Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 1

Transcript

1 ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Δραστηριότητα 4-1 Πείραμα Υλικά: λύχνος οινοπνεύματος νερό θερμόμετρο κωνική φιάλη Εικόνα 4-1 Μέθοδος 1. Σε μια κωνική φιάλη να βάλετε 50 ml νερό από τη βρύση. Με ένα θερμόμετρο να μετρήσετε την αρχική του θερμοκρασία. 2. Να βάλετε στο δοχείο του λύχνου 10 ml οινόπνευμα (να χρησιμοποιήσετε έναν ογκομετρικό σωλήνα για να το μετρήσετε). 3. Να κρατήσετε την κωνική φιάλη με το νερό πάνω από τον λύχνο. 4. Να ανάψετε το φυτίλι του λύχνου και να το αφήσετε αναμμένο για περίπου τρία (3) λεπτά. Με το θερμόμετρο να μετρήσετε την τελική θερμοκρασία του νερού. 5. Να σβήσετε τον λύχνο και αφού τον αφήσετε να κρυώσει, να μετρήσετε τον όγκο του οινοπνεύματος που παρέμεινε στον λύχνο μετά το τέλος του πειράματος. 6. Να συμπληρώσετε τον πιο κάτω πίνακα με τις μετρήσεις του πειράματος. Πίνακας 4-1 Τελική Αύξηση Αρχική θερμοκρασία θερμοκρασίας θερμοκρασία νερού νερού νερού ε. Ερωτήσεις α) Ποιες αλλαγές συνέβηκαν στο νερό κατά τη διάρκεια του πειράματος; Οινόπνευμα που χρησιμοποιήθηκ β) Τι συντηρούσε τη φλόγα του λύχνου; Σε ποιες παρατηρήσεις του πειράματος στηρίζετε την άποψή σας; γ) Τι προκάλεσε τη θέρμανση του νερού; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 1

2 «Η ενέργεια που περικλείεται στο οινόπνευμα λέγεται χημική ενέργεια. Με την καύση του οινοπνεύματος η χημική ενέργεια που απελευθερώνεται μεταφέρεται στο νερό, προκαλώντας σε αυτό αλλαγή στη θερμοκρασία του. Η ενέργεια που μεταφέρεται στο νερό ονομάζεται θερμότητα». Γενικά για την ενέργεια «Για να μπορέσουν οι επιστήμονες να εξηγήσουν όλες τις αλλαγές που παρατηρούν με τον ίδιο τρόπο, κατασκεύασαν μια θεωρία. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, υπάρχει «κάτι» το οποίο βρίσκεται αρχικά αποθηκευμένο σε κάποιο σώμα. Αυτό το «κάτι», ονομάζεται ενέργεια. Όταν ελευθερωθεί η ενέργεια από ένα σώμα, μεταφέρεται σε άλλα σώματα με τα οποία αλληλεπιδρά προκαλώντας σε αυτά αλλαγές». Η ενέργεια είναι μια έννοια της Φυσικής που δεν μπορεί να οριστεί εύκολα. Μπορεί όμως να περιγραφεί με βάση τα αποτελέσματα που προκαλεί η μεταφορά της προς ένα σώμα. Στο προηγούμενο παράδειγμα η μεταφορά ενέργειας (θερμότητας) στο νερό προκάλεσε θέ ή Στα πειράματα που ακολουθούν θα μελετήσετε ποιες αλλαγές μπορεί να προκαλέσει η μεταφορά ενέργειας σε ένα σώμα, ποιες μορφές παίρνει και σε ποιες μορφές μετατρέπεται σε κάθε περίπτωση. Δραστηριότητα 4-2 Να συνδέσετε μια μπαταρία με έναν λαμπτήρα, όπως φαίνεται στο κύκλωμα της Εικόνας 4-2. α) Ποιες αλλαγές συμβαίνουν μετά τη σύνδεση της μπαταρίας με τον λαμπτήρα; β) Σε ποιο αντικείμενο μεταφέρεται ενέργεια; Πώς το ξέρετε; Εικόνα 4-2 γ) Πού νομίζετε ότι βρίσκεται αποθηκευμένη η ενέργεια, πριν γίνει η αλλαγή; «Η χημική ενέργεια που είναι αρχικά αποθηκευμένη στην μπαταρία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και μεταφέρεται στη λάμπα στην οποία προκαλούνται αλλαγές (η λάμπα φωτοβολεί). Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε φωτεινή ενέργεια και θερμότητα στη λάμπα». Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 2

3 Δραστηριότητα 4-3 Στη θέση της λάμπας του προηγούμενου πειράματος, να συνδέσετε έναν βομβητή (ηλεκτρικό κουδούνι). Τι συμβαίνει μετά τη σύνδεση; Εικόνα 4-3 «Η χημική ενέργεια που είναι αρχικά αποθηκευμένη στη μπαταρία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και μεταφέρεται στον βομβητή στον οποίο προκαλούνται αλλαγές (ηχεί). Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε ηχητική ενέργεια στον βομβητή». Δραστηριότητα 4-4 (πείραμα επίδειξης) Ρίχνουμε ένα αντικείμενο, π.χ. ένα σβηστήρι ή μια μπάλα, σε ένα φύλλο από αλουμινόχαρτο, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-4. α) Ποιες αλλαγές συμβαίνουν, όταν το αντικείμενο κτυπά στο αλουμινόχαρτο; β) Σε ποιο σώμα μεταφέρεται ενέργεια; Πώς το ξέρετε; Μπάλα Αλουμινόχαρτο Εικόνα 4-4 γ) Πού νομίζετε ότι βρισκόταν αποθηκευμένη η ενέργεια, πριν γίνει η πιο πάνω αλλαγή; «Σε όλα τα κινούμενα αντικείμενα υπάρχει αποθηκευμένη κινητική ενέργεια. Κατά τη διάρκεια του κτυπήματος του αντικειμένου στο φύλλο αλουμινόχαρτου, μεταφέρεται ενέργεια σε αυτό και προκαλούνται σε αυτό αλλαγές (το αλουμινόχαρτο σχίζεται ή τσαλακώνεται)». Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 3

4 Δραστηριότητα Να κρατήσετε ένα τσαλακωμένο χαρτάκι σε ένα λαστιχάκι (σφεντόνα) και να το τραβήξετε προς τα πίσω, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-5. α) Αφού στοχεύσετε την οροφή της τάξης σας, να αφήσετε το λαστιχάκι ελεύθερο. Ποιες αλλαγές συμβαίνουν; Εικόνα 4-5 β) Σε ποιο σώμα μεταφέρεται ενέργεια; Πώς το ξέρετε; γ) Πού νομίζετε ότι βρισκόταν αποθηκευμένη η ενέργεια, πριν γίνει η πιο πάνω αλλαγή; «Στο παραμορφωμένο (τεντωμένο) λαστιχάκι υπάρχει αποθηκευμένη δυναμική ενέργεια λόγω παραμόρφωσης. Όταν το παραμορφωμένο λαστιχάκι αφεθεί ελεύθερο, η ενέργεια που ήταν αποθηκευμένη σε αυτό, μεταφέρεται στο τσαλακωμένο χαρτάκι προκαλώντας σε αυτό αλλαγές (το χαρτάκι αρχίζει και κινείται). Η δυναμική ενέργεια λόγω παραμόρφωσης μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια». 2. Να παρακολουθήσετε την προσομοίωση που δείχνει την κίνηση ενός αυτοκινήτου, το οποίο είναι συνδεδεμένο με παραμορφωμένο ελατήριο. Εικόνα 4-6 α) Ποιες αλλαγές συμβαίνουν, όταν αφήνεται το αυτοκίνητο ελεύθερο; β) Ποιες μετατροπές ενέργειας συμβαίνουν; Δραστηριότητα 4-6 Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 4

