Sine ijsballon ijsberg recht vooruit In deze hands on-activiteit onderzoek je een bevroren waterballon. Vanuit het prikkelen van de waarneming ( zien, voelen, ruiken en horen) ontstaan vragen, door onderzoek en door gebruik te maken van objecten in je directe omgeving zoek je de antwoorden op die vragen. Benodigdheden: Kunststof (cafetaria)dienblad. Je kunt hiervoor ook de metalen bodem uit de magnetron gebruiken. Ronde ballon die je twee dagen voor het begin van deze activiteit met water hebt gevuld en in de vriezer hebt laten bevriezen. Zaklamp Vergrootglas Sticky notes Balpen Houten en metalen voorwerpen (tandenstokers en paperclips) Zout Voedselkleurstof of siroop Plastic teil met water, groot en diep genoeg om je ijsballon erin te laten drijven. Voorbereidingen: Vul je ballon langzaam - zodat de lucht kan ontsnappen - met kraanwater. Knoop het mondstuk van de ballon dicht; zo ontstaat een 12 cm grote waterballon. Leg je waterballon voor twee dagen in een vriezer. Na twee dagen, vlak voordat je de activiteit begint, vul je de plastic teil met water. De activiteit: 1. Pas wanneer de ijsballon volledig bevroren, kun je beginnen met het experiment. 2. Gebruik een schaar om het mondstuk van de ijsballon los te knippen, pel vervolgens de resten van de ballon van het ijs. 3. Start direct met je bewuste - ja bewuste - waarnemingen van de ijsballon. 4. Gebruik je zaklamp om de ijsballon te verlichten. Gebruik het vergrootglas voor het zien van de details. 5. Wat valt je op aan het ijs? Zie je scheuren, splinters spicules of spikes, gaatjes? Zie je verschillende kleuren sneeuw? Welke vragen roepen deze waarnemingen bij je op? Schrijf je vragen op een sticky note Eén vraag per sticky note. Voorbeeldvraag : waarom zitten er scheuren in het ijs? 6. Gebruik tandenstokers en paperclips om het oppervlak van het ijs te onderzoeken. 7. Wat valt je op aan de interactie tussen hout en ijs in vergelijking met een metalen voorwerp en ijs. Welke vragen roept dat bij je op? Schrijf elke vraag weer op een sticky note. 8. Strooi een kleine hoeveelheid zout op de ijsballon. Kijk een paar minuten naar de verandering die er optreedt. 9. Wat valt je op aan de uitwerking van het zout op het ijs? Welke vragen roept dit op? Schrijf elke vraag op een sticky note. 10. Haal het zout met water van je ijsballon, gebruik daarna een kleine hoeveelheid kleurstof op de ijsballon. 11. Wat valt je op na de verspreiding van de kleurstof over het ijs? Welke vragen roept dit op? Schrijf elke vraag weer op een sticky note. 12. Plaats de ijsballon nu in de grote teil gevuld met water. 13. Wat valt je op nu de ijsballon op het water blijft drijven? Welke vragen roept dit bij op? Schrijf ook deze vragen op een sticky note.
