Als een uitgever besluit om een reeks leerboeken niet meer uit te geven dan kunnen de auteurs de toelating geven om die leerboeken te kopiëren in de scholen waar deze leerboeken nog gebruikt worden.
Als je er dan nog een gratis interactieve handleiding bij krijgt dan kan de pret wellicht niet op.
Voor het tweede leerjaar van de eerste graad omvat het leerboek drie gebieden:
1. Materie.
2. Warmte.
3. Licht.
Dit leerboek is bedoeld als een eerste kennismaking met de fysica.
De denkvraagjes worden in het leerboek opgenomen.
In het tweede jaar zijn er nog geen vraagstukken.
De leerlingenproeven worden eveneens kort beschreven.
De leerlingen kunnen onder begeleiding van de leerkracht, in een schriftje, een verslag van de uitgevoerde proeven maken en eveneens de antwoorden op de denkvraagjes hierin noteren.
Zo is geen duur werkschrift nodig.
We hopen zo te komen tot een moderne aanpak van het fysicaonderwijs en de zelfwerkzaamheid van de leerlingen te stimuleren.
We kunnen de trend om ICT-projecten te integreren in de les niet links laten liggen en hebben in dit elektronisch boek dat de leraar een helpende hand wil reiken dan ook simulaties aangebracht.
De interactiviteit was voor ons een prioriteit.
Natuurlijk mochten de oplossingen van de denkvraagjes niet vergeten worden.
En er werden nieuwe denkvraagjes toegevoegd.
Er is ook gesleuteld aan de tekst van het leerboek.
Er werden leesstukjes toegevoegd.
In tegenstelling met het leerboek wemelt het in deze handleiding van de kleurfoto’s.
Dat deze interactieve handleiding zoveel bladzijden telt is geen bezwaar omdat we kozen voor een elektronisch boek dat zelfs zonder e-Ink te lezen is.
Waarom fysica?
De fysica bestudeert evenals de chemie en de biologie bepaalde aspecten van de natuur rondom ons.
Waarom is de mens de natuur gaan bestuderen?
Waarschijnlijk in de eerste plaats uit nieuwsgierigheid doch ook omdat elke mens zich een beetje voorspeller wil voelen.
Door de natuurverschijnselen grondig te observeren, kan men dikwijls voorspellen, wat in bepaalde omstandigheden zal gebeuren.
Door ervaring hebben we geleerd, dat na een bliksemschicht steeds een donderslag volgt, terwijl de studie van de beweging van Maan en Zon ons een zonsverduistering kan laten voorspellen.
Om dit te bereiken moet je niet alleen de natuurverschijnselen observeren, doch tevens nauwgezet uitkijken naar een logisch verband tussen oorzaak en gevolg om een duidelijke wetmatigheid te ontdekken.
Reeds vroeg voelde de mens hierbij de behoefte om zijn waarnemingen zoveel mogelijk door getallen weer te geven.
Het is bijvoorbeeld heel wat duidelijker te beweren dat Gent op 54 km van Brussel ligt, dan te zeggen de afstand tussen Gent en Brussel nogal groot is.
Mijn vriend Jan meet 1,82 m zegt heel wat meer dan Jan is de grootste!
De voorzitter van de Club van Lange Mensen, Paul, kwam langs om de start mee te maken van het lengteonderzoek van het wetenschapsmagazine Natuur en Techniek.
Hij had van tevoren verteld 2 meter 10 te meten, maar de laserinterferometer van het Nederlands Meetinstituut was onverbiddelijk: Paul is 206,5 cm lang.
Om de natuurverschijnselen met getallen te beschrijven moet je kunnen meten en hiervoor heb je niet alleen meettoestellen nodig, doch ook een eenhedenstelsel.
Zo’n eenhedenstelsel werd opgebouwd uitgaande van de studie van rust en beweging.
