26. Energie (2012) Auteur Eindhoven School of Education Laatst gewijzigd Licentie Webadres 04 May 2015 CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie http://maken.wikiwijs.nl/48435 Dit lesmateriaal is gemaakt met Wikiwijs Maken van Kennisnet. Wikiwijs Maken is een onderdeel van Wikiwijsleermiddelenplein, hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, vergelijkt, maakt en deelt.
Inhoudsopgave Inleiding Wat ga je doen? Wetenschappelijk onderzoek Wat ga je onderzoeken? Gravitatiecellen Wat weet je al? Demoproef elektrochemische cel Maak een batterij die echt werkt Onderzoeksopdracht Bronnen Tips bij je onderzoek Hoe ontwerp je een experiment? Het experiment uitvoeren Uitwerking resultaten Conclusies trekken Verslag en presentatie Over dit lesmateriaal Pagina 1 26. Energie (2012)
Inleiding Onderzoeksproject Energie Bron: Wikmedia Petr Štefek Energie: een belangrijk begrip in de natuurkunde, scheikunde en biologie. Maar vooral ook belangrijk in het dagelijks leven. Stel je maar eens een dag zonder elektrische energie voor. Hoe word je wakker zonder wekker? Waar houd je etenswaren en drinken in koel zonder koelkast? En hoe houd je makkelijk contact met je vrienden en vriendinnen zonder mobiele telefoon of internet? Hoe erg we ondertussen ook gewend zijn aan een leven met allerlei elektrische apparaten: al deze energie moet ergens vandaan komen. En daar zit nu net het probleem. Bijna alle elektriciteitscentrales halen hun energie namelijk uit steenkool, aardgas of aardolie. Deze grondstoffen zijn er natuurlijk niet onbeperkt. Alleen van aardolie gebruiken we wereldwijd bijvoorbeeld al ruim 10 miljard liter per dag. Als je het water in alle baden van zwembad de Tongelreep bij elkaar optelt en dat maal 800 doet, is dat nog minder dan de hoeveelheid aardolie die we op één dag gebruiken! Bij het verbranden van deze fossiele brandstoffen, komt ook nog eens veel CO2 vrij. Je weet misschien wel dat dit een broeikasgas is. Erg slecht voor het milieu dus. Daarom moeten we op zoek naar andere manieren om bijvoorbeeld elektriciteit op te wekken en onze auto s te laten rijden. Om dit probleem op te lossen, wordt veel onderzoek gedaan naar energie. Dit kan op allerlei gebieden. Er wordt gezocht naar nieuwe energiebronnen, zoals zonneenergie, windenergie en kernenergie. Anderen zijn bezig met het efficiënt opslaan en vervoeren van energie. Je wilt natuurlijk niet de helft van je opgewekte energie kwijtraken. In dit project zullen jullie een indruk krijgen van wat energie nu eigenlijk is en zul je manieren zien hoe we met natuurkunde, scheikunde, wiskunde en biologie proberen om oplossingen te zoeken voor het energieprobleem en er voor kunnen zorgen dat we nog lang van onze smartphones, auto s en computers kunnen genieten! Pagina 2 26. Energie (2012)
Wat ga je doen? Jullie gaan deze week een onderzoek doen naar energie. Je zult daarbij kennismaken met een aantal belangrijke aspecten van onderzoek. Ook leer je samenwerken en presenteren. Dit onderzoek bestaat uit vijf dagdelen. In het eerste dagdeel (dinsdagmiddag) komen jullie meer te weten over het onderwerp van je onderzoek. Je gaat wat achtergrond informatie lezen, een proefopstelling bekijken en uiteindelijk een onderzoeksvraag bedenken. Deze onderzoeksvraag ga je later proberen te beantwoorden. In de volgende twee dagdelen ga je onder andere experimenten uitvoeren. Vooraf ga je bepalen welke experimenten je gaat doen en wat je daarmee wilt bereiken. Na de experimenten kun je starten met het verwerken van je resultaten. Op donderdagmiddag is er tijd om je resultaten verder te verwerken. Ook ga je dan proberen je onderzoeksvraag te beantwoorden in een conclusie. Al je bevindingen verwerk je in een klein onderzoeksrapport en een presentatie, hiervoor hebben wij al een opzet gemaakt welke jullie mogen gebruiken. Op vrijdagmorgen geven jullie elkaar een korte presentatie over je onderzoek. Op die manier kunnen jullie je kennis en ervaringen delen en weet je ook iets over het onderzoek van andere groepen. Pagina 3 26. Energie (2012)
