Χρήση της Ιστορίας της Φυσικής στη Διδακτική της Φυσική

Παρουσίαση με θέμα: "Χρήση της Ιστορίας της Φυσικής στη Διδακτική της Φυσική"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Χρήση της Ιστορίας της Φυσικής στη Διδακτική της Φυσική
Παύλος Μίχας Καθηγητής Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

2 Δύο από τα ερωτήματα που προβάλλονται για τη χρήση της ιστορίας:
Α΄) Μπορούμε να ερευνήσουμε τις πιθανές εναλλακτικές ιδέες των μαθητών μέσα από την ιστορία της επιστήμης και ειδικά σ’ αυτές τις περιοχές όπου η αρχικές επιστημονικές ιδέες ήταν διαφορετικές από τις παρούσες; Β΄) Είναι δυνατόν να υπερνικήσουμε τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών χρησιμοποιώντας πειράματα στην τάξη, βασισμένα στα αρχικά πειράματα που διενήργησαν οι επιστήμονες στο παρελθόν για να προαγάγουμε τις σύγχρονες επιστημονικές ιδέες;

3 Θέση των Σέρογλου, Κουμαρά, Τσελφέ:
Δεν θα ήταν συνετό να παραλληλιστούν οι ιδέες των μαθητών με την ιστορία της επιστήμης γιατί τα εννοιολογικά συστήματα των παλαιότερων επιστημόνων συμφωνούσαν με την εποχή τους και διέφεραν από τη σύγχρονη πραγματικότητα, οπότε συχνά λίγα μόνο χαρακτηριστικά υφίστανται ανάμεσα σε μια συγκεκριμένη ιδέα μαθητών και την ιστορική της πορεία. Η ιστορική εξέλιξη συνεπάγεται μια μεταβατική περίοδο στον τρόπο σκέψης των επιστημόνων από τη συγκεκριμένη αντιληπτική θεώρηση (μέσω των αισθήσεων) στην αφηρημένη εννοιολογική θεώρηση πράγμα πολύ δύσκολο. Αυτήν τη μεταβατική περίοδο στον τρόπο σκέψης τους πρέπει να περάσουν και οι μαθητές ώστε να μεταβούν από την αντιληπτική στην εννοιολογική σκέψη.

4 Καλό θα ήταν η ιστορία της επιστήμης να χρησιμοποιηθεί όχι σαν οδηγός στην αναζήτηση των ιδεών των μαθητών αλλά σαν πηγή έμπνευσης: Για να σχεδιαστούν εκπαιδευτικά υλικά, πειράματα για τη διδασκαλία και γνώση επιστημονικών ιδεών. Οι μαθητές να συγκρίνουν φαινόμενα (να βρουν ομοιότητες και διαφορές). Να απορρίψουν εναλλακτικές ιδέες σε κάποιες περιοχές. Ως εκπαιδευτικό υλικό μπορούν να χρησιμεύσουν πειράματα του παρελθόντος που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες για να πείσουν τους συγχρόνους τους για την ορθότητα της θεωρίας τους.

5 Εφαρμογές της ιστορικής μεθόδου στην Φυσική (Kipnis)
Κατ’ αυτόν:

6 Επανανακάλυψη Η φυσική για όλους θα πρέπει να βασίζεται σε πειράματα που απαιτούν να σκεφτεί ο μαθητής. Είναι οι δάσκαλοι έτοιμοι για αυτά; Α) Με τη χρήση της Ιστορίας μπορεί να διευκολυνθεί η κατανόηση μιας έννοιας αν αυτή «επανανακαλυφθεί» με μια ενεργό συμμετοχή του μαθητή. Β) Να γίνεται χρήση ιστορικών πειραμάτων που απαιτούν από το μαθητή να μιμηθεί Φυσικούς. Γ) Με τα παραπάνω πειράματα γίνεται πιο κατανοητή η στρατηγική του πειραματισμού. Μπορούν να μελετηθούν τα ερωτήματα που εγείρονται για πειραματική έρευνα. Υποδιαιρεί την έρευνα σε ”προκαταρκτική”, όπου εξετάζεται η προέλευση του προβλήματος, παρουσιάζονται οι ιδέες των επιστημόνων και τα πρώτα πειράματα, ενώ στο ”κύριο” μέρος έχουμε μια σχεδιασμένη πορεία. Η κύρια μέθοδος που χρησιμοποίησε ο Kipnis ήταν ιστορικά πειράματα με τα οποία ασχολούνται οι μαθητές.

