκούσε καμία πίεση. Άρα ο Amontons συνέλαβε την έννοια του

απολύτου μηδενός66.

Εντούτοις μετά από 70 περίπου χρόνια που η επίδραση της ακραίας ψύξης στον

αέρα μελετήθηκε πειραματικά σε ένα βιβλίο με τίτλο ‘Pyrometria’ ο J.H.Lambert

έκανε τη δήλωση για το απόλυτο μηδέν. Στο απόλυτο μηδέν οι δομικές μονάδες του

αερίου σχεδόν αγγίζουν το ένα το άλλο. Δηλαδή στο απόλυτο μηδέν ο όγκος είναι

μηδέν ή σχεδόν μηδέν67.

Η ανακάλυψη της σχέσης μεταξύ του

όγκου και της θερμοκρασίας πάει στον Ζακ

Σαρλ (Jacques Charles) . Παρόλο που ο Charles

λέγεται ότι αναγνώρισε το νόμο που από

πολλούς φέρει το όνομά του, το 1787, δε δημοσίευσε το αποτέλεσμα. Ο νόμος

δηλώθηκε από το A.Volta το 1793. Το 1801 ο John Dalton στο τέταρτο από τα

‘Experimental Essays on the Constitution of Mixed Gases’ στο οποίο ανέφερε τα

αποτελέσματα για έξι διαφορετικά αέρια. Το 1802, μόλις λίγους μήνες μετά τη

δημοσίευση του Dalton, αλλά εντελώς ανεξάρτητα ο Joseph Louis Gay-Lussac, τότε

24 ετών, έκανε μια δημοσίευση στην οποία δήλωσε ότι διαφορετικά αέρια

εκτονώνονται στον ίδιο όγκο όταν θερμαίνονται στην ίδια έκταση μεταξύ 0 και 100 οC.

Σχέση Όγκου – Θερμοκρασίας

Jacques Charles- Gay Lussac

O Gay Lussac θα μπορούσε να πάρει όλο το μερίδιο της αναγνώρισης για τη

δήλωση του νόμου. Όχι μόνο επειδή έφτασε σ’ αυτόν μετά από μια σειρά

πειραμάτων που εκτέλεσε μόνος του, αλλά και επειδή όπως λένε πολλοί, μπορεί ο


Charles να έφτασε στα ίδια αποτελέσματα περίπου 15 χρόνια νωρίτερα, αλλά δεν τα

δημοσιοποίησε. Όμως ο ίδιος ο Gay-Lussac προσάρτησε μια σημείωση στο κείμενό

του που ενημέρωνε τους αναγνώστες του ότι «ο πολίτης Charles σημείωσε την ίδια

ιδιότητα των αερίων 15 χρόνια νωρίτερα, αλλά δεν τα δημοσίευσε ποτέ τα

αποτελέσματά του και ήταν καθαρά θέμα τύχης που έπεσαν στα χέρια μου».

Σημαντικό είναι να διερευνήσουμε την πατρότητα

του συμβόλου R για τη σταθερά των ιδανικών αερίων.

Ενδιαφέρον ερώτημα είναι: πότε και από ποιον

δηλώθηκε για πρώτη φορά η συνδυαστική μορφή των

νόμων των αερίων. Τα εγχειρίδια φυσικής παραμένουν σταθερά σιωπηλά σ’ αυτά τα

ερωτήματα, σύμφωνα με τον Raman62.

Συνδυαστικός νόμος –

Σταθερά R

Η πρώτη εμφάνιση της εξίσωσης ήταν το 1834. Η εξίσωση γράφτηκε από τον E.

Clapeyron σε μια δημοσίευση περί της κινητήριας ισχύος του ατμού. Σ’ αυτή τη

δημοσίευση ο Clapeyron συνδύασε αυτό που ονόμασε τους νόμους των Mariotte και

Gay-Lussac και έγραψε:

0 00

267267

tpv p V pt+

=+

Είναι προφανές ότι η τιμή για το απόλυτο μηδέν ήταν -267 οC και όχι -273,15οC

που είναι σήμερα. Στη συνέχεια ο Clapeyron έθεσε 0 0

0267p VR

t=

+, και οδηγήθηκε στη

μορφή (267 )pV R t= + . Με κάποιο τρόπο η προέλευση της R αγνοήθηκε από τους

περισσότερους συγγραφείς κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα. Εντούτοις όταν ο

Clausius χρησιμοποίησε την ίδια εξίσωση σε μια από τις σημαντικότερες

δημοσιεύσεις του , απλά δεν ανέφερε τον Clapeyron στο κείμενο και ξανάγραψε την

εξίσωση με τη μορφή

( )pV R tσ= + ,

όπου 0 0

( )p VR

tσ=

+. Ομοίως, ο A.Kroning στη δημοσίευση του για τα

χαρακτηριστικά ενός αερίου αναφέρθηκε στο συνδυαστικό νόμο των αερίων σαν

νόμο του Gay Lussac, χρησιμοποιώντας n αντί για R.

Στην πραγματικότητα, ακόμη και στο 1880 η R δεν είχε τόσο καθολική χρήση.

Σε ένα πολύ σημαντικό άρθρο στην Encyclopedia Britannica της εποχής, κάποιος

χρησιμοποίησε το γράμμα c.


Ο E.Hoppe ερευνώντας αυτή την ερώτηση το 1920 και έδειξε ότι ακόμη και

πριν τον Clapeyron το γράμμα R είχε χρησιμοποιηθεί για να παραστήσει την

εσωτερική αντίσταση των αερίων από τον Νεύτων στο Principia του. Επίσης

σημείωσε ότι κάποιοι συγγραφείς του 18ου αιώνα όπως ο Euler και ο D’Alembert

είχαν υιοθετήσει το ίδιο σύμβολο για την αντίσταση των ρευστών. Πρόσφατα ο

καθηγητής C.Trusdell εφέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι « ο συνδυασμένος

νόμος, όπως επίσης και οι περισσότερες γενικές εξισώσεις κατάστασης έχουν

χρησιμοποιηθεί κανονικά από τον Euler στις έρευνες πάνω στα ελαστικά ρευστά από

το 1764 και εξηγήθηκαν με λεπτομέρεια το 1769 στην πραγματεία του για τη

μηχανική των ρευστών.

2.1.4 Πραγματικά αέρια Τα τέλεια αέρια αποτέλεσαν αντικείμενο ιδανικού ελέγχου για τις θεωρητικές

μελέτες της Θερμοδυναμικής και της κινητικής θεωρίας. Έχουν μόνο ένα μικρό

μειονέκτημα: Δεν υπάρχουν68.

Για πολλά χρόνια οι μετρήσεις ακριβείας σε πραγματικά αέρια είχαν

αποκαλύψει την απόκλιση τους από τις ιδιότητες των ιδανικών αερίων. Οι μετρήσεις

ακριβείας του Ανρί Βικτόρ Ρενώ (1810-1878) το απέδειξαν, καθώς επίσης και η

υγροποίηση των αερίων που είχε διαπιστωθεί από πολλούς πειραματιστές. Το

τελευταίο αυτό φαινόμενο παρουσίασε παράξενα χαρακτηριστικά. Γενικώς, η υψηλή

πίεση και η χαμηλή θερμοκρασία προκαλούσαν συμπύκνωση των αερίων. Όμως, ο

Σαρλ Κανιάρ ντε λα Τουρ (1777-1859), ένας πολύπλευρος άνθρωπος από πολλές

απόψεις, δημόσιος υπάλληλος, φίλος του Γκαίυ Λουσάκ, ανακάλυψε το 1822 ότι

υπήρχε μια οριακή θερμοκρασία πάνω από την οποία ένα αέριο δεν συμπυκνώνεται,

ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη πίεση ασκείται σ’ αυτό. Η έννοια της κρίσιμης

θερμοκρασίας αναπτύχθηκε περαιτέρω από τον Τόμας Αντριους (1813-1885), έναν

αξιόλογο Βρετανό επιστήμονα της βικτωριανής εποχής. Γεννήθηκε στο Μπέλφαστ,

στην Ιρλανδία, και ήταν γιος ενός εμπόρου υφασμάτων. Σπούδασε Χημεία πρώτα στη

Γλασκώβη και στη συνέχεια στο Παρίσι και πήρε το πτυχίο της Ιατρικής στο

Εδιμβούργο. Εγκαταστάθηκε στο Μπέλφαστ ασκώντας την Ιατρική και διδάσκοντας

Χημεία στο Queens College. Διατηρούσε συχνές επαφές με Γερμανούς και Γάλλους

συναδέλφους του όπως ο Ζαν-Μπαπτίστ-Αντρέ Ντυμά (1800-1884), ο Φρίντριχ

Βέλερ (1800-1882), ο Γενς Γιάκομπ Μπερτσέλιους (1779-1848) και ο Γιούστους φον

Λίμπιχ (1803-1873). Στην Αγγλία ήταν φίλος του Φαρανταίυ, του Μάξγουελ και του


Τέιτ. Οι μελέτες του Αντριους σε πολλά θέματα που σήμερα αποτελούν το πεδίο της

Φυσικοχημείας, δεν είναι σημαντικές- είναι γνωστός για τη διευκρίνηση, μαζί με τον

Τέιτ, της φύσης τού όζοντος και, κυρίως, για την ερευνά του σχετικά με την εξίσωση

που περιγράφει τη συμπεριφορά του διοξειδίου τού άνθρακα. Σχεδίασε προσεκτικά

τις καμπύλες της πίεσης σε συνάρτηση με τον ειδικό όγκο της ουσίας αυτής (βλέπε

εικόνα στη σελ. 292).

Όπως συμβαίνει συνήθως, δύο μέθοδοι προσέγγισης οδήγησαν σε κάποια κατα-

νόηση των πραγματικών ρευστών. Τα πειραματικά δεδομένα έδωσαν το υλικό για την

περιγραφή και ερμηνεία των φαινομένων, ενώ η μοριακή θεωρία αποτέλεσε το θε-

ωρητικό εργαλείο με το οποίο ήλπιζε κανείς να κατορθώσει μια τέτοια περιγραφή.

Από πειραματική άποψη, το πρόβλημα της υγροποίησης των αερίων αποδείχθη-

κε ένα εύφορο έδαφος για την ανακάλυψη των ουσιωδών στοιχείων της φαινομε-

νολογίας. Στο πρόβλημα της υγροποίησης των αερίων είχε επιτευχθεί μεγάλη πρό-

οδος στο πρώτο μισό του 19ου αιώνα, αλλά μερικά αέρια, όπως το οξυγόνο, το

άζωτο, το υδρογόνο, ανεξάρτητα από το πόσο πολύ συμπιέζονταν, αρνούνταν να

υγροποιηθούν. Ονομάστηκαν τότε, σταθερά αέρια, γιατί η υγροποίηση τους θεω-

ρήθηκε αδύνατη. Η ανακάλυψη της κρίσιμης θερμοκρασίας δικαιολόγησε εν μέρει τη

συμπεριφορά τους και υπέδειξε την αναγκαιότητα ψύξης τους πριν την εφαρμογή της

πίεσης. Υγρό διοξείδιο του άνθρακα μπορούσε να ληφθεί σε θερμοκρασία κάτω από

τους 31° C, αλλά αν θερμαινόταν πάνω από τη θερμοκρασία εκείνη, περνούσε στην

αέρια φάση και η μεταβολή ήταν συνεχής - η υγρή και η αέρια φάση δεν ήταν

δυνατόν να διακριθούν πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία.

Η θεωρία βοήθησε πολύ στα πειράματα

των αερίων, παρέχοντας μια κατανοητή

περιγραφή των καταστάσεων συμπύκνωσης της

ύλης. Ο Ολλανδός φυσικός Γιόχαν Ντίντερικ βαν ντερ Βαλς συνδύασε εμπειρικά

δεδομένα, μοριακά μοντέλα, τη Θερμοδυναμική και την κινητική θεωρία για να

διατυπώσει μια καταστατική εξίσωση που ήταν πολύ απλή, αρκετά ακριβής και

κατανοητή σε μοριακή βάση68.

Η Θαυμαστή εξίσωση VAN

DER WAALS


Ο βαν ντερ Βαλς προερχόταν από φτωχή σχετικώς οικογένεια και δεν μπορούσε

να παρακολουθήσει τα μαθήματα στο πανεπιστήμιο μέχρι το 1862, όταν ήταν είκοσι

πέντε χρόνων. Βιοποριζόταν ως δάσκαλος στο γυμνάσιο και τελικώς ολοκλήρωσε τη

διδακτορική του διατριβή στο Πανεπιστήμιο του Λέυντεν το 1873. Οι διατριβές στην

Ολλανδία ήταν συνήθως σημαντικές, αλλά εκείνη του βαν ντερ Βαλς αποτελούσε

πραγματικά σπουδαίο έργο. Στη διατριβή του βελτίωσε την καταστατική εξίσωση

ενός αερίου, συμπεριλαμβάνοντας στα δεδομένα μια δύναμη ανάμεσα στα μόρια

καθώς και τον πεπερασμένο όγκο τους. Υποστήριξε ότι, εκτός από την πίεση που

ασκείται από τα τοιχώματα του δοχείου, πρέπει να υπάρχει μια ελκτική δύναμη

ανάμεσα σε μόρια που βρίσκονται σε κάποια απόσταση. Εξέθεσε, επίσης, τα

επιχειρήματα του για την υπόθεση ότι αυτή η

επιπρόσθετη πίεση είναι αντιστρόφως

ανάλογη με το τετράγωνο του ειδικού όγκου

του αερίου. Επιπλέον, ο χώρος που διατίθεται

στα μόρια, πρέπει να ελαττώνεται κατά το

ποσό που καταλαμβάνεται απ' αυτά, ή,

καλύτερα, κατά ένα ποσό ανάλογο με τον

όγκο που θα καταλαμβανόταν από τα μόρια,

αν βρισκόταν σε επαφή το ένα με το άλλο. Η

καταστατική εξίσωση για ένα mole ενός

πραγματικού αερίου πήρε, λοιπόν, την εξής

μορφή: 2

2( )( )anp V nb nRTV

+ − =

Η απλή αυτή εξίσωση περιέχει δυο

σταθερές, α και b, που μπορεί να καθοριστούν

πειραματικώς για κάθε ουσία. To R είναι η

παγκόσμια σταθερά των αερίων.

Οι καμπύλες για σταθερή θερμοκρασία

Τ, ή ισόθερμες καμπύλες, φαίνονται για μια

ειδική περίπτωση στην Εικόνα 2.1.5. Είναι δύο ειδών: σε υψηλές θερμοκρασίες

τέμνονται από την ευθεία ρ =σταθερή μόνο σ' ένα σημείο σε χαμηλές θερμοκρασίες

τέμνονται σε τρία σημεία. Η ισόθερμη που διαχωρίζει τις δύο οικογένειες έχει ένα

σημείο καμπής με οριζόντια εφαπτομένη. Η ισόθερμη αυτή ονομάζεται κρίσιμη

Εικ. 2.1.5 Ισόθερμες καμπύλες του CO2, όπως τις υπολόγισε ο Τόμας Άντριους. Η εικόνα είναι από τη διδακτορική διατριβή του van der Waals.


ισόθερμη και το σημείο καμπής είναι το κρίσιμο σημείο. Στο όριο των υψηλών

θερμοκρασιών, οι ισόθερμες συμπίπτουν μ' εκείνες ενός ιδανικού αερίου. Οι

ισόθερμες χαμηλών θερμοκρασιών στην πραγματικότητα αντικαθίστανται, για μια

ορισμένη περιοχή τιμών όγκου, από μια ευθεία γραμμή που αντιστοιχεί στη

συνύπαρξη υγρού και ατμού. Χωρίς αλλαγή στη θερμοκρασία ή την πίεση, μια

πραγματική ουσία μπορεί να είναι όλη υγρή ή όλη αέρια ή μερικώς υγρή και μερικώς

αέρια. Η κατάσταση αυτή αντιπροσωπεύεται από το οριζόντιο τμήμα της ισόθερμης.

Πού θα έπρεπε να βρίσκεται; Ο Μάξγουελ απέδειξε με μια εφαρμογή της

Θερμοδυναμικής ότι το κριτήριο που πρέπει να χρησιμοποιηθεί είναι πως οι δύο

καμπύλες που καθορίζονται από την οριζόντια και την ισόθερμη van der Waals

πρέπει να περικλείουν το ίδιο εμβαδόν.

Είναι εκπληκτικό πόσο καλά η εξίσωση van der Waals, με δύο μόνον εμπειρικές

σταθερές, αναπαράγει άφθονα δεδομένα με πολύ καλή προσέγγιση.

Στο κρίσιμο σημείο ισχύει Vc = 3b ,pc=a / 27b 2 και Tc = 8α / 27bR. Είναι έτσι

δυνατόν να περιορισθούν οι σταθερές από την εξίσωση χρησιμοποιώντας ως

μεταβλητές τις p/pc = π, v/vc = φ και T/Tc = θ. Τότε η εξίσωση van der Waals παίρνει

τη μορφή:

2

3( )(3 1) 8π ϕ θϕ

+ − =

Η διατύπωση αυτή εκφράζει το νόμο των αντίστοιχων καταστάσεων.

Χρησιμοποιήθηκε εκτενώς για ερευνητικό έργο, ειδικά στο μεγάλο εργαστήριο του

Λέυντεν. Δεν είναι εύκολο να εκτιμηθεί η αξία του έργου του van der Waals.

Γνωρίζουμε τόσα πολλά για τα μόρια, που σήμερα τα αποτελέσματά του φαίνονται

πρωτόγονα και ίσως απλοϊκά, αλλά στην εποχή εκείνη ο Μαξγουελ και ο Μπόλτζμαν

είχαν εντυπωσιαστεί από αυτά. Ο Μπόλτζμαν αφιέρωσε ένα μεγάλο τμήμα του

βιβλίου του με αντικείμενο την κινητική θεωρία στο έργο του van der Waals και τον

αποκάλεσε «Νεύτωνα της απόκλισης των αερίων από το νόμο του Boyle.»


2.1.5 Μερικά χαρακτηριστικά του προβλήματος των επιστημονικών αναγνωρίσεων62

Αυτή η περιληπτική ανασκόπηση στην ιστορία των νόμων των αερίων μας

παρουσίασε διάφορα χαρακτηριστικά του προβλήματος της αναγνώρισης κάποιας

επιστημονικής ανακάλυψης. Κλείνοντας τη συγκεκριμένη παράγραφο θα

παραθέσουμε αυτά ως συμπεράσματα της παραπάνω μελέτης.

I. Απόδοση των ονομάτων μόνο των πιο διάσημων προσωπικοτήτων:

Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι o Boyle και ο Townely. Παρόλο που

ο δεύτερος ήταν ο πρώτος που εξήγαγε συμπεράσματα στη σχέση για

Τ=σταθερό και αναγνωρίστηκε από τον ίδιο τον Boyle, το όνομα του

Boyle έμεινε στην ιστορία.

II. Εθνικές Αιτίες: Το νόμο της ισόθερμης μεταβολής οι Γάλλοι δεν έπαψαν

ποτέ να τον ονομάζουν νόμο του Mariotte, παρόλο που έμαθαν ότι ο

Boyle τον είχε διατυπώσει πρώτος.

III. Ταυτόχρονη ανακάλυψη: Ο Ντάλτον και ο Γκαιυ Λυσσάκ κατέληξαν

ταυτόχρονα στη σχέση του όγκου με την θερμοκρασία.

IV. Πρώιμη ανακάλυψη : Το παράδειγμα του Boyle και Mariotte αν ο

δεύτερος πραγματικά δε γνώριζε τίποτα για τη σχέση του Boyle, τότε

αυτό είναι χαρακτηριστικό της ανακάλυψης του ίδιου πράγματος από

δυο ξεχωριστά άτομα και με κάποια χρόνια διαφορά.

V. Εσκεμμένη παράλειψη πηγής: Απ’ την άλλη αν ο Mariotte ήξερε για τον

Boyle τότε μιλάμε για μια διεθνή παράλειψη πηγής για να κρατήσει όλες

τις τιμές για τον εαυτό του.

VI. Γενναιόδωρη αναγνώριση σε κάποιον προκάτοχο: Ο Gay Lussac έκανε

μια αναφορά στη δουλειά του Charles, ακόμη αν και θα μπορούσε να τη

παραλείψει. Αυτή η γενναιοδωρία είναι συνήθης στους νέους ερευνητές

παρά στους καταξιωμένους επιστήμονες.

VII. Ολοκληρωτική Λήθη για κάποιον πραγματικό ερευνητή: Ο Amondons

είναι μια χαρακτηριστική περίπτωση, αφού για ολόκληρες δεκαετίες είχε

ξεχαστεί εντελώς.

VIII. Δυσκολία Απόδοσης Αναγνώρισης στην επιστήμη: Η ιστορία των νόμων

είναι από μόνη της ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα, του πόσο δύσκολο

είναι να αναγνωρίσεις ξεχωριστά ονόματα σε νόμους που

ανακαλύφτηκαν από ξεχωριστά άτομα σε διαφορετικές περιόδους.


2.2 Θεωρία

2.2.1 Εισαγωγή Τα μόρια του αέρα δε μπορούμε να τα δούμε, και όμως αυτά κινούνται συνεχώς

γύρω μας. Σε μια μέρα μας χτυπούνε 1032 μόρια του αέρα. Τα μόρια των αερίων

βρίσκονται σε διαρκή κίνηση και συγκρούονται με τα άλλα μόρια ή με τα τοιχώματα

του δοχείου. Η κίνηση των μορίων του αερίου, μεταξύ δύο συγκρούσεων, είναι

ευθύγραμμη ομαλή, η «μέση ελεύθερη διαδρομή» τους σχετικά μεγάλη και οι

ταχύτητες με τις οποίες κινούνται είναι της τάξης των 1600 χιλιομέτρων την ώρα! 69

Το ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά των αερίων δεν είναι μόνο θεωρητικό. Οι

μηχανές των αυτοκινήτων, οι ατμοστρόβιλοι της ΔΕΗ αλλά και μια σειρά από

εργαλεία, όπως οι αερόσφυρες (κομπρεσέρ) που χρησιμοποιούμε για να τρυπάμε

πέτρες, βασίζουν τη λειτουργία τους σε διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν αέρια.

Στα αέρια οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων

είναι μεγάλες και οι δυνάμεις μεταξύ τους πολύ

μικρές. Αυτό εξηγεί γιατί τα αέρια δεν έχουν δικό

τους σχήμα και όγκο αλλά «δανείζονται» το σχήμα

και τον όγκο του δοχείου που τα περιέχει70.

Για να μπορέσουμε να συσχετίσουμε τέτοια

δεδομένα πρέπει να είμαστε σε θέση να

χρησιμοποιήσουμε τόσο τη μακροσκοπική όσο και τη

μικροσκοπική θεώρηση για τις ιδιότητες της ύλης.

Στη μακροσκοπική θεώρηση της ύλης λαμβάνονται

υπόψη μεταβλητές μεγάλης κλίμακας όπως η πίεση, ο

όγκος, η θερμοκρασία και η μάζα του υλικού.

Αντιθέτως, με τη μικροσκοπική θεώρηση διερευνούμε

ποσότητες μικρής κλίμακας όπως είναι οι ταχύτητες, οι κινητικές ενέργειες, οι ορμές,

οι μάζες των ίδιων των μορίων που αποτελούν το υλικό. Οι δυο θεωρήσεις πρέπει να

είναι συνεπείς μεταξύ τους στα σημεία που επικαλύπτονται. Για παράδειγμα οι

(μικροσκοπικές) δυνάμεις κρούσεις που εμφανίζονται όταν μόρια του αέρα

προσκρούουν σε στερεή επιφάνεια (όπως η επιδερμίδα μας) προκαλούν

(μακροσκοπική) ατμοσφαιρική πίεση.

Εικ. 2.2.1 Ένα μόριο αερίου κινείται στο χώρο που καταλαμβάνει το αέριο, συγκρουόμενο με άλλα μόρια κατά τη διαδρομή του. Αν και στην εικόνα φαίνονται στατικά, τα άλλα μόρια κινούνται επίσης μ’ έναν ανάλογο τρόπο.

Θα παρουσιάσουμε λοιπόν μια απλή και κατανοητή μορφή της ύλης, το ιδανικό

αέριο (μακροσκοπικά και μικροσκοπικά), την καταστατική εξίσωση και τους νόμους

από τους οποίους προκύπτει. 21/9/2010 - Τμήμα Φυσικής - Σελ. 65

2.2.2 Μακροσκοπική και μικροσκοπική μελέτη Η περιγραφή - και κατ’ επέκταση η μελέτη ενός φαινομένου - μπορεί να είναι

είτε μακροσκοπική είτε μικροσκοπική. Μακροσκοπική λέγεται η μελέτη όταν σ’

αυτή δεν υπεισέρχονται υποθέσεις, θεωρίες ή και μεγέθη που έχουν σχέση με τη δομή

ή τη σύσταση των αντικειμένων που συμμετέχουν στο φαινόμενο. Στην αντίθετη

περίπτωση η μελέτη λέγεται μικροσκοπική70.

Για παράδειγμα, αν συνδέσουμε μια λάμπα στους

πόλους μιας μπαταρίας η λάμπα θα ανάψει. Το

φαινόμενο μπορεί να μελετηθεί αν μετρηθεί η τάση, η

ένταση του ρεύματος, η θερμοκρασία του σύρματος της

λάμπας, τα ποσά θερμότητας που εκπέμπει κλπ. Αυτή

είναι η μακροσκοπική μελέτη. Αν αντίθετα,

προσπαθώντας να εξηγήσουμε το φαινόμενο,

αναφερθούμε στο είδος των σωματιδίων που κινούνται

μέσα στο σύρμα, στην ταχύτητά τους, στις κρούσεις

τους κλπ, μελετάμε μικροσκοπικά το φαινόμενο.

Εικ. 2.2.2 Οι κινήσεις των σφαιριδίων μέσα στο κουτί μοιάζουν με την τυχαία κίνηση των μορίων ενός αερίου.

Στο χώρο των φυσικών επιστημών η μακροσκοπική και η μικροσκοπική

μελέτη των φαινομένων συνήθως συνυπάρχουν. Στα αέρια η μακροσκοπική μελέτη

προηγήθηκε της μικροσκοπικής. Στα μέσα του 17ου αιώνα και μετά από

μακροσκοπική μελέτη, διατυπώθηκαν οι νόμοι των αερίων από τους Boyle, Charles

και Gay-Lussac. Aργότερα (τέλη του 19ου αιώνα) άρχισε η μικροσκοπική τους

μελέτη.

Η μικροσκοπική μελέτη βοήθησε να ερμηνεύσουμε τους μακροσκοπικούς

νόμους, να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά των αερίων (π.χ. με ποιο μηχανισμό το αέριο

δημιουργεί πιέσεις) και, γενικά, να κατανοήσουμε σε βάθος την αέρια φάση. Αυτό

επιτεύχθηκε με το κινητικό- μοριακό μοντέλο του ιδανικού αερίου. Οι υποθέσεις του

μοντέλου αυτού είναι οι εξής:

1. Τα αέρια αποτελούνται από πολύ μεγάλο πλήθος απειροελάχιστων

σφαιριδίων που κινούνται τυχαία (άτακτα) μέσα στο χώρο που καταλαμβάνει το

αέριο. Τα σφαιρίδια αυτά δεν είναι τίποτε άλλο από αυτό που σήμερα αποτελεί για

τον καθένα κοινό τόπο, τα μόρια του αερίου.


2. Τα μόρια του αερίου συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικές, απόλυτα

ελαστικές, σφαίρες. Έτσι ο συνολικός όγκος των μορίων του αερίου μπορεί να

θεωρηθεί αμελητέος σε σχέση με τον όγκο του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.

3. Στα μόρια δεν ασκούνται δυνάμεις παρά μόνο τη στιγμή της κρούσης με

άλλα μόρια ή με τα τοιχώματα του δοχείου. Έτσι, η κίνησή τους, στο

μεσοδιάστημα μεταξύ δύο κρούσεων, είναι ευθύγραμμη ομαλή.

4. Οι κρούσεις των μορίων με τα τοιχώματα είναι ελαστικές. Έτσι η

κινητική ενέργεια του μορίου δεν μεταβάλλεται μετά την κρούση του με το τοίχωμα

5. Τα τοιχώματα του δοχείου θεωρούνται τελείως άκαμπτα με άπειρη μάζα

και δε μετακινούνται.

2.2.3 Θερμοδυναμικό σύστημα – Ισορροπία θερμοδυναμικού συστήματος – Θερμοδυναμικές μεταβλητές

Στη παράγραφο αυτή θα εισάγουμε τον

όρο θερμοδυναμικό σύστημα. Γενικά,

σύστημα είναι ένα τμήμα του φυσικού

κόσμου που διαχωρίζεται από τον υπόλοιπο κόσμο με πραγματικά ή νοητά

τοιχώματα. Ο υπόλοιπος φυσικός κόσμος αποτελεί το περιβάλλον του συστήματος70.

Αν κατά τη μελέτη ενός συστήματος, για την περιγραφή του χρησιμοποιούμε

μόνο μεγέθη της μηχανικής, π.χ. δύναμη, ταχύτητα, επιτάχυνση, ορμή κ.λ.π. το

σύστημα χαρακτηρίζεται μηχανικό. Στην περίπτωση που για την περιγραφή του

χρησιμοποιούνται και θερμοδυναμικά μεγέθη, όπως θερμότητα, θερμοκρασία,

εσωτερική ενέργεια και άλλα, το σύστημα χαρακτηρίζεται θερμοδυναμικό.

Εμείς θα ασχοληθούμε με τα απλούστερα θερμοδυναμικά συστήματα, δηλαδή

αέρια που βρίσκονται μέσα σε δοχεία στο εσωτερικό των οποίων δε γίνονται χημικές

αντιδράσεις. Ένα τέτοιο σύστημα θα χαρακτηρίζεται θερμικά μονωμένο ή απλά

μονωμένο αν τα τοιχώματα του δοχείου δεν επιτρέπουν τη μεταφορά θερμότητας από

το αέριο προς το περιβάλλον ή αντίστροφα.

Θερμοδυναμικό σύστημα


Για να περιγραφεί ένα

θερμοδυναμικό σύστημα χρειάζεται να

γνωρίζουμε κάποια στοιχεία του. Για

παράδειγμα, ορισμένη ποσότητα αερίου

που βρίσκεται σε ένα δοχείο μπορεί να

περιγραφεί αν γνωρίζουμε τον όγκο του, τη θερμοκρασία του και την πίεσή του. Τα

στοιχεία αυτά ονομάζονται θερμοδυναμικές μεταβλητές.

Ο όγκος, η πίεση και η θερμοκρασία ορισμένης ποσότητας αερίου

σχετίζονται μεταξύ τους με την καταστατική εξίσωση. Για να περιγράψουμε την

κατάσταση συγκεκριμένης ποσότητας αερίου αρκούν δύο από αυτά αφού το τρίτο

προκύπτει από την καταστατική εξίσωση. Οι δύο ποσότητες που είναι ικανές για

την περιγραφή της κατάστασης ορισμένης ποσότητας αερίου αποτελούν τις

ανεξάρτητες θερμοδυναμικές μεταβλητές του συστήματος.

Όταν σ’ ένα θερμοδυναμικό σύστημα οι θερμοδυναμικές μεταβλητές που το

περιγράφουν διατηρούνται σταθερές με το χρόνο, το σύστημα βρίσκεται σε

κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Σε

αντίθετη περίπτωση το σύστημα

μεταβάλλεται.

Ειδικότερα, λέμε ότι μια ποσότητα αερίου

βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής

ισορροπίας - ή απλά ισορροπίας - όταν η πίεση

(p), η πυκνότητα (ρ) και η θερμοκρασία του (Τ)

έχουν την ίδια τιμή σε όλη την έκταση του

αερίου.

Η κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας

ενός αερίου μπορεί να παρασταθεί γραφικά με ένα σημείο σε σύστημα

συντεταγμένων με άξονες δύο ανεξάρτητες θερμοδυναμικές μεταβλητές του

συστήματος. Αν το σύστημα δε βρίσκεται σε ισορροπία η κατάστασή του δε μπορεί

να αποδοθεί γραφικά αφού δε μπορούμε να μιλήσουμε για πίεση ή θερμοκρασία του

συστήματος. Η πίεση και η θερμοκρασία έχουν διαφορετικές τιμές στα διάφορα

σημεία του αερίου.

Η κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας ενός συστήματος μπορεί να

παρασταθεί γραφικά με ένα σημείο. Ένα σύστημα που δε βρίσκεται σε ισορροπία

δεν παριστάνεται γραφικά.

Σχ. 2.2.3 Η αρχική κατάστασή του

αερίου του σχήματος παριστάνεται με

ένα σημείο το Α και η τελική

κατάστασή του, που είναι κατάσταση

ισορροπίας, με το σημείο Β.

Ισορροπία Θερμοδυναμικού

συστήματος – Θερμοδυναμικές

μεταβλητές


2.2.4 Οι καταστατικές μεταβλητές Πίεση, Όγκος, Θερμοκρασία

Στη προηγούμενη ενότητα συναντήσαμε την έννοια του ιδανικού αερίου. Θα

εξετάσουμε τώρα τις ιδιότητες του, αφού

πρώτα ορίσουμε κάποιες γενικές έννοιες

που θα διευκολύνουν την μελέτη μας71.

Αρχικά με τον όρο αέριο περιγράφουμε μια κατάσταση της ύλης με τη βασική

ιδιότητα να καταλαμβάνει με συνεχή τρόπο το χώρο που της προσφέρεται,

ανεξάρτητα πόσο μεγάλος είναι αυτός ο χώρος. Το πείραμα έχει δείξει ότι η

προσπάθεια να μεταβάλλουμε τον όγκο ενός αερίου οδηγεί σε μεταβολή της πίεσης

του. Επομένως, από τις τρεις μακροσκοπικές μεταβλητές που χαρακτηρίζουν το

αέριο, τη μάζα του, τον όγκο του και την πίεση του, οι δύο μόνο είναι ανεξάρτητες.

Έτσι για να περιγράψουμε συνήθως ένα αέριο σταθερής μάζας χρησιμοποιούμε τη

μια από τις δύο ποσότητες, την πίεση ή τον όγκο. Όπως έχουμε αναφέρει όταν

χρησιμοποιούμε μια μακροσκοπικά μετρούμενη ιδιότητα για να περιγράψουμε την

κατάσταση ενός αερίου την ονομάζουμε καταστατική συντεταγμένη ή απλά

συντεταγμένη, αν οι τιμές της περιγράφουν μονοσήμαντα την κατάσταση του αερίου.

Οι καταστατικές μεταβλητές


Για το αέριο λοιπόν, ο όγκος είναι μια συντεταγμένη. Αντίθετα η πίεση δεν μπορεί να

χρησιμοποιηθεί σαν συντεταγμένη χωρίς ορισμένες προϋποθέσεις. Το πρόβλημα της

πίεσης είναι γενικό και για να γίνει κατανοητό πρέπει στο σημείο αυτό να εξετάσουμε

τη φύση της. Γνωρίζουμε ότι υπάρχει η θερμική κίνηση των μορίων. Κάθε μόριο του

αερίου που προσκρούει στα τοιχώματα του δοχείου υφίσταται μεταβολή της ορμής

του, η οποία μεταβολή είναι αποτέλεσμα άσκησης ώσης. Αν πάρουμε την ανά μονάδα

χρόνου και -ανά μονάδα επιφάνειας κάθετη μεταβολή της ορμής έχουμε την πίεση

που ασκείται στα τοιχώματα. Αλλά το μέγεθος αυτό είναι φανερό ότι πρέπει να είναι

ανάλογο του αριθμού των μορίων. Επειδή στο αέριο μεταβάλλεται ο όγκος μπορούμε

αντί του αριθμού των μορίων να αναφερθούμε στην πυκνότητα του, οπότε η πίεση

που είναι τοπικό αποτέλεσμα εξαρτάται από την τοπική πυκνότητα. Μιλώντας λοιπόν

γενικά, μόνον όταν η πυκνότητα του αερίου είναι παντού η ίδια σε κάθε σημείο της

μάζας του η πίεση είναι και αυτή παντού η ίδια. Τότε οι τιμές της περιγράφουν

μονοσήμαντα την κατάσταση του αερίου και η πίεση είναι μια καταστατική

μεταβλητή. Γνωρίζουμε ότι η πυκνότητα μεταβάλλεται σε συνάρτηση με το ύψος,

επομένως μεταβάλλεται και η πίεση. Ακόμη, μια απότομη μετατόπιση ενός

τοιχώματος του δοχείου οδηγεί σε μια τοπική μεταβολή της πυκνότητας και επομένως

σε μια μεταβολή της πίεσης. Είναι φανερό ότι πρέπει να είμαστε ιδιαίτερα

προσεκτικοί χρησιμοποιώντας την πίεση σαν συντεταγμένη. Στην πράξη όταν

αναφερόμαστε στο αέριο το εννοούμε σχεδόν πάντα μέσα σε κάποιο δοχείο μικρών

διαστάσεων, π.χ. σε ένα κύλινδρο με έμβολο. Στην περίπτωση αυτή η υψομετρική

διαφορά είναι αμελητέα και η πίεση είναι παντού η ίδια.

