6 Eenvoudige natuurkunde-experimenten voor kinderen

Fysica is de natuurwetenschap die zich bezighoudt met materie, energie, beweging en kracht. Het doel van het bestuderen van natuurkunde is te begrijpen hoe onze wereld, en bij uitbreiding, hoe ons universum werkt! Hier zijn 6 super eenvoudige wetenschappelijke experimenten voor kinderen om dichtheid, zwaartekracht, elektriciteit en druk te onderzoeken. De materialen die je nodig hebt, heb je waarschijnlijk al in huis: eieren, water, kleurstof, sinaasappels, een kam en zelfs spaghetti!

De dichtheid van water veranderen

Heb je ooit een meer zien bevriezen in de winter? Als de temperatuur daalt, vormt zich een laag ijs over de bovenkant, maar onder de ijslaag is het meer er nog steeds. Waarom gebeurt dit, en waarom denk je dat het zo belangrijk is? In het volgende experiment gaan we deze vragen beantwoorden. We zullen de effecten van temperatuur op water onder de loep nemen, en zien wat er gebeurt als je probeert water van verschillende temperaturen te mengen.

Wat heb je nodig:

• Twee bakken zoals potten of maatbekers
• Water
• Levensmiddelenkleurstof

Richtlijnen

1. Doe ongeveer vier kopjes water in een bak. Voeg 2-3 druppels blauwe kleurstof toe en meng goed. Zet het een nacht in de koelkast.

2. Verwarm ongeveer 1 kopje water tot het kookt of net kookt. Voeg 2-3 druppels gele kleurstof toe en meng goed.

3. Giet langzaam ~1/4 kop koud water in het hete water. Zorg ervoor dat u heel langzaam en langs de zijkant van de container giet, zodat er minimale menging is. Er zouden zich twee lagen moeten vormen. Neem de tijd die nodig is om de twee lagen geleidelijk samen te voegen tot één groene laag.

Wat gebeurt er?

Verandering van de temperatuur van water beïnvloedt de dichtheid ervan. Als water opwarmt, gaan de moleculen trillen en bewegen. Hierdoor neemt de ruimte tussen de moleculen toe, waardoor de dichtheid afneemt. Als het water afkoelt, vertragen de moleculen en komen ze dichter bij elkaar. Hierdoor wordt de dichtheid van het water groter. Het afgekoelde water in ons experiment zonk naar de bodem omdat het een hogere dichtheid had dan het verwarmde water. Het werd groen omdat het onderweg wat heet water raakte, waardoor het afkoelde en zonk.

In de natuur is dit verschijnsel verantwoordelijk voor een proces dat “omslag” wordt genoemd. Het zinken van koeler water en het stijgen van warmer water zorgt ervoor dat de lagen van een meer zich vermengen, waardoor voedingsstoffen zoals zuurstof verspreid worden. Waarom bevriest een meer dan niet van beneden naar boven? De dichtheid van water blijft stijgen tot het bevriest, maar daarna verandert de dichtheid weer. IJs heeft veel minder dichtheid dan vloeibaar water, dus al het water dat bevriest, stijgt naar de top. Het ijs vormt een laag over het oppervlak van het meer, maar daaronder blijft het meer vloeibaar, zodat plantaardig en dierlijk leven de winter kan overleven.

Hoe laat je een sinaasappel zinken of zwemmen

Wanneer je probeert in te schatten of een voorwerp zal blijven drijven, is het nuttig om rekening te houden met de dichtheid van het voorwerp. Dichtheid wordt gedefinieerd als massa per volume-eenheid, en voorwerpen met een hogere verhouding massa/volume hebben een hogere dichtheid. Objecten die dichter zijn dan water zullen zinken, terwijl die met een lagere dichtheid zullen blijven drijven.

Omdat het minder dicht is dan water, zal een ongeschilde sinaasappel blijven drijven. Het zou voor de hand liggen dat het schillen van een sinaasappel, en daarmee het verminderen van zijn massa, weinig of geen effect zou moeten hebben. Wat er gebeurt is in feite het tegenovergestelde. Het mag contra-intuïtief lijken, maar in het volgende experiment zullen we zien dat het schillen van een sinaasappel hem doet zinken.