7 Σχέδιο έρευνας κατά τον Kipnis
Προκαταρκτικό 1. Προέλευση του προβλήματος 2. Αρχικές παρατηρήσεις/ πειράματα 3. Διατύπωση του προβλήματος 4. Επιλογή μεταβλητών 5. Επιλογή διαδικασίας Κύριο Μέρος Γενικά συμπεράσματα

8 Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Ξεκινάμε με τα πειράματα του Gray 1730 Ένας γυάλινος σωλήνας με φελλό τρίφτηκε και παρατήρησε ότι και ο φελλός έλκυε τα χαρτάκια, μετά παρατήρησε ότι και ένα καρφί έκανε το ίδιο. Υποδεικνύει στους μαθητές να κάνουν μια παραλλαγή χρησιμοποιώντας διάφορα υλικά και ένα ηλεκτρόμετρο με νήμα.

9 Μια παραλλαγή του πειράματος Gray
Ενδιάμεσο Ατσαλένιο σύρμα Χάρτινος σωλήνας Πλαστικός σωλήνας Λωρίδα χαρτόνι Ατσάλινο σύρμα Πλαστικός χάρακας Στήριγμα Κύπελλο φελιζόλ Πλαστικό κύπελο Κομμάτι φελιζόλ Κύπελο φελιζόλ Πλαστικό δοχείο Κομμάτι φελιζόλ Ξύλινο κομμάτι Αποτέλεσμα Ναι όχι Γιατί σε ορισμένες περιπτώσεις το ενδιάμεσο σώμα επηρεάζει το ηλεκτρόμετρο και σε άλλες όχι; Διατύπωση υποθέσεων για τις μεταβλητές που επηρεάζουν ή όχι. Μπορούμε να έχουμε ως μία μεταβλητή το ενδιάμεσο και ως δεύτερη μεταβλητή το στήριγμα.

10 Κύριο Μέρος Κάνουμε πείραμα ελέγχου μεταβλητών.
Αν έχω στήριγμα με κομμάτι φελιζόλ μπορώ να δω ότι το ατσάλι, το χαρτόνι και το ξύλο μεταδίδουν την έλξη ενώ το πλαστικό και το φελιζόλ δεν τη μεταδίδουν Για να διατυπώσουμε όμως μια υπόθεση για το στήριγμα θα πρέπει να κάνουμε και άλλα πειράματα ελέγχου: διατηρούμε το ενδιάμεσο σώμα αλλά μεταβάλλουμε το στήριγμα. Αν το στήριγμα είναι φελιζόλ ή πλαστικό παρατηρείται απόκλιση ενώ με ξύλο ή μέταλλο όχι. Εδώ έχουμε ανάγκη από θεωρία, Γιατί τα ίδια υλικά άλλοτε ως ενδιάμεσα βοηθούν την εμφάνιση του φαινόμενου και άλλοτε όχι; Διατυπώνουμε την υπόθεση το ότι το ηλεκτρικό φορτίο κινείται κάπως σαν ένα ρευστό. Άρα τα στηρίγματα κάνουν το φορτίο να διαρρέει προς το τραπέζι αντί να πάει στο ηλεκτροσκόπιο

11 Γιατί ιστορικά πειράματα;
Όχι αντίγραφα των αρχικών, αλλά έχοντας τη βασική ιδέα να χρησιμοποιήσουμε σύγχρονα υλικά. Εδώ έγινε χρήση του ιστορικού πειράματος που δίνει πολύ πιο πλούσια αποτελέσματα από τη χρήση λάμπας.

12 Ποιοτικά ή ποσοτικά Για δύο χιλιάδες χρόνια η φυσική ήταν ποιοτική.
Τα ποιοτικά δίνουν έμφαση σε έννοιες και όχι αριθμούς. Ποσοτικά: Μέτρηση της περιόδου του εκκρεμούς για να απαντήσουμε στη διαφωνία μεταξύ Kepler και Γαλιλαίου για το αν η περίοδος εξαρτάται από το πλάτος ή όχι Ποσοτικά: Μέτρηση της γωνίας διάθλασης και πρόσπτωσης