5 Το μοντέλο ανεμογεννήτριας αποτελείται από έλικες και ένα μετατροπέα συνδεδεμένο με λαμπτήρα. α) Θέτουμε σε λειτουργία έναν στεγνωτήρα μαλλιών και τον κατευθύνουμε προς την ανεμογεννήτρια. Ποιες αλλαγές συμβαίνουν; β) Ποιες μετατροπές ενέργειας συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του πειράματος; Εικόνα 4-7 Δραστηριότητα 4-7 Το μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου αποτελείται από φωτοβολταϊκό πλαίσιο, λαμπτήρα και ηλεκτρικό μοτέρ. Συνδέουμε το φωτοβολταϊκό πλαίσιο με το ηλεκτρικό μοτέρ. α) Ανάβουμε τον λαμπτήρα και κατευθύνουμε το φως προς το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Ποιες αλλαγές συμβαίνουν; β) Ποιες μετατροπές ενέργειας συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του πειράματος; Εικόνα 4-8 Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 5

6 ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Δραστηριότητα 4-8: Η ανάγκη χρήσης θερμομέτρων στη μέτρηση της θερμοκρασίας. α) Να κρατήσετε βυθισμένο για λίγο χρόνο το αριστερό σας χέρι στη λεκάνη Α που περιέχει κρύο νερό από το ψυγείο και το δεξί σας στη λεκάνη Γ, που περιέχει ζεστό νερό. Ακολούθως, να βυθίσετε και τα δύο σας χέρια στη λεκάνη Β. Η αίσθηση για τη θερμοκρασία του νερού της λεκάνης Β σε κάθε χέρι, είναι ίδια ή διαφορετική; Α: Κρύο νερό Β: χλιαρό νερό Εικόνα 4-9 Γ: Ζεστό νερό β) Είναι αξιόπιστες οι αισθήσεις μας, για να πούμε αν ένα αντικείμενο είναι κρύο ή ζεστό; γ) Να βυθίσετε από ένα θερμόμετρο στις λεκάνες Α και Γ για 2 λεπτά. Ακολούθως, να βυθίσετε τα δύο θερμόμετρα μέσα στη λεκάνη Β για 2 λεπτά. Τι παρατηρείτε; Ιστορικό ένθετο 1592 ο Γαλιλαίος κατασκεύασε το πρώτο θερμόμετρο, το θερμοσκόπιο (Εικόνα 4-10), με το οποίο μπορούσε να κάνει σύγκριση ανάμεσα στο κρύο και στο ζεστό, χωρίς την ανθρώπινη αφή. Αργότερα, κατασκευάστηκαν πολλά είδη θερμομέτρων διαφορετικά σε σχήμα, μέγεθος, θερμομετρικό υλικό και κλίμακα μέτρησης. Εικόνα 4-10 Η πιο διαδομένη κλίμακα που χρησιμοποιούμε σήμερα είναι η κλίμακα Κελσίου (Celsius), όπου το μηδέν αντιστοιχεί στο σημείο τήξης του πάγου και το 100 στο σημείο βρασμού του νερού. Το Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 6

7 Δραστηριότητα 4-9: Μέτρηση θερμοκρασίας Να εκτιμήσετε τις θερμοκρασίες των πιο κάτω σωμάτων και μετά να τις μετρήσετε με τα αντίστοιχα θερμόμετρα. Πίνακας 4-2 Σώμα Ατμοσφαιρικός αέρας στην τάξη Νερό από ψυγείο Ανθρώπινο σώμα Θρανίο Ζεστό νερό Εκτίμηση θερμοκρασίας Είδος θερμομέτρου Οινοπνεύματος Οινοπνεύματος Υπέρυθρων ακτίνων Υπέρυθρων ακτίνων Αισθητήρας θερμοκρασίας Μέτρηση θερμοκρασίας Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 7

8 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΕΝΝΟΙΩΝ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Εισαγωγή Σε αυτό το φύλλο εργασίας θα μελετήσετε: τις έννοιες της θερμότητας, της θερμοκρασίας και της θερμικής ισορροπίας από ποιους παράγοντες εξαρτάται η αλλαγή της θερμοκρασίας ενός σώματος. Δραστηριότητα 4-10 Πείραμα Υλικά: λύχνος οινοπνεύματος νερό θερμόμετρο κωνική φιάλη χρονόμετρο Μέθοδος 1. Σε μια κωνική φιάλη να βάλετε 100 ml νερό από τη βρύση και να μετρήσετε τη θερμοκρασία του. 2. Να βάλετε στο δοχείο του λύχνου οινοπνεύματος 20 ml οινόπνευμα (να χρησιμοποιήσετε ογκομετρικό σωλήνα για να το μετρήσετε). 3. Να στερεώσετε την κωνική φιάλη με το νερό σε έναν ορθοστάτη πάνω από τον λύχνο, όπως φαίνεται στο πιο πάνω σχήμα. 4. Να ανάψετε το φυτίλι του λύχνου και ταυτόχρονα να θέσετε σε λειτουργία το χρονόμετρο. Όταν η θερμοκρασία του νερού φτάσει στους 60 0 C, να σταματήσετε το χρονόμετρο και να σβήσετε τον λύχνο. 5. Να μετρήσετε την ποσότητα του οινοπνεύματος που παρέμεινε στον λύχνο μετά το τέλος του πειράματος. Μετρήσεις Αρχική θερμοκρασία: Οινόπνευμα που χρησιμοποιήθηκε: Τελική θερμοκρασία:. Χρόνος θέρμανσης: Ερωτήσεις 1. Ποιες αλλαγές συνέβησαν στο νερό κατά τη διάρκεια του πειράματος; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 8

9 2. Τι συντηρούσε τη φλόγα του λύχνου; Σε ποιες παρατηρήσεις του πειράματος στηρίζετε την άποψή σας; Θερμότητα «Από την καύση του οινοπνεύματος, η χημική ενέργεια που είναι αρχικά αποθηκευμένη στο οινόπνευμα και στο οξυγόνο της ατμόσφαιρας απελευθερώνεται και μεταφέρεται στο νερό, στο οποίο προκαλούνται αλλαγές στη θερμοκρασία. Η ενέργεια που μεταφέρεται στο νερό ονομάζεται θερμότητα. Οι μονάδες μέτρησης της θερμότητας είναι το Τζουλ (Joule) και η θερμίδα (calorie)». 3. Να επαναλάβετε την ίδια μέθοδο για 200 ml νερό και να σημειώσετε τις μετρήσεις σας πιο κάτω: Μετρήσεις Αρχική θερμοκρασία:.. Οινόπνευμα που χρησιμοποιήθηκε:.. Τελική θερμοκρασία:.. Χρόνος θέρμανσης: Συζήτηση αποτελεσμάτων. 1. Σε ποια από τις δύο ποσότητες νερού αυξήθηκε πιο γρήγορα η θερμοκρασία στους 60 0 C; 2. Σε ποια από τις δύο ποσότητες νερού χρειάστηκε να μεταφερθεί περισσότερη θερμότητα, για να ζεσταθεί στους 60 0 C; Σε ποιες παρατηρήσεις του πειράματος στηρίζετε την άποψη σας; Δραστηριότητα 4-11 Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων της Δραστηριότητας 4-10, να συμπληρώσετε τις πιο κάτω προτάσεις. Όσο. (μεγαλύτερη/ μικρότερη) είναι η ποσότητα του νερού που ζεσταίνουμε τόσο πιο γρήγορα αυξάνεται η θερμοκρασία του. Όσο περισσότερη θερμότητα μεταφέρεται σε μια ποσότητα νερού, τόσο.. (μεγαλύτερη/ μικρότερη) είναι η αύξηση στη θερμοκρασία του. Για να αλλάξει η θερμοκρασία μιας μεγάλης ποσότητας νερού το ίδιο με τη θερμοκρασία μιας μικρής ποσότητας νερού, χρειάζεται να μεταφερθεί Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 9