Μέχρι τώρα η συζήτηση μας αφορούσε σε μηχανικές ιδιότητες του αερίου. Αν

θέλουμε να το μελετήσουμε θερμικά χρειαζόμαστε μια ακόμη συντεταγμένη, τη

θερμοκρασία Τ. Εδώ βέβαια εννοείται, σύμφωνα με την συζήτηση που κάναμε

παραπάνω, ότι αναφερόμαστε σε καταστάσεις του αερίου στις οποίες το αέριο

βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία. Χρησιμοποιώντας τώρα τις τρεις

συντεταγμένες P,V,T παρατηρούμε ότι κάθε σχέση της μορφής

( , , ) 0F p V T = (2.1)

ορίζει τη μια από τις τρεις συντεταγμένες όταν οι δυο είναι δεδομένες. Σχέσεις της

μορφής (2.1) έχουν τεράστια αξία, γιατί όταν υπάρχουν για ένα αέριο ή για ένα σώμα

γενικά, η κατάσταση του περιγράφεται πλήρως απ’ αυτές. Για το λόγο αυτό

ονομάζουμε τις σχέσεις αυτές καταστατικές εξισώσεις του αερίου (ή του σώματος).

Πρέπει να παρατηρήσουμε ότι η κατασκευή μιας καταστατικής εξίσωσης είναι θέμα

καθαρά πειραματικό. Επομένως θα τη δούμε πάντα να αναφέρεται στο συγκεκριμένο

αέριο ή σώμα για το οποίο το πείραμα την προσδιόρισε.


Η εξίσωση

(2.1) παριστάνει σε

ένα κατάλληλο

σύστημα

συντεταγμένων μια

επιφάνεια. Στην

Εικ. 2.2.4 έχουμε

ένα σύστημα

συντεταγμένων ρ,

V, Τ στο οποίο

έχουμε σχεδιάσει

μια πιθανή μορφή

της επιφάνειας

(2.1). Αν κόψουμε

την επιφάνεια αυτή

σε διάφορα επίπεδα

κάθετα στους

Εικ 2.2.4 Επιφάνεια PVT για ένα ιδανικό αέριο. Στα αριστερά, κάθε

κόκκινη γραμμή αντιστοιχεί σε ορισμένο όγκο. Στα δεξιά, κάθε μπλε

γραμμή αντιστοιχεί σε ορισμένη σταθερή θερμοκρασία,

άξονες θα πάρουμε πάνω σ’ αυτά χαρακτηριστικές καμπύλες οι οποίες

αντιπροσωπεύουν μεταβολές του αέριου με μια καταστατική συντεταγμένη σταθερή.

Έτσι για παράδειγμα ένα επίπεδο κάθετο στον άξονα Τ δίνει μια καμπύλη η οποία

αντιστοιχεί σε σταθερή τιμή της θερμοκρασίας και την οποία ονομάζουμε ισόθερμη.

Όμοια ένα επίπεδο κάθετο στον άξονα P παίρνουμε μια ισοβαρή καμπύλη και με ένα

επίπεδο κάθετο στον άξονα V παίρνουμε μια ισόχωρη καμπύλη.

Πριν δούμε την καταστατική εξίσωση στις διάφορες μορφές της και πως

προκύπτει από τη σύνθεση των τριών νόμων καλό θα ήταν να κάνουμε μια εισαγωγή

στα μεγέθη πίεση, όγκο και θερμοκρασία.

2.2.4.1 Θερμοκρασία Η έννοια της θερμοκρασίας προέρχεται από την ποιοτική εντύπωση του

«ζεστού» και του «κρύου» όπως αυτή προσδιορίζεται από την αίσθηση της αφής. Ένα

σώμα που μας φαίνεται ζεστό συνήθως έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία παρά όταν μας

φαίνεται κρύο. Η πρόταση αυτή είναι αρκετά ασαφής και οι αισθήσεις μπορεί να

είναι παραπλανητικές. Όμως, υπάρχουν πολλές ιδιότητες της ύλης που μπορούμε να


μετρήσουμε και που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Το μήκος μιας μεταλλικής

ράβδου, η πίεση ατμού σε έναν ατμολέβητα, η ικανότητα ενός σύρματος που

διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, και το χρώμα ενός πυρακτωμένου αντικειμένου -

όλες αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται από τη

θερμοκρασία69.

Η θερμοκρασία έχει επίσης σχέση με την

κινητική ενέργεια των μορίων ενός υλικού. Η σχέση

αυτή, γενικά, είναι αρκετά πολύπλοκη και επομένως

δεν είναι η σωστή αφετηρία για τον ορισμό της

θερμοκρασίας. Έτσι λοιπόν, θα αναπτύξουμε σε αυτό

το εδάφιο, τον μακροσκοπικό ορισμό της θερ-

μοκρασίας. Θερμοκρασία είναι το μέτρο του ζεστού ή Σχήμα 2.2.5α Ένα θερμόμε-

τρο καθημερινής χρήσης

του κρύου ως προς κάποια κλίμακα. Ποια όμως κλίμακα; Μπορούμε να

χρησιμοποιήσουμε οποιαδήποτε μετρήσιμη ιδιότητα ενός συστήματος, που

μεταβάλλεται ανάλογα με το «πόσο ζεστό» ή «πόσο κρύο» είναι το σύστημα, για να

αντιστοιχήσουμε αριθμούς στις διάφορες διαβαθμίσεις

του ζεστού ή κρύου. Το Σχ. 2.2.5α δείχνει έναν πολύ

οικείο τύπο θερμομέτρου. Όταν το σύστημα θερ-

μαίνεται, το υγρό (συνήθως υδράργυρος ή αιθανόλη)

διαστέλλεται και ανέρχεται μέσα στον σωλήνα και το

μήκος L αυξάνεται.

Ένα άλλο απλό σύστημα είναι η ποσότητα αερίου

σε ένα δοχείο σταθερού όγκου (Σχ. 2.2.5b). Η πίεση

που δείχνει το μετρητικό, αυξάνεται ή ελαττώνεται

ανάλογα με το αν το αέριο θερμαίνεται ή ψύχεται.

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία ενός

σώματος, φέρουμε σε επαφή το θερμόμετρο με το

σώμα. Αν θέλετε να γνωρίζετε τη θερμοκρασία που

έχει ένα φλιτζάνι με καφέ, βυθίζετε το θερμόμετρο

μέσα στον καφέ καθώς τα δύο αλληλεπιδρούν, το μεν θερμόμετρο θερμαίνεται ο δε

καφές ψύχεται κατά τι. Όταν η ένδειξη του θερμομέτρου σταθεροποιηθεί, τότε

διαβάζετε τη θερμοκρασία. Το σύστημα έχει φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας, όπου

πλέον η αλληλεπίδραση θερμομέτρου και καφέ δεν επιφέρει καμιά μεταβολή στο

σύστημα. Αυτό ονομάζεται κατάσταση θερμικής ισορροπίας.

Σχήμα 2.2.5b Η κατάσταση

του συστήματος δίνεται από

την τιμή της πίεσης p


Στην κατάσταση θερμικής ισορροπίας, θερμόμετρο και καφές έχουν την ίδια

θερμοκρασία. Πώς το ξέρουμε αυτό; Ας θεωρήσουμε την αλληλεπίδραση δύο

τυχαίων συστημάτων Α και Β. Το Α μπορεί να είναι το σύστημα του Σχ. 2.2.5α και το

β μπορεί να είναι το σύστημα του Σχ. 2.2.5b. Όταν τα δύο έλθουν σε επαφή, οι τιμές

των L και p) γενικά αλλάζουν, καθώς τα δύο συστήματα τείνουν προς θερμική

ισορροπία. Αρχικά, το ένα σύστημα είναι θερμότερο από το άλλο έτσι κατά τη

διάρκεια της αλληλεπίδρασης τους το ένα μεταβάλλει την κατάσταση του άλλου.

Αν τα δύο σώματα διαχωρίζονται με ένα μονωτικό υλικό ή μονωτή, όπως ξύλο,

πλαστικό, αφρό ή υαλοβάμβακα, η αλληλεπίδραση τους επιβραδύνεται. Ιδανικός

μονωτής είναι εκείνο το υλικό που δεν επιτρέπει καμιά απολύτως αλληλεπίδραση

μεταξύ των δύο συστημάτων, αντίθετα μάλιστα εμποδίζει τα συστήματα να φτάσουν

σε θερμική ισορροπία αν δεν βρίσκονται από την αρχή σε θερμική ισορροπία. Αυτός

είναι ο λόγος που τα εκδρομικά ψυγεία είναι φτιαγμένα από μονωτικά υλικά. Δεν

θέλουμε να έρθουν σε θερμική ισορροπία τα παγάκια και τα κρύα φαγώσιμα μέσα

στο ψυγείο με τη ζεστή καλοκαιριάτικη εξωτερική ατμόσφαιρα η μόνωση παρατείνει

αυτή την κατάσταση, όχι όμως επ' άπειρον.

Θεωρήστε τώρα τρία συστήματα, A, Β και C, που

αρχικά βρίσκονται εκτός θερμικής ισορροπίας (Σχ.

2.2.6). Τα περιβάλλουμε με ένα ιδανικό μονωτικό

κιβώτιο, έτσι ώστε να μη μπορούν να αλληλεπιδράσουν

με τίποτε άλλο παρά μόνο μεταξύ τους. Ανάμεσα στα Α

και Β παρεμβάλλουμε ένα ιδανικό μονωτικό τοίχωμα, η

μπλε πλάκα του Σχ. 2.2.6a, επιτρέπουμε όμως στο

σύστημα C να αλληλεπιδρά τόσο με το Α όσο και με το

Β. Η αλληλεπίδραση αυτή αποδίδεται στο σχήμα από μια

πορτοκαλιά πλάκα που παριστάνει έναν θερμικό αγωγό,

ένα υλικό δηλαδή που επιτρέπει να γίνονται θερμικές

αλληλεπιδράσεις μέσω αυτού. Αφήνουμε να περάσει

αρκετός χρόνος, ώσπου να αποκατασταθεί θερμική

ισορροπία· τα Α και Β είναι τότε το καθένα χωριστά σε

θερμική ισορροπία με το C. Είναι όμως και μεταξύ τους

σε θερμική ισορροπία;

Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, απομονώνουμε το C από το Α και το

Β με ένα μονωτικό τοίχωμα (Σχ. 2.2.6 b) και στη συνέχεια αντικαθιστούμε το

Σχ.2.2.6 Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής


μονωτικό τοίχωμα μεταξύ Α και Β με ένα αγώγιμο τοίχωμα που τους επιτρέπει να

αλληλεπιδρούν. Τι συμβαίνει τότε; Το πείραμα δείχνει ότι δεν συμβαίνει τίποτε τα Α

και Β δεν αλλάζουν κατάσταση. Συμπέρασμα: Αν το C είναι αρχικά σε θερμική

ισορροπία με τα Α και Β, τότε τα Α και Β είναι και μεταξύ τους σε θερμική

ισορροπία. Όσο απλό ή προφανές και να φαίνεται αυτό το συμπέρασμα, δεν παύει να

χρειάζεται πειραματική επιβεβαίωση.

Δύο συστήματα που το καθένα τους είναι σε

θερμική ισορροπία με ένα τρίτο είναι και μεταξύ

τους σε θερμική ισορροπία. Αυτή η αρχή ονομάζεται

μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής. Η σημασία του

νόμου αυτοΰ αναγνωρίστηκε μετά τον χαρακτηρισμό των νόμων της θερμοδυναμικής

ως πρώτου, δεύτερου και τρίτου. Δεδομένου δε ότι ο μηδενικός νόμος είναι

θεμελιώδης για τους υπόλοιπους, ο χαρακτηρισμός του ως «μηδενικός»

δικαιολογείται απόλυτα69.

Η θερμοκρασία ενός συστήματος προσδιορίζει κατά πόσον ένα σύστημα

βρίσκεται ή όχι σε θερμική ισορροπία με ένα άλλο. Δυο συστήματα βρίσκονται σε

θερμική ισορροπία, αν και μόνο αν, έχουν την ίδια θερμοκρασία. Αν οι

θερμοκρασίες δύο συστημάτων είναι διαφορετικές, τα δύο συστήματα δεν μπορούν

να είναι σε θερμική ισορροπία. Το θερμόμετρο στην πραγματικότητα μετρά τη δική

τον θερμοκρασία, αν όμως βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με ένα άλλο σώμα, οι

θερμοκρασίες τους πρέπει να είναι ίδιες. Η κλίμακα θερμοκρασίας όπως του Κελσίου

ή του Φαρενάιτ, δεν είναι παρά ένας ειδικός τρόπος αντιστοίχησης αριθμών σε

θερμοκρασίες.

Για να χρησιμοποιήσουμε μια διάταξη ως

θερμόμετρο, χρειάζεται να την βαθμονομήσουμε με μια

αριθμημένη κλίμακα. Η βαθμονόμηση αυτή είναι

αυθαίρετη· ιστορικά έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετοί

διαφορετικοί τρόποι βαθμονόμησης. Το θερμόμετρο το βαθμονομούμε θέτοντας το

σε θερμική επαφή με ένα σύστημα του οποίου η θερμοκρασία είναι σταθερή (γι' αυτό

ονομάζεται θερμοκρασία σταθερού σημείου). Ένα εύχρηστο σταθερό σημείο

θερμοκρασίας είναι αυτό τού μίγματος πάγου και νερού σε ισορροπία υπό

ατμοσφαιρική πίεση (λέγεται και σημείο τήξεως τού πάγου). Η θερμοκρασία αυτή εξ

ορισμού αντιστοιχεί στο μηδέν τής κλίμακας Κελσίου: 0° C. Ένα άλλο σταθερό

σημείο θερμοκρασίας είναι αυτό τού ισορροπούντος μίγματος νερού και υδρατμών

Μηδενικός Νόμος

Θερμοδυναμικής

Κλίμακες

Θερμοκρασίας


υπό ατμοσφαιρική πίεση (λέγεται και σημείο βρασμού). Η θερμοκρασία αυτή εξ

ορισμού αντιστοιχεί στους 100 βαθμούς Κελσίου: 100 °C. Αφού λοιπόν βρούμε το

επίπεδο τού υδραργύρου στον τριχοειδή σωλήνα που αντιστοιχεί στα δύο

προαναφερθέντα σταθερά σημεία θερμοκρασίας, χωρίζουμε την μεταξύ τους

απόσταση σε 100 ίσα διαστήματα (γνωρίζουμε ότι ο υδράργυρος διαστέλλεται

γραμμικά, συναρτήσει τής θερμοκρασίας), καθένα από τα οποία ονομάζεται βαθμός

Κελσίου.

Η κλίμακα αυτή λέγεται τυπικά εκατονταβάθμια κλίμακα ή η κλίμακα

θερμοκρασιών Κελσίου.

Η κλίμακα Κελσίου χρησιμοποιείται τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στην

επιστήμη και στη βιομηχανία, παντού σε όλο τον κόσμο εκτός από ελάχιστες

αγγλόφωνες χώρες. Με τέτοια θερμόμετρα όμως δεν είναι δυνατόν να γίνουν

μετρήσεις μεγάλης ακριβείας72.

Στην κλίμακα θερμοκρασιών Fahrenheit (Φαρενάιτ), ακόμη σε καθημερινή

χρήση στις ΗΠΑ, η θερμοκρασία του παγωμένου νερού τοποθετείται στους 32 °F

(τριάντα δύο βαθμούς Fahrenheit), και εκείνη του νερού που βράζει στους 212 °F, και

οι δύο σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Μεταξύ πήξης και βρασμού του νερού

μεσολαβούν 180 βαθμοί, σε αντίθεση με τους 100 στην κλίμακα Κελσίου· άρα ένας

βαθμός Fahrenheit αντιστοιχεί σε μεταβολή θερμοκρασίας ίση με τα 100180

, ή 59

εκείνης του ενός βαθμού Κελσίου.

Για να μετατρέψουμε θερμοκρασίες Κελσίου σε Fahrenheit, χρησιμοποιούμε τη

σχέση

9 325F CT T= +

Όταν κάνουμε βαθμονόμηση δύο θερμομέτρων, π.χ. υγρού και αντίστασης, έτσι που

οι ενδείξεις στους 0 °C και 100 °C να συμφωνούν, δεν σημαίνει ότι συμφωνούν α-

κριβώς και όλες οι ενδιάμεσες ενδείξεις τους. Κάθε κλίμακα θερμοκρασιών που

ορίζεται με αυτό τον τρόπο εξαρτάται ως ένα βαθμό από τις ειδικές ιδιότητες του

υλικού που χρησιμοποιείται. (Προβλήματα ακριβείας παρουσιάζουν και τα

θερμόμετρα που χρησιμοποιούν το ίδιο υλικό. Αυτό οφείλεται κυρίως στην δυσκολία

κατασκευής ομοιόμορφων τριχοειδών σωλήνων.)

Ιδανική κλίμακα θερμοκρασίας θα ήταν εκείνη που δεν θα παρουσίαζε

εξάρτηση από τις ιδιαίτερες ιδιότητες του καθενός υλικού. Το θερμόμετρο αερίου που


θα συζητήσουμε παρακάτω πλησιάζει πολύ σε αυτό. Για να καθιερώσουμε όμως μια

κλίμακα θερμοκρασιών που είναι πραγματικά ανεξάρτητη από το υλικό, χρειάζεται

να αναπτύξουμε πρώτα ορισμένες αρχές της θερμοδυναμικής69.

Γνωρίζουμε ότι η μέτρηση τής θερμοκρασίας που δίνει ένα θερμόμετρο αερίου

είναι σχεδόν ανεξάρτητη από το αέριο που

χρησιμοποιείται στο θερμόμετρο. Στο Σχήμα

2.2.7 βλέπουμε ένα θερμόμετρο αερίου υπό

σταθερό όγκο. Η φυσική ιδιότητα που

χρησιμοποιούμε στο θερμόμετρο αυτό είναι η

μεταβολή τής πίεσης συναρτήσει τής

θερμοκρασίας για σταθερό όγκο τού αερίου.

Καθώς το αέριο θερμαίνεται από το σύστημα

τού οποίου τη θερμοκρασία θέλουμε να

μετρήσουμε, αυξάνεται η πίεση του και το ύψος

της στήλης του υδραργύρου στο δεξιό μέρος του

Σχήματος 2.2.7. Εάν το αέριο ψυχθεί, τότε η

πίεση του ελαττώνεται και επομένως μειώνεται

το ύψος τής στήλης τού υδραργύρου. Τον όγκο

τού αερίου του θερμομέτρου τον διατηρούμε

σταθερό μεταβάλλοντας κατάλληλα το ύψος τού γυάλινου σωλήνα στα δεξιά ο

οποίος περιέχει τον υδράργυρο. Θα ορίσουμε τη θερμοκρασία συναρτήσει τής πίεσης.

Υποθέτουμε ότι η πίεση και η θερμοκρασία συνδέονται με γραμμική σχέση, σαν την

κλίμακα κλίμακα

υδράργυρος

Σύστημα του οποίου μετρούμε την θερμοκρασία

Ελαστικός σωλήνας Ελαστικός σωλήνας

Σχήμα 2.2.7: Το θερμόμετρο αερίου σταθερού όγκου δίνει ένδειξη της πίεσης του αερίου που περιέχει το δοχείο στα αριστερά. Μπορούμε να διατηρήσουμε σταθερό τον όγκο του αερίου που περιέχει το δοχείο, υψώνοντας ή χαμηλώνοντας τη στήλη στα δεξιά έτσι ώστε η στάθμη του υδραργύρου στα αριστερά να παραμένει σταθερή.

Τ = αP +b

όπου οι a και b είναι σταθερές. Τις σταθερές αυτές μπορούμε να τις υπολογίσουμε

εάν χρησιμοποιήσουμε δύο σταθερά σημεία θερμοκρασίας, λ.χ. το σημείο τήξεως τού

πάγου (ή πήξεως τού νερού) και το σημείο βρασμού τού νερού.

Αν υποθέσουμε τώρα ότι μετρούμε θερμοκρασίες με θερμόμετρα που

χρησιμοποιούν διάφορα αέρια, θα δούμε ότι οι ενδείξεις τους είναι σχεδόν

ανεξάρτητες από το αέριο που χρησιμοποιούν, εφόσον η πίεση του αερίου είναι

χαμηλή (δηλαδή έχει χαμηλή πυκνότητα) και η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλότερη

από το σημείο υγροποίησης του. Μάλιστα, όσο μειώνεται η πίεση τόσο περισσότερο

συμφωνούν οι ενδείξεις των θερμομέτρων διαφόρων αερίων. Αυτό μάς κάνει να

πιστεύουμε ότι όλα τα θερμόμετρα διαφόρων αερίων σε χαμηλές πιέσεις και υψηλές

θερμοκρασίες έχουν τον ίδιο σταθερό όρο b στην εξίσωση. Και αυτό φαίνεται στο


Σχήμα 2.2.8. Όταν προεκτείνουμε την ευθεία γραμμή που περιγράφει τη σχέση

πίεσης-θερμοκρασίας στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η ευθεία τέμνει τον άξονα

θερμοκρασιών (τότε η πίεση είναι μηδέν) στους -273.15°C. Αυτή η θερμοκρασία

ισούται με την σταθερά b της Εξίσωσης. Η προέκταση τής ευθείας είναι αναγκαία

διότι δεν μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις στις χαμηλές θερμοκρασίες, αφού τα αέρια

υγροποιούνται προτού φθάσουν σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία.

Η βαθμονόμηση των πρώτων θερμομέτρων αερίου γινόταν με τη χρησιμο-

ποίηση των σημείων τήξεως τού πάγου και βρασμού τού νερού. Για λόγους όμως

καθαρά τεχνικούς, πολλές φορές είναι δύσκολο να βρούμε τα σημεία αυτά με

ακρίβεια. Γι' αυτό, το 1954, η Διεθνής Επιτροπή Μέτρων και Σταθμών όρισε τη νέα

κλίμακα θερμοκρασίας, η οποία βασίστηκε σε ένα μόνο σημείο και ελήφθη το b ίσο

με το μηδέν (b = 0) (άλλαξε, δηλαδή, η αρχή τής τετμημένης). Ως σημείο αναφοράς

επιλέχθηκε το λεγόμενο τριπλό σημείο του νερού, το οποίο εντοπίζεται κάθε φορά

πολύ εύκολα. Αυτό αντιστοιχεί στον μοναδικό συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης

στον οποίο νερό, υδρατμοί και πάγος συνυπάρχουν σε ισορροπία. Το τριπλό σημείο

υπάρχει σε θερμοκρασία 0,01°C και σε πίεση 0,61 kPa. Στην νέα κλίμακα

θερμοκρασίας, λοιπόν, εξ ορισμού το τριπλό σημείο τού νερού έχει θερμοκρασία

273,16 κέλβιν (σε συντομογραφία 273,16 Κ). Με την επιλογή αυτή η παλαιά κλίμακα

που βασιζόταν στα σταθερά

σημεία τήξεως τού πάγου και

βρασμού τού ύδατος βρίσκεται

πολύ κοντά με την νέα, που

βασίζεται στο τριπλό σημείο.

Η νέα κλίμακα λέγεται

κλίμακα θερμοδυναμικής

θερμοκρασίας. Στο SI μονάδα

της είναι το κέλβιν (kelvin·

σύμβολο Κ).

Ένα kelvin ισούται, εξ

ορισμού, με το κλάσμα 1/273.16 τής θερμοκρασίας τού τριπλού σημείου τού

ύδατος.

Σχήμα 2.2.8 Προσδιορισμός απολύτου μηδενός

Εάν θέσουμε στην Εξίσωση b = 0 και ονομάσουμε Ρ3 την πίεση στο τριπλό

σημείο όπου Τ3 = 273,16 Κ, τότε βρίσκουμε ότι α = (273.16 Κ)/P3. Συνεπώς η

θερμοκρασία σε πίεση αερίου Ρ για το θερμόμετρο σταθερού όγκου ορίζεται ως


3

273.16KT PP

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(σταθερό V)

Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, βρίσκουμε πειραματικά ότι, καθώς η πίεση Ρ3

μειώνεται, η τιμή τής θερμοκρασίας που μετρούμε είναι η ίδια για όλα τα αέρια. Αυτό

φαίνεται και στο Σχήμα 2.2.8, όπου βλέπουμε τη θερμοκρασία τού σημείου βρασμού

τού ύδατος όπως μετρήθηκε με θερμόμετρα σταθερού όγκου με διάφορα αέρια. Όλα

τα θερμόμετρα τείνουν στην κοινή τιμή θερμοκρασίας των 373.15 Κ καθώς η πίεση

P3 τείνει προς το μηδέν. Με τον ίδιο τρόπο βρίσκουμε ότι η τιμή τού σημείου τήξεως

τού πάγου είναι 273.15 Κ. Στο όριο των χαμηλών πιέσεων και υψηλών θερμοκρασιών

τα διάφορα αέρια συμπεριφέρονται σαν να ήταν ιδανικά αέρια. Η θερμοκρασία που

ορίζουμε στο όριο των χαμηλών πιέσεων ονομάζεται θερμοκρασία ιδανικών αερίων Τ

και ισούται με

3 03

273.16 limP

PT KP→

= (σταθερό V)

Θα διευκολυνόμασταν πολύ εάν είχαμε μια κλίμακα θερμοκρασίας που δεν θα

εξαρτώνται από τις ιδιότητες ενός υλικού. Η κλίμακα αυτή ονομάζεται απόλυτη

κλίμακα ή κλίμακα Κέλβιν. Αργότερα θα δούμε ότι η κλίμακα των ιδανικών αερίων

είναι ίδια με την κλίμακα για απόλυτες θερμοκρασίες υψηλότερες τού 1 Κ, οπότε

μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε θερμόμετρα αερίου

Βλέπουμε, λοιπόν, ότι με το θερμόμετρο σταθερού όγκου μπορούμε να

ορίσουμε μια κλίμακα θερμοκρασίας την οποία μπορούμε να αναπαραγάγουμε στα

διάφορα εργαστήρια. Μολονότι η κλίμακα αυτή εξαρτάται από τις ιδιότητες τών

αερίων, δεν εξαρτάται από το είδος τού αερίου που χρησιμοποιούμε. Στην πράξη,

μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε θερμόμετρα με αέριο ήλιο (σε χαμηλή πίεση) για να

μετρήσουμε θερμοκρασίες μέχρι 1 Κ. Το ήλιο υγροποιείται κάτω από το 1 Κ ενώ τα

άλλα αέρια υγροποιούνται σε υψηλότερες θερμοκρασίες72.

2.2.4.2 Πίεση

Όταν ένα ρευστό (υγρό ή αέριο) ηρεμεί, εξασκεί μια

δύναμη κάθετη σε κάθε επιφάνεια σε επαφή με αυτό , όπως

για παράδειγμα σε κάθε τοίχωμα του δοχείου που το περιέχει

ή στην επιφάνεια ενός σώματος που είναι βυθισμένο σ’ αυτό.

ΔF

21/9/2010 - Τμήμα Φυσικής - Σελ. 78Σχήμα 2.2.9

Αν θεωρήσουμε μια φανταστική επιφάνεια μέσα στο ρευστό, αυτό εξασκεί ίσες και

αντίθετες δυνάμεις πάνω στις δυο πλευρές της επιφάνειας. (αλλιώς, η επιφάνεια θα

επιταχύνονταν και το ρευστό δε θα παρέμενε σε ηρεμία)69.

Πίεση είναι η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας. Ορίζουμε την πίεση p σε κάποιο

σημείο του ρευστού, ως το λόγο της κάθετης δύναμης dF⊥ που ασκείται πάνω σε μια

μικρή επίπεδη επιφάνεια dA γύρω από το σημείο αυτό, προς την επιφάνεια αυτή,

όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2.9:

0lim F dFP

dA⊥

ΔΑ→

Δ= =

ΔΑ

(θεωρήσαμε ότι το ρευστό βρίσκεται σ’ ένα δοχείο).

Αν η πίεση είναι ίδια σε όλα τα σημεία μιας πεπερασμένης επιφάνειας με

εμβαδό Α, τότε

FPA⊥=

Η μονάδα πίεσης στο σύστημα S.I είναι το 1Ν/m2 και ονομάζεται pascal.

Αν το βάρος ενός ρευστού μπορεί να αγνοηθεί, η

πίεση παντού μέσα στο ρευστό είναι η ίδια. Εντούτοις, σε

πολλές περιπτώσεις το

βάρος ενός ρευστού δεν είναι αμελητέο. Η

ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας

είναι μεγαλύτερη από ό,τι στα ψηλά βουνά και, στην

καμπίνα ενός αεροπλάνου, που πετάει σε ύψος 11km,

η πίεση διατηρείται στην κανονική της τιμή τεχνητά.

Όταν κάνουμε κατάδυση σε βαθειά νερά, τα αυτιά

μας, μας ειδοποιούν ότι η πίεση αυξάνει γρήγορα

καθώς αυξάνεται το βάθος κάτω από την επιφάνεια.

Αρχή του Pascal

Μπορούμε να βρούμε μια γενική σχέση μεταξύ

της πίεσης P σε οποιοδήποτε σημείο ενός ρευστού

και του ύψους y του σημείου. Αν το ρευστό

ισορροπεί, τότε κάθε στοιχείο όγκου του ισορροπεί.

Ας υποθέσουμε ότι η πυκνότητα ρ και η επιτάχυνση

της βαρύτητας g είναι ίδιες σε όλο τον όγκο του

Σχήμα 2.2.10 Οι δυνάμεις επί ενός στοιχείου ρευστού σε

ί


ρευστό. Θεωρήστε ένα λεπτό στοιχείο ρευστού, πάχους dy (Σχ. 2.2.10). Η κάτω και

πάνω επιφάνεια έχουν εμβαδόν Α και βρίσκονται σε ύψος y και y+dy, αντίστοιχα,

πάνω από κάποια στάθμη αναφοράς, όπου y = 0. Ο όγκος του ρευστού είναι dV = A

dy, η μάζα του dm = ρ dV = ρ Α dy και το βάρος του w = dmg = ρ gA dy.

Αν η πίεση στην κάτω επιφάνεια είναι p, τότε η ολική συνιστώσα y της προς τα

πάνω δύναμης που ασκείται σε αυτή την επιφάνεια είναι pΑ. Η πίεση στην πάνω

επιφάνεια είναι p + dp και η ολική συνιστώσα y της (προς τα κάτω) δύναμης στην

πάνω επιφάνεια είναι - (p + dp)Α. Το ρευστό αυτού του όγκου ισορροπεί και συνεπώς

η συνολική συνιστώσα y της δύναμης, συμπεριλαμβάνοντας το βάρος και τις

δυνάμεις στην πάνω και κάτω επιφάνεια, πρέπει να είναι μηδέν:

0,yFΣ = ( )pA p dp A gAdy 0ρ− + − =

Αν απαλείψουμε το εμβαδό Α και απλοποιήσουμε καταλήγουμε στη σχέση:

dp gdy

ρ= −

Αυτή η εξίσωση δείχνει πως, όταν τo y αυξάνεται, η p ελαττώνεται, πράγμα

αναμενόμενο. Αν p1 και p2 είναι η πίεση σε ύψος y1 και y2, αντίστοιχα, και αν τα ρ

και g είναι σταθερά, τότε:

2 1 2 1( )p p g y yρ− = − −

Ας εφαρμόσουμε την εξίσωση αυτή σε ένα υγρό μέσα σε ένα δοχείο (Σχ.

2.2.11). Θεωρήστε το σημείο 1 σε οποιαδήποτε

στάθμη και ότι η πίεση σ' αυτό το σημείο είναι p.

Θεωρήστε το σημείο 2 στην επιφάνεια του υγρού,

όπου η πίεση είναι p0, (δείκτης 0 για μηδενικό

βάθος). Τότε,

0 2 1

0 2 1 0

( ),( )

p p g y yp p g y y p gh

ρρ ρ

− = − −= + − = +

όπου h είναι το ύψος στο οποίο βρίσκεται η

επιφάνεια πάνω από το σημείο 1 ή το βάθος του

σημείου 1 κάτω από την επιφάνεια. Η πίεση p σε

βάθος h είναι μεγαλύτερη από την πίεση ρ0 στην

επιφάνεια κατά την ποσότητα pgh.

Η εξίσωση δείχνει επίσης ότι αν αυξήσουμε την

πίεση p0 στην επάνω επιφάνεια, π.χ. εισάγοντας ένα έμβολο που εφαρμόζει καλά

Σχήμα 2.2.11 Η πίεση σε βάθος h μέσα σ’ ένα υγρό είναι μεγαλύτερη από την πίεση p0 στην επιφάνεια κατά την ποσότητα ghρ


μέσα στο δοχείο και χρησιμοποιήσουμε το

έμβολο για να σπρώξουμε προς τα κάτω την

επιφάνεια του ρευστού, τότε η πίεση p σε

οποιοδήποτε βάθος αυξάνεται κατά το ίδιο

ποσό ακριβώς. Το γεγονός αυτό διαπίστωσε

το 1653 ο Γάλλος επιστήμονας Blaise Pascal

(1623-1662) και ονομάζεται αρχή του

Pascal: Η πίεση που εξασκείται σε ένα

περιορισμένο ρευστό, μεταδίδεται αμείωτη

σε κάθε τμήμα του ρευστού και στα

τοιχώματα του δοχείου που το περικλείει.

Η πίεση είναι ίδια σε κάθε διεύθυνση και εξαρτάται μόνο από το βάθος. Το σχήμα

του δοχείου δεν έχει καμιά επίδραση (Σχ. 2.2.12).

Σχ. 2.2.12 Η πίεση σ’ ένα ρευστό είναι ίδια σ’ όλα τα σημεία που έχουν το ίδιο ύψος. Το σχήμα του δοχείου δεν επηρεάζει την πίεση.

0 υδραυλικός ανυψωτής είναι μία συσκευή που πολλαπλασιάζει τη δύναμη κατά

παράγοντα ίσο προς το λόγο των εμβαδών των δυο εμβόλων. Η οδοντιατρική

πολυθρόνα, ο υδραυλικός γρΰλλος, πολλοί ανελκυστήρες και τα υδραυλικά φρένα,

όλα χρησιμοποιούν αυτή την αρχή.

Η παραδοχή, ότι η πυκνότητα ενός

ρευστού είναι σταθερή, συχνά είναι λογική για

υγρά που είναι σχετικά ασυμπίεστα, ενώ για

αέρια είναι ρεαλιστική μόνο για μικρές

κατακόρυφες αποστάσεις.

Η διαφορά πίεσης από την ατμοσφαιρική

συνήθως ονομάζεται διαφορική πίεση, ενώ η

ολική πίεση λέγεται απόλυτη πίεση. Αν η πίεση

είναι μικρότερη από την ατμοσφαιρική, η

διαφορική πίεση είναι αρνητική (υποπίεση).

Σχ. 2.2.13 Μια εφαρμογή της αρχής του Pascal

Ο απλούστερος μετρητής πίεσης είναι το μανόμετρο

ανοιχτού σωλήνα (Σχ. 2.2.14a). Ο υοειδής σωλήνας

περιέχει υγρό, συνήθως υδράργυρο ή νερό. Το ένα άκρο

του σωλήνα συνδέεται με το δοχείο στο οποίο θέλουμε να μετρήσουμε την πίεση p,

ενώ το άλλο άκρο είναι ανοιχτό στην ατμόσφαιρα, οπότε η πίεση είναι p0 = pa. Η

πίεση στον πυθμένα της αριστερής στήλης είναι p+ ρgy1, ενώ στον πυθμένα της

Μετρητές Πίεσης


δεξιάς είναι pα + ρgy2, όπου ρ είναι η πυκνότητα του υγρού στο μανόμετρο. Επειδή, η

στάθμη είναι ίδια, οι πιέσεις πρέπει να είναι ίσες:

1 2

2 1

,( )a

p gy p gyp p g y y g

α

hρ ρ

ρ ρ+ = +− = − =

Στην παραπάνω εξίσωση, p είναι η απόλυτη πίεση,

ενώ η διαφορά p- pα μεταξύ απόλυτης και α-

τμοσφαιρικής πίεσης είναι η διαφορική πίεση. Έτσι, η

διαφορική πίεση είναι ανάλογη προς τη διαφορά ύψους

y2 -yl των στηλών του υγρού.