Wetenschappelijk onderzoek Je kunt niet zomaar een betere accu voor je smartphone maken. En je hebt ook niet in één dag een manier gevonden om energie uit water te halen. Hier gaat heel veel onderzoek aan vooraf. Dit wetenschappelijk onderzoek is vaak op dezelfde manier opgebouwd. Bij veel beroepen kun je hier later mee in aanraking komen en zelfs op de middelbare school doe je al een zelfstandig onderzoek, het profielwerkstuk. Het goed doen van wetenschappelijk onderzoek is dan ook een belangrijke, maar geen gemakkelijke vaardigheid. Je maakt in dit project kennis met een aantal belangrijke stappen bij het doen van wetenschappelijk onderzoek. Echt onderzoek duurt natuurlijk veel langer dan één week. Daarom kijken we naar een aantal vaardigheden. Onderzoek doe je natuurlijk niet zomaar. Onderzoek kost tijd en geld en het moet dus ook iets opleveren. Er moet dus wel een aanleiding zijn voor onderzoek. Vaak is dit een probleem, zoals het opraken van de fossiele brandstoffen. We willen wel tijd en geld besteden aan het oplossen van dat probleem. Denk aan bedrijven als Shell en BP, die willen alternatieven hebben, als de olie op raakt. Er zijn vaak te veel mogelijke oplossingen voor een probleem om in één onderzoek te onderzoeken. Daarom moeten we een onderzoek eerst specifieker maken. Dit kun je doen met behulp van een onderzoeksvraag. Je probeert dan een specifieke vraag te stellen, die je met jouw onderzoek wilt beantwoorden. Voordat je experimenten gaat doen is het belangrijk dat je nadenkt over het resultaat dat je wilt bereiken. Hier kan een hypothese bij helpen. Je probeert in de hypothese al een antwoord te bedenken op de onderzoeksvraag: wat verwacht je dat de uitkomst zal zijn? Vervolgens ga je experimenten doen. Het is belangrijk dat je goed bedenkt welke experimenten je wilt doen en wat je daarmee wilt bereiken. Je moet daarom een goede werkwijze maken, waarin je beschrijft welke experimenten je gaat doen. De experimenten leveren vervolgens resultaten op. Het is belangrijk dat je die resultaten goed verwerkt. Iemand anders moet immers ook kunnen begrijpen wat de uitkomsten van jouw experimenten zijn. Je sluit je onderzoek vervolgens af met een conclusie. Hierin probeer je met je resultaten een antwoord op je onderzoeksvraag te geven. Zo n conclusie roept meestal weer een heleboel andere vragen op. Deze nieuwe vragen leiden vaak tot nieuw onderzoek. Alle stappen, die jullie tegen gaan komen (onderzoeksvraag, hypothese, werkwijze, resultaten en conclusie) noemen we de natuurwetenschappelijke methode. Deze methode is geen garantie voor succes, maar helpt onderzoekers wel om een valide en betrouwbaar onderzoek te doen. Wat is dan een valide en betrouwbaar onderzoek? Een onderzoek is valide als de experimenten en de conclusie proberen om de onderzoeksvraag goed te beantwoorden. Je stelt immers een goede onderzoeksvraag om op zoek te gaan naar het antwoord hierop. Een onderzoek is betrouwbaar als de resultaten van je onderzoek reproduceerbaar zijn. Als iemand jullie experiment nog een keer doet, moet het onderzoek dezelfde resultaten opleveren. Een onderzoek doe je meestal niet alleen en is ook belangrijk voor andere mensen. Daarom gaan jullie als groep een onderzoek doen en de resultaten hiervan aan het eind presenteren. Pagina 4 26. Energie (2012)
