Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1

1
Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ
Imię i nazwisko ucznia 1
Tomasz Hnat
Imię i nazwisko ucznia 2
Mateusz Chrobak
Numer grupy / numer zespołu
312/G/NYS/OPO/ZES_NR_3
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
„Konwekcja i absorpcja czyli
- dlaczego się porusza?”
Dział fizyki
Termodynamika, promieniowanie
Potrzebne materiały do doświadczeń
Koszt materiałów do doświadczeń
Doświadczenie 1
duża plastikowa butelka, czarna farba (spray),
dwie szpilki, kawałek gumki do mazania, blacha
aluminiowa z puszki po napoju, nożyczki, cyrkiel,
gwóźdź, lampka biurkowa
Doświadczenie 2
worek na śmieci, gazowa kuchenka kempingowa
Doświadczenie 3
litrowy słoik, folia aluminiowa, czarna farba
(spray), korek z butelki po winie, igła lub kawałek
drutu, taśma klejąca, metalowa zatrzaska
ubraniowa, klej uniwersalny, nożyczki, cyrkiel,
lampka biurkowa, gwóźdź, młotek
czarna farba (spray) – ok. 10 zł
klej uniwersalny - 6 zł
pozostałe materiały – znalezione w domu
Wykorzystane eksperymenty
nie więcej niż trzy połączone tematycznie
Nazwa / tytuł
1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
1. Turbina słoneczna
2. Balon z worka foliowego
3. Młynek świetlny /młynek Crookesa/
2
Celem przeprowadzonych doświadczeń jest wykorzystanie zjawisk: konwekcji i absorpcji w praktyce
oraz uświadomienie sobie jak wielki potencjał niesie ze sobą energia słoneczna. Doświadczenie
pierwsze wyjaśnia działanie turbiny słonecznej, doświadczenie drugie prezentuje na czym polega lot
balonu. Ruch obu tych urządzeń powodowany jest zjawiskiem konwekcji. Trzecie doświadczenie
przedstawia działanie wiatraczka słonecznego (tzw. młynka Crookesa), którego ruch powodowany
jest strumieniem światła (w doświadczeniu światła sztucznego, które może być jednak zastąpione
światłem słonecznym).
2.
Opis wykonania doświadczeń:
Doświadczenie 1 – Turbina słoneczna
1. butelkę pomalować czarnym sprayem
2. w dolnej części butelki wyciąć otwór w celu dopływu
świeżego powietrza
3. z aluminiowej puszki wyciąć płaskie kółko o średnicy 4 cm
4. na środku aluminiowego kółka zrobić gwoździem
wgłębienie, ale tak by nie przebić blaszki na wylot
5. naciąć kółko w czterech równych odstępach (linie
przerywane) i odpowiednio wygiąć uzyskując kształt
wiatraka
6. w gwint butelki wbić szpilkę z nabitym wcześniej
kawałkiem gumki na środku
7. wbić drugą szpilkę prostopadle do pierwszej, tak by przechodziła przez kawałek gumki
8. umieścić wiatraczek na igle (wykorzystać zrobione wgłębienie)
9. pomalowaną na czarno ściankę butelki oświetlić lampką (lub postawić butelkę na słońcu)
10. obserwować ruch wiatraczka
Doświadczenie 2 – Balon z worka foliowego (uwaga: doświadczenie przeprowadzać na wolnym
powietrzu)
1. uruchomić gazową kuchenkę kempingową - zapalić ogień
2. umieścić w bezpiecznej odległości nad kuchenką duży worek na śmieci
3. nagrzać powietrze wewnątrz worka
4. puścić worek, obserwować jego lot
Doświadczenie 3 - Młynek świetlny /młynek Crookesa/ wiatraczek słoneczny/ radiometr
Crookesa) - Urządzenie skonstruował w roku 1873 fizyk angielski William Crookes. Radiometr - to
przyrząd do pomiaru intensywności światła (promieniowania elektromagnetycznego, radiacji
elektromagnetycznej).
Urządzenie składa się ze szklanej bańki wypełnionej gazem o obniżonym ciśnieniu i z wiatraczka
umocowanego w środku na delikatnej osi tak, by mógł się swobodnie obracać i by opory
mechaniczne przy jego obrocie były jak najmniejsze. Łopatki wiatraczka są z jednej pomalowane na
czarno, a z drugiej na jasno.