Ένας άλλος κοινός μετρητής πίεσης είναι το

υδραργυρικό βαρόμετρο. Αποτελείται από ένα μακρύ

γυάλινο σωλήνα, κλειστό στο ένα άκρο, που αφού

γεμίστηκε με υδράργυρο, κατόπιν αναστράφηκε σε μια

λεκάνη με υδράργυρο (Σχ. 2.2.14b). Ο χώρος πάνω από

τη στήλη υδραργύρου περιέχει μόνο ατμούς

υδραργύρου η πίεση τους είναι τόσο μικρή που μπορεί

να αγνοηθεί, οπότε η πίεση Ρ0 στην κορυφή της στήλης

υδραργύρου είναι πρακτικά μηδέν. Από την Εξ. (14-6), Σχ. 2.2.14 a) Μανόμετρο ανοιχτού σωλήνα b)Υδραργυρικό βαρόμετρο

2 10 ( )ap p g y y ghρ ρ= = + − =

Έτσι, το υδραργυρικό βαρόμετρο καταγράφει την

ατμοσφαιρική πίεση pα κατευθείαν από το ύψος της

στήλη; υδραργύρου.

Στο παρελθόν η πίεση συνήθως εκφραζόταν με το

ύψος της αντίστοιχης στήλης υδραργύρου, δηλ. τόσες

«ίντσες υδραργύρου» ή «χιλιοστά υδραργύρου»

(συντετμημένα, mm Hg). Η πίεση 1 mm Hg

ονομαζόταν ένα torr, από το όνομα του Evangelista

Torricelli, εφευρέτη του υδραργυρικού βαρομέτρου.

Αυτές οι μονάδες εξαρτώνται από την πυκνότητα του

υδραργύρου, που μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, και από την τιμή του g, που είναι

συνάρτηση του τόπου της μέτρησης, έτσι η προτιμώμενη μονάδα πίεσης είναι το

pascal.


2.2.5 Οι νόμοι και η καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων

Στην παράγραφο αυτή θα αναφερθούμε στη μελέτη των ιδιοτήτων ενός αερίου

με μάζα m, που κατέχει όγκο V του δοχείου του, ενώ η πίεση είναι P και η

θερμοκρασία Τ. Θα βρούμε τη πολύ χρήσιμη σχέση που συνδέει τις παραπάνω

ποσότητες. Η εξίσωση που συνδέει τα παραπάνω μεγέθη λέγεται καταστατική

εξίσωση και στη γενική της μορφή είναι πολύ περίπλοκη. Εάν όμως διατηρήσουμε το

αέριο σε χαμηλή πίεση (ή χαμηλή πυκνότητα), μπορούμε να βρούμε πειραματικά μια

απλή καταστατική εξίσωση. Ένα τέτοιο αέριο σε χαμηλή πυκνότητα ονομάζεται

ιδανικό αέριο. Τα περισσότερα αέρια που βρίσκονται σε συνήθη θερμοκρασία

περιβάλλοντος και σε ατμοσφαιρική πίεση συμπεριφέρονται σαν ιδανικά αέρια.

Σχέση όγκου και πίεσης73

Μια χαρακτηριστική ιδιότητα ενός αερίου είναι η

συμπιεστότητα του, η ικανότητα του να "στριμώχνεται"

σε μικρότερους όγκους με εφαρμογή

πίεσης. Συγκριτικά, τα υγρά και τα

στερεά είναι σχετικώς ασυμπίεστα. Η

συμπιεστότητα των αερίων

μελετήθηκε για πρώτη φορά από τον

Robert Boyle το 1661. Όταν ο Boyle

έριξε υδράργυρο από το ανοικτό άκρο

του κεκαμμένου σωλήνα, ο όγκος του

εγκλεισμένου αερίου ελαττώθηκε

(Σχήμα 2.2.15). Κάθε προσθήκη

υδραργύρου μεγάλωνε την πίεση πάνω

στο αέριο, ελαττώνοντας τον όγκο

του. Από τέτοια πειράματα ο Boyle,

διατύπωσε τον φερώνυμο νόμο.

Σύμφωνα με τον νόμο του Boyle, ο

όγκος μιας ποσότητας αερίου σε δεδομένη θερμοκρασία μεταβάλλεται

αντιστρόφως ανάλογα προς την εφαρμοζόμενη πίεση.

Νόμος του Boyle

Σχ. 2.2.15 το πείραμα του Boyle,0 όγκος του αερίου σε κανονική ατμοσφαιρική πίεοη (760 mmHg είναι 100 mL. Όταν η πίεση διπλασιασθεί με προσθήκη 760 mI υδραργύρου, ο όγκος του αερίου γίνεται ο μισός (50 mL).


Ισχύει δηλαδή 1VP

∞ ,

όπου V είναι ο όγκος, Ρ είναι η πίεση και ∞ σημαίνει "είναι ανάλογο προς".

Έτσι, αν η πίεση διπλασιάζεται, ο όγκος γίνεται ο μισός.

Ο νόμος του Boyle μπορεί να εκφρασθεί και υπό τη μορφή εξίσωσης. Θέτοντας

πίεση και όγκο στην ίδια πλευρά της εξίσωσης, γράφουμε

PV const= (για δεδομένη ποσότητα αερίου, υπό σταθερή θερμοκρασία)

Δηλαδή,

για μια

δεδομένη

ποσότητα

αερίου σε

καθορισμένη

θερμοκρασία,

η πίεση επί

τον όγκο είναι

μια σταθερά.

Παριστάνοντα

ς γραφικά τον

όγκο του

οξυγόνου σε

διαφορετικές πιέσεις (όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2.16, λαμβάνουμε ένα διάγραμμα

που δείχνει την αντίστροφη σχέση των Ρ και V.

Σχήμα 2.2.16 α) To αέριο βρίσκεται μέσα σε ογκομετρικό δοχείο. Το δοχείο με το αέριο περιβάλλεται από λουτρό με νερό του οποίου η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή. Στο δοχείο υπάρχει προσαρμοσμένο μανόμετρο για τη μέτρηση της πίεσης του αερίου. β) Στο διάγραμμα παριστάνεται γραφικά η πίεση του αερίου σε συνάρτηση με τον όγκο του, για θερμοκρασίες Τ1 και Τ2 για τις οποίες ισχύει Τ2 > Τ1.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε tον νόμο του Boyle για να υπολογίσουμε τον

όγκο που καταλαμβάνει ένα αέριο, όταν η πίεση μεταβάλλεται..

Σχέση όγκου και θερμοκρασίας73 Νόμος του Gay-Lussac


Η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης τον όγκο ενός αερίου. Αν σε υγρό άζωτο (-

196°C), βυθίσουμε ένα φουσκωμένο με αέρα μπαλόνι, το μπαλόνι συρρικνώνεται

(Σχήμα 2.2.17). Μετά την έξοδο του από το υγρό άζωτο, το μπαλόνι αποκτά το

αρχικό του μέγεθος. Τα

αέρια συστέλλονται όταν

ψύχονται και διαστέλλονται

όταν θερμαίνονται.

Μια από τις πρώτες

ποσοτικές παρατηρήσεις

αερίων σε διαφορετικές

θερμοκρασίες έγινε από τον

Jacques Alexandre Charles

το 1787. Ο Charles ήταν

ένας Γάλλος φυσικός και

πρωτοπόρος στην πλήρωση μπαλονιών (αεροστάτων) με θερμό αέρα ή υδρογόνο.

Αργότερα, οι John Dalton (1801) και

Joseph Louis Gay-Lussac (1801

συνέχισαν τα πειράματα αυτού του

είδους και απέδειξαν ότι μια ποσότητα

αερίου υπό σταθερή πίεση, αυξάνεται σε

όγκο γραμμικά με τη θερμοκρασία. Με

τον όρο "γραμμικά" εννοούμε ότι, αν

παραστήσουμε γραφικά τον όγκο που

καταλαμβάνει ένα δεδομένο δείγμα

αερίου σε διάφορες θερμοκρασίες,

λαμβάνουμε μια ευθεία (Σχήμα 2.2.18).

Η διατύπωση του νόμου του Gay Lussac είναι η εξής :

Σχ.2.2.17 Ένα μπαλόνι βυθισμένο σε υγρό άζωτο συρρικνώνεται,

επειδή ο αέρας στο εσωτερικό του συστέλλεται. Όταν το μπαλόνι

απομακρυνθεί από το υγρό άζωτο, ο αέρας στο εσωτερικό του

θερμαίνεται και το μπαλόνι διαστέλλεται, αποκτώντας έτσι το

αρχικό του μέγεθος.

Σχ. 2.2.18 Σχέση όγκου και απόλυτης θερμοκρασίας

Για ορισμένη μάζα που κρατιέται σε σταθερή πίεση, ο όγκος είναι ανάλογος

με την απόλυτη θερμοκρασία του.

Η μαθηματική του διατύπωση είναι:

V constT=


Όταν όμως κάνουμε το διάγραμμα του όγκου συναρτήσει της θερμοκρασίας σε

κλίμακα κελσίου,

όπως στο Σχήμα

2.2.19 και

προεκτείνουμε τις

ευθείες γραμμές από

το τελευταίο

πειραματικό σημείο

προς χαμηλότερες

θερμοκρασίες,

παρατηρούμε ότι όλες

οι ευθείες τέμνονται

στο ίδιο σημείο. Το

σημείο αυτό

βρίσκεται στη

θερμοκρασία -273,15 oC στην οποία, σύμφωνα με τη γραφική παράσταση,

αντιστοιχεί όγκος μηδέν. Αυτό φαινομενικά σημαίνει ότι, αν οι ουσίες παραμείνουν

σε αέρια κατάσταση, οι όγκοι που καταλαμβάνουν στους —273,15°C θα είναι μηδέν.

Αυτό όμως δεν θα μπορούσε να συμβεί, αφού όλα τα αέρια υγροποιούνται πριν

φθάσουν σε αυτή τη θερμοκρασία και αφού ο νόμος του Charles δεν εφαρμόζεται σε

υγρά. Οι προεκτάσεις αυτές δείχνουν ότι μπορούμε να εκφράσουμε τη μεταβολή του

όγκου ενός αερίου με τη θερμοκρασία, επιλέγοντας μια διαφορετική θερμομετρική

κλίμακα.

Σχ.2.2.19 Γραμμική σχέση όγκου αερίου και θερμοκρασίας σε σταθερή πίεση. Το διάγραμμα δείχνει πώς μεταβάλλεται ο όγκος αερίου έναντι της θερμοκρασίας για δεδομένη μάζα αερίου σε πίεση 1,00 atm. Η γραμμική αυτή σχέση είναι ανεξάρτητη από την ποσότητα ή το είδος του αερίου. Παρατηρούμε ότι οι προεκτάσεις όλων των ευθειών τέμνονται σε θ=-273°C και V=0

Σχέση πίεσης - θερμοκρασίας

Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω ο Charles ήταν

απ’ τους πρώτους που μελέτησαν ποσοτικά τα αέρια για

διαφορετικές θερμοκρασίες. Στη βιβλιογραφία επειδή όμως τα πειράματα του Gay

Lussac ήταν αυτά που οδήγησαν σε συμπεράσματα δημιουργείται σύγχυση. Δηλαδή

άλλοτε οι δυο νόμοι θεωρούνται σαν συμπεράσματα του Charles (Ebbing Gammon)

και άλλοτε σαν αποτελέσματα του Gay Lussac (P.T.ATKINS). Σε πολλές

περιπτώσεις αναφέρεται μόνο ο ένας από τους δυο.

Νόμος του Charles


Σημασία έχει ότι από τα πειράματα που έγιναν προέκυψε και σχέση της πίεσης

με τη θερμοκρασία για σταθερό όγκο. Η διατύπωση του νόμου του Charles είναι η

εξής :

Για ορισμένη μάζα αερίου που ο όγκος του κρατιέται σταθερός, η πίεση είναι

ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία του.

Η μαθηματική του διατύπωση είναι:

P constT=

Στο διάγραμμα του Σχ. 2.2.20

παριστάνεται γραφικά η μεταβολή της

πίεσης σε συνάρτηση με την απόλυτη

θερμοκρασία, για δύο διαφορετικές τιμές

του όγκου V1 και V2 με V1<V2 Το

διακεκομμένο τμήμα της ευθείας

αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες στις οποίες

τα αέρια δεν υπακούουν τον νόμο. Αν

θέλουμε να παραστήσουμε γραφικά την

πίεση σε σχέση με τη θερμοκρασία σε oC

τότε θα παρατηρήσουμε ότι η προέκταση

της γραμμής θα διέρχεται από ένα σημείο πάνω στον άξονα θερμοκρασιών. Το

σημείο αυτό βρίσκεται στη θερμοκρασία -273,15 oC στην οποία, σύμφωνα με τη

γραφική παράσταση, αντιστοιχεί πίεση μηδέν.

Σχ. 2.2.20 Σχέση πίεσης και απόλυτης θερμοκρασίας

Η τελευταία περίπτωση που απομένει από

τους νόμους των αερίων, αφορά την επίδραση της

ποσότητας του αερίου. Ο Amedeo Avogadro

πρότεινε ότι : ίσοι όγκοι αερίων στην ίδια θερμοκρασία και πίεση περιέχουν τον ίδιο

αριθμό σωματιδίων. Επειδή ο αριθμός των σωματιδίων είναι ανάλογος του n, δηλαδή

της ποσότητας της ουσίας, συνεπάγεται ότι ο όγκος που καταλαμβάνει ένα αέριο σε

καθορισμένη θερμοκρασία και πίεση είναι ανάλογος του n.

Υπόθεση Avogadro74

V n∞


Ένα mole οποιουδήποτε αερίου περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων (αριθμός

Avogadro, ΝΑ=6,022 1023) και κατά το νόμο του Avogadro πρέπει να καταλαμβάνει

τον ίδιο όγκο στην ίδια θερμοκρασία και πίεση. Αυτός ο όγκος του ενός mole

ονομάζεται και γραμμομοριακός όγκος αερίου Vm. Συχνά συγκρίνουμε τους όγκους

των αερίων σε συνθήκες πρότυπης θερμοκρασίας και πίεσης (STP). Σε συνθήκες STP

(θ=0οC, P=1atm) ο γραμμομοριακός όγκος αερίου βρίσκεται ότι είναι 22,4 lt.

Μπορούμε να συνδυάσουμε τους νόμους Boyle,

Charles και Gay-Lussac σε μια και μόνη σχέση.

Πραγματοποιούμε μια ισοβαρή μεταβολή, ξεκινώντας

από κάποιες γνωστές τιμές των συντεταγμένων ρ0, Vo,

To καταλήγουμε στις τιμές ρ0, V, Τ1. Με τις συντεταγμένες αυτές και μια σχεδόν

στατική μεταβολή μεταβάλλουμε την κατάσταση του αερίου ισόθερμα. Οι συντε-

ταγμένες στη νέα κατάσταση θα είναι ρ1,V1 και θα συνδέονται με τις προηγούμενες

με μια σχέση της μορφής

Νόμος των

ιδανικών αερίων

1 1 0p V p V=

Χρησιμοποιώντας τη σχέση αναλογίας όγκων – θερμοκρασιών για σταθερή

πίεση η προηγούμενη σχέση γράφεται

11 1 0 0

0

Tp V p VT

= οπότε 0 01 1

1 0

p Vp V constT T

= =

Η σχέση αυτή συνδέει τις τρεις συντεταγμένες P, V, Τ του αερίου σε

οποιαδήποτε κατάσταση του και κατασκευάστηκε κρατώντας τη μάζα m σταθερή. Η

γενική της μορφή είναι

pV nRT

=

όπου n είναι ο αριθμός των γραμμομορίων του αερίου και R μια σταθερή ανεξάρτητη

από τη φύση του αερίου, γνωστή ως παγκόσμια σταθερή των ιδανικών αερίων.

Οι τιμές που παίρνει η R εξαρτάται από το σύστημα των μονάδων. Στο (S.I) έχει

τιμή R=8.3145 J/mol K ενώ χρησιμοποιείται πολλές φορές και η τιμή R=0,082058

lt·atm/ mol K.

Έτσι λοιπόν η εξίσωση των ιδανικών αερίων γράφεται

pV nRT=

Αλλά όπως έχουμε παρατηρήσει και προηγουμένως δε μπορεί να περιγράψει την

κατάσταση όλων των αερίων.


2.2.6 Πραγματικά Αέρια

Στις προηγούμενες παραγράφους είδαμε την αναλυτική κατασκευή της

καταστατικής εξίσωσης του ιδανικού αέριου. Όπως παρατηρήσαμε και αλλού, η

εξίσωση αυτή δεν μπορεί να περιγράψει κάθε αέριο. Μόνο με ειδικές συνθήκες, π. χ.

πολύ μικρή πυκνότητα, μπορεί κανείς να ελπίζει σε μια καλή προσέγγιση της

συμπεριφοράς οποιουδήποτε αερίου με τη βοήθεια της καταστατικής εξίσωσης του

ιδανικού αερίου. Αν μελετήσουμε λοιπόν τη θερμοκρασία, την πίεση και τον όγκο

των πραγματικών αερίων, διαπιστώνουμε ότι αυτά δεν περιγράφονται από την

καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων, αλλά υπάρχουν αποκλίσεις71.

Στην εικόνα 2.2.21

παρουσιάζονται σε διάγραμμα ρ, V

οι ισόθερμες καμπύλες ενός

πραγματικού αερίου (CO2). Για

υψηλές θερμοκρασίες οι ισόθερμες

δεν διαφέρουν απ' αυτές του

ιδανικού αερίου. Σε κάποια

θερμοκρασία όμως, που

ονομάζεται κρίσιμη (Tκ)

παρουσιάζεται ένα σημείο

ανωμαλίας. Από τη θερμοκρασία

αυτή και κάτω και για ορισμένη

τιμή της πίεσης, ενώ έχουμε

μεταβολή του όγκου, δεν

παρατηρείται όπως θα έπρεπε

αντίστοιχη μεταβολή της πίεσης. Αν δεχθούμε ότι ισχύει η καταστατική εξίσωση,

αυτό μπορεί να συμβεί μόνο αν μεταβάλλεται ο αριθμός n των γραμμομορίων του

αερίου (αφού τα R, Ρ, Τ είναι σταθερά).

Αυτό σημαίνει μεταβολή της μάζας του αερίου, όπως και πράγματι συμβαίνει

γιατί κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία τα πραγματικά αέρια μπορούν να

υγροποιηθούν.

Σχ.2.2.21 Ισόθερμες πραγματικού αερίου (Καμπύλες Andrews του CO2


Για το λόγο αυτό, εισάγουμε την προσεγγιστική καταστατική εξίσωση που

προτάθηκε από τον Johannes van der Waals, η οποία αποτελεί ένα εξαιρετικό

παράδειγμα εξίσωσης που επιτυγχάνεται με την επιστημονική θεώρηση ενός

μαθηματικά περίπλοκου, αλλά φυσικά απλού προβλήματος. Ο van der Waals

πρότεινε την εξίσωση αυτή με βάση

πειραματικές ενδείξεις σε συνδυασμό με ακριβή

θερμοδυναμικά επιχειρήματα.

Εξίσωση van der Waals

Σκοπός μας είναι να βρούμε μια απλή έκφραση που θα χρησιμεύει ως

προσεγγιστική καταστατική εξίσωση πραγματικών αερίων. Λαμβάνουμε υπ' όψιν αφ'

ενός τις απωστικές μοριακές αλληλεπιδράσεις, υποθέτοντας ότι τα σωματίδια

συμπεριφέρονται σαν μικρές αδιαπέραστες ελαστικές σφαίρες, και αφ' ετέρου τις

ελκτικές δυνάμεις υποθέτοντας ότι προκαλούν μείωση της πίεσης που εξασκείται από

το αέριο.

Ο μη μηδενικός όγκος των σωματιδίου έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό του

διαθέσιμου, για την κίνηση τους, όγκου από V σε V-nb, όπου nb είναι κατά

προσέγγιση ο συνολικός όγκος που καταλαμβάνουν τα σωματίδια αυτά καθ' εαυτά.

Το b παριστάνει χοντρικά τον όγκο ενός γραμμομορίου του αερίου ο ολικός όγκος

των μορίων του τότε είναι nb. Έτσι ο ελεύθερος όγκος που προσφέρεται στα μόρια

του αερίου είναι μικρότερος από τον όγκο του δοχείου που το περιέχει. Ο όρος αυτός

ονομάζεται σύνογκος και η σταθερά b έχει διαστάσεις m3 mol-1. Το γεγονός ότι σ’

ένα ιδανικό αέριο τα μόρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, αυτό μας οδηγεί ουσιαστικά

στην ανάγκη να προσθέσουμε ένα επιπλέον όρο που εκφράζει την πρόσθετη αυτή

πίεση. Ο όρος αυτός ονομάζεται συνήθως ενδοπίεση και η σταθερά α έχει μονάδες

Pa m6 mol-2. 74

Η εξίσωση που πρότεινε ο van der Waals έχει τη μορφή : 2

2( )( )anp V nb nRTV

+ − =

Είναι φανερό ότι η εξίσωση αν πάρει νέες μεταβλητές 2

2 ,n ap pV

V V nb

′ = +

′ = − παίρνει τη μορφή p V nRT′ ′ =

η οποία είναι όμοια με την καταστατική εξίσωση του ιδανικού αερίου. Τα βασικά

χαρακτηριστικά της εξίσωσης van der Waals είναι:

Σε υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλές πυκνότητες η εξίσωση προβλέπει

ισόθερμες ιδανικών αερίων. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η ποσότητα RT μπορεί να είναι

τόσο μεγάλη, ώστε ο πρώτος όρος της εξίσωσης 2/( ) /m mp RT V b a V= − − να

υπερισχύει του δευτέρου. (όπου Vm=V/n)


Σε θερμοκρασίες όμως χαμηλότερες από την Τc οι ισόθερμες αναπτύσσουν και

οριζόντια τμήματα, δηλαδή περιοχές όπου το υλικό μπορεί να συμπιεσθεί χωρίς να

αυξηθεί η πίεση του. Παρατηρούμε τότε ότι το αέριο συμπυκνώνεται από την αέρια

στην υγρή κατάσταση. Τα οριζόντια τμήματα των ισόθερμων στη σκιαζμένη περιοχή

του Σχ. 2.2.22 παριστάνουν συνθήκες

ισορροπίας φάσεων υγρού-αερίου.

Καθώς ελαττώνεται ο όγκος, όλο και

περισσότερο υλικό μεταβάλλεται από

αέριο σε υγρό χωρίς όμως να

μεταβάλλεται η πίεση. Για να

διατηρούμε τη θερμοκρασία σταθερή,

πρέπει να αφαιρούμε θερμότητα, με τη

μορφή της θερμότητας εξαέρωσης.

Εάν συμπιέσουμε ένα τέτοιο αέριο

υπό σταθερή θερμοκρασία Τ2 αυτό

παραμένει αέριο ως το σημείο α (όπως

φαίνεται στο σχ.2.2.22). Εκεί αρχίζει να

υγροποιείται καθώς συνεχίζει να

ελαττώνεται ο όγκος, όλο και

περισσότερο υλικό υγροποιείται ενώ η

πίεση και η θερμοκρασία παραμένουν σταθερές. Στο σημείο b, όλο το υλικό είναι

στην υγρή κατάσταση. Οποιαδήποτε πρόσθετη συμπίεση έχει ως αποτέλεσμα τη

ραγδαία αύξηση της πίεσης, επειδή γενικά τα υγρά συμπιέζονται ελάχιστα σε σχέση

με τα αέρια. Σε χαμηλότερη σταθερή θερμοκρασία Τ1 το υλικό παρουσιάζει παρόμοια

συμπεριφορά, μόνο που η συμπύκνωση ξεκινά από χαμηλότερη πίεση και

μεγαλύτερο όγκο από ότι στη σταθερή θερμοκρασία Τ2. Σε θερμοκρασίες που είναι

υψηλότερες από την Tc το υλικό δεν παρουσιάζει αλλαγή φάσης καθώς συμπιέζεται.

Η Tc είναι η κρίσιμη θερμοκρασία του υλικού. 69

Σχ.2.2.22Διάγραμμα ρ-Vγια μη ιδανικό αέριο που δείχνει τις ισόθερμες ρV για θερμοκρασίες υψηλότερες και χαμηλότερες από την κρίσιμη θερμοκρασία Tc. Η σκιαγμένη επιφάνεια είναι η περιοχή συνύπαρξης υγρής και αέριας φάσης. Σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες το υλικό θα μπορούσε να υποστεί αλλαγές φάσης - που δεν φαίνονται στο διάγραμμα -από στερεό σε υγρό ή από αέριο σε στερεό.


3 Πειράματα

Είναι ανιαρό να ακούς να σου μιλούν για πειράματα και ιδιαίτερα σαγηνευτικό να τα κάνεις ο ίδιος. Albert Einstein


3.1 Πειράματα επαλήθευσης των νόμων των αερίων

Σκοπός: Σκοπός των πειραμάτων είναι η επαλήθευση των νόμων των ιδανικών

αερίων με τη βοήθεια του ΣΣΛΑ. Ειδικότερα :

Α) να επαληθευτούν πειραματικά οι νόμοι των αερίων διατηρώντας σταθερά

δύο από τα μεγέθη P, V, T, n και μελετώντας τη μεταβολή των δύο άλλων.

Β) να καταγράφουν τα δεδομένα και να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις

που προκύπτουν από αυτά και να εντοπιστούν οι περιοχές των μεγεθών όπου οι

μετρήσεις είναι καλύτερες σε σχέση με τις θεωρητικές τιμές.

Γ) Επί πλέον θα ακολουθήσουμε την προσέγγιση του Joseph Lambert (1779)

για τον ορισμό του απολύτου μηδενός (από το γράφημα P-θ ή V-θ µε θερμοκρασίες

σε 0 οC και προέκταση έως το σημείο όπου P=0 ή V=0)

Γενικά: Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν στο εργαστήριο του 4ου Ενιαίου

Λυκείου Άρτας με τη βοήθεια του ΣΣΛΑ, το οποίο ήταν εφοδιασμένο με το multilog

και αισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας. Ο όγκος μετρήθηκε χειροκίνητα, ενώ η

θερμοκρασία και η πίεση καταγραφόταν αυτόματα στον Η/Υ. Το δοχείο στο οποίο

εγκλωβιζόταν το αέριο (ατμοσφαιρικός αέρας) ήταν μια σύριγγα του εμπορίου

χωρητικότητας 60ml. Το αέριο που εγκλωβιζόταν στο σωλήνα σύνδεσης της

σύριγγας και του αισθητήρα της πίεσης δημιουργούσε προβλήματα.

3.1.1 1Ο Πείραμα : Νόμος του Boyle (Ισόθερμη Μεταβολή)

Σκοπός: Σκοπός του πειράματος αυτού είναι η επαλήθευση του νόμου της

ισόθερμης μεταβολής (Νόμος του Boyle).

Τα αέρια διακρίνονται από τα υγρά και τα στερεά, από την ιδιότητά τους να

συμπιέζονται σε πολύ μικρότερους όγκους. Σύμφωνα με το νόμο του Boyle, ο όγκος

ενός αερίου σε δεδομένη θερμοκρασία μεταβάλλεται αντίστροφα προς την

εφαρμοσμένη πίεση.


1VP

∞ ή PV const=

Σε αυτό το πείραμα, εξετάζουμε τις σχέσεις ανάμεσα στην πίεση και τον όγκο

(T, n=σταθερά) καθώς και τις επιδράσεις τους στη συμπεριφορά του αερίου,

μετρώντας την επίδραση της μεταβολής του όγκου στην πίεση του αέρα σε ένα

κλειστό χώρο(σύριγγα).

3.1.2 Υλικά: Τα υλικά τα οποία θα χρειαστούμε για την εκτέλεση του πειράματος είναι: • Πλαστική σύριγγα 60ml

• Αισθητήρας πίεσης ( 0 ÷ 700 kPa)

• Καταγραφέας δεδομένων Multilog της Fourier –Systems

• Ηλεκτρονικός Υπολογιστής με το πρόγραμμα DB –Lab 3.2 της Fourier

–Systems

Εικόνα 1 (Υλικά για τη διάταξη του Νόμου του Boyle)


3.1.3 Η πειραματική διάταξη: Η πειραματική διάταξη που θα χρησιμοποιήσουμε στο συγκεκριμένο πείραμα

φαίνεται στην εικόνα 2.

Εικόνα 2 (Διάταξη του Νόμου του Boyle)

3.1.4 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας75

Καταρχήν συνδέουμε το MultiLog στον υπολογιστή μας και στη συνέχεια στο

μετασχηματιστή. Συνδέουμε τον αισθητήρα πίεσης στην είσοδο Ι/Ο1. Ορίζουμε ένα

αρχικό όγκο τοποθετώντας το έμβολο της σύριγγας σ’ αυτή την τιμή και στη συνέχεια

με τη βοήθεια μικρού εύκαμπτου πλαστικού σωλήνα συνδέουμε τον αισθητήρα της

πίεσης στο ανοικτό άκρο της σύριγγας.

Ανοίγουμε το MultiLog. Ρυθμίζουμε το MultiLog είτε χρησιμοποιώντας το

πληκτρολόγιό του είτε επιλέγοντας τον Πίνακα Ελέγχου (Control Panel) από το

μενού Καταγραφέας (Logger).

Περίπτωση 1η : Αν θέλουμε να ρυθμίσουμε το MultiLog από το πληκτρολόγιό

του τότε τα βήματα είναι τα εξής:

• πιέζουμε το πλήκτρο ΟΝ και παρατηρούμε τον έλεγχο κυκλωμάτων στην

οθόνη του.


• Συνδέουμε τον αισθητήρα πίεσης στην είσοδο Ι/Ο1.

• Πιέζουμε το πλήκτρο PORT μια φορά για να

επιβεβαιώσουμε πως η είσοδος-1 (INPUT-1) δείχνει τον

αισθητήρα πίεσης (pressure).

____INPUT-1____

Pressure

• Τώρα που ο αισθητήρας έχει προγραμματιστεί,

προγραμματίζουμε τον αριθμό των δειγμάτων και το

ρυθμό δειγματοληψίας.

__SAMPLE-RATE__

Manual

_____SAMPLES____

Samples = 10

• Ορίζουμε τον αριθμό των δειγμάτων. Πατάμε το

πλήκτρο (samples) μέχρι να εμφανιστεί ο αριθμός 10.

• Πατάμε το πλήκτρο RUN.

Logging ___SAMPLE-RATE___ _____SAMPLES_____ Samples = 10 Ready DD-MM-YY manual

Πιέστε το πλήκτρο RUN

Πιέστε μια φορά το πλήκτρο

Πιέστε το πλήκτρο SAMPLES μέχρι να δείξει 10

RATE

Πιέστε αυτό το πλήκτρο

3. Επιλέξτε τον αριθμό δειγμάτων

4. Αρχίστε την καταγραφή

2. Επιλέξτε ρυθμό δειγματοληψίας 1. Ανοίξτε το

MultiLog

Περίπτωση 2η : Αν θέλουμε να ρυθμίσουμε το MultiLog από τον Πίνακα

Ελέγχου (Control Panel) από το μενού Καταγραφέας (Logger) τότε ακολουθούμε τα

εξής βήματα.

Πριν αρχίσουμε, βεβαιωνόμαστε ότι η συσκευή είναι συνδεδεμένη με τον

υπολογιστή μας και ότι υπάρχει επικοινωνία ανάμεσα στις δύο συσκευές.

• μπαίνουμε στο

πρόγραμμα DB–Lab και

από το μενού

Καταγραφέας (Logger)

επιλέγουμε Ρυθμίσεις

Επικοινωνίας (Comm

Setup), οπότε θα ανοίξει

ένα παράθυρο διαλόγου

από το οποίο θα επιλέξουμε Προσπάθεια Σύνδεσης (Try to Connect).


• Θα εμφανισθεί το διπλανό μήνυμα, που

δείχνει ότι η σύνδεση είναι σωστή. Φυσικά, η θύρα

COM, όπου συνδέεται το MultiLog, μπορεί να είναι

κάποια άλλη.

Έκδοση Logger 6 συνδεδεμένο στο COM2

• Τώρα που το MultiLog είναι σωστά συνδεδεμένο με τον υπολογιστή, από το

μενού Καταγράφεας (Logger) επιλέγουμε Πίνακας Ελέγχου (Control Panel). Αυτό

το παράθυρο διαλόγου ελέγχει όλες τις παραμέτρους των καταγραφών. Συνδέουμε

τον αισθητήρα και τον βλέπουμε στην Είσοδο 1 στον Πίνακα Ελέγχου.

• Επιλέγουμε, στην συνέχεια, αριθμό δειγμάτων (σημεία) και ρυθμό

δειγματοληψίας της καταγραφής.

Χρησιμοποιούμε τις λίστες που

εμφανίζονται κάτω από τα Σημεία

(Points) και τον Ρυθμό (Rate).

Στην οθόνη της διπλανής εικόνας

έχουν επιλεγεί 10 δείγματα με

ρυθμό δειγματοληψίας

χειροκίνητο.

Ο προγραμματισμός έχει τελειώσει, και μπορούμε να πιέσουμε είτε το Λήψη

Δεδομένων (Run) από τον Πίνακα Ελέγχου (Control Panel) του DB–Lab ή το

πλήκτρο Λήψη Δεδομένων (Run) από το πληκτρολόγιο του MultiLog.

Στη συνέχεια πραγματοποιήσαμε μετρήσεις με τη συσκευή για διαφορετικά

‘βήματα’ στον όγκο, δηλαδή ανά 1ml, 2ml, ανά 3ml, ανά 5ml, ώστε να διαπιστωθεί

ποια είναι η καλύτερη μεταβολή του όγκου που μειώνει το σφάλμα και προσεγγίζει

καλύτερα τη θεωρητική τιμή.


Νόμος του Boyle:

3.1.4.1 1ο πείραμα (VΑΡΧ=10ml και ΔV=3ml)

Στο συγκεκριμένο πείραμα κρατήσαμε τη σύριγγα οριζόντια. Τοποθετήσαμε το

έμβολο της στη θέση που ο αρχικός όγκος στο εσωτερικό της να είναι 10 ml και αφού

ρυθμίσαμε τον υπολογιστή σε χειροκίνητες μετρήσεις πατούσαμε το πλήκτρο

[samples] κάθε 3 ml. Κάθε φορά που πατούσαμε το πλήκτρο μέσω του αισθητήρα της

πίεσης το multilog κατέγραφε την τιμή της πίεσης και εμείς καταγράφαμε τον

συγκεκριμένο όγκο. Οι μετρήσεις της πίεσης για κάθε τιμή του όγκου φαίνονται στον

παρακάτω πίνακα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

A/A V (ml) P(x10-3 atm) 1/V (ml-1)

1 10 995,147 0,1

2 13 788,802 0,07692308

3 16 632,264 0,0625

4 19 525,534 0,05263158

5 22 433,034 0,04545455

6 25 376,111 0,04

7 28 319,189 0,03571429

8 31 276,497 0,03225806

9 34 240,92 0,02941176

10 37 212,458 0,02702703

Η γραφική παράσταση που σχηματίστηκε στο multilog σε πραγματικό χρόνο

φαίνεται στο σχήμα 1Α, που ακολουθεί. Αξίζει να σημειώσουμε ότι στο multilog δεν

υπάρχει αισθητήρας που να μπορεί να μετρήσει τον όγκο γι’ αυτό και οι ενδείξεις

στον άξονα του όγκου είναι τα σημεία μέτρησης. Η αξία του διαγράμματος είναι

ποιοτική καθώς δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι τιμές του άξονα των όγκων για

επεξεργασία. Μπορούμε να επεξεργαστούμε τις τιμές για τον όγκο με τη βοήθεια του

Excel.


Σχήμα 1Α (Boyle )

Από το παραπάνω διάγραμμα προκύπτει ότι ο τύπος της συνάρτησης που

συνδέει την πίεση και τον όγκο είναι μια υπερβολή και άρα το επόμενο βήμα είναι να

αποδείξουμε με επεξεργασία των δεδομένων στο Excel ότι η πίεση είναι αντιστρόφως

ανάλογη του όγκου. Αρκεί να δείξουμε ότι στη σχέση P=Vα το α πλησιάζει την τιμή

-1.

Μεταφέροντας τα στοιχεία στο Excell παίρνουμε την αντίστοιχη γραφική

παράσταση του σχήματος 1B.

