PoznÁvacÍ blok „Papier a kvapaliny“
Popis aktivít

Koľko vody vypije papier? - modelovanie

Pomôcky: rôzne druhy papierov, rôzne druhy papierových utierok / vreckoviek / obrúskov, nádoby, odmerné valce / injekčné striekačky rôznej veľkosti, dĺžkové meradlo (pravítko), váhy, nožnice

Časová náročnosť: 45 minút

Metodika: V tematickom bloku „Papier a kvapaliny“ plní aktivita „Meranie savosti papiera“ ako celok funkciu modelovania. Samotné „laboratórne“ meranie má vnútornú štruktúru pozostávajúcu zo všetkých etáp cyklu učenia.


Kľúčový prípad: nasatie vody papierovou utierkou / vreckovkou / obrúskom

Akcia: Utretie vyliatej (kvapnutej) vody papierovou utierkou.

Opisovanie: Čo sa deje s vodou pri utieraní papierovou utierkou?

Paralelné prípady: rôzne druhy papierových utierok / rôzne druhy papierov

Mapovanie: Od čoho závisí, koľko vody sa do papiera nasaje?

Modelovanie: Meranie savosti papiera, normovanie množstva papierom nasatej vody na hmotnosť papiera / na plochu papiera / na jednotkovú cenu papiera.

Abstrahovanie: Dá sa voda nasať každým papierom?

Osadzovanie: Savosť a pevnosť

Vrcholový prípad: iná kvapalina

Zhodnocovanie: Nasávanie oleja


Akcia je zameraná na vytvorenie bezprostrednej skúsenosti s predmetom poznávania. Môže ňou byť prosba o pomoc s utretím „náhodne“ vyliatej vody papierovou vreckovkou / utierkou. Je dobré, ak akciu realizujú viacerí (ideálne všetci) žiaci súčasne – učiteľ môže prechádzajúc po triede vyliať vodu z plnej, „náhodne“ stlačenej plastovej fľaše.

Opisovanie je zamerané na uvedomenie si procesu nasávania vody do papiera. Ako vyzerá nasávanie vody papierom? Ako prebieha nasávanie vody? Čo sa deje s vodou? Výsledkom je objavenie skutočnosti, že proces má isté trvanie (papier nenasaje všetku vodu okamžite), že voda sa nenasaje len do papiera, ktorý je v bezprostrednom dotyku s vodnou hladinou, že množstvo nasatej vody je limitované.

Mapovanie už predstavuje vytvorenie zoznamu ovplyvňujúcich faktorov. Od čoho závisí, koľko vody sa do papiera nasaje? Výsledkom je kvalitatívne odhalenie vplyvu druhu (zloženia a štruktúry) papiera, hrúbky a veľkosti plochy papiera, resp. objemu papiera, veľkosti kontaktnej plochy papiera s vodou a odhalenie vplyvu času.

Modelovanie pozostáva zo samotného merania množstva nasatej vody do papiera. Ako by sme mohli objektívne zistiť – férovo porovnať, odmerať koľko vody sa nasaje do rôznych druhov papiera? Žiaci riešia úlohu v 3 – 4-členných skupinách. Každá skupina navrhne spôsob merania, vytvorí zoznam potrebných pomôcok. Učiteľ posúdi návrh merania (sústredí sa na podmienku zmeny len jediného parametra) a navrhovaný spôsob vyhodnotenia výsledkov.

Očakávané návrhy metód merania množstva nasatej vody sú:
- Dať do pohára pokrčený papier a odmerané množstvo vody, potom odmerať množstvo vody, ktoré zostane v pohári po vybratí nasiaknutého papiera.
- Odmerať hmotnosť suchého a hmotnosť nasiaknutého papiera, rozdiel určí hmotnosť nasatej vody, pomocou známej hodnoty hustoty vody, určíme jej objem.
- Zistiť, koľko papiera daného druhu je potrebné na nasatie určeného množstva vody.

Niektoré skupiny môžu merať množstvo nasatej vody rôznymi druhmi papierových utierok / vreckoviek a niektoré skupiny množstvo nasatej vody rôznymi druhmi papiera (napríklad kancelársky papier, zošitový papier, prieklepový papier, novinový papier, kriedový papier).

Žiaci realizujú meranie a prezentujú výsledky. V spoločnej diskusii je užitočné poukázať na presnosť jednotlivých použitých metód merania a navrhnúť ich vylepšenia. Pri interpretácii výsledkov merania sa ukáže význam normovania.
Skupiny, ktoré skúmajú rôzne druhy papierových utierok, možno usmerniť otázkou o cenovej výhodnosti jednotlivých utierok.
Napríklad: Koľko utierok je v balíku? Koľko vody by sme nimi dokázali nasať? Koľko by stálo vysatie 1 litra vody? Koľko vody nasajem jednotlivými druhmi utierok za cenu 1,- €? Skupiny, ktoré skúmajú rôzne druhy papiera, možno usmerniť poukázaním na rôznu hrúbku a hmotnosť papiera.
Napríklad: Znamená skutočnosť, že prieklepový papier nasal najmenší objem vody, že má zo skúmaných papierov najmenšiu savosť? Koľko vody by nasalo 100 g z každého skúmaného druhu papiera?

