ΦΥΣΙΚΗ Α ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ
Φύλλο Εργασίας 4 ο Μετρήσεις Θερμοκρασίας Η Βαθμονόμηση Εξακολουθούμε να μιλάμε για διαδικασίες μέτρησης, συγκεκριμένα της μέτρησης θερμοκρασίας. η μέτρηση είναι μία διαδικασία σύγκρισης Πρέπει να προσδιοριστεί ποιο θα είναι το μέτρο σύγκρισης (Μονάδα Και Όργανο Μέτρησης) Σε ποιο φαινόμενο στηρίζεται η λειτουργία του οργάνου
Φύλλο Εργασίας 4: Στόχος μας είναι να αντιληφθείτε τη διαφορά μεταξύ της εκτίμησης και της μέτρησης του φυσικού μεγέθους θερμοκρασία να διαπιστώσετε με πειραματισμό την ανάγκη ακριβούς μέτρησης της θερμοκρασίας να κατανοήσετε την αρχή λειτουργίας και τον τρόπο βαθμονόμησης του θερμομέτρου
α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι (1) Οι άνθρωποι προσπαθούν να εκτιμήσουν κατά προσέγγιση ή να μετρήσουν με ακρίβεια τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, των διαφόρων σωμάτων ή και τη θερμοκρασία του σώματός τους. Σχολίασε σε ποια από τις περιπτώσεις γίνεται κατά προσέγγιση εκτίμηση της θερμοκρασίας και σε ποια γίνεται ακριβής μέτρηση; Πολλές φορές η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι πολύ σημαντική για την υγεία μας, την κατάσταση των τροφίμων ή τη λειτουργία συσκευών και μηχανών. Στην πρώτη εικόνα η μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος του παιδιού γίνεται με θερμόμετρο και θεωρείται ακριβής (μέτρηση με ακρίβεια). Στη δεύτερη εικόνα η μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος του παιδιού γίνεται με την αφή και η εκτίμηση τις τιμής της γίνεται κατά προσέγγιση (συγκρίνοντας τη θερμοκρασία του ανθρωπίνου σώματος με την εκτιμώμενη και βασιζόμενοι στην εμπειρία μας).
α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι (2) Ένας μαθητής να βυθίσει ένα δάχτυλο του δεξιού του χεριού στο δοχείο 1 και ένα δάχτυλο του αριστερού του χεριού στο δοχείο 3. Αμέσως μετά ο μαθητής να βυθίσει το ένα μετά το άλλο το δύο αυτά δάχτυλα στο δοχείο 2. Ποια είναι η εντύπωση του μαθητή για το νερό του δοχείου 2. Είναι "ζεστό" ή "κρύο "; Με το δάχτυλο του αριστερού χεριού του εκτιμά ότι το νερό στο δοχείο 2 είναι κρύο Με το δάχτυλο του δεξιού χεριού του εκτιμά ότι το νερό στο δοχείο 2 είναι ζεστό Έχουμε διαφορετική εκτίμηση για την ίδια θερμοκρασία.
α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι (3) Ακούμπησε το δάχτυλό σου επάνω στο ξύλινο ή με χάρτινη επίστρωση θρανίο. Έπειτα, ακούμπησε το δάχτυλό σου στο μεταλλικό πόδι του θρανίου. Ποια η εκτίμησή σου για τη θερμοκρασία του ξύλου ή χαρτιού και του μετάλλου, συγκρίνοντάς τες; Η θερμοκρασία του ξύλου ή του χαρτιού είναι υψηλότερη από αυτή του μετάλλου
α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι (4) Η δηκτική παρατήρηση του Ευπρόλαλου, στο παρακάτω σχέδιο, αναδεικνύει το γεγονός ότι πολλές φορές η εκτίμηση της θερμοκρασίας με το σώμα μας μπορεί να είναι όχι μόνο μη ακριβής, αλλά και υποκειμενική.
β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Έλεγξε τις υποθέσεις σου, κάνοντας πειράματα. Υποθέτω
β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου για το αν οι μετρήσεις της θερμοκρασίας είναι πάντα ακριβείς. Σε τι μπορεί να οφείλεται μια λανθασμένη μέτρηση της θερμοκρασίας; Γράψε τις υποθέσεις σας. Οι μετρήσεις της θερμοκρασίας διαφόρων σωμάτων με θερμόμετρο, δεν είναι πάντα ακριβείς. Η σωστή μέτρηση της θερμοκρασίας εξαρτάται: 1. Από το όργανο μέτρησης της θερμοκρασίας. Μια λανθασμένη μέτρηση θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στην κακή κατασκευή του θερμομέτρου ή γιατί κάτι χάλασε ή απορυθμίστηκε, ή στην κακή βαθμονόμηση του, δηλαδή οι ενδείξεις του μπορεί να μην είναι στις σωστές θέσεις ή η χάραξη της κλίμακάς του να είναι λανθασμένη (πχ. οι γραμμές να μην ισαπέχουν κτλ.). 2. Από την ικανότητα του ανθρώπου να μην κάνει λάθη κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Μια λανθασμένη μέτρηση θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη λανθασμένη χρήση του οργάνου μέτρησης ή στη λανθασμένη ανάγνωση της θερμοκρασίας, για παράδειγμα:. αν είναι αναλογικό θερμόμετρο να μην έχει τοποθετήσει στη σωστή θέση το μάτι του αν έχουμε ψηφιακό θερμόμετρο μπορεί να δει κάποιος το 3 σαν 8.
