Planen Sie Untersuchung 13
Luft ist unser bekanntestes Beispiel für den Zustand der Materie, den wir Gas nennen. Wir leben in ihr und sind auf sie angewiesen, um am Leben zu bleiben. Sie ist auch unsichtbar, nicht besonders greifbar und kann schwierig zu erforschen sein. Aber, wie Feststoffe und Flüssigkeiten, ist Luft Materie. Sie hat Gewicht (mehr als wir uns vorstellen können), sie nimmt Raum ein und sie besteht aus Teilchen, die zu klein und zu weit auseinander liegen, um sie zu sehen. Luft, ein Gemisch aus Gasen, teilt Eigenschaften mit Wasserdampf, der gasförmigen Form von Wasser, die ein Teil der Luft ist. Das Verständnis von Luft hilft uns, Wasserdampf zu verstehen.
Formative Beurteilung
Können Ihre Schüler anhand von Daten schlussfolgern, dass Luft Materie ist?
Erhältlich online unter inquiryproject.terc.edu
Können Ihre Schüler anhand von Daten erklären, dass Luft Materie ist?
Notizbucheinträge enthalten Hinweise darauf, dass die Schüler ihre Beobachtungsdaten nutzen können, um zu behaupten, dass Luft Raum einnimmt und Gewicht hat und daher Materie ist.
Nutzen Sie diese Kriterien, um Ihre Interpretation der Schülerarbeiten zu leiten:
Annotierte Zeichnung von Spritzen
- Zeigt die Zeichnung, dass die Luft kontinuierlich von einer Spritze durch den Verbindungsschlauch zur anderen Spritze fließt?
- Zeigt die Anmerkung, dass der Schüler verstanden hat, dass, wenn man den Platz für die Luft in einer Spritze wegnimmt, die Luft woanders hingehen muss und deshalb diesen Platz durch Drücken auf den Kolben der zweiten Spritze schafft?
Kommentierte Zeichnung eines aufgeblasenen Ballons
- Erklärt der Schüler, dass, wenn der Ballon mit zusätzlicher Luft die Waagschale nach unten drückt, dies ein Beweis dafür ist, dass es eine Gewichtszunahme gibt, die von der hinzugefügten Luft gekommen sein muss?
Nächste Schritte könnten eine Diskussion von Erfahrungen aus dem Alltag sein, die ähnliche Beweise dafür liefern, dass Luft Raum einnimmt und Gewicht hat. Wenn man z. B. Luft in einen Reifen gibt, wird der Reifen nach außen gedrückt, da die Luft den Raum ausfüllt und das Gewicht erhöht.
Die Untersuchungen der Schüler zu Festkörpern und Flüssigkeiten lieferten den Beweis, dass diese Materialien Gewicht haben und Raum einnehmen und somit Materie sind. Nun suchen die Schüler den Beweis, dass Luft (ein Gas) Gewicht hat und Raum einnimmt und ebenfalls Materie ist. Diese Untersuchung ist die erste in einer Folge von vier, in denen die Schüler die Eigenschaften von Luft untersuchen. Obwohl wir uns in der Luft frei bewegen können, stellen die Schüler fest, dass Luft Raum einnimmt, wenn sie ein System von gekoppelten Spritzen manipulieren. Durch eine überzeugende Ballon-Demonstration wird auch festgestellt, dass Luft ein Gewicht hat.
Am Ende dieser Untersuchung haben die Schüler den Beweis, dass Luft Raum einnimmt, Gewicht hat und somit Materie ist. Die Schüler werden mit der Idee vertraut gemacht, dass Luft aus Teilchen besteht, die zu klein und zu weit auseinander liegen, um sie zu sehen.
