Leerlingen denken na over een bekend gedachte-experiment en onderzoeken tot welke uitkomst ze komen wanneer ze het experiment echt uitvoeren.
Subthema
Gedachte-experimenten verifiëren
Doelen
- Leerlingen worden bewust dat mensen verschillend kunnen denken over wat de uitkomst is van gedachte-experimenten.
- Leerlingen leren dat je sommige gedachte-experimenten kunt testen door ze uit te voeren.
- Leerlingen ervaren het verschil tussen gedachte-experimenten en experimenten die je in werkelijkheid uitvoert.
- Leerlingen raken spelenderwijs bekend met een van Galilei’s belangrijkste ontdekkingen: het beginsel van relativiteit.
Duur
30 minuten
Werkvorm
In drietallen (zonder camera) of viertallen (met camera)
Benodigdheden
Per groepje:
Materialen om het experiment uit te voeren. In het voorbeeld in deze activiteit:
- Fiets
- Stoepkrijt of tape om een lijn mee te maken
- Verschillende voorwerpen die variëren in gewicht en die niet rollen of stuiteren: bijvoorbeeld een pittenzakje (sok gevuld met rijst of zand), een steentje, een krijtje, een leeg doosje, een blad van een boom, …. Of je kunt als alternatief ieder groepje een sok/zakje geven en een hoeveelheid rijst/zand, waarmee ze zelf het gewicht kunnen aanpassen.
- Indien mogelijk: (telefoon)camera
Activiteit
Vraag de leerlingen te voorspellen wat er gebeurt als je een bal van een mast van een varende
zeilboot gooit. Denken ze dat de bal (a) aan de voet van de mast valt of (b) erachter valt? Laat ter
illustratie de animatie zien. Waarom kiezen de leerlingen voor a of voor b? Denken ze dat er een
manier is om dit gedachte-experiment op te lossen? Zouden ze dit zelf kunnen uittesten? Kijk of er
ideeën komen vanuit de leerlingen. Als daar geen bruikbaar plan uit voortkomt, kun je onderstaand
plan uitvoeren.
Eén van de mogelijke manieren om dichterbij de oplossing van dit gedachte-experiment te komen,
is door hen met enige snelheid recht op een lijn af te laten fietsen, en ter hoogte van de lijn een voorwerp te laten vallen. Vervolgens bekijken ze waar het voorwerp landt: op, voor of achter de streep.
Laat de leerlingen dit in groepjes uittesten. Eén leerling zit op de fiets en laat het voorwerp vallen.
De tweede leerling observeert van de zijlijn wat er gebeurt met het voorwerp en let daarbij goed op
of de fietser het voorwerp loslaat precies boven de lijn. De derde leerling noteert wat er gebeurt. De
vierde leerling maakt opnamen met de camera, waarbij hij de camera zo stil mogelijk houdt. Maakt
het nog uit of ze sneller of langzamer fietsen? Maakt het uit of ze een lichter of zwaarder voorwerp
laten vallen? Zorg dat de leerlingen hun experiment minstens vijf keer herhalen en de uitkomsten en
bijzonderheden opschrijven.
Afronding
Bespreek de activiteit na. Wat was de uitkomst van het experiment? Hoe lijkt het experiment op het
gedachte-experiment van de zeilboot? Bedenk dat bij de zeilboot de bal op het schip of in zee valt.
Bij de nabootsing met de fiets komt het eerste overeen met voorbij de lijn en het tweede met op de
lijn. Zijn er leerlingen van gedachten veranderd over de oplossing van het gedachte-experiment?
Waarom wel, waarom niet? Wat is betrouwbaarder, de uitkomst van het gedachte-experiment of die
van het experiment? Hoe weten ze of de uitkomst van het experiment betrouwbaar is? Hoe kunnen
ze ervoor zorgen dat ze het zo betrouwbaar mogelijk uittesten?
Verbinding met het thema
Carla Rita Palmerino heeft in haar onderzoek de functie van het gedachte-experiment in het werk
van Galilei bestudeerd. In deze activiteit maken leerlingen kennis met één van zijn meest aangehaalde
gedachte-experimenten: ‘Het schip van Galilei’. In tegenstelling tot andere gedachte-experimenten,
die onmogelijke scenario’s beschrijven, kan dit gedachte-experiment worden uitgevoerd
en werd ook daadwerkelijk uitgevoerd in Frankrijk vlak na de dood van Galilei. Galilei gebruikte dit
gedachte-experiment om een argument tegen de beweging van de aarde te ontkrachten. Volgens de heliocentrische theorie, die Galilei verdedigde, draait de aarde in 24 uur om haar as en in een jaar
om de zon. De tegenstanders van deze theorie beweerden dat als de aarde oostwaarts om haar as
zou draaien, je dat toch zou moeten merken. Een steen die vanuit een hoge toren losgelaten zou
worden, zou namelijk niet aan de voeten van de toren landen, maar honderden meters naar het
westen toe. Volgens Galilei’s relativiteitsprincipe is dit echter niet het geval. Als een object met een
constante snelheid beweegt, maar relatief ten opzichte van een waarnemer stil lijkt te staan (omdat
de waarnemer zelf ook meebeweegt), dan voelt het voor de waarnemer precies hetzelfde als wanneer
het object en de waarnemer beide stil zouden staan. Dit kan je duidelijk merken in een rijdende
trein: als je met een constante snelheid voortraast, dan kan je een balletje in de lucht gooien zonder
dat het balletje direct naar achteren vliegt. De wetten van de mechanica blijven hetzelfde, ongeacht
met welke constante snelheid je gezamenlijk beweegt. Een steen die vanuit de top van de mast
van een schip wordt losgelaten, belandt daarom gewoon aan de voeten van de mast, ongeacht of
het schip in rust is of met constante snelheid vaart. In het tweede geval blijft de steen namelijk met
het schip mee bewegen terwijl hij naar beneden valt. Hetzelfde geldt voor een bewegende aarde: tijdens
de val blijft de steen met de aarde meedraaien en komt dus aan de voeten van de toren terecht.