Από το quark μέχρι το Σύμπαν.
Μια βιωματική προσέγγιση θεμελιωδών εννοιών της Σύγχρονης Φυσικής.
Υπεύθυνη καθηγήτρια Ε. Πάτκου
Η ιδέα για το θέμα αυτό προέκυψε από μια συζήτηση στην τάξη ότι η Φυσική είναι δύσκολη και βαρετή. Η Φυσική όμως, άδικα μάλλον έχει τη φήμη ότι είναι δύσκολη, ότι δεν είναι πρακτική ή ότι είναι βαρετή. Μπορεί να είναι δύσκολη, αλλά βαρετή όχι! Τα αναλυτικά προγράμματα και ο χρόνος ποτέ δεν φτάνουν στα πεδία που η Φυσική γίνεται πράγματι συναρπαστική ή διασκεδαστική για τα παιδιά.
Το πρόγραμμα εφαρμόστηκε στην Β΄ τάξη του 1ου Γυμνασίου Πυλαίας, στο πλαίσιο της «Βιωματικής εργασίας στην ενότητα ?Πολιτισμός και τέχνες?», (σχολική χρονιά 2015-16), που πραγματοποιούνταν ενταγμένο στο σχολικό πρόγραμμα για μια ώρα την εβδομάδα. Στη συγκεκριμένη διδακτική παρέμβαση επιλέξαμε να ασχοληθούμε με θεμελιώδεις έννοιες της Φυσικής που δεν διδάσκονται βάσει του αναλυτικού προγράμματος και που έρχονται σε σύγκρουση με την προσχολική γνώση, αλλά και την επίσημη σχολική ύλη. Οι ενότητες αυτές αφορούσαν την τέταρτη διάσταση και την έννοια του χρόνου, τη θεωρία της σχετικότητας, το καθιερωμένο μοντέλο, την προέλευση των δυνάμεων, την αρχή της απροσδιοριστίας, το διαστελλόμενο σύμπαν, την μεγάλη έκρηξη
Δείτε εδώ σε δύο λεπτά τι κάναμε
Πρώτη θεματική: Τέταρτη διάσταση.
Τα παιδιά εδώ κατασκεύασαν κόσμους με μία διάσταση, δύο και τρείς διαστάσεις. Χρησιμοποίησαν σχοινιά, χαρτόνια, ξύλα. Προσπάθησαν να φανταστούν πως θα ήταν οι κάτοικοι μιας χώρας με μία, ή δύο διαστάσεις, και πως θα ήταν η ζωή τους. Πολύ παραστατικά το είδαμε στην ταινία The flatland. (http://www.flatlandthemovie.com/ προσπέλαση 12-9-2016). Με τις κατασκευές διαπίστωσαν ότι για να γίνει αντιληπτή από κάποιον μια επιπλέον διάσταση, πρέπει να «βγει» απ? αυτές στις οποίες βρίσκεται, όπως όταν ένα μυρμήγκι πέσει από ένα σύρμα, ή από ένα τραπέζι. (Άμποτ, 1988)
Διαπίστωσαν επίσης, πως είναι δυνατό κάτοικοι ενός κόσμου δύο διαστάσεων, όπως στην επιφάνεια ενός κυλίνδρου, ενώ ζουν σε δύο διαστάσεις να μην αντιλαμβάνονται την τρίτη. Αυτό το περιγράφει πολύ καλά η ταινία Dr Quantum-Flatland, https://www.youtube.com/watch?v=BWyTxCsIXE4 προσπέλαση 12-9-2016). Οι ταινίες αυτές προκάλεσαν έντονες συζητήσεις στην τάξη. Και όλα αυτά για να καταλάβουν πως ενώ ζούμε σε κόσμο τριών διαστάσεων, η τέταρτη διάσταση υπάρχει, παρόλο που δεν μπορούμε να την αντιληφθούμε. Στο σημείο αυτό αναφερθήκαμε στην μη Ευκλείδεια γεωμετρία και την αφήσαμε για το μέλλον. Και για να φανταστούμε την τέταρτη διάσταση στραφήκαμε στη λογοτεχνία και την ζωγραφική. Διαβάσαμε την «Αλίκη στη χώρα των θαυμάτων» του συγγραφέα Λιούις Κάρολ, που πέφτει μέσα από μια λαγότρυπα και περιπλανάται σε ένα άλλο σύμπαν, και μεγάλα κλασικά έργα μέσα από τα κλασσικά εικονογραφημένα του συγγραφέα Χ. Τζ. Γουέλς όπως «Η μηχανή που τρέχει μέσα στα χρόνια» που μας ταξιδεύει με μια χρονομηχανή στο έτος 802701 μ.