• Download hoofdstuk 3 'Molecuulbotsingen' 

Filmpjes

Let op: In het boek staan mogelijk meer links dan op de website. De reden hiervoor is dat sommige links inmiddels niet meer bestaan en daarom van de website zijn verwijderd.

Atomen zijn de bouwstenen van de wereld om ons heen:

• Moleculen en atomen: de basis
• Filmpje "Spoedcursus: wat zijn moleculen?"
• Filmpje "Chemistry for kids"
• Filmpje "What's the difference between an atom and a molecule?" 

Wanneer gedraagt een deeltje zich als een golf?

• Filmpje "Dr. Quantom over golf-deeltje dualiteit"
• Filmpje "Matter as a wave"
• Filmpje Wisebits "Golf-deeltje dualiteit"

Het meest recente onderzoek naar botsende moleculen:

• Het raadsel van de botsende deeltjes

Temperatuur is de maat voor hoe snel iets beweegt: 

• Filmpje "Moleculen en temperatuur" 
• Filmpje Proefje met water en inkt 
• Warmte en temperatuur 
• Filmpje "Warmte en temperatuur"

Leren berekenen hoe bewegende deeltjes botsen:

• Filmpje "Constant speed collision"
• The physics of billiards
• Lesbrief botsen

Licht en haar golfkarakter

• Filmpje "Why glass prisms bend and separate light" 

De leerlingen onderzoeken wat het allerkleinste deeltje is dat ze van papier kunnen maken.

Doel
Leerlingen worden nieuwsgierig gemaakt naar moleculen als kleinste bouwstenen van alles om ons heen.

Duur
20-25 minuten

Werkvorm
Klassikaal

Benodigdheden
Per leerling één A4’tje

Activiteit
De leraar deelt de A4’tjes uit aan de leerlingen en vraagt ze het papiertje door midden te vouwen en langs de vouw in tweeën te scheuren en dat te herhalen tot ze het papiertje niet meer kleiner kunnen scheuren. Vervolgens vraagt de leraar of de leerlingen denken dat dit het allerkleinst mogelijke stukje papier is. De leraar probeert hierbij een levendig klassengesprek op gang te brengen door waar nodig vragen in te brengen als: Hoe maak je het dan nog kleiner? Hoe klein is het allerkleinste stukje? En hoe ziet dat eruit?

Afronding
Het klassengesprek vormt de basis om het thema te introduceren. De leraar legt uit dat als het je zou lukken om het papier steeds kleiner te scheuren, het zo klein wordt dat je het niet meer met het blote oog kan zien. Wat uiteindelijk overblijft zijn enkele papier-moleculen. Dit project gaat over onderzoek naar moleculen.

Tips

• Discussiepunten en vragen hoeven niet allemaal meteen beantwoord te worden. Ze kunnen ook op de vragenmuur worden geplakt, zodat er nog over kan worden nagedacht of onderzoek naar kan worden gedaan.
• Naast het scheuren van een A4’tje kunnen leerlingen van andere voorwerpen proberen het kleinst mogelijke stukje te krijgen, bijvoorbeeld met een pipetje het kleinst mogelijke druppeltje proberen te druppelen.

De leerlingen bouwen modellen van de moleculen van een aantal bekende stoffen.

Subthema
Molecuulstructuren

Doel
De leerlingen leren wat moleculen zijn, hoe ze eruit zien en waar ze uit bestaan.

Duur
30 minuten

Werkvorm
Klassikaal

Benodigdheden

• Winegums in minimaal drie verschillende kleuren
• Cocktailprikkers
• Beschrijving van de activiteit 
• Afbeeldingen van moleculen als voorbeeld

Activiteit
In de introductieactiviteit hebben de leerlingen geleerd dat je moleculen niet kunt zien. Om toch zichtbaar te maken hoe een molecuul eruit ziet, kunnen we wel een model maken van moleculen. In deze activiteit gaan leerlingen moleculen bouwen met behulp van winegums (de atomen) en cocktailprikkers (de bindingen die de atomen bij elkaar houden). Iedere leerling krijgt een handvol verschillende atomen (winegums met verschillende kleuren) en maakt daar met behulp van de voorbeelden in de online bijlage allerlei verschillende moleculen van. De verschillende kleuren in de voorbeelden staan voor de verschillende atomen. Zo is het zuurstofatoom rood, het koolstofatoom zwart en het waterstofatoom wit. De leerlingen gebruiken voor deze atomen drie verschillende kleuren winegums. Soms zitten twee bolletjes zelfs met meerdere stokjes aan elkaar verbonden. Leerlingen dienen hier dan ook meerdere cocktailprikkers voor te gebruiken.