13 Το πρόβλημα του Αριστοτέλη
"Γιατί σε μια έκλειψη ηλίου, αν παρατηρήσουμε μέσα από ένα κόσκινο ή μέσα από τα φύλλα ενός πλατύφυλλου δέντρου ή μέσα από ένα πλέγμα των δαχτύλων, οι ακτίνες έχουν σχήμα μηνίσκου όταν φτάνουν στη γη; Μήπως είναι για τον ίδιο λόγο που όταν οι ακτίνες του φωτός φέγγουν μέσα από μια τετραγωνική οπή πάντοτε φαίνονται ως κυκλικές και κωνικές;"

14 Ανάλυση του προβλήματος από τον Αλ Χαϊθάμ
Το πρόβλημα του Αριστοτέλη για το σχηματισμό του κύκλου του Ηλίου σε σκοτεινό θάλαμο με τετράγωνο σχήμα. Πώς το έλυσε το πρόβλημα ο Αλ Χαϊθάμ (Αλ Χαζέν) και αργότερα ο Ελληνικής καταγωγής Φραγκίσκος Μαυρόλυκος. Ο σκοτεινός θάλαμος και η παρατήρηση των εκλείψεων.

15 Έκλειψη Από τις έρευνες του Αλ Χαϊθάμ βγήκε μια πρώτη μαθηματική ανάλυση του τι περιμένουμε να δούμε στην οθόνη ενός σκοτεινού θαλάμου σε περίπτωση έκλειψης Ηλίου. Αν η απόσταση της οθόνης δεν είναι αρκετά μεγάλη δίνει το περίεργο σχήμα. utopia.duth.gr/~pmichas

16 Σκιες Απάντηση στο ερώτημα για μέγεθος σκιάς.
Δίπλα δείχνεται ένα σχήμα που βασίζεται σε μια ιδέα του Θέονα και που σχεδιάστηκε από τον Αλ Κίντι Ερώτημα: τι σφάλμα υπάρχει στο σχήμα; Το σφάλμα ελάχιστοι το ανακαλύπτουν. Τίθεται το ερώτημα: Πώς θα μπορέσουμε να έχουμε σκιά ίση με το εμπόδιο. Απάντηση στο ερώτημα για μέγεθος σκιάς.

17 ανάκλαση Τι υπονοεί η εικόνα; Ότι ο καθρέφτης αντιστρέφει τα είδωλα!
Η πολύ πιο κακότεχνη εικόνα του Αλβανικού βιβλίου δίνει μια σωστή διδακτικά εικόνα!

18 ΑΝΑΚΛΑΣΗ Περιστρέφουμε κατά 180° Αν απομακρύνουμε το χαρτί με τη λέξη “διαφάνεια” τότε το είδωλο εμφανίζεται σαν να είναι ορθό γιατί σχηματίζεται πραγματικό είδωλο μπροστά από την επιφάνεια του κατόπτρου ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ Κ Ο Ι Λ Υ Ν Δ Ρ Α Τ Π Το πρόβλημα του Ήρωνα: γιατί διαβάζουμε κανονικά μπροστά σε ένα κοίλο κυλινδρικό κάτοπτρο;

19 Κοίλα κάτοπτρα

20 Το πρόβλημα του Αλ Χαϊθάμ

21 Διάχυτη ανάκλαση Ο Αλ Χαϊθάμ απέδειξε ότι σε περίπτωση που η Σελήνη ανακλούσε κατοπτρικά το φως: δε θα μπορούσαμε να τη δούμε από τη γη.

22 Καυστικά Κάτοπτρα- εστίαση
Ο Διοκλής έδειξε ότι δεν μπορεί να υπάρχει εστία σε κοίλο σφαιρικό κάτοπτρο΄Ο Αλ Χαϊθάμ έδειξε ότι δεν υπάρχει θεωρητικά εστίαση στην περίπτωση σφαιρικού κοίλου κατόπτρου. Α Β Στο σχήμα το πρόβλημα Αλ Χαϊθάμ με το οποίο ασχολήθηκε και ο Huygens: Αν έχω δύο σημεία το Α και το Β: από πόσα σημεία του κύκλου έχουμε ανακλώμενες που να ξεκινούν από το Α και να περνάνε από το Β;

23 Σύνθεση κοίλων κατόπτρων
Με συνδυασμό διαφόρων κατόπτρων μπορούμε να ‘ενισχύσουμε’ την ποσότητα του φωτός που φτάνει μεταξύ D και Ε.