Wat heb je nodig:

• Een pot met een wijde opening, zoals een pot
• Een sinaasappel
• Water

Richtlijnen

1. Vul de kruik met voldoende water om een sinaasappel te bedekken, mocht hij ondergedompeld worden.

2. Leg voorzichtig een ongeschilde sinaasappel in het water. Observeer wat er gebeurt. Zinkt of drijft de sinaasappel?

3. Haal de sinaasappel uit de pot en pel hem.

4. Leg de geschilde sinaasappel terug in de pot. Wat gebeurt er nu met de sinaasappel?

Wat gebeurt er?

Het lijkt misschien alsof de sinaasappel door het schillen nog beter zou kunnen drijven, omdat we door het schillen een deel van zijn massa weghalen en hem lichter maken. In feite zien we dat het schillen van een sinaasappel hem doet zinken. Dit lijkt onlogisch totdat je de aard van de dichtheid in ogenschouw neemt.

Dichtheid wordt gedefinieerd als massa per volume. Een sinaasappelschil is zeer poreus, wat betekent dat er veel kleine gaatjes in zitten. De gaatjes zijn in wezen kleine luchtbelletjes. Deze luchtzakjes zijn lege ruimtes, of zakjes zonder massa die, bij het berekenen van de totale dichtheid, dienen om het eindresultaat te verlagen. Wanneer je de schil verwijdert, worden de luchtbellen verwijderd. Nu heeft de sinaasappel een hogere dichtheid, omdat zijn massa per volume-eenheid omhoog gaat. De sinaasappel heeft nu een grotere dichtheid dan water. Daarom zinkt hij. Het lijkt dus tegen de rede in te gaan, maar het resultaat is eigenlijk het volgen van de regels van dichtheid.

Hoe gebruik je de zwaartekracht om te zien of een ei gaar is

“Zwaartekracht” is de kracht die ons naar de aarde trekt, en die ervoor zorgt dat dingen op de grond vallen als ze omhoog worden gegooid, of van een afstand worden neergelaten. Het “zwaartepunt”, of het “massamiddelpunt”, is het punt waar het gewicht van een voorwerp geconcentreerd is. Het kan worden beschouwd als het punt waarop de zwaartekracht op een voorwerp werkt.

Het hebben van een stabiel zwaartepunt maakt dingen mogelijk als tollen, of voor een koorddanser om te balanceren op een dunne draad. We kunnen ook gebruik maken van dit fenomeen om te bepalen of een ei gaar is, zonder het ei open te hoeven breken.

Wat heb je nodig:

• 2 eieren
• 1 klein pannetje
• Water om te koken

Richtlijnen

1. Hardkook een van de eieren. *Opgelet: dit deel vereist toezicht van een volwassene. Er zijn verschillende manieren om een ei hard te koken, maar voor het doel van dit experiment willen we er zeker van zijn dat het ei goed hardgekookt is. Om dit te bereiken, laat je het ei minstens 15 minuten in actief kokend water zitten.

2. Giet het ei af en spoel het onder koud water. Leg het ei een uur of langer in de koelkast. Dit is het zo dat u niet kunt zien welk ei gaar is door alleen de temperatuur te controleren.

3. Haal het gekookte ei en het rauwe ei uit de koelkast. Draai de eieren, één voor één, op een aanrecht of schoon oppervlak. Let op de verschillen in de manier waarop elk ei beweegt. Het ene ei draait soepel rond, terwijl het andere wiebelt en moeilijk ronddraait.

Wat gebeurt er?

De inhoud in de schaal van het rauwe ei is vloeibaar, dus die kan bewegen. Als je het rauwe ei probeert te draaien, verschuift de inhoud. Daardoor verandert het zwaartepunt van het ei voortdurend. Omdat het geen stabiel zwaartepunt heeft, draait het ei niet soepel rond, zoals een tol zou doen, maar wiebelt het rond. Het gekookte ei daarentegen is van binnen vast. Het zwaartepunt blijft hetzelfde. Daarom zal het hardgekookte ei soepel ronddraaien, en is het gemakkelijk te onderscheiden van het rauwe ei zonder een van beide open te breken.