10 (η ίδια/ περισσότερη/ λιγότερη). (θερμότητα/ θερμοκρασία). Με τα θερμόμετρα μετρούμε πόσο..ή.. είναι τα σώματα και όχι πόση θερμότητα μεταφέρεται σε αυτά. Ερώτηση Αξιολόγησης 1. Ζεσταίνουμε ένα μικρό μπρίκι με νερό και μια κατσαρόλα γεμάτη με νερό χρησιμοποιώντας την ίδια εστία θέρμανσης. Η θερμοκρασία και των δύο ποσοτήτων νερού αυξάνεται από τους 20 0 C στους 70 0 C. Εικόνα 4-11 α) Ποια από τις δύο ποσότητες νερού θα ζεσταθεί πιο γρήγορα; β) Σε ποια από τις δύο ποσότητες νερού χρειάζεται να μεταφερθεί περισσότερη θερμότητα; 2. Ζεσταίνουμε δύο όμοια μπρίκια γεμάτα με νερό αρχικής θερμοκρασίας 20 0 C. Η τελική θερμοκρασία του νερού στο πρώτο μπρίκι φτάνει στους 70 0 C, ενώ στο δεύτερο στους 40 0 C. Τελική θερμοκρασία 70 0 C Τελική θερμοκρασία 40 0 C Εικόνα 4-12 Σε ποια περίπτωση μεταφέρθηκε περισσότερη θερμότητα στο νερό; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 10

11 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ, ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Δραστηριότητα 4-12 Πείραμα 1 Υλικά: γυάλινο ποτηράκι ή κωνική φιάλη των 50 ml ποτήρι από πολυστερίνη δύο θερμόμετρα ζεστό και κρύο νερό Εικόνα 4-13 Μέθοδος 1. Να ρίξετε στο γυάλινο ποτηράκι 50 ml ζεστού νερού και στο ποτήρι από πολυστερίνη 50 ml κρύου νερού από τη βρύση. Να μετρήσετε την αρχική θερμοκρασία του νερού στο κάθε δοχείο: Αρχική θερμοκρασία ζεστού νερού στο γυάλινο ποτηράκι:. Αρχική θερμοκρασία κρύου νερού στο ποτήρι από πολυστερίνη:.. Να τοποθετήσετε το γυάλινο ποτηράκι με το ζεστό νερό στο ποτήρι με το κρύο νερό. Όταν η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία σταματήσει να αλλάζει (τελική θερμοκρασία), να σημειώσετε τις τιμές στον πιο κάτω πίνακα. Πίνακας 4-3 Τελική θερμοκρασία νερού Αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού Γυάλινο ποτηράκι: Γυάλινο ποτηράκι: Ποτήρι από πολυστερίνη: Ποτήρι από πολυστερίνη:. Ερωτήσεις 1. Τι παρατηρείτε σε σχέση με την τελική θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία; 2. Τι παρατηρείτε σε σχέση με την αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία; 3. Γιατί νομίζετε ότι άλλαξε η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 11

12 Πείραμα 2 Μέθοδος 1. Να ρίξετε στο γυάλινο ποτηράκι 50 ml ζεστό νερό και στο ποτήρι από πολυστερίνη 150 κρύου νερού από τη βρύση. Εικόνα 4-14 ml Πρόβλεψη Νομίζετε ότι η θερμοκρασία του ζεστού νερού θα αλλάξει (θα μειωθεί) το ίδιο, περισσότερο ή λιγότερο από όσο θα αλλάξει (θα αυξηθεί) η θερμοκρασία του κρύου νερού; Μετρήσεις 1. Να μετρήσετε την αρχική θερμοκρασία του νερού στο κάθε δοχείο. Αρχική θερμοκρασία νερού στο γυάλινο ποτηράκι:. Αρχική θερμοκρασία νερού στο ποτήρι από πολυστερίνη:.. 2. Να τοποθετήσετε το γυάλινο ποτηράκι με το ζεστό νερό στο ποτήρι με το κρύο νερό. Όταν η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία σταματήσει να αλλάζει (τελική θερμοκρασία), να σημειώσετε τις τιμές στον πιο κάτω πίνακα. Πίνακας 4-4 Τελική θερμοκρασία του νερού Γυάλινο ποτηράκι: Ποτήρι από πολυστερίνη:.. Αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού Γυάλινο ποτηράκι:. Ποτήρι από πολυστερίνη:. Ερωτήσεις: 1. Να συγκρίνετε την πρόβλεψη που κάνατε για την αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία με τα αποτελέσματα του πειράματος. 2. Αν η πρόβλεψή σας διαφέρει από τα αποτελέσματα του πειράματος, να σκεφτείτε πού μπορεί να οφείλεται η διαφορά. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 12

13 Γενικά συμπεράσματα: Όταν δύο ποσότητες νερού διαφορετικής θερμοκρασίας έρθουν σε θερμική επαφή, η θερμοκρασία τους (μένει ίδια/ αλλάζει). Μετά από αρκετό χρόνο η θερμοκρασία τους γίνεται ίδια. Όταν συμβεί αυτό λέμε ότι τα δύο σώματα φτάνουν σε θερμική ισορροπία. Η αύξηση στη θερμοκρασία της μιας ποσότητας νερού.. (είναι/ δεν είναι) πάντα ίση με τη μείωση στη θερμοκρασία της άλλης. Κατά την επαφή των δύο ποσοτήτων νερού μεταφέρεται. (θερμότητα/ θερμοκρασία) από το νερό υψηλότερης..(θερμότητας/ θερμοκρασίας) στο νερό χαμηλότερης.(θερμότητας/ θερμοκρασίας). Ερωτήσεις αξιολόγησης Να συμπληρώσετε το πιο κάτω κείμενο χρησιμοποιώντας τις λέξεις που βρίσκονται στο πλαίσιο που ακολουθεί: α) Χρησιμοποιούμε τη για να πούμε πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα. β) Η θερμοκρασία μετριέται σε.. γ) Η θερμότητα είναι μια μορφή Μετριέται σε.. ή. δ) Η θερμότητα μεταφέρεται πάντα από ένα σώμα. θερμοκρασίας σε ένα σώμα θερμοκρασίας. ε) Αν η θερμοκρασία δύο σωμάτων που έρχονται σε επαφή είναι.. τότε δεν μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο. ενέργειας, υψηλότερης, θερμοκρασία, joule, ίδια, χαμηλότερης, 0 C, θερμίδες, θερμότητα Αναστοχασμός α) Ποιο ήταν το αρχικό ερώτημα με το οποίο ασχολήθηκες σήμερα στο μάθημα της Φυσικής; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 13

