Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Stonawski Tamás, Murguly Alexandra, Pátzay Richárd, Cérna László
Ecsedi Báthori István Református Gimnázium és Kollégium, Nagyecsed
A projektmódszer nem újkeletű pedagógiai módszer, hiszen több, mint száz éve létezik, bár még ma is sokan idegenkednek tőle. Diákjaimmal gyakorta készítünk projekteket, vagy csatlakozunk nagyobbakhoz. E munkák sokszor hónapokig, akár egy egész tanévig is eltarthatnak. Az előkészületek sokszor iskolán kívül, a tanulók szabadidejében történnek, a konzultációk is szakkörökön, szünetekben vagy a világhálón keresztül zajlanak. A tanórán csak a megfelelő dokumentációval ellátott, kész projekteket tálaljuk az osztály elé. Ilyenkor hasznos, hogy a projektekben felhasznált fizikai törvények és összefüggések összhangban legyenek a tanítási óra anyagával. Mivel a projektek konkrét gyakorlati példákon keresztül keltik életre a könyvekből megtanult tudományos ismereteket, igen intenzív kompetenciafejlesztő hatásuk van, a befogadó tanulók motivációs szintje is nagymértékben növekszik. A projektek elkészítésének kritikus része a pontos dokumentálás és a jegyzőkönyvek időbeli elkészítése. Erre is érdemes nagy hangsúlyt fektetni, hiszen mindez a tudományos munka elengedhetetlen része. A dokumentálás egyik fontos eszköze a mobiltelefon, amivel képeket, filmeket, hangfelvételeket is készíthetnek a diákok, de számológép-, képszerkesztő-, jegyzetfüzet- és naplófunkciókkal is rendelkeznek már az egyszerűbb mobilok is.
Horváth Gábor és munkatársainak a Fizikai Szemlében megjelent egyik cikkét [1, 2] és a hozzá tartozó egyéb szakirodalmat [3, 4] elolvasva, valamint az erről szóló egyik előadását meghallgatva (amiről a Magyar Televízió Delta műsorában is sugároztak egy rövid filmet [5]) ismertem fel, milyen izgalmas lehetne gimnazistákkal is elvégeztetni a vízcseppes levelek napégésével kapcsolatos terepkísérleteket. Akadt még néhány ötletem, amelyek segítségével más megközelítésben is vizsgálható az adott probléma.
Tanulóim a 11. osztályban ismerkedtek meg az optika alapfogalmaival, többek között a domború lencsék képalkotásával, nevezetes sugármeneteivel. Feladatmegoldásaik során találkoztak az Egységes érettségi feladatgyűjtemény 2152. feladatával (1. ábra). A feladat a nyári nagy melegben való locsolás káros következményeinek okait keresi. Megoldásként a vízcseppek gyűjtőlencseszerű viselkedését jelöli meg, ami a levelek felületére fókuszálja a napfényt és kiégeti a levelet.
Az osztállyal a Fizikai Szemlében megjelent kétrészes cikket [1, 2] dolgoztuk fel interaktív tábla segítségével. A cikk meggyőző volt és serkentőleg hatott az osztályra. Az eredeti kísérletben üveggolyókat és vízcseppeket használtak fel a szerzők, és cáfolták azt a tévhitet, amiről az egységes érettségi fizika feladatgyűjtemény említett feladata is szól. Az osztállyal közösen elhatároztuk, hogy megismételjük az [1, 2] cikkben leírt kísérleteket, de üveggolyó helyett a virágboltokban is kapható gliceringolyót használva (2. ábra), hiszen a vízben áztatott gliceringolyó törésmutatója sokkal jobban közelíti a vízét. A vízcseppeket pedig érdekességképpen olajcseppekkel helyettesítettük, az olaj víznél lassúbb párolgása és nagyobb törésmutatója miatt.
A Nagyecsedi Füvészkertből kaptuk a kísérletben felhasznált faleveleket: páfrányfenyő (Ginkgo biloba) és juhar (Acer platanoides). A kísérlet egyéb alkotóelemeit a diákok gyűjtötték össze (1 és 20 mm közti átmérőjű gliceringolyók, üveglapok, zöld filcanyag, magnókazetta-tartók, üvegtányérok, szintetikus motorolaj, étolaj, gyógyszertári pipetta, ragasztószalag).