Wat ga je onderzoeken? De eerste stap in jullie onderzoek is het opstellen van een onderzoeksvraag. In je onderzoek ga je proberen deze onderzoeksvraag te beantwoorden. Om ervoor te zorgen dat je eindconclusie valide is (het onderzoek beantwoord de onderzoeksvraag), is het belangrijk om de onderzoeksvraag zo duidelijk mogelijk te stellen. Let daarbij op de volgende dingen: Een onderzoeksvraag is specifiek en duidelijk omschreven, dus niet: Hoe kan ik schone energie opwekken?. Een onderzoeksvraag is nooit gesloten (ja-nee vragen), dus niet: Is zonneenergie een vorm van groene energie? Een onderzoeksvraag is meetbaar en tijdgebonden. Dit wil zeggen dat je rekening moet houden met wat mogelijk is op school en de hoeveelheid tijd die jullie hebben. Een goede onderzoeksvraag zou kunnen zijn: Wat is het effect van de temperatuur op het vermogen van zonnecellen? Bij een goede onderzoeksvraag hoort ook een hypothese. Een hypothese is een voorspelling van de conclusie. Deze voorspelling moet goed zijn uitgelegd en is dus niet uit je duim gezogen. Je begeleider kan je hierbij goed op weg helpen. Voordat je een goede onderzoeksvraag en hypothese kunt maken, moet je wat meer weten over het onderwerp. Jullie begeleider helpt jullie daarbij. Achterin dit boekje zit een bronnenboek met een aantal artikelen over jullie onderwerp. Daarna krijgen jullie een demoproef te zien. Op deze manier weten jullie wat de mogelijkheden van jullie experiment zijn. Aan het eind van de middag stel je met je groepje een onderzoeksvraag. Kies iets wat je interessant vindt. Denk ook na over een goede hypothese. Praat hierover met je begeleider. Noteer de onderzoeksvraag en de hypothese in je onderzoeksrapport. Aan je begeleider moet je kunnen uitleggen waarom je deze onderzoeksvraag en hypothese hebt gekozen. Samen met je begeleider beslis je of de onderzoeksvraag en hypothese goed is. Alleen als jullie een goede onderzoeksvraag en hypothese hebben, kunnen jullie aan de slag met het opzetten van experimenten! Zet de onderzoeksvraag en de hypothese nu ook in het onderzoeksrapport. Gravitatiecellen ZELFGEMAAKTE BATTERIJEN DIE OOK WERKEN Batterijen zijn gekoppelde elektrochemische cellen die met behulp van een chemische reactie elektrische energie kunnen leveren. Ze worden veelal gebruikt als energiebron voor mobiele apparaten. Er zijn talloze toepassingen van batterijen in speelgoed, zaklampen, mobiele elektronica maar ook in pacemakers en hoorapparaten. In elke auto zit een batterij (lood accu) om de motor te starten. Moderne batterijen zoals de lithium ion batterij zijn zo effectief dat ze zelf elektrische voertuigen kunnen aandrijven, denk hier aan elektrofietsen en zelfs elektro-auto s. De technologie van batterijen wordt steeds verder ontwikkeld om batterijen steeds lichter en krachtiger te maken. In het bronnenboek vinden jullie een korte beschrijving van verschillende types batterijen. Pagina 5 26. Energie (2012)
Wat weet je al? Voordat jullie dieper ingaan op het onderwerp batterijen als mobiele energieleverancier is het nuttig om met elkaar te bespreken wat jullie al over dit onderwerp weten. Bespreek binnen jullie groep de volgende vragen. Als jullie er niet zelf uitkomen kan jullie begeleider verder helpen: Wat is het verschil tussen energie en arbeid? Wat is het verschil tussen kracht en vermogen? Wat is potentiele energie? Wat is elektrische energie/arbeid? Hoe meet je stroom, spanning en vermogen aan een verbruiker (= weerstand)? Hoe meet je het verbruik van elektrische energie? Wat gebeurt met de verbruikte energie? Wat is een Joule? Wat is een Watt? Welk deeltje draagt de elektrische energie? Wat gebeurt er als zink of koper met zuurstof reageren? Wat is een zout? Uit welke deeltjes bestaat een zout? Wat gebeurd als een zout in water oplost? Wat is het verschil tussen een atoom en een ion? Welke lading hebben metaalionen altijd? Hoe herken je een chemische reactie? Demoproef elektrochemische cel De elektrochemische cel in deze demoproef bestaat uit twee bekerglazen. die door een zoutbrug met elkaar verbonden zijn. Het eerste