Plan Τίτλος: Πήλινη κανάτα με νερό-μεταφορά ενέργειας Θέματα: Πήλινη κανάτα με νερό, μεταφορά ενέργειας Διάρκεια: : 90 λεπτά (2 μαθήματα) Ηλικία: 14-15 χρονών μαθητές Διαφοροποίηση: Οι πιο ικανοί μαθητές καλούνται να απεικονίσουν την αλλαγή της θερμοκρασίας και της υγρασίας σε μια γραφική παράσταση για τις δύο κανάτες Συζήτηση για τη θερμοκρασία και τη σημασία της υγρασίας του αέρα για τον άνθρωπο και το περιβάλλον Οι μαθητές που ολοκληρώνουν τις δραστηριότητες γρήγορα, καλούνται να εργαστούν δραστηριότητες προέκτασης που παρέχονται. Απαραίτητος εξοπλισμός: 2 πήλινες κανάτες 2 καπάκια με μικρές οπές για να κλείσουν οι κανάτες. Ζεστό νερό (στους 70 oc) 2 αισθητήρες θερμοκρασίας (από -25 oc έως 110 oc) ή θερμόμετρα 2 αισθητήρες υγρασίας Πλαστική σακούλα Μια λωρίδα για να δεθεί η πλαστική σακούλα σύστημα διδασκαλίας στον ηλεκτρονικό υπολογιστή (Nova5000, Xplorer GLX ή άλλο) Βιβλία φύλλο εργασίας. Προαπαιτούμενη Γνώση: Έννοιες της θερμοκρασίας, της ενέργειας, της υγρασίας του αέρα y = f (x) γραφική παράσταση Οδηγίες, στήριξη από ICT κτλ.: Στους μαθητές γίνεται παρουσίαση του εξοπλισμού και της διαδικασίας που θα πρέπει να ακολουθήσουν γι αυτή τη δραστηριότητα. Δεδομένου ότι οι μαθητές δεν γνωρίζουν τα αποτελέσματα για αυτή τη δραστηριότητα, καλούνται να συζητήσουν σε ομάδες. Ση συνέχεια γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων σε ομάδες. Στόχοι για αυτή τη δραστηριότητα: Όλοι οι μαθητές θα μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία. Θα είναι σε θέση να περιγράψουν τη διαδικασία της εξάτμισης. Σύμφωνα με τις οδηγίες, θα είναι σε θέση να οργανώσουν τις συσκευές που θα χρειαστούν για τη δραστηριότητα Οι περισσότεροι μαθητές Θα είναι σε θέση να προσδιορίσουν τη θερμοκρασία ως εσωτερική μέτρηση της ενέργειας του σώματος. Θα είναι σε θέση να περιγράψουν τις παραμέτρους και να προσδιορίσουν τις αλλαγές στις διάφορες φάσεις. Θα είναι σε θέση να συμπληρώσουν τις γραφικές παραστάσεις για τις αλλαγές στην υγρασία και τη θερμοκρασία. Από τις γραφικές παραστάσεις, θα είναι σε θέση να εξηγήσουν τις διαδικασίες μεταφοράς της θερμότητας. 1
Plan Υγεία και ασφάλεια: Ασφαλής χειρισμός των πειραματικών εργαλείων και του ζεστού νερού. Περιγραφή μαθήματος Ορισμένοι μαθητές Θα είναι σε θέση να βρουν τη σύνδεση μεταξύ του μεταβολισμού της θερμότητας σε μια πήλινη κανάτα ή σε ένα ανθρώπινο σώμα όταν ιδρώνει. Θα είναι σε θέση να προσδιορίσουν τη σημασία της υγρασίας του αέρα για τον άνθρωπο και το περιβάλλον του. Αρχική Δραστηριότητα Οι μαθητές εισέρχονται στην τάξη και τοποθετούν τα αντικείμενα τους. Οι μαθητές καλούνται να ανακαλέσουν