Gebruik Geschiedenis bij het Natuurkundeonderwijs! Rupert Genseberger Woudschoten Conferentie 10 December 2010

Waarom Geschiedenis? Twee grote problemen in natuurkundeonderwijs: Gebrekkige begripsvorming natuurkundige concepten Weinig leerlingen hebben interesse in natuurkunde Geschiedenis kan helpen bij aanpakken van die problemen

Weinig interesse van leerlingen Wat daar aan gedaan wordt: Aandacht voor beroepen waarvoor bèta nodig is (bv. Kies Exact, stages, in boek) Uitgaan van toepassingen van wetenschap en techniek (bv. NLT, context- concept benadering) Geen of weinig aandacht voor: Intrinsieke interesse van de leerlingen

Gebrekkige begripsvorming Natuurkunde is moeilijk: Rekenen en wiskunde Begrippen vaak contra – intuïtief –Wet van Newton: zonder kracht gaat voorwerp altijd rechtdoor –Energie is behouden, maar we verbruiken wel energie –Onderscheid warmte en temperatuur –…–…

Geschiedenis als hulp Contra – intuïtieve ideeën zijn bedacht door mensen, vanuit hun ervaringen: –Hoe zijn ze erop gekomen? –Waarom hebben ze die vreemde veronderstellingen gemaakt? Stimuleren dat leerlingen zich vragen blijven stellen: –Vragen van vroege onderzoekers baken voor docent –Open oor verwerven voor vragen van leerlingen

Een voorbeeld: energie Veel begripsproblemen –op school, bij studenten en afgestudeerden –bekend uit eigen ervaring en onderzoek Studie geschiedenis energie leverde op: –Concept warmte speelde centrale rol in ontwikkeling concept energie –In onderwijs: Concept warmte naar de marge –In boeken (school en universitair) staat: warmte is energie, niet waarom dat zo is

Warmte en Temperatuur Warmte en temperatuur zijn: ‘vanzelfsprekende’ termen voor natuurkundedocent concepten, moeizaam ontwikkeld vanuit dagelijkse ervaringen en woordgebruik –Ik heb het warm, hier is het koud, de soep is niet warm genoeg; –Hoe warm is het hier? Hoe warm wordt het morgen?; –Dit geeft me een warm gevoel, ik krijg hier koude rillingen van; –Hij is een koude kikker, zij geeft warmte, dit zijn warme kleuren. Woorden warm, warmte, koud bestaan al duizenden jaren in onze taal; Gebruikt om lijfelijke ervaringen aan te geven; Oorspronkelijk waren de begrippen subjectief: gaven alleen gevoelens weer; Eerste instrument warmer/kouder: Galileo’s thermoscoop

Thermoscoop Galileo’s thermoscoop Galileo 1593: thermoscoop In Nederland: Cornelis Drebbel 1612 Isaac Beeckman 1628: Eerste weerstation Verschillende varianten: - Lucht - Water - Andere vloeistoffen Thermoscoop meet: warmer/kouder

Ontwikkeling concept Temperatuur Europese onderneming –Italiaanse universiteiten: Academia del Cimento –Franse artsen (Jean Rey, Guillaume Amontons) –Scandinavische natuurwetenschappers (Ole Roemer, Anders Celsius, Linneaus) –Royal Academy of Science (Robert Boyle, Robert Hooke, Christiaan Huygens) Belangrijke stappen in ontwikkeling: –Open vloeistofthermoscoop Galileo (1593) –Gesloten vloeistofthermoscoop –Idee van vaststelling van twee ‘eindpunten’ (Oorspronkelijk: ‘De hevigste winterkou’ en ‘De grootste zomerhitte’) –Idee vaststellen reproduceerbaar getal (eind 17e eeuw) –Woord ‘Temperatuur’ ingevoerd (afgeleid van ‘temperament’) –Thermoscoop werd nu thermometer –Nieuw concept: thermometer meet getal Vaste punten lastig te bepalen –Kokend water? –Smeltend ijs? –Zekerheid pas omstreeks 1740 –‘Temperatuur’ kan nu pas worden gedefinieerd als: ‘Temperatuur is het met een geijkte thermometer gemeten getal’