Dit gebied van de fysica eist echter een dergelijk zware inspanning, die we willen vermijden door eerst onderwerpen te bestuderen, die vooral de zuivere observatie stimuleren, om later, als we meer met de methode van de fysica vertrouwd zijn, de moeilijkere mechanica aan te pakken.
Iedereen voelt warmte en koude en ziet licht.
Daarom zullen onze eerste schreden in de fysica zich vooral tot die gebieden richten.
De mens is een denkend wezen.
Hij vergenoegt zich er niet alléén mee te observeren.
Hij wil begrijpen.
Daarom heeft hij zich geleidelijk een model gevormd van de natuur rondom hem, om een verklaring te geven van wat er in omgaat.
Ons eerste thema gaat dan ook over het zoeken naar een model voor de bouw van de stof.
De verschillende niveaus waaruit de materie is opgebouwd:
kristal
atoom
atoomkern
kerndeeltje
quark
Een leesstukje over meten.
Met meten begint de wetenschap.
En wie meten zegt, zegt eenheden.
Want zonder duidelijke afspraken over eenheden heerst de verwarring, zoals de NASA tot haar schande mocht ondervinden toen ze kilogrammen verwarde met ponden en een Marssatelliet haar ondergang tegemoet stuurde.
Gelukkig is, althans buiten de Verenigde Staten, het tijdperk van duimen, voeten en ellen voorbij, en hebben we een logisch opgebouwd systeem van eenheden.
Het heet SI, Système International, en het is gebaseerd op zeven fundamentele eenheden, waaruit alle andere worden afgeleid.
Bij die zeven zijn vedetten als de seconde, maar ook relatief onbekende harde werkers als de mol.
We laten ze allemaal de revue passeren.
lengte met als eenheid de meter
massa met als eenheid de kilogram
tijd met als eenheid de seconde
temperatuur met als eenheid de kelvin
elektrische stroomsterkte met als eenheid de ampère
hoeveelheid stof met als eenheid de mol
lichtsterkte met als eenheid de candela
De website die je die informatie geeft moet echter blijven bestaan.
En dat is nooit een zekerheid.
Klik links op website!
De rubriek fysica blijkt leeg te zijn.
Om dergelijke desillusies te vermijden stel ik voor dat je de simulaties op je harde schijf plaatst!
DEEL 1.
MATERIE.
A. BOUW VAN DE STOF.
1. Voorwerpen en stoffen.
Kijken we rondom ons dan zien we allerlei zaken, zoals een hamer, een drinkglas, een ballonnetje (fig. A1).
Dit zijn voorwerpen.
Alle voorwerpen zijn opgebouwd uit stoffen, zoals ijzer, hout, glas, water,rubber, lucht.
Soms spreekt men voor stoffen algemeen over materie.
Doordenkertjes.
1. Noteer in je werkschrift de naam van volgende voorwerpen en schrijf er
naast de naam van de stoffen, waaruit ze bestaan:
een sneeuwvlokje, een kast, een mes, de voorruit van een auto, een vulpen,
een gom, een schoolagenda.
2. Kies uit volgende lijst de voorwerpen:
auto, baksteen, stoel, plastiek, slaolie, inkt, satelliet, aardgas, planeet.
3. Geef de naam van:
de natuurlijke satelliet van de Aarde;
een planeet van de Zon.
(de Maan) (de Aarde)
4. Wat is het verschil tussen water en ijs?
(water is vloeibaar en ijs is vast)
5. Van welke stof is het Atomium een model? (ijzer)
Uit welke stof zijn de bollen van het Atomium gemaakt? (aluminium)
2. Elke stof is opgebouwd uit deeltjes. Deelbaarheid.
Proef A1.
Een motbal (naftaleen), die we niet zien verkleinen, ruiken we op meters afstand.
Blijkbaar maken er zich van de motbal onzichtbare kleine deeltjes los, die ons reukorgaan prikkelen.
Proef A2.
Los een korreltje fuchsine (rode kleurstof) op in een weinig alcohol en breng een druppeltje van deze vloeistof in een groot vat met water.