Χ. «Ο αόρατος άνθρωπος», ο οποίος πίνοντας ένα υγρό περνούσε στην τέταρτη διάσταση και γινόταν αόρατος , «Δόκτωρ Τζέκιλ και μίστερ Χάιντ», και «Το στοιχειό του Κάντερβιλ» του συγγραφέα Ό. Ουάιλντ. Στον 19οαι, εποχή που γράφονται αυτά τα έργα, η τέταρτη διάσταση τράβηξε το ενδιαφέρον του αποκρυφισμού, του μυστικισμού και θεωρούσαν ότι τα φαντάσματα ήταν όντα της 4ης διάστασης (Ibanez, 2011). Άλλο βιβλίο που διάβασαν και παρουσίασαν τα παιδιά ήταν «Η πύλη του χωροχρόνου» της συγγραφέως Νινέττας Βολουδάκη. Έγινε μεγάλη συζήτηση για το πώς οι άνθρωποι προσπάθησαν να αποδώσουν στις δύο διαστάσεις τις τρεις. Μιλήσαμε για την ζωγραφική των σπηλαίων (33.000, 14.000 π.Χ.) για την ζωγραφική της Αναγέννησης και με ποιο τρόπο εισήγαγαν την προοπτική. Για τους καλλιτέχνες του 20ου αι. για τους οποίους η τέταρτη διάσταση ήταν ένα σύμβολο απελευθέρωσης και πηγή νέων ιδεών, όπως για το ρεύμα του κυβισμού, του φουτουρισμού, του ιμπρεσιονισμού, του σουπρεματισμού, του σουρεαλισμού, (Ibanez, 2011 και http://www.slideshare.net/akarpuzos/h-4-27360348), προσπελάστηκε 12-9-16). Στο τέλος έκαναν μερικά μαθήματα ζωγραφικής με προοπτική με τη βοήθεια της καθηγήτριας των καλλιτεχνικών και ζωγράφισαν και δικά τους έργα.
Δεύτερη θεματική: Καθιερωμένο μοντέλο.
Ο στόχος στη Φυσική είναι να υπάρχουν όσο το λιγότεροι κανόνες και εδώ φανταστήκαμε τη Φυσική σαν ένα παιχνίδι ή μια σειρά παιχνιδιών με μπάλες. Με την πρώτη ματιά τα παιχνίδια μοιάζουν μεταξύ τους. Δύο ή περισσότεροι παιδιά - παίχτες, παριστάνουν τα στοιχειώδη σωματίδια και παίζουν παιχνίδια. Τα παιχνίδια αντιστοιχούν στις τέσσερις δυνάμεις που κάθε μια έχει μια σειρά από δικούς της, παρόμοιους με των άλλων κανόνες. Δεν συμμετέχουν όλα τα σωματίδια σε όλα τα παιχνίδια. Αυτό το σύνολο των σωματιδίων και των κανόνων είναι γνωστό, από τη δεκαετία του 1970, ως Καθιερωμένο Μοντέλο (Murray Gell-Mann, Abdus Salam, Glashow, Sheldon Lee Glashow).
Μιλήσαμε για τη δομή της ύλης και αναπαραστήσαμε το ατομικό πρότυπο του Thomson με σταφιδόψωμο και τα στοιχειώδη σωματίδια με ζαχαρωτά. Για να αντιληφθούμε πώς αλληλεπιδρούν δύο σωματίδια και τι είναι αυτό που λέμε δύναμη, παίξαμε παιχνίδια με μπάλα και δύο παίχτες. Δύο σωματίδια π.χ. ηλεκτρόνια για να αλληλεπιδράσουν πρέπει να βρίσκονται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Θα ήταν άπραγα αν δεν υπήρχε αυτό το πεδίο. Από πού όμως προέρχεται αυτό το πεδίο; Τα σωματίδια για να ειδοποιήσουν το ένα το άλλο για την παρουσία τους χρειάζονται έναν «αγγελιοφόρο», ένα τρίτο σωματίδιο-φορέα της δύναμης. Τα ηλεκτρόνια ανταλλάσουν ένα σωματίδιο για να πουν «είμαι εδώ» «φύγε» ή «έλα». Έτσι και στο τένις ή το βόλεϊ για να παίξουν οι παίχτες πρέπει να βρίσκονται σε ένα κατάλληλο γήπεδο και επιπλέον να έχουν την κατάλληλη μπάλα, και για κάθε δύναμη και άλλη μπάλα ? σωματίδιο. Έτσι πήγαμε σε χώρο, που δεν ήταν