bekerglas bevat een zinksulfaatoplossing met erin ondergedompeld een zinkstaaf. Het tweede bekerglas bevat een kopersulfaat oplossing met koperstaaf. Als de twee metaalstaven verbonden worden met een metaaldraad bewegen elektronen van de zink- naar de koperelektrode. Meet de stroomsterkte en de spanning tussen de metaalelektroden. Wat gebeurt er als jullie de zoutbrug verwijderen? Zou deze cel ook stroom leveren als jullie alle oplossingen en metaalelektroden in een bekerglas zouden plaatsen? Wat gebeurd als je stroom en spanning over een variabele weerstand meet? Hoeveel vermogen levert de cel? Pagina 6 26. Energie (2012)
Met de inleidende demoproef maken jullie kennis met een elektrochemische cel die is gebaseerd op een chemische reactie tussen kopersulfaat en zink. Deze cel is in principe ook een batterij maar is vooral geschikt om de chemie achter een batterij te demonstreren. Voor een toepassing als batterij levert deze cel veel te weinig vermogen. Met name de stroomsterkte die deze cel levert is zeer beperkt. Pagina 7 26. Energie (2012)
Maak een batterij die echt werkt In dit project kunnen jullie zelf batterijen maken en hun werkwijze bestuderen. Dit type batterij is van eenvoudige onderdelen gemaakt, maar werkt volgens dezelfde principes als moderne batterijen. De naam van deze cel is gravitatie-element. Deze batterij kan al veel meer vermogen leveren dan de elektrochemische cel van de demoproef. Maar er zijn nog talrijke mogelijkheden om deze cel verder te verbeteren. Deze batterij was vooral in Engeland en Amerika populair als elektriciteitsbron op afgelegen plaatsen. Deze cel bevat geen zoutbrug. De zinksulfaat- en kopersulfaatoplossing zijn van elkaar gescheden omdat deze oplossingen twee lagen vormen. Om dit te bereiken zijn er een aantal trucs. Onderzoeksopdracht Zoek naar mogelijkheden om de gravitatie-batterij te verbeteren met als doel een batterij te maken die 1. veel energie kan leveren, 2. veel vermogen kan leveren, 3. oplaadbaar is, 4. zo weinig mogelijk chemicaliën gebruikt. De opdrachtgever (begeleider) verwacht van jullie een gedegen rapport waar de door jullie voorgestelde verbeteringen beschreven worden. Als demonstratie (proof-ofprinciple) zal jullie batterij een elektromotor aandrijven of een fietslampje laten gloeien. Bronnen 1. Batterijen Chemische Feitelijkheden 2004 tekst 144/205 2. Brandstofcellen Chemische Feitelijkheden 53-235 (2007) 3. Diverse toepassingen vers van het net Pagina 8 26. Energie (2012)
Naslagmateriaal vanuit diverse bronnen kn.nu/ww804bf36 (docx, maken.wikiwijs.nl) Pagina 9 26. Energie (2012)
Tips bij je onderzoek Hoe ontwerp je een experiment? Nu jullie een relevante, uitdagende en realistische onderzoeksvraag hebben, is het tijd om te bedenken hoe je deze gaat beantwoorden. Hiervoor ga je experimenten doen. Denk goed na welke experimenten je gaat doen. De beschikbare tijd en materialen zijn immers beperkt. Dit is voor echte onderzoekers niet anders. Bedrijven steken alleen maar geld in onderzoek, als je goed uit kunt leggen wat je gaat doen en wat je daarmee wilt bereiken. Je maakt hiervoor een werkwijze. In de werkwijze zet je in ieder geval het volgende: Tekening van je proefopstelling Welke experimenten jullie gaan doen Welke variabelen je hierbij gaat veranderen Welke dingen je gaat meten en hoe Denk er hierbij aan dat je met de resultaten de onderzoeksvraag wilt beantwoorden, anders heb je geen valide onderzoek. Denk er ook over na of je bepaalde experimenten wilt herhalen voor een grotere betrouwbaarheid. Bespreek de werkwijze met je begeleider. Als alles in orde is, kun je gaan experimenteren. Als nog niet alles in orde is, ga je de werkwijze aanpassen totdat de begeleider goedkeuring geeft om te gaan experimenteren. Zet de werkwijze nu ook in je onderzoeksrapport. Het experiment