Al het water krijgt een roze kleur.
Dit toont aan dat de fuchsine zich zodanig verdeeld heeft, dat er in elk waterdruppeltje zit.
Besluit.
Elke stof is opgebouwd uit uiterst kleine deeltjes, die nog altijd uit dezelfde stof bestaan.
Doordenkertjes.
1. Waarom ruik je een gaslek in het laboratorium?
Aardgas heeft geen reuk, is verstikkend en kan ontploffen.
Bij aardgas is daarom een stinkende stof gevoegd.
De kleine deeltjes waaruit deze stinkende stof bestaat verdelen zich in de
lucht van het laboratorium zodat ze onze neus prikkelen.
2. Geef de naam van een gas dat zoals aardgas:
geen reuk heeft en giftig is; (koolstofmonoxidegas)
geen reuk heeft en kan ontploffen. (waterstofgas)
ICT-projecten.
1. Zoek op het internet welke stinkende stof bij aardgas gevoegd wordt.
2. Fuchsine is een rode kleurstof.
Zoek op het internet de naam van de blauwe kleurstof in inkt op.
3. Zoek op het internet informatie op over voedingskleurstoffen.
3. Model voor de bouw van de stof.
Foto’s van bepaalde stoffen gemaakt met een elektronenmicroscoop
(fig.A2) staven de deeltjesstructuur van de stof.
Het is zinvol om een model voor de bouw van de stof voor te stellen, dat gelijkt op wat op dergelijke foto’s te zien is.
We stellen de kleinste bouwstenen van de stof voor door bolletjes, die we moleculen noemen.
We zullen later zien, dat dit model nog zal moeten verfijnd worden.
Het kleinste deeltje van een stof dat kan voorkomen is een molecule.
Een leesstukje.
Deeltjes, ó zo klein !
Reeds in de 4de eeuw vóór Christus opperde de Griekse filosoof Democritus (460-371 v.Chr.), dat alle stoffen opgebouwd zijn uit kleine, starre bolletjes, die hij atomen noemde (“atomos” betekent: niet deelbaar).
Het liep gedurende eeuwen echter fout door de schuld van Aristoteles (384-322 v.Chr.), die de opvatting van Empedocles (500-440 v.Chr.) doordrukte dat alle stoffen opgebouwd zijn uit de vier elementen : aarde (droog en koud), water (nat en koud), lucht (nat en warm) en vuur (droog en warm).
In de 17de eeuw durft de Ier Robert Boyle (1627-1691), de opvattingen van Aristoteles in twijfel trekken.
Hij grijpt terug naar het deeltjesmodel van de materie en verkondigt de overtuiging dat elke materie bestaat uit deeltjes (onze atomen), die zich met elkaar verbinden tot groepen (onze moleculen).
De verschijnselen, die door dit deeltjesmodel verklaard worden, zijn in de loop der tijden steeds talrijker geworden, zodat thans iedereen dit model aanvaardt.
Nieuwe ontdekkingen hebben deze opvatting niet meer doen wankelen.
Alleen werd men geleidelijk verplicht verschillende bouwstenen van de stof
te onderscheiden, zodat men thans spreekt over moleculen, atomen,
protonen, neutronen, elektronen, quarks ...
ICT-projecten.
1. Zoek op het internet de biografie op van:
Democritus; Aristoteles; Empedocles; Robert Boyle.
2. Zoek op het internet informatie op over:
virussen; moleculen; atomen; protonen; neutronen; elektronen; quarks.
4. De beweging van moleculen. Diffusie bij gassen.
Proef A3.
Breng in een reageerbuis enkele koperkrullen en giet er een weinig salpeterzuur over.
Leg een glasplaatje over de reageerbuis.
Plaats nu een even grote reageerbuis, waarin zich lucht bevindt, boven de eerste met de openingen naar elkaar (fig. A3).
Na korte tijd zie je, dat er ook bruin gas in de bovenste buis is.