Lernziele
- Verstehen, dass Luft Raum einnimmt, ein Gewicht hat, und Materie ist, die aus Teilchen besteht, die zu klein und zu weit auseinander liegen, um sie zu sehen
| Abfolge der Erfahrungen | ||
|---|---|---|
| 1. Die Frage stellen | Alle Klasse | 10 Min |
| 2. Luft in einem geschlossenen System erforschen | Paare | 10 Min. |
| 3. Ballons wiegen | Alle Klasse | 15 Min. |
| 4. Bedeutung herstellen | Alle Klasse | 10 Min |
Materialien und Vorbereitung
Vorbereitung:
- Schneiden Sie zwölf 16 Zoll lange Stücke von der Spule des durchsichtigen 1/4-Zoll-Plastikschlauchs ab
- Zusammenstellen von zwei Sätzen von 16 Zoll langen Doppelballons. Ein Doppelballon ist ein Satz aus zwei Ballons, wobei ein Ballon in den anderen Ballon eingesetzt wird. Wenn Sie die Ballons über das Radiergummiende eines Bleistifts schieben, können Sie einen Ballon in den anderen einführen.
- Drücken Sie einen Gummistopfen fest auf die Spitze der Ballonpumpe (siehe Foto).
- Üben Sie die Verwendung der Ballonpumpe zum Aufblasen und Abbinden eines Doppelballons. Es muss nur der innere Ballon abgebunden werden. Verwenden Sie eine Hand, um die Ballons gegen den Gummistopfen zu pressen. Mit der anderen Hand blasen Sie mit einer schnellen, kontinuierlichen Bewegung des Pumpengriffs den Doppelballon bis fast zur maximalen Größe auf.
- Balancieren Sie eine Doppelwaage, die in jeder Waagschale einen unaufgeblasenen Doppelballon hat.
Hinweis: Wenn Sie in Ihrem Klassenzimmer keine Latexballons verwenden können, sehen Sie sich das Video „Balloons on a Pan Balance“ online unter inquiryproject.terc.edu, Lehrplan Klasse 5, Ressource Quick Links oder Investigation 13 an.
Für die Klasse:
- Hängen Sie die Untersuchungsfrage an einer Stelle auf, wo alle Schüler sie sehen können.
- Punktblatt 2 (siehe Ressourcenkurzlinks)
- 1 Doppelpfannenwaage, perfekt ausbalanciert mit einem nicht aufgeblasenen Doppelballon in jeder Pfanne
- 1 Ballonpumpe mit Gummistopfen an der Spitze
- 2 Sätze von 16-Zoll-Doppelballons
- Ballons on a Pan Balance Video
Für jede Gruppe:
- 2 16-Zoll-Längen von durchsichtigen 1/4-Zoll-Plastikschläuchen
- 4 12-cm³-Spritzen
Konzept-Cartoon
Der Konzept-Cartoon „Luft hat Gewicht“ wird üblicherweise als formative Beurteilung am Ende dieser Untersuchung verwendet.
Notizbuchseiten
Fragen stellen
Wiederholung
Wiederholen Sie einige der wichtigen Ideen über Eis, Wasser und Teilchen.
- Wenn ein Behälter mit Wasser gefriert, oder ein Behälter mit Eis schmilzt, bleibt das Gewicht gleich.
- Wir verwenden das Gewicht, um die Menge der Materie zu messen und zu verfolgen.
- Wenn Wasser gefriert, vergrößert sich sein Volumen.
- Wenn Eis schmilzt, verringert sich sein Volumen.
- Wenn Wasser gefriert oder Eis schmilzt, ändern sich die Eigenschaften, aber das Material ändert sich nicht.
- Eis und Wasser sind verschiedene Zustände desselben Materials.
- Kondensation entsteht aus Wasserdampf in der Luft.
- Kondensation ist die Umkehrung des Prozesses der Verdampfung.
- Wissenschaftler glauben, dass alle Materie aus Teilchen besteht, die zu klein sind, um sie zu sehen.
- In Eis sind die Teilchen fest miteinander verbunden, auch wenn sie vibrieren, und halten ihre Form.
- Im Wasser gleiten die Teilchen aneinander vorbei, stoßen zusammen und nehmen die Form ihres Behälters an.
Fragen Sie die Schüler, ob sie Ergänzungen oder Änderungen vornehmen möchten.