Jeśli oświetlimy bańkę szklaną światłem słonecznym lub lampką (wąskostrumieniowe źródło
światła), wiatraczek w jego wnętrzu zaczyna się obracać, a prędkość obrotów zależy od
intensywności oświetlenia. Po zasłonięciu światła niewielkie opory ruchu osi powodują zatrzymanie
wiatraczka.
1. z folii aluminiowej wyciąć sześć identycznych kwadratów o boku 1cm
2. matową stronę kwadratów pomalować czarnym sprayem
3. wykonać wiatraczek – przykleić kwadraty klejem uniwersalnym do metalowej zatrzaski
ubraniowej w równych odstępach tak, by były skierowane pomalowaną stroną w jednym
kierunku (uwaga: wiatraczek można też wykonać z wyciętego z folii aluminiowej krążka
o średnicy ok. 5 cm, ponacinanego w sześciu miejscach i odpowiednio pozaginanego)
4. jedną stronę słoika, od wewnątrz, okleić folią aluminiową (folia aluminiowa odbija światło
3
i zwiększy częstotliwość obrotów wiatraczka)
5. w pokrywce słoika, nieco z boku, wykonać gwoździem otwór (to autorski sposób na
obniżenie ciśnienia powietrza☺ co zostało wytłumaczone w pkt. 8 i 9.)
6. wewnątrz pokrywki, centralnie, przykleić korek i wbić w niego igłę
7. wykonany z kwadratów wiatraczek umieścić na igle i wyważyć (igła na środku zatrzaski)
8. słoik mocno zakręcić (w celu uszczelnienia można wcześniej przesmarować gwint słoika
i brzegi pokrywki klejem uniwersalnym) i podgrzać w piekarniku lub nad kuchenką gazową
(ostrożnie z temperaturą, by słoik nie pękł)
9. po wyjęciu z piekarnika, natychmiast zakleić otwór w pokrywce taśmą klejącą. Uzyskany
efekt: po ostudzeniu powietrze w słoiku rozrzedzi się w związku z czym zmniejszy się jego
opór stawiany wiatraczkowi (powietrze stygnąc w słoiku zmniejsza swą objętość, ciśnienie
powietrza obniża się, gaz w słoiku staje się rozrzedzony)
10. oświetlić wąskim strumieniem światła łopatki wiatraczka od strony pomalowanej na czarno
11. obserwować ruch wiatraczka
3.
Zdjęcia, rysunki do opisu wykonania doświadczeń (nie więcej niż 6 szt. o zmniejszonej
rozdzielczości):
POTRZEBNE MATERIAŁY:
WYKONANE DOŚWIADCZENIE:
Turbina słoneczna:
Młynek świetlny /Młynek Crookesa/
4. Wyjaśnienie teoretyczne:
DOŚWIADCZENIE 1. – Turbina słoneczna
Obserwacja: Po oświetleniu zamalowanej na czarno butelki wiatraczek obraca się.
Wnioski:
4
Zaczernione powierzchnie butelki absorbują silniej światło słoneczne (w naszym doświadczeniu światło sztuczne), dlatego powietrze wewnątrz butelki znacznie się ogrzewa. Powiększa swoją
objętość, staje się przez to lżejsze, unosi się do góry i wprawia w ruch wiatraczek (turbinę). w tym
czasie od dołu napływa zimne powietrze.
Interpretacja fizyczna:
Zjawisko zachodzące w turbinie słonecznej to konwekcja czyli przemieszczanie się
cząsteczek substancji (gazu, cieczy, plazmy) - w naszym przypadku: powietrza pod wpływem ogrzewania. Ruch materii związany z różnicami temperatur, który
prowadzi do przenoszenia ciepła zwany jest prądem konwekcyjnym.
