Tagarchief: proefnemingen in natuurkunde

.

Walter Kraul, Erziehungskunst jrg. 37 nr. 9 1973

.

Over experimenteren in het eerste natuurkundeonderwijs

Dit artikel belicht aan de hand van enkele eenvoudige voorbeelden het belang van ‘subjectieve’ experimenten in het natuurkundeonderwijs. Subjectieve experimenten zijn experimenten die men ‘aan den lijve’ ondervindt; ze worden door het kind zelf uitgevoerd en vereisen een min of meer bewuste keuze. ‘Objectieve’ experimenten worden gedemonstreerd; men observeert ze slechts. Subjectieve experimenten in deze zin sluiten direct aan bij de eigen ervaring, en daarin schuilt hun pedagogische waarde voor het inleidend natuurkundeonderwijs. Uiteraard moet deze aanvankelijk subjectieve ervaring worden omgevormd tot een zekere objectiviteit, wat uiteindelijk leidt tot wetenschappelijke nauwkeurigheid. Daarom zijn hier voorbeelden gekozen waarbij hetzelfde natuurkundige proces zowel op subjectieve als op objectieve wijze kan worden gepresenteerd. Een filosofische beschouwing van beide benaderingen blijft hier achterwege.

Akoestiek

De eerste verkenningen van de akoestiek hebben meestal betrekking op de subjectieve waarneming; daarom wordt de natuurkunde vaak via dit vakgebied geïntroduceerd. Subjectieve gehoorervaringen houden verband met objectieve getalsverhoudingen. Aangezien dit algemeen bekend is, kijken we hier naar een ander verband.
De fysieke basis van een geluid is een voorwerp dat trilt of oscilleert – zo luidt de regel. De afzonderlijke trillingen volgen elkaar zo snel op dat we ze doorgaans niet met het oog kunnen volgen. Een eenvoudig experiment verduidelijkt dit: we slaan een stemvork aan en houden een van de benen tegen onze lippen. Het kriebelende gevoel dat hierdoor ontstaat, bevestigt de trilling. Dit gevoel kan alleen subjectief door een persoon worden waargenomen, en het voelen ervan verstoort het geluid – of zwakt het althans aanzienlijk af. Wie de trilling van een klinkende stemvork heeft ervaren, zal waarschijnlijk verder kijken en hetzelfde verschijnsel bij andere voorwerpen ontdekken. Bekende voorbeelden zijn de trilling van een kam waarover men met de vingers strijkt, of de resonantie van een gong. Ook de trilling van grotere klokken die lang doorklinken, kunnen we met onze vingers voelen; dergelijke klokken zouden in onze natuurkundecollecties aanwezig moeten zijn.

We maken deze ervaring objectief door een naald aan een grote, laagklinkende stemvork te bevestigen en de aangeslagen vork snel over een met roet bedekte glasplaat te bewegen, zodat de naald de plaat raakt en het roet wegschraapt (Fig. 1).

Met een beetje oefening kan men verrassend mooie golvende lijnen in de roetlaag tekenen – een bekend experiment. Het toont aan dat de vork trilt. Deze golvende lijnen zien er werkelijk fascinerend uit wanneer ze sterk vergroot op een muur worden geprojecteerd; elke standaardprojector (zonder automatische functies) is hiervoor geschikt. De subjectieve, directe ervaring is daarmee omgezet in een objectieve waarneming – een waarneming waaruit we, met enig redeneerwerk, kunnen concluderen dat de klinkende stemvork trilt. De beweging over de met roet bedekte plaat rekt de heen-en-weergaande trillingen uit tot een golvende lijn. De amplitude van de golven neemt af; ook hier kunnen we waarnemen hoe het experiment zelf het geluid beïnvloedt. Ook de beroemde klankfiguren van Chladni vormen in die zin een objectief experiment. Beide experimenten leggen het verband bloot tussen geluid en meetkunde – een relatie die niet zichtbaar wordt door louter subjectieve ervaring.