14 β) Ποια πορεία ακολούθησες για να το αντιμετωπίσεις; γ) Γιατί ακολούθησες τη συγκεκριμένη πορεία; Διάγραμμα μεταφοράς θερμότητας Το διάγραμμα μεταφοράς θερμότητας μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό μέσο περιγραφής της μεταφοράς θερμότητας μεταξύ σωμάτων που έρχονται σε (θερμική) επαφή. Στα ορθογώνια του πιο κάτω διαγράμματος γράφουμε τα σώματα που εμπλέκονταν στη μεταφορά θερμότητας (να προσέξετε τη φορά του βέλους). Στα οβάλ, που βρίσκονται κάτω από τα ορθογώνια, σημειώνουμε τις παρατηρήσεις που μας οδηγούν στον εντοπισμό της ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ των σωμάτων. Σώμα υψηλής θερμοκρασίας Μεταφορά θερμότητας Σώμα χαμηλής θερμοκρασίας Μείωση στη θερμοκρασία Αύξηση στη θερμοκρασία Διάγραμμα 4-1 Πιο κάτω δίνεται ένα παράδειγμα: Ένα ποτηράκι με ζεστό νερό τοποθετείται σε ένα δοχείο με κρύο νερό. Ζεστό νερό Μεταφορά θερμότητας Νερό θερμοκρασίας δωματίου Μείωση στη θερμοκρασία του ζεστού νερού Αύξηση στη θερμοκρασία του κρύου νερού Διάγραμμα 4-2 Να φτιάξετε διαγράμματα μεταφοράς θερμότητας για τις πιο κάτω περιπτώσεις: Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 14

15 α) Κρατάτε στα χέρια σας ένα φλιτζάνι με ζεστό τσάι. Εικόνα 4-15 β) Τοποθετούμε ένα πιάτο με ζεστή σούπα στο τραπέζι της κουζίνας (η θερμοκρασία του αέρα στην κουζίνα είναι 20 0 C). Εικόνα 4-16 γ) Τοποθετούμε ένα ποτήρι με κρύο νερό (από το ψυγείο) στο τραπέζι της κουζίνας (η θερμοκρασία του αέρα στην κουζίνα είναι 20 0 C). Εικόνα 4-17 Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 15

16 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΕΝΝΟΙΩΝ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ - ΜΟΡΙΑΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ Δραστηριότητα 4-13 Πείραμα Υλικά: 3 δοχεία ζέσεως των 500 ml με πολύ ζεστό νερό, χλιαρό νερό και κρύο νερό μαγειρική μπογιά. Μέθοδος 1. Να ρίξετε στα τρία δοχεία ζέσεως 300 ml νερό διαφορετικής θερμοκρασίας. 2. Να ρίξετε τρεις σταγόνες μπογιάς σε κάθε δοχείο. 3. Σε ποιο δοχείο διαχέεται πιο γρήγορα η μπογιά; Το νερό στα αριστερά είναι κρύο, στη μέση χλιαρό και στα δεξιά ζεστό. Εικόνα 4-18 Δραστηριότητα 4-14 Να παρακολουθήσετε την προσομοίωση στην οποία φαίνεται πόσο γρήγορα κινούνται τα σωματίδια που αποτελούν ένα αέριο, σε σχέση με τη θερμοκρασία του αερίου. 1. Όλα τα σωματίδια που αποτελούν το αέριο κινούνται με την ίδια ταχύτητα; 2. Διαφοροποιείται η ταχύτητα των σωματιδίων του αερίου, αν αυξηθεί η θερμοκρασία του αερίου; Αν ναι, ποια είναι η σχέση μεταξύ της ταχύτητας των σωματιδίων του αερίου και της θερμοκρασίας του αερίου; 3. Υπάρχουν σωματίδια που «συγκρούονται» μεταξύ τους; Αν ναι, να γράψετε ποιες αλλαγές συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της «σύγκρουσης» ενός σωματιδίου που κινείται πολύ γρήγορα με ένα σωματίδιο που κινείται αργά. 4. Με βάση τις παρατηρήσεις σας στην προσομοίωση, να προσπαθήσετε να εξηγήσετε πού οφείλεται ο διαφορετικός χρόνος της διάχυσης του χρωματιστού υγρού στο πείραμα της Δραστηριότητας Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 16

17 Δραστηριότητα Να μελετήσετε το μοντέλο της ύλης για τα στερεά σώματα. α) Πώς παριστάνονται τα σωματίδια του στερεού σε αυτό το μοντέλο; β) Να χρησιμοποιήσετε το μοντέλο για να παραστήσετε την κίνηση των σωματιδίων σε ένα στερεό σώμα. γ) Τι παριστάνουν τα ελατήρια μεταξύ των σωματιδίων στο μοντέλο του στερεού σώματος; Εικόνα Επηρεάζεται η κίνηση ενός σωματιδίου από την αλλαγή στην κίνηση των γειτονικών του σωματιδίων; Αν ναι, να γράψετε μια σύντομη πρόταση για να εξηγήσετε πως. 3. Να παρακολουθήσετε την προσομοίωση στην οποία φαίνεται πώς αλλάζει η ταχύτητα με την οποία κινούνται τα σωματίδια που αποτελούν ένα στερεό σώμα, αν μεταφερθεί θερμότητα στο σώμα (π.χ. το σώμα θερμαίνεται με τη χρήση ενός κεριού ή ενός λύχνου). 4. Διαφοροποιείται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που αποτελούν ένα στερεό σώμα με την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος; Αν ναι, ποια είναι η σχέση μεταξύ της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων του στερεού και της θερμοκρασίας του στερεού σώματος; 5. Να εξηγήσετε με βάση τα πιο πάνω, γιατί ζεσταίνεται η εξωτερική επιφάνεια ενός φλιτζανιού το οποίο περιέχει ζεστό τσάι. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 17

18 Επαφή δύο σωμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας. Κατά την επαφή δύο σωμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας, π.χ. του ζεστού νερού και του κρύου, τα σωματίδια του ζεστού σώματος συγκρούονται με τα σωματίδια του κρύου σώματος. Ως αποτέλεσμα αυτών των συγκρούσεων γίνεται μεταφορά ενέργειας από τα σωματίδια που αποτελούν το ζεστό σώμα (τα οποία αρχίζουν σταδιακά να κινούνται πιο αργά) στα σωματίδια που αποτελούν το κρύο σώμα (τα οποία αρχίζουν σταδιακά να κινούνται πιο γρήγορα). Η μεταφορά ενέργειας μέσω των συγκρούσεων συνεχίζεται μέχρι που η θερμοκρασία των δύο σωμάτων γίνει η ίδια (τα δύο σώματα φτάνουν σε θερμική ισορροπία). Η ενέργεια που μεταφέρεται από το ζεστό στο κρύο σώμα ονομάζεται θερμότητα. Οι μονάδες μέτρησης της θερμότητας είναι το Joule (J) και η θερμίδα (cal). Δραστηριότητα 4-16 Πείραμα Υλικά: γυάλινο ποτηράκι ποτήρι από πολυστερίνη δύο θερμόμετρα νερό Εικόνα 4-20 Μέθοδος 1. Στο γυάλινο ποτηράκι ρίξαμε 50 ml ζεστού νερού. 2. Στο ποτήρι από πολυστερίνη ρίξαμε 250 ml νερού θερμοκρασίας δωματίου. 3. Όταν τοποθετήσαμε το γυάλινο ποτηράκι με το ζεστό νερό στο ποτήρι από πολυστερίνη, μετά από λίγα λεπτά η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία έγινε η ίδια. Στον πιο κάτω πίνακα δίνεται η αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία. Πίνακας 4-5 Αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού στο Γυάλινο ποτηράκι: 20 0 C Ποτήρι από πολυστερίνη: 4 0 C 4. Να εξηγήσετε γιατί άλλαξε η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία. Στην απάντησή σας να αναφερθείτε στην κίνηση των σωματιδίων που αποτελούν το ζεστό νερό, τα γυάλινα τοιχώματα του ποτηριού και το κρύο νερό που βρίσκεται στο ποτήρι από πολυστερίνη. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 18

