ZJAWISKA CIEPLNE I NIE TYLKO

Zjawiska cieplne i nie tylko w doświadczeniach

Janina Miliszkiewicz

Poszukiwanie „rodków“, potrzebnych do wykonania doświadczeń fizycznych, pośród dostępnych na „miejscu“ przedmiotów i materiałów, często uruchamia głębokie warstwy naszej wyobraźni. Pracownicy Zakładu Dydaktyki Fizyki opolskiej Uczelni wytworzyli tradycję zarówno w zakresie wykorzystania przedmiotów i materiałów „codziennego użytku“ do doświadczeń fizycznych jak i poszerzenia możliwości wykorzystania już istniejących przyrządów fizycznych. Upowszechniają oni wyniki swoich osiągnięć zarówno w publikacjach np. [1], [2] jak i na zajęciach ze studentami przyszłymi nauczycielami np. [3], [4]. A oto kilka przykładów takich doświadczeń z zakresu:

1. Nietypowego wykorzystania rzutnika

Doświadczenie 1. 1. Pokaz sprężystego i niesprężystego wydłużenia drutu.

Pomoce: rzutnik, imadło, drut (do odkształcenia), bloczek, obciążniki, wskaźnik papierowy (konik), ekran, plastelina.

Wykonanie: Układ doświadczalny należy zmontować wg. rys. 1. 1.

rys. 1. 1.

Na jednym końcu stołu należy zamocować jeden koniec drutu (najlepiej miedzianego o długości około 3 m, f 1-2 mm), a drugi koniec przerzucić przez bloczek zamocowany na drugim końcu stołu. Wolny koniec drutu obciążyć niewielkim ciężarkiem w celu jego wygładzenia. Rzutnik umieścić na stole, w pobliżu bloczka tak aby fragment drutu znajdował się pomiędzy źródłem światła rzutnika a obiektywem (w miejscu slaidu). Na drut nałożyć wskaźnik papierowy (konik). Ostry obraz fragmentu drutu odwzorować na ekranie E, zaznaczając początkowe położenie papierowego wskaźnika. Tak przygotowany układ nadaje się do demonstracji zjawiska mechanicznego wydłużenia drutu. W tym celu należy do ciężarka, już wiszącego na drucie doczepić następne (dobrać doświadczalnie metodą prób), obserwując na ekranie zmiany położenia wskaźnika. Efektownie wygląda tzw. „płynięcie drutu“ a następnie zerwanie. Na tym etapie, jako obciążenia najlepiej użyć plasteliny. Doświadczenie należy zawsze wypróbować przed pokazaniem, gdyż występujące tu efekty, są bardzo zależne od rodzaju i parametrów drutu.

Wyjaśnienie: Omówione doświadczenie umożliwia zademonstrowanie całego przebiegu zależności rys. 1. 2.

Nie udało się zaobserwowaćw doświadczeniu przedziału CD

rys. 1. 2.

Doświadczenie 1. 2. Pokaz zjawiska formowania się kropli [2].

Pomoce: Rzutnik, szczelina, naczynie płasko równoległościenne, olej lub gliceryna, biureta z wodą, statyw, soczewka skupiająca, ekran.

rys. 2. 1.

Wykonanie: Koniec biurety umocowanej w statywie należy zanurzyć w oleju i ustalić taką prędkość wypływu wody z biurety, aby można było obserwować, gołym okiem zjawisko formowania się kropli rys. 2. 1.

Układ doświadczalny umożliwiający pokazanie zjawiska formowania się kropli większemu audytorium pokazuje rys. 2. 2.

Na ekranie obserwuje się (obraz odwrócony) powolne tworzenie się niewielkiej „gruszki“ z wody, która rośnie, następnie pojawia się przewężenie i wreszcie kropla odrywa się i opada „do góry“. Efektownie wygląda gromadzenie się tych kropel, które „wisząc“ mogą drgać gdy potrząśnie się naczyniem.

Wyjaśnienie: Powstawanie kropli świadczy o istnieniu sił spójności między cząsteczkami cieczy.

rys. 2. 2.

Doświadczenie 1. 3. „Spowolnienie“ przebiegu zjawisk obserwowanych za pomocą stroboskopu [2].

Pomoce: rzutnik, tarcza z otworami, wiertarka, soczewka o f 20 cm i ogniskowej 20 cm, ekran i drgające ciało, którego ruch chce się obserwować, np. kamerton, sprężyna, kapiąca kropla.