Eten van een Spaghettibrug

Een van de belangrijkste beslissingen in de bouw is de keuze van de bouwmaterialen. Afhankelijk van hun samenstelling zijn verschillende materialen bestand tegen verschillende belastingen. We kunnen dit concept onderzoeken door een miniatuurbrug te bouwen en vervolgens te testen of deze het gewicht kan dragen. We zullen strengen ongekookte spaghetti gebruiken om te kijken hoe de structurele samenstelling van een bepaald bouwmateriaal van invloed is op het vermogen om druk te weerstaan.

Wat heb je nodig:

• Spaghetti
• Papierklem of S-haak
• Klein papieren bekertje
• Diverse munten

Richtlijnen

1. Leg een streng ongekookte spaghetti tussen twee potjes of doosjes, zodat de spaghetti een brug vormt.

2. Buig de paperclip tot een S-haak (of gebruik gewoon een S-haak) en prik een gaatje in het papieren bekertje. Hang het papieren bekertje aan de haak en hang het voorzichtig aan de spaghettibrug.

3. Doe een voor een munten in het bekertje. Noteer hoeveel munten je kunt toevoegen voordat de spaghetti breekt.

4. Zet het experiment opnieuw op, maar gebruik dit keer twee strengen spaghetti om de brug te bouwen. Hoeveel munten kan je nieuwe brug houden voordat hij breekt?

5. Herhaal het experiment met steeds meer slierten spaghetti. Wat zie je van het vermogen van de brug om munten te dragen als je meer strengen spaghetti toevoegt?

Wat gebeurt er?

Een streng ongekookte spaghetti is erg broos, en breekt als er druk op wordt uitgeoefend. Als we echter extra strengen spaghetti toevoegen, wordt de druk over de strengen verdeeld, zodat de totale druk op elke streng lager is. De strengen verdelen in feite de belasting, zodat het aantal munten dat kan worden toegevoegd voordat de brug breekt, toeneemt.

Een voorbeeld van een bouwmateriaal dat van dit principe gebruik maakt, is triplex. Multiplex is opgebouwd uit meerdere dunne platen houtfineer die aan elkaar zijn gelijmd. Dit resulteert in een materiaal dat bestand is tegen een grotere hoeveelheid druk dan mogelijk zou zijn met slechts één enkele plaat.

Hoe maak je een kam “Magneet”

De kans is groot dat je wel eens te maken hebt gehad met statische elektriciteit. Die kleine schok die je soms voelt als je naar een deurknop grijpt, de manier waarop je haar overeind gaat staan als je het borstelt, de manier waarop je hoed aan je haar blijft plakken – dit zijn allemaal voorbeelden van statische elektriciteit.

In het volgende experiment gaan we statische elektriciteit gebruiken om een “magneet” te maken. We zullen een elektrische lading opwekken op een haarkam en onderzoeken hoe die lading werkt. Aan het eind van het experiment zullen we statische elektriciteit beter begrijpen, waarom het zich gedraagt zoals het doet, en wat we kunnen doen om de effecten ervan in ons dagelijks leven te minimaliseren.

Wat heb je nodig:

• Een haarkam
• Een weefsel
• Een schaar

Richtlijnen

1. Als uw tissue 2-laags is, scheidt u de twee lagen en gebruikt u slechts één laag. Knip het weefsel met een schaar in vieren. Leg een van de kwarten plat op een tafelblad.

2. Haal een kam een paar keer (minstens 12 keer) snel achter elkaar door uw haar. Dit werkt het beste op schoon, droog haar, en geeft de beste resultaten met het fijnere deel van de kam, of het uiteinde waar de tanden dichter bij elkaar staan.

3. Onmiddellijk nadat u de kam door uw haar heeft gehaald, raakt u de kam aan een rand van het weefsel. U weet dat het gewerkt heeft als het weefsel omhoog komt om de kam te raken zodra deze dichtbij komt. Til met de nieuwe “magnetische” kam het weefsel van de tafel en de lucht in.

Wat gebeurt er?

Statische elektriciteit wordt opgewekt wanneer negatief geladen deeltjes, “elektronen” genaamd, naar een voorwerp worden overgebracht en zich daar kunnen ophopen. In het geval van ons experiment, was het object de kam. Elektronen “sprongen” van ons haar op de kam, waardoor de kam een tijdelijke negatieve lading kreeg. Omdat tegenpolen elkaar aantrekken, werden de negatieve ladingen op de kam aangetrokken tot de positieve ladingen op het weefsel, en het weefsel “kleefde” aan de kam.

Drogere omstandigheden zijn bevorderlijker voor statische elektrische opbouw, wat de reden is waarom je in de winter meer statische schokken krijgt. Dit komt omdat water een goede geleider is. Wanneer er vocht is, kunnen de statische elektrische ladingen die zich op natuurlijke wijze op een oppervlak opbouwen, worden geabsorbeerd door waterdeeltjes die in de lucht zweven. Deze waterdeeltjes zijn niet aanwezig in droge omstandigheden, zodat de ladingen zich ophopen, om in een keer te verdwijnen wanneer ze in contact komen met een ander voorwerp, zoals uw hand op een deurknop.

Ei laten drijven in water

Niet alles drijft in water. Een ei bijvoorbeeld zinkt naar de bodem als het in een bak met water wordt gelegd. Een pingpongbal daarentegen blijft drijven. Waarom gebeurt dit? Waardoor blijft iets drijven of zinkt het? Het antwoord is dichtheid. Objecten die dichter zijn dan water zullen zinken. Voorwerpen met een lagere dichtheid blijven drijven.

Het volgende experiment stelt je in staat om het effect van dichtheid in actie te zien. Door de dichtheid van water te veranderen, kunnen we het vermogen van een ei om te drijven veranderen.

Wat heb je nodig:

• Een doorzichtige bak zoals een pot
• Een ei (Opmerking: het ei hoeft niet hardgekookt te zijn, maar het is misschien minder zenuwslopend om de kleintjes een hardgekookt ei te laten aanraken.)
• Water
• Zout

Richtlijnen

1. Voeg 1 kopje water toe aan de lege bak, of zoveel als nodig is om de bak tot de helft te vullen en een ei volledig onder water te laten staan. Plaats het ei voorzichtig in het water en observeer wat er gebeurt.

2. Verwijder het ei. Voeg 6 eetlepels zout toe aan het water in de schaal en roer om te mengen. Plaats het ei voorzichtig terug in het zoute water en observeer.

3. Verwijder het ei en spoel het met zoet water. Voeg langzaam, om het zoute water niet te verstoren, een kopje schoon water toe in de container. Het doel is om het zoete water op het zoute water te leggen, niet om de twee lagen te mengen. Leg het ei een derde keer in de bak.

Wat gebeurt er?

Een ei heeft een hogere dichtheid dan water, dus het blijft niet drijven. Maar toen we zout aan het water toevoegden, veranderde de dichtheid. We zorgden ervoor dat het water een hogere dichtheid had dan het ei. Hierdoor kon het ei wel drijven. Om dit concept verder te benadrukken, voegden we een laag zoet water toe over het zoute water. Het ei zonk door het zoete water, maar stopte met zinken toen het de zoutwaterlaag bereikte.

Een punt om te benadrukken is dat een voorwerp niet minder hoeft te wegen dan water om te kunnen drijven, het hoeft alleen maar minder dicht te zijn. Dit betekent dat het een groter aantal lege ruimtes moet hebben in verhouding tot zijn massa. Dit is hoe boten kunnen drijven ondanks dat ze zo groot en zwaar zijn, en het is waarom een pingpongbal blijft drijven, maar een ei niet.