De moleculen van de lucht en deze van het bruin gas worden spontaan door elkaar gemengd.
Herhaal de proef, doch verwarm voorzichtig met een vlam.
De menging gebeurt sneller.
Verklaring.
We moeten aannemen dat de gasmoleculen zich vrij kunnen bewegen in de boven elkaar geplaatste buisjes.
De gasmoleculen botsen weliswaar tegen elkaar aan, maar de afstand, die ze tussen twee botsingen in afleggen, is groot vergeleken met de afmetingen van de moleculen.
De gasmoleculen botsen eveneens tegen de wanden van de buisjes en oefenen er een druk op uit.
Besluit.
De moleculen van een stof zijn voortdurend in beweging.
Deze beweging wordt soms de thermische beweging genoemd, aangezien de snelheid van de deeltjes door verwarming toeneemt.
Diffusie is het verschijnsel waarbij moleculen door elkaar gemengd worden doordat ze bewegen.
ICT-projecten.
1. Bekijk de diffusie bij een gas.
Als je links klikt met de muis op diffusie wordt de simulatie gestart.
De kans bestaat dat de website niet meer bestaat.
In ieder geval spreekt men Engels!
Daarom geef ik je mogelijkheid om diffusie te downloaden van op een website waarop ik de simulaties die vertaald zijn in het Nederlands geplaatst heb. Omdat het bij iedere simulatie gaat over meer dan één bestand zijn ze samengevoegd in een zip-bestand. Na unzippen heb je de simulatie op je harde schijf en kan je de simulatie bekijken!
Er zitten deeltjes (zwarte bolletjes) in een doosje.
Die deeltjes bewegen.
Verwijder het deksel van het doosje door er links op te klikken.
De deeltjes komen dan overal terecht door diffusie.
De deeltjes die ontsnappen uit het doosje kunnen bewegen in alle richtingen en geraken dan ook uit het doosje.
De deeltjes lopen spontaan van waar er veel zijn (binnen in het doosje) naar waar er weinig zijn(buiten het doosje).
2. Zoek op het internet welke naam het bruin gas heeft die soms ook nitreuse damp genoemd wordt?
(stikstofdioxidegas)
5. Diffusie bij vloeistoffen en vaste stoffen.
Proef A4.
Breng een druppel blauwe inkt met een druppelteller in het midden van een beker, gevuld met water (fig. A4).
De diffusie van inkt in het water gebeurt trager dan die van het bruin gas in
de lucht.
Verklaring.
Daar de afstand tussen de vloeistofmoleculen kleiner is dan bij de gasmoleculen zullen ze meer botsen en is de afstand, die afgelegd wordt tussen twee botsingen in, kleiner.
De vloeistofmoleculen bewegen immers minder vrij dan de gasmoleculen.
De snelheid waarmee de moleculen van de inkt en het water door elkaar gemengd worden is dan ook kleiner.
Door verwarming van het water kan men weer vaststellen, dat de vermenging sneller gebeurt, daar de thermische beweging van de moleculen sneller verloopt.
Proef A5.
Smelt een blad gelatine en laat het stollen in een bekertje.
Breng met een tangetje een stukje rode kleurstof tussen de glaswand en de gelatine.
De gelatine wordt rood gekleurd, doch dit gebeurt zeer traag.
Verklaring.
De moleculen van een vaste stof bewegen ook, maar die beweging is nog minder vrij dan deze van de moleculen van een vloeistof.
Bij een vaste stof trillen de moleculen rond een vaste plaats.
De afstand tussen de moleculen van een vaste stof is nog kleiner dan die tussen vloeistofmoleculen.
Daardoor is de diffusiesnelheid bij een vaste stof zeer klein.
ICT-project.
Bekijk een trillend kristal.
Als je links klikt met de muis op kristal wordt de simulatie gedownload van een website die nu eens in het Frans spreekt voor de verandering.
