26.05.2009r.
DOŚWIADCZENIA Z WYKORZYSTANIEM STOLIKA Z PODUSZKĄ POWIETRZNĄ
Doświadczenia z tej kategorii pozwoliły poznać sposób pokazywania zjawisk z zakresu termodynamiki, elektryczności i fizyki atomu przy pomocy stolika z poduszką powietrzną. Przede wszystkim pozwoliły nam zapoznać się ze sposobem obsługiwania tego stolika.
Doświadczenia te wyglądały następująco:
DOŚWIADCZENIE 1
Wypoziomować stolik przy pomocy poziomicy i sprawdzić jego działanie w warunkach ruchu krążków na poduszce powietrznej.
Przebieg doświadczenia:
Na początku, wypoziomowałyśmy stolik. Następnie położyłyśmy na niego kilka krążków różniących się między sobą wielkością, masą i kolorem. Włączyłyśmy dmuchawę i obserwowałyśmy ruch krążków.
Obserwacje:
Krążki poruszały się bardzo różnie. Duże wolniej, mniejsze szybciej. Niektóre miały w sobie magnesy, dzięki czemu odpychały się lub „sklejały” z innymi. Pojedyncze krążki nie zatrzymywały się nigdy, natomiast te, które stworzyły dosyć duże bryły, po przyciągnięciu do siebie innych stały w miejscu, wykonując jakby minimalne drgania.
Wnioski:
Na wszystkie krążki działało powietrze wydmuchiwane przez małe dziurki na stoliku. Zatem oczywiste jest, że małe krążki, które są lżejsze łatwiej jest poruszyć, natomiast te duże (które są również i cięższe) poruszyć jest trudnej. Tym bardziej, najtrudniej jest poruszyć „krążki sklejone”.
DOŚWIADCZENIE 2
Wykonać doświadczenia zaproponowane do realizacji wg. instrukcji do przyrządu dotyczącej modelowania:
zjawisk z zakresu termodynamiki.
PRĘDKOŚĆ ŚREDNIA CZĄSTECZEK:
Średnia prędkość cząsteczek jest związana ze średnią prędkością każdej z cząsteczek osobno. Najwięcej cząsteczek ma prędkości zbliżone wartością do wartości prędkości średniej, a tylko niektóre mają prędkości bardzo duże lub bardzo małe. Średnia prędkość cząsteczek jest również związana z ruchem cząsteczek przez dłuższy czas.
Przebieg doświadczenia:
Na stoliku z poduszką powietrzną umieściłyśmy 7 krążków jednego koloru i 1 w innym kolorze. Krążki wprawiamy w ruch ręką, każdy po kolei. Obserwujemy ich ruchu przez pewien czas.
Obserwacje:
Każdy krążek porusza się z prędkością zmienną. Krążki nabierają różnych prędkości. Jednak najwięcej porusza się pewną średnią prędkością. Dotyczy to również krążka o odmiennej barwie. Prędkości cząstek często zmieniają się po ich wzajemnym zderzeniu.
Wnioski:
Potwierdza się hipoteza, że najwięcej cząsteczek porusza się prędkością zbliżoną do średniej prędkości cząstek oraz, że istnieją takie cząstki, które poruszają się szybciej lub wolniej. Poza tym okazuje się, że cząsteczki nie poruszają się ciągle ze stałą prędkością, ale zmienną. Prędkości cząsteczek zmieniają się najczęściej po ich wzajemnych zderzeniach, ponieważ wtedy działa zasada zachowania pędu, według której pęd obydwu ze zderzających się cząstek wyrównuje się.
ROZCHODZENIE I MIESZANIE SIĘ GAZÓW:
Cząsteczki gazu będą zajmowały zawsze całą dostępną im objętość.
Przebieg doświadczenia:
Powierzchnię stolika z poduszką powietrzną podzieliłyśmy na dwie połowy. Najpierw na jednej połowie ułożyłyśmy krążki jednego koloru, natomiast na drugiej, 5 krążków w innym kolorze. Następnie usunęłyśmy barierę i obserwowałyśmy zachowane się krążków.
Później wykonałyśmy drugą część doświadczenia, która polegała na ułożeniu 5 krążków w różnych kolorach na jednej połowie, drugą pozostawiając pustą.
