Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) 1

Transcript

1 Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) Δραστηριότητα 1 Θα παρακολουθήσετε ένα video με αφήγηση ή θα ακούσετε μια ιστορία από το δάσκαλό σας για τον Joule και τη συμβουλή του στον υπολογισμό του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας. Να γράψετε τα σημαντικότερα σημεία της ιστορίας, κατά την άποψή σας, και να τα συζητήσετε στην ομάδα σας. (Ενδεικτικά, σημαντικά σημεία της ιστορίας: η πειραματική διάταξη που κατασκεύασε ο Joule, η διαδικασία του πειράματός του, οι δυσκολίες που αντιμετώπισε στην πραγματοποίηση της έρευνάς του, οι προϋποθέσεις που συνέβαλαν στην υλοποίηση του πειράματός του, κ.ά). Α. Β. Μια απλουστευμένη εικονική αναπαράσταση της πειραματικής συσκευής του Joule, μπορείτε να βρείτε στην παρακάτω ιστοσελίδα: Ποια είναι τα κύρια μέρη αυτής της συσκευής; Δραστηριότητα 2 Να παρακολουθήσετε το video που παρουσιάζει τη συσκευή που κατασκεύασε για τα πειράματά του ο Joule. (διαθέσιμο και στην ιστοσελίδα: ). Συνδυάζοντας τα στοιχεία της αφήγησης που παρακολουθήσατε και το βίντεο στο οποίο παρουσιάζεται η λειτουργία της συσκευής, να απαντήσετε στα ακόλουθα ερωτήματα: 1. Ποιες μετρήσεις μεγεθών λαμβάνονται στο πείραμα; Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) 1

2 2. Σε ποιες στιγμές μετριέται η θερμοκρασία του νερού στο θερμιδόμετρο; 3. Ποια άλλη μέτρηση θερμοκρασίας, εκτός από τη θερμοκρασία του νερού γίνεται; Μπορείτε να εντοπίσετε το λόγο; Δραστηριότητα 3 Mε βάση την ιστοσελίδα: η οποία αφορά το πείραμα του Joule, να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα για τις τιμές του ύψους πτώσης των μαζών και την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο του πειράματος. Να επιλέξετε συνολική μάζα 10 lbs και να την αφήσετε να πέσει 5, 10, 20 φορές από το ύψος h =1m. Για τη διευκόλυνσή σας, οι προτάσεις που αναφέρονται στην ιστοσελίδα, σχετικά με το πείραμα Joule, μεταφράζονται ως εξής: 1. You have selected a mass of 10 lbs and let it drop 5 times. The temperature increase in the water was 0,055 degrees Fahrenheit ( ο F). Μετάφραση: Έχετε επιλέξει μάζα 10 lbs και την αφήσατε να πέσει 5 φορές. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού ήταν 0,055 βαθμούς Fahrenheit ( ο F). 2. You have selected a mass of 10 lbs and let it drop 10 times. The temperature increase in the water was 0,109 degrees o F. Μετάφραση: Έχετε επιλέξει μια μάζα 10 lbs και την αφήσατε να πέσει 10 φορές. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού ήταν 0,109 βαθμούς o F. 3.You have selected a mass of 10 lbs and let it drop 20 times. The temperature increase in the water was 0,209 degrees o F. Μετάφραση: Έχετε επιλέξει μια μάζα 10 lbs και την αφήσατε να πέσει 20 φορές. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού ήταν 0,209 βαθμούς o F. Να μεταφέρετε τα στοιχεία από τις περιγραφές στον παρακάτω πίνακα 1. 2 Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια)

3 Συνολικό ύψος που κατεβαίνουν τα βάρη 5m 10 m 10 m Πίνακας 1 Διαφορά θερμοκρασίας σε o F Διαφορά θερμοκρασίας σε o C Για να μετατρέψετε τη διαφορά θερμοκρασίας από o F σε o C και να συμπληρώσετε την 3η στήλη o o 5 του πίνακα 1, χρησιμοποίησε τον τύπο ( C) ( F). 9 Με βάση τα δεδομένα στην 1η και την 3η στήλη, τι συμπεραίνετε για τη σχέση του ύψους που αφήνονται να κατέβουν τα σώματα και την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού; Δραστηριότητα 4 Η σχέση W = m. g. h υπολογίζει το έργο που παράγεται με την πτώση ενός σώματος μάζας m. Η μάζα μετριέται σε kg, η επιτάχυνση της βαρύτητας g είναι κατά προσέγγιση 9,81m/sec 2 και h το σταθερό ύψος της πτώσης που μετριέται σε m. Με τη βοήθειά της σχέσης αυτής να υπολογίσετε το έργο που έγινε κατά την κάθοδο των βαρών της συσκευής. Η θερμότητα που αναπτύχθηκε στον κύλινδρο με τα μεταλλικά πτερύγια που περιέχει νερό, υπολογίζεται με μια πολύπλοκη διαδικασία, μέσω της σχέσης Q = C θ. Δθ. Το Q μετριέται σε θερμίδες (cal), το Δθ είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού και μετριέται σε βαθμούς Κελσίου ( o C) και C θ είναι η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου με το νερό και τα περιστρεφόμενα πτερύγια. Για ένα θερμιδόμετρο όπως αυτό που φαίνεται στο βίντεο, το C θ δεχόμαστε ότι έχει τιμή 1814 cal/ o C. Με βάση τις τιμές του Πίνακα 1 και σύμφωνα με τις παραπάνω σχέσεις, να υπολογίσετε τις τιμές των W και Q και το πηλίκο Q/W για κάθε μέτρηση στο πείραμα του βίντεο και να συμπληρώσετε τον Πίνακα 2. Πίνακας 2 W = mgh Q= CθΔθ W/Q W 1={(10/2,2).9,81.5} joule =222,95 joule Q 1=1814.0,031 cal =56.23 W 1/Q 1 =3.96 W 2= joule Q 2=.. cal W 2 /Q 2 = Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) 3

