Als natuurkundeleraar heb je zo een aantal proeven waarop je je echt kunt verheugen. Bij het maken van je lesplanning weet je al drie weken of langer van te voren dat woensdag het derde uur een mooie les gaat worden door deze proef. In dit artikel bespreek ik een dergelijk proef, een proef die de kern vormt van de module ‘Water koken bij 30 °C’ zoals we die aan de U-Talent Academie van de Universiteit Utrecht ontwikkeld hebben voor 3 VWO. Het mooie is dat de proef zowel heel spectaculair is als leerzaam. Veel leerlingen halen dit er nog niet direct uit maar bij het nabespreken zie je ook bij hen de waardering voor deze proef verschuiven van het spectaculaire einde naar het zeer leerzame middenstuk.
Beschrijving
Een dikwandige erlenmeyer wordt gevuld met een klein laagje water en vervolgens boven een brander geplaatst. De erlenmeyer is aan de bovenkant afgesloten, via een slang wordt de erlenmeyer met een aquariumbak verbonden die gevuld is met aangekleurd water. Het uiteinde van de slang bevindt zich enkele centimeters onder het wateroppervlak. Aan lezers die uitgedaagd willen worden en mee willen denken over de proef zelf is het aan te bevelen eerst deze opgave te maken. In dit artikel worden de highlights van het experiment besproken en wordt toegelicht hoe dit op de U-Talent Academie wordt ingezet.
Figuur 1: Het experiment in volle gang. Het water rechts in de erlenmeyer kookt, in het midden van het beeld verlaten luchtbellen de slang in de aquariumbak.
Waarneming
Door de brander raakt het water aan de kook, er zijn in de aquariumbak duidelijk bellen waarneembaar. Na enige tijd koken wordt de brander uit gezet en even later klimt het water in de slang voorzichtig omhoog, naar de erlenmeyer. Dit gaat langzaam maar zeker. Wanneer de eerste waterdruppels weer terugkeren in de erlenmeyer gaat het ineens heel erg snel en zuigt de erlenmeyer zich in korte tijd helemaal vol met water. Voor elke waarnemer is dit goed te zien maar als je goed kijkt zie je meer….
Bekijk deze foto's op groot formaat
Nogmaals het spectaculaire einde van de proef, in drie stappen. Op de foto bovenaan zit het water nog in de slang, dichtbij de erlenmeyer. Op de middenfoto zien we een eerste druppel de erlenmeyer binnen gaan. Op de onderste foto wordt het water met kracht de erlenmeyer ingezogen. Tussen het maken van de middelste foto en de onderste foto zit een tijd van circa 0,5 s .
Nabespreking en verklaring
Een van de dingen die opvalt in dit experiment is het verschil in vorm en grootte van de bellen zoals we die in de aquariumbak zien verschijnen. Aan het begin van het experiment gaat het om grote bellen die zonder van grootte te veranderen naar het wateroppervlak opstijgen en daar uiteen ´spatten´. Later in het experiment zijn het kleinere bellen die direct nadat ze de slang verlaten en de aquariumbak binnen komen ineen krimpen. Verklaring is dat het in het begin gaat om luchtbellen en in een later stadium om bellen waterdamp. Aanvankelijk is de ruimte in de erlenmeyer boven het vloeibare water immers gevuld met lucht. De waterdamp die onderin de erlenmeyer ontstaat bij het aan de kook brengen van het vloeibare water, verdringt deze lucht en de lucht verlaat de erlenmeyer via de slang naar de aquariumbak. Een luchtbel in water stijgt op en verdwijnt pas uit zicht wanneer het wateroppervlak bereikt wordt. Na enige tijd koken is de ruimte in de erlenmeyer boven het wateroppervlakte grotendeels gevuld met waterdamp en komen via de slang dus bellen waterdamp de aquariumbak in. Wanneer deze waterdamp met het relatief koude water in de aquariumbak in contact komt, condenseert de waterdamp direct en verdwijnen de bellen. Uiteraard is er ook een tussenfase waarin de bellen uit een mengsel van water en lucht bestaan. Dit is goed te zien doordat er grote bellen de slang uit komen die dan direct een heel stuk kleiner worden. In de afbeeldingen hieronder zien we van links naar rechts voorbeelden van de drie typen bellen.
Bekijk deze foto's op groot formaat
Nogmaals de bellen die uit de slang komen, van bovenaf naar beneden twee keer lucht, vervolgens een mengsel van lucht en water, helemaal onderaan uitsluitend water.
Het spectaculaire einde van dit experiment laat zich ook voor een leerling uit de derde klas eenvoudig verklaren (hoewel er maar weinig leerlingen zijn die dit ook vooraf weten te voorspellen). Na het uitzetten van de brander is de erlenmeyer gevuld met uitsluitend waterdamp die vanaf dit moment langzaam gaat afkoelen aan de omgeving. Door het afkoelen van de waterdamp daalt de druk, dit wordt nog eens versterkt doordat er waterdamp condenseert tegen de wand van de erlenmeyer. Door deze drukverlaging stijgt het waterpeil in de slang die aquariumbak en erlenmeyer met elkaar verbindt. Het water wordt vanuit de aquariumbak de slang in gezogen. Dit gaat relatief langzaam, afhankelijk van de omgeving en vooral de lengte van de slang. Vanaf het moment dat de eerste waterdruppel uit het aquarium de erlenmeyer bereikt, zal daar de nog aanwezige waterdamp direct condenseren. De koude waterdruppel die zojuist de erlenmeyer binnenkomt neemt de warmte van de waterdamp veel sneller op dan de eerder genoemde wand van de erlenmeyer. Dit leidt tot een verlaging van de druk en dus tot meer water dat vanuit de slang de erlenmeyer binnengezogen wordt. Hierdoor komt een kettingreactie op gang en zoals te zien is, zuigt de erlenmeyer zich in zeer korte tijd helemaal vol.