Als je links klikt met de muis op kristal wordt de simulatie in het Nederlands gedownload. Je moet deze simulatie wel nog unzippen voordat je deze kan bekijken!
6. De Brownse beweging.
Een mooi bewijs voor de beweging van de moleculen vinden we bij de Brownse beweging.
Proef A6.
Breng in een bekerglas een uiterst verdunde oplossing van loodnitraat (één korrel, ongeveer 10 mg per l gedistilleerd water).
Roer even in die oplossing met een glasstaafje, dat gedompeld werd in een natriumcarbonaatoplossing (0,5 g in ongeveer 5 cm3 water).
In het bekerglas vormen zich zeer kleine kristalletjes van onoplosbaar loodcarbonaat.
Stuur nu een lichtbundel zijdelings door het bekerglas(fig. A5).
Je ziet de uiterst kleine kristalletjes ordeloos door elkaar dansen (eventueel
door een loupe bekijken!).
Dit verschijnsel noemt men de Brownse beweging omdat de plantkundige Robert Brown in 1827 de beweging van stuifmeelkorrels in water voor het eerst onder de microscoop waarnam.
ICT-projecten.
1. Zoek op het internet de biografie op van Robert Brown.
2. Bekijk de Brownse beweging.
Als je links klikt met de muis op Brownse beweging wordt de simulatie ingeladen.
3. Onderzoek de Brownse beweging.
Als je links klikt met de muis op Brownse beweging wordt de simulatie ingeladen.
Wat kan je doen?
Het rode bolletje is het deeltje dat de brownse beweging ondergaat.
Elk grijs bolletje stelt een gasmolecule voor.
N is het totale aantal moleculen.
Het aantal moleculen is te veranderen.
Vergeet niet op Enter te drukken.
m2/m1 is de verhouding van de massa van het deeltje en de massa van een gasmolecule.
Die verhouding is te veranderen.
Vergeet niet op Enter te drukken.
Klik op + om te versnellen (hogere temperatuur) en op - om te vertragen (lagere temperatuur).
Vink het vakje het pad aan om de weg die het deeltje aflegt zichtbaar te maken.
Klik met de rechter knop van de muis en de simulatie wordt tijdelijk stopgezet.
Door nogmaals met de rechter knop van de muis te klikken wordt de simulatie opnieuw gestart.
Als de simulatie tijdelijk is stopgezet, kan het deeltje met de linker knop van de muis versleept worden.
Je kan altijd opnieuw beginnen door te klikken op Opnieuw .
Maak een kort verslag.
Verklaring.
De watermoleculen, die voor ons onzichtbaar zijn, botsen tegen de kristalletjes aan. Deze krijgen, doordat ze uiterst klein zijn, nu eens een stoot in de ene richting, dan weer een stoot in een andere richting.
Hierdoor krijgen de kristalletjes een grillige, ordeloze beweging.
Besluit.
De Brownse beweging van microscopisch kleine deeltjes in een vloeistof is te wijten aan de thermische beweging van de vloeistofdeeltjes.
Doordenkertjes.
1. Bekijk je rook in een doorzichtig doosje onder een microscoop en belicht je het doosje zijdelings, dan zie je de rookdeeltjes grillig bewegen.
Verklaar.
De deeltjes waaruit de lucht (1/5 zuurstofgas en 4/5 stikstofgas) bestaat en die voor ons onzichtbaar zijn, botsen tegen de rookdeeltjes aan.
Deze krijgen doordat ze uiterst klein zijn nu eens een stoot in één richting, dan weer in een andere richting.
Hierdoor gaan de rookdeeltjes grillig bewegen.
2. Als er een zonnestraal op een donkere zolder door een spleet invalt, zijn er dansende stofdeeltjes te zien.
De dans van de stofdeeltjes in een zonnestraal is een Brownse beweging die te wijten is aan de thermische beweging van de deeltjes waaruit de lucht bestaat.