4 W 3=. joule Q 3= cal W 3/Q 3 Για τους υπολογισμούς δεχτείτε ότι η μάζα m=10lbs ισούται με (10/2,2) Kg Τι παρατηρείτε σε σχέση με τις τιμές του πηλίκου Q/W. Δραστηριότητα 5 Με την εξέλιξη της επιστήμης χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές πειραματικές διατάξεις, νέες μέθοδοι και υπολογίστηκε με μεγαλύτερη ακρίβεια η σχέση έργου και θερμότητας: Joule W a Q 4, 2 ή cal 1 1 Q W 0, 24 a a cal Joule Πόσο διαφέρουν οι τιμές Q W που υπολογίσατε στον πίνακα 2 από την τιμή 0,24 Joule/cal; Σε ποιες αιτίες μπορείτε να αποδώσετε αυτές τις διαφορές; Δραστηριότητα 6 Στο αρχείο της Royal Society της Αγγλίας υπάρχουν τα τεύχη του περιοδικού Philosophical Transactions στα οποία δημοσιεύτηκαν τα άρθρα του Joule σχετικά με τον υπολογισμό του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας. 4 Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια)

5 1ο Άρθρο Μετάφραση Η θερμότητα είναι μια πολύ γρήγορη διέγερση των ανεπαίσθητων μερών του υλικού που μας δημιουργεί το αίσθημα εξ αιτίας του οποίου το αποκαλούμε ζεστό σώμα. Έτσι αυτό που για τις αισθήσεις μας είναι θερμότητα, για το σώμα δεν είναι τίποτα περισσότερο παρά κίνηση (Locke). Η δύναμη 1 ενός κινούμενου σώματος είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητάς του, ή του ύψους στο οποίο θα μπορούσε να ανέλθει ενάντια στη βαρύτητα (Leibnitz) Σύμφωνα με την υπόσχεση που είχα δώσει στην Βασιλική Κοινότητα πριν μερικά χρόνια, έχω την τιμή να παρουσιάσω τα αποτελέσματα των πειραμάτων που έχω κάνει προκειμένου να υπολογίσω με ακρίβεια το μηχανικό ανάλογο της θερμότητας. Θα αρχίσω την παρουσίαση 1 Έτσι ονόμαζαν τότε την κινητική ενέργεια. Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) 5

6 Μετάφραση 2ο Άρθρο Η Επιτροπή της Βρετανικής Ένωσης για τα Πρότυπα της Ηλεκτρικής Αντίστασης έχει κρίνει ως επιθυμητό να γίνει νέος προσδιορισμός του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας, μέσω της παρατήρησης των θερμικών αποτελεσμάτων ένεκα της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αντιστάσεις μετρημένες με τη μονάδα που προτείνουν. Τα πειράματα που έκανα με βάση της πρότασή της οδήγησαν σε ένα μεγαλύτερο αριθμό από εκείνον που είχα προσδιορίσει μελετώντας την τριβή στα υγρά. Να μελετήστε τα παραπάνω αποσπάσματα από τα άρθρα του Joule αξιοποιώντας τόσο τους τίτλους που δεν έχουν μεταφραστεί όσο και τα μεταφρασμένα τμήματα. Από τη σύγκριση των τίτλων και των αποσπασμάτων από τις δύο δημοσιεύσεις ποια συμπεράσματα μπορεί να προκύψουν σχετικά με: α. Το χρονικό διάστημα μεταξύ των δύο δημοσιεύσεων... β. Την επιστημονική γνώση που είχε στη διάθεσή του ο Joule στην πρώτη εργασία και αυτή που είχε στη δεύτερη... γ. Τη θέση του Joule στην επιστημονική κοινότητα, όπως φαίνεται από τους τίτλους που συνοδεύουν το όνομά του στις δύο δημοσιεύσεις... 6 Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια)

7 δ. Στην αρχή και των δύο άρθρων ο Joule αναφέρεται σε ομάδες επιστημόνων. Ποιες είναι αυτές και ποιος νομίζεις ότι θα ήταν ο ρόλος τους... Να συζητήσετε στην ομάδα και ετοιμάστε τις απαντήσεις για να τις παρουσιάσετε στη συζήτηση που θα ακολουθήσει στην τάξη. Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) γράφτηκαν από την Αικατερίνη Ριζάκη και τον Ιωάννη Βλάχο με την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Επιτροπής (Project LLP GR-COMENIUS-CMP) και του ΕΚΠΑ της Ελλάδος. Η δημοσίευση αυτή αντανακλά τις απόψεις των συγγραφέων και μόνον και η Επιτροπή δεν μπορεί να θεωρηθεί υπεύθυνη για οποιαδήποτε χρήση των πληροφοριών που αυτή περιέχει. Δραστηριότητες των μαθητών (Τζουλ (Joule) και ενέργεια) 7