προηγούμενη γνώση από τα μαθηματικά ως προς την ανάλυση των γραφικών παραστάσεων ούτως ώστε να μπορέσουν να αξιολογήσουν το ρυθμό της αλλαγής της διαδικασίας. Οι μαθητές ρίχνουν ζεστό νερό σε ένα μεταλλικό δοχείο και σε μια πήλινη κανάτα και στη συνέχεια τοποθετούν τα καπάκια. Μετά από λίγη ώρα μετρούν τη θερμοκρασία και στα δύο δοχεία. Οι μαθητές καλούνται να ανακαλύψουν σε ποιο δοχείο παρατηρήθηκε η υψηλότερη θερμοκρασία; Γιατί; Οι μαθητές καλούνται να εξηγήσουν το νόμο της αντοχής ενέργειας σε περίπτωση που προκύπτουν διάφορες αλλαγές της φυσικής ενέργειας. Κύρια Δραστηριότητα Στους μαθητές δίδεται το φύλλο εργασίας ενώ τους δίδονται και πρακτικές εξηγήσεις. Οι μαθητές τοποθετούν τις συσκευές, όπως φαίνονται και στην εικόνα: Ρίχνουν την ίδια ποσότητα νερού και της ίδιας θερμοκρασίας στις κανάτες (γεμίζουν τα 2/3 της κανάτας). Τοποθετούν τα πήλινο σκεύος σε μια πλαστική σακούλα. Τοποθετούν τους αισθητήρες μέτρησης της θερμοκρασίας σε κάθε τρύπα που βρίσκεται στο καπάκι. Τοποθετούν έναν αισθητήρα μέτρησης της υγρασίας σε μια πλαστική σακούλα στη 2η κανάτα. Δένουν την πλαστική σακούλα γύρω από την κανάτα για 10 λεπτά. Μετά από 10 λεπτά βγάζουν τη σακούλα από τις κανάτες. Παρατηρούν τις μεταβολές στην υγρασία και τη θερμοκρασία για 10-15 λεπτά. Οι αλλαγές είναι ακόμη πιο έντονες με τη χρήση του Nova5000 Μέτρηση της θερμοκρασίας t = f (τ) γραφική παράσταση Μέτρηση της υγρασίας ρ = f (τ) γραφική παράσταση 2
Plan Δραστηριότητα Προέκτασης Οι πιο ικανοί μαθητές μπορούν να προσδιορίσουν τυχόν προβλήματα που μπορεί να υπήρξαν με το πείραμα και κατά πόσο μπορούν να γίνουν βελτιώσεις. Φύλλο εργασίας Οι μαθητές συμπληρώνουν το φύλλο εργασίας ατομικά. Καταγράφουν τα αποτελέσματα, συμπληρώνουν τους πίνακες με τις μετρήσεις της θερμοκρασίας (t) και της υγρασίας (ρ), σχεδιάζουν γραφικές παραστάσεις t = f (τ) και ρ = f(τ) και προσδιορίζουν τις αρχικές και τελικέ τιμές της θερμοκρασίας και της υγρασίας καθώς και τις αλλαγές στις μετρήσεις ανάμεσα στις δύο κανάτες Οι πιο ικανοί μαθητές μπορούν να απεικονίσουν τις αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία της 1 ης κανάτας σε μία γραφική παράσταση και τις αλλαγές της θερμοκρασία και της υγρασία στη 2 η κανάτα σε άλλη γραφική παράσταση. Στη συνέχεια καλούνται να εξηγήσουν τις αλλαγές αυτών των παραμέτρων. Δραστηριότητα Επέκτασης Οι μαθητές που ολοκληρώνουν τις δραστηριότητες γρήγορα μπορούν να συνεχίσουν με τη δραστηριότητα επέκτασης. Τελική Δραστηριότητα Οι μαθητές καλούνται να προσδιορίσουν τους λόγους για τυχόν περίεργα αποτελέσματα. Οι μαθητές καλούνται να προβούν σε συμπεράσματα σε σχέση με τις αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία και στις δύο κανάτες και να εξηγήσουν τους λόγους για τυχόν διαφορές ανάμεσα στις δύο κανάτες. Οι πιο ικανοί μαθητές μπορούν να συζητήσουν κατά πόσο συσχετίζονται η μεταφορά ενέργειας μέσα σε μια κανάτα με τη μεταφορά ενέργειας σε ένα ανθρώπινο σώμα καθώς ιδρώνει. 3