Afronding
De leerlingen hebben nu allerlei verschillende moleculen gebouwd, maar wat zijn dit nu eigenlijk voor moleculen? De leraar gaat met de leerlingen het gesprek aan over de moleculen. Weten ze wat deze moleculen doen? Als basis voor dit gesprek kan de leraar gebruikmaken van de achtergrondinformatie over moleculen in de online bijlage. De leerlingen kunnen ook zelf op internet informatie zoeken.

Verbinding met het thema
De leerlingen leren hoe moleculen eruit zien en waar ze uit opgebouwd zijn. In de experimenten op de Radboud Universiteit wordt onderzoek gedaan naar kleine moleculen, die meestal maar uit een paar atomen bestaan. Zo wordt bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar het stikstofmonoxidemolecuul, dat bestaat uit één stikstofatoom en één zuurstofatoom. De onderzoekers bestuderen wat er met zulke kleine moleculen gebeurt wanneer ze botsen met een atoom of een ander klein molecuul.

Tips

• De winegums kunnen eventueel vervangen worden door verschillende soorten (gedroogd) fruit (druiven, aardbeien, bosbessen, stukjes banaan, enz.).
• Als extra opdracht kunnen de leerlingen zelf moleculen op internet opzoeken die ze willen nabouwen.

De leerlingen onderzoeken wat er met voorwerpen gebeurt wanneer je ze tot een extreem lage temperatuur afkoelt. N.B. Dit is een activiteit die iets meer geld kost dan de meeste activiteiten in onze boekenreeks. We hebben deze hier toch opgenomen omdat het heel goed laat zien wat kou met materialen doet.

Subthema
Veranderende materiaaleigenschappen

Doel
Leerlingen ontdekken dat de eigenschappen van voorwerpen en moleculen kunnen veranderen als ze ijskoud worden.

Duur
20 minuten (afhankelijk van hoeveel voorwerpen in de vloeibare stikstof worden gedompeld)

Werkvorm
Klassikaal

Benodigdheden

• Vloeibare stikstof in container
• Metalen knijptang (liefst met plastic handvat i.v.m. koudegeleiding) waarmee voorwerpen kunnen worden vastgehouden tijdens het onderdompelen
• Afbeelding van thermometer om de temperatuur van vloeibare stikstof mee te illustreren 
• Dikke handschoen (geen wol)
• Voorwerpen die bevroren kunnen worden ( bijvoorbeeld een banaan, een elastiekje, winegums, een bloem)
• Ondergrond die bestand is tegen koude temperaturen (een houten plank) waarop je de voorwerpen na onderdompeling in de vloeibare stikstof kunt leggen
• Hamer

De geschatte kosten voor de aanschaf van vloeibare stikstof voor dit experiment zijn ± €100,-,
meer informatie is hier te vinden.

Voorbereiding
Let op:
Wees voorzichtig met het gebruik van vloeibare stikstof in de klas. Vloeibare stikstof is zeer koud (-196°C). Bij contact met de huid kunnen bevriezingsverwondingen ontstaan die sterk overeenkomen met brandwonden. Met goede veiligheidsmaatregelen kan deze activiteit prima uitgevoerd worden in de klas:

• Zorg voor een geventileerde ruimte waarin je met de vloeibare stikstof werkt (raam open).
• Sluit een container met vloeibare stikstof nooit volledig af; de stikstof moet nog kunnen verdampen.
• Laat de leerlingen nooit zonder toezicht met vloeibare stikstof werken.
• Zet de container met vloeibare stikstof op een duidelijk zichtbare plek waar deze niet omgestoten kan worden.
• Aanvullende veiligheidsmaatregelen zijn hier te vinden. 

Activiteit
De leraar waarschuwt de leerlingen voor de gevaren van vloeibare stikstof zoals hierboven beschreven en vertelt de leerlingen dat ze met de klas gaan onderzoeken wat er met verschillende voorwerpen gebeurt als ze heel erg koud worden gemaakt. Onderstaande afbeelding van een thermometer kan helpen leerlingen een idee te geven van hoe koud -196°C is. Dezeafbeelding is online beschikbaar als PDF.