24 Ποσοτικά πειράματα («νόμοι»)
Με το «νόμο», μπορούμε να έχουμε κάποια ιδέα για τις τιμές Οι μαθητές συγκρίνοντας μπορούν να προσπαθήσουν ξανά για το πείραμα Μια σύγκριση με το ιστορικό πείραμα βοηθά να καταλάβουν πόσο έχουν πετύχει Παίρνουμε σχέσεις που μοιάζουν με νόμους

25 Το πείραμα του Πτολεμαίου
Ένα ημικύκλιο και 3 καρφίτσες Τοποθετούμε πρώτα την Β, μετά επιλέγουμε γωνία πρόσπτωσης με την Α και μετακινούμε τη C μέχρις ότου να επικαλύπτεται από τις A και Β. Εφαρμόζεται μέχρι 80° Γωνία πρόσπτωσης Γωνία Διάθλασης

26 Επεκτάσεις της μεθόδου
Για δείκτη διάθλασης = 1.5 Ολική ανάκλαση Χρησιμοποιώντας τις άλλες διαθέσιμες συσκευές: πρίσμα, τρίγωνο, μπορούμε να βρούμε γωνίες διάθλασης ως συνάρτηση της γωνίας πρόσπτωσης. Στην συσκευή του σχήματος για γωνία μηδέν έχουμε ολική ανάκλαση,

27 Φαίνεται ότι ο Πτολεμαίος έδωσε αποτελέσματα όπου οι αυξήσεις της γωνίας διάθλασης είχαν σταθερές διαφορές Ποιος νόμος Αποτελέσματα Πτολεμαίου Για διάθλαση από αέρα σε νερό Γωνία πρόσπτωσης διάθλασης Αύξηση στη γωνία Διάθλασης Διαφορές των αυξήσεων 0° 8°00’ 10° 8° 30’ 7°30’ 20° 15°30’ 7°00’ 30° 22°30’ 6°30’ 40° 29° 6°00’ 50° 35° 5°30’ 60° 40°30’ 5°00’ 70° 45°30; 4°30’ 80° Αποτελέσματα Πτολεμαίου Για διάθλαση από αέρα σε ΓΥΑΛΙ 0° 7°00’ 10° 7° 30’ 6°30’ 20° 13°30’ 6°00’ 30° 19°30’ 5°30’ 40° 25° 5°00’ 50° 4°30’ 60° 34°30’ Γωνία πρόσπτωσης διάθλασης Αύξηση στη γωνία Διάθλασης Διαφορές των αυξήσεων 4°00’ 70° 38°30; 30’ 3°30’ 80° 42°

28 Τα αποτελέσματα του Πτολεμαίου και προσαρμογή με 2ου βαθμού
y = -0,0025x 2 + 0,725x R = 1 γυαλί + 0,825x νερό 10 20 30 40 50 60 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ ΓΩΝΙΑ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ Γωνία διάθλασης ΝΕΡΟ ΓΥΑΛΙ 2ου βαθμού (γυαλί) 2ου βαθμού (νερό) Για την επεξεργασία των δεδομένων μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το EXCEL Τα αποτελέσματα των φοιτητών συμφωνούν πολύ καλά με τα αποτελέσματα του Πτολεμαίου όσον αφορά την προσέγγιση με 2ου βαθμού. Αυτό προκαλεί ικανοποίηση s

29 Μέθοδος Αλ Χαϊθάμ إبن الهيثام
Ο Αλ Χαϊθάμ χρησιμοποίησε δύο οπές (Η και Ρ) για να δημιουργήσει μια «παράλληλη δέσμη» Μέτρησε τη γωνία απόκλισης ΚΟΙ Δεν έδωσε ένα νόμο αλλά μερικούς κανόνες Οι κανόνες του δεν είναι ακριβείς για γωνίες που ξεπερνούν τις γωνίες του Πτολεμαίου Οι φοιτητές μπορούν να ελέγξουν τους κανόνες χρησιμοποιώντας το EXCEL

30 Έλεγχος των κανόνων του Αλ Χαϊθάμ
Έλεγχος των κανόνων του Αλ Χαϊθάμ Σε διάθλαση από αραιό σε πυκνό, η γωνία απόκλισης <1/2 γωνίας πρόσπτωσης