Σχήμα 1B (Excell)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P-V

P= 16,779V-1,1939

R2 = 0,9926

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 10 20 30 40V (ml)

P (a

tm)


Το excel μας δίνει τη δυνατότητα να επεξεργαστούμε τις μετρήσεις πράγμα το

οποίο δεν κάνει το db-32. Έτσι εδώ μπορούμε να πάρουμε και τη γραφική παράσταση

P-1/V, όπως φαίνεται στο σχήμα 1Γ.

ΣΧΗΜΑ 1Γ

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P-1/V

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

1/V (ml-1)

P(at

m)

Απ’ το διάγραμμα 1Γ βλέπουμε ότι η αναμενόμενη ευθεία από τη θεωρία μας,

(η προέκτασή της διέρχεται από τη αρχή των αξόνων), διέρχεται απ’ τα περισσότερα

σημεία και κυρίως απ’ αυτά που αντιστοιχούν στους μικρούς όγκους. Στους μεγάλους

όγκους παρατηρούμε σημαντική απόκλιση των πειραματικών δεδομένων από την

ευθεία. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην εισροή αέρα στη σύριγγα λόγω της μικρής

πίεσης στο εσωτερικό του δοχείου σε σχέση με την πίεση της ατμόσφαιρας.

Στο συγκεκριμένο πείραμα ξεκινήσαμε με μεγάλο αρχικό όγκο και μεγάλο

βήμα στην μεταβολή του όγκου. Αυτό έγινε για να μειωθεί το σφάλμα από την

ύπαρξη αέρα στο εσωτερικό σωληνάκι του αισθητήρα πίεσης (γιατί όσο μεγαλύτεροι

οι αρχικοί όγκοι τόσο μικρότερη η διαφορά ανάμεσα στην τιμή του όγκου που

μετράμε και στην πραγματική). Επίσης το μεγάλο βήμα για να μειωθεί το σφάλμα

από την αβεβαιότητα της μέτρησης του όγκου. Αυτό όμως είχε ως αποτέλεσμα να

αυξηθεί η διαδρομή του εμβόλου και η τριβή.

Αν κρατήσουμε μόνο τις πρώτες 5 τιμές τότε παρουσιάζεται σημαντική

βελτίωση στη συσχέτιση του πειράματος με τη θεωρία. Οι βελτιωμένες γραφικές

παραστάσεις φαίνονται στα επόμενα δυο σχήματα.


Βλέπουμε ότι στη γραφική παράσταση P-V o εκθέτης του όγκου πλησιάζει όλο

και περισσότερο την θεωρητική τιμή (-1), ενώ στο διάγραμμα P- 1/V οι δυο ευθείες

σχεδόν ταυτίζονται.

ΣΧΗΜΑ 1 Δ


P= 11,412V-1,0498

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

7 10 13 16 19 22 25V (ml)

P (a

tm)

ΣΧΗΜΑ 1 Ε


P = 10,013(1/V)R2 = 0,9955

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

1/V (ml -1)

P (a

tm)

Από το σχήμα 1Δ παρατηρούμε ότι η σχέση είναι της μορφής P=0.1(1/V) σε

μονάδες (SI). Σύμφωνα με τη θεωρία η σχέση είναι της μορφής P=nRT/V.

Συγκρίνοντας τις δύο σχέσεις βρίσκουμε ότι nRT πρέπει να είναι ίσο με την τιμή 1 J.

Πράγματι, θεωρώντας τον αέρα ως ιδανικό αέριο και χρησιμοποιώντας τον

γραμμομοριακό όγκο 22400 mL βρίσκουμε n=4x10-4 mol και nRT= 1.04 μια τιμή

πολύ κοντά στην πειραματική.


Για να προσδιορίσουμε τις καλύτερες συνθήκες του πειράματος επαναλάβαμε

το πείραμα με διάφορους αρχικούς όγκους και διάφορα βήματα. Τα αποτελέσματα

παρουσιάζονται στις επόμενες σελίδες.

3.1.4.2 2ο πείραμα (VΑΡΧ=6 ml και ΔV=3ml)

Οι μετρήσεις που καταχωρήσαμε συγκεντρώνονται στον παρακάτω πίνακα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2

Α/Α V (ml) P (atm) 1/v (ml-1)

1 6 0,917 0,166667

2 9 0,64 0,111111

3 12 0,469 0,083333

4 15 0,355 0,066667

5 18 0,27 0,055556

6 21 0,213 0,047619

7 24 0,163 0,041667

8 27 0,128 0,037037

9 30 0,099 0,033333

10 33 0,078 0,02

Η γραφική παράσταση που σχηματίστηκε στο multilog φαίνεται στο σχήμα 2Α,

που ακολουθεί.

Σχήμα 2Α


Η αντίστοιχη γραφική παράσταση στο Excel φαίνεται στο σχήμα 2Β.

Σχήμα 2Β (Excel)

Το σχήμα 2Γ δείχνει τη γραφική παράσταση P=f(1/V) καθώς και την

αναμενόμενη ευθεία σύμφωνα με τη θεωρία.

ΣΧΗΜΑ 2Γ


P = 5,3067(1/V)

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 0,05 0,1 0,15 0,21/V (ml-1)

P (a

tm)

Η συμπεριφορά του αερίου είναι ίδια με αυτή του προηγούμενου πειράματος

(Vo=10ml).Και στην περίπτωση αυτή οι αποκλίσεις των πειραματικών σημείων από

τη θεωρητική ευθεία είναι σημαντικές στους μεγάλους όγκους όπου η διαφορά πίεσης

μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού της σύριγγας είναι μεγάλη.

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P-V1,4

P(atm)

1,2

1

0,8P = 15,266V -1,4452

0,6

0,4

0,2

0 0 5 10 15 20 25 30 35

V(ml )



Χρησιμοποιώντας ακόμη μικρότερο αρχικό όγκο παίρνουμε τις μετρήσεις του

πίνακα 3.

ΠΙΝΑΚΑΣ 3

A/A V (ml) P (atm) 1/V 1 3 0,903 0,333333 2 5 0,618 0,2 3 7 0,426 0,142857 4 9 0,348 0,111111 5 11 0,241 0,090909 6 13 0,192 0,076923 7 15 0,149 0,066667 8 17 0,113 0,058824 9 19 0,085 0,052632

10 21 0,064 0,047619 11 23 0,042 0,043478

Η γραφική παράσταση που σχηματίστηκε στο multilog φαίνεται στο σχήμα 3A,


ΣΧΗΜΑ 3A

Μεταφέροντας τα στοιχεία στο Excel παίρνουμε την αντίστοιχη γραφική



ΣΧΗΜΑ 3Β


P = 6,4215V-1,4536

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 5 10 15 20 25V(ml-1)

P(at

m)

Από την τιμή του εκθέτη που προκύπτει βλέπουμε ότι είναι μεν υπερβολή αλλά

περισσότερο πλησιάζει την αδιαβατική παρά την ισόθερμη. Για να δούμε σε ποια

περιοχή υπάρχει μεγαλύτερη απόκλιση στις τιμές σε σχέση με τις αναμενόμενες από

τη θεωρία κατασκευάζουμε τη γραφική παράσταση P-1/V, όπως φαίνεται στο σχήμα

3Γ.

ΣΧΗΜΑ 3Γ


00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,351/V (ml-1)

P (a

tm)

Παρατηρείται και πάλι μια σημαντική απόκλιση στους μεγάλους όγκους ενώ τα

πειραματικά δεδομένα συμφωνούν με τη θεωρία στους μικρούς όγκους. Απ’ το Excel

παίρνουμε και τις εξισώσεις των δυο ευθειών.


Η θεωρητική έχει εξίσωση 12.7562PV⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

και βαθμό συσχέτισης

R2=0,9643.

Η σταθερά και πάλι συμφωνεί με την θεωρητική τιμή που δίνει η σχέση nRT.


Με το ίδιο βήμα 2 ml αλλά με αρχικό όγκο 5 ml οι τιμές φαίνονται στον πίνακα

4.

ΠΙΝΑΚΑΣ 4

Α/Α V(ml) P( 10-3atm) 1/V(ml-1) 1 5 995,147 0,2 2 7 753,225 0,142857 3 9 575,341 0,111111 4 11 468,611 0,090909 5 13 383,227 0,076923 6 15 319,189 0,066667 7 17 262,266 0,058824 8 19 226,689 0,052632 9 21 191,112 0,047619 10 23 162,651 0,043478 11 25 134,19 0,04 12 27 112,844 0,037037 13 29 91,498 0,034483 14 31 77,267 0,032258 15 33 63,036 0,030303 16 35 55,921 0,028571 17 37 41,69 0,027027 18 39 27,459 0,025641 19 41 20,344 0,02439 20 43 13,229 0,023256

Η εικόνα του multilog φαίνεται στο σχήμα 4Α, που ακολουθεί.

ΣΧΗΜΑ 4Α



παράσταση του Νόμου του Boyle για διάγραμμα p-V όπως φαίνεται στο σχήμα 4Β.

ΣΧΗΜΑ 4Β


P = 37,55V-1,8561

R2 = 0,8948

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 10 20 30 40 50V (ml)

P (a

tm)

Από τη γραφική παράσταση και κυρίως από τις πληροφορίες που μας δίνει το

γράφημα βλέπουμε ότι η καμπύλη αποκλίνει πολύ από την θεωρητική τιμή. Παρόλο

που ποιοτικά έχει αξία, δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για καμία ανάλυση του νόμου

στο εργαστήριο διότι όπως βλέπουμε η τιμή του εκθέτη του όγκου πλησιάζει την τιμή

-1,86 που αποκλίνει υπερβολικά από τη θεωρητική τιμή -1. Υπάρχει μεγάλη ανάγκη

για επεξεργασία των μετρήσεων γι’ αυτό και σε πρώτη φάση παίρνουμε το διάγραμμα

p-1/V που φαίνεται στο σχήμα 4Γ. 21/9/2010 - Τμήμα Φυσικής - Σελ. 107

ΣΧΗΜΑ 4Γ

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P- 1/V

ΘεωρητικήP = 4,7541(1/V)

R2 = 0,94

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

1/V (ml-1)

P (atm)

Σειρά1Γραμμική (Σειρά1)

Στο συγκεκριμένο πείραμα πήραμε πολλές μετρήσεις (20) και βλέπουμε ότι

απόκλιση από την αναμενόμενη ευθεία προκύπτει περισσότερο στους μεγάλους

όγκους. Έτσι αν κρατήσουμε μόνο τις πρώτες 10 τιμές τότε παρουσιάζεται σημαντική

βελτίωση. Οι βελτιωμένες γραφικές παραστάσεις φαίνονται στα επόμενα δυο

σχήματα.



σχεδόν ταυτίζονται. Άρα προκύπτει ότι καθώς αυξάνεται η πίεση χάνεται και κάποια

ποσότητα αερίου ή καθώς αυξάνεται ο όγκος εισέρχεται ποσότητα αερίου στο

εσωτερικό (λόγω διαφοράς της πίεσης στο εσωτερικό με το εξωτερικό) με

αποτέλεσμα να παρουσιάζεται μεγαλύτερη απόκλιση.


ΣΧΗΜΑ 4Δ

P -V (Βελτίωση)

P = 7,5735V-1,1914

R2 = 0,9868

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5 10 15 20 25V (ml)

P (a

tm)

ΣΧΗΜΑ 4 Ε

P- 1/V

P = 4986,3VR2 = 0,985

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,251/V (ml -1)

P (a

tm)

Η σταθερά 0.49 J πλησιάζει και στην περίπτωση αυτή τη τιμή 0.52 της

θεωρητικής τιμής του nRT.

Προσπαθήσαμε να εκτελέσουμε το πείραμα με αρχική τιμή όγκου Vo= 5ml και

ακόμα μεγαλύτερο βήμα (ΔV=5ml).



Οι μετρήσεις που καταχωρήσαμε συγκεντρώνονται στον παρακάτω πίνακα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 5

A/A V(ml) P(atm) 1/V (ml-1) 1 5 1,031 0,2 2 10 0,547 0,1 3 15 0,334 0,066667 4 20 0,22 0,05 5 25 0,149 0,04 6 30 0,099 0,033333 7 35 0,056 0,028571 8 40 0,028 0,025 9 45 0,007 0,022222

Η γραφική παράσταση που σχηματίστηκε στο multilog φαίνεται στο σχήμα 5Α,


ΣΧΗΜΑ 5Α


παράσταση του σχήματος 5Β που είναι το P-V διάγραμμα ενώ στο σχήμα 5Γ

κατασκευάζουμε το διάγραμμα P- (1/V).


ΣΧΗΜΑ 5Β

P-V

y = 46,867x-1,9587

R2 = 0,82730

0,5

1

1,5

2

2,5

0 20 40 60V (ml)

P (a

tm)

Σειρά1Υπερβολική (Σειρά1)

ΣΧΗΜΑ 5Γ

P- 1/V

P = 4,9321VR2 = 0,9501

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,251/V (ml -1)

P (atm)

Απ’ το Excel παίρνουμε και τις εξισώσεις των δυο ευθειών.

Η θεωρητική έχει εξίσωση 14.9664PV⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

και βαθμό συσχέτισης

R2=0,9557.

Στο συγκεκριμένο πείραμα παρόλο που δεν πήραμε πολλές μετρήσεις (9)

βλέπουμε ότι η απόκλιση από την αναμενόμενη ευθεία προκύπτει και πάλι

περισσότερο στους μεγάλους όγκους.

Τέλος με ίδιο αρχικό όγκο (5ml) χρησιμοποιήσαμε το μικρότερο δυνατό για τη

διάταξη βήμα (1ml).



Στην περίπτωση αυτή είχαμε τη δυνατότητα να πάρουμε μεγάλο αριθμό

μετρήσεων. Οι μετρήσεις φαίνονται στον πίνακα 6.

ΠΙΝΑΚΑΣ 6

A/A V(ml) P( 10-3atm) 1/V (ml-1) 1 5 0,980916 0,2 2 6 0,874186 0,166666667 3 7 0,767456 0,142857143 4 8 0,682071 0,125 5 9 0,596687 0,111111111 6 10 0,525534 0,1 7 11 0,468611 0,090909091 8 12 0,433034 0,083333333 9 13 0,397457 0,076923077

10 14 0,354765 0,071428571 11 15 0,326304 0,066666667 12 16 0,297843 0,0625 13 17 0,269381 0,058823529 14 18 0,248035 0,055555556 15 19 0,226689 0,052631579 16 20 0,205343 0,05 17 21 0,191112 0,047619048 18 22 0,176882 0,045454545 19 23 0,162651 0,043478261 20 24 0,14842 0,041666667 21 25 0,13419 0,04 22 26 0,119959 0,038461538 23 27 0,112844 0,037037037 24 28 0,105728 0,035714286 25 29 0,091498 0,034482759 26 30 0,084382 0,033333333 27 31 0,077267 0,032258065 28 32 0,070152 0,03125 29 33 0,063036 0,03030303 30 34 0,055921 0,029411765 31 35 0,055921 0,028571429 32 36 0,04169 0,027777778 33 37 0,04169 0,027027027 34 38 0,034575 0,026315789

Η γραφική παράσταση που σχηματίστηκε στο multilog φαίνεται στο σχήμα 6A,



ΣΧΗΜΑ 6A



ΣΧΗΜΑ 6B


P = 22,457V -1,6376

R2 = 0,9439

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 10 20 30 40V (ml-1)

P(at

m)


ΣΧΗΜΑ 6Γ


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,251/V (ml-1)

P(at

m)

Από το σχήμα 6Γ παρατηρούμε ότι οι αποκλίσεις από την αναμενόμενη ευθεία

παρουσιάζονται πάλι στους μεγάλους όγκους. Όμως, επειδή έχουμε πολλές μετρήσεις

μπορούμε να απορρίψουμε τις τιμές για μεγάλους όγκους. Έτσι αν κρατήσουμε μόνο

τις πρώτες 10 τιμές τότε παρουσιάζεται σημαντική βελτίωση. Οι βελτιωμένες

γραφικές παραστάσεις φαίνονται στα επόμενα δυο σχήματα.



σχεδόν ταυτίζονται.


ΣΧΗΜΑ 6Δ


P V = 5,2775 -1,0062

R2 = 0,9905

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

4 9 14 19V (ml )

P (a

tm)

ΣΧΗΜΑ 6Ε

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P - 1/V

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,251/ V(ml-1)

P (atm)

Η σταθερά αναλογίας που προσδιορίζεται από την κλίση της ευθείας στο

Σχήμα 6Ε συμφωνεί απόλυτα με τη θεωρητικά αναμενόμενη nRT=0.52 J.


3.1.5 Συμπεράσματα Στο πείραμα αυτό προσπαθήσαμε να αποδείξουμε το νόμο του Boyle

χρησιμοποιώντας απλά υλικά όπως μια σύριγγα στο εσωτερικό της οποίας

εγκλωβιζόταν το αέριο και τη χρήση του συστήματος σύγχρονης λήψης και

απεικόνισης δεδομένων. Η μέτρηση της πίεσης γίνεται με αισθητήρα πίεσης που

συνδέεται στο άκρο της σύριγγας ενώ η μέτρηση του όγκου γινόταν σε βήματα γιατί

το σύστημα δεν διαθέτει αισθητήρα μέτρησης του όγκου. Αν τα βήματα γίνονται με

σταθερή μεταβολή του όγκου τότε ο αριθμός των βημάτων είναι ανάλογος του όγκου.

Με τον τρόπο αυτό μπορέσαμε να πάρουμε τα διαγράμματα στο multilog σε μονάδες

που αντιστοιχούν στο βήμα μεταβολής του όγκου. Πρέπει να σημειωθεί ότι το

πείραμα πρέπει να γίνει μόνο με εκτόνωση.

Για να προσδιορίσουμε τις καλύτερες συνθήκες του πειράματος και να

εντοπίσουμε τα προβλήματα της διάταξης εκτελέσαμε πολλά πειράματα

μεταβάλλοντας τόσο τον αρχικό όγκο όσο και το βήμα μεταβολής του όγκου.

Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρήσαμε ότι η αποκλίσεις από τα αναμενόμενα

αποτελέσματα βρισκόταν πάντα στους μεγάλους όγκους (τελευταίες μετρήσεις) και

συγκεκριμένα όταν ο όγκος ήταν πάνω από περίπου τα 20 ml. Οι αποκλίσεις αυτές

αποδίδονται στην εισροή αέρα στο εσωτερικό της σύριγγας κατά τη μετακίνηση του

εμβόλου. Η εισροή αυτή είναι σημαντική όταν η διαφορά πίεσης μεταξύ του

εσωτερικού και του εξωτερικού της σύριγγας είναι μεγάλη, πράγμα που συμβαίνει

στους μεγάλους όγκους. Το πρόβλημα αυτό εντοπίστηκε από μετρήσεις της πίεσης

που έγιναν μετά το τέλος του πειράματος με μετακίνηση του εμβόλου της σύριγγας

γρήγορα στη αρχική του θέση. Η πίεση που μετρήθηκε στην περίπτωση αυτή ήταν

πάντα μεγαλύτερη από την πίεση στην αρχή του πειράματος. Αυτό δείχνει ότι η

ποσότητα του αερίου στο εσωτερικό της σύριγγας είναι μεγαλύτερη στο τέλος του

πειράματος από ότι στην αρχή.

Από την άλλη μεριά, οι μετρήσεις για μικρούς όγκους συμφωνούν πολύ καλά με

τα αναμενόμενα θεωρητικά και η σταθερά συσχέτισης της πίεσης με το αντίστροφο

του όγκου συμφωνεί με την θεωρητική τιμή nRT , όπου n ο αριθμός των mol στη

σύριγγα, R η παγκόσμια σταθερά των αερίων και T η απόλυτη θερμοκρασία του

αερίου.

Δεν εντοπίστηκαν άλλα προβλήματα που να αφορούν τις τριβές ή τη μεταβολή

της θερμοκρασίας.


Με βάση τα παραπάνω προτείνουμε το πείραμα να εκτελείται με ένα μέσο

αρχικό όγκο των 5ml με μικρό σχετικά βήμα της τάξης του 1-2 ml και ο μέγιστος

όγκος να μην ξεπερνάει τα 20 ml.

Χρησιμοποιήθηκε και απέδωσε, το δεδομένο ότι ο χρόνος που διαρκούσε η

συμπίεση ή η εκτόνωση έπρεπε να είναι μεγαλύτερος από χρόνο θερμικής

αποκατάστασης τ. Με μια παρόμοια διάταξη που έγινε προσπάθεια να επιτευχθεί

αδιαβατική μεταβολή ένας καλός χρόνος συμπίεσης, για την αδιαβατική (η οποία

πρέπει να γίνεται γρήγορα) προτάθηκε το 0.1s. Άρα όσο πιο αργά γίνεται τόσο

πλησιάζει την ισόθερμη καμπύλη.( D.E.KRAUSE- W.J.KEELY) 78. Οπότε όσο πιο

αργά γίνονται οι μεταβολές τόσο πιο καλά είναι τα αποτελέσματα.

Μια σημαντική παρατήρηση για βελτίωση των πειραματικών μετρήσεων

βρίσκουμε στη βιβλιογραφία από τον (W.W.McNairy79), που σε μια αντίστοιχη

διάταξη με κυλινδρικό δοχείο με πιστόνι που χρησιμοποιείται για ισόθερμη και

αδιαβατική μεταβολή προτείνει σε κάθε μεταβολή του όγκου να κρατείται το αέριο

σε αυτή τη θέση για περίπου 15 sec, διότι η θερμοκρασία του αερίου φτάνει τη

θερμοκρασία δωματίου σε 10 sec περίπου ή λιγότερο.

Ο χρόνος του πειράματος είναι σχετικά μικρός της τάξης των 10 λεπτών και η

απεικόνιση των αποτελεσμάτων στο multilog άμεση. Έτσι οι μαθητές θα έχουν την

ευκαιρία να δουν ή και να εκτελέσουν το πείραμα σε μια ώρα στην οποία θα γίνει και

θα θεωρητική ανάλυση του νόμου.


3.2 2ο Πείραμα: Ν. Charles (Ισόχωρη μεταβολή)

Σκοπός: Στο πείραμα αυτό θα ασχοληθούμε με την πειραματική επαλήθευση

του νόμου της ισόχωρης μεταβολής (Νόμος του Charles).

Για τη μελέτη της σχέσης ανάμεσα στα μεγέθη P-T χρησιμοποιήθηκε σύριγγα

µε ακινητοποιηµένο έμβολο (V= σταθερό) συνδεδεμένη µε τον αισθητήρα πίεσης,

μέσα σε υδατόλουτρο, η θερμοκρασία του οποίου καταγραφόταν µε τον αισθητήρα

θερμοκρασίας. Χρησιμοποιήσαμε ένα μαγνητικό αναδευτήρα ώστε η θερμοκρασία

του λουτρού να είναι παντού η ίδια. Μετρώντας τη θερμοκρασία του μετρούμε και

του αέριου το οποίο θεωρούμε ότι βρίσκεται κάθε στιγμή σε θερμική ισορροπία με το

λουτρό.

Γνωρίζουμε από τη θεωρία ότι διατηρώντας τον όγκο και τον αριθμό των moles

σταθερό η πίεση είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία. Έτσι ξέρουμε ότι ο νόμος του

Charles γράφεται

P T∝ ή P constT=

Σκοπός του πειράματος είναι η πειραματική απόδειξη της σχέσης αναλογίας

μεταξύ της πίεσης και της θερμοκρασίας του αέρα, με σταθερό τον όγκο.


3.2.1 Υλικά

Τα υλικά που χρειαζόμαστε για το συγκεκριμένο πείραμα είναι τα εξής: Η

πειραματική διάταξη αποτελείται από μια σύριγγα 60ml της οποίας μπορούμε να

σταθεροποιήσουμε το έμβολο. Η σύριγγα βυθίζεται σε υδατόλουτρο, η θερμοκρασία

του οποίου μπορεί να μεταβάλλεται. Η σύριγγα συνδέεται με αισθητήρα πίεσης και

τοποθετείται στο υδατόλουτρο. Στο υδατόλουτρο τοποθετείται και ο αισθητήρας

θερμοκρασίας. Στη συνέχεια οι αισθητήρες συνδέονται με το Multilog. Το νερό κατά

τη θέρμανση αναδεύεται με μαγνητικό αναδευτήρα.

(α) μαγνητικός αναδευτήρας

(β) multilog

(γ) αισθητήρας πίεσης

(δ) αισθητήρας θερμοκρασίας

(ε) σύριγγα που θα ακινητοποιήσουμε το έμβολο της

A Β

Γ ∆

Ε Στ


(στ) ένα δοχείο που θα ζεστάνουμε το υδατόλουτρο

3.2.2 Η πειραματική διάταξη

Η διάταξη που χρησιμοποιήσαμε στο συγκεκριμένο πείραμα είναι αυτή που

προτείνεται από τους Καλογερόπουλο –Γάτσιο77 στο 2ο Συνέδριο στη Σύρο στην

ΤΠΕ στην εκπαίδευση. Την ίδια διάταξη προτείνουν και οι (D.JACKSON,

P.W.LAWS) 76.

3.2.3 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας Καταρχήν ρυθμίζουμε το MultiLog από τον Πίνακα Ελέγχου (Control Panel)

από το μενού Καταγραφέας (Logger) ακολουθώντας τα εξής βήματα.

Πριν αρχίσουμε, βεβαιωνόμαστε ότι η συσκευή είναι συνδεδεμένη με τον

υπολογιστή μας και ότι υπάρχει επικοινωνία ανάμεσα στις δύο συσκευές.


• μπαίνουμε στο πρόγραμμα DB–Lab και από το μενού Καταγραφέας (Logger)

επιλέγουμε Ρυθμίσεις

Επικοινωνίας (Comm

Setup), οπότε θα

ανοίξει ένα παράθυρο

διαλόγου από το οποίο

θα επιλέξουμε

Προσπάθεια

Σύνδεσης (Ttry to

Connect).

• Θα εμφανισθεί το διπλανό μήνυμα, που

δείχνει ότι η σύνδεση είναι σωστή. Φυσικά, η θύρα

COM, όπου συνδέεται το MultiLog, μπορεί να είναι

κάποια άλλη.

Έκδοση Logger 6 συνδεδεμένο στο COM2

• Τώρα που το MultiLog είναι σωστά συνδεδεμένο με τον υπολογιστή, από το

μενού Καταγράφεας (Logger) επιλέγουμε Πίνακας Ελέγχου (Control Panel). Αυτό

το παράθυρο διαλόγου

ελέγχει όλες τις

παραμέτρους των

καταγραφών. Συνδέουμε

τον αισθητήρα και τον

βλέπουμε στην Είσοδο 1

στον Πίνακα Ελέγχου.

• Επιλέγουμε, στην

συνέχεια, αριθμό

δειγμάτων (σημεία) και

ρυθμό δειγματοληψίας της

καταγραφής.

Χρησιμοποιούμε τις λίστες που εμφανίζονται κάτω από τα Σημεία (Points) και τον

Ρυθμό (Rate). Στην οθόνη της διπλανής εικόνας έχουν επιλεγεί 10 σημεία με ρυθμό

δειγματοληψίας 1 δείγμα το λεπτό.

Ο προγραμματισμός έχει τελειώσει, και μπορούμε να πιέσουμε είτε το Λήψη

Δεδομένων (Run) από τον Πίνακα Ελέγχου (Control Panel) του DB–Lab ή το

πλήκτρο Λήψη Δεδομένων (Run) από το πληκτρολόγιο του MultiLog.


Πήραμε μετρήσεις για διαφορετικούς ρυθμούς αύξησης της θερμοκρασίας (π.χ

1 δείγμα ανά sec, 1 δείγμα ανά 10 sec).

Συνδέσαμε καταρχήν το μαγνητικό αναδευτήρα και τον ρυθμίσαμε στη μέση

περίπου και στη θερμότητα και στις στροφές. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία (D.

Jackson- P.W.Laws) 76 επειδή ο αισθητήρας θερμοκρασίας αντιδρά σχετικά αργά

στις αλλαγές θερμοκρασίας του αερίου, είναι προβληματικό να προσπαθείς να

μετρήσεις τη

θερμοκρασία του

αέρα απευθείας.

Αντιθέτως

μετράμε τη

θερμοκρασία του

νερού και

υποθέτουμε ότι το

αέριο βρίσκεται

σε

θερμοκρασιακή

ισορροπία με το

νερό. Αυτή η


αποτελεί μια

καλή προσέγγιση, εφόσον η θερμοκρασία του νερού δεν αλλάζει πολύ γρήγορα.

(Χρειάζεται περίπου 30 min για τη θερμοκρασία του νερού να φτάσει από τους 20

στους 80 οC). Συνδέουμε το άκρο της σύριγγας απευθείας με τον αισθητήρα πίεσης

και τοποθετούμε τον αισθητήρα θερμοκρασίας μέσα στο νερό έτσι ώστε να μην

ακουμπά το κάτω μέρος από το δοχείο που έρχεται σε απευθείας επαφή με τον

αναδευτήρα. Στη βάση του δοχείου βάζουμε ένα μικρό μαγνήτη ώστε να αναδεύεται

καλύτερα το νερό και η θερμοκρασία του να είναι ομοιόμορφη.

Προσοχή χρειάζεται και στο πώς θα στερεώσουμε το έμβολο. Εμείς επιλέξαμε

ένα καρφί που καρφώσαμε στο πίσω πλαστικό μέρος του εμβόλου ώστε να μην

ανοιχτεί τρύπα διαφυγής του αέρα.

Αισθητήρας πίεσης

Αισθητήρας Θερμοκρασίας


3.2.3.1 1ο Πείραμα : (θ0=33,1 οC, χειροκίνητα 1 δείγμα ανά 2 λεπτά) Στο συγκεκριμένο πείραμα βάλαμε το ρυθμό παροχής θερμότητας του

αναδευτήρα σε χαμηλή τιμή και πήραμε μετρήσεις χειροκίνητα ανά 2 λεπτά.

Καταγράψαμε τις τιμές της πίεσης και της θερμοκρασίας και κατασκευάσαμε τον

παρακάτω πίνακα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 7

Α/Α θ (oC) P (atm) T (K)

1 33,1 0,967 306,25 2 36,41 0,981 309,56 3 41,21 0,988 314,36 4 45,78 1,002 318,93 5 49,63 1,016 322,78 6 53,56 1,024 326,71 7 57,02 1,038 330,17 8 60,13 1,052 333,28 9 63,15 1,059 336,3

10 65,91 1,073 339,06 Η γραφική παράσταση που δίνει το multilog φαίνεται στο σχήμα 7Α.

ΣΧΗΜΑ 7 Α

Από την εξίσωση της ευθείας 0.00317 0.86P ϑ= ⋅ + προκύπτει ότι η

θερμοκρασία του απολύτου μηδενός δηλαδή εκεί που η πίεση είναι μηδέν είναι

271.29o Cϑ = − .


Η γραφική παράσταση ανάμεσα στην πίεση και στη θερμοκρασία (P-θ) στο

Excel φαίνεται στο σχήμα 7Β.

ΣΧΗΜΑ 7 Β

ΙΣΟΧΩΡΗ

P = 0,0031θ + 0,8618R2 = 0,9902

0,940,960,98

11,021,041,061,08

0 20 40 60 80θ (οC)

P(at

m)

Στη συνέχεια με τη βοήθεια της εξίσωσης που μας δίνουν τα σημεία που

πήραμε προσθέτουμε ένα επιπλέον σημείο για P=0 και παίρνουμε την παρακάτω

γραφική παράσταση που απεικονίζει την τομή του άξονα της θερμοκρασίας στην

θ= -271,29 οC.

ΣΧΗΜΑ 7 Γ

ΙΣΟΧΩΡΗ

y = 0,0031x + 0,8618R2 = 0,9999

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100θ (oC)

P (a

tm)



Μεταφέροντας τα στοιχεία στο Excel και προσθέτωντας στη θερμοκρασία που

έχουμε σε βαθμούς κελσίου 273.15 παίρνουμε την αντίστοιχη γραφική παράσταση

του σχήματος 7 Δ, ανάμεσα στην πίεση και στη θερμοκρασία σε Kelvin.

ΣΧΗΜΑ 7 Δ

ΙΣΟΧΩΡΗ

P = 0,0032TR2 = 0,9902

P = 0,0031T + 0,0074R2 = 0,9902

0,94

0,96

0,98

1

1,02

1,04

1,06

1,08

300 310 320 330 340 350Τ (Κ)

P (a

tm)

Από το παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι η αναμενόμενη ευθεία (μπλε χρώμα)

ταυτίζεται με την πειραματική και επιβεβαιώνεται η αναλογία των μεγεθών στην

απόλυτη κλίμακα.

Το πείραμα επαναλήφθηκε με διαφορετικούς ρυθμούς παροχής θερμότητας,

διαφορετικές αρχικές θερμοκρασίες, τα αποτελέσματα που καταγράφηκαν φαίνονται

στους παρακάτω πίνακες.

3.2.3.2 2ο Πείραμα : (θ0=22,81 οC, 1 δείγμα ανά 1 λεπτό) Το πείραμα επαναλήφθηκε με ρυθμό μέτρησης 1μέτρ./λεπτό. Καταγράψαμε τις

τιμές της πίεσης και της θερμοκρασίας και κατασκευάσαμε τον παρακάτω πίνακα.


ΠΙΝΑΚΑΣ 8

Α/Α θ (oC) P (atm) T (K) 1 22,817 0,988 295,9672 27,966 0,995 301,1163 31,724 1,002 304,8744 36,187 1,016 309,3375 40,411 1,031 313,5616 45,657 1,045 318,8077 50,594 1,066 323,7448 54,914 1,081 328,0649 59,029 1,095 332,17910 64,074 1,109 337,224

Η γραφική παράσταση όπως τη δίνει το multilog (από το DB-32) φαίνεται στο

σχήμα 8 Α.

ΣΧΗΜΑ 8 Α

Μεταφέροντας τα στοιχεία του πίνακα 8 στο Excel παίρνουμε την αντίστοιχη

γραφική παράσταση του σχήματος 8 Β, ανάμεσα στην πίεση και στη θερμοκρασία σε

Kelvin. Από την εξίσωση της ευθείας 0.00311 0.908P ϑ= ⋅ + προκύπτει ότι η


0291.96 Cϑ = − . Το σφάλμα σε σχέση με την πραγματική τιμή (-273.15 οC) είναι

7%σϑ = + το οποίο είναι στα επιτρεπτά όρια και όπως θα δούμε από την

επεξεργασία στο excel επηρεάζεται από τη πρώτη μέτρηση που έχει λάθος τιμή.

Στο Excel παίρνουμε την αντίστοιχη γραφική παράσταση του σχήματος 8Β,

ανάμεσα στην πίεση και στη θερμοκρασία σε Κελσίου και βλέπουμε ότι μας δίνει 21/9/2010 - Τμήμα Φυσικής - Σελ. 126

σχεδόν την ίδια εξίσωση με αυτή του multilog. Η διαφορά εδώ προκύπτει από το

πρώτο σημείο που αποκλείστηκε διότι πήραμε τη μέτρηση πολύ γρήγορα πριν

επιτευχθεί θερμοκρασιακή ισορροπία ανάμεσα στο νερό και στο αέριο της σύριγγας.

ΣΧΗΜΑ 8Β

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ P-Θ

y = 0,0033x + 0,8989R2 = 0,9966

0,98

1

1,02

1,04

1,06

1,08

1,1

1,12

0 20 40 60 80θ(oC)

P(at

m)




1%σϑ⟨ .




θ= -272,39 οC.


ΣΧΗΜΑ 8 Γ

ΙΣΟΧΩΡΗ

P = 0,0033θ + 0,8989

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100

θ( ο C)

P(at

m)

3.2.3.3 3ο Πείραμα : (θ0=58,93 οC, 1 δείγμα ανά 10 sec)

Στο συγκεκριμένο πείραμα βάλαμε το ρυθμό θερμότητας του αναδευτήρα σε

υψηλή τιμή και πήραμε μετρήσεις ρυθμίζοντας το multilog για 10 σημεία με ρυθμό

μέτρησης 1 ανά 10 sec. Παρόλα αυτά η κλίση της ευθείας δεν μας δίνει μεγάλο

σφάλμα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 9

Α/Α P (atm) Θ (o C) T (K) 1 1,002 58,926 332,0762 1,016 64,6 337,753 1,024 66,966 340,1164 1,031 68,411 341,5615 1,031 69,331 342,4816 1,038 70,323 343,4737 1,038 71,291 344,4418 1,038 72,099 345,2499 1,045 72,906 346,056

10 1,045 73,551 346,701

Από τις παραπάνω μετρήσεις πήραμε το σχήμα στο multilog.