Wykonanie: Tarczę z otworami należy przymocować do wiertarki, którą łączy się ze źródłem napięcia sieciowego poprzez autotransformator, którym można regulować napięcie a przez to i częstość obrotów tarczy. Układ doświadczalny przedstawia rys. 3. 1.

rys. 3. 1.

Zamiast wiertarki można wykorzystać ręczny mikser. Z brystolu należy wyciąć krążek (tarczę) z otworami i osadzić na mieszadle miksera. Częstość obrotu tarczy można zmieniać skokowo przełącznikiem miksera lub płynnie za pomocą autotransformatora (jak opisano wyżej).

Wyjaśnienie: Gdy ciało drga bardzo szybko nie można zaobserwować poszczególnych faz tego ruchu. Stroboskop umożliwia pozorne spowolnienie ruchu a nawet pozorne zatrzymanie. Dzieje się tak dlatego, że poruszające się ciało oświetlone jest światłem impulsowym (przerywanym) wobec czego obserwuje się nieciągłe (skokowe) fazy ruchu. Aby jednak oko nie zarejestrowało oddzielnych obrazów częstość impulsów światła nie może być mniejsza niż 4 obroty na sekundę (tę zasadę wykorzystuje się w kinie).

2. Nietypowe wykorzystanie naczynia kalorymetrycznego.

Doświadczenie 2. 1. Zasada zachowania ładunku w zjawisku elektryzowania przez tarcie.

Pomoce: naczynie kalorymetryczne, elektroskop, krążek metalowy z tulejką, laska ebonitowa i laska ze szkła organicznego.

Wykonanie: Układ doświadczalny przedstawia rys. 2. 1. Podczas wykonywania czynności należy cały czas obserwować listki elektroskopu. Czynności najlepiej wykonywać w następującej kolejności:

rys. 2. 1.

1. Włożyć do naczynia niepotartą laskę ebonitową (listki nie wychylą się).

2. Wyjąć laskę ebonitową a włożyć szklaną (no i nic)

3. Włożyć obydwie laski (nie wychylają się).

Wniosek 1: laski są elektrycznie obojętne.

Następnie należy potrzeć jedną laskę o drugą i powtórzyć czynności jak wyżej.

Obserwacje powinny być następujące:

1. Gdy w naczyniu znajduje się laska ebonitowa listki wychylają się.

2. Gdy ją wyjmiemy listki opadają, ale po włożeniu laski szklanej znowu wychylają się.

3. Po dołożeniu do laski szklanej ponownie laski ebonitowej listki opadają.rys. 2. 1.

Wniosek 2: podczas tarcia lasek o siebie obie naelektryzowały się ładunkami różnoimiennymi, ale równymi co do wartości bezwzględnej.

Powyższy wniosek może potwierdzić dalsze doświadczenie wykonane w odwrotnej kolejności (wyjmując z naczynia jedną z lasek powoduje się znowu wychylenie listków).

Wyjaśnienie: Ładunek z lasek nie jest przekazywany na elektroskop przez przewodzenie tylko indukcyjnie.

rys. 2. 2.

Doświadczenie 2. 2. Elektryzowanie przez indukcję [2].

Pomoce: naczynie kalorymetryczne, laska winidurowa, szmatka wełniana.

Wykonanie: Naczynie należy położyć boczną ścianką na wypoziomowanym stole rys. 2. 2. i zbliżyć do niego naelektryzowaną przez tarcie laskę. Wystąpi wówczas toczenie się naczynia w kierunku laski.

Wyjaśnienie: Ruch naczynia wywołany jest naelektryzowaniem się przez indukcję naczynia w polu elektrycznym wytworzonym przez ładunki na lasce.

Doświadczenie 2. 3. Zmodyfikowane elektryzowanie przez indukcję [2].

rys. 2. 3.

Pomoce: Naczynie kalorymetryczne, laska winidurowa, pasek folii aluminiowej.

Wykonanie: Układ doświadczalny należy wykonać tak jak w doświadczeniu powyższym (Dośw. 2. 2.) z tą różnicą, że na stole należy położyć pasek uziemionej folii metalowej a na niej naczynie rys. 2. 3. Po zbliżeniu naelektryzowanej laski, naczynie także toczy się w stronę laski.

Wyjaśnienie: Podobnie jak wyżej.

3. Doświadczenia z zakresu zjawisk cieplnych.

Doświadczenie 3. 1. Wrzenie pod zmniejszonym ciśnieniem.

rys. 3. 1

Pomoce: słoiczek „twist“ z wodą, zlewka z wodą, w której może się zmieścić ‘twist“, palnik gazowy, siatka (azbestowa).