31 Νόμος του Snell από τον Ιμπν Σαχλ

32 Φακός Ιμπν Σαχλ Προσπίπτουσα παράλληλη δέσμη

33 Φακός του Huygens: γενική λύση για την τέλεια εστίαση

34 Μοντέλα του φωτός Βαρυτικό πεδίο του Νεύτωνα για την εξήγηση της διάθλασης: Α) Από ‘αραιό’ σε ‘πυκνό’ Β) Από ‘πυκνό’ σε ‘αραιό’ Α Β

35 Κυματικό μοντέλο

36 Φακός Huygens μέσα από το κυματικό μοντέλο

37 15,5 λ 14 λ Μήκος μέχρι το φακό 12 λ Μήκος μέσα στο φακό:10 λ
Μήκος έξω από το φακό: 9,5 λ Ολικό μήκος 31,5 λ 15,5 λ 14 λ Πρέπει να τοποθετήσω το χάρακα ώστε το ολικό μήκος να είναι 31,5

38 Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός από τις παρατηρήσεις της Ιούς: λάθη των βιβλίων
Ένα θέμα που φαίνεται αρκετά αγαπητό είναι η πρώτη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Στο ρωσικό βιβλίο Φυσικής ФИЗИКА 8 (για 2η Γυμνασίου) περιλαμβάνεται μια προσεχτική αλλά παρουσίαση του θέματος, όπου δείχνει γιατί μελετήθηκε ιδιαίτερα η Ιώ. Συμπέρασμα: οι εκλείψεις καθυστερούν γιατί, στην πρώτη περίπτωση το φως διασχίζει την απόσταση ΜΤ, ενώ στη δεύτερη (όταν ο Δίας έχει μετακινηθεί προς τη θέση δ, και η Γη στην Τ1) τώρα κάνει επιπλέον χρόνο για να διασχίσει την απόσταση Μ'Τ1. Στην εικόνα βλέπουμε ό΄τι αυτή η επιπλέον απόσταση είναι ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της γης. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς . Βγάζει το συμπέρασμα ότι ο Ρόιμερ πρότεινε ότι για να διασχίσει αυτήν την απόσταση καθυστερεί κατά 22 λεπτά. Με βάση την απόσταση και το χρόνο καθυστέρησης μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα,

39 Ταχύτητα του φωτός: ένα λάθος από το βιβλίο του γυμνασίου
Ταχύτητα του φωτός: ένα λάθος από το βιβλίο του γυμνασίου Διαπίστωσε ότι η διάρκεια της έκλειψης είναι μεγαλύτερη όταν η Γη βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από το Δία.

40 Τροχιά Ιούς: στο ίδιο επίπεδο με την τροχιά Γης Γη Τροχιά Δία
Παρατηρούμε ότι στη μέση της διαδρομής η έκλειψη είναι ακριβώς ίσου μεγέθους με την αρχή. Μέγιστη έχουμε στις 90° περίπου

41 Τροχιά Ιούς: στο ίδιο επίπεδο με την τροχιά Γης Γη Τροχιά Δία
Παρατηρούμε ότι στη μέση της διαδρομής η διαφορά του χρόνου μεταξύ αναμενόμενης τιμής και πραγμα-τικής είναι μέγιστη

42 Τροχιά Ιούς: στο ίδιο επίπεδο με την τροχιά Γης Γη Τροχιά Δία
Ο Νεύτωνας γράφει: το φως διαδίδεται σε ορισμένο χρόνο από τα φωτεινά σώματα (Opticks book two Part III, Proposition XI). Αυτό παρατηρήθηκε από τον Ρόιμερ και μετά από άλλους με βάση τις εκλείψεις των δορυφόρων του Διός. Γιατί αυτές οι εκλείψεις , όταν η γη είναι μεταξύ του Δία και του Ηλίου συμβαίνουν εφτά ή οχτώ λεπτά νωρίτερα από ότι είναι γραμμένο στους πίνακες, και όταν η γη είναι πέρα από τον ήλιο συμβαίνουν εφτά ή οχτώ λεπτά αργότερα από ότι έπρεπε,η αιτία είναι ότι το φως των δορυφόρων έχει να διατρέξει μεγαλύτερη απόσταση στη δεύτερη περίπτωση ...