ΣΧΗΜΑ 9 Α


παράσταση του σχήματος 9Β, ανάμεσα στην πίεση και στη θερμοκρασία σε Kelvin.




1%σϑ = + .

Στη συνέχεια ακολουθούν P-θ και η εξίσωση απ’ την οποία προκύπτει η

θερμοκρασία του απολύτου μηδενός και το διάγραμμα P-Τ .


ΣΧΗΜΑ 9 Β

ΙΣΟΧΩΡΗ P-Θ

y = 0,003x + 0,8227R2 = 0,9827

11,005

1,011,015

1,021,025

1,031,035

1,041,045

1,05

55 60 65 70 75Θ (οC)

P(at

m)


Σ




θ= -275,92 οC.

ΣΧΗΜΑ 9 Γ

ΙΣΟΧΩΡΗ P-Θy = 0,003x + 0,8227

R2 = 1

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-300 -200 -100 0 100 θ (οC)

P(at

m) Σειρά1

Γραμμική (Σειρά1)


3.2.4 Συμπεράσματα νόμου του Charles P=f(T)

Στο πείραμα αυτό προσπαθήσαμε να αποδείξουμε το νόμο του Charles

χρησιμοποιώντας απλά υλικά όπως μια σύριγγα στο εσωτερικό της οποίας

εγκλωβιζόταν το αέριο και που είχαμε στερεώσει το έμβολό της με μια βελόνα, ένα

δοχείο που περιείχε νερό και μετρούσαμε τη θερμοκρασία του, ένα μαγνητικό

αναδευτήρα και τη χρήση του συστήματος σύγχρονης λήψης και απεικόνισης

δεδομένων. Η μέτρηση της πίεσης γίνεται με αισθητήρα πίεσης που συνδέεται στο

άκρο της σύριγγας, ενώ η μέτρηση της θερμοκρασίας γίνεται με αισθητήρα που είναι

μέσα στο υδατόλουτρο. Για να προσδιορίσουμε τις καλύτερες συνθήκες του

πειράματος και να εντοπίσουμε τα προβλήματα της διάταξης εκτελέσαμε πολλά

πειράματα μεταβάλλοντας τόσο την αρχική θερμοκρασία όσο και το ρυθμό παροχής

θερμότητας.

Σε όλες τις περιπτώσεις η απόδειξη του νόμου ήταν επιτυχής και η ακρίβεια

υπολογισμού της τιμής του απολύτου μηδενός σε βαθμούς Κελσίου από την

προέκταση της ευθείας στο P=0 ήταν πολύ καλή.

Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων το νερό πρέπει να αναδεύεται συνεχώς ώστε η

θερμοκρασία του νερού να είναι παντού η ίδια. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας

πρέπει να είναι σχετικά χαμηλός ώστε σε κάθε μέτρηση να υπάρχει θερμική

ισορροπία μεταξύ του νερού και του αερίου στη σύριγγα. Ένας καλός ρυθμός

αύξησης της θερμοκρασίας είναι 1 C/min.

Ένα άλλο πρόβλημα που εμφανίζεται στο πείραμα αυτό είναι η σχετικά μικρή

διακριτική ικανότητα του αισθητήρα πίεσης η οποία δεν μας επιτρέπει να επιλέξουμε

μικρούς ρυθμούς δειγματοληψίας. Για το λόγο αυτό δοκιμάσαμε να πάρουμε

μετρήσεις χειροκίνητα ανά δυο λεπτά, ρυθμό που δε μας τον προσφέρει το multilog.

Μ’ αυτόν τον τρόπο εξασφαλίσαμε μεγαλύτερο χρόνο ανάμεσα στις μετρήσεις ώστε

να μειώσουμε το ρυθμό προσφοράς θερμότητας χωρίς να επηρεάζεται η ακρίβεια

μέτρησης της πίεσης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αυτών ήταν πολύ καλά.

Ο χρόνος που απαιτείται για την εκτέλεση του πειράματος αυτού είναι από 10

έως 20 λεπτά περίπου ανάλογα με τον αριθμό μετρήσεων που θα επιλεγεί και μπορεί

να γίνει σχετικά εύκολα από μια ομάδα δυο ή τριών μαθητών και να οδηγήσει στην

επαλήθευση του νόμου του Charles και στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του

απόλυτου μηδενός σε βαθμούς Κελσίου.


3.3 3ο Πείραμα: Νομός του Gay – Lussac

Σκοπός: Σκοπός του πειράματος αυτού είναι η επαλήθευση του νόμου της

ισοβαρούς μεταβολής (Νόμος του Gay – Lussac).

Για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ του όγκου καθορισμένης ποσότητας αερίου

και της θερμοκρασίας του χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικές διατάξεις που

περιείχαν γυάλινη σύριγγα ώστε το έμβολο να μην παρουσιάζει τριβές (P= σταθερό)

συνδεδεμένη µε τον αισθητήρα θερμοκρασίας, ενώ ο όγκος υπολογιζόταν από τη

θέση του εμβόλου. Η πίεση του αερίου θεωρείται σταθερή και ίση με την εξωτερική

πίεση του δωματίου δηλαδή με την πίεση της ατμόσφαιρας.

Ο όγκος των αερίων σε σταθερή πίεση εξαρτάται από την θερμοκρασία. Όπως

αναφέρει ο νόμος των Charles – Gay Lussac, σε δεδομένη πίεση ο όγκος ενός αερίου

αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία:

TV ∝ ή όTV σταθερ=

Θα αποδείξουμε την παραπάνω σχέση αναλογίας και με προέκταση της ευθείας

στη γραφική παράσταση P-θ θα βρούμε το σημείο τομής του άξονα της

θερμοκρασίας για V=0. Αυτή είναι η θερμοκρασία του απολύτου μηδενός για την

κλίμακα Κελσίου.


3.3.1 Υλικά Τα υλικά που χρειαζόμαστε για το συγκεκριμένο πείραμα είναι τα εξής:

Διάταξη :

(α) Διάταξη Pasco

(β) Αισθητήρας θερμοκρασίας

(γ) Multilog

(δ) μαγνητικός αναδευτήρας

Και ένα δοχείο που θα ζεστάνουμε το υδατόλουτρο

Α

Β

Γ

Δ


3.3.2 Η διάταξη

α

β

3.3.3 Περιγραφή της διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας

Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δοχείο με έμβολο και δεξαμενή αερίου

του οποίου μπορεί να μεταβάλλεται η θερμοκρασία όταν βυθίζεται σε λουτρό

θερμότητας. Καταρχήν ρυθμίζουμε το MultiLog από τον Πίνακα Ελέγχου (Control

Panel) από το μενού Καταγραφέας (Logger). Ακολουθούμε τη διαδικασία που

δείξαμε στα δυο προηγούμενα πειράματα μόνο που συνδέουμε μόνο τον αισθητήρα

θερμοκρασίας αφού τον όγκο θα τον διαβάζουμε από τη μετακίνηση του εμβόλου.

Συνδέσαμε στη συνέχεια το μαγνητικό αναδευτήρα και τον ρυθμίσαμε στη

μέση περίπου και στο δείκτη ρυθμού θερμότητας και στις στροφές ανάδευσης.

Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία (D. Jackson- P.W.Laws76) επειδή ο αισθητήρας

θερμοκρασίας αντιδρά σχετικά αργά στις αλλαγές θερμοκρασίας του αερίου, είναι

προβληματικό να προσπαθείς να μετρήσεις τη θερμοκρασία του αέρα απευθείας.

Αντιθέτως μετράμε τη θερμοκρασία του νερού και υποθέτουμε ότι το αέριο βρίσκεται

σε θερμοκρασιακή ισορροπία με το νερό. Αυτή η διαδικασία αποτελεί μια καλή

προσέγγιση, εφόσον η θερμοκρασία του νερού δε μεταβάλλεται πολύ γρήγορα.


(Χρειάζεται περίπου 30 min για να φτάσει η θερμοκρασία του νερού από τους 20

στους 80 οC).

Στη βάση του δοχείου βάζουμε ένα μικρό μαγνήτη ώστε να αναδεύεται

καλύτερα το νερό και η θερμοκρασία του να είναι ομοιόμορφη.

Μέσα στο νερό τοποθετούμε το δοχείο (β) με τον αέρα και τον αισθητήρα της

θερμοκρασίας. Προσέχουμε ώστε να μην ακουμπούν το κάτω μέρος του δοχείου.

Ρυθμίζουμε στο multilog τις μετρήσεις που θα πάρουμε (δείγματα) και το ρυθμό

χειροκίνητα. Ορίζουμε το βήμα της μεταβολής του όγκου που θα χρησιμοποιήσουμε

και αφού πατήσουμε το πλήκτρο RUN στη συσκευή ή απ’ το παράθυρο επικοινωνίας

το «λήψη μετρήσεων», και πατάμε το πλήκτρο samples κάθε φορά που το έμβολο

μετατοπίζεται κατά τη ΔV που ορίσαμε στη διάταξη (α).

3.3.3.1 1ο Πείραμα : (θ0=28,9 οC, Vo=111.5ml ,χειροκίνητα)

Στο συγκεκριμένο πείραμα χρησιμοποιήσαμε τον ελάχιστο δυνατό ρυθμό

αύξησης της θερμοκρασίας του αναδευτήρα σε χαμηλή τιμή και πήραμε μετρήσεις

χειροκίνητα για σταθερό βήμα του όγκου. Καταγράψαμε τις τιμές της θερμοκρασίας

και του όγκου και κατασκευάσαμε τον πίνακα 10. Στη πρώτη στήλη θ1 (oC)

καταγράψαμε τη θερμοκρασία που μας έδωσε ο αισθητήρας για το νερό άρα και για

το αέριο που βρισκόταν μέσα στο δοχείο αφού θεωρήσαμε ότι κάθε στιγμή βρίσκεται

σε θερμοκρασιακή ισορροπία. Στη δεύτερη στήλη Vδιαταξης(ml) γράψαμε τον όγκο της

διάταξης με το έμβολο. Επίσης προσθέσαμε τον όγκο του αέρα στα σωληνάκια και

τον όγκο του δοχείου Επειδή η θερμοκρασία που μετρήσαμε ήταν σε βαθμούς

κελσίου, τη μετατρέψαμε σε βαθμούς Kelvin προσθέτοντας 273,15 σε κάθε μέτρηση

και κατασκευάσαμε μια επιπλέον στήλη Τ(Κ). Τέλος επειδή σύμφωνα με άρθρο των

(D.JACKSON, P.W.LAWS) 76 προτείνεται για καλύτερες μετρήσεις να υπολογίσουμε

τη θερμοκρασία του αερίου στο δοχείο και τη θερμοκρασία του αερίου στη διάταξη

και να βγει ο μέσος όρος κάναμε το εξής. Χρησιμοποιήσαμε τον τύπο

12

23 ( 5,5) (88 )93,5

VV

διαταξης

διαταξης

θθ

⎡ ⎤⋅ + + ⋅⎣ ⎦=+ όπου :

23: η θερμοκρασία δωματίου

Vδιάταξης : ο όγκος της διάταξης με το έμβολο

5.5 : είναι ο όγκος από τα σωληνάκια


88 : είναι ο όγκος του δοχείου που βρίσκεται στο υδατόλουτρο

Θ1 : είναι η θερμοκρασία του νερού που μετρά ο αισθητήρας

Οι όγκοι είναι σε ml και η θερμοκρασία σε οC.

Η τελευταία στήλη μας δίνει τον ολικό όγκο του αέρα που έχουμε στη διάταξη

και στα σωληνάκια.

ΠΙΝΑΚΑΣ 10

Α/Α θ1 (oC) Vδιαταξης(ml) T (K) Θ2 (oC) V(ml) 1 30,58 18 303,58 28,982 111,5 2 36,99 20 309,99 33,847 113,5 3 45,27 22 318,27 39,968 115,5 4 53,78 24 326,78 46,052 117,5 5 62,103 26 335,103 51,796 119,5 6 69,726 28 342,726 56,843 121,5 7 76,457 30 349,457 61,091 123,5

Η γραφική παράσταση που μας δίνει το multilog φαίνεται στο σχήμα 10 Α.

ΣΧΗΜΑ 10 Α

Κάνουμε ένα διάγραμμα ανάμεσα στον όγκο και στη θερμοκρασία σε Κελσίου

όπως φαίνεται στο σχήμα 10Β και από την εξίσωση της ευθείας

0.3623 101.01V ϑ= ⋅ + προκύπτει ότι η θερμοκρασία του απολύτου μηδενός


δηλαδή εκεί που η πίεση είναι μηδέν είναι 0278.8 Cϑ = − . Η απόκλιση της τιμής

αυτής από την πραγματική τιμή (-273.15 οC) είναι της τάξεως του 2%.

ΣΧΗΜΑ 10 Β

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

V = 0,3623θ + 101,01R2 = 0,9973

110

112

114

116

118

120

122

124

126

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Θ (οC)

V (m

l)

Στη συγκεκριμένη γραφική παράσταση προσθέσαμε το σημείο V=0 και θ=-

278,8 οC, όπως το βρήκαμε από πείραμα, με αποτέλεσμα να προκύψει η παρακάτω

γρ. παράσταση του σχήματος 10Γ.

ΣΧΗΜΑ 10 Γ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

y = 0,3623x + 101,01R2 = 1

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100

Θ (οC)

V (m

l)



παράσταση του σχήματος 25 Δ, ανάμεσα στον όγκο και στη θερμοκρασία σε Kelvin.

ΣΧΗΜΑ 10 Δ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

V= 0,3623T + 2,0461R2 = 0,9973

V = 0,3687TR2 = 0,997

110

112

114

116

118

120

122

124

126

300 305 310 315 320 325 330 335 340

Τ(Κ)

V(m

l)

3.3.3.2 2ο Πείραμα : (θ0=24,8 οC, Vo=95.5ml ,χειροκίνητα ΔV=2 ml)

Στο συγκεκριμένο πείραμα βάλαμε το ρυθμό θερμότητας του αναδευτήρα σε

χαμηλή τιμή και πήραμε μετρήσεις χειροκίνητα. Επιλέξαμε ένα μικρό αρχικό όγκο

για τη διάταξη ώστε να έχουμε μικρότερο όγκο αερίου που να βρίσκεται σε

θερμοκρασιακή ισορροπία με τον αέρα του δωματίου. Καταγράψαμε τις τιμές της

θερμοκρασίας και του όγκου και κατασκευάσαμε τον παρακάτω πίνακα.. Στη πρώτη

στήλη θ1 (oC) καταγράψαμε τη θερμοκρασία που μας έδωσε ο αισθητήρας για το

νερό άρα και για το αέριο που βρισκόταν μέσα στο δοχείο αφού θεωρήσαμε ότι κάθε

στιγμή βρίσκεται σε θερμοκρασιακή ισορροπία. Στη δεύτερη στήλη Vδιαταξης(ml)

γράψαμε τον όγκο της διάταξης με το έμβολο. Επειδή η θερμοκρασία που μετρήσαμε

ήταν σε βαθμούς κελσίου, τη μετατρέψαμε σε βαθμούς Kelvin προσθέτοντας 273,15

σε κάθε μέτρηση και κατασκευάσαμε μια επιπλέον στήλη Τ(Κ).

Όπως είπαμε παραπάνω, επειδή ο αρχικός όγκος είναι μικρός, όσο μένουμε σε

μικρούς όγκους για τη διάταξη τόσο πιο πολύ προσεγγίζουμε τη θερμοκρασία που

μετράει ο αισθητήρας πίεσης και τη θεωρούμε θερμοκρασία όλου του αερίου. Γι’

αυτό εδώ δεν κάνουμε μετατροπή στη θερμοκρασία αλλά κατασκευάζουμε όλα τα

διαγράμματα με τις τιμές που έχουμε πάρει, αποκόπτοντας κάποιες στο τέλος.


ΠΙΝΑΚΑΣ 11

Α/Α θ (oC) V(ml) T (K) 1 24,08 95,5 297,08 2 30,609 97,5 303,6093 37,201 100,5 310,2014 43,806 102,5 316,8065 50,697 104,5 323,6976 57,28 106,5 330,28 7 65,126 108,5 338,126

Η γραφική παράσταση που μας δίνει το multilog φαίνεται στο σχήμα 11Α .

ΣΧΗΜΑ 11 Α


ΣΧΗΜΑ 11Β

GAY-LUSSAC (V-Θ)

y = 0,3206x + 88,072R2 = 0,9935

94

96

98

100

102

104

106

108

110

0 10 20 30 40 50 60 70Θ (oC)

V(m

l)

Από την εξίσωση της ευθείας προκύπτει ότι η σχέση ανάμεσα στον όγκο και

στη θερμοκρασία είναι η εξής: 0.3206 88.072V θ= ⋅ + και η θερμοκρασία του

απολύτου μηδενός για V=0 είναι 274.7oCθ = − και η απόκλιση που παρουσιάζει σε

σχέση με τη θεωρητική τιμή είναι 0.57%σ = − , δηλαδή μικρότερη του 1% . Στη

συνέχεια προσθέτουμε το σημείο τομής του άξονα των όγκων και παίρνουμε το

διάγραμμα του σχήματος 11 Γ.

ΣΧΗΜΑ 11 Γ

V-Θ

y = 0,3206x + 88,071R2 = 0,9999

0

20

40

60

80

100

120

-300 -200 -100 0 100Θ(oC)

V(m

l)


3.3.3.3 3ο Πείραμα : (θ0=43.14 οC, Vo=93.5ml, χειροκίνητα με

ΔV=1 ml)

Στο συγκεκριμένο πείραμα ξεκινήσαμε με μηδενικό αρχικό όγκο στη διάταξη

και υψηλότερη θερμοκρασία και τον μαγνητικό αναδευτήρα στη ρύθμιση 250 και

πήραμε μετρήσεις χειροκίνητα

Καταγράψαμε τις τιμές της θερμοκρασίας και του όγκου και κατασκευάσαμε

τον πίνακα12. Στη πρώτη στήλη θ1 (oC) καταγράφεται τη θερμοκρασία του

αισθητήρα. Η δεύτερη στήλη V(ml) περιέχει το συνολικό όγκο του δοχείου και της

διάταξης με το έμβολο. Επειδή η θερμοκρασία ήταν σε βαθμούς κελσίου, τη

μετατρέψαμε σε βαθμούς Kelvin προσθέτοντας 273,15 σε κάθε μέτρηση και

κατασκευάσαμε μια επιπλέον στήλη Τ(Κ).

ΠΙΝΑΚΑΣ 12

a/a V(ml) θ(οC) T(K) V 1 0 43,14 316,29 93,5 2 1 45,88 319,03 94,5 3 2 48,41 321,56 95,5 4 3 51,67 324,82 96,5 5 4 55,12 328,27 97,5 6 5 58,91 332,06 98,5 7 6 63,41 336,56 99,5 8 7 67,36 340,51 100,5 9 8 70,64 343,79 101,5 10 9 73,39 346,54 102,5

Η γραφική παράσταση που μας δίνει το multilog φαίνεται στο σχήμα 12Α.


ΣΧΗΜΑ 12Α

Στη συνέχεια κάνουμε το διάγραμμα ανάμεσα στον όγκο και σε θερμοκρασία σε

κλίμακα Κελσίου.

ΣΧΗΜΑ 12 Γ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

V = 0,2834Θ + 81,619R2 = 0,9952

9394

95969798

99100101

102103

40 50 60 70 80Θ(οC)

V (m

l)

Από την εξίσωση της ευθείας που προκύπτει ότι η σχέση ανάμεσα στον όγκο

και στη θερμοκρασία είναι η εξής: 0.2834 81.619V θ= ⋅ + και η θερμοκρασία του

απολύτου μηδενός για V=0 είναι 287.99oCθ = − και η απόκλιση που παρουσιάζει

σε σχέση με τη θεωρητική τιμή είναι 5.43%σ = .


Στη συνέχεια προσθέτουμε το σημείο τομής του άξονα των όγκων (V=0 και

θ=-287,99 οC) και παίρνουμε το διάγραμμα του σχήματος 12 Γ.

ΣΧΗΜΑ 12Γ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

y = 0,2834x + 81,621R2 = 1

-20

0

20

40

60

80

100

120

-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100

Θ(οC)

V(m

l)

Παρατηρούμε επίσης ότι αν αποκόψουμε τις μεγαλύτερες τιμές όγκου (τρεις

τελευταίες μετρήσεις) πλησιάζουμε την θεωρητική τιμή του απολύτου μηδενός στο

δεκαδικό ψηφίο. Έτσι η εξίσωση τώρα έχει τη μορφή: 0.2964 80.979V θ= ⋅ + και η

θερμοκρασία του απολύτου μηδενός για V=0 είναι 273.2oCθ = − και το σφάλμα

που παρουσιάζει σε σχέση με τη θεωρητική τιμή είναι 0.1%σ⟨ .

3.3.3.4 4ο Πείραμα : (θ0=45.88 οC, Vo=94.5ml, χειροκίνητα με

ΔV=1 ml)

Για μια ακόμη φορά επιλέξαμε μηδενικό αρχικό όγκο για τη διάταξη, άρα

συνολικά 95,5 ml(Vδοχείου=88ml, Vδιάταξης=0ml, Vσωληνάκια=5,5ml), τον αναδευτήρα τον

ρυθμίσαμε στη μέση περίπου, στην τιμή 250 και πήραμε μετρήσεις χειροκίνητα

Οι τιμές που καταγράψαμε φαίνονται στον πίνακα 13.


ΠΙΝΑΚΑΣ 13

a/a V(ml) θ(oC) T(K) Vολ(ml)1 1 45,88 319,03 94,5 2 2 48,52 321,67 95,5 3 3 50,78 323,93 96,5 4 4 54,45 327,6 97,5 5 5 57,57 330,72 98,5 6 6 60,65 333,8 99,5 7 7 64,99 338,14 100,5 8 8 68,01 341,16 101,5 9 9 72,42 345,57 102,5

Η γραφική παράσταση που μας δίνει το multilog φαίνεται στο σχήμα 13 Α.

ΣΧΗΜΑ 13 Α

Στη συνέχεια κάνουμε το διάγραμμα ανάμεσα στον όγκο και σε θερμοκρασία σε

κλίμακα Κελσίου στο excel.


ΣΧΗΜΑ 13 Β

ΙΣΟΒΑΡΗΣ (V-θ)

y = 0,2994x + 81,093R2 = 0,9942

949596979899

100101102103104

45 50 55 60 65 70 75Θ(οC)

V(m

l)

Από την εξίσωση της ευθείας που προκύπτει ότι η σχέση ανάμεσα στον όγκο

και στη θερμοκρασία είναι η εξής: 0.2994 81.093V θ= ⋅ + και η θερμοκρασία του

απολύτου μηδενός για V=0 είναι 270.85oCθ = − και η απόκλιση που παρουσιάζει

σε σχέση με τη θεωρητική τιμή είναι μικρότερη του 1% . Στη συνέχεια προσθέτουμε το σημείο τομής του άξονα των όγκων (V=0 και

θ=-270,85οC) και παίρνουμε το διάγραμμα του σχήματος 13 Γ.

ΣΧΗΜΑ 13 Γ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ

V = 0,2994θ + 81,093R2 = 1

0

20

40

60

80

100

120

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100Θ(οC)

V(m

l)


Στη συνέχεια παίρνουμε την αντίστοιχη γραφική παράσταση του σχήματος 13Δ,

ανάμεσα στον όγκο και στη θερμοκρασία σε Kelvin.

ΣΧΗΜΑ 13 Δ

ΙΣΟΒΑΡΗΣ V-T

V = 0,2994T - 0,6852R2 = 0,9942

V = 0,2973TR2 = 0,9942

949596979899

100101102103104

315 320 325 330 335 340 345 350T(K)

V(m

l)

Βλέπουμε ότι η θεωρητική τιμή που η προέκτασή της διέρχεται από την αρχή

των αξόνων (κόκκινο χρώμα - διακεκομμένη) σχεδόν ταυτίζεται με την πειραματική

(πράσινο).

3.3.4 Συμπεράσματα νόμου Gay Lussac V=f(T)

Η διάταξη που χρησιμοποιήσαμε στο συγκεκριμένο πείραμα για την

πειραματική επαλήθευση του νόμου του Gay Lussac, είναι αυτή που προτείνεται από

την εταιρία PASCO. Το συγκεκριμένο πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί με

διάφορες διατάξεις, έτοιμες ή και με τη διάταξη που προτείνεται από το ίδιο το

Multilog. Δεν προτιμήθηκε αυτή γιατί παρόλο την ευκολία χειρισμού, τα υλικά που

χρειάζονταν δεν ήταν τόσο εύκολο να βρεθούν και να γίνει επιτυχημένα η

συνδεσμολογία τους.

Η συσκευή της PASCO που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από ένα αλουμινένιο

δοχείο που βρισκόταν μέσα στο υδατόλουτρο και άρα σε θερμοκρασιακή ισορροπία

με αυτό και από ένα δεύτερο πλαστικό δοχείο με έμβολο που μπορούσε να

μετακινείται ελεύθερα κατά τις αλλαγές της θερμοκρασίας του αερίου και στο οποίο

μετριόταν οι μεταβολές του όγκου. Τα δυο δοχεία είναι συνδεδεμένα με σωληνάκια.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού παρείχαμε θερμότητα στο αλουμινένιο


δοχείο με αποτέλεσμα να αυξάνεται η θερμοκρασία και ο όγκος του αερίου Σε

συγκεκριμένα βήματα όγκου μετρούσαμε τη θερμοκρασία κάθε φορά.

Στη διάταξη που χρησιμοποιήσαμε η πειραματική διαδικασία περιλάμβανε

μετρήσεις με οριζόντια ή κατακόρυφη τη συσκευή, με διαφορετικούς ρυθμούς

προσφοράς θερμότητας, με διαφορετικούς αρχικούς όγκους και με διαφορετικές

αρχικές θερμοκρασίες μέτρησης, όπως επίσης και με διαφορετικές μεταβολές στον

όγκο.

Επειδή η θερμοκρασία που μετρά ο αισθητήρας είναι η θερμοκρασία του νερού

και όχι η θερμοκρασία του αερίου, θα πρέπει η προσφορά θερμότητας να γίνεται με

χαμηλό ρυθμό ώστε σε κάθε μέτρηση το αέριο με το νερό να βρίσκεται σε θερμική

ισορροπία. Όμως το multilog δεν έχει τη δυνατότητα για λιγότερες από 10 μετρήσεις

και αν βάλουμε πολύ χαμηλά την εστία θέρμανσης τότε θα καθυστερήσει πάρα πολύ

η διαδικασία. Υπάρχουν, λοιπόν δυο τρόποι αντιμετώπισης του προβλήματος.

α) επιλέγουμε χαμηλό ρυθμό θερμότητας και παίρνουμε λίγες

μετρήσεις (π.χ 5). Στη συνέχεια πατάμε το πλήκτρο samples άλλες 5

φορές συνεχόμενα για να καταγράψει σύνολο 10 και κόβουμε τις

υπόλοιπες 5 που είναι ‘άσχετες’ τιμές.

β) επιλέγουμε μεσαίο ρυθμό λήψης και παίρνουμε 10 μετρήσεις.

Από τις δυο επιλογές η δεύτερη είναι καλύτερη γιατί η διαδικασία

απόρριψης συνεχόμενων τιμών από το multilog είναι κάτι που μπορεί να

μπερδέψει τους μαθητές, όπως επίσης έχουμε περισσότερες τιμές, άρα

καλύτερη προσέγγιση και μικρότερο σφάλμα.

Από τα πειράματα που έγιναν παρουσιάζονται τέσσερα με το πρώτο πείραμα να

γίνεται με κατακόρυφη τη συσκευή ενώ τα υπόλοιπα τρία με οριζόντια τη συσκευή.

Όταν η συσκευή είναι κατακόρυφη παρατηρήθηκε ότι χρειάζονταν να υπάρχει

κάποιος όγκος αερίου στο δοχείο μέτρησης του όγκου που βρίσκεται στην

ατμόσφαιρα. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται διόρθωση στις τιμές της

θερμοκρασίας, διότι ένα μεγάλο μέρος του όγκου του αερίου (ο όγκος της διάταξης)

βρισκόταν στην πραγματικότητα σε θερμοκρασιακή ισορροπία με τον αέρα της

ατμόσφαιρας 76. Αυτό θεωρείται αρκετά σύνθετο και προφανώς θα δημιουργήσει

παρανοήσεις ή θα αποπροσανατολίσει τους μαθητές, οπότε εν τέλει προτείνεται το

πείραμα να γίνεται με οριζόντια τη διάταξη.


Όταν η διάταξη είναι οριζόντια η εφαρμοζόμενη εξωτερικά σταθερή πίεση είναι

μικρότερη και ο όγκος στο δοχείο μέτρησης του όγκου μπορεί να είναι μηδενικός.

Έτσι, δεν απαιτείται διόρθωση στις μετρήσεις της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα

των μετρήσεων είναι πολύ ικανοποιητικά τόσο ως προς την απόδειξη του νόμου της

ισοβαρούς μεταβολής όσο και ως προς τον προσδιορισμό της τιμής του απολύτου

μηδενός σε βαθμούς Κελσίου με προέκταση της ευθείας V=f(T) στο V=0.

Για τη σωστή εκτέλεση του πειράματος αυτού χρειάζονται τουλάχιστον δυο

άτομα, με τον ένα υπεύθυνο για τις μετρήσεις. Αυτό διότι η μεταβολή του όγκου (το

βήμα του όγκου) είναι μικρό (1 ή 2 ml), άρα και η διακριτική ικανότητα είναι μικρή.

Εδώ παρουσιάζεται και ο κυριότερος λόγος σφαλμάτων. Η συνεχής ανάδευση

βοηθάει σημαντικά, ώστε η θερμοκρασία να είναι η ίδια σε όλα τα σημεία

Το πείραμα αυτό μπορεί να γίνει σχετικά εύκολα από μια ομάδα δυο ή τριών

μαθητών και να οδηγήσει στην επαλήθευση του νόμου του Charles-Gay Lussac και

στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του απόλυτου μηδενός. Ο χρόνος που

απαιτείται είναι 10-15 λεπτά.


4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

Η καλύτερη μάθηση δεν θα προκύψει από τους καλύτερους τρόπους με

τους οποίους θα διδάξουμε τους μαθητές μας, αλλά από τις καλύτερες

ευκαιρίες που θα τους δώσουμε για να οικοδομήσουν τις γνώσεις τους.

Μαθαίνουμε καλύτερα κάνοντας... αλλά μαθαίνουμε ακόμα καλύτερα αν

συνδυάσουμε τη δράση με την ομιλία και το στοχασμό πάνω σ’ αυτά που

κάνουμε.

Seymour Papert


4.1 Εισαγωγή

Στο συγκεκριμένο τμήμα της εργασίας θα προσπαθήσουμε να παρουσιάσουμε

μια πρόταση διδασκαλίας των νόμων των αερίων στο εργαστήριο με στοιχεία της

θεωρίας του εποικοδομητισμού. Θα γίνει μια μικρή εισαγωγή σε βασικές έννοιες του

εποικοδομητισμού όπως είναι οι ιδέες των μαθητών σε ότι αφορά τα μεγέθη που θα

χρησιμοποιήσουμε, θα παρουσιαστούν οι πίνακες για την καλύτερη οργάνωση του

σχεδιασμού της εργαστηριακής άσκησης και τέλος θα γίνει μια πρόταση για τη

διδασκαλία με δυο τρόπους –είτε με τη μορφή πειράματος επίδειξης, είτε με τη

μορφή μετωπικού εργαστηρίου-. Οι προτάσεις διδασκαλίας που θα ακολουθήσουν

δεν είναι αυστηρές, αλλά μπορούν να τροποποιηθούν από το διδάσκοντα ανάλογα με

τις δυσκολίες που θα συναντήσει, αλλά και τις ιδιαιτερότητες του τμήματος που θα

διδάξει (αριθμός μαθητών, ώρες διδασκαλίας, τεχνικός εξοπλισμός). Σκοπός τους

είναι να γίνουν μια βάση πάνω στην οποία θα μπορεί να χτίσει ο κάθε διδάσκοντας

το δικό του μάθημα στο εργαστήριο.

4.1.1 Η εποικοδομητική προσέγγιση της μάθησης80

Στο πρώτο ερώτημα που πρέπει να απαντήσουμε είναι, τι είναι ο

εποικοδομητισμός και ποια είναι η προσέγγιση του στη διαδικασία της μάθησης.

Ξεκινώντας από το βασικό ερώτημα, εποικοδομητισμός (Constructivism)

είναι μια θεωρία μάθησης σύμφωνα με την οποία, μαθαίνουμε σημαίνει οικοδομούμε

νέα γνώση για μας. Μάθηση είναι η οικοδόμηση νοήματος. Οικοδομούμε νέα γνώση

καθώς αλληλεπιδρούμε με τα δεδομένα στο υπόβαθρο των εμπειριών μας. Κοινός

παρονομαστής σε όλη την ποικιλία των προσεγγίσεων που έχουν προταθεί για την

Εποικοδόμηση είναι:

Η έμφαση στην προϋπάρχουσα γνώση

Η μη μετάδοση, αλλά κατασκευή της γνώσης

Η εξέλιξη των γνώσεων

Η αξιολόγηση των γνώσεων μέσα από τη χρονική διάρκεια κατά την

οποία ικανοποιούν τις ανάγκες για τις οποίες παρήχθησαν.

Θα μπορούσε να υποστηρίξει κανείς ότι από τα μέσα της δεκαετίας του '70 και

μετά παρατηρείται στο χώρο της διδασκαλίας των Φυσικών Επιστημών μια έντονη

ερευνητική δραστηριότητα σε παγκόσμια κλίμακα. Η δραστηριότητα αυτή τείνει να


επηρεάσει αποφασιστικά το οικοδόμημα της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών (Φ.

Ε.) που είχε στηριχθεί στις απόψεις των Piaget, Bruner και λοιπών για τη μάθηση.

Σύμφωνα με τη νέα θεώρηση των πραγμάτων, κυρίαρχο ρόλο στη μάθηση

παίζουν οι ιδέες που έχουν τα παιδιά για τα φυσικά φαινόμενα πριν καν τα διδαχτούν

στο σχολείο. Ο μαθητής π.χ. πριν διδαχτεί στο σχολείο τι είναι το φως έχει

διαμορφώσει κάποια δική του άποψη για την έννοια αυτή.

Τα παιδιά μέσω των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων και μέσα από την κοινωνική

επαφή και τη γλώσσα αρχίζουν να οικοδομούν ένα ευρύ φάσμα ιδεών για το πώς

λειτουργεί ο κόσμος.

Οι απόψεις των μαθητών για τα φαινόμενα ομαδοποιούνται και συγκροτούν

ερμηνευτικά πρότυπα που καταγράφονται συνήθως ως εναλλακτικές ιδέες των

παιδιών ή παρανοήσεις, προϋπάρχουσες ιδέες, αυθόρμητες αντιλήψεις,

διαισθητικές ιδέες, επιστήμη των παιδιών, αναπαραστάσεις ή ως νοητικά

μοντέλα.

Από τις έρευνες που έγιναν σε διάφορες χώρες σχετικά με τις ιδέες των παιδιών

προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:

1. Τα παιδιά πριν ακόμα φοιτήσουν στο σχολείο έχουν απόψεις για μια ποικιλία

θεμάτων των Φ.Ε.

2. Οι αντιλήψεις τους είναι δυνατό να επηρεαστούν από τη διδάσκαλο με

τρόπους που δε γνωρίζουμε ή να παραμείνουν ανεπηρέαστες από αυτή.

3. Οι διαισθητικές ιδέες τους ασκούν ισχυρή επιρροή στη μεταγενέστερη

μάθηση.

4. Οι αντιλήψεις των παιδιών είναι συχνά διαφορετικές από το επιστημονικό

πρότυπο, όπως αυτό παρουσιάζεται στα σχολικά εγχειρίδια. Ωστόσο οι αντιλήψεις

αυτές είναι χρήσιμες και λογικές επειδή αποτελούν το σκελετό της ερμηνείας των

σχετικών φαινομένων.

Κατά το σχεδιασμό της στρατηγικής του ο δάσκαλος πρέπει, σύμφωνα με αυτά

να λάβει υπόψη του τα ακόλουθα80:

1. Τα χαρακτηριστικά της γνωστικής αφετηρίας των παιδιών (τις ιδέες των παι-

διών για τις οντότητες που συγκροτούν τον κόσμο, τα φαινόμενα που αυτές

πραγματώνουν, τον τρόπο που εμείς τις χειριζόμαστε, τον τρόπο που αποκτούμε

γνώση γι’ αυτές, κλπ).