Obserwacje:
Po wyjęciu bariery dzielącej stolik na dwie połowy, w pierwsze części doświadczenia, obserwujemy, jak krążki zaczynają się mieszać, aż po pewnej chwili krążki obydwu kolorów poruszają się równomiernie po całym stoliku.
Natomiast w drugiej części doświadczenia, krążki po wyjęciu bariery, zaczynają zajmować całą przestrzeń stolika. Występują one tutaj rzadziej.
Wnioski:
Jeżeli w usuniemy barierę, która znajduję się na styku dwóch różnych gazów, to ulegną one dyfuzji, czyli całkowicie się wymieszają. Dzieje się tak dlatego, że zarówno cząsteczki pierwszego z tych gazów, jak i tego drugiego próbują zając całą dostępną im objętość, a gdy to osiągną, to obydwa z obserwowanych gazów będą zajmować całą tą przestrzeń równomiernie. Widać, że zarówno przed jak i po usunięciu bariery, gęstość gazu nie zmienia się. Dzieje się tak dlatego, że gęstość jednego i drugiego gazu były równe. Gdyby gęstości gazów przed zmieszaniem były różne, to gaz powstały w wyniku zmieszania się takich gazów miałby gęstość pośrednią między jednym, a drugim gazem. Ważną rolę odgrywałyby wtedy ilości zarówno pierwszego jak i drugiego gazu.
Druga część doświadczenia obrazuje jak jeden gaz mieszanina kilku gazów zawsze dążą do wypełnienia całej dostępnej im przestrzeni. Jeżeli daną ilość cząsteczek gazu umieścimy na pewnej przestrzeni, a później zwiększymy dostępną przestrzeń, to cząsteczki będą dążyły do wypełnienia również tej większej przestrzeni, ale cząsteczki będą tam występować w większym rozrzedzeniu.
ZALEŻNOŚĆ PRĘDKOŚCI DYFUZJI OD TEMPERATURY GAZU:
Szybkość dyfuzji zależy od prędkości średniej cząsteczek gazu, które jej ulegają.
Przebieg doświadczenia:
Powierzchnię stolika z poduszką powietrzną podzieliłyśmy na dwie połowy. Na jednej z nich położyłyśmy 5 krążków jednej barwy, a na drugiej 5 różnobarwnych krążków. Następnie ustaliłyśmy mały przepływ powietrza z dmuchawy i usunęłyśmy barierę dzielącą stolik na dwie części. Obserwowałyśmy ruchy krążków.
W drugiej części doświadczenia, ponownie podzieliłyśmy powierzchnię stolika na dwie równe części, na jednej części położyłyśmy 5 jednakowych krążków a na drugiej 5 różnobarwnych. Przepływ powietrza z dmuchawy ustawiłyśmy na maksimum i usunęłyśmy barierę ze środka. Obserwowałyśmy ruchy krążków.
Obserwacje:
W pierwszej części doświadczenia krążki poruszały się znacznie wolniej, niż w drugiej części, kiedy przepływ powietrza ustawiony był na maksimum. W wyniku tego czas potrzebny na całkowite wymieszanie się krążków w pierwszej części był znacznie dłuższy niż w części drugiej.
Wnioski:
Prędkość dyfuzji widocznie zależy od średniej prędkości gazów, które jej ulegają. Im większa średnia prędkość cząstek, tym gazy szybciej ulegają dyfuzji. Odwrotnie jest, gdy prędkość jest mała. Średnia prędkość cząsteczek jest miarą temperatury ciała. Z obserwacji wynika więc, że im wyższa temperatura gazów, tym szybciej ulegają one dyfuzji.
SPRĘŻANIEI ROZPRĘŻANIE GAZU:
Średnia prędkość cząsteczek gazu sprężonego jest większa niż średnia prędkość cząsteczek gazu rozprężonego.
Przebieg doświadczenia:
Powierzchnię stolika z poduszką powietrzną podzieliłyśmy w stosunku 3:1 barierą z uchwytem. Na większej części położyłyśmy kilka krążków. Następnie przesuwa-łyśmy ruchomą barierę zwiększając i zmniejszając powierzchnię stolika, po której po-ruszały się krążki. Obserwowałyśmy ruch tych krążków dla różnych ułożeń bariery.
Obserwacje:
Kiedy krążki mają mniejszą powierzchnie dostępną do poruszania się - poruszają się szybciej. Kiedy natomiast powierzchnię tę zwiększamy krążki zaczynają poruszać się wolniej. Po ponownym zmniejszeniu powierzchni krążki również zwiększają swoją prędkość.