Optica

Beelden die door optische lenzen op witte oppervlakken worden geprojecteerd, zijn objectief van aard; een hele klas kan ze tegelijkertijd bekijken. Een beeld echter dat men in de lens – of in de lucht – ziet wanneer men door de lens kijkt, is uitsluitend voorbehouden aan de waarnemer; niemand anders kan het op
hetzelfde moment op dezelfde manier zien.
Het is een subjectief beeld. De eenvoudigste lens is een glazen bol.

Er bestaat een mooi verhaal over een boer die naar Wenen kwam en de Stephansdom bewonderde. Omdat hij zijn gezin een glimp van deze pracht wilde laten zien, kocht hij in een nabijgelegen winkel een glazen bol waarin het imposante bouwwerk zichtbaar was.
Eenmaal thuis lachte zijn gezin hem uit, want in het glas was geen kathedraal te zien.
Woedend keerde de boer terug naar Wenen en beklaagde zich bij de winkelier
over het bedrog. Maar wat bleek: de Stephansdom was weer duidelijk in de bol
te zien, net als voorheen… Wie dit experiment uitvoert, zal merken dat de Stephansdom (of welk object dan ook dat wordt bekeken) op zijn kop in de bol verschijnt.

Als men in plaats van een glazen bol een verzamellens gebruikt, merkt men
dat het beeld niet in het glas verschijnt, maar in de lucht tussen het glas
en de waarnemer. Het vergt enige oefening om dit op te merken. — Overigens:
Glazen bollen kunnen meer dan dat.
Ze vergroten het oppervlak waarop ze liggen, net als elke waterdruppel; met andere woorden: ze fungeren als vergrootglas.
We kunnen de glazen bol ook als brandglas gebruiken; dit vormt een objectief experiment. Als de zon niet schijnt, verduisteren we de ruimte, steken we een kaars aan en projecteren we de vlam met behulp van de glazen bol – of beter nog: een grote lens – op de muur, zodat iedereen hem goed kan zien. Het beeld van de brandende kaars wordt vergroot weergegeven. We kunnen ook een verkleind beeld van de kaars opvangen – een beeld dat niet alle kinderen in de klas tegelijk kunnen zien – maar dat komt simpelweg doordat het beeld zo klein is, niet door enige subjectiviteit.

Warmteleer

We nemen een glazen staaf en een koperen staaf van ongeveer dezelfde afmetingen – buizen zouden net zo goed werken – en vragen twee kinderen om ze in een vlam (van een Bunsenbrander) te houden. We geven de glazen staaf aan een verlegen meisje en de koperen staaf aan een robuuste, energieke jongen. Al snel zal de jongen moeite hebben om de taak vol te houden, terwijl het meisje het gloeiende, buigende glas bij de vlam kan blijven vasthouden: koper geleidt warmte (en kou) beter dan glas. — We nemen dezelfde staven (nadat ze zijn afgekoeld), klemmen ze in statieven, bevestigen er kleine wasbolletjes aan en plaatsen de uiteinden van de staven in de vlam.
De kleine stukjes was op het koper zullen er een voor een afvallen (afb. 3), terwijl er met het glas niets gebeurt.

Naar mijn ervaring volgt de klas het eerste, subjectieve experiment met grote belangstelling, ook al zijn slechts twee kinderen rechtstreeks bij het experiment betrokken.
Tijdens het tweede, objectieve experiment heeft de klas de neiging om melig te worden.
Het is de moeite waard om op twee interessante neveneffecten te wijzen:
Het glas kleurt de vlam oranje nog voordat het zelf in die kleur begint te gloeien.
Het koper zorgt er soms voor dat de vlam groen kleurt, hoewel dit effect niet heel duidelijk is. Men kan echter ‘aanloopkleuren’ op de staaf zien – voornamelijk groen en paars – mits het koper vóór het verhitten blank was.