2. Τα χαρακτηριστικά του γνωστικού στόχου, δηλαδή ανεξάρτητες ή συσχετι-

σμένες έννοιες, φαινόμενα αισθητηριακώς αντιληπτά ή μη, φαινόμενα απλά ή

πολύπλοκα, φαινόμενα καινοφανή ή γνωστά στα παιδιά από το πολιτισμικό

περιβάλλον, κλπ.

3. Τα χαρακτηριστικά των 1, 2, τα οποία συγκροτούν τα γνωστικά εφόδια και

εμπόδια των μαθητών του, και να επινοήσει γι' αυτά καταλυτικές μαθησιακές

δραστηριότητες.

4. Τη μαθησιακή-διδακτική σχέση του με τους μαθητές, η οποία είναι καθορι-

στική για ένα αποδοτικό περιβάλλον διδασκαλίας μάθησης.

5. Τη διαθεσιμότητα του εργαστηριακού εξοπλισμού, των υπολογιστών και

οπτικοακουστικών βοηθημάτων καθώς και τη δική του επιδεξιότητα στην αξιοποίηση

τους.

6. Τη δική του εξοικείωση και ευχέρεια στη χρήση διδακτικών τεχνικών όπως

οι ερωτήσεις, η συζήτηση σε ομάδες, ο Σωκρατικός διάλογος, η γνωστική σύ-

γκρουση, οι μεταφορές και οι αναλογίες, κ.ά.

7. Τα χρονικά περιθώρια που διατίθενται για να εφαρμοστεί η στρατηγική που

θα σχεδιάσει, προκειμένου να τα

αξιοποιήσει κατάλληλα.

Σχηματικά τα παραπάνω

αποδίδονται στο σχέδιο 4.1.1. Εκτός

από την αρχική γνώση πρέπει να

ληφθούν υπόψη και άλλοι

παράμετροι, όπως η σχέση των

μαθητών με τις Φυσικές Επιστήμες

και η σχέση τους με τον

εκπαιδευτικό. Όπως γράφει ο Fayol

(1994), «ένας μεγάλος αριθμός

ερευνών έχει δείξει ότι η ανθρώπινη

γνωστική δραστηριότητα δεν

επηρεάζεται μόνο από τις εγγενείς

(φυσικές) ιδιότητες των αντικειμένων αλλά επίσης προσδιορίζεται από τις κοινωνικές

συνθήκες που βρίσκονται πίσω από τη σχέση υποκειμένου (μαθητή) - αντικειμένου»,

δίνοντας έτσι μία ακόμα παράμετρο στο πρόβλημα της επιλογής της διδακτικής

στρατηγικής. Η παράμετρος αυτή στην Εποικοδομητική προσέγγιση μπορεί να

Σχ.4.1.1 Η σύγκριση της αρχικής και της επιθυμητής γνώσης

θα καθοδηγήσει τις επιλογές της διδασκαλίας σε μια προσπάθεια

να αλλάξει η αρχική γνώση και όχι να συσσωρευτεί η επιθυμητή

πάνω σε αυτήν, σε μια προσπάθεια να ξεχαστεί μέσα από τις

διορθώσεις των λαθών, τις επαναλήψεις και την αξιολόγηση.


θεωρηθεί ότι είναι εγγενής, ειδικότερα στην τάση εκείνη η οποία υποστηρίζει την

κοινωνική συνδόμηση, διακίνηση και αξιολόγηση της γνώσης.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο σχεδιασμός της διδακτικής στρατηγικής δεν είναι

ούτε εύκολος ούτε και μπορεί να θεωρηθεί ότι μπορεί να δοθεί για αυτόν μια και

μοναδική λύση, όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 4.1.1. Στο πλαίσιο της

Εποικοδόμησης προτείνει μια στρατηγική και μεγάλη ποικιλία μαθησιακών έργων, με

τα οποία αυτή μπορεί να σχεδιαστεί και να πραγματοποιηθεί.

Η διδακτική στρατηγική, η οποία θεωρείται ότι αποτελεί το πρότυπο στο οποίο

στηρίζονται οι διάφορες παραλλαγές που έχουν προταθεί για την εποικοδομητική

διδασκαλία, προτάθηκε αρχικά από τους Driver and Oldham (1985) και σχηματικά

αποδίδεται στο σχήμα 4.1.2, το οποίο παρατίθεται στη συνέχεια.

Η χρήση του

όρου «ιδέες» σε

όλες τις φάσεις που

φαίνονται στο

διάγραμμα εκφρά-

ζει την άποψη των

εισηγητών της

στρατηγικής

(τουλάχιστον για

την περίοδο εκείνη)

και για το λόγο

αυτό, στη συνέχεια, οι ίδιες φάσεις θα περιγραφούν σύμφωνα με την τρέχουσα

ορολογία. Η ανάλυση των σταδίων στην αρχική τους θεώρηση είτε στις παραλλαγές

τους παρουσιάζεται σε πολλές εργασίες ή και βιβλία τόσο από τους υποστηρικτές όσο

και από τους επικριτές της συγκεκριμένης στρατηγικής και για το λόγο αυτό δε θα

αναφερθούμε εκτενώς σε αυτήν. Τα στάδια είναι τα εξής:

Σχ. 4.1.2 Η διδακτική στρατηγική των Driver and Oldham

o Προσανατολισμός: Στη φάση αυτή επιχειρείται να προκληθεί το ενδιαφέρον

των μαθητών για το θέμα (θέματα) που θα τους απασχολήσουν στη συνέχεια, να

ενεργοποιηθούν για αυτό και να προσανατολιστούν για τη διαπραγμάτευσή του. Η

φάση αυτή είναι σημαντική διότι η αποτελεσματικότητά της θα εξασφαλίσει το

ενδιαφέρον του μαθητή και στις επόμενες φάσεις, ενώ επίσης μπορεί να αποτελέσει


μέρος της επόμενης φάσης της ανάδειξης των ιδεών με μια κατάλληλα

προετοιμασμένη ερώτηση.

o Ανάδειξη των ιδεών: Στόχος είναι οι μαθητές να εκφράσουν τις απόψεις τους,

να ενεργοποιήσουν τη διαθέσιμη γνώση και τις γνωστικές τους δεξιότητες

προκειμένου να απαντήσουν. Εδώ πρέπει να γίνει καταγραφή των ιδεών των μαθητών

ώστε να χρησιμοποιηθούν στο τέλος, «στη σύγκριση με τις αρχικές ιδέες».

o Αλλαγή των ιδεών: Στη φάση αυτή επιχειρείται η αναδόμηση των ιδεών. Αυτό

επιτυγχάνεται μέσα από α) διευκρινήσεις και ανταλλαγές των ιδεών που έχουν

εκφραστεί, β)έκθεση των μαθητών σε καταστάσεις που θα έρθουν αντιμέτωποι με

ιδέες διαφορετικές από τις δικές τους, γ)δόμηση νέων ιδεών, δ)αξιολόγηση των ιδεών

από τους μαθητές.

o Εφαρμογή των ιδεών: Οι νέες έννοιες εφαρμόζονται σε φαινόμενα που είτε

περιλαμβάνονται στο φύλλο εργασίας είτε θα προταθούν από το δάσκαλο ή τους

μαθητές.

o Ανασκόπηση στις αλλαγές των ιδεών: Στη φάση αυτή γίνεται σύγκριση των

εδραιωμένων και ικανοποιητικών νέων ιδεών με τις αρχικές όπως καταγράφηκαν στο

στάδιο της ανάδειξης. Μέσα από αυτή τη διαδικασία επιδιώκεται η αξιολόγηση του

εαυτού τους, η ανασκόπηση των αλλαγών στην ίδια τους τη γνώση και ο

προσδιορισμός του τι έμαθαν εμπλεκόμενοι στα διάφορα μαθησιακά έργα.

4.1.2 Το πείραμα επίδειξης στη διδασκαλία των Φ.Ε80

Το πείραμα επίδειξης είναι μια δραστηριότητα του διδάσκοντος και συνεπώς

στο πλαίσιο της εποικοδόμησης θεωρείται ότι έχει περιορισμένη συμβολή στη

μάθηση. Μπορεί όμως να βοηθήσει τους μαθητές να κατανοήσουν την επιστημονική

ορολογία, να προκαλέσει γνωστική σύγκρουση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την

κατασκευή του εννοιολογικού χάρτη.

Το πείραμα επίδειξης ως μέσο για την επίτευξη των διδακτικών στόχων έχει

συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τα οποία θα πρέπει να γίνουν σεβαστά προκειμένου να

επιτευχθούν οι διδακτικοί στόχοι. Τα χαρακτηριστικά αναφέρονται στον διδάσκοντα,

στους μαθητές και τη διδακτική στρατηγική.

Τα χαρακτηριστικά αυτά σχετικά με τους διδάσκοντες είναι:

1. Γίνονται με πρωτοβουλία του διδάσκοντος

2. Γίνονται από το διδάσκοντα ή σε συνεργασία με ένα δύο μαθητές που τον

βοηθούν.


3. Απευθύνονται προς όλους τους μαθητές.

4. Χρησιμοποιούνται για διάφορους σκοπούς όπως: πρόκληση ενδιαφέροντος,

επικύρωση θεωρίας που έχει διδαχθεί ή παρουσίαση φαινομένου, κ.α.

5. Συχνά, δεν είναι εντεταγμένα αρμονικά σε μια ολοκληρωμένη διδακτική

στρατηγική.

Σχετικά με τους μαθητές, τα πειράματα επίδειξης έχουν τα ακόλουθα

χαρακτηριστικά:

1. Το πείραμα επίδειξης και το τι αυτό θα "δείξει", δεν είναι αποτέλεσμα

δικής τους πρωτοβουλίας, προβληματισμού ή σκέψης σχετικά με κάποιο φαινόμενο.

2. Πάντοτε έχουν περιέργεια να "δουν" αλλά δύσκολα κερδίζουν σε γνώση

από το πείραμα επίδειξης.

3. Παρακολουθούν το πείραμα επίδειξης και συχνά δεν καταλαβαίνουν το

συμπέρασμα που προκύπτει από αυτό ή την σχέση του με την αντίστοιχη

επιστημονική θεωρία.

4. Δεν μπορούν να παρατηρήσουν το ίδιο το πείραμα λόγω της απόστασης

από την θέση που αυτό γίνεται ή λόγω της κλίμακας του φαινομένου.

5. Δυσκολεύονται να συσχετίσουν το πείραμα επίδειξης με την αντίστοιχη

ενότητα του σχολικού βιβλίου που θα μελετήσουν μόνοι τους.

Σχετικά με τη διδακτική στρατηγική, το πείραμα επίδειξης έχει τα ακόλουθα

χαρακτηριστικά:

1. Πρέπει να υπηρετεί την επίτευξη συγκεκριμένων διδακτικών στόχων

2. Όλοι οι διδακτικοί στόχοι δεν μπορεί να υπηρετηθούν με το πείραμα

επίδειξης.

3. Με συγκεκριμένες τεχνικές είναι δυνατόν να αυξηθεί η συμμετοχή των

μαθητών

4. Δύσκολα μπορεί να αυξηθεί η κατανόηση και η μάθηση με το πείραμα

επίδειξης για όλους τους μαθητές.

Προτάσεις για την αύξηση της συμμετοχής

• Προσανατολισμός και πρόκληση του ενδιαφέροντος. Με ερωτήσεις

επιχειρούμε να προσανατολίσουμε τους μαθητές στο θέμα που θα διδαχθεί και να


προκαλέσουμε το ενδιαφέρον τους. Όταν τα πειράματα επίδειξης γίνονται σπάνια, η

παρουσία των συσκευών στη σχολική τάξη προκαλεί την περιέργεια και το

ενδιαφέρον των μαθητών.

• Η θέση όπου θα συναρμολογηθεί και θα τοποθετηθεί η πειραματική διάταξη

πρέπει να είναι ορατή από όλους τους μαθητές.

• Τοποθετούμε όλα τα απαραίτητα σε σημείο στο οποίο μπορεί όλοι τους να τα

βλέπουν. Καλούμε τους μαθητές να αναγνωρίσουν ένα - ένα τα όργανα, τις συσκευές,

και τα υπόλοιπα εξαρτήματα που συναρμολογούμε για το πείραμα επίδειξης και να

περιγράψουν τη λειτουργία τους στη διάταξη.(Δε θα ζητήσουμε τρόπους λειτουργίας

πολύπλοκων συσκευών όπως πχ τροφοδοτικά, γεννήτριες συχνοτήτων, κλπ, αλλά το

ρόλο τους στη διάταξη πχ παροχή θερμότητας, αύξηση της θερμοκρασίας, κλπ.)

Σταδιακά και με τη συμβολή τους "χτίζουμε" την πειραματική διάταξη.

• Μπορούμε να προβάλουμε σε μια διαφάνεια την πειραματική διάταξη που

υπάρχει στο βιβλίο τους και να τους καλέσουμε να μας βοηθήσουν να την

πραγματοποιήσουμε μαζί. Ζητάμε εθελοντές και περιμένουμε έως ότου όλοι ή

περισσότεροι από τους μαθητές σηκώσουν το χέρι τους - σήμα ότι προσφέρονται να

λάβουν μέρος στη διαδικασία. Ανάλογα με τις δυνατότητές τους, τους ζητάμε να

έλθουν να αναγνωρίσουν και να επιλέξουν κάποιο από αυτά που έχουμε φέρει στην

τάξη, να μας πουν το όνομά του, το τι κάνει, το πώς συμβολίζεται, κλπ Κάθε

μαθητής μπορεί να συμβάλει έστω και σε κάτι απλό. Όσο περισσότεροι λάβουν

μέρος, τόσο η συμμετοχή τους, σε όσα ακολουθήσουν, θα είναι μεγαλύτερη.

• Αν η τάξη μας είναι οργανωμένη σε ομάδες μπορούμε για κάθε πείραμα

επίδειξης να χρησιμοποιούμε και μια ομάδα για να συναρμολογεί υπό τη δική μας

επίβλεψη και βοήθεια την πειραματική διάταξη. Κυκλικά, όλες οι ομάδες θα

συναρμολογούν την πειραματική διάταξη. Στην περίπτωση αυτή οι υπόλοιποι

μαθητές ζητούν πληροφορίες από την ομάδα που συναρμολογεί το πείραμα.

Προτάσεις για την αύξηση της κατανόησης και της μάθησης.

Στη φάση αυτή η πειραματική διάταξη είναι συναρμολογημένη αλλά δεν

έχουμε ακόμα κάνει το πείραμα.

• Ζητάμε από τους μαθητές να σχεδιάσουν τη διάταξη που έχει

συναρμολογηθεί σε ένα φύλλο του τετραδίου τους χρησιμοποιώντας τα σύμβολα που

πρέπει και να τη συμπληρώσουν με όσα δεν βλέπουν, πχ τη συμπεριφορά των

μορίων, τη μεταφορά θερμότηταςκλπ.


• Καλούμε τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί αν πχ κλείσουμε ένα

διακόπτη, αν αλλάξουμε την τιμή μιας παραμέτρου, κλπ. Δεχόμαστε απαντήσεις από

όσο το δυνατόν περισσότερους μαθητές. Τις απαντήσεις τους τις συζητάμε (δεν τις

κρίνουμε αν είναι σωστές ή όχι, αυτό θα το δείξει το πείραμα) πριν κάνουμε την

ανάλογη ενέργεια στην πειραματική διάταξη. Στη συνέχεια προχωρούμε οι ίδιοι στην

ενέργεια αυτή ή καλούμε κάποιον από τους μαθητές να το πράξει.

• Καλούμε τους μαθητές να παρατηρήσουν για να ελέγξουν τις προβλέψεις

τους ή να ερμηνεύσουν το φαινόμενο που παρατηρούν. Αν πρόκειται για πείραμα που

επαληθεύει μια θεωρητική πρόβλεψη συζητάμε το αν το πείραμα συμφωνεί ή όχι με

τις προβλέψεις.

• Αν πρόκειται για πείραμα επαλήθευσης ποσοτικού νόμου μπορούμε να

καλέσουμε έναν ή περισσότερους μαθητές να "διαβάσουν" τις ενδείξεις των οργάνων

και να τις γράψουν στον πίνακα. Μετά ζητάμε από τους μαθητές (ατομικά ή σε

ομάδες) να επεξεργαστούν τα δεδομένα και να ελέγξουν την ισχύ του νόμου. (για

παράδειγμα το νόμο του Boyle, κλπ). Στην περίπτωση αυτή μας δίνεται και η

ευκαιρία να συζητήσουμε και για τα σφάλματα των μετρήσεων.

• Αν πρόκειται για πείραμα εισαγωγής εννοιών πχ ηλεκτρικό φορτίο, ηλέκτριση

με τριβή, ηλεκτρικό πεδίο, ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, κλπ, καλούμε τους μαθητές

να προτείνουν εξηγήσεις για το φαινόμενο που παρατήρησαν. Τις απαντήσεις τους τις

συζητάμε και σταδιακά εισάγουμε τους μαθητές στην έννοια ή τις έννοιες που έχουμε

θέσει ως στόχο.

• Αν πρόκειται για την παρουσίαση ενός φαινομένου, πχ επίδραση οξέως σε

μέταλλο μπορούμε να ζητήσουμε από τους μαθητές να μας πουν αν αυτό που

παρατήρησαν τους θυμίζει κάποιο άλλο φαινόμενο. Για παράδειγμα οι φυσαλίδες

που παράγονται τους θυμίζουν τις ανάλογες των αεριούχων αναψυκτικών, των

παυσίπονων σε δισκία τα οποία αναβράζουν όταν τοποθετηθούν σε νερό, κλπ.

Ανάλογα στην περίπτωση του κανόνα του Lentz η κίνηση του αιωρούμενου

δακτυλιδιού θυμίζει την έλξη και άπωση μεταξύ μαγνητών και μετάλλων.


Φάση της ανασκόπησης.

Επειδή στο τέλος της διαδικασίας οι μαθητές μας μπορεί να έχουν ξεχάσει

κάποια από αυτά που έγιναν στη διάρκειά του ή να έχουν εστιάσει σε κάτι άλλο την

προσοχή τους, κλπ, θα πρέπει να γίνει η ανασκόπηση της διαδικασίας. Με αυτήν

έμμεσα αξιολογούμε το τι έμαθαν οι μαθητές από το πείραμα επίδειξης και

προβαίνουμε στις κατάλληλες ενέργειες. Μπορούμε να το κάνουμε με απλές

ερωτήσεις είτε στο τέλος των δύο προηγούμενων φάσεων είτε στο τέλος της

διδακτικής περιόδου. Γίνεται με δύο απλές ερωτήσεις τις οποίες απευθύνουμε προς

όλους: "Τι κάναμε; Τι μάθαμε; Με την πρώτη ζητάμε να ανακαλέσουν στη μνήμη

τους τη διαδικασία. Για παράδειγμα να ανακαλέσουν τη συναρμολόγηση της

διάταξης, το φαινόμενο που παρατήρησαν, κλπ. Με τη δεύτερη να διαπιστώσουμε το

τι έμαθαν. Αν, δηλαδή, έμαθαν για τη μαγνητική ροή και το ρόλο της στην ερμηνεία

της επαγωγής, για το ρόλο του αριθμού των σπειρών στο μετασχηματιστή, κλπ.

Σε κάθε περίπτωση πρέπει να ενεργοποιήσουμε τις αισθήσεις, την προσοχή και

τη σκέψη των μαθητών. Αυτό δεν μπορεί να εξασφαλιστεί παρά μόνον αν τους

σχεδιάσουμε ένα ρόλο που να το πετυχαίνει. Ο Αριστοτέλης είπε το κλασικό για τη

διδακτική μεθοδολογία: "ακούμε και βλέπουμε με το νου μας". Οι μαθητές μας θα

"δουν", και θα "ακούσουν" με τις γνώσεις τους και με τη σκέψη τους. Πώς θα το

επιτύχουμε αυτό; Θα πρέπει να τους σχεδιάσουμε ρόλους με τους οποίους θα

ενεργοποιήσουμε την προσοχή τους, θα την κρατήσουμε σε εγρήγορση και θα τους

προκαλούμε να σκεφθούν.

Σχεδιασμός της διδασκαλίας

Θα πρέπει λοιπόν να σχεδιάσουμε εκ των προτέρων εκτός από το τι θα κάνουμε

εμείς οι ίδιοι, το τι θα κάνουν οι μαθητές μας όταν θα γίνεται το πείραμα επίδειξης.

Αν θα σχεδιάσουν την πειραματική διάταξη, αν θα κάνουν υπολογισμούς, αν θα

κάνουν προβλέψεις, κλπ, θα πρέπει να τα σκεφθούμε προκαταβολικά και να έχουμε

στη διάθεσή μας περισσότερες από μια προτάσεις. Για διευκολυνθούμε στο

σχεδιασμό αυτών των ρόλων του μαθητή και του διδάσκοντος, είναι χρήσιμο να

εργαστούμε με τους πίνακες που παρατίθεται στη συνέχεια. Ο πρώτος στοχεύει στην

καταγραφή της "Ταυτότητας" της διδασκαλίας. Δηλαδή, το σχολείο, το τμήμα, την

τάξη, το μάθημα, την ενότητα, το διδάσκοντα, κλπ. Με το δεύτερο πίνακα γίνεται ο


προσδιορισμό των διδακτικών στόχων και ειδικότερα του στόχου ή των στόχων που

θα επιδιώξουμε να επιτευχθούν με το πείραμα επίδειξης. Επίσης επιλέγουμε τον

τρόπο που θα χρησιμοποιήσουμε το πείραμα επίδειξης. Με τον τρίτο πίνακα

επιδιώκεται να προβλεφθούν οι ενέργειες που θα που θα κάνουμε εμείς και οι

μαθητές μας όταν θα γίνεται το πείραμα επίδειξης. Ο πίνακας αυτός δεν πρέπει να

θεωρείται ως ανελαστικός και δεσμευτικός αλλά αντίθετα ως μια καλά σχεδιασμένη

στρατηγική για την επίτευξη συγκεκριμένων στόχων. Όσο καλά και να ξέρουμε τους

μαθητές μας, πάντα υπάρχει η πρωτοτυπία της σκέψης τους η οποία όταν

ενεργοποιηθεί μπορεί υπερκεράσει τις προβλέψεις μας. Όσο καλύτερα είμαστε

προετοιμασμένοι τόσο καλύτερα θα ανταποκριθούμε. Ο τελευταίος πίνακας μας

χρησιμεύει τόσο για την προετοιμασία, ώστε να μην ξεχάσουμε να πάρουμε όλα όσα

πρέπει στην αίθουσα διδασκαλίας, όσο και να μην την επαναλάβουμε την επόμενη

φορά που θα κάνουμε πάλι το ίδιο πείραμα. Σε αυτόν καταγράφουμε όλα όσα

χρειάζονται για την πραγματοποίηση του πειράματος.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Σχολείο

Τάξη

Κατεύθυνση

Τμήμα

Μάθημα

Κεφάλαιο

Ενότητα / παράγραφος

Ημερομηνία διδασκαλίας

Ον/μο διδάσκοντος

Ειδικότητα

Διδακτικοί στόχοι

Οι διδακτικοί στόχοι προκύπτουν από τους σκοπούς διδασκαλίας τους

μαθήματος και από τους ειδικούς σκοπούς του κάθε κεφαλαίου. Μπορούμε να τους

προσδιορίσουμε μελετώντας το Αναλυτικό Πρόγραμμα. Συνήθως περιέχονται στους

Οδηγούς διδασκαλίας που συνοδεύουν τα σχολικά βιβλία.


ΠΙΝΑΚΑΣ 2

Να αναφέρετε τους

διδακτικούς στόχους.

Ποιους στόχους

στοχεύετε με το πείραμα

επίδειξης;

Συνοπτική περιγραφή

του πειράματος

επίδειξης ή παραπομπή

σε βιβλιογραφία

Στη διατύπωση των διδακτικών στόχων πρέπει να αποφεύγονται ασαφείς

διατυπώσεις οι οποίες στηρίζονται σε ρήματα όπως : κατανοήσουν, καταλάβουν,

μάθουν, αντιληφθούν, κλπ. Συνιστώνται ρήματα που δηλώνουν ενέργειες, όπως:

παρατηρήσουν, μετρήσουν, εξασκηθούν σε, ή σε ρήματα που δηλώνουν ικανότητες

/δεξιότητες ή ικανότητα χρήσης γνώσεων, όπως: να αναφέρουν πχ νόμους, θεωρίες,

συμβάσεις, τεχνικές μέτρησης, κλπ, να χρησιμοποιούν συμβάσεις , να εξηγούν,

χρησιμοποιώντας, να υπολογίζουν, να προβλέπουν, κλπ.


Σχέδιο για τη διδασκαλία με το πείραμα επίδειξης

Αναπτύξτε το σχέδιο δράσης περιγράφοντας αναλυτικά τα στάδιά του.

ΠΙΝΑΚΑΣ 3

Φάσεις Δραστηριότητα μαθητών Δραστηριότητα διδάσκοντος

Προσανατολισμός

Εμπλοκή

Συμμετοχή

Διεξαγωγή

Συμπεράσματα

Ανασκόπηση


Για την υλικοτεχνική υποδομή, όργανα, κλπ που θα χρησιμοποιήσετε μπορείτε

να κρατήσετε σημειώσεις στον επόμενο πίνακα. Τα όργανα που αναφέρονται είναι

ένα παράδειγμα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 4

Ανακλαστικός προβολέας

Διαφάνειες που θα προβληθούν:

Πείραμα: Εργαστηριακός οδηγός ……

Αναλώσιμα Σύριγγα ……

Όργανα

1.

2.

3.

Ποσότητα / πλήθος

Να μην ξεχάσω ότι:

4.1.3 Διδασκαλία στο εργαστήριο

Η πρόταση της Εποικοδόμησης για την εργαστηριακή δραστηριότητα των

μαθητών διαφέρει από την αντίστοιχη της διαδικασιο- κεντρικής και της θετικιστικής

άποψης. Ο ρόλος του διδάσκοντος δεν είναι αυτός του έμπειρου στη λήψη μετρήσεων

και την επεξεργασία τους. Το αποτέλεσμα της εργαστηριακής δραστηριότητας δεν

είναι εκ των προτέρων γνωστό, ούτε η διαδικασία στοχεύει στην επικύρωση του.

Αντίθετα, οι μαθητές συζητούν μεταξύ τους και με το διδάσκοντα, και ανατρέχουν

στις γνώσεις τους, προτείνουν και εργάζονται για να ελέγξουν μια δική τους πρόταση.

Οι ιδέες τους για τα φαινόμενα και για το ρόλο του πειράματος, οι δεξιότητες τους

στο σχεδιασμό πειράματος γίνονται σεβαστές και ο διδακτικός σχεδιασμός στοχεύει

στην αλλαγή ή την εξέλιξη τους. Αντί να τους εκπαιδεύουμε στις επιμέρους

διαδικασίες, χωρίς κανένα ουσιαστικό ενδιαφέρον μιας και το αποτέλεσμα είναι

γνωστό και η διαδικασία δεδομένη, τους εκπαιδεύουμε για να αποκτήσουν τη

νοοτροπία του ερευνητή και τις δεξιότητες σχεδιασμού και πραγματοποίησης της

έρευνας.


Ο τρόπος εργασίας για το σχεδιασμό μιας εργαστηριακής άσκησης

παρουσιάζεται παρακάτω. Βασίζεται στις απόψεις που αναπτύχθηκαν παραπάνω

(πρόταση της εποικοδόμησης για τη διδασκαλία στο εργαστήριο, στα στάδια της

εποικοδομητικής διδασκαλίας και στο σχεδιασμό του μαθήματος).

Σχεδιασμός εργαστηριακής άσκησης

Για το σχεδιασμό των εργαστηριακών ασκήσεων προτείνεται να

συμπληρώνονται, να χρησιμοποιούνται και να αρχειοθετούνται οι παρακάτω πίνακες.

Τάξη: Μάθημα:

Ενότητα: Προτεινόμενη διάρκεια:

Περιεχόμενο εργαστηριακής άσκησης

Γράψτε συνοπτικά τη θεωρητική γνώση, τις γνώσεις και τις δεξιότητες που

συσχετίζονται με την εργαστηριακή άσκηση.

Προαπαιτούμενες γνώσεις

Γράψτε τις προαπαιτούμενες γνώσεις και δεξιότητες εργαστηρίου που θα πρέπει

να διαθέτουν οι μαθητές και οι οποίες έχουν καλλιεργηθεί σε προηγούμενες

δραστηριότητες. Σε αυτές θα προστεθούν νέες προκειμένου να διεκπεραιωθεί η



Γράψτε τους στόχους

Οι διδακτικοί στόχοι της εργαστηριακής άσκησης αναφέρονται στον πίνακα της

προηγούμενης ενότητας. Στη διατύπωση των διδακτικών στόχων πρέπει να

αποφεύγονται ασαφείς διατυπώσεις, οι οποίες στηρίζονται σε ρήματα όπως:

κατανοήσουν, καταλάβουν, μάθουν, αντιληφθούν, κλπ. Συνιστώνται ρήματα που

δηλώνουν ενέργειες, όπως: παρατηρήσουν, μετρήσουν, εξασκηθούν σε ....,ή

ρήματα που δηλώνουν ικανότητες /δεξιότητες ή ικανότητα χρήσης γνώσεων,

όπως: να αναφέρουν π.χ. νόμους, θεωρίες, συμβάσεις, τεχνικές μέτρησης, κλπ,

να χρησιμοποιούν συμβάσεις, να εξηγούν ...., χρησιμοποιώντας ...., να

υπολογίζουν......., να προβλέπουν...., κλπ.

Στην επιλογή των στόχων λαμβάνονται υπόψη παράμετροι όπως ο εξοπλισμός

του εργαστηρίου, οι δυσκολίες των μαθητών, ο χρόνος που διατίθεται για την

εργαστηριακή άσκηση, κ.ά.


Ποια εμπόδια εκτιμάτε ότι θα υπάρξουν στην επίτευξη των διδακτικών

στόχων, από πλευράς μαθητών; Πώς σκοπεύετε να τα αντιμετωπίσετε;

Γράψτε τα εμπόδια και τον τρόπο που σκοπεύετε να τα αντιμετωπίσετε.

Τα εμπόδια των μαθητών δεν οφείλονται αποκλειστικά στην έλλειψη εργαστη-

ριακής εμπειρίας. Οι μαθητές έχουν ήδη εμπειρίες μέτρησης, παρατήρησης,

πρόβλεψης, συσχέτισης, κλπ. Έχουν «ιδέες» για τον τρόπο με τον οποίο οι

επιστήμονες ερευνούν τη φύση και για τρόπο αποκάλυψης των αιτίων των

φαινομένων. Οι εμπειρίες αυτές είναι η αρχική τους γνώση για αυτές τις

διαδικασίες και αυτή η γνώση πρέπει να εξελιχθεί στο επιθυμητό επίπεδο,

σύμφωνα με τους διδακτικούς στόχους. Τα εμπόδια οφείλονται επίσης στην

ποιότητα της θεωρητικής γνώσης που σχετίζεται με το ίδιο το πείραμα. Τα

εμπόδια αυτά θα πρέπει να διαγνωσθούν ή να εκτιμηθούν και ανάλογα να

σχεδιαστεί ο τρόπος αντιμετώπισης τους στο σχέδιο της διδασκαλίας και στο

φύλλο εργασίας.

Αξιολόγηση της επίτευξης των διδακτικών στόχων

Η αξιολόγηση γίνεται σύμφωνα με τους στόχους που έχετε θέσει. Για κάθε

στόχο ή για δύο στόχους θα πρέπει να ελέγξετε την επίτευξη του με ερωτήσεις,

επεξεργασία δεδομένων, χάραξη γραφικών παραστάσεων, εξαγωγή

συμπερασμάτων από γραφικές ή παρατηρήσεις, κλπ, στο κριτήριο αξιολόγησης

Διδ. Στόχος 1





Κριτήριο αξιολόγησης

Ονοματεπώνυμο Ημερομηνία

Γράψτε το κριτήριο

Αναπτύξτε το σχέδιο μαθήματος περιγράφοντας τα στάδια του.

Φάσεις Διδακτικός

Στόχος που

επιδιώκεται

Ενέργειες

μαθητών

Ενέργειες

διδάσκοντος


Ανάδειξη απόψεων

Αναδόμηση, νέες

απόψεις

Αναδόμηση- νέες

απόψεις

Εφαρμογή νέων

απόψεων

Ανασκόπηση των αλλα-

γών στις απόψεις

Απαιτούμενη υλικοτεχνική υποδομή

Γράψτε την υλικοτεχνική υποδομή που θα χρησιμοποιηθεί στην εργαστηριακή

άσκηση τόσο από τους μαθητές όσο και από εσάς. Να λάβετε υπόψη σας τον

αριθμό των ομάδων προκειμένου να υπολογίσετε και τον ανάλογο αριθμό,

οργάνων υλικών, κλπ.

Ανακλαστικός προβολέας


Πιθανόν να χρειαστεί να προβάλετε ένα

σχέδιο της πειραματικής διάταξης, του

σχεδίου που θα ακολουθήσουν για τις

μετρήσεις, κλπ


Εικονικό πείραμα - προσομοίωση

Διευθύνσεις στο Διαδίκτυο

Πιθανόν να χρειαστεί να δείξετε την

προσομοίωση του πειράματος στο

διαδίκτυο ή σε εκπαιδευτικό λογισμικό.

Πείραμα:

Γράψτε τον τίτλο του πειράματος ή της

εργαστηριακής δραστηριότητας

Αναλώσιμα

Με βάση τον αριθμό των ομάδων

Όργανα



Πιθανόν να υπάρχουν κρίσιμες

λεπτομέρειες είτε στην προετοιμασία

είτε στην εκτέλεση των

δραστηριοτήτων

Φύλλο εργασίας

Ονοματεπώνυμο Ημερομηνία

Γράψτε το φύλλο εργασίας με βάση τα στοιχεία των προηγούμενων πινάκων

Αξιολόγηση του σχεδιασμού της εργαστηριακής άσκησης

Μετά την αξιολόγηση των μαθητών και με βάση την εμπειρία μας από την ίδια

τη διαδικασία αξιολογούμε το σχεδιασμό προκειμένου να κάνουμε τις δέουσες

αλλαγές.

Διδακτικοί στόχοι Βαθμός επίτευξης (υψηλός, μέτριος,

χαμηλός)

1ος Διδακτικός στόχος




Αντιμετώπιση μαθησιακών εμποδίων

(επιτυχής, ανεπιτυχής)

Προτάσεις

Λειτουργικότητα οπτικοακουστικών

μέσων και εργαστηριακού εξοπλισμού

Σχόλια

Άλλες παρατηρήσεις

Αφού εδώ παρουσιάστηκε αναλυτικά η προετοιμασία και οργάνωση της

εργαστηριακής άσκησης γενικά, θα προχωρήσουμε σε μια ανάλυση και πρόταση

οργάνωσης για τα πειράματα των νόμων των αερίων.

Πριν όμως απ’ αυτό θα πρέπει να γίνει μια παράθεση των εναλλακτικών ιδεών

που παρουσιάζουν τα παιδιά για τα διάφορα μεγέθη που εμφανίζονται στους νόμους

των αερίων, θα προταθούν κάποιοι τρόποι οργάνωσης των ομάδων στο εργαστήριο

και θα προταθούν κάποια παραδείγματα που μπορούν να βοηθήσουν στη φάση του

προσανατολισμού.


4.2 Εναλλακτικές ιδέες των παιδιών

4.2.1 Για τα αέρια

Η εκμάθηση των επιστημονικών εννοιών είναι ο κύριος στόχος της εκπαίδευσης

των Φυσικών επιστημών. Οι ερευνητικές μελέτες για τις ιδέες των σπουδαστών για

τα επιστημονικά φαινόμενα προτείνουν ότι οι σπουδαστές αναπτύσσουν μερικές

άτυπες ιδέες για να κατανοούν τον κόσμο γύρω τους. Οι ανακριβείς ιδέες των

σπουδαστών πριν από την διδασκαλία ονομάζονται προκαταλήψεις (preconceptions),

ενώ οι παρερμηνείες που αναφέρονται στις ιδέες που διαμορφώνονται ως αποτέλεσμα

της λάθος αφομοίωσης των επίσημων προτύπων ή των θεωριών καλούνται

παρανοήσεις (misconceptions). Τα αέρια παρουσιάζουν μια δυσκολία στην

κατανόησή τους διότι είναι αόρατα. Η βασική αρχή της πίστης σε κάτι που βλέπουμε

επηρεάζει τις απόψεις των μαθητών για τα αέρια. ‘Τα αέρια δεν έχουν καμία μάζα’ ή

‘τα αέρια δεν έχουν ύλη’ είναι ανακριβείς συλλήψεις που αναπτύσσονται πιθανώς ως

αποτέλεσμα της εμπειρίας στην οποία οι σπουδαστές δεν θα μπορούσαν να

εφαρμόσουν αυτήν την αρχή. Άλλη μια δυσκολία που συναντούν οι μαθητές

σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία είναι να αποδώσουν την τυχαία κίνηση των

μορίων των αερίων. Στην ερώτηση γιατί τα μόρια των αερίων δεν πέφτουν κάτω λίγοι

είναι αυτοί που αναφέρονται στη διαρκή και τυχαία κίνηση των μορίων. Δυσκολία

παρουσιάζεται στο να κατανοήσουν οι μαθητές ότι υπάρχει κενό μεταξύ των μορίων.