19 ΑΛΛΑΓΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Η παρουσία λιμνών νερού στο εσωτερικό των παγετώνων. Οι περισσότεροι παγετώνες βρίσκονται σε περιοχές κοντά στους Πόλους της Γης. Ωστόσο παγετώνες υπάρχουν και σε άλλες ηπείρους, ακόμη και στην Αφρική. Για τον σχηματισμό των παγετώνων απαιτούνται ειδικές κλιματικές συνθήκες που συναντιούνται συνήθως σε περιοχές κοντά στους Πόλους της γης ή στις κορυφές ψηλών βουνών (π.χ. Άλπεις). Οι περισσότεροι βρίσκονται σε περιοχές με υψηλή χιονόπτωση τον χειμώνα και χαμηλές θερμοκρασίες το καλοκαίρι. Αυτές οι συνθήκες εξασφαλίζουν ότι το χιόνι που συσσωρεύεται στη διάρκεια του χειμώνα δεν θα λιώσει κατά τη διάρκεια καλοκαιριού. Υπάρχουν δύο τύποι παγετώνων: παγετώνες που σχηματίζονται σε κοιλάδες ορεινών περιοχών και παγετώνες που καλύπτουν επίπεδες περιοχές (κοντά στην Ανταρκτική). Εικόνα 5-1: Παγετώνας Muddy River: Βρίσκεται στα βουνά Frederick Sound, Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής στις του Τα τελευταία 60 χρόνια πολλές ομάδες από γεωλόγους ασχολούνται συστηματικά με τη μελέτη των παγετώνων. Συγκεκριμένα, ασχολούνται με την κίνησή τους, τη σύστασή τους, τις αλλαγές στο μέγεθός τους κ.λπ. Ένα από τα σημαντικά στοιχεία που προέκυψαν από τις εργασίες των γεωλόγων είναι και η παρουσία μεγάλων λιμνών από νερό στο εσωτερικό των παγετώνων. Πώς είναι δυνατό να συμβαίνει κάτι τέτοιο; Μπορεί ο πάγος (στερεό) και το νερό (υγρό) να συνυπάρχουν; Αν ναι, υπό ποιες προϋποθέσεις; Δραστηριότητα 5-1 Να πάρετε έναν δοκιμαστικό σωλήνα με καθαρό νερό και ένα ποτήρι παγάκια πάνω στα οποία έχουμε ρίξει αλάτι. 1. Να μετρήσετε την αρχική θερμοκρασία: α) του πάγου με το αλάτι που υπάρχει στο ποτήρι από πολυστερίνη:. β) του νερού στον δοκιμαστικό σωλήνα:. Εικόνα 5-2 με Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 19

20 2. Στο πιο κάτω διάγραμμα να σχεδιάσετε πώς προβλέπετε ότι θα αλλάζει η θερμοκρασία του νερού που υπάρχει στον δοκιμαστικό σωλήνα, μετά που θα τον βυθίσετε στο ποτήρι με τον πάγο (με το αλάτι). Θεωρήστε ότι η αρχική θερμοκρασία του νερού στον σωλήνα είναι εδώ. Θ ε ρ μ ο κ ρ α σ ί 0 Χρόνος 3. Να βυθίσετε τον δοκιμαστικό σωλήνα στο ποτήρι με τον πάγο (με το αλάτι) και να συμπληρώσετε στον πίνακα που ακολουθεί τις τιμές της θερμοκρασίας του νερού στο σωλήνα, καθώς και την κατάσταση του νερού. Πίνακας 5-1 Χρόνος (λεπτό) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 Θερμοκρασία του νερού στον δοκιμαστικό σωλήνα ( 0 C) Κατάσταση του νερού: Υγρό, στερεό ή μείγμα υγρού και στερεού Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 20

21 4. Να σχεδιάσετε τη γραφική παράσταση θερμοκρασίας - χρόνου (ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στη θερμοκρασία και ο οριζόντιος άξονας στον χρόνο) για το περιεχόμενο του νερού στον σωλήνα. 5. Από πόσα τμήματα αποτελείται η γραφική παράσταση; Σε ποια κατάσταση του νερού αντιστοιχεί το κάθε τμήμα; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 21

22 6. Πώς αλλάζει η θερμοκρασία του νερού στον δοκιμαστικό σωλήνα, όταν σε αυτόν υπάρχει: α) μόνο υγρό β) μόνο στερεό γ) υγρό και στερεό μαζί Δραστηριότητα 5-2: Επαναφορά στον μικρόκοσμο Σε ποτήρι με υγρό νερό θερμοκρασίας δωματίου (περίπου 20 0 C), ρίξαμε μερικά παγάκια (νερό σε στερεά φάση). Οι εικόνες που ακολουθούν απεικονίζουν τη διάταξη των μορίων του νερού υπό μεγέθυνση σε (α) ένα παγάκι και (β) μια ποσότητα υγρού νερού. Να αντιστοιχίσετε τις εικόνες με την ορθή περιγραφή. Εικόνα 5-3 Ο πάγος, μόλις τον βγάλαμε από την κατάψυξη. Το νερό σε θερμοκρασία δωματίου. Ο πάγος μετά από αρκετό χρόνο, αφότου τον ρίξαμε στο νερό. Το νερό μετά από αρκετό χρόνο αφότου ρίξαμε τον πάγο σε αυτό. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 22

23 Να παρακολουθήσετε τις προσομοιώσεις και να περιγράψετε την κίνηση των μορίων του νερού, όταν βρίσκεται: α) στην υγρή φάση β) στη στερεά φάση (πάγος) γ) Αλλάζει η μορφή των μορίων του νερού, όταν μετατρέπεται από πάγο σε υγρό; Αν όχι, να παρακολουθήσετε την προσομοίωση και να συζητήσετε τι είναι αυτό που αλλάζει σε μοριακό επίπεδο. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 23

24 ΒΡΑΣΜΟΣ Δραστηριότητα 5-3: Μελέτη του Βρασμού Σε δοχείο ζέσεως ρίχνουμε 200 ml νερού βρύσης. Θερμαίνουμε το νερό, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα, μέχρι να εμφανιστούν σε αυτό φυσαλίδες με πολύ έντονο τρόπο. 1. Τι νομίζετε ότι βρίσκεται μέσα στις φυσαλίδες που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια του βρασμού; Εικόνα Να παρακολουθήσετε τις προσομοιώσεις και να περιγράψετε την κίνηση των μορίων του νερού όταν βρίσκεται: α) στην υγρή φάση β) στην αέρια φάση γ) Αλλάζει η μορφή των σωματιδίων του νερού, όταν γίνεται η μετατροπή από υγρό σε αέριο; Αν όχι, να εξηγήσετε τι είναι αυτό που αλλάζει. 3. Με τη χρήση του αισθητήρα θερμοκρασίας, μετρούμε τη θερμοκρασία του νερού από τη στιγμή που ανάβουμε τον λύχνο μέχρι που να βράσει το νερό. α) Να μελετήσετε προσεκτικά τη γραφική παράσταση της θερμοκρασίας του νερού σε σχέση με τον χρόνο και να γράψετε ποιες αλλαγές συμβαίνουν στη θερμοκρασία του νερού από τη στιγμή που ανάβουμε τον λύχνο. β) Ποια είναι η θερμοκρασία βρασμού του νερού; Δραστηριότητα Αξιολόγησης Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 24