Die deeltjes botsen tegen de stofdeeltjes aan met een wanordelijke beweging als gevolg.
7. Krachten tussen moleculen.
a. De cohesiekracht.
Proef A7.
Tracht een stuk krijt door te breken door er in zijn lengterichting aan te trekken.
Er moet een grote kracht uitgeoefend worden om hierin te lukken.
Verklaring.
Tussen moleculen van dezelfde soort bestaat er een kracht die ze bij elkaar wil houden.
De aantrekkingskracht tussen moleculen van eenzelfde stof noemen we cohesiekracht.
b. De adhesiekracht.
Proef A8.
Schrijf met krijt op het bord.
Er blijft krijt aan het bord kleven.
Verklaring.
Moleculen van verschillende stoffen oefenen eveneens een aantrekkingskracht op elkaar uit.
De aantrekkingskracht die moleculen van verschillende stoffen op elkaar uitoefenen noemen we adhesiekracht.
Doordenkertjes.
1. Er bestaan zowel contactkrachten (een stoel drukt op de vloer) als krachten die op afstand werken (de Aarde trekt de Maan aan).
Tot welke soort reken je de cohesie- en adhesiekracht?
(contactkrachten).
2. Als je een glasstaaf in water onderdompelt wordt deze nat.
Wat besluit je hieruit over de cohesie- en adhesiekrachten?
De adhesiekrachten tussen de glas- en watermoleculen zijn groter dan de cohesiekrachten tussen de watermoleculen.
3. Als je een glasstaaf in kwik onderdompelt blijft er geen kwik aankleven.
Wat besluit je hier over cohesie- en adhesiekrachten?
De adhesiekrachten tussen de glas- en kwikmoleculen zijn kleiner dan de cohesiekrachten tussen de kwikmoleculen.
4. Als je een zeer dun buisje met één uiteinde verticaal in water brengt, stijgt
het water erin omhoog.
Welke van de twee vorige krachten is het grootst?
Men heeft het in dat verband over de capillaire opstijging of capillariteit.
Een capillair is een dun buisje.
Bij de capillaire opstijging van water in een dun glazen buisje zijn de adhesiekrachten tussen de glas- en de watermoleculen groter dan de cohesiekrachten tussen de watermoleculen.
De adhesiekrachten trekken de watermoleculen omhoog en de cohesiekrachten trekken de watermoleculen omlaag.
Omdat de adhesiekrachten groter zijn dan de cohesiekrachten krijgen we een capillaire opstijging van water.
5. Als je een capillair in kwik duwt wordt het kwik omlaag gedrukt in het buisje.
Welke kracht is hier het grootst?
Het kwik wordt door de capillariteit in het glazen buisje omlaag gedrukt omdat de adhesiekrachten tussen de glas- en de kwikmoleculen kleiner zijn dan de cohesiekrachten tussen de kwikmoleculen.
De adhesiekrachten trekken de kwikmoleculen omhoog en de cohesiekrachten trekken de kwikmoleculen omlaag.
Omdat de cohesiekrachten groter zijn dan de adhesiekrachten krijgen we dat het kwik omlaag gedrukt wordt in een dun glazen buisje.
ICT-project.
Cohesie- en adhesiekrachten zijn krachten tussen moleculen.
Zoek hier op het internet meer informatie over op.
Samenvatting.
Bouw van de stof.
1. Alle voorwerpen zijn opgebouwd uit stoffen.
2. Alle stoffen zijn deelbaar
3. Aan die deelbaarheid is een grens: de molecule van de stof (kleinste deeltje van die stof).
4. De moleculen van een stof zijn steeds in beweging; hun snelheid vergroot bij verwarming : thermische beweging.
5. Moleculen van verschillende stoffen kunnen tussen elkaar doordringen:diffusie.
6. Moleculen trekken elkaar aan:
aantrekkingskracht tussen gelijksoortige moleculen: cohesie ;
aantrekkingskracht tussen ongelijksoortige moleculen: adhesie.