43 Ουράνιο Τόξο Θεωρία του Αριστοτέλη

44 Ουράνιο Τόξο: θεωρία του Αλ Χαϊθάμ
إبن الهيثام Εξετάζει το Ουράνιο τόξο ως ένα φαινόμενο Ανάκλασης (Μια πιο μαθηματική Αριστοτελική θεώρηση)

45 Θεωρία του Αλ Φαρίσι گماڶ الدين الفريسي
Είναι όμοια με τη θεωρία του Θεοδώριχου και αργότερα του Καρτεσίου Βασίζεται σε μια ιδέα του Αλ Χαϊθάμ: Υπάρχει μια κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης. Μέχρι αυτή τη γωνία καθώς η γωνία πρόσπτωσης αυξάνει η πρώτη διαθλώμενη συναντά τη σφαίρα σε ένα σημείο που είναι μακρύτερα από τον άξονα, πέρα από αυτή τη γωνία η απόσταση αυτή ελαττώνεται Εύκολα μπορούμε να χειριστούμε μαθηματικά το θέμα και να δημιουργήσουμε ένα αρχείο EXCEL گماڶ الدين الفريسي

46 Ουράνιο τόξο πρώτης τάξης
Ο Αλ Φαρίσι χώρισε τις ακτίνες σε δύο κατηγορίες: Α) Με γωνία πρόσπτωσης> κρίσιμη (εξωτερικός κώνος) Β) με γωνία πρόσπτωσης <κρίσιμη (Εσωτερικός κώνος) Μπορούμε να δούμε ότι για το ουράνιο τόξο βασικά συνεισφέρουν οι ακτίνες του εξωτερικού κώνου

47 Κυματική θεωρία Μπορούμε να δώσουμε μια κυματική θεώρηση χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο πρόγραμμα (toxo.exe) Μπορούμε να δούμε φαινόμενα συμβολής.

48 Μηχανική Η θεωρία του Impetus από τον Ιωάννη Φιλόπονο και τους Μεσαιωνικούς Παρατηρούμε σε εξετάσεις ότι η δύναμη του χεριού παραμένει. Αυτό οδηγεί σε λάθος προβλέψεις για την επιτάχυνση

49 Ιστορική αναφορά Το θέμα αυτό έχει μελετηθεί από την αρχαιότητα. Ο Αριστοτέλης διέκρινε τις κινήσεις σε φυσικές και βίαιες. Πίστευε ότι στις φυσικές κινήσεις των σωμάτων («κατά φύσιν») τα σώματα τείνουν να κινηθούν στην θέση που θα όφειλαν να έχουν. Το βάρος και η κουφότης είναι οι τάσεις για κίνηση («ροπαί»). Ο Αριστοτέλης ισχυρίζεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ροπή τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα (προς τα πάνω ή προς τα κάτω). Ταυτόχρονα πίστευε ότι δεν μπορεί να υπάρχει κενό. Οι Ατομικοί Φιλόσοφοι όμως πίστευαν στην δυνατότητα ύπαρξης κενού και ότι σ’αυτό οι ταχύτητες πτώσης των σωμάτων είναι ίσες μεταξύ τους. Ο Αλεξανδρινός φιλόσοφος και σχολιαστής του Αριστοτέλη Ιωάννης Φιλόπονος τον 6ο αιώνα μ.Χ. διατύπωσε απόψεις που εκ πρώτης όψεως φαίνονται να είναι διαφορετικές από τις απόψεις του Αριστοτέλη: Στα σχόλιά του γράφει ότι «Οι χρόνοι κίνησης δεν έχουν καμία διαφορά, ή αν έχουν διαφορά αυτή δεν γίνεται αντιληπτή.” (Αναφέρεται σε πτώση διαφορετικών σωμάτων). Η παρατήρηση αυτή του Φιλόπονου θεωρήθηκε ως προδρομική του Γαλιλαίου. Στην πραγματικότητα ο Φιλόπονος, απέρριψε την θεωρία των ατομικών ότι στο κενό τα σώματα πέφτουν ταυτόχρονα και θεώρησε ότι η ταχύτητα είναι ανάλογη με το βάρος του σώματος που πέφτει στο κενό. Ο Γαλιλαίος κατέληξε στον σωστό νόμο για την πτώση των σωμάτων ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για τον Νεύτωνα και τη Σύγχρονη Φυσική.

