Rutschbanan, klätterställningen och gungbrädan ett tema med skolgården som klassrum Följande tema riktar sig till elever i åk 1-3 men kan säkert anpassas till såväl äldre som yngre elever. Skolgården utgör inte bara en plats för lek, spel och rekreation under raster och fritidstid. Här finns också många möjligheter till lärande. Även om skolgårdar kan se väldigt olika ut finns förhoppningsvis möjligheter till diverse undersökningar och experiment för nyfikna och vetgiriga barn. I följande tema försöker vi ge exempel på hur man kan arbeta med fysik och teknik kring några lekredskap som vi tror finns på många av våra skolgårdar. Tanken är att eleverna ska arbeta i små grupper när de genomför sina försök. Man kan också tänka sig att man gör försöken tillsammans i klassen. Elevuppgifterna i första delen av temat kan tyckas vara väldigt styrda. De är dock mera tänkta som förslag. Här kan man plocka och lägga till efter behov och önskemål. Låt elevernas nyfikenhet och kreativitet vara i centrum. Syftet med temat är att eleverna ska utveckla sina förmågor att använda kunskaper i fysik för att granska information, kommunicera och ta ställning i frågor som rör energi, teknik, miljö och samhälle, genomföra systematiska undersökningar i fysik, och använda fysikens begrepp, modeller och teorier för att beskriva och förklara fysikaliska samband i naturen och samhället. identifiera och analysera tekniska lösningar utifrån ändamålsenlighet och funktion, identifiera problem och behov som kan lösas med teknik och utarbeta förslag till lösningar, använda teknikområdets begrepp och uttrycksformer, (Lgr 11) 1
Temat är uppdelat i tre delar där hävstångsprincipen, friktion och tyngdkraft undersöks med hjälp av skolgårdens lekredskap. Temat ska också ge utrymme för eget skapande och uppfinningsrikedom när eleverna får tillverka en prototyp av ett lekredskap till sin drömlekplats. Då temat även innehåller moment av dokumentation och eget skapande är det ämnesövergripande och innefattar moment av såväl svenska som matematik och bild. Följande moment ur det centrala innehållet i Lgr 11 berörs: Kraft och rörelse: Tyngdkraft och friktion som kan observeras vid lek och rörelse, till exempel i gungor och rutschbanor. Balans, tyngdpunkt och jämvikt som kan observeras i lek och rörelse, till exempel vid balansgång och på gungbrädor. Material och ämnen i vår omgivning: Materials egenskaper. Människors användning och utveckling av olika material genom historien. Vilka material olika vardagliga föremål är tillverkade av. Tekniska lösningar: Några vanliga föremål där enkla mekanismer som hävstänger och länkar används för att uppnå en viss funktion, till exempel föremål på lekplatser och husgeråd av olika slag. Material för eget konstruktionsarbete. Deras egenskaper och hur de kan sammanfogas. Några enkla ord och begrepp för att benämna och samtala om tekniska lösningar. Arbetssätt för utveckling av tekniska lösningar: Undersökande av hur några vardagliga föremål är uppbyggda och fungerar samt hur de är utformade och kan förbättras. Egna konstruktioner där man tillämpar enkla mekanismer. Dokumentation i form av enkla skisser, bilder och fysiska modeller. Teknik, människa, samhälle och miljö: Några föremål i elevens vardag och hur de är anpassade efter människans behov. Hur föremålen i elevens vardag har förändrats över tid. Säkerhet vid teknikanvändning (Lgr 11) 2
3