Onderzoeken: Je hebt na het uitvoeren van deze hands on-activiteit een aantal vragen over de ijsballon op je sticky notes geschreven. Per sticky note één vraag. Bekijk je vragen en ga na of je deze kunt groeperen op de volgende manier: 1. Vragen die gaan over weten, benamingen van verschijnselen en identificeren, zoals: Wat zijn de wormvormige - dingen - texture in het ijs? Wat is de wollige witte substantie aan de buitenkant? Waar is voedselkleurstof van gemaakt? 2. Groepeer nu de vragen die beginnen met waarom? Waarom hebben sommige ijsballonnen meer splinters - spicules of spikes - in het oppervlak? Waarom smelt het ijs door zout toe te voegen? Waarom is de ijsballon zachter aan de buiten dan aan de binnenkant? 3. Tenslotte, groepeer je vragen die je met behulp van het uitvoeren van een experiment kunt beantwoorden, zoals: Wat gebeurt er wanneer we de ijsballon in heet water plaatsen? Smelt het ijs anders door gebruik te maken van verschillende zoutsoorten. Smelt het ijs sneller door het toevoegen van zout of suiker? 4. Ga nu terug naar de groep waarom-vragen ( stap 2 ). Het zal je opvallen dat je deze vragen meestal niet eenvoudig kunt beantwoorden. Waarom-vragen kun je beantwoorden meestal door moeilijk - gecompliceerd - onderzoek te verrichten. Maar je kunt deze vragen omzetten in een praktisch experiment door het woord waarom te vervangen door hebben alle? of "Wat zou er gebeuren als? Een paar voorbeelden: Waarom smelt het ijs door zout toe te voegen? kun je wijzigen in het experiment met de titel "Smelt ijs door zout? Een gegeven dat je daadwerkelijk kunt gaan onderzoeken:) Waarom smelt ijs zo snel in water? Deze waaromvraag kun je wijzigen in Smelt ijs sneller in water dan in melk? Ook weer een voorbeeld van een eenvoudig uit te voeren experiment. 5.Het resultaat van je onderzoek en scan naar variabelen is een grote hoeveelheid vragen die je verder kunt gaan onderzoeken. Kies een vraag uit stap 3 of een opnieuw geformuleerde vraag uit stap 4 waar je door middel van het doen van onderzoek het antwoord op kunt vinden. Pak je materialen bij elkaar en ga op onderzoek uit en kijk of je het antwoord op je vraag kunt vinden. De keuze tussen het maken van notities, schetsen/tekeningen, Exel-datasheet of alleen kijken wat er werkelijk gebeurt, is nu aan jou
Voor de docent : De variabelenscan De variabelenscan is een werkwijze voor de vaak lastige en complexe waarom-vragen. De variabelenscan zet de op dat moment niet te onderzoeken waarom-vraag om in een werkbare en relevante praktische onderzoeksvraag. De variabelenscan is een werkwijze om de variabelen binnen de waarom-vraag te duiden. Je zoekt binnen de waarom-vraag naar elementen - de variabelen - die je in het experiment kunt wijzigen. De variabelenscan : draai de vraag om Een voorbeeld: 1. De beginsituatie Groep 6 uit het basisonderwijs: onderzoek hoe een papieren zakdoek water opneemt. Het valt ze op dat de papieren zakdoek het water opzuigt. Jaap vraagt zich zelf af: Waarom wordt het water zo hoog in de papieren zakdoek opgenomen? 2. De scan Scan de vraag van Jaap, welke variabelen kun je vinden? Het antwoord op de vraag van Jaap moet 'iets' te maken hebben met de interactie tussen het water en de papieren zakdoek, de variabelen. We kunnen deze variabelen veranderen zodat ze ons kunnen helpen een uitvoerbare onderzoeksvraag te stellen waardoor we meer leren. Waarom wordt het water zo hoog in de papieren zakdoek opgenomen? De variablen 1. Water - of andere vloeistof - 2. Papieren zakdoek - of ander materiaal - 3. Draai de vraag om Hoe zetten wij de vraag van Jaap om in een praktische onderzoeksvraag? De eerste variabelen : het water. Wat kunnen we veranderen aan het water? De soort vloeistof, tomatensap, motorolie, etc De hoeveelheid vloeistof. De temperatuur van de vloeistof. Waarom wordt het water zo hoog in de papieren zakdoek opgenomen? Variabele 1, draai de vraag om 1. Zou er iets anders waarneembaars te ontdekken zijn wanneer het water erg koud dan wel erg heet is? 2. Is er verschil merkbaar tussen zoutwater en kraanwater? 3. Wat zou er waarneembaar zijn wanneer wij tomatensap gebruiken?
De tweede variable : het absorberend materiaal, wat kunnen wij veranderen aan onze papieren zakdoek? Het merk van de papieren zakdoek De procedure van het bevochtigen van de papieren zakdoek. Gieten versus onderdompelen over en in water. Het soort materiaal van de papieren zakdoek - katoen, wol, karton etc Tweede voorbeeld van de variabelenscan: Waarom wordt het water zo hoog in de papieren zakdoek opgenomen? Variabele 2, draai de vraag om Is er verschil tussen de papieren zakdoek van verschillende fabrikanten? Wat nemen wij waar wanneer we kopieerpapier gebruiken? Absorbeert katoen het water? Wat observeer je wanneer je alleen de punt van de papieren zakdoek in het water houd. Voorbeeld 2: Waarom smelt ijs wanneer wij het in water onderdompelen? -> De variabelen zijn in deze vraag ijs en water (of vloeistof). Variabele 1: het ijs de grootte van het stuk ijs de vorm van het stuk ijs de hoeveelheid ijs die wordt ondergedompeld Praktische onderzoeksvraag: wat neem ik waar wanneer ik de vorm van het ijs verander? Smelten vele kleine stukjes ijs sneller dan één groot stuk? Variabele 2: het water (de vloeistof). hoeveelheid van het water de temperatuur van het water zout of zoet water verschillende soorten vloeistoffen. Praktische onderzoeksvraag: Wat neem ik waar wanneer ik het ijs in zoutwater onderdompel? Smelt het ijs sneller in 200 ml water dan 3 L water?