Starten Sie den neuen Strang
Erläutern Sie, dass die Schüler im Begriff sind, in vier naturwissenschaftlichen Unterrichtsstunden die Luft zu untersuchen. Wenn die Teilchen verklumpt sind, können wir die Materie sehen und mit unseren Unterrichtswerkzeugen das Gewicht und Volumen messen. Wenn die winzigen Teilchen auseinandergezogen sind, können wir sie nicht sehen. Wasserdampf ist ein Beispiel für ein Material, dessen winzige Teilchen so verteilt sind, dass wir sie nicht sehen können. Luft ist ein weiteres Beispiel. Luft ist eigentlich ein Gemisch und Wasserdampf ist ein Teil der Luft.
Die heutige Untersuchungsfrage lautet:
Ist Luft Materie?
Die Schüler haben das Gewicht und Volumen von festen und flüssigen Materialien gemessen und festgestellt, dass sie Materie sind. Heute verwenden die Schüler einige neue Werkzeuge, während sie nach Beweisen suchen, um festzustellen, ob Luft Materie ist oder nicht.
Untersuche Luft in einem geschlossenen System
Bevor Sie die Schläuche und Spritzen verteilen, erinnern Sie die Schüler daran, dass Luft, wenn sie Materie ist, Raum einnehmen muss. Eine Frage ist:
Welche Positionen nehmen die Schüler ein? Achten Sie darauf, von Schülern mit Positionen auf jeder Seite der Frage zu hören. Bitten Sie die Schüler, eine Behauptung aufzustellen und die Beweise oder Argumente zu liefern, auf denen ihre Behauptung beruht.
Geben Sie jedem Schülerpaar zwei Spritzen und ein 15 cm langes durchsichtiges Plastikrohr, um das folgende System einzurichten:
- Stellen Sie den Kolben jeder Spritze auf die Mitte ihres Zylinders (die 6-cm³-Linie).
- Schieben Sie ein Ende des durchsichtigen Kunststoffschlauchs auf die Spitze jeder Spritze.
Beschreiben Sie diesen Aufbau als System.
- Die 2 Spritzen, der Schlauch und die Luft.
- Wie das 2-Flaschen-System bilden die verbundenen Spritzen ein geschlossenes System. Es kann nichts hinein- oder herauskommen, wenn das System einmal aufgebaut ist.
- Die Außenseite der Schläuche und Spritzen.
Lassen Sie die Schüler das System erkunden. Es dauert nicht länger als ein oder zwei Minuten, bis die Schüler erforschen, wie das System funktioniert. Es geht darum, sie eine Situation erleben zu lassen, in der Luft eindeutig Raum einnimmt.
- Was passiert, wenn man einen Kolben sehr langsam drückt, ohne den anderen Kolben zu berühren?
- Was passiert, wenn man einen Kolben sehr schnell drückt, ohne den anderen Kolben zu berühren?
- Findet ihr Beweise dafür, dass Luft Raum einnimmt?
Sammeln Sie die Spritzen ein, während die Schüler eine Antwort auf die Seite in ihren Science Notebooks schreiben.
Luftballons wiegen
Das Gewicht der Luft
Wenn man eine Tasse Wasser aus einem großen Topf schöpft, kann man ihr Gewicht spüren. Wenn Sie dieses Wasser zurück in den Topf gießen, würden Sie nicht erwarten, dass dieses Gewicht dazu führt, dass das Wasser auf den Boden des Topfes sinkt und dort bleibt, als ob es ein Stein wäre. Das Wasser aus der Tasse wird sich mit dem Rest des Wassers vermischen und durch dieses treiben, als wäre es schwerelos, weil es die gleiche Dichte hat wie das Wasser im Topf.
Aus dem gleichen Grund scheint jede bestimmte Menge Luft in der Atmosphäre schwerelos zu sein. Luft hat jedoch ein Gewicht. Der Luftdruck, von dem wir in Wetterberichten hören, resultiert aus dem Gewicht der Luft. Da wir mit dem Luftdruck um uns herum und sogar in uns selbst (z. B. in der Lunge) leben, spüren wir ihn nicht. Auch Waagen spüren das Gewicht der Luft nicht, da sie vollständig vom Luftdruck umgeben sind.
