Formy energii i ich przemiany

Zagadnienia

• Zachowanie energii
• Systemy energetyczne
• Przekazywanie energii
• Przemiany energii
• Przewodnictwo cieplne

Opis

Formy energii i ich przemiany pozwalają zaprojektować układ ze źródłami energii, konwerterami i odbiornikami, a także zbadać, w jaki sposób energia przepływa i zmienia się z jednej formy w inną.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Przewiduj przepływ energii, gdy obiekty są ogrzewane lub chłodzone, lub w przypadku stykających się obiektów o różnych temperaturach.
• Opisz różne rodzaje energii i podaj przykłady z życia codziennego.
• Opisz, w jaki sposób energia może zmieniać się z jednej postaci w inną.
• Wyjaśnij zasadę zachowania energii w rzeczywistych układach.
• Zaprojektuj system ze źródłami energii, przetwornikami i odbiornikami oraz opisz, w jaki sposób energia przepływa i zmienia jedną formę w inną.
• Opowiedz o przemianach energii w układach z życia codziennego.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Konwersja energii (Wikipedia)
• Energia wewnętrzna. Ciepło. Zmiany energii wewnętrznej spowodowane wykonywaniem pracy i przepływem ciepła (ZPE)
• Podsumowanie wiadomości o pracy, mocy i energii (ZPE)
• Źródła energii (OpenStax)
• Mechanizmy przekazywania ciepła (OpenStax)
• Rodzaje energii (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Symulacja przedstawia przepływ i transformację energii. Pierwszy ekran dotyczy głównie przepływu ciepła, a drugi sposobu, w jaki energia jest przenoszona i transformowana w układzie energetycznym.

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Dowiedz się, jak ogrzewanie i chłodzenie żelaza, cegły, wody i oliwy z oliwek dodaje lub usuwa energię. Zobacz, jak energia jest przekazywana pomiędzy obiektami.

Na pierwszym ekranie można dostarczać lub pobierać ciepło z bloków i zlewek z cieczą. Bloki można następnie układać jeden na drugim lub umieszczać wewnątrz zlewek, tak aby energia cieplna mogła być między nimi przenoszona. Przepływ ciepła można zmierzyć za pomocą termometrów i/lub zobaczyć wizualnie, włączając Symbole energii.

Ekran Układy (link bezpośredni)

Zbuduj swój własny układ, ze źródeł, przetworników i odbiorników energii. Prześledź przepływ energii i jej przemiany w swoim układzie.

Ekran Układy pozwala użytkownikom na podłączenie różnych konfiguracji elementów, które dostarczają, przekształcają i zużywają energię. Energia występuje tu jako energia świetlna, cieplna, mechaniczna i elektryczna. W modelu energia jest przekazywana między elementami układu jako wielkość liczbowa wyrażana w dżulach. Symbole energii przemieszczają się przez układ, a każdy z nich reprezentuje stałą ilość energii, więc w modelu starano się, aby liczba symboli energii odpowiadała przekazywanej energii liczbowej.

Złożone sterowanie

Kolor małego trójkąta obok termometru wskazuje, temperatura którego obiektu jest aktualnie mierzona (po lewej). Dla uproszczenia model traktuje kształt zlewki jak prostokąt. W niektórych przypadkach termometr wydaje się być umieszczony w wodzie, ale nie odczytuje jej temperatury. Będzie to widoczne dzięki kolorowi trójkąta termometru (po prawej).

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Formy energii i ich przemiany chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1) i zmniejszyć liczbę palników do 1 (burners=1), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/energy-forms-and-changes_all.html?screens=1&burners=1

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/energy-forms-and-changes_all.html?locale=pl&screens=1&burners=1

Parametr query i opis	Przykładowe linki
elements - określa kombinację bloków i zlewek na ekranie Wstęp. Łącznie mogą występować maksymalnie cztery elementy (maks. 2 zlewki, maks. 4 bloki). Wartości: iron (żelazo), brick (cegła), water (woda), oliveOil (oliwa z oliwek).	elements=iron,iron,iron elements=brick,iron,water,water
burners - określa liczbę palników na ekranie Wstęp (maksymalnie 2).	burners=1
stickyBurners - służy do unieruchomienia pozycji suwaka palnika	stickyBurners
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=2
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

Wiadro ciepła będzie dodawać lub usuwać energię cieplną. Jednak na podstawie wywiadów z uczniami opracowano pewne ograniczenia:

• Pokazanie zamarzania wody jest zbyt skomplikowane dla tej symulacji, więc energia pobierana zatrzymuje się w pobliżu punktu zamarzania wody. Można to wyjaśnić uczniom, mówiąc, że czynnikiem chłodzącym jest lód w temperaturze 0 °C, więc nie może on schładzać obiektów poniżej temperatury zamarzania wody.
• Gdy woda osiąga temperaturę wrzenia, nadal można dodawać energię cieplną i pojawia się para. Energia trafiająca do wody nie jest wystarczająca, aby znacząco zmienić jej objętość. Innymi słowy, woda nigdy całkowicie się nie wygotuje.

Uproszczenia modelu

• Celem tej symulacji jest pomoc uczniom w rozwijaniu jakościowych "historii energetycznych" przy użyciu powszechnego słownictwa. Symulacja nie została zaprojektowana jako kompleksowe narzędzie do nauki o wszystkich formach energii.
• Gdy Symbole energii są wyłączone, symulator zachowuje się tak, jak w rzeczywistym świecie, z ciągłym przepływem energii. Gdy Symbole energii są włączone, ta ciągła energia jest dzielona na małe pakiety (porcje energii), aby umożliwić jej wizualną reprezentację, więc nic nie jest ukryte.
• Symbole energii reprezentują energię w układzie w dyskretnych ilościach, a liczba porcji jest proporcjonalna do wielkości energii. Porcje są wystarczająco duże, aby umożliwić budowanie koncepcji, ale reprezentują szeroki zakres, więc analiza ilościowa nie jest właściwa.
• Energia powietrza nie jest pokazywana, ponieważ porcje reprezentują zbyt duże wartości, aby były realistyczne, jednak gdy ma to sens, aby energia wchodziła lub wychodziła z powietrza, porcje są pokazywane.
• Wydajność procesu przemiany energii nie jest modelowana.
• Bloki z cegły i żelaza mają taką samą objętość, ale nie taką samą masę, dlatego cegła nagrzewa się o około 20% szybciej, pomimo większego ciepła właściwego.
• Termometr osiąga maksimum przy 300 °C, a główne znaczniki odpowiadają 50 °C.
• Więcej informacji na temat założeń modelu można uzyskać tu (en).

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Przewiduj, co stanie się z energią obiektu podczas jego ogrzewania lub chłodzenia.
• Podgrzej jednocześnie cegłę i żelazo. Który obiekt uzyska więcej energii? Który bardziej się ogrzeje?
• Zbuduj system energetyczny i opisz, co dzieje się z energią podczas jej przepływu przez układ.
• Opisz, w jaki sposób energia może zmienić się z jednej formy energii w inną.
• Określ, czy niektóre źródła energii i urządzenia przetwarzające są niekompatybilne. Co sprawia, że są niekompatybilne?
• Porównaj dwie żarówki. Jak myślisz, która żarówka jest bardziej energooszczędna? Wyjaśnij.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Formy energii i ich przemiany tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).