Wnioski:
Gdy zwiększamy objętość gazu, czyli go rozprężamy, to średnia prędkość cząsteczek tego gazu maleje względem średniej prędkości początkowej. Oznacza to, że maleje temperatura tego gazu. Jeżeli natomiast zmniejszamy objętość gazu, czyli go sprężamy, to powodujemy zwiększenie średniej prędkości cząsteczek, co oznacza wzrost temperatury gazu. Wynika stąd, że gaz sprężony ma temperaturę większą od temperatury gazu przed sprężeniem, natomiast gaz rozprężony ma temperaturę niższą względem temperatury gazu przed rozprężeniem.
DYFUZJA GAZU PRZEZ OTWÓR:
Im dłużej trwa proces dyfuzji, tym większa ilość cząsteczek gazu ucieka przez szczelinę.
Przebieg doświadczenia:
Powierzchnię stolika z poduszką powietrzną podzieliłyśmy na dwie równe części barierą, która pozostawia szczelinę o długości większej kilkakrotnie niż średnica krążka. Po jednej stronie bariery umieściłyśmy 10 krążków, drugą pozostawiłyśmy pustą. Włączyłyśmy dmuchawę i obserwowałyśmy ruch krążków.
Obserwacje:
Krążki przemieszczają się przez szczelinę. Im dłużej je obserwujemy, tym większa jest ilość krążków, które przedostały się przez szczelinę w jedną lub drugą stronę.
Wnioski:
Ilość gazu przepływającego przez otwór podczas dyfuzji wzrasta wraz z czasem. Dyfuzja ta odbywa się w obydwie strony, z tym, że na początku gaz będzie przemieszczał się z pojemnika, w którym się znajduje, do pojemnika, w którym jest próżnia. Po pewnym czasie jednak, niektóre cząsteczki będą również przemieszczały się przez szczelinę w przeciwną stronę.
RUCHY BROWNA:
Większa cząstka, obserwowana pod mikroskopem porusza się po linii łamanej. Zmiany kierunku dokonują się pod wpływem zderzeń z niewidzialnymi cząstkami. Potwierdza to cząsteczkową budowę materii.
Przebieg doświadczenia:
Na stoliku z poduszką powietrzną położyłyśmy krążek wycięty z kartonu, a na nim ułożyłyśmy trzy krążki magnetyczne w trójkącie i jeden odwrócony na nich (ten krążek odwrócony musi przyciągać tamte trzy krążki, aby konstrukcja była w miarę stabilna). Na stoliku poza tym ułożyłyśmy 12 krążków. Włączamy dmuchawę, 12 krążków dodatkowo wprowadzamy w ruch ręka i obserwujemy ruchy naszej konstrukcji na kartonie.
Obserwacje:
Nasza duża cząstka poruszą się po linii łamanej, zderzając się z pojedynczymi krążkami.
Wnioski:
Większa cząstka faktycznie porusza się po linii łamanej z powodu zderzania się z mniejszymi, niewidocznymi pod mikroskopem cząstkami. Potwierdza to cząsteczkową budowę materii.
TEMPERATURA CIAŁ STAŁYCH. PROCES TOPNIENIA:
Temperatura ciała stałego jest miarą ruchu cząsteczek tego ciała wokół położeń równowagi. Jeżeli do ciała stałego doprowadzimy odpowiednią część energii to wzrośnie energia drgań poszczególnych cząsteczek i powstanie ciecz.
Przebieg doświadczenia:
Powierzchnię stolika z poduszką powietrzną podzieliłyśmy na dwie równe części. Na jednej połowie umieściłyśmy 18 krążków ułożonych w regularnych rzędach. Początkowo ustawiłyśmy minimalny przepływ powietrza z dmuchawy i obserwowałyśmy ruch krążków przez chwilę, a następnie stopniowo zwiększamy przepływ powietrza, aż do maksimum. Obserwujemy ruchy krążków.
Obserwacje:
Przy małym dopływie powietrza ruchy krążków są prawie niezauważalne. Drgają one tylko lekko. Gdy natomiast zwiększamy dopływ powietrza, zaczynają drgań coraz szybciej, aż w końcu całkowicie zostaje rozbity porządek ustawienia w regularnych rzędach. Krążki zaczynają poruszać się chaotycznie, zderzając się ze sobą nawzajem.