Ciepłe powietrze unosi się, gdyż jest lżejsze od chłodniejszego powietrza. Działa tu
zjawisko rozszerzalności cieplnej. Rozgrzany gaz zwiększa swoją objętość, gdyż jego
cząsteczki po dostarczeniu im ciepła poruszają się szybciej. Zwiększenie objętości
jest równoważne ze zmniejszeniem ciężaru. Lżejsze powietrze unosi się po ogrzaniu przez promienie
słoneczne (ze względów praktycznych w doświadczeniu została użyta żarówka), a na jego miejsce
przez otwór w wykonany w pobliżu dna butelki dostaje się kolejna porcja zimnego powietrza.
Znacznie nagrzanie powietrza w butelce, uzyskano na skutek pomalowania jej ścianek na czarno.
Silniejsza absorpcja światła na powierzchniach ciemnych sprawia, że ogrzewają się one szybciej.
Dodatkowo, powietrze docierając do zwężającego się wylotu, zwiększa swoją prędkość. W efekcie
wiatraczek się obraca.
DOŚWIADCZENIE 2. – Balon z worka foliowego
Zjawisko konwekcji w prosty sposób obrazuje także doświadczenie nr 2 z balonem z worka
foliowego. Na skutek ogrzania powietrza wewnątrz worka foliowego nad palnikiem gazowym po
zwolnieniu z uwięzi ulatuje on w górę. Zachodzi zjawisko konwekcji (opisane powyżej).
DOŚWIADCZENIE 3. – Młynek świetlny /Młynek Crookesa/
Obserwacja: Po oświetleniu wiatraczka znajdującego się w szklanym słoiku wypełnionym
rozrzedzonym powietrzem (w celu zmniejszenia oporów ruchu), wiatraczek obraca się.
Wnioski: Oznacza to, że światło niesie energię. Różnica temperatur jasnych i czarnych łopatek
wiatraczka sprawia, że cząsteczki powietrza zderzając się z ich powierzchnią, przekazują inny pęd
czarnej stronie, a inny białej. Zwiększony z jednej strony pęd wprawia wiatrak w ruch.
Interpretacja fizyczna: Światło odbija się od jasnych /białych lub posrebrzanych) powierzchni
łopatek wiatraczka, podczas gdy czarne pochłaniają je, absorbują (dlatego w gorące i słoneczne dni
chętniej zakładamy jasne ubrania). Silniejsza absorpcja światła na powierzchniach ciemnych sprawia,
że ogrzewają się one szybciej, a tym samym gaz znajdujący się w bezpośrednim z nimi kontakcie.
W ten sposób temperatura czarnych stron łopatek wzrasta w stosunku do stron białych.
Z kinetycznej teorii gazów wiadomo, że średnia energia kinetyczna cząsteczki wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury: kiedy molekuły gazu uderzają w powierzchnie czarne, odbijają się z większą
prędkością, niż uderzając w powierzchnie białe. Cieplejsze (szybsze) cząsteczki gazu znajdujące się
po ciemnej stronie łopatki uderzają w nią zatem z większą energią niż te po stronie białej.
Zgodnie z zasadą reakcji pęd przekazany przez cząsteczki gazu czarnym stronom łopatek jest większy
niż przekazany stronom jasnym. Ten niesymetryczny przekaz pędu cząsteczek gazu po obu stronach
łopatek powoduje obrót wiatraczka.
Treści uzupełniające: Osborne Reynolds i James Clerk Maxwell wyjaśnili szczegółowo to zjawisko.
Przyczyną obrotów wiatraczka (w kierunku zgodnym z kierunkiem padania światła na czarną
powierzchnię) jest różne nagrzewanie się powierzchni jasnej i ciemnej na skutek absorpcji
promieniowania. Czarna powierzchnia nagrzewa się silniej i powoduje wzrost temperatury gazu
znajdującego się w jej pobliżu. Rozgrzany gaz przepływa od zimnej strony skrzydła (srebrnej) do
ciepłej (czarnej). Ten ruch powoduje różnicę ciśnień z obu stron skrzydła i ruch wiatraczka. Reynolds
sprawdził to również, gdy skrzydła wiatraczka wykonane były z materiału porowatego –
przepuszczalnego dla gazu. To samo zjawiska zachodzi jednak również w przypadku litej substancji –
wówczas przepływ powietrza zachodzi nie porami, tylko na krawędzi skrzydła. Dodatkowym
argumentem przemawiającym za takim tłumaczeniem jest to, że zmniejszenie ciśnienia powietrza
w bańce radiometru poniżej pewnego progu (około 10–4 Pa), powoduje zanik zjawiska – wiatraczek
5
przestaje się obracać. Gdyby przyczyną obrotów było ciśnienie promieniowania, wówczas
zmniejszanie ciśnienia, aż do próżni, powinno powodować zmniejszanie oporów powietrza i coraz
lepsze działanie radiometru.