Worksheet Νερό σε πήλινη κανάτα-μεταφορά θερμότητας Η μεταφορά θερμότητας μέσω ενός αγωγού συμβαίνει όταν η θερμότητα που εξαπλώνεται από το ένα σώμα στο άλλο ή εντός του ίδιου του σώματος. Οι ουσίες που μπορούν να μεταφέρουν την θερμότητα πολύ καλά, ονομάζονται καλοί αγωγοί της θερμότητας (π.χ.: ασήμι, χαλκός, χρυσός και άλλα μέταλλα). Τα υλικά, που δεν είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας ονομάζονται θερμομονωτικά, (π.χ.: πλαστικό, ξύλο, γυαλί, αέρας και άλλα). Στην παλαιά εποχή οι νομαδικές φυλές ζούσαν σε ζεστό και ξηρό περιβάλλον και έτσι χρησιμοποιούσαν τις πήλινες κανάτες για να διατηρούν το νερό κρύο. Ο πηλός είναι πορώδες υλικό, και ως εκ τούτου, το νερό μπορεί να διεισδύσει μέσα από αυτό και να εξατμιστεί. Η θερμοκρασία των σωμάτων μετριέται με διάφορους τύπους θερμομέτρων. Ο κανόνας της μέτρησης είναι πολύ απλός: το θερμόμετρο θα πρέπει να παραμείνει για κάποιο χρονικό διάστημα πάνω στο σώμα, έτσι ώστε η θερμοκρασία του σώματος και η θερμοκρασία του θερμόμετρο να έρθουν σε ισορροπία (ισορροπία θερμότητας). Η θερμοκρασία περιγράφει τη κατάσταση ισορροπίας μεταξύ της θερμότητας κάποιων σωμάτων. Αναμιγνύοντας αέρια σε διαφορετικές θερμοκρασίες εξισώνεται η μέση κινητική ενέργεια της άτακτης και ακανόνιστης κίνησης των μορίων, εξασφαλίζοντας τη κοινή θερμοκρασία. Πιστεύεται ότι, η θερμοκρασία είναι μια μέτρηση για τη μέση κινητική ενέργεια της άτακτης κίνησης των σωματιδίων. Η ταχύτητα των υγρών μορίων της ίδιας θερμοκρασίας είναι διαφορετική. Τα μόρια με τη γρηγορότερη ταχύτητα ξεπερνούν την μοριακή έλξη και εκτινάσσονται από το υγρό ή όπως κοινά λέγεται, το υγρό εξατμίζεται. Έχοντας εκτιναχθεί από το υγρό, τα μόρια κινούνται άτακτα και συγκεντρώνονται στην επιφάνεια του υγρού. Μερικά από αυτά επιστρέφουν πίσω στο υγρό με τον ατμό να συμπυκνώνεται. Σε κλειστά δοχεία, πολλά μόρια των ατμών επιστρέφουν πίσω μέσα στο υγρό. Τέτοιες ατμός, ο οποίος είναι σε δυναμική ισορροπία με το υγρό, ονομάζεται κορεσμένος ατμός. Η Γη είναι ο μοναδικός πλανήτης εξ όσων γνωρίζουμε, στον οποίο υπάρχουν πολλά επιφανειακά ύδατα. Στην ατμόσφαιρα υπάρχουν υδρατμοί, οι οποίοι έχουν επίδραση σε πολλές διεργασίες που συμβαίνουν στην επιφάνεια της Γης. Η ποσότητα των υδρατμών στην ατμόσφαιρα ονομάζεται υγρασία