Fakta om friktion Friktion kommer av det latinska ordet fri'co som betyder gnida. Friktion är gnidningsmotstånd. När två ytor glider mot varandra brukar man beskriva friktionen som ojämnheter som fastnar i varandra. Ju större ojämnheter desto större friktion. Om man vill undersöka hur friktionen ändras kan man gnida olika grova sandpapper mot varandra. Friktionen ökar om man pressar ytorna hårdare mot varandra. Det märker man tydligt om man gnider handflatorna mot varandra med olika stort tryck. De elektromagnetiska krafterna mellan atomerna i de material som gnids mot varandra har också stor betydelse. När två kroppar är i nära kontakt håller atomerna fast vid varandra och verkar då i motsatt riktning mot rörelsen. På så sätt omvandlas rörelseenergin till värmeenergi. Detta utnyttjas t ex i vanliga tändstickor. Olika material har olika friktion. Gummi kan ha en slät yta men ändå ha hög friktion medan en slät isbit har låg friktion. Om ytorna är i rörelse eller vila i förhållande till varandra påverkar också friktionens storlek. För fasta kroppar ger lim den ena ytterligheten med enorm friktion medan olja leder till den andra ytterligheten med nästan ingen friktion. Tack vare friktionen kan vi göra olika saker som att gå och skriva. Ibland är friktionen för hög. Då kan man försöka göra ytorna slätare eller smörja dem. Ibland är friktionen för låg. Då försöker man få ytorna att lättare fastna i varandra. Ett exempel på detta är när man sandar hala vintervägar. Källor: Wikepedia, Illustrerad vetenskap nr 16 2006, Nationalencyklopedin, Dino skolverkets diagnosmaterial i naturvetenskap och teknik Friktion - vi åker rutschbana (elevuppgifter) 4
I det här uppdraget lär du dig vad friktion är. Det ska du få undersöka vid rutschbanan på skolgården. Du lär dig också att göra observationer och undersökningar samt hur man dokumenterar och gör förutsägelser. När uppdraget är klart ska du kunna använda begreppet friktion i samtal kring lek och rörelse. Det här behöver du ta med dig ut till rutschbanan: papper penna sudd skrivunderlag en gympasko ett vedträ ett plastlock en nyckel ett mjukisdjur en kloss Undersökning: 1. Åk nerför rutschbanan. Jämför hur fort det går. Går det lika fort för alla? Om det går långsammare för någon - vad beror det på? Kan man påverka farten på något sätt? Försök att åka långsammare. Hur gör du då? Hur kan du få mer fart? Vad beror det på? Låt någon ta på sig ett par regnbyxor och åka ner för rutschbanan. Går det snabbare eller långsammare? Varför? Samtala i gruppen. Skriv ner resultaten och era tankar. 2. Gör tabell på ert papper där ni redovisar vilka av följande saker som glider fortast på rutschbanan. Börja med att skriva upp de saker ni undersöker. T ex sko vedträ plastlock nyckel nalle träkloss Vilken sak i varje par kommer först ner om man släpper dem samtidigt längst upp på rutschbanan? Stryk under de alternativ du tror vinner. 3.Släpp två saker i taget. OBS! Ge ingen extra fart. Ringa in den sak som kom ner snabbast vid varje försök. 5
4. Gör en tävling mellan de saker som vann i första omgången. Vilken sak kommer fortast ner av alla saker du haft med i försöket? Vilken sak blir tvåa o s v. Numrera dem i tabellen. 5. Pröva med några saker du hittar på skolgården t ex kottar, pinnar, stenar... 6. Vilka olika material är sakerna är gjorda av? Spelar materialet någon roll för friktionen? Påverkas friktionen om sakerna är släta eller ojämna på ytan? Påverkar tyngden friktionen? Samtala i gruppen om detta! 7. Samla ihop alla saker du haft med ut och bär in dem i klassrummet. Klassrumssamtal Testa olika grova sandpapper för att känna på friktionen. Vad har vi för nytta av friktion i vår vardag? Ge exempel på situationer där det är bra med friktion. Ge också exempel på situationer då man vill ha så lite friktion som möjligt. Hur kan man göra för att få det? Filmtips: Gnomens guide till fysiken friktion (UR) Fakta om gravitation eller tyngdkraft och fritt fall Redan Aristoteles, född år 384 f Kr, funderade på tyngdkraft och rörelse. Han trodde att världsaltet bestod av fem element som var indelade i 8 olika sfärer. Fyra av elementen finns i den innersta sfären, det vill säga på, runt och i jorden. Dessa element är jord, luft, eld och vatten. Jorden är tyngst och har en naturlig rörelse som strävar nedåt. Elden är lätt och har en naturlig rörelse som strävar uppåt. Vatten är "ganska tungt" och luft är "ganska lätt". Dessa båda rör sig normalt i sidled (som floder, havsvågor och vindar), utom i förhållande till varandra. Ordet gravitation kommer av det latinska ordet gravis som betyder tung. Ett annat ord för gravitation är tyngdkraft. Massor drar till sig, attraherar, varandra. Detta skapar det vi kallar massans tyngd. Denna kraft håller kvar månarna runt planeterna och planeterna i sina banor 6