De leraar laat de leerlingen op een veilige afstand om de container met vloeibare stikstof heen staan
en kijkt samen met hen wat er gebeurt met voorwerpen die hij in de vloeibare stikstof onderdompelt.
Hieronder staat in stappen uitgelegd hoe de leraar de proef moet uitvoeren:

1. De leraar doet de handschoen aan de hand waarmee hij de voorwerpen in de vloeibare stikstof gaat leggen.
2. De leraar gebruikt de tang om het gewenste voorwerp in de vloeibare stikstof te leggen. Hij dompelt het voorwerp voorzichtig onder om spatten te voorkomen.
3. Afhankelijk van de grootte blijven voorwerpen dertig tot zestig seconden in de vloeibare stikstof liggen. 
4. Tijdens het wachten kan de leraar met de kinderen bespreken wat ze verwachten dat er met het voorwerp gebeurt.
5. De leraar neemt het voorwerp met de tang voorzichtig uit de vloeibare stikstof en legt dit op de ondergrond die bestand is tegen koude temperaturen.
6. Samen met de leerlingen onderzoekt de leraar de eigenschappen van het voorwerp (bijvoorbeeld kijken, voelen en tikken met de hamer). Er wordt onder andere besproken of de voorspellingen zijn uitgekomen. Pas op: de voorwerpen kunnen zeer koud aanvoelen, dus alleen heel kort aanraken.
7. Leerlingen kunnen nu onder begeleiding voorwerpen in de vloeibare stikstof onderdompelen.

Bekijk hier een filmpje van dit experiment met een banaan en andere voorwerpen. 

Afronding
Laat de leerlingen nadenken over wat er gebeurt tijdens het onderdompelen van voorwerpen in vloeibare stikstof. Waarom bubbelt de vloeibare stikstof als je er een voorwerp in stopt? Waarom
worden de voorwerpen heel hard?

Stoffen kunnen bij een veranderende temperatuur van toestand veranderen en daarbij kan de stof andere eigenschappen aannemen. Water kan bijvoorbeeld een vaste stof zijn als het heel koud is, namelijk ijs. Maar het kan ook vloeibaar zijn, zoals water bij kamertemperatuur, of een gas: bij hoge
temperaturen ontstaat waterdamp. De temperaturen waarbij stoffen van toestand veranderen
verschillen per stof. Dat een stof door temperatuurverschil van toestand kan veranderen heeft te maken met hoe moleculen zich gedragen. In een vaste stof zitten moleculen strak aan elkaar geplakt. Zij liggen vaak zij aan zij heel dicht op elkaar en er is een sterke aantrekkingskracht tussen de moleculen. Hierdoor bewegen de moleculen nauwelijks: de stof is vast. In een vloeistof bestaan ook sterke aantrekkende krachten tussen de moleculen, maar de moleculen zitten niet erg lang aan elkaar vast. Anders dan in een vaste stof vinden er voortdurend verschuivingen en bewegingen plaats. In een gas zijn de aantrekkende krachten te klein om de snel bewegende moleculen aan elkaar te plakken. Het grootste deel van de tijd bewegen de moleculen van een gas vrijwel zonder last te hebben van andere moleculen.

Maar wat gebeurt er nou als je koude vaste stoffen nog kouder maakt, zoals bij het onderdompelen in vloeibare stikstof (- 196°C)? De voorwerpen bevriezen in de vloeibare stikstof en de temperatuur daalt. Moleculen bewegen minder snel bij lagere temperaturen en nemen dan ook minder ruimte in beslag (het voorwerp krimpt een beetje). De snelheid van de moleculen neemt dus af wanneer de voorwerpen in de vloeibare stikstof zijn ondergedompeld. Daarnaast wordt de afstand tussen de moleculen kleiner en de aantrekkingskracht tussen de moleculen groter. Dit zorgt ervoor dat de eigenschappen van het voorwerp veranderen en dat het voorwerp bijvoorbeeld harder of vaster wordt dan het al was.