του αέρα και αλλάζει συνεχώς. Η υγρασία είναι σημαντική για την βλάστηση, επηρεάζει τα ζώα και την υγεία του ανθρώπου. Η υγρασία επηρεάζει τα κτίρια και τα έργα τέχνης. Είναι σημαντικό να διατηρηθεί η κατάλληλη υγρασία σε διάφορες εγκαταστάσεις, αφού επηρεάζεται η διατήρηση φρούτων, λαχανικών, και τροφών. Η καλή υγεία του ανθρώπου χρειάζεται την ύπαρξη της υγρασίας σε ποσοστά 40% έως 60%. Το χειμώνα λόγω της θέρμανσης που βρίσκεται στους χώρους διαμονής και εργασίας η σχετική υγρασία δεν φθάνει το 20%, με αποτέλεσμα η βλεννογόνος της μύτης, ο λάρυγγας και οι πνεύμονες να ξεραίνονται. Έτσι, οι χώροι αυτοί θα πρέπει να υγραίνονται το χειμώνα. Η υψηλή θερμοκρασία του περιβάλλοντος μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος. Παρόλο που το δέρμα αισθάνεται την αλλαγή στην εξωτερική θερμοκρασία, ωστόσο η ρύθμιση της θερμοκρασίας που βρίσκεται στο διάμεσο του εγκεφάλου είναι ευαίσθητη μόνο στις αλλαγές της θερμοκρασίας του αίματος. Έτσι, όταν η θερμοκρασία του σώματος είναι υψηλότερη από το κανονικό, το κέντρο ελέγχου στέλνει τα σήματα, τα 4
Worksheet οποία κάνουν τις αρτιόλες που βρίσκονται στην επιφάνεια του δέρματος να διευρυνθούν, προκαλώντας πιο ζεστή ροή του αίματος σε αυτά, κοκκινίζοντας το δέρμα. Επίσης, οι ιδρωτοποιοί αδένες ενεργοποιούνται, οι οποίοι με τη σειρά τους αυξάνουν την ποσότητα του παραγόμενου ιδρώτα. Ο ιδρώτας βγαίνει στην επιφάνεια του δέρματος και στη συνέχεια εξατμίζεται, μειώνοντας την ποσότητα της θερμότητας στην επιφάνεια του δέρματος. Η επιφάνεια του δέρματος και το αίμα δροσίζεται. Εάν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μειώνεται, τότε το κέντρο ελέγχου ανάβει το μηχανισμό εξοικονόμησης θερμότητας. Στη συνέχεια, οι αρτιόλες που βρίσκονται στην επιφάνεια του δέρματος συρρικνώνονται, ενώ οι βαθιές διευρύνονται. Με αυτόν τον τρόπο, διατηρείται μια φυσιολογική θερμοκρασία του σώματος Ερωτήσεις Απαντήσεις 1. Τι περιγράφει η θερμοκρασία; 2. Τι είναι η θερμοκρασία; 3. Τι είναι η υγρασία; 4. Δίδονται οι παρακάτω εξισώσεις y = 3x; y = 4x. Σχεδιάστε y = f (x) μια γραφική παράσταση και συγκρίνετε τις αλλαγές στις τιμές τους 5
Answer sheet Νερό σε πήλινη κανάτα-μεταφορά Θερμότητας Φύλλο Απαντήσεων Καταχωρήστε τα δεδομένα στους πίνακες Μεταφορά θερμότητας και υγρασίας Διάρκεια πειράματος τ (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 του Θερμοκρασία της 1 ης κανάτας, t ( 0 C) Θερμοκρασία της 2 ης κανάτας, t ( 0 C) Υγρασία κοντά στη 1 η κανάτα ρ (%) Αφαίρεση της πλαστικής σακούλας από τη 1 η κανάτα Υγρασία κοντά στη 2 η κανάτα ρ (%) Διάρκεια πειράματος τ (min) 1 του Θερμοκρασία της 1 ης κανάτας, t ( 0 C) Θερμοκρασία της 2 ης κανάτας, t ( 0 C) Υγρασία κοντά στη 1 η κανάτα ρ (%) Υγρασία κοντά στη 2 η κανάτα ρ (%) 2 3 4 5 6 7 8 9 6