Wnioski:
Początkowo mamy ciało stałe, któremu dostarczamy coraz większe ilości energii. Widać że energia drgań poszczególnych cząsteczek jest wprost proporcjonalna do energii dostarczanej z otoczenia (w tym wypadku - coraz większy przepływ powietrza w dmuchawie). W momencie, kiedy zostaje rozbity porządek ułożenia cząstek w regularnych rzędach i zaczynają one poruszać się chaotycznie, powstaje ciecz, czyli nastąpił proces topnienia. Dostarczenie energii jest związane ze wzrostem szybkości drgań cząsteczek, a więc i ze wzrostem temperatury. Z naszych rozważań wynika zatem, że jeśli podniesiemy temperaturę ciała stałego dostatecznie wysoko, to ciało to ulegnie procesowi topnienia, a więc zamieni się e ciecz.
PAROWANIE CIECZY:
Cząsteczki cieczy, których energia przekroczy pewną wartość graniczną mogą opuścić ciecz poprzez powierzchnię.
Przebieg doświadczenia:
Stolik z poduszką powietrzną lekko nachyliłyśmy. Na połowę, która znajdowała się wyżej nałożyłyśmy przezroczystą płytę, na której brzegu nałożyłyśmy barierę magnetyczną. Na dolnej połowie ułożyłyśmy 18 krążków. W miejsce dolnej bariery brzegowej położyłyśmy barierę z uchwytem. Krążki wprawiałyśmy w ruch ręcznie przy pomocy tej właśnie dolnej bariery z uchwytem. Obserwowałyśmy ich ruchy.
Obserwacje:
Większość krążków po poruszaniu spada z powrotem na dół, ale niektóre wykonują ruch postępowy w górę, pokonując niekiedy nawet barierę magnetyczną nałożoną na płytę przezroczystą. Są to zazwyczaj krążki, które uzyskały większą prędkość.
Wnioski:
Bariera magnetyczna symuluje powierzchnię cieczy, której cząstki symulowane są przez 18 krążków. Wpływ grawitacji zrealizowany jest przez pochylenie stolika. Wprawiając krążki w ruch symulujemy dostarczanie energii, a więc również podnoszenie temperatury cieczy. Cząsteczki, które zdobędą wystarczającą ilość energii mogą pokonać barierę magnetyczną, czyli przejść przez powierzchnię cieczy i opuścić ją. Zjawisko to nazywamy parowaniem cieczy.
zjawisk z zakresu elektryczności.
ELEKTRON SWOBODNY:
Elektron swobodny, znajdujący się w polu elektrycznym doznaje odpowiednich przyspieszeń.
Przebieg doświadczenia:
Na powierzchni stolika umieściliśmy jeden krążek magnetyczny. Następnie stolik lekko pochyliłyśmy. Obserwowałyśmy ruch krążka.
Obserwacje:
Krążek porusza się z przyspieszeniem w dół, chociaż pole magnetyczne działa do góry.
Wnioski:
Krążek magnetyczny, symulujący elektron swobodny, porusza się w kierunku przeciwnym do działania pola magnetycznego. Zwrot linii pola magnetycznego jest zawsze od ładunku dodatniego do ładunku ujemnego, a elektron ma ładunek ujemny, więc jest przyciągany przez ładunek dodatni. Zatem nie porusza się zgodnie ze zwrotem linii pola magnetycznego, czyli od ładunków dodatnich w stronę ładunków ujemnych, ale jest odpychany od ładunków ujemnych i porusza się w stronę ładunków dodatnich.
REZYSTANCJA ELEKTRYCZNA:
Elektron wewnątrz siatki krystalicznej porusza się zawsze z pewną średnią stałą prędkością.
Przebieg zjawiska:
Na powierzchnię stolika z poduszką powietrzną położyłyśmy siatkę dynamiczną złożoną z magnesów przyczepionych sprężynkami do płyty przezroczystej. Pochyliłyśmy lekko stolik i zdławiłyśmy przepływ powietrza, a następnie puszczałyśmy kilkakrotnie krążek magnetyczny. Obserwowałyśmy ruch krążka oraz zmieniające się drgania magnesów na siatce dynamicznej.