γήπεδο και χωρίς μπάλα και τα παιδιά κλήθηκαν να «παίξουν», ενώ δεν ήταν δυνατό. Πήγαμε σε γήπεδο βόλεϊ χωρίς μπάλα και σε γήπεδο με μπάλα. O ηλεκτρομαγνητισμός μοιάζει με το τένις γιατί έχει γρήγορο ρυθμό, η ισχυρή δύναμη σαν παιχνίδι πιγκ-πογκ γιατί είναι περιορισμένη σε μικρό χώρο και είναι σαν αναμέτρηση πρόσωπο με πρόσωπο σε γρήγορο ρυθμό, ενώ η ασθενής με παιχνίδι με βαριά μπάλα όπως του μπάσκετ, γιατί εκεί το σωματίδιο ανταλλαγής είναι τα μποζόνια W και Ζ, που έχουν μεγάλη μάζα. Η βαρύτητα, αν υπάρχει το βαρυτόνιο, μοιάζει με το παιχνίδι του μπάντμιντον γιατί είναι χαμηλής έντασης. Στο σημείο αυτό μιλήσαμε για την αναζήτηση του βαρυτονίου και της Θεωρίας των Πάντων. Μιλήσαμε και για το σωματίδιο Higgs. Η ιδέα για τα παιχνίδια, είναι από το βιβλίο «Οδηγός χρήσης του Σύμπαντος» (Goldberg D. και Blomquist J), ενώ για την επαφή των παιδιών με το ευρύτερο πλαίσιο της θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων αξιοποιήθηκε το βιβλίο του Μπράιαν Γκριν. Στην τάξη ολοκληρώσαμε με ένα παιχνίδι ερωτήσεων σε κάρτες για να μπορούμε να θυμόμαστε τα πολλά σωματίδια που μάθαμε. Στο τέλος, όλα αυτά τα παρουσιάσαμε με τη μορφή comic με τη χρήση του λογισμικού TOONDOO, αφού συζητήσαμε για τo storytelling στην τάξη.
Τρίτη θεματική: Θεωρία σχετικότητας.
Στην ειδική θεωρία σχετικότητας μιλήσαμε αρχικά για τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς και για τους φυσικούς νόμους που ισχύουν το ίδιο τόσο στα κινούμενα συστήματα με σταθερή ταχύτητα όσο και στα ακίνητα. Εδώ χρειάστηκε να έρθουμε σε γνωστική σύγκρουση. Τα παιδιά ισχυρίζονταν ότι δεν ισχύουν οι φυσικοί νόμοι με τον ίδιο τρόπο. Καταστρώσαμε ένα πρόχειρο σύστημα αναφοράς με κινούμενη καρέκλα για να το «βιώσουμε». Συζητήσαμε για την ταχύτητα μιας μπάλας που πετάει ο κινούμενος παρατηρητής με την καρέκλα και κάναμε απλούς υπολογισμούς στον πίνακα για την ταχύτητά της όπως την μετράει ο ακίνητος και ο κινούμενος παρατηρητής. Στη συνέχεια μιλήσαμε για την ταχύτητα του φωτός και παραδέχθηκαν με δυσκολία τη σταθερότητά της σε όλα τα συστήματα. Προσπαθούσαμε να καταλάβουμε «τι τρέχει» με τον χρόνο που «καταλαβαίνει» ένας κινούμενος ή ακίνητος παρατηρητής. Με απλούς υπολογισμούς στον πίνακα φτάσαμε στη «διαστολή του χρόνου». Βοηθητικό πολύ ήταν ότι την ίδια περίπου περίοδο διδάσκονταν τις εξισώσεις της κίνησης στο μάθημα της Φυσικής. Αναπαραστήσαμε το ακίνητο και κινούμενο σύστημα αναφοράς με το λογισμικό Stykz με το οποίο κάναμε δύο μικρά animation. Τους εντυπωσίασε ιδιαίτερα το παράδοξο των διδύμων αδελφών. Για τη διαστολή του χρόνου μιλήσαμε και στην επόμενη ενότητα.
Για την Γενική θεωρία σχετικότητας, επιλέξαμε να κατασκευάσαμε με ελαστικό πανί ένα στιγμιότυπο του «χωροχρόνου». Υπάρχουν πολλά παρόμοια παραδείγματα στο διαδίκτυο όπως το γνωστό πείραμα του Dan Burns. (https://www.youtube.com/watch?v=MTY1Kje0yLg τελευταία προσπέλαση 12-9-2016). Πάνω σε αυτό τοποθετήσαμε μπάλες διαφορετικού βάρους και μεγέθους, και η παραμόρφωση που επέφεραν παρίστανε την παραμόρφωση του χωροχρόνου από την παρουσία τους. Οι κινήσεις που έκαναν διάφορες μπίλιες που πετούσαμε πάνω στο πανί, παρίσταναν τις κινήσεις που εξαναγκάζονται να κάνουν διάφορα σώματα εξαιτίας της παραμόρφωσης του χωροχρόνου. Με μια κλωστή παραστήσαμε την καμπύλωση του φωτός που υφίσταται λόγω της καμπύλωσης του χωροχρόνου.