Eine Möglichkeit, das Gewicht einer Luftprobe zu demonstrieren, ist, sie dichter zu machen als die umgebende Luft. In diesem Fall wird die Probe in der Atmosphäre sinken. Kalte Luft ist dichter als warme Luft; in jedem Kubikzentimeter sind mehr Teilchen gepackt. Wenn Sie die Tür des Gefrierschranks öffnen, spüren Sie, wie die kalte Luft nach unten zum Boden strömt. Komprimierte Luft ist dichter als unkomprimierte Luft, in jedem Kubikzentimeter sind mehr Teilchen verpackt.
Warum ein doppelter Ballon?
Ein Ballon widersteht der Dehnung, so dass er beim Aufblasen die Luftpartikel enger zusammenpresst, wodurch die Luft dichter ist als die unkomprimierte Luft im Raum. Ein doppelter Ballon bietet dem Aufblasen noch mehr Widerstand und komprimiert die Luftteilchen noch enger zusammen, so dass die eingeschlossene Luft so dicht ist, dass eine ballongroße Menge die Waage kippen kann.
So viel Information brauchen die Schüler vielleicht gar nicht. Die Demonstration spricht für sich selbst.
Erinnern Sie die Schüler daran, dass Luft, wenn sie Materie ist, ein Gewicht haben muss. Eine Frage ist:
- Nein, man kann Luft nicht fühlen und sie lässt sich nicht auf einer Waage registrieren.
- Ja, denn mein Fußball fühlt sich schwerer an, nachdem ich ihn mit Luft aufgepumpt habe.
Welche Positionen nehmen die Schüler ein? Achten Sie darauf, von Schülern mit Positionen auf jeder Seite der Frage zu hören. Bitten Sie die Schüler, eine Behauptung aufzustellen und die Beweise oder Argumente zu liefern, auf denen ihre Behauptung beruht.
Zeigen Sie den Schülern die unaufgeblasenen Doppelballons, die auf jeder Seite der Doppelpfannenwaage platziert sind. Weisen Sie darauf hin, dass sich die beiden Seiten ausbalancieren und sich somit auf beiden Seiten die gleichen Gewichte befinden. Bitten Sie die Schüler anschließend, sich vorzustellen, dass die Ballons auf einer Seite der Waage aufgeblasen sind.
- Was werden wir beobachten, wenn Luft kein Gewicht hat?
- Was werden wir beobachten, wenn Luft ein Gewicht hat?
Benutzen Sie die Ballonpumpe (mit dem Gummistopfen), um einen Satz verdoppelter Luftballons auf ihre volle Größe aufzublasen. Die Verwendung einer Ballonpumpe zum Aufblasen eines Ballons verhindert, dass Feuchtigkeit aus der Lunge in den Ballon gelangt, was wiederum hilft, die Tatsache zu beweisen, dass „trockene“ Luft ein Gewicht hat.
Binden Sie die Öffnung des inneren Ballons ab und legen Sie den aufgeblasenen Doppelballon in die Doppelpfannenwaage. Die Waagschale mit dem aufgeblasenen Doppelballon wird sich nach unten bewegen.
Haben wir einen Beweis dafür, dass Luft ein Gewicht hat?
Die Schüler halten ihre Antworten auf der Seite in ihrem Science Notebook fest.
Sinn machen
Hinweis: Die Schüler können behaupten, dass Luft nur dann Gewicht hat und Raum einnimmt, wenn sie sich in einem Behälter befindet. Ist es sinnvoll, dass Gewicht und Volumen verschwinden, wenn das geschlossene System offen ist? Gewicht und Volumen von Luft sind leichter wahrzunehmen und zu messen, wenn sie sich in einem geschlossenen System befindet, und deshalb haben wir die Ballons in dieser Untersuchung verwendet.
Zweck der Diskussion
Der Zweck dieser Diskussion ist es, den Schülern zu helfen, die Ergebnisse der heutigen Erfahrungen zu verstehen, die den Beweis dafür liefern, dass Luft Gewicht hat und Raum einnimmt. Die Schüler haben vielleicht das Gefühl, dass die heutigen Ergebnisse im Widerspruch zu anderen Erfahrungen stehen, die sie mit Luft gemacht haben. Konzentrieren Sie die Diskussion auf die Untersuchungsfrage: Ist Luft Materie?