β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Πώς μπορούμε να μετρήσουμε "αντικειμενικά" το πόσο ζεστό είναι ένα αντικείμενο; Για να μετράμε "αντικειμενικά" πρέπει το αντικείμενο, ανάλογα με το πόσο ζεστό είναι να προκαλεί μία αντίστοιχη μεταβολή την οποία θα συσχετίσουμε με ένα μέτρο σύγκρισης Μήπως μπορούμε να συσχετίσουμε το ύψος του υγρού μέσα στο σωλήνα με το πόσο ζεστό είναι το νερό στο οποίο το βυθίζουμε; Ποιες υποθέσεις πρέπει να κάνουμε; Υπόθεση: όσο πιο ζεστό είναι το νερό της λεκάνης, τόσο πιο ψηλά θα ανεβαίνει το υγρό στο σωλήνα. Όσο πιο κρύο είναι το νερό τόσο πιο χαμηλά θα κατεβαίνει το υγρό στο σωλήνα.
γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι Έλεγξε τις υποθέσεις σου, κάνοντας πειράματα.
Πείραμα 1 o Βαθμονόμησε μόνος σου το θερμόμετρο το οποίο θα χρησιμοποιήσεις στη συνέχεια: Κάλυψε τις ενδείξεις του θερμομέτρου με ένα λευκό χαρτί. Κόλλησε επάνω του μια διαφανή, αυτοκόλλητη πλαστική ταινία. Ρίξε αρκετά παγάκια στο πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει νερό. Βύθισε το θερμόμετρο στο νερό με τα παγάκια, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα, κοντά στην επιφάνεια του νερού. Μετά από μερικά λεπτά, παρατήρησε σε ποιο σημείο έχει σταθεροποιηθεί η στάθμη της στήλης του οινοπνεύματος. Γράψε στο αντίστοιχο σημείο τους χαρτιού την ένδειξη 0 0 C. Τοποθέτησε το πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει μικρή ποσότητα νερού επάνω στο ηλεκτρικό μάτι. Άναψε το μάτι, ώστε να αρχίσει να θερμαίνεται το νερό. Όταν διαπιστώσεις ότι στο νερό δημιουργούνται σε όλη τη μάζα του φυσαλίδες και από την επιφάνειά του βγαίνουν υδρατμοί, τότε το νερό βράζει. Κρατώντας το θερμόμετρο μέσα στο νερό, παρατήρησε σε ποιο σημείο σταθεροποιείται η στάθμη της στήλης του οινοπνεύματος. Γράψε στο αντίστοιχο σημείο τους χαρτιού την ένδειξη 100 0 C. Βαθμονόμηση Θερμομέτρου
Προβληματίσου, Υπολόγισε Σημείωσε στο χαρτί με το οποίο έχεις καλύψει το θερμόμετρο 100 μικρές γραμμές, που απέχουν ίση απόσταση μεταξύ τους, από την τιμή 0 0 C έως την τιμή 100 0 C που έχεις γράψει. Τώρα έχεις ένα "βαθμονομημένο" από εσένα θερμόμετρο. Βαθμονόμηση γίνεται και σε άλλα όργανα μέτρησης. Συζήτησε με τους συμμαθητές σου και με την καθηγήτρια σου.
Πείραμα 2 o Κρέμασε το θερμόμετρο σε έναν τοίχο της τάξης σου. Ζήτησε από τέσσερις συμμαθητές σου να μετρήσουν τη θερμοκρασία, ο ένας μετά τον άλλο, με τον τρόπο που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες, χωρίς να λέει την τιμή που διάβασε ο καθένας στους άλλους: Ο πρώτος, πλησιάζοντας πάρα πολύ το πρόσωπό του στο θερμόμετρο και αγγίζοντάς το Ο δεύτερος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας οριζόντια Ο τρίτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από ψηλά Ο τέταρτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από χαμηλά
Προβληματίσου, Υπολόγισε Τι παρατηρείς συγκρίνοντας τις τέσσερις τιμές; Συμπίπτουν ή διαφέρουν μεταξύ τους; Αν διαφέρουν, ποια θεωρείς ότι είναι η πιο ακριβής και γιατί; Από τις μετρήσεις διαπιστώνεται ότι η σωστή ανάγνωση της θερμοκρασίας εξαρτάται από την θέση των ματιών μας όταν κοιτάζουμε το θερμόμετρο. Σωστή θέση θεωρείται αυτή που το βλέμμα μας είναι κάθετο στον άξονα του θερμομέτρου (η γωνία μέτρησης είναι 90 μοιρών (90ο)) και η απόσταση των ματιών μας από το θερμόμετρο δεν είναι ούτε πολύ μικρή ούτε πολύ μεγάλη. Αν το μάτι δεν είναι στο ίδιο ύψος με την ένδειξη του οινοπνεύματος έχουμε σφάλμα στην μέτρηση ή όταν το μάτι είναι μακριά από το όργανο δεν είναι εύκολο να πάρει το σωστό ύψος. Ακόμη είναι λάθος στην 1η φωτογραφία το χέρι που ακουμπά το θερμόμετρο και επηρεάζει τη θερμοκρασία.
δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ; Πείραμα 1 o Με βάση τις ενέργειές σου στο πείραμα 1 και τις συζητήσεις που ακολούθησαν, γράψε τα συμπεράσματά σου για τη σκοπιμότητα, μερικές φορές, και τον τρόπο βαθμονόμησης των οργάνων μέτρησης. Πολλές φορές χρησιμοποιώντας ίδιο τύπο θερμομέτρου διαπιστώνουμε ότι έχουν διαφορετικές ενδείξεις θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται τις περισσότερες φορές στην κακή κατασκευή ή την κακή βαθμονόμηση του θερμομέτρου που χρησιμοποιείται. Όταν απαιτούνται ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασίας, πρέπει να ελέγχουμε το θερμόμετρό μας και να διορθώνουμε τις τιμές του, αν χρειάζεται. Η σωστή βαθμονόμηση ενός θερμομέτρου μπορεί να γίνει όταν γνωρίζουμε δύο φυσικές σταθερές τιμές ενός σώματος. Για παράδειγμα χρησιμοποιούμε την ιδιότητα του καθαρού νερού να παγώνει στους 0 οc και να βράζει στους 100 οc
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ; Πείραμα 2 o Με βάση παρατηρήσεις σου στο πείραμα 2, γράψε τα συμπεράσματά σου με μορφή οδηγιών για το πώς πρέπει να γίνεται μια μέτρηση θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας είναι δυνατό να δίνουν λανθασμένες τιμές και λόγω κακής μέτρησης από εμάς. Η απόσταση και η γωνία μέτρησης είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τις μετρήσεις μας. Συγκεκριμένα: Η απόσταση παρατήρησης να είναι τέτοια ώστε η τιμή του θερμομέτρου να μην επηρεάζεται από την αναπνοή μας ή από το άγγιγμά μας Η παρατήρηση να γίνεται κάθετα προς το θερμόμετρο (η γωνία παρατήρησης σε σχέση με το θερμόμετρο να είναι 90ο)στην περίπτωση που το θερμόμετρο είναι όπως της εικόνας του πειράματος 2 Οι ενδείξεις του θερμομέτρου να έχουν συγκριθεί με ένα άλλο θερμόμετρο και να είμαστε σίγουροι για την ορθή λειτουργία του. Το θερμόμετρο να λειτουργεί σωστά στην περιοχή των θερμοκρασιών που μετράμε.(δεν λειτουργούν σωστά τα θερμόμετρα σε όλες τις θερμοκρασίες- δηλαδή «κατάλληλο θερμόμετρο».
ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ Κλίμακα Κελσίου - Κλίμακα Φαρενάιτ Παρότι σε πάρα πολλές χώρες (και στις Ευρωπαϊκές) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας η κλίμακα Κελσίου (με μονάδα 1 0 C), σε άλλες χώρες (όπως στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, στον Καναδά και αλλού) χρησιμοποιείται η κλίμακα Φαρενάιτ (με μονάδα 1 0 F). Στην κλίμακα Φαρενάιτ η θερμοκρασία πήξης του νερού είναι 32 0 F, ενώ η θερμοκρασία βρασμού του είναι 212 0 F. Με βάση τις αντιστοιχίσεις (0 0 C 32 0 F) και (100 0 C 212 0 F) προκύπτει ότι οι κλίμακες συσχετίζονται με τις μαθηματικές σχέσεις: χ 0 C*(9/5) + 32 = y 0 F ή (χ 0 F 32) (5/9) = y 0 C Επομένως, οι μετατροπές των τιμών από τη μία κλίμακα στην άλλη απαιτούν την εφαρμογή κάποιας από τις δύο μαθηματικές σχέσεις. Για παράδειγμα, 180C (9/5)+ 32 = 64,40F
ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ Ευκολότερα οι μετατροπές γίνονται σχεδιάζοντας, με βάση τις αντιστοιχίσεις (0 0 C 32 0 F) και (100 0 C 212 0 F), μια ευθεία γραμμή στο παρακάτω διάγραμμα. Διαπιστώνουμε εύκολα (με υπολογισμό και σύγκριση) ότι το διάγραμμα δίνει προσεγγιστικές τιμές σε σχέση με αυτές από τη μαθηματική σχέση.
ΥΛΙΚΟ ΟΠΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ 1. Μεταβολή θερμοκρασίας (Διάγραμμα Θερμοκρασίας-χρόνου) 2. Κλίμακες Celsius Fahrenheit Kelvin (a) 3. Κλίμακες Celsius Fahrenheit Kelvin (β) 4. Κλίμακες Celsius Fahrenheit Kelvin (quiz) 5. Είδη Θερμομέτρων 6. Θερμοκρασία Τήξης Βρασμού του νερού