Verbinding met het thema
De leerlingen ontdekken dat de eigenschappen van voorwerpen kunnen veranderen als voorwerpen ijskoud worden. Daarbij leren ze dat dit komt doordat de moleculen minder snel gaan bewegen bij lagere temperaturen. Dit is een belangrijke eigenschap in de experimenten die op de Radboud Universiteit worden gedaan. Er wordt namelijk gekeken naar botsingen tussen ijskoude moleculen. Deze moleculen bewegen uiterst traag, zodat je langer de tijd hebt om ze te bekijken waardoor ze gemakkelijker te bestuderen zijn. Bovendien gedragen moleculen zich anders als ze heel koud zijn; ze gaan zich dan steeds meer als een reeks golven gedragen.

Tip
Deze activiteit kan worden uitgebreid door de leerlingen te laten onderzoeken of de oorspronkelijke eigenschappen van voorwerpen weer terugkomen als je ze weer opwarmt naar kamertemperatuur.

De leerlingen meten hoe lang het duurt voordat een kleurstof zich heeft verspreid in heet en in koud water.

Subthema
Gedrag van moleculen

Doel
Leerlingen krijgen inzicht in hoe moleculen zich gedragen wanneer ze warm zijn en wanneer ze koud zijn.

Duur
10 minuten

Werkvorm
In tweetallen

Benodigdheden
Per tweetal:

• Heet water in een glas
• Koud water in een glas
• Pipetje
• Kleurstof (ecoline, inkt of voedingsmiddelenkleurstof)
• Stopwatch
• Pen en papier

Activiteit
De leerlingen gaan in tweetallen testen hoe snel de kleurstof zich verspreidt in heet en koud water. De ene leerling beheert de stopwatch en de andere het pipetje met kleurstof. Zodra de leerling met de stopwatch het zegt, doet de andere leerling vijf druppels kleurstof in het glas met heet water. Ze observeren beiden goed wat er met de kleurstof gebeurt. De leerling met de stopwatch meet hoe lang het duurt voor de kleurstof helemaal is vermengd met het water. Hij schrijft het resultaat op. Daarna wordt de proef herhaald met het glas met koud water. De leerlingen timen hoe lang het duurt voor de kleurstof helemaal is vermengd met het water en schrijven het resultaat weer op.

Afronding
De leerlingen vergelijken wat het verschil was tussen warm en koud water. Ze bespreken zowel wat ze hebben zien gebeuren als de tijdmeting. In het warme water verspreidt de kleurstof zich veel sneller dan in het koude water. Dit komt doordat de watermoleculen sneller bewegen wanneer ze warm zijn en minder snel bewegen wanneer ze koud zijn. Dat beïnvloedt de snelheid waarmee kleurstof zich met water vermengt.

Verbinding met het thema
Deze activiteit maakt zichtbaar dat temperatuur invloed heeft op de snelheid waarmee moleculen bewegen. Zoals we in de vorige activiteit ook al beschreven, is het feit dat we de snelheid waarmee moleculen bewegen kunnen beïnvloeden door de temperatuur aan te passen een essentieel onderdeel van het onderzoek waar dit hoofdstuk over gaat. De onderzoekers willen namelijk moleculen met een zo laag mogelijke snelheid op elkaar laten botsen en daarom koelen ze de moleculen af tot extreem lage temperaturen.

Tip
Hoe groter het verschil in temperatuur tussen de twee glazen water is, hoe beter te zien is dat de kleurstof zich in het ene glas sneller verspreidt dan in het andere glas.

De leerlingen bootsen molecuulbotsingen na door knikkers van verschillende groottes op elkaar te laten botsen.

Subthema
Botsingen van golven en deeltjes

Doelen

• Leerlingen leren hoe botsingen beïnvloed kunnen worden door snelheid en grootte van de botsende voorwerpen. 
• Leerlingen leren hoe je een proefopstelling moet bouwen zodat je je resultaten kunt vergelijken. 
• De leerlingen oefenen met het opstellen van een onderzoeksplan.

Duur
30 minuten

Werkvorm
In groepjes van 4

Benodigdheden
Per groepje:

• Materialen om een rolgoot mee te bouwen (bijvoorbeeld wc-rollen of een pvc buis)
• Knikkers van verschillende grootte
• Meetlint
• Werkblad
• Potlood of pen