Probeer nu zelf of met een groep de variabelenscan te maken: Voorbeeld 3: Waarom smelt ijs? Variabelen 1, Variabelen 2, Praktische onderzoeksvraag: Voorbeeld 4: Waarom drijft ijs altijd met dezelfde zijde naar boven? Variabelen 1, Variabelen 2, Praktische onderzoeksvraag:
What s going on? Sine ijsballon ijsberg recht vooruit Het hoofddoel van deze hands on-activiteit ijsballon is het bevorderen van de fascinatie en waardering in de alledaagse dingen in de wereld om ons heen. Welke vragen roept zo een waarneming op? Hoe kunnen antwoorden gevonden worden?(een eenvoudig hulpmiddel hierbij is de variabelenscan,) Bij iets oudere kinderen kunnen er vragen ontstaan over wetenschappelijk conceptuele begrippen : dichtheid van stoffen, zwaartekracht en massa, temperatuursveranderingen, texturen die waarneembaar zijn in het ijs. In de tekst hieronder staan antwoorden op de meest gestelde vragen: Waarom is de ijsballon in het midden ondoorzichtig? Waarom zijn sommige delen van de ijsballon helder en andere delen troebel? Het meeste water bevat lucht en onzuiverheden. Hard water bezit bijvoorbeeld een hogere dosis kalkmineralen. De ijsballon bevriest van buiten naar binnen waarbij lucht en onzuiverheden naar het midden van de daar nog vloeibare ijsballon gedreven worden. Uiteindelijk bevriest ook daar het water om de kleine luchtbellen en onzuiverheden heen. Deze bellen of zakjes gevuld met lucht breken het licht, precies zoals te zien is in de schuimkraag van een gevuld bierglas. Net als het schuim van het bier breken de luchtbellen het licht tot wit wollig schuim. Waar nauwelijks of geen lucht in delen van de ijsballon zit opgesloten, ziet het ijs er helder en heeft het een kristalachtige structuur. Wat zijn spicules (lange splintervormen) haaks in het ijs? Spicules zijn dunne lange luchtzakjes, die zijn gevormd door het van buiten naar binnen bevriezen van de ijsballon. Waarom drijft ijs? De dichtheid van een stof: De meeste stoffen hebben een grotere dichtheid in vaste vorm dan in hun vloeibare vorm. De atomen en moleculen van een vaste stof worden door temperatuur - druk - dicht op elkaar gedrukt. Hieruit volgt dat bij een bepaalde massa - lees hoeveelheid moleculen- van een stof de vaste vorm minder volume heeft en daardoor een hogere dichtheid bezit dan zijn vloeibare vorm. Daardoor zou je verwachten dat de ijsballon door de hogere dichtheid zou zinken in zijn vloeibare vorm water. Water is een fascinerende uitzondering op dit gegeven. IJskristallen hebben een bobbelige, zeshoekige open structuur waardoor de moleculen in de vaste vorm van water verder uit elkaar komen te liggen. Dat geeft ijs haar lagere stoffelijke dichtheid. De opwaartse kracht van water, door Archimedes ontdekt, vertelt ons het volgende: De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt, is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof of gas. De stoffelijke dichtheid van het verplaatste water is hoger dan die van de ijsballon waardoor de ijsballon blijft drijven. Waarom wil de ijsballon altijd met dezelfde kant naar boven drijven? Dit heeft te maken met het massacentrum (centrum opwaartse kracht). Elk object met massa bezit een massacentrum. De massa van het elk object zit geordend rond het massacentrum. Als gevolg hiervan zal de zwaartekracht het meeste invloed hebben op dit massacentrum. De centrum opwaartse kracht is het massacentrum van de door de ijsballon verplaatste hoeveelheid water. De drijvende ijsballon komt in rust - zie afbeelding hieronder- waar deze twee wetmatigheden in evenwicht komen. F M M F