uitvoeren Zorg ervoor dat je tijdens je experimenten alles goed noteert. Als je bijvoorbeeld een spanning instelt of een massa bepaalt, noteer dat dan. Dit geldt natuurlijk ook voor je metingen. Het zou zonde zijn als je experimenten doet en er daarna achter komt, dat je niet meer weet welk experiment het was of welk resultaat het opleverde. Uitwerking resultaten Als je klaar bent met je experimenten bespreek je de resultaten met je begeleider. Die zal jullie helpen bij het uitwerken van de resultaten. Bedenk welke grafieken en tabellen je wilt maken. Maar grafieken en tabellen alleen zijn niet genoeg. Vertel ook of de resultaten waren wat je ervan had verwacht. Hebben jullie misschien een fout gemaakt tijdens het experimenteren? Kun je met de resultaten de onderzoeksvraag beantwoorden? De uitwerkingen neem je vanzelfsprekend op in het onderzoeksrapport. Conclusies trekken In de conclusie geef je antwoord op de onderzoeksvraag. Is het niet gelukt om een antwoord te vinden? Dan zet je in de conclusie hoe dat komt. Klopt het antwoord met je hypothese? Probeer je conclusie nu in een breder perspectief te plaatsen. Wat kunnen jullie leren van je onderzoek? Kijk nog eens naar een aantal artikelen. Jullie hebben een onderzoeksvraag gesteld, waarmee het energieprobleem niet in één keer is opgelost. Maar je hebt er (hopelijk) wel iets van geleerd. Wat kun je met de uitkomst van jullie onderzoek doen in het dagelijks leven? Kun je een praktische toepassing bedenken? Praat met je begeleider over je conclusies. Neem deze vervolgens op in het onderzoeksrapport. Verslag en presentatie Als het goed is heb je tijdens jullie onderzoek alles vastgelegd in het onderzoeksrapport. Hierin staan alle stappen van jullie onderzoek, van onderzoeksvraag tot conclusie. Maak van jullie onderzoek nu een korte presentatie (ongeveer 10 minuten). Laat in de presentatie zien waar jullie onderzoek over gaat, de andere groepjes zijn met een ander onderwerp bezig geweest en weten dus niets van jullie onderzoek. Vertel wat jullie hebben onderzocht, hoe het onderzoek is verlopen en wat jullie Pagina 10 26. Energie (2012)
conclusies zijn. Voor zowel jullie onderzoeksrapport als jullie presentatie hebben we al een opzetje gemaakt. Jullie worden sterk aangeraden deze te gebruiken. Vul het onderzoeksrapport en de presentatie in met jullie eigen gegevens. Bewaar dit niet allemaal tot het laatst, maar doe dit zodra jullie weer wat nieuws hebben om erin te plaatsen. Maak het onderzoeksrapport en de presentatie ook voor anderen interessant door deze bijvoorbeeld aan te kleden met foto s, plaatjes, grafieken en tabellen. Pagina 11 26. Energie (2012)
Over dit lesmateriaal Colofon Dit materiaal is ontwikkeld door: Nick de Caluwe, Vic Dhooge, Sander Kerstens, Teun Minkels & Peter Thüne in het kader van het vak betadidactiek binnen de lerarenopleiding van de Eindhoven School of Education (TU/e) in opdracht van het Commanderij College Gemert. De gebruikte afbeeldingen en fragmenten zijn door ons gecontroleerd ten aanzien van hun rechtenvrije beschikbaarheid. Mocht hier onverhoopt toch een probleem blijken, neemt u dan contact op met esoe@tue.nl zodat wij het kunnen herstellen. Auteur Eindhoven School of Education Laatst gewijzigd 04 May 2015 om 09:42 Licentie Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om: het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden. Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie Aanvullende informatie over dit lesmateriaal Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar: Leerniveau VWO 6; Leerinhoud en doelen Scheikunde; Natuurkunde; Eindgebruiker leerling/student Moeilijkheidsgraad gemiddeld Studiebelasting 15 uur en 0 minuten Trefwoorden batterijen, bèta, biofuels, energie, esoe, hydroelectricity, profielwerkstuk Pagina 12 26. Energie (2012)