Activiteit
De leerlingen krijgen de opdracht om in groepjes van vier een rolgoot te maken, een opstelling waar ze een knikker met een bepaalde snelheid naar beneden kunnen laten rollen door deze op een bepaald punt los te laten (zie afbeelding). Ze laten een knikker van gemiddelde grootte van boven naar beneden rollen en op een andere knikker van dezelfde grootte botsen. Ze schrijven op hoe ver de tweede knikker door de botsing is weggerold. Vervolgens gaat ieder groepje onderzoeken wat er gebeurt als je de omstandigheden van het proefje verandert. Hoe ver rolt de tweede knikker als hij groter is dan de eerste knikker? Hoe ver rolt hij als de tweede knikker kleiner is? Wat gebeurt er als je de snelheid waarmee de eerste knikker naar beneden rolt verandert (wanneer hij lager in de rolgoot wordt losgelaten)? De leerlingen noteren elke keer wat ze aan de proefopstelling hebben veranderd en welk resultaat dat had. De leerlingen mogen per keer slechts één element van de proefopstelling veranderen (dus niet bijvoorbeeld én de snelheid van de rollende knikker én de grootte van de liggende knikker, zie ‘eerlijk onderzoeken’ in hoofdstuk 2 (stap 3b)).

Afronding
De leerlingen bespreken klassikaal wat er ten opzichte van de eerste proef anders ging als een van de elementen van de proefopstelling werd veranderd. Door welke verandering rolde de tweede knikker het verst?

Verbinding met het thema
De knikkers in het proefje botsen zoals moleculen botsen wanneer ze een normale temperatuur hebben, wanneer ze snel bewegen. De onderzoekers hebben juist onderzoek gedaan naar hoe moleculen botsen wanneer ze heel langzaam bewegen.

Tip
De afronding van de activiteit is gemakkelijk uit te breiden door explicieter de koppeling te maken met het idee van ‘eerlijk onderzoek’, zoals dat in hoofdstuk 2 is besproken. De leraar legt dan aan de leerlingen uit dat een goede onderzoeksopzet slechts één element varieert, zodat je goed kunt onderzoeken wat de invloed is van dat element op je resultaten.

De leerlingen gaan onderzoeken hoe geluidsgolven zich gedragen wanneer ze botsen. Ze ontdekken dat het patroon waarin geluidsgolven na botsing uit elkaar gaan een interferentiepatroon heet, dat ontstaat doordat sommige botsende golven elkaar versterken en andere botsende golven elkaar opheffen.

Subthema
Botsingen van golven en deeltjes

Doel
De leerlingen ervaren hoe golven zich gedragen als ze op elkaar botsen.

Duur
30 minuten

Werkvorm
Klassikaal

Benodigdheden

• Computer of laptop met internetverbinding en geluidskaart
• Twee geluidsboxen die aangesloten zijn op de computer of laptop en minimaal een meter uit elkaar geplaatst kunnen worden. Hoe groter de boxen en hoe harder het geluid, hoe groter de afstand tussen de boxen kan zijn.
• Frequentiegenerator
• Ruimte waar het stil is en het liefst zo leeg mogelijk
• Rode en blauwe papiertjes

Voorbereiding
We raden de leraar aan deze activiteit vooraf een keer te testen in de ruimte waar deze gaat plaatsvinden. Zoek van tevoren een online frequentiegenerator. Hiermee kun je een geluid afspelen met één specifieke frequentie (toonhoogte/golflengte). Geluid bestaat uit golven. Sommige frequentiegenerators hebben de optie dat je kunt kiezen welke vorm de golf heeft. Zorg ervoor dat je een ~-vormige (sinusvormige) golf gebruikt. De frequentie van het geluid heeft invloed op de toonhoogte; bij een hogere frequentie neemt de toonhoogte toe. Welke toonhoogte het beste gebruikt kan worden, hangt af van onder andere de geluidsboxen, de afstand tussen de boxen en de ruimte. Test de hieronder beschreven proef met ongeveer twee meter uit elkaar staande boxen die naar elkaar wijzen (zie voorbeeld van de proefopstelling online) en gebruik een frequentie van 400 hertz. Pas de frequentie eventueel aan tot de gewenste effecten duidelijk hoorbaar zijn.