25 Αφού παρακολουθήσετε την αντίστοιχη προσομοίωση να σχεδιάσετε, στα κενά πλαίσια του πιο κάτω διαγράμματος, τη διάταξη των μορίων του νερού κατά τη μετατροπή του από υγρό σε αέριο. Θ ε ρ μ ο κ ρ α σ ί α Αέρια φάση Υγρή φάση Νερό στους C Υδρατμοί στους C Χρόνος Διάγραμμα 5-1 Αναστοχασμός α) Ποιο ήταν το αρχικό πρόβλημα-ερώτημα με το οποίο ασχολήθηκες σήμερα στο μάθημα της Φυσικής; β) Ποια πορεία ακολούθησες για να το αντιμετωπίσεις; γ) Γιατί ακολούθησες τη συγκεκριμένη πορεία; δ) Με τις πληροφορίες που έχεις συλλέξει, κατά τη διάρκεια της Δραστηριότητας 5-3, μπορείς να απαντήσεις στο αρχικό ερώτημα που είχες να αντιμετωπίσεις στο σημερινό μάθημα; Αν ναι, ποια είναι η απάντηση; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 25

26 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΥΜΕΝΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΗΞΗΣ ΤΟΥ ΠΑΓΟΥ Δραστηριότητα 5-4: Επίδραση διαλυμένων ουσιών στη θερμοκρασία τήξης του πάγου (Πείραμα για το σπίτι) Πρόβλημα Θέλουμε να διερευνήσουμε κατά πόσον η προσθήκη αλατιού στον πάγο προκαλεί αλλαγή στη θερμοκρασία τήξης του πάγου. Εργασία Να εξηγήσετε πώς θα εργαστείτε για να απαντήσετε στο πιο πάνω πρόβλημα. Στην περιγραφή σας θα πρέπει να συμπεριλάβετε και απαντήσεις στα ακόλουθα ερωτήματα: α) Ποιο είδος θερμόμετρου θα χρησιμοποιήσετε στα πειράματά σας; β) Πώς θα σχεδιάσετε ένα έγκυρο πείραμα; γ) Πόση ποσότητα πάγου θα χρησιμοποιήσετε; δ) Χρειάζεται να μετρήσετε την ποσότητα του αλατιού που θα ρίξετε στον πάγο; ε) Πόσα διαφορετικά πειράματα χρειάζεται να κάνετε; στ) Πώς θα παρουσιάσετε τα αποτελέσματά σας (π.χ. πίνακας τιμών, γραφική παράσταση κ.λπ.); Αφού συζητήσετε με τον/την καθηγητή/τριά σας τον σχεδιασμό του πειράματος, να προχωρήσετε στην υλοποίησή του. Πείραμα Σε ένα μεγάλο ποτήρι από πολυστερίνη, να ρίξετε περίπου 300 g πάγου. Ακολούθως, αφού ρίξετε (η κάθε ομάδα) στον πάγο την ποσότητα αλατιού που αναγράφεται στον πιο κάτω πίνακα, να ανακατέψετε καλά και να μετρήσετε την ελάχιστη θερμοκρασία του μείγματος. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 26

27 Πίνακας 5-2 Ποσότητα αλατιού Ελάχιστη θερμοκρασία Ομάδα Α Ομάδα Β Ομάδα Γ Ομάδα Δ Ομάδα Ε Ομάδα Στ Ομάδα Ζ 0 g 20 g 40 g 60 g 75 g 100 g 130 g Επεξεργασία μετρήσεων- Συμπεράσματα α) Αφού ανακοινώσετε τα αποτελέσματά σας στην τάξη, να εξηγήσετε γιατί οι αρμόδιοι φορείς ρίχνουν αλάτι σε βρεγμένους ή χιονισμένους δρόμους (ορεινών περιοχών της Κύπρου), όταν επίκειται παγωνιά. Από τι εξαρτάται η ποσότητα του αλατιού που θα ρίξουν; β) Συμφωνείτε με την άποψη ότι: «όσο περισσότερο αλάτι ρίξουμε στους δρόμους τόσο καλύτερη προστασία έχουμε από τον σχηματισμό παγετού»; Αν όχι, να εξηγήσετε γιατί διαφωνείτε. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 27

28 ΑΛΛΑΓΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ Δραστηριότητα 5-5: Πείραμα στο σπίτι! Για το πείραμα που ακολουθεί να χρησιμοποιήσετε ένα από τα ακόλουθα υλικά: κερί, σοκολάτα ζαχαροπλαστικής (κουβερτούρα), βούτυρο ή μαργαρίνη. Διαδικασία Να κόψετε σε μικρά κομμάτια ένα από τα πιο πάνω υλικά και να τα ρίξετε σε ένα φλιτζάνι (περίπου μέχρι το 1/2 του φλιτζανιού). Ακολούθως, να τοποθετήσετε το φλιτζάνι σε μικρή κατσαρόλα με νερό που βράζει. (Προσοχή: Το νερό στην κατσαρόλα να μην ανεβαίνει πάνω από το 1/4 του ύψους του φλιτζανιού). Όταν λιώσει όλη η ποσότητα του υλικού στο φλιτζάνι, να βυθίσετε σε αυτό ένα θερμόμετρο και να απομακρύνετε το φλιτζάνι από την κατσαρόλα. Να αρχίσετε να αναδεύετε το υλικό που υπάρχει στο φλιτζάνι με το θερμόμετρο, καταγράφοντας ταυτόχρονα τη θερμοκρασία του. 1. Να καταγράψετε στον πιο κάτω πίνακα (α) τη θερμοκρασία και (β) την κατάσταση (υγρή φάση ή στερεά φάση ή υγρή και στερεά φάση) που βρίσκεται το υλικό στο φλιτζάνι ανά μισό λεπτό. 2. Να σταματήσετε τη λήψη άλλων μετρήσεων, όταν το υλικό στο φλιτζάνι πήξει εξ ολοκλήρου. Πίνακας 5-3 Χρόνος Θερμοκρασία του υλικού στο (λεπτό) φλιτζάνι ( 0 C) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Επεξεργασία δεδομένων Φάση ή φάσεις του υλικού που υπάρχουν στο φλιτζάνι Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 28

29 1. Να κατασκευάσετε τη γραφική παράσταση θερμοκρασίας - χρόνου (ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στη θερμοκρασία και ο οριζόντιος άξονας στον χρόνο) για το υλικό που υπάρχει στο φλιτζάνι. 2. Η πιο πάνω γραφική παράσταση μπορεί να χωριστεί σε τμήματα. Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις σας, σε ποια κατάσταση του υλικού αντιστοιχεί το κάθε τμήμα; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 29

30 Δραστηριότητα 5-6: Συζήτηση των αποτελεσμάτων του πειράματος στην τάξη 1. Να συγκρίνετε μεταξύ τους τις γραφικές παραστάσεις θερμοκρασίας - χρόνου για την πήξη των διαφορετικών υλικών που χρησιμοποιήσατε, καθώς επίσης και με τη γραφική παράσταση που αφορά στην πήξη του καθαρού νερού. Ποιες ομοιότητες και ποιες διαφορές εντοπίζετε; 2. Πού νομίζετε ότι οφείλεται η διαφορά στη θερμοκρασία πήξης των υλικών που χρησιμοποιήσατε; Να εξηγήσετε την άποψή σας. ΕΞΑΤΜΙΣΗ Δραστηριότητα 5-7: Η χρησιμότητα του ιδρώτα Στο σημερινό μάθημα θα μελετήσουμε πώς η έκκριση ιδρώτα από το δέρμα μας βοηθά στη μείωση της θερμοκρασίας μας. Πείραμα Υλικά: δύο πλαστικά μπουκάλια των 500 ml δύο θερμόμετρα χαρτί κουζίνας χρονόμετρο λαστιχάκια ζεστό και κρύο νερό Εικόνα 5-5 Μέθοδος 1. Να περιτυλίξετε τα δύο μπουκάλια με χαρτί κουζίνας και να το στερεώσετε, περνώντας τα λαστιχάκια γύρω από τα μπουκάλια (μια περιτύλιξη χαρτιού στο κάθε μπουκάλι). 2. Να βρέξετε το χαρτί κουζίνας που βρίσκεται γύρω από το ένα μπουκάλι με ζεστό νερό. 3. Να γεμίσετε τα δύο μπουκάλια με την ίδια ποσότητα ζεστού νερού. 4. Σε ποιο από τα δύο μπουκάλια πιστεύετε ότι το νερό θα κρυώσει πιο γρήγορα. 5. Στον πίνακα που ακολουθεί να καταγράψετε τις θερμοκρασίες του νερού στα δύο μπουκάλια για δέκα λεπτά. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 30