50 Συνέχεια Ιστορίας ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΟΥΣ Φυσικά Δ 8
ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΟΥΣ Φυσικά Δ 8 MICHAEL WOLLF Fallgesetz und massebegriff , Zwei wissenschaftshistorische Untersuchungen zur Kosmologie des Johannes Philoponus, Walter de Gruyer, Berlin 1971 MICHAEL WOLLF όπως πριν, σελ 23. BERNARD COHEN, The Birth of a New Physics . Penguin 1985 Στην εποχή μας η κατανόηση του νόμου της πτώσης των σωμάτων. παίζει πρωταρχική σημασία στην κατανόηση της κίνησης των πλανητών, των δορυφόρων, του αστροναύτη που είναι μέσα στο διαστημόπλοιο ή εκτελεί διαστημικό περίπατο κ.ά.. ‘Ενα ερώτημα είναι αν μπορεί ο μαθητής του Δημοτικού Σχολείου να σκεφτεί ότι υπάρχει βαρύτητα στη Σελήνη και στους άλλους πλανήτες. Αν ναι, προκύπτει νέο ερώτημα: πώς μπορεί να γίνει αυτή η παρουσίαση. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο διδακτικός στόχος θα πρέπει να γνωρίζουμε τις αναπαραστάσεις των μαθητών και τις απόψεις τους για διάφορα σχετικά θέματα.

51 Α) Πτώσεις των σωμάτων με διαφορετικά βάρη:
Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω αυτό το θέμα εξετάστηκε από την αρχαιότητα. Σ’αυτό το θέμα οι απαντήσεις ταυτίζονται στα περισσότερα παιδιά με αυτές τον Αριστοτέλη. Μια πρώτη ερώτηση ήταν: Αφήνουμε να πέσουν ταυτόχρονα μια βαριά και μια ελαφριά πέτρα. Ποια φθάνει πρώτη; Ακολούθως δόθηκε ένα σκίτσο που έδειχνε δύο παιδιά που αφήνουν την ίδια στιγμή να πέσουν μια βαριά και μια ελαφριά πέτρα. Οι πέτρες φαίνονται σε ένα σημείο της πτώσης τους να είναι στο ίδιο σημείο. Ρωτήθηκαν τα παιδιά αν βλέπουν το σχήμα ως σωστό ή λάθος. Το επόμενο διάγραμμα μας δίνει τα ποσοστά των παιδιών που απάντησαν ότι οι πέτρες φθάνουν μαζί ή αν φθάνει η βαριά πρώτη (κανένα παιδί δε θεώρησε ότι η ελαφριά μπορεί να φθάσει πρώτη στο έδαφος

52 Ιδέες Ιωάννη Φιλόπονου για μάζα
«Λάθος παραδέχεται ο Αριστοτέλης ότι οι λόγοι των πυκνοτήτων των μέσων μέσα από τα οποία διέρχεται ένα σώμα είναι ανάλογοι με τους λόγους των χρόνων και αντίστροφα. Η υπόθεση φαίνεται πειστική και το αντίθετο επιχείρημα δεν είναι εύκολο να αποκαλυφθεί καθώς κανείς δεν μπορεί να υπολογίσει ποια είναι η σχέση (αναλογία) μεταξύ πυκνότητας του αέρα και της πυκνότητας του νερού, δεν γνωρίζουμε πόσες φορές πυκνότερο είναι το νερό σε σχέση με τον αέρα. Με βάση όμως τη σχέση των βαρών των κινουμένων σωμάτων μπορούμε να απορρίψουμε την υπόθεση.

53 Ιδέες Ιωάννη Φιλόπονου για μάζα (2)
Όταν δηλαδή οι χρόνοι κίνησης σχετίζονται με την ίδια σχέση που έχουν οι πυκνότητες του μέσου κίνησης, όταν μιλάμε για το ίδιο σώμα - η διαφορά των κινήσεων δεν στηρίζεται μόνο στην πυκνότητα του μέσου - αλλά και εις τα τάσεις (ροπάς) η ίδια σχέση θα υπάρχει μεταξύ των χρόνων κίνησης με τη σχέση των ροπών... ένα σώμα δύο κιλών θα διατρέξει στον μισό χρόνο το ίδιο διάστημα που ένα σώμα ενός κιλού. αυτό όμως είναι τελείως λανθασμένο. Αυτό μπορεί κανείς να το παρατηρήσεις (εξ αυτής της ενάργειας). Αν δύο σημαντικά διαφορετικές μάζες αφεθούν από το ίδιο ύψος. ο λόγος των χρόνων κίνησης δεν είναι αντί. ανάλογος με τα βάρη, η διαφορά των χρόνων είναι σχεδόν μηδαμινή.

