ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 1. Διαστολή συστολή στερεών Πείραμα 1: Πως μπορεί να μακρύνει ένα αλουμινόχαρτο; Τι χρειάζεσαι: Μια λωρίδα από αλουμινόχαρτο μήκος περίπου 80-100 εκατοστών του μέτρου (cm) και πλάτους 2-3cm, δύο άδεια μπουκάλια κρασιού με τους φελλούς τους, (ή μεγάλα πλαστικά μπουκάλια με τα καπάκια τους) ένα γκαζάκι, σπίρτα. Τι θα κάνεις: Βάλε τα μπουκάλια όρθια πάνω στο τραπέζι. Τοποθέτησε τη μια άκρη από την λωρίδα του αλουμινόχαρτου στο στόμιο (άνοιγμα) του ενός μπουκαλιού και την άλλη στο στόμιο του άλλου. Κλείσε τα μπουκάλια με το φελλό τους έτσι ώστε κάθε άκρη του αλουμινόχαρτου να στερεωθεί σε ένα μπουκάλι. Τράβηξε τα μπουκάλια ώστε να απομακρυνθούν μεταξύ τους, όρθια πάνω στο τραπέζι, και το αλουμινόχαρτο να τεντωθεί ελαφρά (όχι πολύ). Άναψε το γκαζάκι και κρατώντας το με το χέρι να το κινείς κάτω από το αλουμινόχαρτο ώστε να το ζεσταίνεις όλο, βλέπε φωτογραφία 33. Τι θα δεις: Η λωρίδα του αλουμινόχαρτου παύει να είναι οριζόντια, χαλαρώνει και κάνει κοιλιά προς τα κάτω, φωτογραφία 33. Αν απομακρύνεις το γκαζάκι, η λωρίδα πολύ γρήγορα οριζοντιώνεται πάλι. