Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1

1
Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ
Imię i nazwisko ucznia 1
Igor Dąbrowski
Imię i nazwisko ucznia 2
Michał Muszyński
Numer grupy / numer zespołu
312/G/NYS/OPO_ZES_NR_2
Nazwa i adres szkoły
Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej
w Nysie
ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa
Imię i nazwisko nauczyciela
Beata Krzan
Tytuł pokazu
Dlaczego się rozciąga i kurczy?
Dział fizyki
Właściwości i budowa materii
Potrzebne materiały do doświadczeń
DOŚWIADCZENIE 1 – Rozciągnięty metal
prosty drut aluminiowy/ miedziany (np. drut do
dziergania), dwie butelki (np. po winie)
korek, dwie igły, świeczka lub laboratoryjny
palnik spirytusowy, niewielki kawałek kartonu,
nożyczki
DOŚWIADCZENIE 2 –Termoczuła waga
ok. 20cm prostego miedzianego lub
aluminiowego drutu
dwa spinacze biurowe (lub coś zastępczego, np.
dwa jednakowe klipsy – u nas: „serduszka”)
„zębaty” nóż kuchenny
dwie książki (lub ciężarki) do ustawienia noża
ostrzem skierowanego do góry
świeczka lub palnik spirytusowy
DOŚWIADCZENIE 3 – Silnik cieplny
gumki recepturki (dwie paczki)
sztywna metalowa obręcz (o średnicy ok. 20 -30
cm)
patyk do szaszłyków lub metalowy pręt
dwie żarówki (75 lub 100 W), oprawy
elektryczne do żarówek, kabel zasilający
dwie blaszki z otworami (np. wieszaczki do
półek), kawałek deski (sklejka), narzędzia do
obróbki drewna, dwa wkręty
Koszt materiałów do doświadczeń
gumki recepturki (2 paczki) – 6 zł
materiały znalezione w domu
2
Wykorzystane eksperymenty
nie więcej niż trzy połączone tematycznie
1. Rozciągnięty metal
2. Termoczuła waga
3. Silnik cieplny
Nazwa / tytuł
1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
Pokazanie jak zmieniają się własności metalu oraz gumy na skutek działania podwyższonej
temperatury. Prezentacja zjawiska rozszerzalności cieplnej metali, warunki występowania zjawiska
i zastosowanie wiedzy o nim w praktyce. W doświadczeniu pierwszym zmiany temperatury
przełożone są na wydłużenie pręta i rejestrowane za pomocą papierowego wskaźnika. Termoczuła
waga obrazowo przedstawia zjawisko liniowej rozszerzalności metalu. Silnik cieplny pokazuje
zamianę energii cieplnej na mechaniczną w ciekawy sposób wykorzystując działanie temperatury na
gumę.
2.
Opis wykonania doświadczeń:
DOŚWIADCZENIE 1 – Rozciągnięty metal
Dwie butelki ustawiamy obok siebie, jedna z nich jest zamknięta korkiem od wina. Drut wbijamy
ostrym końcem z boku w korek od butelki, a drugi koniec kładziemy na otworze drugiej butelki.
Nabijamy na igłę do szycia papierową strzałkę i wsuwamy ją między szyjkę drugiej butelki i drut.
Ogrzewamy drut pośrodku używając świeczki (palnika).
DOŚWIADCZENIE 2 – Termoczuła waga
W środku drutu wykonujemy nożem niewielkie nacięcie. Na obu końcach drutu przypinamy po
jednym spinaczu biurowym. Kładziemy na brzegu stołu nóż ustawiony ostrzem w górę, tak by ostrze
wystawało poza stół (podpieramy nóż z obu stron książkami lub ciężarkami). Umieszczamy drut na
ostrzu noża wykorzystując uprzednio wykonane nacięcie. Doprowadzamy tak wykonaną wagę do
stanu równowagi (położenie poziome) odpowiednio przesuwając umieszczone na końcach drutu
spinacze. Ogrzewamy drut (wagę) z jednej strony świeczką (palnikiem).
DOŚWIADCZENIE 3 – Silnik cieplny
Na sztywną metalową obręcz nakładamy gumki recepturki. W miejscu gdzie się krzyżują wbijamy
patyk do szaszłyków tak, by przechodził przez środek ciężkości koła i aby był sztywno umiejscowiony
(„trzymany” przez gumki). Na końcach patyka montujemy igły (dla zmniejszenia oporów ruchu
podczas obrotu koła). Z deseczek robimy stelaż (podstawa drewniana i przymocowane do niej
w odpowiedniej odległości dwie pionowe deseczki). Umieszczamy koło na stelażu, tak by miało
możliwość obrotu. Po obu stronach koła montujemy dwa gniazdka z żarówkami i kablem
z wyłącznikiem.
3. Zdjęcia, rysunki do opisu wykonania doświadczeń:
3
DOŚWIADCZENIE 1 – Rozciągnięty metal
Materiały:
DOŚWIADCZENIE 2 – Termoczuła waga
Materiały:
DOŚWIADCZENIE 3 – Silnik cieplny
Zestaw doświadczalny:
Zestaw doświadczalny:
4
4. Wyjaśnienie teoretyczne:
DOŚWIADCZENIE 1 – Rozciągnięty metal
Po zapaleniu świeczki i ogrzaniu drutu strzałka zacznie
poruszać się w prawo. W wyniku podgrzania, drut
uległ wydłużeniu na skutek
zjawiska liniowej
rozszerzalności cieplnej metalu (atomy zaczynają się
szybciej poruszać, rosną odległości między nimi).
Wydłużający się drut na skutek tarcia powoduje obrót
ułożonej poprzecznie pod nim igły z umocowaną
papierową strzałką. Strzałka sygnalizuje wydłużenie
drutu na skutek wzrostu temperatury. Gdy drut
stygnie strzałka wraca do położenia początkowego.
Gdyby zamiast drutu aluminiowego użyć stalowego
tej samej długości, wychylenie strzałki byłoby
mniejsze, ponieważ stal ma mniejszy współczynnik
rozszerzalności liniowej niż aluminium.
DOŚWIADCZENIE 2 – Termoczuła waga
Gdy podgrzejemy jedno z ramion wagi (w połowie długości) to równowaga układu zostanie
zachwiana i waga przechyli się w stronę podgrzanego ramienia. Dzieje się tak dlatego. że
podgrzewane ramię, na skutek zjawiska rozszerzalności cieplnej, wydłużyło się i nastąpiło
przesunięcie środka ciężkości. Obserwujemy zjawisko termicznej rozszerzalności liniowej.
Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na
rozszerzalność liniową: x = x0(1+αΔT) gdzie:
•x – długość przedmiotu po zmianie temperatury,
•x0 – długość początkowa,
•α – współczynnik rozszerzalności liniowej (zależny od rodzaju materiału) - podaje on o jaką część
długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego gdy temperatura wzrasta o 1°C.
•ΔT - przyrost temperatury.
UWAGA: Jest to tylko prawo przybliżone, stosunkowo dokładne tylko w wąskim zakresie temperatur.
Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał
polikrystalicznych, ponieważ zawiera średni (co do kierunku) współczynnik rozszerzalności.
DOŚWIADCZENIE 3 – Sinik cieplny
Elastomery (guma) po ogrzaniu kurczą się. Dla gumy nie zachodzi zjawisko termicznej rozszerzalności
liniowej jak przy metalach. Dużą wydłużalność przy rozciąganiu i inne cechy elastyczne gumy i
kauczuki (tzw. elastomery), zawdzięczają konfiguracji makrocząsteczek, które w materiale nie
5
poddanym działaniu naprężeń mechanicznych są
zwinięte w spirale bądź tworzą zygzak.
Pod
działaniem między innymi wysokiej temperatury
następuje
usieciowanie
makrocząsteczek
elastomeru i twardnienie. Następuje
proces
wulkanizacji.
W naszym doświadczeniu gumki koła silnika są
ogrzewane za pomocą żarówek umieszczonych
z boku (rys.– z prawej strony). Powoduje to ich
skurczenie. Następuje przesunięcie środka ciężkości
koła (rys. - w lewo). Koło, znajdujące się dotychczas
w równowadze, zaczyna się obracać „do góry”.
Następuje zamiana energii cieplnej w mechaniczną.
Powstaje silnik cieplny. Silnik cieplny to urządzenie
wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną
z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym najczęściej jest ciecz. W zależności od
tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są
także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.
5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska:
1. Precyzyjne urządzenia pomiarowe powinny umieszczane w pomieszczeniach
o stabilizowanej temperaturze ponieważ wahnięcia temperatury mogą zmienić odczyt.
Nawet nieznaczna zmiana, w dokładnych urządzeniach ma istotne znaczenie.
2. Zjawisko rozszerzalności cieplnej metali wykorzystywane jest w przyrządach: termometrach,
czujnikach bimetalowych.
3. Zjawisko rozszerzalności cieplej należy uwzględnić w pracach inżynierskich, gdyż elementy
konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (przerwy dylatacyjne w konstrukcji mostów,
między szynami szyn kolejowych; zawieszane luźno napowietrzne przewody telefoniczne,
energetyczne, na wypadek kurczenia się w zimie; linie ciepłownicze doprowadzające wodę
posiadają specjalnie kolana, aby uniknąć wyginania lub pękania na skutek sezonowych zmian
rozmiarów ; aluminium ma duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, co może powodować
odkształcenia ram okna, jeżeli źle się je zamontuje (należy zostawić wolne miejsce w ramie
okna aby szyby mogły się swobodnie zwiększać swoje rozmiary)
4. Silniki cieplne – zastosowanie jako napęd. Odmiany: silnik spalinowy, odrzutowy, rakietowy,
parowy itp.
6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień
pl.wikipedia.org/wiki/Rozszerzalno%C5%9B%C4%87_cieplna
http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=ciekawostki%2Fm_ciekawostki.html&former
_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fciekawostki%2Fciekawostki_wn4.html
Mechanika podstawy fizyki cząsteczkowej i termodynamiki - Tom 1, B. Jaworski, A. Dietłaf, L.
Miłkowska, G. Siergiejew - PWN Warszawa 1981
7. Potwierdzenie nauczyciela
Potwierdzam, że praca jest autentyczna i samodzielnie wykonana przez zespół uczniów.
Imię i nazwisko nauczyciela. Beata Krzan