runt solen. Månens gravitation orsakar tidvattnet här på vår planet. Det är gravitationen som gör att planeterna är runda. Gravitationen håller oss kvar på jorden. Den gör att föremål som vi tappar faller ner på golvet. Gravitationen är en av de mindre utforskade krafterna. Den är mycket svag och svår att utforska i laboratorier. Icke desto mindre är den en av de viktigaste naturkrafterna i universum då den är den enda kraft som enbart är attraherande. Ju större och tyngre ett föremål är desto större gravitation har det. Eftersom månen är mindre än jorden väger allting mindre på månen. Om man köper ett hundra kilo guld vid nordpolen och reser hem till ekvatorn har guldet blivit ett halvt kilo lättare. Gravitationen eller tyngdkraften varierar beroende på var du befinner dig på jorden. Det beror dels på avståndet till jordens centrum och dels på vad som finns i jordskorpan under dig. När man flyger och befinner sig några kilometer upp i luften väger man mindre än om man står på marken. Finns det järn eller andra malmer i berggrunden blir gravitationen större än om berggrunden består av kalksten t ex. För att lösa detta problem skapades det så kallade världskilot i Frankrike år 1875. Referensvikter, baserade på detta världskilo, används när vågar ska kalibreras så att de stämmer var i världen man än befinner sig. Galileo Galileo, den naturvetenskapliga metodens fader lär ha släppt två olika tunga kanonkulor från lutande tornet i Pisa för att se vilken som accelererade snabbast. Resultatet blev överraskande. Undersökningarna i detta experiment strider, liksom Galileos försök, mot våra vardagsföreställningar om vad som faller fortast. Rent spontant tror vi att tyngre föremål faller fortare. Men i verkligheten är det så att alla föremål accelereras lika fort mot marken. Luftmotståndet påverkar däremot nerfarten för lättare föremål med stor yta. Detta utnyttjas t ex när man använder fallskärmar. Referenser: Passagen, Unga Fakta, Wikepedia, http://www2.fysik.org/experiment_och_annat/lekplatsfysik/fritt_fall/ Vad faller fortast? (Elevuppgifter) I det här uppdraget lär du dig vad gravitation och fritt fall är. Det ska du få undersöka vid klätterställningen på skolgården. Du lär dig också att göra observationer och undersökningar samt hur man dokumenterar och gör förutsägelser. När uppdraget är klart ska du kunna använda begreppet gravitation och fritt fall i samtal kring lek och rörelse. Det här behöver du ha med dig ut till klätterställningen: 2 olika stora studsbollar Litet gosedjur och stort gosedjur 7
2 pet-flaskor med olika mycket vatten 1 tunt papper 1 ritpapper en bit garn 2 legofigur Tejp Tre muffinsformar Papper att dokumentera på Penna och sudd Kottar, pinnar och stenar i olika storlekar (hämta på skolgården) Undersökning: 1. Nu ska du få undersöka vilka saker som faller fortast om du släpper dem från toppen av klätterställningen. Först ska du göra en förutsägelse. Ta fram pappret som du ska dokumentera på. Gör en lista på alla de saker du ska jämföra. T ex stor boll - liten boll flaska med lite vatten - flaska med mycket vatten litet gosedjur - stort gosedjur stor kotte - liten kotte stor sten - liten sten stor pinne - liten pinne 2. Gissa vilket alternativ i varje par som kommer att nå marken först om du släpper dem samtidigt från toppen av klätterställningen. Stryk ett streck under det alternativ du tror når marken först. Tror du att båda sakerna når marken samtidigt skriver du ett S efter paret. 3. Prova nu och se vad som händer. Prova ett par i taget. Är du osäker kan du prova flera gånger. Det är viktigt att du släpper båda föremålen samtidigt. Ringa in det föremål i varje par som når marken först. Om båda når marken samtidigt skriver du ett S efter paret (om du inte redan har skrivit det). 8