Answer sheet 10 Με βάση τα δεδομένα από τους πίνακες, σχεδιάστε μια γραφική παράσταση που να δείχνει τη μεταφορά της θερμοκρασίας στη 1 η και 2 η κανάτα. t = f (τ): Με βάση τη γραφική παράσταση, προσδιορίστε την αρχική και τελική τιμή της θερμοκρασίας καθώς επίσης και τις αλλαγές που έγιναν σε αυτές: t 1 = t 2 = Δt = 1 η κανάτα με πλαστική σακούλα: t 3 = t 4 = Δt = 1 η κανάτα χωρίς πλαστική σακούλα: t 1 = t 2 = 2 η κανάτα στο δωμάτιο (στα δύο πρώτα λεπτά): 7
Answer sheet Δt = 2 η κανάτα στο δωμάτιο στα δύο τελευταία λεπτά): t 3 = t 4 = Δt = Με βάση τα δεδομένα στους πίνακες, σχεδιάστε μια γραφική παράσταση που να δείχνει τη μεταφορά υγρασίας κοντά στη 1 η και 2 η κανάτα. ρ = f (τ): Με βάση τη γραφική παράσταση, προσδιορίστε την αρχική και τελική τιμή της υγρασίας καθώς επίσης και τις αλλαγές στις τιμές αυτές σε σχέση με την: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = 1 η κανάτα με πλαστική σακούλα: ρ 3 = 1 η κανάτα μετά την αφαίρεση της σακούλας: 8
Answer sheet ρ 4 = Δρ = Το περιβάλλον γύρω απ τη δεύτερη κανάτα: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = Απαντήστε τις ερωτήσεις: Συγκρίνετε τις αλλαγές στη θερμοκρασία: Της 1 ης κανάτας πριν την αφαίρεση και μετά την αφαίρεση της πλαστικής σακούλας και...... Της 2 ης κανάτας στο δωμάτιο τα πρώτα 2 λεπτά και τα τελευταία 2 λεπτά...... Συγκρίνετε τις αλλαγές στη θερμοκρασία και στις 2 κανάτες: Ήταν οι ίδιες;..... Εξηγήστε τυχόν διαφορές.... Συμπέρασμα: Ποιο το συμπέρασμά σας για το πώς επηρεάζει η πλαστική σακούλα: Την υγρασία μέσα στην κανάτα........ 9
Answer sheet Την αλλαγή της θερμοκρασίας του νερού μέσα στην κανάτα.... Ποιο το συμπέρασμα σας για τη μεταφορά θερμότητας μέσα στις κανάτες;... 10
Extension Διαδικασία ψύξης του νερού Τοποθετήστε το θερμόμετρο μέσα σε μια λεκάνη με ζεστό νερό και μετρήστε τη θερμοκρασία του νερού κάθε 2 λεπτά. Οι μετρήσεις δίδονται στο πιο κάτω πίνακα. Λεπτά. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Θερμοκρασία, ºC 100 88 80 74 68 64 60 58 56 54 52 50 48 47 46 Σχεδιάστε μια γραφική παράσταση ψύξης του νερού σε σχέση με το χρόνο. Υπολογίστε τη ταχύτητα της ψύξης του νερού: 0 4 λεπτά. ταχύτητα της ψύξης = 4 8 λεπτά. ταχύτητα της ψύξης = 8 12 λεπτά ταχύτητα της ψύξης = 12 16 λεπτά ταχύτητα της ψύξης = 16 20 λεπτά ταχύτητα της ψύξης = 20 24 λεπτά. ταχύτητα της ψύξης = 24 28 λεπτά ταχύτητα της ψύξης = 28 30 λεπτά ταχύτητα της ψύξης = 11
Extension Πότε παρατηρήθηκε η γρηγορότερη ψύξη? 12