Activiteit
Hieronder leggen we in stappen uit hoe de leraar de activiteit moet uitvoeren:

1. Plaats de boxen op een tafel of verhoging (de proef werkt het beste als de boxen op schouderhoogte van de leerlingen staan) in een zo stil en leeg mogelijk lokaal. Stel de boxen zo op en de geluidsfrequentie zo in als bij de voorbereiding het beste resultaat opleverde.
2. Speel met behulp van de frequentiegenerator een toon af.
3. Laat de leerlingen een rij vormen aan de rand van de ruimte (elke leerling met de rug naar de muur, zie voorbeeld proefopstelling).
4. Geef iedere leerling drie rode en drie blauwe papiertjes.
5. Laat de leerlingen één voor één de ruimte oversteken, waarbij ze één oor dichthouden en het andere oor richting de geluidsboxen houden. Met twee oren is het effect niet duidelijk, omdat
   twee oren zorgen voor een stereo-effect. Geef de leerlingen de opdracht de rode papiertjes op de grond te leggen waar ze het geluid het hardst horen en de blauwe papiertjes juist op de plaatsen waar ze het geluid het zachtst horen.
6. Maak een plattegrond van de ruimte. Geef hierop aan waar de rode en blauwe papiertjes liggen, of laat de leerlingen dit doen.

Afronding
De leerlingen hebben kunnen ervaren dat je het geluid op bepaalde plekken heel hard hoort, terwijl je op andere plekken juist bijna niets hoort. Op de plattegrond is duidelijk een patroon zichtbaar van plekken waar je veel of weinig hoort. Hoe kan dit? De leraar legt uit dat geluid bestaat uit golven. De golven uit twee verschillende boxen komen elkaar tegen in de ruimte en mengen zich met elkaar. Op sommige plekken tellen de golven bij elkaar op (zogenaamde constructieve interferentie) en zorgen ze voor een hard geluid op deze plek. Op andere plaatsen heffen de golven elkaar juist op (destructieve interferentie), zodat je het geluid nog maar heel zacht hoort. Voor een afbeelding die de uitleg kan ondersteunen, zie de online bijlagen. Dit kun je vergelijken met golven die in het water ontstaan en elkaar tegenkomen. Op sommige plekken zijn de golven extra hoog of extra laag, als twee individuele golven op dezelfde plek een piek ofeen dal hebben (constructieve interferentie). Op andere plekken, waar de ene golf een piek heeft en de andere juist een dal, is het wateroppervlak vrijwel glad (destructieve interferentie).

Verbinding met thema
De leerlingen ontdekken dat geluid bestaat uit golven en dat je interferentie tussen deze geluidsgolven onder bepaalde omstandigheden kunt waarnemen. In de experimenten op de Radboud
Universiteit tonen onderzoekers aan dat onder bepaalde omstandigheden botsende moleculen zich ook als golven gedragen, als botsende golven. In de richting waarin de deeltjes bewegen na de botsing kun je dus ook een interferentiepatroon zien, net zoals in deze activiteit het geval is. Na de botsing vliegen naar sommige richtingen veel deeltjes (hier: hard geluid), naar andere richtingen
vliegen (bijna) geen deeltjes (hier: zacht geluid).

Tips

• De golven die uit de geluidsboxen komen, botsen op alle objecten in de ruimte (de vloer, het plafond, de muren, tafels, personen). Door al dit soort objecten wordt het interferentiepatroon van de geluidsgolven in feite verstoord. Deze proef is daarom makkelijker in een zo leeg mogelijke ruimte. Om dezelfde reden is de proef ook makkelijker als er maar één kind tegelijk loopt.
• Deze proef kan uitgebreid worden door verschillende elementen toe te voegen:
  • Laat de leerlingen allemaal zelf een plattegrond maken van de ruimte. Met rode en blauwe pennen kunnen ze hierop aangeven waar de rode en blauwe papiertjes liggen.
  • De boxen kunnen tegenover elkaar staan en naar elkaar wijzen, maar de boxen kunnen ook naast elkaar staan en allebei dezelfde kant op wijzen (zoals bij een podium). Hoe verandert je plattegrond? Wanneer is het effect duidelijker?
  • Speel eens met de frequentie van het geluid. Hoe beïnvloedt dit de plattegrond? Een hogere frequentie zorgt voor een hogere toon en een kortere golflengte. Omdat de golf korter is, zitten de plaatsen waar je het geluid het hardst en het zachtst hoort dichter bij elkaar en zijn er meer van deze plaatsen in de ruimte aanwezig. Dit maakt de proef moeilijker.
  • Op internet is veel informatie te vinden over dit onderwerp. Een aantal relevante zoektermen zijn:
    • Interferentie
    • Interferentiegolven
    • Interferentieapplet
    • Geluidsgolven

• De leerlingen onderzoeken hoe licht zich gedraagt en gaan door middel van een proefopstelling proberen ook bij licht een interferentiepatroon te maken.