Van temperatuur naar warmte Thermoscoop: instrument om verandering te registreren Vastigheid: –IJkpunten –Temperatuur: wat thermometer meet Warmte: Boerhaave ( ) –Als warmte eenmaal geproduceerd is, blijft ze bestaan –Warmte gaat niet verloren: behoud van warmte –Hoeveelheid warmte die ½ l water x° laat stijgen, is hoeveelheid warmte die 1 l water ½ x° laat stijgen –Meten warmte: met thermometer en weegschaal –Eenheid van warmte: Hoe definiëren? –Calorie: hoeveelheid warmte die 1 gram water 1º C in temperatuur laat stijgen Resultaat: twee nieuwe concepten met vastigheid: –Temperatuur –Warmte

Een tijdsschaal 1593: Thermoscoop Galileo 1620: Weerstation Beeckman 1690: Thermometer Amontons 1709: Thermometer Fahrenheit 1730: Behoudswet Warmte Boerhaave 1740: Eenstemmigheid over ijkpunten 1740: Temperatuurschaal Celsius

Nog een behoudswet Galileo Galilei (1564 – 1642) Bal van een helling Slinger Beide komen steeds weer even hoog! Experiment van Galilei om aan te tonen dat inderdaad de hoogte bepalend is en niet de vorm van de slingerbaan. Er is ‘iets’ dat hetzelfde blijft: vis viva (levende kracht) (Galilei)

Is Vis viva wel behouden? Vis viva behouden? –Als draaiende molen niet meer wordt aangedreven, stopt hij snel –Ook slinger stopt op den duur –Galilei: verdwijnen van vis viva komt door wrijving –Precieze verband met wrijving was niet duidelijk Rumford (1753 – 1814) -Bij boren gat voor kanonsloop wordt het ijzer heet -Na 2,5 uur boren -> 13 liter water van vriespunt tot kookpunt -Hoeveelheid warmte gemeten -Hoeveel Vis viva omgezet in warmte?

Behoudswetten met beperkingen Behoud van Warmte: Als warmte er eenmaal is, blijft ze behouden Eenheid van warmte: Calorie Behoud van Vis Viva Vis Viva kan behouden blijven. Als ze verdwenen is: omgezet in warmte Eenheid van Vis Viva: = eenheid van Arbeid: Kracht x weg (Nm)

Experiment van Joule Joule (1818 – 1889) meet nauwkeurig: –verdwenen vis viva en ook –daarmee geproduceerde warmte Gewicht, zakt langzaam naar beneden Trommeltje met water en schoepenrad Gewicht, zakt langzaam naar beneden Principe experiment uit 1845:

Schoepenrad experiment Joule

Nagebouwd experiment van Joule In 1995 is in een fort in Oldenburg de apparatuur van Joule nagebouwd en zijn experiment uitgevoerd. Het bleek extreem moeilijk te zijn om net zo’n goede resultaten te bereiken als Joule. In 1995 is in een fort in Oldenburg de apparatuur van Joule nagebouwd en zijn experiment uitgevoerd. Het was extreem moeilijk om net zo’n goede resultaten te bereiken als Joule.

Nogmaals de behoudswetten Behoud van Warmte: Als warmte er eenmaal is, blijft ze behouden Eenheid van warmte: Calorie Behoud van Vis Viva Vis Viva kan behouden blijven. Als ze verdwenen is: omgezet in warmte Eenheid van Vis Viva: = eenheid van Arbeid: Kracht x weg (Nm) Vis Viva en warmte: samen behouden, zonder beperking Maar: ze zijn niet hetzelfde! Vis Viva kan in warmte worden omgezet. In hoeverre kan dat andersom ook? Stoommachine was indicatie dat het (gedeeltelijk) kon.