Οι κινήσεις στο χωρόχρονο δεν χρειάζονται πια την έννοια της δύναμης. Μιλήσαμε για μαύρες τρύπες, για σκουληκότρυπες στο χωρόχρονο και για τα ταξίδια στο χρόνο. Είδαμε την ταινία «Interstellar». Είδαμε ταινίες- μαθήματα που υπάρχουν στο διαδίκτυο, όπως οι σειρές μαθημάτων «Through the wormhole» και «Το Σύμπαν που αγάπησα» των Μάνου Δανέζη και Στράτου Θεοδοσίου, σχετικά με την δημιουργία του Σύμπαντος, την Μεγάλη Έκρηξη, για το διαστελλόμενο σύμπαν, για τη γέννηση, τη ζωή και το θάνατο των αστέρων. Επανήλθαμε στη διαστολή του χρόνου και με χάρτινη κατασκευή προσπαθήσαμε να την εξηγήσουμε. Την ιδέα πήραμε από το βιβλίο «Εικόνες Σχετικότητας», του Lewis Epstein. Τέλος οργανώσαμε το παραγόμενο υλικό με p. point.
Συστήματα αναφοράς -σχετική κίνηση
Τέταρτη θεματική. Αρχή απροσδιοριστίας.
Μια περιεκτική διατύπωση της αρχής της απροσδιοριστίας είναι η εξής, με τα λόγια του ίδιου του εισηγητή της Βέρνερ Χάιζενμπεργκ: «Είναι αδύνατο να γνωρίζει κανείς με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματιδίου, ταυτόχρονα, είτε πρακτικά, είτε θεωρητικά». Η αρχή της απροσδιοριστίας, δικαιούται να συμπεριληφθεί στη λίστα των μεγάλων εννοιών της Φυσικής γιατί χωρίς αυτήν το σύμπαν θα ήταν ένα νεκρό σύμπαν (Τραχανάς, 2014). Είναι αυτή που εξηγεί γιατί τα άτομα, ή τα μόρια υπάρχουν και δεν καταρρέουν, γιατί ο ήλιος ακτινοβολεί για δισεκατομμύρια χρόνια, πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες, τα άστρα και οι πλανήτες. Η απροσδιοριστία δεν οφείλεται 
στην έλλειψη δεξιοτήτων του ανθρώπου να πραγματοποιήσει με ακρίβεια μετρήσεις στον μικρόκοσμο αλλά σε μία πραγματική ιδιότητα του φυσικού κόσμου, η οποία εμφανίζεται και πειραματικά. Αν γνωρίζουμε τη θέση ενός σωματιδίου τότε δεν μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα με ακρίβεια και αντιστρόφως. Υπάρχει και συγκεκριμένος τύπος που ορίζει την απροσδιοριστία, αλλά εμείς το αναπαραστήσαμε «βιωματικά» με κουτιά διαφόρων μεγεθών, που στο εσωτερικό τους υπήρχε ένα μικρό μπαλάκι. Η υπόθεση ήταν ότι παρατηρούμε ένα στοιχειώδες σωματίδιο στο χώρο του να κινείται με μια άτακτη κίνηση προς όλες τις διευθύνσεις. Στο μεγάλο κουτί τοποθετήσαμε μετροταινία και είδαμε πως μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα της μπαλίτσας γιατί η διάσταση του κουτιού μας το επέτρεπε. Μπορούσαμε να μετρήσουμε απόσταση μετακίνησης και αντίστοιχο χρόνο. Η «θέση» της όμως έχει αρκετή απροσδιοριστία, όσο το μέγεθος του κουτιού. Όσο μικραίνει το κουτί τόσο προσδιορίζουμε καλύτερα τη θέση της μπάλας, αδυνατούμε όμως, με τα «μέσα» που διαθέτουμε, να μετρήσουμε την ταχύτητα με ακρίβεια.
Στη συνέχεια μιλήσαμε για το ρόλο της αρχής της απροσδιοριστίας στη δημιουργία του κόσμου και στην ανάδυση της ζωής στο σύμπαν αφού παρακολουθήσαμε την ομιλία του Σ.Τραχανά (http://www.blod.gr/lectures/Pages/viewlecture.aspx?LectureID=705 προσπελάστηκε 12/9/2016), από την πλατφόρμα διαδικτυακών μαθημάτων του Πανεπιστήμιου της Κρήτης «Mathesis».
Στο τέλος τα παιδιά δημιούργησαν μικρή ταινία παρουσίασης των δραστηριοτήτων.