4. Skriv en teckenförklaring under din undersökning. = når marken först, tror jag = nådde marken först S = nådde marken samtidigt 5. Gör så att det blir lika mycket vatten i de båda petflaskorna. Släpp nu ner den ena flaskan stående och den andra liggande. Släpp dem samtidigt. Vilken flaska når marken först? Dokumentera på ditt papper. 6. Släpp ner ett av de tomma pappren och en av studsbollarna samtidigt. Vad når marken först? Dokumentera på ditt papper. 7. Skrynkla ihop pappret så att det blir till en boll, ungefär lika stor som en av studsbollarna. Släpp ner pappersbollen och studsbollen samtidigt. Vilken boll når marken först? Dokumentera på ditt papper. 8. Tillverka en fallskärm av ett papper och lite garn. Tejpa fast trådarna på en av legobitarna. Släpp ner båda legobitarna samtidigt. Vilken bit når marken först? Dokumentera. Varför blev det så? 9. Välj två ungefär lika stora stenar. Sätt fallskärmen på en av stenarna. Släpp ner dem samtidigt. Vilken sten når marken först? Dokumentera. Varför blev det så? 10. Släpp ner en ensam muffinsform samtidigt med två formar som sitter i varandra. Hur går det? Dokumentera. Varför tror du att det blev så? Att diskutera i klassrummet: Vad har du lärt dig av försöken? Vad är det som påverkar resultatet? Storlek? Tyngd? Material? Hur påverkade fallskärmen resultatet? Vad kan man ha för nytta av den kunskapen? Sammanfatta genom att titta på filmen om tyngdkraft på följande länk: http://vetamix.net/video/experiment-tyngdkraft_1119 9
Andra länkar och filmer som berör ämnet: http://www2.fysik.org/experiment_och_annat/filmade_experiment/fritt_fall/ http://www2.fysik.org/experiment_och_annat/filmade_experiment/semesterfysik_ 2010/ http://www.youtube.com/watch?v=wgizketkkdw&list=ecda442ea7eb0b8698 Gnomens guide till fysiken tyngdkraft (UR) Fakta om hävstångsprincipen Människan hade använt hävstänger av olika slag sedan urminnes tider. Arkimedes ansåg att det är möjligt att flytta en tyngd, hur stor den än är, med hjälp av en kraft, hur liten den än är. Man citerar ofta hans ord: "Ge mig en fast punkt och jag skall rubba jorden". Hävstången är en av de sex enkla maskinerna (lutande planet, skruven, kilen, hjulet, blocket och hävstången). Hävstångsprincipen innebär att du förlänger avståndet mellan kraften du använder och det som ska flyttas. Hävstången använder mekanikens gyllene regel: "Det man vinner i kraft förlorar man i väg". Vridningspunkt kallas den punkt där hävstången vrider sig. Med hävarm menar man avståndet mellan kraften och vridningspunkten. Ju längre hävarm en hävstång har, desto mindre kraft behöver man. Man skiljer på enarmade och tvåarmade hävstänger. 10
En gungbräda är en tvåarmad hävstång. En hävstång är i jämvikt om vridmomentet som vill vrida hävstången åt ett håll är lika stort som vridmomentet som vill vrida åt rakt motsatt håll. Källor: Wikepedia, http://www.kommun.kiruna.se, http://www.edu.helsinki.fi Gungbrädan I det här uppdraget ska du få undersöka hävstångs-principen. Redan på stenåldern kunde man ta hjälp av en lång käpp eller stav för att flytta tex en tung sten. Käppen blev en hävstång som gjorde att det behövdes mindre kraft för att flytta den tunga stenen. Fågeln använder sin näbb som en hävstång när den ska bända upp skalet på en nöt. Kroppens skelett hos människor och djur består av olika hävstänger. När du kastar iväg något använder du armen som hävstång. Det finns två sorters hävstänger enarmade och tvåarmade. Spettet och skottkärran är exempel på enarmade hävstänger. Gungbrädan är exempel på en tvåarmad hävstång. Den har sin vridpunkt (där brädan vrider sig) mellan föremålet som ska flyttas och den kraft som ska flytta föremålet (se bilden). I uppdraget får du lära dig om några vanliga föremål där hävstänger används. Du får också lära dig om tyndpunkt och jämvikt samt hur man gör enkla naturvetenskapliga undersökningar och hur man dokumenterar sina undersökningar med text och bild. Det här behöver du: 11