Arbeid: Warmte en Vis Viva stoommachines en watermolens

De tijdsschaal aangevuld 1593: Thermoscoop Galileo 1590: Galileo formuleert behoud vis viva 1620: Weerstation Beeckman 1690: Thermometer Amontons 1709: Thermometer Fahrenheit 1730: Behoudswet Warmte Boerhaave 1740: Eenstemmigheid over ijkpunten 1740: Temperatuurschaal Celsius 1750: Bernouilli werkt verder aan vis viva 1800: Kanonsloop experiment Rumford 1845: Joule bepaalt mechanisch warmte-equivalent 1850: Energie: Datgene wat (berekend) behouden blijft Nieuw programma => wanneer ‘Behoud van energie?’

Enkele conclusies voor onderwijs Voor fundering wetenschappelijk energiebegrip, zijn begrippen temperatuur en warmte onmisbaar Temperatuur en warmte verdienen zorgvuldige introductie Respecteer de lichamelijke verbondenheid Stimuleer nieuwsgierigheid van leerlingen Laat hun vragen uitgangspunt zijn voor de leerlingen

Enkele voorbeelden Houten stoel en metalen buis staan beiden in lokaal van 20ºC. Waarom voelen ze dan verschillend warm aan? Experiment : –zet voorwerpen op volgorde van koud naar warm (gevoeld) –Meet temperatuur van alle voorwerpen –??

Resultaat: Nieuwe vraag! Alle voorwerpen in het lokaal hebben dezelfde temperatuur! Hoe kan dat nu weer? Hoe komen we nu aan een antwoord op die vraag? We gebruiken weer een experiment: –Metalen en houten cilinder –Thermometer erin –Vasthouden in je hand –Wat zie je, wat voel je?

Zoeken naar een verklaring

Temperatuur en gevoel Koud water Lauw water Heet water Thermometer meet temperatuur Gevoel is als thermoscoop –registreert temperatuurverschillen –afkoelen/opwarmen van lichaam

Verandering en behoud Om ons heen: voortdurend verandering –Heraclitus (540 – 480 v.Chr.): Panta Rhei –Natuurwetenschap nog mogelijk? Op zoek naar vastigheid –Parmenides (tijdgenoot Heraclitus): alle verandering is illusie, zoek naar wat achter de verschijnselen zit –Vier elementen theorie (vuur, aarde, water, lucht) –Deeltjestheorie (Democritus)

Hoe ‘behoud’ in onderwijs? Vier elementen theorie: –Vertel in klas –??? –Probeer eens iets te bedenken dat je niet kunt beschrijven met de vier elementen –??? –Vacuüm, gedachten, wetten Resultaat: er werd beter nagedacht Bolletjestheorie Democritus –Experiment verklaren met bolletjestheorie –Welke eigenschap van de bolletjes neem je aan? –…–… Resultaat: Inzicht in ontstaan molecuul theorie

Theorie en Mening Leerlingen moeten enig inzicht krijgen in hoe wetenschappelijk theorieën ontstaan Inzicht maakt duidelijk dat ‘een theorie’ iets anders is dan ‘een mening’ Behoedt voor dogmatisch denken

Daarom Geschiedenis bij Natuurkunde Geschiedenis kan de docent: –Inzicht geven in begripsproblemen leerlingen –Helpen om vragen van leerlingen op te roepen en de relevantie daarvan te zien –Helpen de lessen interessanter te maken –Meer plezier en inzicht in zijn vak geven Geschiedenis kan de leerling: –Wetenschap laten zien als menselijke activiteit –Helpen om concepten beter te begrijpen –Helpen dogmatisch denken te vermijden –Meer plezier in natuurkunde geven

Ik dank u voor uw aandacht Rupert Genseberger