Abstrahovanie vychádza z predchádzajúceho experimentovania: Dá sa voda nasať každým papierom? Na základe porovnania savosti jednotlivých druhov papiera a ich makroskopickej štruktúry môžeme dedukovať význam chemickej úpravy základnej suroviny a povrchových úprav na savosť papiera. Keďže papier nie je mokrý len v mieste bezprostredného kontaktu s vodnou hladinou, môžeme usudzovať na proces kapilárnej elevácie a s tým súvisiaci význam veľkosti medzier medzi vláknami papieroviny. Rôzne druhy papiera s podobnou makroskopickou štruktúrou môžu ale mať výrazne inú mieru schopnosti nasávať vodu. Úlohu teda iste zohráva aj chemická úprava papieroviny a následná povrchová úprava (o tejto hypotéze sa žiaci môžu presvedčiť v aktivite „Papier zblízka“).

Osadzovanie získaných poznatkov je možné v nadväznosti na predchádzajúci poznávací blok „Pevnosť papiera“ riešením problému Ako ovplyvňuje kontakt s vodou pevnosť papiera? Mení sa pevnosť papiera vplyvom pôsobenia kvapaliny? Otestujme pevnosť mokrých papierových utierok. Môžeme napríklad poskladať papierové utierky dvakrát na polovicu, ponoriť ich do vody, vybrať, nechať odkvapkať (alebo aj vyžmýkať) a pokúsiť sa ich znova rozložiť na pôvodnú veľkosť.

Mokrý papier stráca svoju pevnosť, ľahšie sa trhá. Polárne hydroxidové oblasti molekúl celulózy sú viazané na hydroxidové skupiny susedných reťazcov, čo pomáha lepšej súdržnosti vlákien. Ak sa do papiera dostanú molekuly vody, ktoré sú tiež polárne, naviažu sa na polárne oblasti molekúl celulózy a narušia vzájomnú väzbu medzi vláknami. Mokrý papier sa ľahšie trhá. Dokonca ani po vysušení už nebude mať rovnakú pevnosť ako pred namočením. Papier obsahuje okrem celulózy aj prímesi, ktoré ovplyvňujú výslednú kvalitu papiera, a teda aj jeho pevnosť. Niektoré prímesi sú rozpustné vo vode. Po namočení papiera sa rozpustia a papier stráca pôvodnú kvalitu.

Zhodnocovanie poznatkov získaných v rámci laboratórneho merania „Koľko vody vypije papier?“ je možné napríklad ďalej opísanou aktivitou „Nasávanie oleja“.

Čo možno oceniť: presnosť merania, zváženie ovplyvňujúcich faktorov a ich zaznamenanie.
Žiaci intuitívne tušia, že je dôležité, ako dlho nechajú papier ponorený vo vode, ale pri svojom postupe nie vždy priamo merajú čas. Často sa uspokoja s tým, že papiere ponoria a vytiahnu z vody naraz, ale nezaznamenajú dĺžku ponorenia. Ich experiment potom stráca na hodnote – nedá sa zopakovať sa rovnakých podmienok, nedá sa porovnať s výsledkami iných skupín.

Skúsenosti: Počas detského tábora účastníci identifikovali ovplyvňujúce faktory savosti papiera: povrchová úprava papiera, použité plnivo, glejivo, hrúbka, objem, pórovitosť papiera, čas – doba kontaktu papiera s vodou, počet vrstiev (poskladanie papiera).

Jedna skupina navrhla a realizovala určenie savosti papiera vážením suchého a mokrého papiera, tri skupiny navrhli a realizovali určenie savosti meraním objemu naliatej a vyliatej kvapaliny.
Dve skupiny merali savosť 4 druhov papierových kuchynských utierok, dve skupiny merali savosť 4 druhov papierov na písanie (biely kancelársky, recyklovaný nebielený kancelársky, prieklepový a „kriedový“).
Výsledky skupín sú zaznamenané v tabuľkách:

Skupina D určovala savosť papierov meraním hmotnosti nasatej vody. Aby bolo možné výsledky porovnať s výsledkami skupiny C, uviedla skupina D množstvo nasatej vody prepočítané na objem (V = m/ρ, pričom predpokladali, že hustota vody je 1000 kg/m3) – druhý stĺpec tabuľky.
Skupina D, resp. jeden jej člen odhalil význam normovania bez usmernenia animátorom. Skupina merala hmotnosť papierom nasatej vody a následne prepočítala, koľko vody (vyjadrené v hmotnostných jednotkách) by nasalo 100 gramov skúmaných druhov papiera. Poradie papierov podľa schopnosti nasávať vodu sa normovaním zmenilo. Tento fakt bol pre ostatné skupiny prekvapením. Výrazne rozdielne výsledky jednotlivých skupín viedli k diskusii o význame konkretizácie podmienok merania: Ako ste namáčali papier? Pokrčili ste ho? Natrhali? Ako dlho ste ho mali ponorený? Nechali ste z neho odtiecť prebytočnú vodu? Ako dlho? Deti odhalili, že vzhľadom na rôznosť podmienok merania je možné len kvalitatívne porovnávanie výsledkov skupín. Každá skupina si totiž zvolila inú dĺžku času ponorenia papiera do vody a iný spôsob odstránenia prebytočnej vody.
Deti si tiež spätne uvedomili, že pre hodnovernosť výsledkov by bolo potrebné každé meranie niekoľkokrát zopakovať. Podľa niektorých detí, ak je druhá nameraná hodnota blízka prvej zistenej hodnote, stačia dve merania. Viacnásobné meranie má podľa nich význam, len ak sa namerané hodnoty výrazne líšia.