31 Πίνακας 5-4 Χρόνος (λεπτά) Θερμοκρασία νερού στο: α) Δοχείο με βρεγμένο χαρτί β) Δοχείο με στεγνό χαρτί α) Σε ποια από τις δύο μπουκάλες το νερό κρύωσε πιο γρήγορα; β) Τι έπαθε το βρεγμένο χαρτί μετά το τέλος του πειράματος; γ) Διαφέρουν τα αποτελέσματα του πειράματος από την αρχική σας πρόβλεψη; δ) Να εξηγήσετε, βάσει των δεδομένων που έχετε, γιατί είναι σημαντικός ο ιδρώτας στους ανθρώπους. ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ Εισαγωγή α) Έχετε παρατηρήσει ότι τα σύρματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαλαρά το καλοκαίρι και τεντωμένα τον χειμώνα; β) Ποια Σύρματα μπορεί μεταφοράς να είναι το καλοκαίρι η πιθανή αιτία για τις αλλαγές Σύρματα που βλέπετε μεταφοράς στις τον χειμώνα πιο πάνω φωτογραφίες; Εικόνα 5-6 Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 31

32 Δραστηριότητα 5-8: Μελέτη της θερμικής διαστολής των στερεών. Πείραμα 1 Στη διπλανή εικόνα μπορείτε να δείτε μια μεταλλική σφαίρα η οποία είναι στερεωμένη σε έναν ορθοστάτη. Κάτω από τη σφαίρα υπάρχει ένας μεταλλικός δακτύλιος. α) Να προσπαθήσετε να περάσετε τη μεταλλική σφαίρα μέσα από τον μεταλλικό δακτύλιο, όταν η θερμοκρασία της σφαίρας και του δακτυλίου είναι ίδια (θερμοκρασία δωματίου). Περνά η σφαίρα μέσα από τον δακτύλιο; Εικόνα 5-7 ΠΡΟΣΟΧΗ: Μην ακουμπήσετε στη σφαίρα κατά τη διάρκεια του πειράματος που ακολουθεί γιατί θα καείτε. β) Να ζεστάνετε τη σφαίρα στη φλόγα του λύχνου οινοπνεύματος μέχρι να ανεβεί αρκετά η θερμοκρασία της (3 με 4 λεπτά περίπου είναι αρκετά). Να προσπαθήσετε να περάσετε τη σφαίρα από τον δακτύλιο. Τι παρατηρείτε; γ) Να αφήσετε τη σφαίρα να κρυώσει και να ξαναπροσπαθήσετε να την περάσετε μέσα από τον δακτύλιο. Τι παρατηρείτε; Εικόνα 5-8 Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 32

33 Σημείωση: Παρόλο που το φαινόμενο της θερμικής διαστολής είναι πάρα πολύ συνηθισμένο, δύσκολα γίνεται αντιληπτό, γιατί η αύξηση στο μήκος των μεταλλικών αντικειμένων για μικρές αυξήσεις της θερμοκρασίας είναι πάρα πολύ μικρή. Πολλές φορές όμως, ακόμα και αυτές οι μικρές αλλαγές στο μήκος των σωμάτων είναι αρκετές να προκαλέσουν προβλήματα και ζημιές, αν δεν ληφθούν κατάλληλες προφυλάξεις. Για παράδειγμα, στις γραμμές του τρένου αναπτύσσονται κατά τη διαστολή τόσο μεγάλες δυνάμεις που προκαλούν ακόμη και τη στρέβλωσή τους (Εικόνα 5-10), όταν δεν έχουν περιθώρια για διαστολή. Για την αποφυγή αυτού του προβλήματος, αφήνονται διάκενα μεταξύ των σιδηροτροχιών, έτσι που να γίνεται ανεμπόδιστα η διαστολή κατά τη διάρκεια των ζεστών ημερών του χρόνου. Παρόμοιος χειρισμός γίνεται και στις αερογέφυρες που συναντάμε στους αυτοκινητόδρομους. Στις άκρες τους Εικόνα 5-9 αφήνονται διάκενα για την ελεύθερή τους διαστολή. Μοριακή ερμηνεία της θερμικής διαστολής στα στερεά Για να εξηγήσουμε σε μικροσκοπικό επίπεδο το φαινόμενο της θερμικής διαστολής στα στερεά μπορούμε να φανταστούμε τα άτομα που αποτελούν το υλικό ως μια σειρά από μαθητές οι οποίοι κρατούν χέρι-χέρι και κινούνται (ταλαντώνονται) γύρω από τις θέσεις τους. Με την αύξηση της θερμοκρασίας τα άτομα (μαθητές) αρχίζουν να κινούνται εντονότερα, να απομακρύνονται το ένα από το άλλο και τέλος να κινούνται γύρω από τις νέες τους θέσεις που απέχουν μεγαλύτερη απόσταση η μια από την άλλη, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα. Εικόνα 5-10 Ερωτήσεις αξιολόγησης 1. Στον πιο κάτω πίνακα δίνονται πληροφορίες σε σχέση με την αλλαγή στο μήκος ράβδων από διαφορετικό υλικό, όταν αυξηθεί η θερμοκρασία τους κατά 10 0 C. Το αρχικό μήκος της κάθε ράβδου είναι 10m και η αρχική τους θερμοκρασία είναι ίδια. Πίνακας 5-5 Υλικό ράβδου Αλλαγή μήκους Μόλυβδος 2,9 mm Αλουμίνιο 2,3 mm Σίδηρος 1,2 mm Χαλκός 1,6 mm Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 33

34 Μπετόν Γυαλί 1,2 mm 0,9 mm Να χρησιμοποιήσετε τις πληροφορίες του πιο πάνω πίνακα, για να απαντήσετε στις ερωτήσεις που ακολουθούν: α) Οι κολώνες που υπάρχουν στα σπίτια μας αποτελούνται από μπετόν και σιδερένιες ράβδους. Να δικαιολογήσετε γιατί δεν χρησιμοποιούνται ράβδοι από διαφορετικό υλικό στις κολώνες από μπετόν. β) Μερικές φορές παρουσιάζεται δυσκολία στο να ξεβιδωθούν τα μεταλλικά πώματα των γυάλινων μπουκαλιών. Αν όμως ρίξουμε ζεστό νερό στο πώμα, αυτό μπορεί να ξεβιδωθεί εύκολα. Πώς το εξηγείτε; ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ Δραστηριότητα 5-9: Διαστολή και Συστολή των υγρών Σε μια λεκάνη τοποθετούμε δύο όμοια γυάλινα δοχεία τα οποία γεμίζουμε μέχρι το στόμιο με νερό και λάδι αντίστοιχα. Κλείνουμε τα δοχεία με πλαστικά πώματα στα οποία είναι προσαρμοσμένα γυάλινα σωληνάκια, ώστε το στα γυάλινα σωληνάκια να είναι στο ίδιο ύψος. 1. Ποιες αλλαγές νομίζετε ότι θα συμβούν, αν ρίξουμε ζεστό νερό στη λεκάνη που βρίσκονται τα δύο δοχεία; Εικόνα 5-11 υγρό 2. Να ρίξετε ζεστό νερό στη λεκάνη και να γράψετε τι παρατηρείτε σχετικά με τη στάθμη των υγρών στα σωληνάκια. 3. Να εξηγήσετε τις παρατηρήσεις σας. 4. Τι αναμένετε να συμβεί, όταν κρυώσει το υγρό στα δύο δοχεία; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 34