Mechanica

Een treffend voorbeeld hiervan is snel gevonden. Bij elke meting van kracht hoort de ervaring van die kracht. Denk aan een hefboom, waarmee we gemakkelijk een zwaar voorwerp over een korte afstand kunnen optillen. Een dergelijk experiment wordt beschreven op pagina 426 van het artikel “natuurkundeperiode in een 7e klas in Erziehungskunst november 1972: een leerling houdt het vrije uiteinde van de balk vast, terwijl er een last op het andere uiteinde rust, vlak bij het vaste draaipunt. Het is telkens weer verbazingwekkend hoe licht de last aanvoelt. De leerling die het uiteinde van de balk vasthoudt, kan worden vervangen door een tweede steunpunt of door een touw dat aan het plafond is bevestigd. We kunnen een veerweegschaal in dit touw opnemen. De leerling is nu niet meer nodig; we kunnen de uitgeoefende kracht direct op de veerweegschaal aflezen – heel objectief. Toch is deze waarde pas echt interessant als een leerling de kracht eerder zelf heeft ervaren; pas dan weten we hoeveel hij “te verduren kreeg”. Voor een natuurkundige betekende het oorspronkelijke experiment niets – het leverde immers geen meetresultaat op – maar voor kinderen die voor het eerst met deze wetten kennismaken, zegt de wisselende inspanning van een klasgenoot meer dan een uitgerekte veer met een wijzer die een getal aangeeft.

Magnetisme

De industrie produceert zeer sterke magneten van keramisch materiaal in uiteenlopende vormen. Afbeelding 4 toont twee van dergelijke magneten die zijn voorzien van een boorgat en op een verticale staaf (van niet-ferromateriaal) zijn geplaatst.

Bij het plaatsen op de staaf wordt erop gelet dat gelijke polen naar elkaar toe zijn gericht. Gelijke magnetische polen stoten elkaar af; daardoor zweeft de ene magneet boven de andere. Ingenieurs werken momenteel aan de toepassing van dit effect bij grootschalige magneetzweeftreinen. Om het betreffende principe te demonstreren, volstaat het eigenlijk om deze opstelling – waarbij de magneet zo opvallend zweeft – simpelweg aan de hele klas te tonen als objectieve demonstratie. Als de twee magneten na de les echter op de experimenteertafel blijven liggen, zal er al snel een groepje kinderen omheen staan ​​en ermee gaan spelen. Dat is een goede zaak: het objectieve experiment wekte de belangstelling, terwijl het subjectieve experiment – ​​dat daarna plaatsvindt – voldoening geeft. Nog verbazingwekkender is het om te proberen, enkel met de handen, twee gelijke polen naar elkaar toe te brengen of twee ongelijke polen – die elkaar sterk aantrekken – op korte afstand van elkaar te houden. Helaas zijn keramische magneten niet bijzonder duurzaam; de randen ervan brokkelen gemakkelijk af.

Elektriciteit

Er is een hele reeks objectief waarneembare effecten van elektrische stroom: een lamp die gaat branden, een wijzer die uitslaat, een motor die draait, een draad die warm wordt, een chemische stof die van kleur verandert, enzovoort. De fundamentele effecten worden doorgaans aangeduid als het thermische effect, het magnetische effect en het chemische effect. Ook het lichteffect kan hierbij worden gerekend. Geen van deze verschijnselen introduceert iets nieuws – er is geen sprake van een uniek ‘elektrisch’ effect. Elektriciteit openbaart zich niet rechtstreeks, maar via geleende, uiterlijke verschijnselen. Tegenover deze objectieve verschijningsvormen staat een subjectieve – maar wel specifiek elektrische – ervaring: het gevoel onder stroom te staan, oftewel de elektrische schok. Hoewel dit bij spanningen van 40 V en hoger gevaarlijk kan zijn, zijn er manieren om een ​​hele klas veilig onder stroom te zetten. Een handgenerator – zoals die bij veldtelefoons worden gebruikt – maakt dit mogelijk. De klas vormt een kring en houdt elkaar bij de hand – daar is moed voor nodig – terwijl twee kinderen de aansluitklemmen van de generator vasthouden en de leerkracht aan de zwengel draait (afb. 5),