54 Ιδέες Ιωάννη Φιλόπονου για μάζα (3)
Όταν διάφορα σώματα στο ίδιο μέσο κινηθούν, η σχέση που έχουν οι χρόνοι της κίνησης σωμάτων με ίδιο βάρος και σε σε διαφορετικά μέσα δεν ισχύει για την σχέση του αέρα προς το νερό να είναι ίδια με την σχέση των χρόνων. Δε σημαίνει ότι σε διπλασίως λεπτό μέσο θα έχουμε μισό χρόνο αλλά περισσότερο από μισο. Όσο αραιότερο γίνεται το μέσο τόσο λιγότερος χρόνος ξοδεύεται στην διάσχιση του μέσου. Τι πίστευε ο φιλόπονος: Οι μάζες δεν προστίθενται 1 +1 > 2

55 α) Η βαρύτητα της Ιστορίας.
Με τον όρο ιστορική προσέγγιση εννοούμε ότι κατά την διδασκαλία εκτός από απλή παράθεση γεγονότων, νόμων, ανακαλύψεων κλπ (π.χ νόμοι του Νεύτωνα), δίνουμε περισσότερες πληροφορίες για τον επιστήμονα, αναφέρουμε τη συμβολή του στο προς εξέταση θέμα, σε συνδυασμό τις υπάρχουσες επιστημονικές αντιλήψεις της εποχής του. Εξετάζουμε πώς επέδρασαν οι επιστημονικές αντιλήψεις που επικρατούσαν, ποια ήταν η επίδρασή του στο επιστημονικό και κοινωνικό γίγνεσθαι της εποχής του και τις δυσκολίες που αντιμετώπισε για να ξεπεράσει τις λαθεμένες, ίσως, επικρατούσες αντιλήψεις στον κοινωνικό και επιστημονικό του περίγυρο.

56 Βαρύτητα της Ιστορίας Με την ιστορική προσέγγιση γίνεται κατανοητό ότι η πορεία της επιστήμης δεν ήταν πάντα ευθύγραμμη και η γνώση δεν ήταν πάντα συσσωρευτική. Πολλές απόψεις για τη Φύση αναιρέθηκαν, νέες θεωρίες αντικατέστησαν παλιές και σε κάποιες μεμονωμένες περιπτώσεις είχαμε επιστροφή σε πολύ παλαιότερες θεωρίες (π.χ ηλιοκεντρική θεωρία του Αρίσταρχου).

57 Παραβολή Λόγω του ότι θεωρείται ότι παραμένει η δύναμη στο ανοδικό κομμάτι της τροχιάς, η δύναμη σχεδιάζεται πλάγια: Γίνεται πρόβλεψη ότι μέχρι το ανώτατο σημείο της τροχιάς η ταχύτητα αυξάνει. a Σύμβολα F Η

58 Καμπυλότητα Ο Νεύτωνας εισήγαγε την ιδέα της καμπυλότητας.
Μπορούμε να την προσεγγίσουμε με τη βοήθεια καθέτων σε κοντινά σημεία

59 Κυκλοειδές εκκρεμές Μας δίνει μια εικόνα της ακτίνας καμπυλότητας.
Παρατηρούμε ότι υπάρχει μεγάλος δισταγμός ως προς την τιμή της ακτίνας στο σημείο Β

60

61 Παραβολή Neille Έχει για ορισμένη ταχύτητα σταθερή κατακόρυφη συνιστώσα Η ακτίνα καμπυλότητας γίνεται μηδέν στο ανώτατο σημείο

62

63 Συμπεράσματα Χρησιμοποιώντας την ιστορία έχουμε μια γερή βάση για να αναπτύξουμε θεωρίες της κλασικής φυσικής. Μπορούμε να δούμε ότι όλοι οι επιστήμονες είχαν τις δικές τους δυσκολίες, κάτι που μπορούμε να επισημάνουμε στους μαθητές μας. Οι δυσκολίες των επιστημόνων μπορούν να μας καθοδηγήσουν σε αρκετές περιπτώσεις για να δούμε πιθανές δυσκολίες των δικών μας μαθητών. Μπορούμε να σχεδιάσουμε δραστηριότητες που βασίζονται σε ιστορικά πειράματα