Waarom smelt ijs? De moleculen in vaste vorm, zoals in de ijsballon, zijn sterker met elkaar verbonden dan in hun vloeibare vorm. Wanneer warmte-energie van een andere stof in aanraking komt met het ijs zal dit het ijs opwarmen tot 0. Bij een verdere toename in de hoeveelheid warmte-energie blijft de temperatuur gehandhaafd op 0 tot al het ijs gesmolten is. In tegenstelling tot wat je zou verwachten, een verdere temperatuurstijging, verzwakt de toegenomen warmte-energie en uiteindelijk verbreekt de sterke band tussen de ijsmoleculen. Smelten is het oplossen van moleculen van zijn vaste naar vloeibare vorm. Voor onze ijsballon van buiten naar binnen. Waarom smelt ijs sneller in water dan in lucht? Meer energie betekent dat het ijs sneller zal smelten. Hoe sneller - conductie /convectie - deze energie getransporteerd kan worden hoe eerder het ijs zal smelten. Convectie: de overdracht van warmte-energie tussen moleculen. Warmte-energie verplaatst zich altijd van hogere energetische waarde naar een lagere. Dit is mede afhankelijk van oppervlakte: hoe groter het verschil tussen de twee niveaus des te sneller de overdracht van energie. Bijvoorbeeld: warmte-energie van water en lucht stroomt pas door het ijs wanneer de water- of luchttemperatuur boven de 0 is. Een hogere water/ luchttemperatuur levert een snellere overdracht van warmte-energie op. De grootte van het ijsoppervlak bespoedigt en versnelt de warmte-energie uitwisseling tussen de moleculen. Warmtecapaciteit: verschillende stoffen hebben een verschillende warmtecapaciteit. Warmtecapaciteit is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram van de stof met 1 C te doen stijgen. Nu blijkt dat de warmtecapaciteit van water veel hoger ligt dan die bij lucht. Bij gelijke hoeveelheid en temperatuur tussen deze stoffen blijkt water veel meer energie te bezitten: water heeft een hogere warmtecapaciteit. Water bezit door deze hogere warmtecapaciteit het vermogen meer energie aan het ijs af te geven. Conductie: de hoeveelheid warmte-energie die een stof door temperatuurverschil kan verplaatsen. Water heeft een hogere conductieve - geleidende - waarde dan bijvoorbeeld lucht. Water kan door deze eigenschap sneller en daardoor meer warmte-energie verplaatsen. Waarom smelt zout het ijs? IJs en water kunnen het bij 0 C het goed met elkaar vinden. De dooi treedt in. 0 C is het smeltpunt van ijs en het bevriespunt van water. De uitwisseling van warmte-energie tussen de moleculen is in evenwicht. Door het toevoegen van zout wordt dit evenwicht, de uitwisseling van moleculen tussen water en ijs, verstoord. Zout zorgt ervoor dat de watermoleculen zich niet snel genoeg aan het ijs kunnen verbinden. Waarom zout ijs sneller doet smelten dan suiker? Elke stof die je aan water toevoegt, zal het bevriezingspunt van water verlagen. Hoe groot deze verlaging van het bevriezingspunt is, is afhankelijk van de hoeveelheid die wordt toegevoegd. Eenzelfde hoeveelheid zout of suiker verlaagt het bevriezingspunt met verschillende waarden. De oorzaak hiervan ligt in de verschillen in de bouw van het zout-en suikermolecuul. Een suikermolecuul is relatief groot en is opgebouwd uit 45 atomen. Zout is een relatief klein molecuul dat is opgebouwd uit 2 ionen (elektrisch geladen atomen). Als gevolg hiervan bezit een theelepel zout veel meer deeltjes dan een theelepel suiker. Daar komt nog bij dat wanneer je zout aan water toevoegt, de ionen van elkaar gescheiden worden en zo de zoutdeeltjes nog eens verdubbeld worden en dit is de reden dat zout het ijs effectiever kan doen smelten. Als afsluiting van deze hands on-activiteit een quote van James Gleick uit zijn boek : The Life and Science of Richard Feynman. Children and scientists share an outlook on life. If I do this, what will happen? is both the motto of the child at play and the defining refrain of the physical scientist....the unfamiliar and the strange these are the domain of all children and scientists. SINE 2014. Mede mogelijk gemaakt dankzij het Exploratorium en de Mission Science Workshop.