Subthema
Botsingen van golven en deeltjes

Doelen

• Leerlingen ervaren dat licht bestaat uit golven en dat dit zichtbaar te maken is.
• Leerlingen ervaren hoe onderzoekers op basis van waarnemingen ontdekkingen doen.

Duur
45 minuten

Werkvorm
In groepjes van 2-3

Benodigdheden

• Ruimte die zo goed mogelijk verduisterd kan worden

Per groepje:

• Stappenplan voor activiteit
• Laserpointer
• Papier of de achterkant van een snelhechter (werkt wat beter)
• Wit papier
• Aardappelschilmesje of stanleymes
• Schaar
• Plakband of tape
• Gladde snijplank of een stapel papier om op te snijden
• Twee boeken
• Mok
• Liniaal
• Optioneel: (oude) cd

Voorbereiding
We raden leraren aan deze activiteit zelf te testen voordat deze in de klas wordt uitgevoerd. De uitvoering luistert nauw, dus het is belangrijk dat de leraar vanuit ervaring kan begeleiden. Zorg ervoor dat de ruimte zo donker mogelijk is, zonder dat het zo donker is dat de opdracht niet
meer kan worden uitgevoerd.

Activiteit
Leg de leerlingen uit dat licht zich vaak gedraagt als een reeks golven. Als een golf op een scherpe rand terecht komt, zal deze breken – net zoals een golf op zee die een stuk kade raakt. Maar hoe kunnen we zelf zien dat licht inderdaad uit golven bestaat? De leerlingen gaan laserpointers gebruiken om dit te kunnen zien.

Maak duidelijk dat leerlingen niet met de laserpointer in ogen mogen schijnen. Ook met reflecties op sieraden en andere glanzende objecten moeten leerlingen oppassen. Pas op met reflecties als de laserbundel op een cd schijnt. 

Deel het stappenplan uit aan de leerlingen en laat hen het uitvoeren. In het stappenplan staat ook een foto van een voorbeeldopstelling. 

De opstelling luistert erg nauw. Het is dan ook belangrijk om als leraar de groepjes te helpen voor het juiste resultaat, zodat ze het interferentiepatroon ook echt te zien krijgen. Als het niet lukt, kan het helpen om een afbeelding van het gewenste patroon te laten zien. Dan weten leerlingen waar ze naar op zoek gaan. Hoe dunner de gemaakte spleet, hoe makkelijker een interferentiepatroon zichtbaar is. Dat komt omdat de intensiteit van het ongehinderde deel van het licht dan niet zo dominant is.

Als het niet alle groepjes lukt, zorg er dan voor dat ze bij elkaar kunnen kijken hoe het eruit ziet.

Afronding
Vraag de leerlingen te vertellen wat ze hebben gezien. Als het goed is, hebben ze ontdekt dat de lichtstreep altijd loodrecht op de richting van de spleet staat; als de spleet horizontaal is, is de lichtstreep verticaal en andersom. Laat de leerlingen (nogmaals) zien welk patroon je in het ideale geval zou zien. Dit patroon van wisselende lichtsterkte noemen we een interferentiepatroon. Leg uit dat omdat de leerlingen met hun proefopstelling hebben aangetoond dat licht uiteenvalt in een interferentiepatroon, ze kunnen concluderen dat ook licht zich als golven gedraagt. In deze proef komt een monochrome kleur licht binnen (licht van één golflengte/kleur). Als de lichtgolven op een scherpe rand (zoals een kleine spleet) terecht komen, zullen de golven breken. Hierdoor ontstaat een reeks nieuwe golven.

In de figuur hieronder breken golven A en B aan de randen, resulterend in nieuwe golven met pieken (zwart) en dalen (groen). Op de plekken waar de pieken van zowel A als B elkaar op hetzelfde moment raken en waar de dalen van A en B elkaar op hetzelfde moment raken (blauwe punten) tellen de golven maximaal op. Op de punten waar de pieken van A de dalen van B raken en vice versa, doven de golven uit (rode punten). Deze twee processen gecombineerd is de reden dat we een interferentiepatroon zien in deze proef. De lichtgolven die niet breken aan de rand zijn in dit plaatje niet getekend: deze zullen ongehinderd voortbewegen. Deze zorgen voor de intense lichtspot in het centrum van het interferentiepatroon.

