Cum să faci fizica mai atractivă

În iunie 2013 am participat la stagiul Comenius de formare continuă “One Week Course For Teachers Of Science – Making Science More Attractive”, desfășurat în orașul Cheltenham din Marea Britanie. Părea foarte potrivit pentru ceea ce-mi propusesem. Așa au gândit, probabil, și alți 19 profesori din 8 țări europene care și-au ales acest curs. Am avut ocazia să vedem un cadru aplicativ al metodelor și tehnicilor de predare a Științelor în Anglia, să vizităm școli, muzee și să participăm la un festival al științelor.
În acest articol prezint un proiect de fizică, la capitolul de optică, pentru a sublinia importanța diferitelor aspecte ale fizicii prin folosirea a cât mai multor exemple din viața reală și de a utiliza diferențierea în procesul de predare prin strategii de egalitate, diversitate și de incluziune.

Iluminarea publică

Resurse: ghidul elevului, criteriile de evaluare, calculator, videoproiector.

SCENARIUL DIDACTIC

(1) Captarea atenţiei.
Prezentarea problemei (5 min): Calculați costul minim anual pentru iluminarea unui km dintr-un drum de 8 m lățime. (http://www.ingenious-science.eu/web/guest/practices/gallery?practiceId=320)

(2) Conducerea învăţării:
Cât costă iluminarea stradală?  (lucru pe grupe).

FIȘA DE LUCRU
Materiale necesare: caiete, calculator, ghidul elevului.
Ipoteză: Un drum este bine luminat, dacă intensitatea luminii in orice punct al sau este de cel puțin 10 de wați pe metru pătrat. Înălțimea unui felinar este de 5 metri. Becul felinarului are o putere de 1000 wați.

Sarcini:
1. Recitiți textul de la paginile 1 și 2 ale acestui ghid. Spuneți două cerințe pe care un iluminat stradal bun ar trebui să le îndeplinească.
2. Cum poate un inginer varia intensitatea iluminării stradale? Exprimați două modalități.
3. De ce este ne este bună prea multă lumină? Dați două motive.
4. De acum încolo vom presupune că un kWh de energie electric ne costă 0,15 €. Calculați costul anual minim al iluminarii unui kilometru de drum, care este de 8 metri lățime. Să presupunem că luminile sunt aprinse pentru, în medie, 8 ore pe zi și că toata lumina cade pe drum.
5. Luând în considerare doar lumina produsă de un singur felinar, arătați că intensitatea luminii pe drum direct sub felinar este egală cu 40 watts/m2. Pentru calcule, folosiți formula intensității luminoase S=P/d2, unde S este intensitatea luminii în W/m2, P este puterea în wați și d este distanța în metri față de sursa de lumină.

Fig. 1. Un rând de lampadare de stradă

6. Acum, să ne deplasăm paralel cu trotuarul, la o distanță x de lampadar, adică în punctul M.
Intensitatea luminoasă în acest punct este egală cu .
Completati tabelul:

7. Până acum ne-am deplasat paralel cu trotuarul, acum considerăm că ne deplasăm spre mijlocul drumului, în punctul R aflat la 2 m de punctul N. Folosind teorema lui Pitagora, demonstrați că intensitatea luminoasă S în acest punct este: S=34,48 watts/m2.
8. Dacă ne deplasăm acum pe directia Rx’ in punctul Q, demonstrați că  intensitatea luminoasă va fi dată de expresia

9. Lampadarele sunt însă așezate pe ambele părți ale străzii. Presupunem că sunt așezate drept în drept. Figura 2 arată o vedere de sus a străzii.

Fig. 2. O vedere de sus a străzii

Cercurile strălucitoare sunt lampadarele. Acolo avem S cu valoarea cea mai mare. Cele mai întunecate puncte sunt indicate cu o stea neagră, în mijlocul drumului și la jumătatea dintre două lampadare. La această variație a luminii, contribuie toate felinarele. Să considerăm contribuția felinarului D, în punctul de sub N. Folosind teorema lui Pitagora, demonstrați că intensitatea luminoasă produsă de felinarul D imediat sub felinarul N este S=11,23 watts/m2.
10. Acum, încercăm să calculăm costul și vom mai presupune că pentru întreținere fiecare bec ne costă 200 € pe an, iar pentru fiecare metru din stâlpul de oțel al felinarului, mai cheltuim alți 50 euro pe an. Pentru a înțelege problema, până acum am considerat valorile de 5 metri pentru înălțimea felinarului, de 1000 de wați pentru puterea becului și 30 de metri pentru distanța dintre două felinare. În fisierul 213_streetlighting_en.xls, puteți mișca 3 cursoare pentru a varia aceste valori și a considera problema cât mai generală posibil. Condițiile de bază ce trebuie să fie îndeplinite, sunt: maximul intensității nu trebuie să depășească 320 W/m2, iar minimul valorii pentru intensitatea luminii nu trebuie să fie mai mică de 10 W/m2. Dacă luăm în calcul toate conditiile, formula pentru costul total în euro pe an pe metru de drum este:
C = (400 + 100h + 0,9P) / a
unde h și a sunt în metri și P este în wați. Desigur că în viața obișnuită sunt mulți alți factori de care depinde iluminatul public, dar noi am simplificat problema ca să o înțelegem. Acum puteți deschide fișierul Excel, pentru a calcula costul electricității, variind a, h si P.
Câștigă echipa care gasește soluția cea mai ieftină, respectând cerințele problemei.

(3) Fixarea.
Fiecare grupă va realiza, la alegere, cel puțin una din următoarele sarcini de lucru:

1. Realizați o scurtă piesă de teatru în care să explicați importanța opticii în viitoarea carieră a unui elev.
2. Construiți o machetă la scară pentru o stradă iluminată ca în problemă.
3. Elaboraţi o prezentare Power Point cu tema ”Iluminarea stradală – ce idee strălucită!”.

4. Evaluare:

Echipele expun în fața clasei produsele activității desfășurate pe grupe.

Bibliografie:
http://www.ingenious-science.eu/web/guest/practices/gallery?practiceId=320