Z drugiej strony okazuje się, że wzrost ciśnienia powoduje wzrost oporu aerodynamicznego, który
również prowadzi do zatrzymania wiatraczka. Dzieje się tak, gdy ciśnienie wzrośnie powyżej 1 Pa.
William Crookes, początkowo błędnie zinterpretował ruch wykonanego wiatraczka, sugerując, ze
jest on bezpośrednim wynikiem przekazu pędu niesionego przez fotony (cząstki światła). Uważał, że
skoro od posrebrzonej powierzchni światło odbija się, natomiast przez czarną jest pochłaniane, to
stąd wynika różnica w wywieranym ciśnieniu. Według niego wiatraczek kręcił się na skutek ciśnienia
wywieranego przez światło, co okazało się nieprawdą. Gdyby tak rzeczywiście było, skoro fotony
przekazują posrebrzonej powierzchni większy pęd niż czarnej, to wiatraczek powinien obracać się
w kierunku zgodnym z kierunkiem padania światła na posrebrzoną powierzchnię, czyli czarną stroną
do przodu. Jednak okazuje się, że wiatraczek kręci się w odwrotną stronę.
5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska:
Zjawisko konwekcji w praktyce: kominowa elektrownia słoneczna; balony na rozgrzane powietrze
(już pod koniec XVIII w. ludzie zaczęli wykorzystywać konwekcję do transportowania ludzi. Powstały
wówczas we Francji tzw. montgolfiery, czyli pierwsze pasażerskie balony na ogrzane powietrze. Były
one zbudowane z papieru, płótna lub jedwabiu, a powietrze nagrzewano za pomocą paleniska
znajdującego się w koszu balonu).; piece konwekcyjne; ogrzewanie mieszkań, łaźni rzymskich;
wznoszenie szybowców; konstruowanie materiałów izolacyjnych (występują w nich przestrzenie
wypełnione powietrzem o tak obliczonej objętości by zjawisko konwekcji nie zachodziło wyjaśnienie: Każda konwekcja wynika z istnienia prądu konwekcyjnego.
Prądy konwekcyjne tworzą zamknięte pętle tzw. komórki konwekcyjne. Komórka konwekcyjna ma
pewne minimalne rozmiary. Jeżeli objętość, w której znajduje się płyn/gaz, jest mniejsza od
minimalnego rozmiaru komórki konwekcyjnej, wówczas prąd konwekcyjny nie powstaje i zjawisko
konwekcji nie zachodzi, co jest pożądane w materiałach izolacyjnych.
Zjawisko absorpcji w praktyce: wykorzystywane jest w radiometrach - urządzeniach rejestrujących
intensywność światła (promieniowania elektromagnetycznego, radiacji elektromagnetycznej,)
danego zakresu długości fal w dowolnej części spektrum elektromagnetycznego; stosowane
w meteorologii i oceanografii oraz w badaniach kosmicznych (sondy, satelity).
6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień
Imre Tarjan - „Fizyka dla przyrodników” PWN Warszawa 1975
Fizyka i Astronomia dla gimnazjum, Nowa Era, G. Francuz-Ornat, T. Kulawik, M. Nawotny-Różańska
- http://www.apsl.edu.pl/zabawki/new/files/termo/crooks.html
- http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/zabawki1/files/termo/crooks_big-pl.html
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Radiometr_Crookesa
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Konwekcja
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Balon_na_ogrzane_powietrze
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Komin_s%C5%82oneczny
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Alternatywne_%C5%BAr%C3%B3d%C5%82o_energii
7. Potwierdzenie nauczyciela
Potwierdzam, że praca jest autentyczna i samodzielnie wykonana przez zespół uczniów.
Imię i nazwisko nauczyciela – Beata Krzan.