Let op: De spleet is in deze figuur veel groter getekend dan het interferentiepatroon, om het interferentieproces te verduidelijken. In werkelijkheid is de spleet veel kleiner dan het interferentiepatroon.

Verbinding met het thema
De leerlingen ontdekken dat licht bestaat uit golven en dat onder de juiste omstandigheden dit golfgedrag zichtbaar te maken is. Bovendien hebben ze kennis gemaakt met interferentiepatronen. In de experimenten op de Radboud Universiteit tonen onderzoekers aan dat onder bepaalde omstandigheden botsende deeltjes (moleculen) zich ook als golven gedragen, als botsende golven. Als gevolg hiervan zien de onderzoekers dat de richting waarin de deeltjes bewegen na de botsing ook een interferentiepatroon is, net zoals in deze proef het geval is. Na de botsing vliegen in sommige richtingen veel deeltjes, naar andere richtingen (bijna) geen. De observatie in deze proef staat aan de basis van de zogeheten kwantummechanica.

Tips

• Hoe meer loodrecht de laserbundel op het karton schijnt, hoe beter het interferentiepatroon zichtbaar is. In plaats van de laserpointer te fixeren, kun je hem ook met de hand vasthouden. Dit maakt het iets gemakkelijker het patroon te vinden, maar moeilijker om het aandachtig te bekijken, omdat de hand niet stabiel genoeg is.
• Meerdere sneetjes maken in het papier kan helpen het interferentiepatroon te vinden. Niet elk sneetje is altijd even mooi of bruikbaar; door het snijden buigt het papier aan de snijranden waardoor het geen ’perfecte’ spleet is. Bovendien helpt het om het papier licht te buigen in de richting van de spleet, zodat het licht mooiere snijranden tegenkomt.
• De proef kan zo uitgebreid gemaakt worden als de leerlingen (of leraar) zelf willen. Ze kunnen de
  volgende onderzoeksvragen stellen:
  • Zorgt het schijnen van een laserpointer op een kleine spleet in het stuk papier voor een interferentiepatroon na de spleet?
  • Hangt het interferentiepatroon - hoe ver de pieken van elkaar af staan - af van de grootte van de spleet?
  • Verwacht je dat andere vormen van inkepingen, zoals een klein rond gaatje, ook voor een interferentiepatroon kunnen zorgen?
  • Hangt het interferentiepatroon af van de kleur van de laserpointer? Hoeveel pieken kun je zien?
  • Hangt het interferentiepatroon af van de afstand van de laserpointer tot het papier?
  • Wat gebeurt er als je in plaats van op papier met de laserpointer op een cd schijnt? Hoe verklaar je dit patroon? Verklaring: de achterkant van een cd bevat groeven, die zeer klein zijn en dicht op elkaar zitten. Eigenlijk kun je dit vergelijken met allemaal kleine spleetjes. Als de grootte van een spleet kleiner is dan de golflengte van het licht zal de lichtgolf volledig breken. Gebeurt dit nu bij meerdere spleten dicht bij elkaar - zoals in een cd - dan kunnen deze
    volledig gebroken golven met elkaar gaan interfereren en een interferentiepatroon maken.

Bekijk hieronder de verschillende uitgewerkte onderzoeksplannen voor het thema Molecuulbotsingen. Deze kun je als voorbeeld gebruiken voor in de klas of als inspiratie. 

Uitwerking van alle onderzoeksvragen

• Welke verf smeert makkelijker op een vel papier, warmgemaakte verf, extra koud gemaakte verf of verf op kamertemperatuur?
• Als je ecoline laat verdampen, heeft de ecoline daarna dan nog dezelfde kleur als voordat je het liet verdampen?
• Welke veranderingen neem je waar in het patroon van botsende geluidsgolven als je de geluidsgolven blokkeert door een groot voorwerp in het lokaal te zetten? 
• Welke verschillen zie je in structuur als je olie, alcohol en water invriest?
• Welke knikker rolt verder, eentje die door heet water rolt of eentje die door koud water rolt?

Ga je aan de slag met een thema dan is het goed om de leidraad onderzoekend leren eerst te lezen. Aan de hand van de zeven stappen van onderzoekend leren laten we je zien hoe je een project in de klas kunt vormgeven. Daarnaast vind je in de leidraad ook hulpmiddelen die je helpen om de activiteiten uit te voeren in de klas.

• Ga naar de leidraad onderzoekend leren