Συνήθως το κενό το παρουσιάζουν ως κάποιο άλλο αέριο (οξυγόνο, υδρογόνο ή

ακόμη και αέρας).

Έτσι λοιπόν μπορεί να γίνει μια καταγραφή αυτών των ιδεών.

Η διατήρηση της μάζας μπορεί να εφαρμοστεί στα στερεά και στα υγρά, μπορεί

να παραληφθεί για τα αέρια αντιδρώντα και προϊόντα81

Τα μόρια αλλάζουν μέγεθος όταν έχουμε αλλαγή κατάστασης από στερεό σε

υγρό, σε αέριο81

Τα αέρια δεν έχουν μάζα81

Η μείωση του όγκου καθώς ένα αέριο ψύχεται οφείλεται στη μείωση των

ελκτικών δυνάμεων81

Η ενέργεια πεθαίνει βαθμιαία, έτσι η κίνηση αερίου σταματά και το μπαλόνι

ξεφουσκώνει81.

Ύλη υπάρχει μεταξύ των ατόμων αερίου. 81

Οι συγκρούσεις μπορούν να οδηγήσουν σε αλλαγή του μεγέθους του ατόμου81


Τα μόρια σε ένα αέριο είναι άνισα διεσπαρμένα σε οποιοδήποτε εσωκλειόμενο

διάστημα. 81

Ο ζεστός αέρας ζυγίζει περισσότερο από τον κρύο αέρα, αλλά και το ανάποδο

δηλαδή ο ζεστός ζυγίζει λιγότερο από τον κρύο. 81

Ο αέρας ούτε έχει μάζα ούτε μπορεί να καταλάβει το χώρο. 81

Στο συμπιεσμένο αέρα τα μόρια συμπιέζονται όπως ένα στερεό και δεν

κινούνται. 81

Όταν θερμαίνονται τα μόρια διαστέλλονται και όταν ψύχονται τα μόρια

συστέλλονται 81

Όταν ο αέρας συστέλλεται τα μόρια κολλούν μεταξύ τους. 81

Ο αέρας και το οξυγόνο είναι το ίδιο αέριο.

Τα αέρια μπορούν να συμπιεστούν μέχρι μηδενικό όγκο. 82

Το ήλιο και ο καυτός αέρας είναι το ίδιο αέριο.

Τα μόρια των στερεών είναι σκληρότερα και μικρότερα από των αερίων και δεν

έχουν καμία κίνηση. 83

Τα μόρια αντιμετωπίζονται ως μίνι-εκδόσεις των ουσιών στις οποίες

περιλαμβάνονται.

Όταν ο αέρας συμπιέζεται, τα μόρια του αέρα ωθούνται όλα προς το τέλος της

σύριγγας. 81

Η συμπεριφορά του αερίου είναι παρόμοια με τη συμπεριφορά των υγρών. 81

Ο αέρας δεν είναι όπως όλα τα αέρια. 85

Ο αέρας έχει αρνητικό βάρος ή δεν έχει καθόλου βάρος. 84

4.2.2 Για την πίεση

Η έρευνα στις ιδέες των παιδιών για την πίεση, έχει εστιάσει στις πιέσεις που

εμφανίζονται στα ρευστά και κυρίως στην πίεση του αέρα. Έτσι λοιπόν μπορούμε να

κωδικοποιήσουμε αυτές τις αντιλήψεις στις παρακάτω:

Η πίεση είναι κάτι σαν δύναμη και ασκείται στην επιφάνεια κάποιου σώματος

προς κάποια κατεύθυνση 86

Ένα κενό δοχείο ή ένα ξεφούσκωτο μπαλόνι έχει μικρότερη πίεση στο

εσωτερικό απ’ ότι στο εξωτερικό. 81

Η πίεση ενεργεί προς τα κάτω μόνο. 81

Η πίεση ενός αερίου σε κλειστό δοχείο οφείλεται στο βάρος της αέριας στήλης. 86


Η παρουσία αέρα σε ένα δωμάτιο δεν μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το «να

σπρώχνει ο αέρας το ταβάνι προς τα πάνω». 86

Η πίεση στην εξωτερική επιφάνεια του υγρού δεν είναι δυνατόν να μεταδίδεται σε

ολόκληρη την έκταση του υγρού. 86

Η πίεση στα έμβολα του υδραυλικού πιεστηρίου είναι υδροστατική πίεση. 86

Η πίεση στον πυθμένα ενός δοχείου με υγρό είναι ανάλογη με το βάρος του

υπερκείμενου υγρού. 86

Πίεση προκαλεί μόνο ο άνεμος και όχι ο ακίνητος αέρας86

Ο αέρας επιπλέει γύρω από τα σώματα και δεν πιέζει προς τα κάτω (τα παιδιά

πιστεύουν ότι ο αέρας έχει την ιδιότητα μάλλον "να αιωρείται τριγύρω" παρά "να

πιέζει προς τα κάτω"). Έχει βρεθεί από έρευνες ότι οι περισσότεροι μαθητές

θεωρούν ότι οι δυνάμεις υπάρχουν στον αέρα μόνο όταν μια εξωτερική δύναμη

προκαλεί την κίνηση του (π.χ. εξαναγκασμός κίνησης του εμβόλου μιας σύριγγας)

και οι δυνάμεις αυτές ενεργούν κατά τη διεύθυνση της κίνησης. Έτσι, στην

κατάσταση ισορροπίας (όταν δηλαδή δεν παρατηρείται καμία κίνηση), οι μαθητές

λένε ότι ο αέρας "δεν κάνει τίποτε".

τα περισσότερα παιδιά πιστεύουν ότι η πίεση στα υγρά εξαρτάται από την

ποσότητα τους.

4.2.3 Για τη θερμοκρασία

Τα πορίσματα των σχετικών ερευνών επιβεβαιώνουν τις εμπειρίες των

διδασκόντων (που προέρχονται από τη διδακτική εμπειρία και ιδιαίτερα από τις

διαδικασίες αξιολόγησης μαθητών ότι υπάρχει μια σύγχυση ανάμεσα στις έννοιες

θερμοκρασία, θερμότητα και θερμική ενέργεια. Η τελευταία μάλιστα δεν περιορίζεται

μόνο σε μαθητές και σπουδαστές αλλά παρουσιάζεται και στους διδάσκοντες, ακόμη

και σε σχολικά εγχειρίδια. Έτσι συνοψίζοντας και εδώ τις κυριότερες αντιλήψεις

προκύπτει η παρακάτω λίστα:

Ένα ψυχρό σώμα δεν έχει θερμική ενέργεια. 82

Δεν υπάρχει κάτω όριο στην θερμοκρασία82

Η θερμότητα και το κρύο ρέουν σαν υγρά. 82

Η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι το ίδιο πράγμα. 86

Τα αέρια μπορούν να συμπιεστούν μέχρι μηδενικό όγκο. 82


Το "κρύο" μπορεί να διαδοθεί. 82

Ένα σώμα παύει να έχει μάζα στο απόλυτο μηδέν. 82

Στο απόλυτο μηδέν η κίνηση κάθε μέρους ενός σώματος σταματά. 82

Τα πουλόβερ μας κάνουν θερμότερους. 82

Το δέρμα είναι ένα αξιόπιστο θερμόμετρο. 82

Όταν ακουμπάς το σώμα το νιώθεις ζεστό γιατί έχει μέσα του θερμότητα.

Είναι αδύνατος να θερμάνουμε ένα σώμα χωρίς να μεταβιβάσουμε θερμότητα86

Ένα σώμα έχει θερμότητα που μπορεί να αυξηθεί ή να ελαττωθεί. 86

Εφόσον ένα σώμα μεταβιβάζει θερμότητα στο περιβάλλον η θερμοκρασία του

μειώνεται οπωσδήποτε. 86

Η θερμοκρασία είναι ιδιότητα των υλικών (π.χ το μέταλλο είναι πάντα πιο κρύο

από το πλαστικό, το μαλλί είναι ζεστό και ζεσταίνει τα πράγματα) 85

Η θερμοκρασία ενός αντικειμένου εξαρτάται από το μέγεθός του. 87

Η θερμοκρασία βρασμού είναι η ανώτερη που μπορεί να φτάσει κάποιος. 85

Η κινητική θεωρία των αερίων δε μπορεί να εξηγήσει τη μεταφορά θερμότητας. 85

Τα αντικείμενα που γίνονται εύκολα θερμά (αγωγοί της θερμότητας) δεν γίνονται

εύκολα κρύα. 85

Οι φυσαλίδες στο βράζοντας ύδωρ περιέχουν "τον αέρα", "το οξυγόνο" ή

"τίποτα", παρά υδρατμό. 85

Οι θερμοκρασίες πήξεως και βρασμού είναι ίδιες για όλα τα σώματα και είναι

ίδιες με τις αντίστοιχες του νερού. 85

Ο αέρας μόνο ψύχει τα σώματα που περιβάλει. 87

Η θερμοκρασία είναι ποσότητα θερμότητας. 87

Όλα τα σώματα σ’ ένα δωμάτιο δεν έχουν την ίδια θερμοκρασία. 87

Η θερμότητα είναι σταθερή ποσότητα κάτι μέσα στο σώμα. 87

4.3 Η συγκρότηση ομάδων εργασίας στο εργαστήριο89

Στα εργαστήρια των Φ.Ε. προβλέπεται ότι η εργαστηριακή άσκηση μπορεί να

οργανωθεί είτε στα πλαίσια ενός μετωπικού είτε στα πλαίσια ενός κυκλικού

εργαστηρίου. Για το λόγο αυτό τα περισσότερα όργανα και διατάξεις είναι σε σετ των

8 τεμαχίων ώστε να μπορεί να οργανωθεί η εργαστηριακή άσκηση με ομάδες των 3-

4 μαθητών/τριών.

Η εργασία των μαθητών στην τάξη σε ομάδες, επικράτησε στην σύγχρονη

παιδαγωγική με την αρχή του 20ου αιώνα και κυρίως επηρεάστηκε από τις απόψεις


του Αμερικανού μεταρρυθμιστή και παιδαγωγού J. DEWEY. Η μορφή διδασκαλίας

σε ομάδες με την ίδια εργασία, μεταξύ άλλων, αποσκοπεί στην πραγματοποίηση μιας

στενότερης επαφής με το αντικείμενο της διδασκαλίας και τα μέσα εργασίας.

Επιδιώκεται έτσι να αναπτυχθεί η αυτενέργεια και η συνεργατικότητα των

μαθητών, η κριτική εξέταση των αποτελεσμάτων μεταξύ των ομάδων, κ.ά. Το

μετωπικό εργαστήριο προσφέρεται ιδιαίτερα για τα μαθήματα των Φυσικών

Επιστημών. Σε περιπτώσεις μη επαρκούς εξοπλισμού το κυκλικό εργαστήριο

αποτελεί μια καλή εναλλακτική λύση, χωρίς να παραβλέπονται άλλες δυσκολίες που

ανακύπτουν στην εφαρμογή του.

Κομβικό σημείο στην επιτυχή πραγματοποίηση εργαστηρίου (μετωπικού ή

κυκλικού) με ομάδες μαθητών, είναι ο τρόπος συγκρότησης της κάθε ομάδας

εργασίας, που μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους:

• Διαμόρφωση ελεύθερων ομάδων, χωρίς την παρέμβαση του καθηγητή.

Συνήθως η (αυτο)επιλογή των συμμαθητών-τριών στην ομάδα, γίνεται ανάλογα με τη

φιλία, τις συμπάθειες, τα κοινά ενδιαφέροντα, ή ανάλογα με τη συνεργασία που

επιβάλλει η τρέχουσα σχολική κατάσταση (= επίδοση στο μάθημα). Ο τρόπος αυτός

θεωρείται κατάλληλος για παιδιά ηλικίας 15-16 ετών, αλλά οι ομάδες δεν

παρουσιάζουν πάντοτε ικανοποιητική απόδοση και επίδοση.

• Καθορισμένες ομάδες, που τη σύνθεσή τους διαμορφώνει ο καθηγητής με

βάση δικά του, κατά περίπτωση, κριτήρια. Ο τρόπος αυτός θεωρείται κατάλληλος για

παιδιά μικρότερων ηλικιών.

• Ομάδες με βάση το κοινωνιόγραμμα της τάξης, που δίνει τη δυνατότητα στο

μαθητή να ορίσει ο ίδιος την ομάδα που θα ήθελε να ανήκει, αλλά και στον καθηγητή

να κάνει τις (αναγκαίες) διορθωτικές παρεμβάσεις, έχοντας υπόψη την αρχή της

βοήθειας. Αυτός ο τρόπος είναι ένα καλό βοηθητικό μέσο, για τη συγκρότηση

ομάδων εργασίας στο Γυμνάσιο και το Λύκειο.

Το μέγεθος της ομάδας είναι σημαντικός παράγοντας για αποδοτική εργασία.

Από έρευνες έχει διαπιστωθεί ότι ομάδες με 3 – 4 μέλη, δουλεύουν καλύτερα. Στη

διαμόρφωση της ομάδας δεν πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το φύλο, δηλ. να

δημιουργούνται αμιγείς ομάδες αγοριών ή κοριτσιών. Η σύνθεση των ομάδων δεν

πρέπει να είναι άκαμπτη και αμετάβλητη, χωρίς αυτό να σημαίνει συνεχή

μετακίνηση, από τη μία ομάδα στην άλλη. Στη ομάδα είναι αναγκαίο οι «δυνατοί»

μαθητές να στηρίζουν τους «αδύνατους».


Η τελευταία επιλογή γίνεται με το κοινωνιομετρικό τεστ που είναι ένα μέσο με

το οποίο προσδιορίζουμε κατά πόσο τα άτομα είναι ανεκτά σε μια ομάδα. Ένα

κοινωνιομετρικό τεστ στην απλή μορφή του, για την περίπτωση που μας ενδιαφέρει,

είναι ένα ερωτηματολόγιο με μια ερώτηση πάνω σε μια δραστηριότητα (συγκρότηση

ομάδων στο εργαστήριο), η οποία να οδηγεί σε τρεις επιλογές, κατά σειρά

προτίμησης. Μπορεί να έχει τη μορφή τη μορφή που φαίνεται παρακάτω:

Τα αποτελέσματα του τεστ καταχωρούνται σε τετραγωνικό πίνακα διπλής

εισόδου, με αριθμό στηλών και γραμμών ίσο με τον αριθμό των μαθητών της τάξης,

την κοινωνιόμητρα. Ο κάθε μαθητής συμβολίζεται με το ονοματεπώνυμο, τα αρχικά

του, ή τον αύξοντα αριθμό καταλόγου. Κάθε προτίμηση σημειώνεται με τον αριθμό 1

(πρώτη), 2 (δεύτερη), 3 (τρίτη), στα αντίστοιχα τετραγωνίδια της μήτρας που

αντιστοιχούν τα πρόσωπα στα οποία κατευθύνεται η προτίμηση.

Στη βάση του πίνακα αθροίζονται, κατά περίπτωση, τα αποτελέσματα και

βρίσκεται το σύνολο των προτιμήσεων για κάθε μαθητή.

Ακολουθεί ένα παράδειγμα κοινωνιόμητρας για τάξη 12 μαθητών

Ονοματεπώνυμο : ………………………………………………………………………………….. Με ποιους συμμαθητές-τριές σου θέλεις να είσαι στην ίδια ομάδα στο εργαστήριο Φ.Ε. τη

φετινή χρονιά; Γράψε τα ονόματα τριών συμμαθητών-τριών σου κατά σειρά προτίμησης.

1…………………………………… 2………………………………… 3…………………………………


Επιλεγόμενοι Επιλέγοντες

Α Β Γ Δ Ε Ζ Η Θ Ι Κ Λ Μ

Α 1 2 3

Β 1 2 3 Γ 1 2 3 Δ 2 1 3 Ε 1 3 2 Ζ 1 3 2 Η 3 1 2 Θ 3 2 1 Ι 2 3 1 Κ 1 2 3 Λ 2 1 3 Μ 1 2 3

1Η Επιλογή 2 1 5 0 1 0 0 2 0 0 1 0 2Η Επιλογή 1 0 2 1 3 1 0 1 2 0 0 1 3Η Επιλογή 1 1 0 0 1 1 3 0 3 0 1 1 ΣΥΝΟΛΟ 4 2 7 1 5 2 3 3 5 0 2 2 Α,Β,Δ,Κ,Λ,Μ Αγόρια Γ,Ε,Ζ,Η,Θ,Ι Κορίτσια 1:1Η Επιλογή 2: 2Η Επιλογή 3: 3Η Επιλογή Τα δεδομένα της κοινωνιόμητρας μπορούν να αναπαρασταθούν και με τη

μορφή του κοινωνιογράμματος, μια ειδική κοινωνιομετρική τεχνική, που δίνει, με

διάφορες μορφές, τη γραφική απεικόνιση του συνόλου των σχέσεων μιας ομάδας.

Με την απεικόνιση αυτή η δομή των σχέσεων παρουσιάζει εποπτικότητα και γίνεται

άμεσα κατανοητή.

Συνιστάται , για ευνόητους λόγους, να μη δίνεται τεστ αρνητικής μορφής, δηλ.

του τύπου «με ποιους συμμαθητές-τριές σου δεν θα ήθελες να είσαι στην ίδια ομάδα

Είναι απαραίτητο να βεβαιώσει, από την αρχή , ο καθηγητής τους μαθητές ότι

θα τηρηθεί απόλυτα η ανωνυμία των απαντήσεών τους και ότι οι επιλογές τους θα

ληφθούν υπόψη όσο το δυνατό περισσότερο. Θα ζητήσει από την τάξη να γράψουν

τις προτιμήσεις τους χωρίς καμία προσυνεννόηση μεταξύ τους και σε συνθήκες

μυστικής ψηφοφορίας.

Η μελέτη και η ερμηνεία της κοινωνιόμητρας και του κοινωνιογράμματος

οδηγούν σε διαπιστώσεις για τις σχέσεις μεταξύ των μαθητών, τις διαφοροποιήσεις

τους, τις αμοιβαίες επιλογές μεταξύ 2 ή 3 μαθητών κ. ά., που βοηθούν στη

συγκρότηση των ομάδων εργασίας. Με βάση τις όποιες διαπιστώσεις για τη δομή της


τάξης, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαθητών και την ατομικότητά τους, ο

καθηγητής θα μπορέσει να επέμβει θεραπευτικά. Θα συντελέσει ,έτσι, στην καλύτερη

συγκρότηση των ομάδων, όχι αυθαίρετα, αλλά όσο το δυνατό σύμφωνα με τις

επιθυμίες των μαθητών του, βοηθώντας τους απομονωμένους, και χρησιμοποιώντας

τους δημοφιλείς για το καλό της τάξης. Επηρεάζει με αυτό τον τρόπο , προς το

καλύτερο, την αμοιβαία προσαρμογή των μαθητών στις μεταξύ τους σχέσεις,

εκπληρώνοντας, κατά το δυνατό τον όποιο κοινωνικοποιητικό του ρόλο.

Τα καθοδηγητικά και διορθωτικά μέτρα που πρέπει να πάρει ο καθηγητής, σε

βασικές γραμμές είναι:

• Μαθητές που δείχνουν αμοιβαία προτίμηση να μπαίνουν, κατά το δυνατό,

στην ίδια ομάδα.

• Για τον κάθε μαθητή-τρια να ικανοποιείται μία , τουλάχιστο, επιθυμία /

προτίμηση.

• Μαθητές που δεν είναι επιθυμητοί από κάποιους να μην μπαίνουν σε ομάδες

με αυτούς τους συμμαθητές τους , που δεν τους αποδέχονται.

• Οι απομονωμένοι μαθητές να τοποθετούνται σε ομάδες με συμμαθητές τους

που οι ίδιοι προτιμούν, και σε αυτήν από τις ομάδες που παρουσιάζει τη χαμηλότερη

αντίσταση προς αυτούς (και όχι περισσότεροι από ένας σε κάθε ομάδα)

• Να επιτρέπεται μια σχετική κινητικότητα μεταξύ των μελών των ομάδων

• Στην ομάδα οι μαθητές να εναλλάσσουν τους ρόλους τους, ως προς τις

εργασίες (μεταφορά και τακτοποίηση οργάνων, λήψη μετρήσεων, καταγραφή

μετρήσεων, επεξεργασία κλπ.)

Τέλος εφίσταται η προσοχή στην τήρηση απόλυτης εχεμύθειας ως προς τις

προτιμήσεις/επιλογές των μαθητών. Για να αποκλειστεί το ενδεχόμενο διαρροής,

έστω και τυχαίας, καλό είναι να καταστραφούν τα ερωτηματολόγια και τα τεστ,

αμέσως μετά την ολοκλήρωση της συγκρότησης των ομάδων. Επίσης όλοι οι

χειρισμοί, κατά την εφαρμογή της μεθόδου, πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικοί και

παιδαγωγικά άψογοι.


4.4 Πρόταση Διδασκαλίας της Ισόθερμης μεταβολής με πείραμα επίδειξης80 Στην παρούσα παράγραφο γίνεται μια παρουσίαση της πρότασης διδασκαλίας

της ισόθερμης μεταβολής στο εργαστήριο με πείραμα επίδειξης. Σκοπός είναι να

χρησιμοποιηθεί η πειραματική διαδικασία με το Σύστημα Σύγχρονης Λήψης και

Απεικόνισης που παρουσιάστηκε πιο πάνω, το οποίο και θα εισαχθεί στην

εκπαιδευτική διαδικασία.

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω στο σχεδιασμό της διδασκαλίας στο

εργαστήριο κάθε πρόταση δεν πρέπει να είναι αυστηρά εφαρμόσιμη όπως ακριβώς

παρουσιάζεται αλλά δύναται να τροποποιηθεί με τις εκάστοτε ανάγκες και

απαιτήσεις.

Γενικά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει το πείραμα επίδειξης καθιστούν

ελκυστική τη χρήση του στα πλαίσια της εποικοδομητικής διδακτικής στρατηγικής.

Λόγω έλλειψης τεχνικού εξοπλισμού των σχολικών εργαστηρίων (υπάρχει μόνο μια

συσκευή σε κάθε σχολική μονάδα), υπάρχει δυσκολία εφαρμογής μετωπικού

εργαστηρίου. Το πείραμα επίδειξης που προτείνουμε πραγματοποιείται στα πλαίσια

της διδακτικής στρατηγικής στη φάση της εφαρμογής, επειδή πρόκειται για έλεγχο

θεωρητικής πρόβλεψης. Επομένως παρουσιάζουμε συμπληρωμένους τους πίνακες

που παραθέσαμε στη φάση της οργάνωσης και του σχεδιασμού διδασκαλίας.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Σχολείο

Τάξη Β΄ Λυκείου

Κατεύθυνση Τεχνολογική/Θετική

Τμήμα

Μάθημα Φυσική

Κεφάλαιο 1ο

Ενότητα/παράγραφος 1.2 Οι νόμοι των αερίων

Ημερομηνία

διδασκαλίας

Ον/μο διδάσκοντος

Ειδικότητα

Προαπαιτούμενες Γνώσεις: Οι διδασκόμενοι οφείλουν να γνωρίζουν :


Τις τρεις καταστατικές μεταβλητές και τις μονάδες τους.

Την καταστατική εξίσωση που διέπει τις μεταβολές των ιδανικών

αέριων.

Να γνωρίζουν ότι αναφερόμαστε σε αντιστρεπτές μεταβολές.


ΠΙΝΑΚΑΣ 2

Διδακτικοί στόχοι • Να διατυπώνουν το νόμο της ισόθερμης μεταβολής και να

αποδίδουν τη μαθηματική διατύπωσή του.

• Να εφαρμόζουν το νόμο για επίλυση προβλημάτων

• Να αποδίδουν γραφικά το νόμο σε διαγράμματα P-V, P-T,

V-T αλλά και να εξάγουν πληροφορίες από τα διαγράμματα

• Να κατονομάζουν ποια μεταβολή είναι εκτόνωση και ποια

είναι συμπίεση.

• Να γνωρίζουν ότι η ποσότητα του αερίου είναι σταθερή σε

όλη τη διάρκεια της μεταβολής.

• Να γνωρίζουν ότι σε όλη τη διάρκεια της μεταβολής η

θερμοκρασία παραμένει σταθερή.

Στόχοι που στοχεύ-

ουμε με το πείραμα

επίδειξης.

Να επαληθεύσουν πειραματικά το νόμο της ισόθερμης

μεταβολής.

Συνοπτική

περιγρα-φή του


επίδειξης ή

παραπο-μπή σε

βιβλιογρα-φία

Χρήση του Σ.Σ.Λ.Α

Κατασκευή πειραματικής διάταξης


Σχέδιο για τη διδασκαλία με το πείραμα επίδειξης

ΠΙΝΑΚΑΣ 3

Φάσεις Δραστηριότητα μαθητών Δραστηριότητα διδάσκοντος


/ Ανάδειξη Ιδεών

Παρακολουθούν τον

διδάσκοντα και προσπαθούν

να ερμηνεύσουν τη

δραστηριότητα.

Σύνδεση με προηγούμενη

γνώση.( Υπενθύμιση των τριών

καταστατικών μεταβλητών και

της σχέσης που τα συνδέει.)

Εκτέλεση δραστηριότητας 1

(σελ. 25 σχολικού εγχειρίδιου).

Εμπλοκή

Συμμετοχή

Συμμετοχή των μαθητών σε

επίδειξη που παρομοιάζει τη

συμπεριφορά του αερίου

μέσα σε μια σύριγγα.

*1 (Παρατίθεται παρακάτω

αναλυτικά)

Καθοδηγεί τους μαθητές και

τους εξηγεί τη διαδικασία.

Αναδόμηση των

ιδεών/ Εφαρμογή

των ιδεών.

Διεξαγωγή του


Καταγραφή των μετρήσεων,

κατασκευή καμπύλης

Εισαγωγή νέας

γνώσης/Θεωρητικές

επισημάνσεις. Καταγραφή στον

πίνακα του νόμου της

ισόθερμης. Εκτέλεση του

πειράματος.

Συμπεράσματα

Ανασκόπηση

Οι μαθητές καλούνται να

ελέγξουν τον τρόπο που

εργάστηκαν και να

συνειδητοποιήσουν τη

Ολοκληρώνεται η διδασκαλία

με την ανακεφαλαίωση.


γνωστική τους πορεία

(μεταγνώση). Γίνεται

σύνδεση με την

καθημερινότητα.

*1 Οι μαθητές μπορούν να βιώσουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων ενός

αερίου μέσα σε μια σύριγγα έχοντας ενεργό ρόλο ως εξής88:

Τα θρανία θα έχουν διαταχθεί σε σχήμα Π όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Θρανία

Μαθητές που λειτουργούν όπως τα μόρια του αερίου

Μαθητές που λειτουργούν ως έμβολο

Κάποιοι από τους μαθητές θα έχουν το ρόλο των σωματιδίων και κάποιοι άλλοι

θα παίζουν το ρόλο του πιστονιού της σύριγγας. Οι μαθητές που θα παίζουν το ρόλο

του πιστονιού κάνουν βήματα προς τα εμπρός σιγά - σιγά χωρίς να επιτρέπουν στους

μαθητές σωματίδια να διαφύγουν. Θα παρατηρήσουν έτσι ότι καθώς το ποσό του

χώρου που έχουν στη διάθεσή τους ελαττώνεται έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση

των μεταξύ τους συγκρούσεων αλλά και των συγκρούσεών τους με τα τοιχώματα της


σύριγγας δηλαδή τα θρανία. Αυτή η αύξηση της συχνότητας των συγκρούσεων είναι

και ο λόγος που αυξάνεται η πίεση.

Για την υλικοτεχνική υποδομή, όργανα, κλπ που θα χρησιμοποιήσετε μπορείτε

να κρατήσετε σημειώσεις στον επόμενο πίνακα. Τα όργανα που αναφέρονται είναι

ένα παράδειγμα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 4

Προτζέκτορας και

ανακλαστικός προβολέας

Ναι

Διαφάνειες που θα

προβληθούν:

Με το σχήμα της διάταξης

Πείραμα: Εργαστηριακός οδηγός ……

Αναλώσιμα Πλαστική σύριγγα 60ml

Όργανα

• Αισθητήρας πίεσης ( 0 ÷ 700

kPa)

• Καταγραφέας δεδομένων

Multilog της Fourier –Systems

• Ηλεκτρονικός

Υπολογιστής με το πρόγραμμα DB –

Lab 3.2 της Fourier –Systems

Ποσότητα / πλήθος

1

1

1



4.5 Πρόταση Διδασκαλίας της Ισοβαρούς μεταβολής μέσω πειράματος (Μετωπικό εργαστήριο) 80

Η παρούσα πρόταση διδασκαλίας είναι δυνατόν να υλοποιηθεί αν επιλυθεί το

πρόβλημα του τεχνικού εξοπλισμού των σχολικών μονάδων και συγκεκριμένα το

γεγονός ότι σε κάθε σχολική μονάδα παρέχεται μόνο μια Σ.Σ.Λ.Α.

Επειδή το εργαστήριο είναι μετωπικό, οι μαθητές θα χωριστούν σε 8 ομάδες

των 2- 3 ατόμων. Ο χωρισμός των ομάδων μπορεί να γίνει με τη βοήθεια του

κοινωνιογράμματος που παρουσιάστηκε στη παράγραφο 4.3. Αν αυτό δεν είναι

δυνατό η δημιουργία των ομάδων μπορεί να γίνει με πρωτοβουλία του διδάσκοντα, ο

οποίος πρέπει να λάβει υπόψη του, ότι για την καλύτερη λειτουργία οι ομάδες πρέπει

να είναι ανομοιογενείς. Είναι προφανές ότι μέσω του ομαδοσυνεργατικού τρόπου

διδασκαλίας οι μαθητές ωθούνται να συνεργαστούν, να κάνουν προβλέψεις, να

πάρουν αποφάσεις ως ομάδα αλλά και να αλλάξουν ρόλους κατά τη διάρκεια της

πειραματικής διαδικασίας. Ο ρόλος του διδάσκοντα μπορεί να περιοριστεί σε

διευκολυντικές υποδείξεις και προτάσεις.

Η οργάνωση του σχεδιασμού της διδασκαλίας περιγράφεται στους παρακάτω

πίνακες.

Σχεδιασμός εργαστηριακής άσκησης

Για το σχεδιασμό των εργαστηριακών ασκήσεων προτείνεται να

συμπληρώνονται, να χρησιμοποιούνται και να αρχειοθετούνται οι παρακάτω πίνακες.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Τάξη: Β΄ Λυκείου Μάθημα: Φυσική Κατεύθυνσης

Ενότητα: 1.2 Νόμοι των αερίων Προτεινόμενη διάρκεια:

1 διδακτική ώρα

Περιεχόμενο εργαστηριακής άσκησης

Εξαγωγή του νόμου της ισοβαρούς μεταβολής και προσδιορισμός της τιμής της

θερμοκρασίας του απολύτου μηδενός.

Προαπαιτούμενες γνώσεις


Τις τρεις καταστατικές μεταβλητές και τις μονάδες τους.

Την καταστατική εξίσωση που διέπει τις μεταβολές των ιδανικών

αέριων.

Να γνωρίζουν ότι αναφερόμαστε σε αντιστρεπτές μεταβολές.


• Να διατυπώνουν το νόμο της ισοβαρούς μεταβολής και να αποδίδουν τη

μαθηματική διατύπωσή του.

• Να εφαρμόζουν το νόμο για επίλυση προβλημάτων

• Να αποδίδουν γραφικά το νόμο σε διαγράμματα P-V, P-T, V-T αλλά και

να εξάγουν πληροφορίες από τα διαγράμματα

• Να αντιληφθούν ότι κατά την εκτόνωση του αερίου αυτό θερμαίνεται

και κατά τη συμπίεση ψύχεται.

• Να γνωρίζουν ότι η ποσότητα του αερίου είναι σταθερή σε όλη τη

διάρκεια της μεταβολής.

• Να γνωρίζουν ότι σε όλη τη διάρκεια της μεταβολής η πίεση παραμένει

σταθερή.

• Να προσδιορίζουν από τη γραφική παράσταση τη θερμοκρασία του

απολύτου μηδενός

Ποια εμπόδια εκτιμούμε ότι θα υπάρξουν στην επίτευξη των διδακτικών

στόχων, από πλευράς μαθητών; Πώς σκοπεύουμε να τα αντιμετωπίσουμε;

Καταρχήν θα υπάρχουν κάποια προβλήματα που αφορούν τη σωστή διεξαγωγή

των μετρήσεων. Γι’ αυτό προτείνεται να τονιστούν στην εισαγωγή τα παρακάτω:

• Πρέπει να τονιστεί ο ξεχωριστός ρόλος των μαθητών στην ομάδα κατά

τη διεξαγωγή του πειράματος (κάποιος μετράει τον όγκο κάποιος καταγράφει

κλπ)

• Πρέπει να ρυθμιστούν σωστά τα όργανα και το πρόγραμμα σύμφωνα με

τις προτάσεις και τα συμπεράσματα στην ενότητα περιγραφής του


• Πρέπει από πριν να τονιστεί ο ρόλος των σφαλμάτων διότι θα υπάρξει


πρόβλημα αφού οι μεταβολές του όγκου είναι πολύ μικρές για να

διακρίνονται με ακρίβεια από το ανθρώπινο μάτι

• Να γνωρίζουν από πριν ότι το πείραμα διαρκεί 10 λεπτά και χρειάζεται

να μείνουν συγκεντρωμένοι σ’ αυτό το χρονικό διάστημα.

• Να γνωρίζουν ότι η διάταξη αποτυπώνει τη σχέση όγκου- θερμοκρασίας

σε “real time” και δεν υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής μέτρησης .

• Θα πρέπει να διατηρήσουν τις απαραίτητες προφυλάξεις αφού θα έχουμε

νερό σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ανάπτυξη του σχεδίου μαθήματος (περιγραφή των σταδίων του)

Φάσεις Διδακτικός

Στόχος που

επιδιώκεται

Ενέργειες

μαθητών

Ενέργειες

διδάσκοντος

Προσανατολισμός Να αντιληφθούν

ότι υπάρχει άμεση

σχέση του όγκου

και της

θερμοκρασίας.

Παρακολουθούν

τον διδάσκοντα

και προσπαθούν

να ερμηνεύσουν

τη δραστηριότη-

τα.

Χρησιμοποιούμε τη δραστηριότητα του τμήματος Φυσικής, από το «Univ. of Illinois at Urbana-Champaign» που παρατίθεται παρακάτω.*2

Ανάδειξη απόψεων Να αναδειχτούν

οι

προϋπάρχουσες

ιδέες των

μαθητών

Οι μαθητές

προσπαθούν να

εξηγήσουν το

φαινόμενο της

αλλαγής του

όγκου του αερίου

Κατευθύνει τη

συζήτηση και

καταγράφει τις

απόψεις για να

συγκριθούν με

τις νεότερες.

Αναδόμηση- νέες

απόψεις

Εξαγωγή της

σχέσης όγκου

θερμοκρασίας

και τιμή


Διεξάγουν το

πείραμα με τη

βοήθεια του

διδάσκοντα, ο

οποίος τους

Ελέγχει και

επεμβαίνει όπου

χρειάζεται.


απολύτου

μηδενός.

διανέμει το

φύλλο

εργασίας.*4

Εφαρμογή νέων

απόψεων

Να μπορούν να

χρησιμοποιούν

τη σχέση και να

ερμηνεύουν

καθημερινά

φαινόμενα που

στηρίζονται στην

ισοβαρή

μεταβολή

Συζητούν,

προβλέπουν,

ερμηνεύουν τα

καθημερινά

φαινόμενα.

Παρουσίαση

διαφόρων

καθημερινών

φαινομένων ή

κάποιου

υποθετικού


(παράδειγμα *3)

Ανασκόπηση των αλλα-

γών στις απόψεις

Να υιοθετήσουν

την άποψη ότι

αύξηση του

όγκου

συνεπάγεται

αύξηση της


υπό σταθερή

πίεση.