35 Δραστηριότητα Στη Δραστηριότητα 5-9 διαπιστώσατε ότι η αύξηση στον όγκο ενός υγρού εξαρτάται από το είδος του υγρού. Από ποιους άλλους παράγοντες πιστεύετε ότι εξαρτάται η αλλαγή στον όγκο των υγρών, όταν αυτά θερμανθούν; 2. Να εξηγήσετε πώς θα εργαστείτε για να εξετάσετε αν οι παράγοντες που αναφέρατε πιο πάνω επηρεάζουν ή όχι την αλλαγή στον όγκο των υγρών. Προαιρετικό πείραμα: Κατασκευή θερμομέτρου Υλικά: κωνικές φιάλες (100ml) γυάλινα σωληνάκια πάγο νερό χρώμα (υπερμαγγανικό κάλιο) λύχνο θέρμανσης ορθοστάτη Εικόνα 5-12 Μέθοδος 1. Να ρίξετε λίγους κόκκους υπερμαγγανικού καλίου σε μικρή κωνική φιάλη των 100ml και ακολούθως να τη γεμίσετε εντελώς με νερό. 2. Να τοποθετήσετε την κωνική φιάλη σε δοχείο που περιέχει παγάκια για περίπου 10 λεπτά. 3. Ακολούθως, να κλείσετε προσεκτικά την κωνική φιάλη με πλαστικό πώμα στο οποίο υπάρχει προσαρμοσμένο γυάλινο σωληνάκι. Να πιέσετε το πώμα μέχρι που να εισέλθει χρωματιστό υγρό στο γυάλινο σωληνάκι. 4. Να σημειώσετε τη στάθμη του νερού στο γυάλινο σωληνάκι. 5. Να τοποθετήσετε την κωνική φιάλη σε δοχείο που περιέχει 1000 ml ζεστό νερό θερμοκρασίας 60 0 C, για περίπου 15 λεπτά. 6. Να μετρήσετε τη θερμοκρασία του νερού που περιβάλλει την κωνική φιάλη και να σημειώσετε τη νέα στάθμη του υγρού στο γυάλινο σωληνάκι. 7. Να διαιρέσετε την απόσταση ανάμεσα στα δύο σημεία που υπάρχουν στο γυάλινο σωληνάκι σε δέκα ίσα διαστήματα. Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 35

36 Επεξεργασία αποτελεσμάτων 1. Τι αντιπροσωπεύει η θερμοκρασία του πιο χαμηλού σημείου που σημειώσατε στο γυάλινο σωληνάκι; 2. Τι αντιπροσωπεύει η θερμοκρασία του ψηλότερου σημείου που σημειώσατε στο γυάλινο σωληνάκι; 3. Να εξηγήσετε σε πόσους βαθμούς κελσίου αντιστοιχεί κάθε διάστημα που σημειώσατε στο γυάλινο σωληνάκι. 4. Να μετρήσετε τη θερμοκρασία της αίθουσάς σας, χρησιμοποιώντας το θερμόμετρο που φτιάξατε. 5. Να εξηγήσετε πώς θα εργαστείτε για να υπολογίσετε πόσο ανεβαίνει η στάθμη του νερού στο γυάλινο σωληνάκι για αύξηση της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό κελσίου. 6. Μπορείτε να σκεφτείτε ένα λόγο για τον οποίο το θερμόμετρο που φτιάξατε δεν έχει μεγάλη ακρίβεια; 7. Τι αλλαγές θα κάνατε στο θερμόμετρό σας, ώστε να μετράτε με αυτό τη θερμοκρασία σε μικρότερο χρόνο; ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ Δραστηριότητα 5-11: Θερμική διαστολή των αερίων (1 η εκδοχή) Πείραμα Υλικά: δοκιμαστικός σωλήνας γυάλινο σωληνάκι σε πλαστικό πώμα που ταιριάζει στο στόμιο του δοκιμαστικού σωλήνα δοχείο με νερό ορθοστάτης Μέθοδος 1. Να κλείσετε προσεχτικά τον δοκιμαστικό σωλήνα με πώμα, στο οποίο υπάρχει προσαρμοσμένος λεπτός γυάλινος σωλήνας. 2. Να γυρίσετε τον δοκιμαστικό σωλήνα, ώστε το στόμιο του λεπτού σωλήνα να βυθίζεται στο νερό. 3. Να στερεώσετε τον δοκιμαστικό σωλήνα σε έναν ορθοστάτη και να βυθίσετε τον λεπτό σωλήνα στο νερό. Να κοιτάξετε το άκρο του λεπτού σωλήνα που βρίσκεται στο νερό. Τι παρατηρείτε; Εικόνα Να κρατήσετε με τα χέρια σας τον δοκιμαστικό σωλήνα. Να κοιτάξετε το άκρο του λεπτού σωλήνα που βρίσκεται στο νερό. α) Τι παρατηρείτε; Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc 36

37 β) Πού νομίζετε ότι οφείλονται οι αλλαγές που παρατηρήσατε; 5. Να ανάψετε ένα σπίρτο και να το βάλετε κοντά στον δοκιμαστικό σωλήνα. Να κοιτάξετε το άκρο του σωλήνα που βρίσκεται στο νερό. Τι παρατηρείτε; 6. Πού νομίζετε ότι οφείλονται οι διαφορές σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση (διαδικασία 4); 7. Ποιο συμπέρασμα μπορείτε να εξαγάγετε από το πιο πάνω πείραμα; Θερμική διαστολή των αερίων (2 η εκδοχή) Στη διπλανή εικόνα φαίνεται μια κωνική φιάλη στο στόμιο της οποίας έχουμε προσαρμόσει ένα μπαλόνι. 1. Τι υπάρχει μέσα στην κωνική φιάλη; 2. Ποιες αλλαγές αναμένετε να συμβούν, αν αρχίσουμε να ζεσταίνουμε το κάτω μέρος της κωνικής φιάλης με έναν λύχνο οινοπνεύματος; Να εξηγήσετε τη σκέψη σας. Εικόνα 5-14 ΠΡΟΣΟΧΗ: Μην ακουμπήσετε στην κωνική φιάλη κατά τη διάρκεια του πειράματος που ακολουθεί γιατί θα καείτε. 3. Αφού στερεώσετε την κωνική φιάλη σε έναν ορθοστάτη, να τοποθετήσετε ένα αναμμένο λύχνο κάτω από αυτήν για ένα (1) λεπτό. Τι παρατηρείτε; 4. Σε ποιο συμπέρασμα μπορείτε να καταλήξετε από το πιο πάνω πείραμα σε σχέση με τα αέρια; Πηγή : ΒΙΒΛΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΚΥΠΡΟΥ Γ.ΒΑΛΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Msc gvalatsos@sch.gr 37