eerst heel langzaam en daarna sneller… Als een kind bang wordt en de hand van de buurman of buurvrouw loslaat, wordt de stroomkring onderbroken en voelt niemand iets. De dapperen vlak bij de generator voelen niet meer dan de angstige kinderen midden in de kring. Het is het beste om dit experiment vlak voor de pauze uit te voeren.

Beelden en films staan ​​nog verder af van subjectieve menselijke ervaringen dan de eerder beschreven objectieve experimenten. Het is de moeite waard dit hier op te merken, aangezien op televisie vaak programma’s worden uitgezonden die met een budget zijn gemaakt dat geen enkele school kan evenaren. Toch zijn dergelijke programma’s – hoe “goed” ze op zichzelf ook mogen zijn – ongeschikt om leerlingen met natuurkunde kennis te laten maken, juist omdat de persoonlijke ervaring uit de eerste hand volledig ontbreekt. Het resultaat is vaak een houding van onverschilligheid en een gebrek aan wilskracht. Ik herinner me een leerling die weigerde mee te gaan met een groep om een ​​zonsverduistering te bekijken; hij meende dat hij die ’s avonds op televisie beter zou kunnen zien.
Niet elk verschijnsel kan op subjectieve wijze worden gepresenteerd. Levendige verhalen over de ontdekkers – en de voor- en tegenspoed die zij ondervonden – vormen een goed alternatief. De gebroeders Montgolfier observeerden vaak de wolken. Uiteindelijk bouwden zij, als papierfabrikanten in Lyon, een papieren ballon, staken er een vuur van stro onder aan en lieten hem los; hij steeg op in de lucht. Later vlogen er ook mensen mee. In Parijs werden ze jaloers op deze provincialen en gaf professor Charles opdracht om ook ballonnen te bouwen; hij vond de gasballon uit. De vroege vluchten leidden tot boeiende avonturen: zo vernietigden boeren een onbemande ballon die was geland, in de veronderstelling dat het de duivel was – het gas rook immers verdacht vies!
Uit deze enkele voorbeelden blijkt duidelijk dat subjectieve experimenten meer tijd en materiaal vergen dan objectieve. Het is waardevol als elk kind de tijd en rust krijgt om zich met een glazen bol bezig te houden, naar hartenlust met magneten te spelen en de trillingen van een stemvork te voelen. De vraag rijst wanneer de overgang van de elementaire, subjectieve ervaring naar objectieve waarneming moet plaatsvinden: direct daarna, de volgende dag of in het daaropvolgende lesblok. Dit bepaalt de aard van de lessituatie. Het is een boeiende uitdaging om een ​​volledig inleidend blok natuurkunde op strikt subjectieve wijze te verzorgen! Het is zeer interessant om te zien hoe zelfs subjectieve experimenten – die slechts door enkele kinderen namens de hele klas worden ervaren – een diepere indruk kunnen maken dan de bijbehorende objectieve experimenten die door de hele klas tegelijkertijd worden waargenomen. Subjectieve experimenten wekken direct enthousiasme op en spreken de hele mens aan; meten en rekenen komen pas later, zodra de kennismaking met het nieuwe vakgebied succesvol is verlopen via een rijke, doorleefde ervaring.

Tekeningen: Mara Kraul

.

Natuurkunde: alle artikelen

 6e klas: alle artikelen

 Menskunde en pedagogie: alle artikelen

Vrijeschool in beeld: 6e klas

.

3609-4002

.

.

.

.