Vízbe helyeztünk 10 darab 1 mm átmérőjű gliceringolyót, félóránként megmértük átmérőjüket, majd átlagoltuk a kapott értékeket, és megfigyeltük az alakváltozásaikat is. Megfigyeléseinket az 1. táblázat tartalmazza. A gliceringolyó kiindulási térfogata
volt, végleges térfogata pedig
Elmondható, hogy a vízben történt áztatás végén a gliceringolyó 99,98%-a víz volt. Az ilyen golyót vízbe helyezve szinte láthatatlanná válik (2.b ábra), mert törésmutatója nagyon közeli a vízéhez. A gliceringolyókkal tehát jól tudjuk modellezni a vízcseppeket. A levegőn a gliceringolyó térfogatcsökkenése legalább 6 órán keresztül nem számottevő, a vele azonos méretű vízcsepp – a léghőmérséklettől és a napsütés erősségétől függően – viszont már közel negyedóra alatt elpárolog. Erős napsugárzás hatására 7-8 óra után a vízben áztatott gliceringolyó külső hártyája fölhasadhat.
A tavaszi előkészületek után, a meteorológiai műholdképek alapján választottunk ki egy májusi napot, amikor a több órán át tartó napsütés és szélcsend valószínűsége a legnagyobb volt a heti előrejelzésben. 2011. május 24-én teljesen derült ég alatt sikerült megvalósítani a kísérletet. A kísérletben hosszú besugárzási időtartamot választottunk: 8:00 órától 14:00 óráig hagytuk a napon az áztatott gliceringolyókkal fedett faleveleket (3. ábra). Egy adott levélfajta színén és fonákján is elvégeztük a kísérletet. A kísérlet végén a besugárzott leveleket 8:00-kor és 14:00- kor az iskola LG 600P típusú szkennerével digitalizáltuk, és óránként folyamatosan digitális fényképezőgéppel és mobiltelefonokkal is fényképeztük.
Az 1. kísérletben két juharlevelet helyeztünk egy-egy átlátszó üvegtálra: egyet fonákkal, egyet pedig a színével fölfelé (3. ábra). Az ágakról frissen levágott falevelek egészségesek és sima felületűek voltak. Az a) tálat 4 óráig, a b) tálat 5 percig vízben áztatott 20 mm-es és 2 mm-es gliceringolyókkal teljesen lefedtük. A golyók törésmutatója a vízével gyakorlatilag megegyező volt. A tálakban lévő üveggolyókkal fedett leveleket közvetlen napsugárzásnak tettük ki 6 órán keresztül.
A 2. kísérletet meleg, napos, szélcsendes időben végeztük Nagyecseden. Egy nagyobb méretű asztalt helyeztünk árnyékmentes helyre, s az asztalt zöld filcanyaggal terítettünk le, hogy a természetes környezetben a levelekre alulról érkező szórt zöld fényt biztosítsuk. Ezt követően páfrányfenyő (Ginkgo biloba) és juhar (Acer platanoides) leveleit a szélüknél fogva egy vékony, átlátszó ragasztószalaggal üveglapra ragasztottuk, hogy ezzel még szél esetén is biztosítani tudjuk a levelek sík helyzetét. Az üveglapokat videokazetta- tartókra helyeztük (4. ábra), így próbáltuk közelíteni a természetes közeget, hiszen a fákon lévő levelek között is légrések vannak. Két juharlevelet és hat páfrányfenyőlevelet ragasztottunk a széleik mentén a két üveglapra vízszintesen, levélfonákkal, illetve levélszínnel fölfelé. A felragasztás után pipetta segítségével étolajat és szintetikus motorolajat csöppentettünk a levelek felületére: a juharlevelekre 174 és 182 cseppet, a páfrányfenyő leveleire pedig 15-20 cseppet. Az olaj törésmutatója nolaj = 1,48, ami jóval nagyobb, mint a vízé nvíz = 1,33. A 4. ábra szerinti, napfénynek kitett kísérleti összeállítást óránként ellenőriztük.