Inbedding
De U-Talent Academie biedt een programma aan voor verdiepend en verrijkend onderwijs voor de exacte vakken. De 27 aangesloten scholen leveren in totaal 300 leerlingen uit 5V en 6V die maandelijks twee dagen op de Universiteit Utrecht een uitdagend programma volgen. Daarnaast maken deze leerlingen hun profielwerkstuk op de universiteit. Leerlingen uit de lagere klassen van dezelfde aangesloten scholen komen een of twee dagen per jaar om kortere modules te volgen (voor één of twee dagen). Hiermee krijgen de leerlingen een stuk verdieping en verrijking aangeboden en kunnen ze voor zichzelf nagaan of zij belangstelling hebben voor de U-Talent Academie in 5V en 6V. De deelnemende scholen verzorgen zelf, in aansluiting op de activiteiten op de universiteit, een schoolprogramma. Hierin staat verdieping en verbreding in de bètavakken centraal.
De leerlingen uit 3 VWO komen twee dagen naar de Universiteit Utrecht en kiezen daarbij op de maandag voor een biologie-, geologie- of scheikunde-module. Op de dinsdag hebben ze de keuze uit een wiskunde- of een natuurkunde-module. Binnen natuurkunde richten deze leerlingen zich op (lucht)druk en fase-overgangen. Ter voorbereiding bekijken ze enkele filmfragmenten van het hier beschreven experiment. Hier is het spectaculaire einde niet bij inbegrepen. De voorbereidingsopdracht voor de leerlingen is om de gegeven filmfragmenten op volgorde te zetten en de afloop van het experiment te voorspellen. Uiteraard zitten zowel de kleine (waterdamp) bellen als de grote (lucht)bellen wel in de filmfragmenten. Op de lesdag wordt gestart met het bespreken van deze opdracht en het demonstreren van het experiment. Daarna wordt dit uitvoerig nabesproken en aan de hand hiervan wordt de theorie rond druk en fase-overgangen behandeld.
Aansluitend gaan de leerlingen aan de slag met simulaties en maken ze een aantal verwerkingsopdrachten. Hierbij wordt ook gerekend aan luchtdruk en druk in vloeistofkolommen. Vervolgens vindt een carrouselpracticum plaats waarbij leerlingen in twee- of drietallen een serie eenvoudige experimenten uitvoeren. Denk hierbij aan een muntje op een fles, een leerling omhoog blazen met een vuilniszak of de Maagdenburger halve bollen. Na de carrouselronde kiest elk groepje leerlingen een experiment om hierover een korte presentatie voor te bereiden. De dag wordt afgesloten met deze presentaties waarbij het publiek gevormd wordt door hun medeleerlingen van natuurkunde en de leerlingen die op dezelfde dag een wiskundemodule gevolgd hebben.
Inzet in eigen lessen
De basisprincipes van het onderwerp fase-overgangen en (lucht)druk staan uiteraard op het programma in de onderbouw maar zoals de U-Talent module laat zien, is er daarnaast nog heel veel meer over deze onderwerpen te bieden. De diepgang van de opdrachten binnen de U-Talent module varieert, onderdelen uit deze module kunnen dus zowel verbredend als verdiepend als verrijkend worden ingezet. Kijk bijvoorbeeld eens op natuurkunde.nl naar het filmpje met het muntje op de fles (verbredend) of de proef van Franklin (verdiepend). Interessant voor docenten die wat meer tijd willen uittrekken voor het betreffende onderwerp, bijvoorbeeld voor een selecte groep leerlingen of als een project voor de hele klas. Op verzoek kunnen we aan belangstellende docenten van meer onderdelen van deze lessenserie (inclusief werkbladen en summiere aanwijzingen voor de docent) het lesmateriaal beschikbaar stellen.
Met dank aan de U-Talent docenten Vincent van Dijk en Garmt de Vries voor hun inhoudelijk commentaar en aan Fridolin van der Lecq voor technische ondersteuning en fotografie.
Koken?
Uiteraard is de titel ‘Water koken bij 30 °C’ uitdagend bedoeld. Of in dit geval ook werkelijk sprake is van koken hangt af van welke definitie je hanteert. Formeel kun je stellen dat sprake is van koken wanneer de dampdruk van de vloeistof overeenkomt met de omgevingsdruk. Het verband tussen dampdruk en temperatuur wordt in literatuur (tot op zekere hoogte ook al op bovenbouw VWO-niveau) uitvoerig besproken. De in de links genoemde artikelen op wikipedia zijn daar een aardig voorbeeld van.
Verbredend, verdiepend, verrijkend?
In dit artikel komen de termen verbredend, verdiepend en verrijkend voor. De betekenis hiervan is vanzelfsprekend gebaseerd op wat er als basisstof behandeld wordt. Extra stof is verbredend als de diepgang gelijkwaardig is aan de bassistof. Verbredende stof kan vooral voor leerlingen die wat extra oefening willen heel zinvol zijn. Stof is verdiepend als het aansluit bij de basisstof maar inhoudelijk nog een stukje verder gaat. Wanneer echt nieuwe onderwerpen worden aangesneden op een hoger niveau spreekt men van verrijkende stof. De grenzen zijn uiteraard niet zo scherp als in onderstaande figuur maar je zou het zo kunnen weergeven:
Ron vonk is onderwijsontwikkelaar en coördinator outreach natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. Voor de U-talent Academie heeft hij onder andere de 3VWO module ‘Water koken bij 30 °C ‘ ontwikkeld.