Papper att dokumentera på Hävstång Tunt papper att knöla ihop till en boll Penna och sudd Skrivunderlag 1. Leta rätt på en gren. Håll ditt finger under grenen och försök hitta tyngdpunkten. Det finns bara en punkt där grenen är i balans. Då är tyngdpunkten på grenen rakt över ditt finger. Grenen är i jämvikt. 2. Sätt dig på gungbrädan. Låt en kamrat sitta på andra sidan. Försök få jämvikt. Hur kan man påverka jämvikten? Rita eller skriv ned dina tankar. Pröva sedan dina förslag. 3. Försök att lyfta en kompis och känn efter hur mycket kraft det går åt. Låt sedan kompisen sitta på ena sidan av gungbrädan. Lyft din kompis genom att trycka ner andra änden av gungbrädan. Jämför hur mycket kraft du behöver. När känns det lättast? Skriv ner dina upptäckter. 4. Försök pressa ner gungbrädan närmare vridningspunkten. Blir det lättare eller tyngre att lyfta kompisen då? Varför blir det så? Skriv ner dina tankar. 5. Knöla ihop det tunna pappret till en boll. Kasta iväg det med hela armen som hävstång. Lås sedan fast armbågen vid kroppen och kasta pappret med bara underarmen som hävstång. Blir det någon skillnad i resultatet? Varför blir det så? Skriv ner dina tankar. 12
6. Leta upp en sten som är så tung att du knappt kan flytta den med händerna. Pröva att sticka under hävstången och försök flytta stenen med den. Beskriv skillnaden. Att diskutera i klassrummet: Hur kunde du påverka jämvikten på gungbrädan? Vilken betydelse har hävstångens längd när man ska flytta något tungt? Drömskolgården Nu ska ni, tillsammans i gruppen, få tillverka en modell av ett lekredskap som ni skulle vilja ha på skolgården. 1. Diskutera vilken typ av lekredskap det ska vara, hur ni kan använda den kunskap ni fått genom skolgårdsförsöken, hur säkerheten ska garanteras och så vidare. 2. Gör en enkel skiss som visar hur lekredskapet ska se ut. Tänk igenom vilket material ni behöver. Välj av det som finns tillgängligt i klassrummet eller som du kan ta med hemifrån. 3. Bygg tillsammans en modell av lekredskapet. Alla ska hjälpa till. 4. Förbered er för att redovisa resultatet för era klasskamrater. Ni ska beskriva hur ni kom fram till vad ni skulle göra, vilket material ni har använt och vilket material man kan använda vid tillverkningen av det riktiga lekredskapet, hur man kan göra redskapet säkert, vilka tekniska mekanismer som finns, hur det fungerar m m. Alla i gruppen ska medverka vid redovisningen. Lista över saker som ska finnas i temalådan: 13
olika grova sandpapper limmade på klossar gympaskor vedträn plastlock nycklar träklossar olika stora studsbollar små och stora gosedjur pet-flaskor legobitar tejp garn tunna papper ritpapper muffinsformar Slinky hävstång Stenar, kottar, grenar m m som behövs för experimenten räknar vi med att var och en kan ordna själva. Bakgrundförklaring- koppling till litteraturen Helldén mfl. (2011) skriver i sin bok om uteundervisning. De menar att utomhus finns större ytor att röra sig på och barnen har ingen bänk där man sitter stilla så det kan vara svårt att få barnen att koncentrera sig. De citerar Cornell som använder sig av ett system som kallas för Flow Learning. Cornell menar att läraren måste vara entusiastisk och måste se till att elevernas tankar är i nuet. Elfström mfl (2011) har ett helt kapitel som handlar om tyngdkraft och friktion. De menar att just mekanikdelen inte är så prioriterad inom lärarutbildningen och de tycker den är särskilt viktig då just den delen är mansdominerad. Har då läraren kunskaper inom området kan det 14