Wykonanie: Słoiczek z wodą należy włożyć do zlewki z wodą i doprowadzić do wrzenia rys. 3. 1. utrzymując ten stan przez kilka minut. Po wyjęciu słoiczka z tej gorącej kąpieli, przyłożyć do pokrywki metalowej mokrą zimną ściereczkę. Woda w słoiczku powinna zacząć wrzeć.

Wyjaśnienie: Pod wpływem przyłożenia zimnej ściereczki do pokrywki nastąpiło obniżenie się temperatury pary (i powietrza) nad cieczą w słoiku, wskutek czego obniżyło się ciśnienie. Mimo, że temperatura wody w słoiczku jest niższa niż 100 °C to przy tym obniżonym ciśnieniu zacznie wrzeć.

Uwaga: Doświadczenie to ma istotne znaczenie praktyczne (i po to zostało wymyślone). Pozwala bowiem na natychmiastowe wykrycie słoików, które „chwyciły“ podczas domowej pasteryzacji przetworów na zimę.

Doświadczenie 3. 2. Budowa i zasada działania prostych termoskopów [2].

Pomoce: erlenmajerki, kolbki, korki z otworem, rurki szklane proste i zgięte.

a) b) c) d)

rys. 3. 2.

Wykonanie: erlenmajerkę lub kolbkę zatkać należy szczelnie korkiem przez który przechodzi rurka szklana zamknięta kroplą cieczy rys. 3. 2. a, b, c, d.

Działanie oparte jest na zjawisku rozszerzalności cieplnej gazów lub cieczy rys. 3. 2. c.

Zaletą termoskopu jest to, że:

· mogą mieć duże rozmiary,

· wskazywane przez nich różnice temperatur są widoczne z dużych odległości;

· są łatwe w wykonaniu,

· wielkość i czułość może nauczyciel sam regulować w zależności od potrzeby

· mogą być zastosowane, zamiast termometrów., do wielu doświadczeń z zakresu zjawisk cieplnych.

Doświadczenie: 3. 3. Pokaz zjawiska odbicia i ogniskowania promieni podczerwonych [2].

Pomoce: termoskop, dwa paraboliczne zwierciadła metalowe, grzałka grzejna zasilana z sieci przez autotransformator.

Wykonanie: Zwierciadła należy umieścić w znacznej od siebie odległości około 2,5 m. W ognisku jednego z nich umocować na statywie grzałkę (rys. 3. 3.)

rys. 3. 3.

W ognisku drugiego zwierciadła należy umieścić termoskop. Po rozgrzaniu grzałki, niekoniecznie do czerwoności, zauważamy, że termoskop umieszczony w ognisku (warunek sine qua non) natychmiast zasygnalizuje wzrost temperatury.

Wyjaśnienie: Występujący efekt świadczy, że promienie cieplne odbijają się od zwierciadła drugiego i skupiają się w jego ognisku.

Doświadczenie 3. 4. Pokaz absorpcji i emisji promieni podczerwonych [2].

Pomoce: dwa identyczne termoskopy, puszka po konserwie, której połowę ścianki wewnętrznej trzeba pomalować farbą czarną a drugą połowę pozostawić błyszczącą, świeczka.

Wykonanie: Jest zrozumiałe na podstawie rys. 3. 4.

rys. 3. 4.

Ażeby pokazać zależność emisji promieniowania cieplnego od rodzaju powierzchni należy połowę zewnętrznej puszki okopcić a drugą pozostawić błyszczącą. Dalej postąpić jak wyżej.

Bibliografia

1. Tokar, D., Tokar, B., Łabuz, P.: Zbiór zadań doświadczalnych z fizyki-kurs średni, WSiP, W-wa 1990r.

2. Tokar, D., Pędzisz, B., Tokar, B.: Doświadczenia z fizyki dla szkoły podstawowej, WSiP, W-wa 1990r.

3. Pędzisz, B., Tokar, D.: Przygotowanie i wykonywanie doświadczeń fizycznych, Pracownia dydaktyki fizyki 1, Wydawnictwo Skryptowe WSP, Opole 1988r.

4. Pędzisz, B.: Wykorzystanie doświadczeń fizycznych w procesie nauczania-uczenia się fizyki, Skrypt dla studentów, WSP wyd. 2, Opole 1990r.

5. Miliszkiewicz, J.: Elementy fizyki ciała stałego w szkole średniej w ujęciu semiprogramowanym, PWN, Warszawa-Wrocław 1983r.