Obserwacje:
Krążek porusza się w dół stolika, zderzając się po drodze z magnesami siatki dynamicznej. Powoduje to zwiększone drgania tych magnesów. Poza tym między dwoma zderzeniami krążek zostaje przyspieszany przez nachylenie stolika. Oddaje jednak zdobyte przyspieszenie kolejnym drgającym krążkom siatki dynamicznej.
Wnioski:
Elektron zostaje stale przyspieszany przez pole magnetyczne. Jednak odpowiednie porcje przyspieszenia oddaje cząsteczkom metalu, w którym się porusza, zwiększając energię ich drgań. W wyniku tego krążek porusza się z pewną stałą prędkością przebywając pewien kawałek metalu.
Napotykane przeszkody, czyli magnesy siatki dynamicznej, a w rzeczywistości cząsteczki metalu, symulują opór elektryczny. W materiale, przez który przebywa elektron swobodny, cząsteczki zaczynają drgać szybciej po zderzaniu się z elektronem, czyli podnosi się temperatura takiego materiału. Czyli oporze elektrycznemu zawsze towarzyszy wydzielanie się pewnej porcji ciepła.
IZOLATORY:
Izolatory, w odróżnieniu od przewodników i półprzewodników, nie wykazują przewodności elektrycznej nawet w wysokich temperaturach.
Przebieg doświadczenia:
Na stolik z poduszką powietrzną położyłyśmy naszą siatkę dynamiczną. Pod magnesy tej siatki przyczepiłyśmy krążki magnetyczne. Stolik pochylamy coraz bardziej, a magnesy siatki dynamicznej wprawiamy w drgania o rozmaitej sile. Obserwujemy ruchy krążków.
Obserwacje:
Krążki nie opuszczają swych miejsc, niezależnie czy pochylenie stolika jest małe czy duże i czy magnesy siatki dynamicznej drgają słabo czy mocno.
Wnioski:
Nachylenie stolika symuluje przyłożone napięcie. Im większe nachylenie tym większe napięcie. Siła drgań magnesów siatki dynamicznej symuluje temperaturę izolatora. Mocniejsze drgania odpowiadają wyższej temperaturze. Jak widać, w izolatorze nie uwalniają się elektrony swobodne, nawet jeśli przyłożymy wysokie napięcie i nawet jeśli znacznie zwiększymy temperaturę. Oznacza to, że w izolatorze nie ma szansy popłynąć prąd.
zjawisk z zakresu fizyki atomu.
MODEL BUDOWY ATOMU BOHRA:
Według modelu atomu Bohra, elektron porusza się wokół jądra po orbitach kołowych, przy czym czas obiegu dłuższej orbity jest dłuższy niż czas obiegu tej krótszej.
Przebieg doświadczenia:
Na stoliku z poduszką powietrzną położyłyśmy bezpośrednio jeden krążek. W prowadnice wsunęłyśmy przezroczystą płytę, na którą położyłyśmy krążek w innym kolorze. Włączyłyśmy dmuchawę i obserwowałyśmy ruch krążka pod przezroczystą płytą.
Obserwacje:
Krążek porusza się swobodnie po stoliku z poduszką powietrzną dopóki nie zbliży się na małą odległość od krążka leżącego na przezroczystej płycie. Wtedy staje w miejscu i już się nie porusza, nawet po dłuższej chwili. Chyba, że samodzielnie go przesuniemy.
Wnioski:
Krążek pod płytą przezroczystą (elektron) zatrzymuje się w polu działania krążka na tej płycie (jądra). Jego ruch przed zatrzymaniem był dosyć chaotyczny, więc nie można stwierdzić, czy był to ruch po okręgu, a tym bardziej czy czas zależał od promienia tego okręgu. W doświadczeniu tym, nie jest więc dany dokładny obraz modelu atomu Bohra.
Przy pomocy stolika z poduszką można również obrazować wiele innych zjawisk z zakresu termodynamiki, elektryczności oraz fizyki atomu. Niektóre te zjawiska są bardzo ładnie widoczne dzięki tego typu doświadczeniom, ale tłumaczenie założeń niektórych zjawisk przerasta łatwość ich zobrazowania, przez co czasami nie warto takich zjawisk pokazywać tym sposobem, aby nie utrudniać zrozumienia uczniom. Mimo wszystko stolik z poduszką powietrzną okazuje się bardzo przydatny w tłumaczeniu wielu doświadczeń.
- 7 -