påverka även flickor att utforska och undersöka mekaniken i vardagen (s. 153). De menar att just tyngdkraft, friktion och hävstångslagen är något barnen ofta experimenterar med när de är ute. Elfström mfl (2011) skriver också att om läraren har mer kunskap inom just dessa områden kan han/hon ställa bra produktiva frågor som gör att barnen utvecklar sitt undersökande. Bedömningsunderlag Observationer vid diskussioner och redovisningar. Dokumentation med kamera och ljudinspelningar. Elevanteckningar från experimenten. Skolverket: Dino > Förmågan att genomföra systematiska undersökningar > uppg 5. Gungbrädan Skolverket: Dino >Förmågan att beskriva och förklara > Åka rutschbana Egen diagnos enligt nedan: Här är Pelle och Eva. De står uppe i ett torn. De vill veta om Evas boll eller Pelles järnklot kommer att nå marken först om de släpper dem samtidigt. Vad tror du? 15
_ Varför? Försök förklara så noga du kan. Hur skulle de kunna göra för att få t ex bollen att falla ner långsammare? Beskrivning av arbetet i elevgruppen Detta arbete har genomförts i en 2-3:a med 15 elever. Vi gjorde detta i par, alla gjorde detta samtidigt men vi var uppdelade på olika stationer. Vi började med att göra försöken för att sedan samla ihop oss och diskutera vad som hade hänt och varför. De fick alltså faktan i efterhand. Eleverna gjorde detta med stor entusiasm, men de tyckte det var svårt att läsa och följa instruktioner på egen hand. De är ganska vana vid att göra en hypotes så det gjorde de ganska enkelt. De motiverade till och med i paren varför de trodde som de gjorde. När de sedan gjorde försöken vid rutschbanan och klätterställningen så visade det sig ganska svårt att avgöra vilket som kom ner först för en del. De fick göra om sina nedsläpp ett par gånger, och i vissa par behövdes hjälp då man måste ha full fokus med blicken ner i backen för att hinna se vilket föremål som landar först. Något som förvånade mig lite var hur mycket de redan kunde om både tyngdkraft, balans och jämvikt. Friktion däremot var ett helt nytt ord för alla, men de visste ju ändå mycket om rutschbanan och hur det fungerar med olika klädesplagg. 16
Man märker ju att detta är något eleverna tycker är roligt och som alla har någon slags erfarenhet av. De var väldigt vetgiriga och intresserade av att göra egna försök med alla möjliga saker. Det slutade med att de försökte få hela klassen att sitta på gungbrädan och få den i balans. Diskussion Vi valde ju att göra försöken först och ge fakta och förklaringar i efterhand. Detta tycker vi var ett lyckat val då det blev många bra diskussioner kring orsaker. När vi gör detta igen kommer jag göra en del i taget och med en mindre grupp. Det beror ju helt på vad man har för grupp och hur mycket de är vana vid att arbeta självständigt efter instruktioner. Den här gruppen är inte vana vid det och vill gärna ha bekräftelse på allt de gör. Däremot gick det över förväntan att ha en lektion utomhus. Helldén mfl (2011) menar ju att det är svårare att få barnen att hålla koncentrationen när man är utomhus, men vi håller nog med Cornell som de citerar i sin bok. Han säger ju att om läraren är entusiastisk och får eleverna att vara i nuet så kan man ha en lyckad uteundervisning. Det här arbetet var verkligen något som eleverna tyckte var kul, och alla var engagerade och med. Det sista klassen gjorde ute vid gungbrädan var att försöka få jämvikt på gungbrädan med hela klassen på. I den diskussionen som blev märkte man verkligen vilka som hade förstått hur det fungerade, de kom med förslag på vem som skulle sitta var och vilka som skulle byta plats o.s.v. Referenslista Lgr 11 Kommentarmaterial till kursplanen i teknik Vägar till naturvetenskapens värld- ämneskunskap i didaktisk belysning; Gustav Helldén, Gunnar Jonsson, Inger Karlefors och Anna Vikström, Liber AB 2011 Barn; och naturvetenskap- upptäcka, utforska, lära; Ingela Elfström, Bodil Nilsson, Lillemor Sterner och Christina Wehner-Godée, Liber 2011 17