Ανακεφαλαιώνο-

ντας ο

διδάσκοντας

επισημαίνει τις

συνθήκες κάτω

από τις οποίες

πργματοποιείται

η μεταβολή και

καταγράφει στον

πίνακα το νόμο.



*3 Υγρό άζωτο και μπαλόνι91

Περιγραφή:

Όταν ένα μπαλόνι ψύχεται, ο αέρας μέσα στο μπαλόνι, επίσης ψύχεται. Ο πιο κρύος αέρας έχει μικρότερο όγκο, και έτσι μπορούμε να δούμε ότι το μπαλόνι συρρικνώνεται.

Το πείραμα αυτό χρησιμοποιείται σε πάρα πολλά πανεπιστήμια των Η.Π.Α ως πείραμα επίδειξης. Εδώ μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε ως υποθετικό πείραμα και να ζητήσουμε από τους μαθητές να προβλέψουν και να ερμηνεύσουν αυτό που συμβαίνει. (Dept. of Physics, Univ. of Illinois at Urbana-Champaign, 1996)

Υλικοτεχνική υποδομή

Ανακλαστικός προβολέας Ναι


Θα χρειαστεί να προβάλουμε ένα

σχέδιο της πειραματικής διάταξης,

του σχεδίου που θα ακολουθήσουν για

τις μετρήσεις, κλπ.

Επίσης θα παρουσιαστούν οι δυο

πειραματικές διατάξεις που θα

χρησιμοποιηθούν στη φάση του

προσανατολισμού και στη φάση της

εφαρμογής


Εικονικό πείραμα - προσομοίωση

Διευθύνσεις στο Διαδίκτυο

• http://demo.physics.uiuc.edu/Le

ctDemo/scripts/demo_descript.i

dc?DemoID=198

• http://demo.physics.uiuc.edu/Le

ctDemo/scripts/demo_descript.i

dc?DemoID=574

Πείραμα:

Ισοβαρής μεταβολή με τη βοήθεια της

Σ.Σ.Λ.Α

Αναλώσιμα


Όργανα


(α) 8 Διατάξεις Pasco

(β) 8 Αισθητήρες πίεσης

(γ) 8 Multilog

(δ) 8 μαγνητικός αναδευτήρας

(ε) 8 δοχεία που θα ζεστάνουμε το

υδατόλουτρο.


http://demo.physics.uiuc.edu/LectDemo/scripts/demo_descript.idc?DemoID=198






ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Ισοβαρής μεταβολή

ΤΜΗΜΑ:

ΟΜΑΔΑ:

1. Πραγματοποιήστε την πειραματική διάταξη που

φαίνεται στο σχήμα

2. Καταγράψτε την

αρχική τιμή του όγκου

Vo=……………(ml)

3. Μετρήστε τις τιμές της θερμοκρασίας για κάθε μεταβολή 1ml (ή 2 ml) και

συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα. Θα χρειαστεί να μετατρέψετε τη θερμοκρασία

από βαθμούς Κελσίου σε βαθμούς Κέλβιν. Η σχέση που συνδέει τις δυο κλίμακες

θερμοκρασίας είναι Τ=273+θ.

Α/Α V(ml) θ (oC) T(K) 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


4. Κατασκευάστε διάγραμμα V-T. Τι παρατηρείτε από τη μορφή του

διάγραμματος;

V(ml)

T(K)

5. Κατασκευάστε διάγραμμα V-θ και προεκτείνετε τη γραμμή μέχρι το

σημείο τομής με τον άξονα της θερμοκρασίας.

Το σημείο τομής είναι………………. και ονομάζεται

……………………………


ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

ΘΕΜΑ 1Ο : Συμπληρώστε το παρακάτω σταυρόλεξο με βάση αυτά που μάθατε

για την ισοβαρή μεταβολή.

ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ

2 Στην ισοβαρή μεταβολή παραμένει σταθερή η ………………..

5 Όταν συμβαίνει εκτόνωση του αερίου στην ισοβαρή τότε αυξάνεται και

η……………………

12 Η ισοβαρής συμπίεση ονομάζεται και ………………..

ΚΑΘΕΤΑ

1 Την κλίμακα Kelvin την ονομάζουμε και ……………..κλίμακα.

4 Στην ισοβαρή μεταβολή η πίεση του αερίου παραμένει ………………….

9 Αν στη θερμοκρασία σε κλίμακα Κελσίου (θ oC) προσθέσω το 273.15 τότε

παίρνω τη θερμοκρασία σε κλίμακα……………

12 Η μεταβολή κατά την οποία συμβαίνει μείωση του όγκου του αερίου ονομάζεται

……………………………….

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12


ΘΕΜΑ 2Ο :

1. Ποιο από τα παρακάτω διαγράμματα αποδίδει το νόμο της ισοβαρούς

μεταβολής;

α β γ

2.

Σε

ποια από τα παρακάτω διαγράμματα έχουμε συμπίεση και σε ποιο έχουμε εκτόνωση;

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 2 4 6 8V

P

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8

V

P

0

5

10

15

20

25

30

0 2

P

4 6 8

V

V

T

P

T

P

V T

V

(α) (β)

(γ) (δ)


ΘΕΜΑ 3Ο :

τες αερίων με αριθμό γραμμομορίων n1 και n2 εκτελούν ισοβαρή

μεταβ

)Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

ΕΜΑ 4Ο :

υπόκειται σε ισοβαρή αντιστρεπτή μεταβολή. Αν αρχικά

βρίσκ 1

ταθεράς R

α)Δύο ποσότη

ολή στην ίδια πίεση. Ποιο από τα παρακάτω διαγράμματα είναι το σωστό; (n1 >

n2).

β

Θ

Ιδανικό αέριο

εται στην κατάσταση 1 με P1 =4 105 N/m2 και V1=2 10-3 m3 και Τ =400 Κ και

μεταβαίνει στη 2 όπου η θερμοκρασία διπλασιάζεται, να βρείτε:

1. τη θερμοκρασία Τ2 και το νέο όγκο V2

2. τον αριθμό των moles συναρτήσει της σ

3. να κάνετε ποσοτικό διάγραμμα P-T και V-T


5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πείραμα

• Etkina, E &Heuvelen, A.Van. & Mills,D.(2002). “Role of experiment in

physics instruction- a process approach.” The Physics Teacher,40, pp351-355,

2002.

• Βαμβακούσης,Χ & Μακρυωνίτης, Γ. (2003). Σύστημα Σύγχρονης Λήψης και

Απεικόνισης. Ένας χρόνος παρουσίας στα εργαστήρια Φ.Ε. των Ενιαίων

Λυκείων. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο:

(http://www.epyna.gr/modules.php?name=News&file=article&sid=402)

(10/8/2005)

• Καρανίκας,Ι, (1999). Το πείραμα σε εποικοδομητικού τύπου διδακτική

προσέγγιση ως εργαλείο πρόκλησης εννοιολογικής αλλαγής. Εκπαιδευτικές

Προσεγγίσεις, 5, 34-47.

• Κόκκοτας, Π. & Βλάχος, Ι. (1999). Ο ρόλος του πειράματος στην επιστήμη

και στη διδασκαλία – μάθηση. Εκπαιδευτικές Προσεγγίσεις, 5,13-26.

• Κόκκοτας, Π. (2002). Διδακτική των Φυσικών Επιστημών (Μέρος ΙΙ). Αθήνα

(2002). Εκδότης Π. Κόκκοτας.

• Κολιόπουλος,Δ. (1993) Η πειραματική διδασκαλία των Φ.Ε στην Ελλάδα.

Αθήνα Εκδόσεις Γ. Πνευματικού.

• Σπυροπούλου-Κατσάνη, Δ.(2000). Διδακτικές και Παιδαγωγικές

Προσεγγίσεις στις Φυσικές Επιστήμες. Αθήνα.Εκδόσεις Τυπωθήτω.

• Χαλκιά,Κ.(2000). Το πείραμα στο μάθημα της Φυσικής. Εκπαιδευτικές

Προσεγγίσεις, 6, 12-18

Οι Νέες Τεχνολογίες στη διδασκαλία της Φυσικής

• «Η Διδασκαλία των Φ.Ε στην κοινωνία της πληροφορίας», Πρακτικά 1ου

Πανελληνίου Συνεδρίου. Αθήνα (2002). Εκδόσεις Γρηγόρη.

• «Οι ΤΠΕ στη διαδικασία της διδασκαλίας και της μάθησης».Κέντρο εξ

Αποστάσεως Επιμόρφωσης του ΠΙ. Αθήνα (1998)

• Επτά σταγόνες στον ωκεανό της γνώσης. ΕΕΦ Πειραιάς (2004). Εκδόσεις

Ελάτη.


http://www.epyna.gr/modules.php?name=News&file=article&sid=402

• Ιωαννίδου, Ισμήνη (2004).Νέες Τεχνολογίες και σχολική πραγματικότητα.

Έρευνα και Πράξη, 8-9, 10-13 . Εκδόσεις Γρηγόρη.

• Κόκκοτας, Π. (2002). Διδακτική των Φυσικών Επιστημών (Μέρος ΙΙ). Αθήνα

(2002). Εκδότης Π. Κόκκοτας.

• Κυνηγός, Χ. (1995). Η ευκαιρία που δεν πρέπει να χαθεί. Η υπολογιστική

τεχνολογία ως εργαλείο έκφρασης και διερεύνησης στη γενική παιδεία. Στο

Καζαμίας, Α & Κασσωτάκης, Μ. (εκδ). Ελληνική Εκπαίδευση προοπτικές

ανασυγκρότησης και εκσυγχρονισμού. Αθήνα: Εκδόσεις Σείριος.

5.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ – ΘΕΩΡΙΑ

Ιστορική ανασκόπηση

• “History of thermodynamics”. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο:

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_thermodynamics(02/05/2007)

• Halliday,D & Resnick,R (1966) Φυσική Μέρος Ι.Αθήνα. Εκδόσεις

Γ.Α.Πνευματικού.

• Holton,G &Brush,S (2002) Εισαγωγή στις έννοιες και τις θεωρίες της

Φυσικής Επιστήμης. Αθήνα . Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π.

• Raman, V.V. (1973).Where credit is due. The gas laws. The physic teacher.

(October 1973 -- Volume 11, Issue 7), pp. 419-424.

• Segre,E(2001). Ιστορία της Φυσικής τ.ά. ‘Από την πτώση των σωμάτων στα

Ραδιοκύματα’. Αθήνα. Εκδόσεις Δίαυλος

• Δικτυακή σελίδα με τα γραπτά και άρθρα για τον R.Boyle:

http://www.bbk.ac.uk/boyle/ (02/05/2007)

• Χρηστίδης,Θ.(1997).Χάος και πιθανολογική Αιτιότητα: Μεταξύ

προκαθορισμού και τύχης. Θεσσαλονίκη. Εκδόσεις Βάνιας.

Θεωρία

• Arnold Arons. (1992). Οδηγός διδασκαλίας της Φυσικής, εκδόσεις. Τροχαλία.

• Atkins.P.W (2000). Φυσικοχημεία τόμος Ι. Ηράκλειο. Εκδόσεις Π.Ε.Κ

• D.Hewitt. (1992). Οι έννοιες της Φυσικής, εκδόσεις. Π.Ε.K

• Gammon E. (2002). Γενική Χημεία. Εκδόσεις Τραυλός.


http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_thermodynamics

http://www.bbk.ac.uk/boyle/

• Halliday,D & Resnick,R (1966) Φυσική Μέρος Ι. Αθήνα.Εκδόσεις


• Ohanian Physics. (1991). Second edition expanded, τόμος α΄. Μηχανική-

Θερμοδυναμική, Μετάφ. Α. Φίλιππα, εκδόσεις. Συμμετρία

• R.A. Serway.(1990). Physics for scientists & Engineers.,τ.I, τ.II, .Μετάφραση

Λ.Κ. Ρεσβάνη .Αθήνα.Ιδίου.

• Young,H.D.(1994)Πανεπιστημιακή Φυσική τόμος Α΄. Εκδόσεις Παπαζήση

• Δ.Σ. Κυριάκος, Γ.Λ. Μπλέρης.(1992).Φυσική: Θερμότητα – Ηλεκτρισμός,

Εκδόσεις Αrt of text

• Φυσική Β Λυκείου, Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης ΟΕΔΒ ΑΘΗΝΑ

5.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ

• Houser,J & Johnson,D & Siegel P. Getting pumped up on the ideal gas law,

The Physic teacher (October 2002),vol.40,p396-397.

• Ivanov,D.T. Experimental Determination of Absolute Zero Temperature, The

Physic teacher (March 2003),vol.41,p172-175.

• Jackson,D.P & Laws,P.W. Syringe thermodynamics: The many uses of a glass

syringe. American Journal of Physics ( February 2006)Volume 74, p94-101..

• Krause,D & Keeley, W.(2004).Determining the heat capacity Ratio of Air

from “Almost Adiabatic” Compressions. The physics Teacher, Vol 42 pp481-

483

• McNairy,W,W.Isothermal and Adiabatic Measurments. The Physic teacher

(March 1996)Vol.34,p178-180.

• Towe,G.C & Gaughlan, G.R. Apparatus for Boyle's Law Experiment.

American Journal of Physics ( October 1961)Volume 29, Issue 10,p706.

• White,G.M & Lamb D.W (1996). Apparatus To measure Adiabatic and

Isothermal processes. The physics Teacher, Vol 34 pp290-292.

• www.etpe.gr/modules.php?name=Downloads&d_op=getit&lid=573 (02/05/2007)

• Καλογερόπουλος, Ν & Γάτσιος, Γ ‘Από το «ΠΑΥΕ ΝΑ ΡΩΤΑΣ» Στο

«ΠΑΜΕ ΝΑ ΚΑΝΟΥΜΕ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ»: Πειραματική Προσέγγιση των

νόμων των αερίων σε εργαστήρια Φυσικών Επιστημών των Λυκείων’

Διαθέσιμο στη δικτυακή διεύθυνση:


http://www.etpe.gr/modules.php?name=Downloads&d_op=getit&lid=573

• Καμαράτος, Μ(2003). Εισαγωγή στην ανάλυση πειραματικών μετρήσεων.

Απλά πειράματα μηχανικής – θερμότητας. Ιωάννινα. Πανεπιστήμιο

Ιωανννίνων.

• Οδηγίες χρήσης και πειράματα, Multilog, Σύστημα Σύγχρονης Λήψης και

Απεικόνισης. Εγχειρίδιο Χρήσης.

5.4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

• Arizona State University. (2001)Student Preconceptions and Misconceptions

in Chemistry Integrated Physics and Chemistry Modeling Workshop.

Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:www.daisley.net/hellevator/misconceptions/misconceptions.pdf

(02/05/2007)

• Azizoğlu,N &Geban,Ö(2004). ‘Student’s preconceptions and misconceptions

about gases’.Baü Fen Bil. Enst.Dergisi (2004).6.1

• Centre for Research in Youth, Science Teaching and Learning. ‘Βoyle’s Law:

Volume-Pressure Relationship of a Confined Gas’. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.umanitoba.ca/outreach/crystal/resources%20for%20te

achers/Boyle%27s%20Law%20-

%20Demonstration%20&%20Investigation.doc (02/05/2007)

• Centre for Research in Youth, Science Teaching and Learning. «Βoyle’s Law:

Pressure-Volume Relationship in Gases.» Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.umanitoba.ca/outreach/crystal/resources%20for%20tea

chers/cbl%20boyle%27s%20law.doc. (02/05/2007)

• Dep. Of Physics at the University of Illinois -Lecture Demonstration

Database/Thermodynamics and statistical mechanics/gas laws/

.http://demo.physics.uiuc.edu/LectDemo/scripts/demo_descript.idc?DemoID=

198

• Dickinson College.Workshop Physics Sample Activities- Unit 17: ‘The first

law of thermodynamics’. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://physics.dickinson.edu/~wp_web/wp_activities.html

(02/05/2007)


http://www.daisley.net/hellevator/misconceptions/misconceptions.pdf

http://www.umanitoba.ca/outreach/crystal/resources%20for%20teachers/Boyle%27s%20Law%20-%20Demonstration%20&%20Investigation.doc



http://www.umanitoba.ca/outreach/crystal/resources%20for%20teachers/cbl%20boyle%27s%20law.doc


http://www.uiuc.edu/



http://physics.dickinson.edu/%7Ewp_web/wp_activities.html

• Driver,R. Squires, A. Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (2000).

Οικοδομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών, Μια παγκόσμια σύνοψη

των ιδεών των μαθητών, εκδόσεις. Τυπωθήτω

• Physics Demonstration Resources Online. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση: http://www.ph.utexas.edu/~phy-demo/resources/resources.html

• SÖzbilir, Μ. (2003). A Review of Selected Literature on

students’Misconceptions of Heat and Temperature. Boğaziçi University

Journal of Education (vol 20)(2003).

• Αντωνίου,Α.‘ Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών’. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://users.att.sch.gr/antoniou/MyPage/Documents/Misconception

s/AltConc.htm (02/05/2007) ή http://www2.e-

yliko.gr/epimorf/phys/PHYSARTICLES/Students%27%20Alternate%20Conc

eptions.htm (02/05/2007)

• Βλάχος,Ι(2004).Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες. Η πρόταση της

εποικοδόμησης. Αθήνα. Εκδόσεις Γρηγόρη.

• Κασσέτας,Α.Ι.(χ.χ.).Το μήλο και το κουάρκ. Διδακτική της Φυσικής εκδόσεις.

Σαββάλας.

• Κατασκευή δραστηριότητας-οργάνωση/σχεδιασμός της διδασκαλίας.

Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.netschoolbook.gr/epimorfosi/stoxothesia.html

(02/05/2007)

• Κόκκοτας,Π.Β(2004). Διδακτική την Φυσικών Επιστημών, μέρος α΄, εκδόσεις.

Γρηγόρη.

• Παπασταματίου,Ν. Η συγκρότηση ομάδων εργασίας στο εργαστήριο και

οργάνωση εργαστηριακής άσκησης. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.epyna.gr/show/omades_ergast.doc (02/05/2007)

• Τσακίρη,Μ & Χατζηκρανιώτης,Ε.( 2003).Φυσική με Πειράματα και

Αισθητήρες στην ΤΕE. Διαθέσιμο στη δικτυακή διεύθυνση:


(02/05/2007)


http://www.ph.utexas.edu/%7Ephy-demo/resources/resources.html

http://users.att.sch.gr/antoniou/MyPage/Documents/Misconceptions/AltConc.htm


http://www2.e-yliko.gr/epimorf/phys/PHYSARTICLES/Students%27%20Alternate%20Conceptions.htm



http://www.netschoolbook.gr/epimorfosi/stoxothesia.html

http://www.epyna.gr/show/omades_ergast.doc


Αναφορές 1. Κόκκοτας, Π. & Βλάχος, Ι. (1999). Ο ρόλος του πειράματος στην επιστήμη

και στη διδασκαλία – μάθηση. Εκπαιδευτικές Προσεγγίσεις, 5,13-26.

2. Robertson,J. (ed)(1976)The philosophical works of F. Bacon,Freaport,N.York

3. Nickles,Th(1989):Justification and experiment in Gooding D.et al (eds).

4. Κόκκοτας,Π. ((1989).Διδακτική των Φυσικών Επιστημών. Εκδόσεις Γρηγόρη,

Αθήνα.

5. Wooding,D.(1990).Experiment and the making of Meaning, Kluwer

Academic Publishers London,Boston.

6. Harre,R(1981):Great Scientific Experiments Oxford Phaidon.

7. Harre,R(1972) The philosophies of science, Oxford University Press, Oxford,

N.York.

8. Franklin,A (1986):The role of experiment, Cambridge University Press,

Cambridge, New York.

9. Hacking, J (1983):Representing and intervening, Cambridge University Press,

Cambridge.

10. Χαλκιά,Κ.(2000). Το πείραμα στο μάθημα της Φυσικής. Εκπαιδευτικές


11. Dyskra,D., Boyle,F. and Monarch,I(1992),Studying Conceptual Change in

Learning Physics Science Education,76 (6),pp.615-652.

12. Καρανίκας,Ι, (1999). Το πείραμα σε εποικοδομητικού τύπου διδακτική

προσέγγιση ως εργαλείο πρόκλησης εννοιολογικής αλλαγής. Εκπαιδευτικές


13. Σπυροπούλου-Κατσάνη, Δ.(2000). Διδακτικές και Παιδαγωγικές

Προσεγγίσεις στις Φυσικές Επιστήμες. Αθήνα.Εκδόσεις Τυπωθήτω.

14. Χαλκιά,Κ.(1995), Οι Έλληνες Εκπαιδευτικοί της Πρωτοβάθμιας και

Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης απέναντι στο μάθημα της Φυσικής. Αδημοσίευτη

Διδακτορική Διατριβή. Π.Τ.Δ.Ε., Αθήνα.

15. Καριώτογλου, Π. Κορομπίλης,Κ και Κουμαράς,Π (1997), Εξακολουθούν να

είναι επίκαιρες οι Ανακαλυπτικές Μέθοδοι Διδασκαλίας ; Σύγχρονη

Εκπαίδευση, τεύχος 92,Ιαν-Φεβ, σελ.52-61.

16. Reid,D.J and Tracey,D.C.(1985), The evaluation of a school science syllabus

through objectives and attitudes. European Journal of Science Education,7(4),pp

375-386.


17. Lunch,P.P..(1987), Laboratory work in schools and Universities:structures and

strategies still largely unexplored, Australian Science teacher Journal,32, pp31-

39.

18. Watson,J.R.(1994),Students’ engagement in practical problem solving: a case

study. International Journal of Science Education, 5(2), pp.217-230.

19. Bruner,J.S. (1961), The act of discovery. Harvard Educational Review,31:21.

20. Pope,M. and Gilbert,J(1983),personal experience and the construction of

knowlenge in Science. Science Education,67(2),pp.193-203.

21. Strike,K.A and Posner,J.G.(1982),Conceptual change and science teaching.

European Journal Science and Children,23(1),pp.44-77.

22. Driver,R., and Bell,B.(1986),Students’ thinking and the learning of Science:A

constructivistic view. School Science Review,67,pp.443-456.

23. Driver,R.,(1989)Changing Conceptions. Paper presented to the international

Seminar, Adolescent Development and School science, Kings College London.

24. Blumenfeld,P.C., Soloway,E., Marx,R.W., Krajcik,M.G. and

Palinscar,A.S.(1991),Motivating Project –Based Learning: Sustain the Doing,

Supporting the Learning,Educational Psychologist,26(314),pp.369-398.

25. Hofstein,A and Lunetta,V.N (1982), “The role of laboratory in science

teaching:neglected aspects of research”.Review Education Research,52,pp.201-

217.

26. Denny,M. and Chennell,F.(1986),Science practicals: what do pupils think?

European Journal Science Education,8pp.325-336.

27. Hodson,D(1990),A critical look at practical work in school

science.SSR,Mar,70(256),pp.33-40.

28. Yager,R.E.,Englen,H.B.,Snider,B.C.F.(1969) “Effects of laboratory and

demonstration methods upon the outcomes instruction in secondary biology.

Journal of Research in Science Teaching,6,pp.76-86.

29. Moreira,M.A.(1980),A Non traditional approach to the evaluation of the

laboratory instruction in general physics courses”. European Journal Science

Education,2,pp.441-448.

30. Κόκκοτας,Π. ((2002).Διδακτική των Φυσικών Επιστημών Μέρος ΙΙ.

Σύγχρονες Προσεγγίσεις στη Διδασκαλία των Φ.Ε. Εκδόσεις Γρηγόρη, Αθήνα.

31. Atkinson,R.(1968)Computerized instruction and the learning process.

American Psychologist 23:225-239.


32. Suppes,P.& Morningstar,M.(1968).Computer – assisted instruction. Science

166: 343-350.

33. Cognition & Technology Group at Vanderbilt (1996). Looking at technology

in context: A framework for understanding technology and education research.

Στο Berliner,D.C. & Calfee,R.C.(Eds): The Handbook of Educational

Psychology. New York, Macmillan, pp.807-840.

34. Dede,C.,(1998).(ED.)Learning with Technology. Alexandria,VA: Association

for Supervision and Curriculum Development.

35. Greenfield,P.M. & Cocking,R.R.(Eds.)(1996). Interacting with

video,Grenwich,CT :Ablex.

36. Barron,B.J.,Schwartz,D.L.,Vye,N.J.,Moore,A.,Petrosino,A.,Zech.,L.,Bransfor

d,J.D. & Cognition & Technology Group at Vanderbilt (1998).Doing with

understanding:Lessons from research on problem and project –based learning.

Journal of Learning Sciences.

37. Bereiter,C. & Scardamalia,M. (1993).Surpassing Ourselves:An Onquiry into

the Nature and Implications of Expertise. Chicago and La Salle,IL:Open Court

Publishing.

38. Linn,M.C., Songer,N.B. & Eylon,B.S. (1996). Shifts and convergences in

science learning and instruction. Στο Calfee,R.C. & Berliner,D.C. (Eds):

Handbook of Educational Psychology.Riverside,NJ: Macmillan, pp.438-490.

39. Ιωαννίδου, Ισμήνη (2004).Νέες Τεχνολογίες και σχολική πραγματικότητα.

Έρευνα και Πράξη, 8-9, 10-13 . Εκδόσεις Γρηγόρη.

40. Posner, j. G., Strike, A. K. Hewson, W. P.,Gertzog, A.W. (1982),

Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual

Change, Science Education, 66(2): p. 211.

41. Κολιάδης, Ε, (1997) Θεωρίες Μάθησης και εκπαιδευτική Πράξη, Α'-Γ΄

Αθήνα, σελ. 30.

42. Σολωμονίδου, Χ. (2003) Σύγχρονη Εκπαιδευτική Τεχνολογία, Κώδικας,

Θεσ/νίκη, σελ. 114-115.

43. Διαμαντάκη, Κ., Ντάβου, Μ., Πανούσης, Γ (2001) Νέες Τεχνολογίες και

Παλαιοί Φόβοι στο Σχολικό Σύστημα, Εκδόσεις Παπαζήση,Αθήνα, σελ. 19.

44. Bertrand Yves, (1999) Σύγχρονες Εκπαιδευτικές Θεωρίες. Εκδόσεις Ελληνικά

Γράμματα, Αθήνα, σελ. 112-113.

45. Διαμαντάκη, Κ., Ντάβου, Μ., Πανούσης, Γ. (2001), ό.π. σελ. 61 και σελ 183.


46. Carr, W., Kemmis, S., Για μια κριτική εκπαιδευτική θεωρία, 2002

(Μετάφραση Λαμπράκη-Παγανού, Α., Μηλίγκου, Ε., Ροδιάδου-Αλμπάνη, Κ.)

Εκδόσεις Κώδικας, Αθήνα, 15 και σελ. 24.

47. Μακράκης, Β. Υπερμέσα στην Εκπαίδευση, 2000, Εκδόσεις Μεταίχμιο, σελ.

43.

48. Μαυρογιώργος, Γ. Νέες Τεχνολογίες και Εκπαίδευση (2001), δημοσιευμένο

στην εφημερίδα «Τα Νέα» (1-09-2001), σελ. 1-2.

49. «Οι ΤΠΕ στη διαδικασία της διδασκαλίας και της μάθησης».Κέντρο εξ

Αποστάσεως Επιμόρφωσης του ΠΙ. Αθήνα (1998).

50. Θεριανός, Κ., (2002) Εκπαιδευτική Τεχνολογία: προσδοκίες, ρητορική και

πραγματικότητα, Σύγχρονη Εκπαίδευση, τεύχος 123, σελ 24.

51. (STTIS) www.sussex.ac.uk/education/1-4-25-1.html.

52. Κυνηγός, Χ. (2002) Νέες πρακτικές με νέα εργαλεία στην τάξη: Κατάρτιση

επιμορφωτών για τη δημιουργία κοινοτήτων αξιοποίησης των νέων τεχνολογιών

στο σχολείο. Από το συλλογικό έργο: Νοητικά Εργαλεία και Πληροφοριακά μέ-

σα -Παιδαγωγική Αξιοποίηση της Σύγχρονης Τεχνολογίας για τη Μετεξέλιξη

της Εκπαιδευτικής Πρακτικής. Εκδόσεις Καστανιώτη, Αθήνα, σελ. 32.

53. Ράπτης, Α. -Ράπτη, Α. (2002) Μάθηση και Διδασκαλία στην εποχή της

Πληροφορίας - Ολική Προσέγγιση, τόμος Α', Εκδόσεις Ράπτης, Α., Αθήνα, σελ.

70.

54. Δημητρακοπούλου, Α. (2002) Διαστάσεις διδακτικής διαχείρισης των

εκπαιδευτικών εφαρμογών των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της

Επικοινωνίας: Προς μια ολοκληρωμένη αξιοποίηση τους στην εκπαίδευση. Από

το συλλογικό έργο: Νοητικά Εργαλεία και Πληροφοριακά μέσα -Παιδαγωγική

Αξιοποίηση της Σύγχρονης Τεχνολογίας για τη Μετεξέλιξη της Εκπαιδευτικής

Πρακτικής. Εκδόσεις Καστανιώτη, Αθήνα, σελ. 67-69.

55. Κόλλιας, Α. Οι υπολογιστές στη διδασκαλία και τη μάθηση, 1999, Σειρά:

Επιστήμες και Εκπαίδευση, Εκδόσεις Έλλην, σελ. 28.

56. Vosniadou, S. and Kollias, V. 2001, Themes in Education, Special Issue of

Teachers for the Information Society, 2(4), σελ. 359-362.

57. Κανάκης, Ι. 1989, Διδασκαλία και μάθηση με σύγχρονα μέσα επικοινωνίας.

Εκδόσεις Γρηγόρη, σελ. 190.


http://www.sussex.ac.uk/education/1-4-25-1.html

58. Βαμβακούσης,Χ & Μακρυωνίτης, Γ. (2003). Σύστημα Σύγχρονης Λήψης και

Απεικόνισης. Ένας χρόνος παρουσίας στα εργαστήρια Φ.Ε. των Ενιαίων

Λυκείων. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο:

(http://www.epyna.gr/modules.php?name=News&file=article&sid=402)

(10/8/2005).

59. Holton,G &Brush,S (2002) Εισαγωγή στις έννοιες και τις θεωρίες της

Φυσικής Επιστήμης. Αθήνα . Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π.

60. Χρηστίδης,Θ.(1997).Χάος και πιθανολογική Αιτιότητα: Μεταξύ

προκαθορισμού και τύχης. Θεσσαλονίκη. Εκδόσεις Βάνιας.

61. Halliday,D & Resnick,R (1966) Φυσική Μέρος Ι.Αθήνα. Εκδόσεις


62. Raman, V.V. (1973).Where credit is due. The gas laws. The physic teacher.

(October 1973 -- Volume 11, Issue 7), pp. 419-424.

63. “History of thermodynamics”. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο:

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_thermodynamics(02/05/2007)

64. Ford,K.,Basic Physics, (Blaisdell, New York, 1968),p.391.

65. Mellor,J.W., (1927),A Comprehensive Treatise on Inorganic And Theoretical

Chemistry, Longmans, Green, London,vol.I,p.160.

66. Middleton, W.E.K., (1966),A History of thermometer and its uses in

Meteorology, (Johns Hopkins Press,Baltimore,MD.

67. Cajori,F.,(1962),A History of Physics,Dover,p.114.

68. Segre,E(2001). Ιστορία της Φυσικής τ.ά. ‘Από την πτώση των σωμάτων στα

Ραδιοκύματα’. Αθήνα. Εκδόσεις Δίαυλος

69. Young,H.D.(1994)Πανεπιστημιακή Φυσική τόμος Α΄. Εκδόσεις Παπαζήση

70. Φυσική Β Λυκείου, Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης ΟΕΔΒ

ΑΘΗΝΑ.

71. Κυριάκος,Δ.Σ., Μπλέρης,Γ.Λ..(1992).Φυσική: Θερμότητα – Ηλεκτρισμός,

Εκδόσεις Αrt of text

72. Serway, R.A.(1990). Physics for scientists & Engineers.,τ.I, τ.II, .Μετάφραση

Λ.Κ. Ρεσβάνη .Αθήνα.Ιδίου.

73. Gammon E. (2002). Γενική Χημεία. Εκδόσεις Τραυλός.

74. Atkins.P.W (2000). Φυσικοχημεία τόμος Ι. Ηράκλειο. Εκδόσεις Π.Ε.Κ

75. Οδηγίες χρήσης και πειράματα, Multilog, Σύστημα Σύγχρονης Λήψης και

Απεικόνισης. Εγχειρίδιο Χρήσης.



http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_thermodynamics

76. Jackson,D.P & Laws,P.W. Syringe thermodynamics: The many uses of a glass

syringe. American Journal of Physics ( February 2006)Volume 74, p94-101.

77. Καλογερόπουλος, Ν & Γάτσιος, Γ ‘Από το «ΠΑΥΕ ΝΑ ΡΩΤΑΣ» Στο

«ΠΑΜΕ ΝΑ ΚΑΝΟΥΜΕ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ»:Πειραματική Προσέγγιση των νόμων

των αερίων σε εργαστήρια Φυσικών Επιστημών των Λυκείων’. Διαθέσιμο στη

δικτυακή διεύθυνση:

www.etpe.gr/modules.php?name=Downloads&d_op=getit&lid=573 (02/05/2007).

78. Krause,D & Keeley, W.(2004).Determining the heat capacity Ratio of Air

from “Almost Adiabatic” Compressions. The physics Teacher, Vol 42 pp481-

483.

79. McNairy,W,W.Isothermal and Adiabatic Measurments. The Physic teacher

(March 1996)Vol.34,p178-180.

80. Βλάχος,Ι(2004).Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες. Η πρόταση της

εποικοδόμησης. Αθήνα. Εκδόσεις Γρηγόρη.

81. Azizoğlu,N &Geban,Ö(2004). ‘Student’s preconceptions and misconceptions

about gases’.Baü Fen Bil. Enst.Dergisi (2004).6.1.

82. Αντωνίου,Α.‘ Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών’. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://users.att.sch.gr/antoniou/MyPage/Documents/Misconceptions/

AltConc.htm (02/05/2007) ή

http://www2.e-

yliko.gr/epimorf/phys/PHYSARTICLES/Students%27%20Alternate%20Concepti

ons.htm (02/05/2007).

83. Chemistry Misconceptions. Διαθέσιμο στη δικτυακή διεύθυνση:

http://educ.queensu.ca/~science/main/concept/chem/c07/c07cdtl1.htm

84. Driver,R. Squires, A. Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (2000).

Οικοδομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών, Μια παγκόσμια σύνοψη των

ιδεών των μαθητών, εκδόσεις. Τυπωθήτω.

85. Arizona State University. (2001)Student Preconceptions and Misconceptions

in Chemistry Integrated Physics and Chemistry Modeling Workshop. Διαθέσιμο

στη δικτυακή

διεύθυνση:www.daisley.net/hellevator/misconceptions/misconceptions.pdf

(02/05/2007).

86. Κασσέτας,Α.Ι.(2004).Το μήλο και το κουάρκ. Διδακτική της Φυσικής εκδόσεις.

Σαββάλας.


http://www.etpe.gr/modules.php?name=Downloads&d_op=getit&lid=573






http://educ.queensu.ca/%7Escience/main/concept/chem/c07/c07cdtl1.htm

http://www.daisley.net/hellevator/misconceptions/misconceptions.pdf


87. SÖzbilir, Μ. (2003). A Review of Selected Literature on

students’Misconceptions of Heat and Temperature. Boğaziçi University Journal

of Education (vol 20)(2003).

88. Centre for Research in Youth, Science Teaching and Learning. «Βoyle’s Law:

Pressure-Volume Relationship in Gases.» Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.umanitoba.ca/outreach/crystal/resources%20for%20teach

ers/cbl%20boyle%27s%20law.doc. (02/05/2007).

89. Παπασταματίου,Ν. Η συγκρότηση ομάδων εργασίας στο εργαστήριο και

οργάνωση εργαστηριακής άσκησης. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση:http://www.epyna.gr/show/omades_ergast.doc (02/05/2007).

90. Dep. Of Physics at the University of Illinois -Lecture Demonstration

Database/Thermodynamics and statistical mechanics/gas laws/


8.

91. Physics Demonstration Resources Online. Διαθέσιμο στη δικτυακή

διεύθυνση: http://www.ph.utexas.edu/~phy-demo/resources/resources.html.



http://www.epyna.gr/show/omades_ergast.doc

http://www.uiuc.edu/



http://www.ph.utexas.edu/%7Ephy-demo/resources/resources.html