2011. június 14-én végeztük a kontrollkísérleteket 15:00 és 17:00 óra között (5. ábra). Egy-egy üveglapra ragasztottunk páfrányfenyő és juhar 2-2 levelét, majd étolajjal végigcseppentettük a felületüket. Az egyik üveglapot napfényre helyeztük, a másikat pedig egy árnyékos helyre. Hasonlóan jártunk el a gliceringolyókkal is: mindkét juharlevél felszínét vízbe áztatott 20 mm-es gliceringolyókkal fedtük, majd az egyiket a napfényre, a másikat az árnyékba helyeztük. A páfrányfenyő leveleit vízbe áztatott 2 mm-es gliceringolyókkal fedtük, és itt is az egyik levelet a napra, a másikat árnyékba tettük.
A fönt leírt besugárzásos kísérletek elvégzése után égésnyomokat tapasztaltunk a vízben áztatott gliceringolyók alá helyezett juharleveleken és az olajcseppek alatt lévő páfrányfenyő levelein is (6. ábra). Az égésnyomok elnyúlt alakja a Nap látszólagos mozgásának leképezését is mutatta a leveleken (6.a–b ábra). Az olajcseppek nem gömb alakot, hanem lapos ellipszoid alakot vettek föl a juharleveleken, így a kis fénytörőerő miatt még 6 órás besugárzás mellett sem tudták beégetni a levél felületét (6.c–d ábra). A páfrányfenyő levelein viszont a kisebb nedvesítés folytán gömbölydedebb alakot öltöttek az olajcseppek, így 4 óra múlva égésnyomok jelentkeztek (6.e–f ábra). Ugyanakkor, a vizes gliceringolyók megfelelően gömbölydedek voltak, s úgy fókuszálták a napfényt, hogy az kiégette a leveleket. E kísérletek alapján elmondhatjuk, hogy a leveleket a rájuk tapadt vízcseppek csak akkor égethetnék be, ha alakjuk gömbölyded lenne s több óráig sem párolognának el. Könnyen belátható, hogy természetes körülmények között e feltételek nem teljesülnek.
Az olajcseppekkel fedett juharlevelek felületén nem tapasztaltunk égésnyomokat, függetlenül attól, hogy közvetlen napfényre vagy árnyékba helyeztük őket 2 óra hosszáig (6.c–d ábra). A vizes gliceringolyók esetében égésnyomok csak a napfényre kihelyezett juharleveleken voltak észlelhetők (6.a–b ábra). A páfrányfenyő leveleit viszont a napfényen beégették az olajcseppek (6.e–f ábra), de az árnyékban nem okoztak barnulást. A kontrollkísérlet alapján elmondható, hogy az égésnyomok nem az olajjal és a vizes gliceringolyókkal való egyéb más kölcsönhatás eredményeként keletkeztek.
Mivel a kontrollkísérletet késő délután végeztük, kisebb volt a napfény beesési szöge a vízszintestől mérten, így a gliceringolyókon áthaladó fénysugarak leképezései is módosultak. A kontroll során intenzívebb égető hatást tapasztaltunk, helyenként teljesen sötét foltok is keletkeztek a levelek felületein (7. ábra). Ezek alapján az is elmondható, hogy nem déli napsütésben, ahogy azt az összefoglaló feladatgyűjtemény szövege állítja, hanem késő délután erőteljesebb a napégés (8. ábra), amint az az elméleti jóslatból is következik [1–4].
Összegezve eredményeinket, a vízcseppek, mint lapos gyűjtőlencsék nem képesek beégetni a sima felületű leveleket a tűző napon. Ennek egyik következménye, hogy az erdőtüzek lehetséges okainak ilyen jellegű feltüntetése az erdészeti szakirodalomban, miszerint a vízcseppek erős fókuszáló hatása miatt tűz is keletkezhet, téves elképzelésnek bizonyul. Az Egységes érettségi fizika feladatgyűjtemény 2152. feladatának megoldáskötetében nem a helyes választ tüntették fel, az nem is szerepelt a feladat lehetséges alternatívái között, ezért kérjük a könyvkiadót, korrigálja a feladatban észlelt hibát.