Beschäftigen Sie die Schüler mit der Fokusfrage?
Ist Luft Materie oder nicht?
- Nimmt Luft Raum ein? Was ist dein Beweis?
- Hat Luft Gewicht? Was ist Ihr Beweis?
Behauptung oder Position: Luft nimmt Raum ein:
- Wenn ich richtig tief einatme, dehnt sich mein Brustkorb aus.
- Ein aufgeblasener Luftballon nimmt mehr Raum ein als ein nicht aufgeblasener Luftballon.
Behauptung oder Standpunkt: Luft nimmt keinen Raum ein:
- Ich kann direkt durch Luft gehen. (Wir können auch durch Wasser gehen, aber wir sind uns einig, dass Wasser Raum einnimmt.)
- Wenn ein Klassenzimmer mit Luft „gefüllt“ ist, wie können dann noch Schüler hineingehen? (Im Gegensatz zu den Spritzen ist das Klassenzimmer ein offenes System; wenn Schüler hineingehen, drücken sie einen Teil der Luft heraus.)
Aussage oder Position: Luft hat Gewicht:
- Als wir Luft zu einem Satz Luftballons hinzufügten, ging die Waage auf der Seite mit dem aufgeblasenen Ballon nach unten.
Behauptung oder Position: Luft hat kein Gewicht:
- Waagen registrieren das Gewicht von Luft nicht.
- Wir können kein Gewicht spüren, auch wenn viel davon auf uns liegt.
Fassen Sie die Diskussion zusammen und rekapitulieren Sie die Untersuchung
Fassen Sie die Argumente für jede Position zusammen. Prüfen Sie, ob es einen Konsens für das Argument gibt, dass Luft Raum einnimmt und Gewicht hat und daher Materie ist.
Luft als Materie zu betrachten, was sie in die gleiche Kategorie wie den Sand, den Kies und das Wasser in den Miniseen stellt, kann eine Anpassung in unserem Denken erfordern.
Erinnern Sie die Schüler an das gelöste Salz. Es ist einfach, sich Salz als Materie vorzustellen, aber selbst nachdem die Salzpartikel zu klein und zu weit auseinander liegen, um sie zu sehen, behält das Salz sein Gewicht und nimmt immer noch Raum ein: Es behält seine Klassifizierung als Materie. Dies ist vielleicht die stärkste Verbindung, die Schüler zwischen Luft und einer anderen Substanz, die sie als Materie akzeptieren, herstellen können.
Wiederholen Sie das Konzept, dass Luft ein Gewicht hat und Raum einnimmt und somit Materie ist. Der Grund, warum wir Luft nicht sehen können, ist, dass die Teilchen winzig klein sind und weit auseinander liegen. An einem windigen Tag fällt es uns leichter, das Vorhandensein von Luft zu erkennen.
Luft hat Gewicht
Erfahren Sie mehr über Konzeptcartoons im Abschnitt Konzeptcartoons, der in der Seitenleiste zu finden ist, indem Sie auf die Registerkarte „Bewertung“ oben auf der Homepage des Lehrplans für Klasse 5 klicken.
Dieser Cartoon soll die Vorstellungen der Schüler über das Gewicht als Eigenschaft von Luft untersuchen. Drei Cartoonfiguren erklären, warum es schwieriger ist, einen Fußball mit leerer Luft zu kicken als einen mit Luft gefüllten Ball. Bitten Sie die Schüler, mitzukommen, während Sie die Aufforderungen und Anweisungen des Zeichentrickfilms laut vorlesen. Erinnern Sie die Schüler daran, auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Ideen zu antworten. Die Antworten der Schüler geben Ihnen einen Einblick in ihr Verständnis des Beweises, dass Luft ein Gewicht hat und Materie ist. Anhand dieser Beurteilung können Sie entscheiden, ob die Klasse als Ganzes oder einzelne Schüler bereit sind, weiterzumachen, oder ob sie von einer Wiederholung oder zusätzlichen Erfahrungen mit Klassenaktivitäten profitieren würden.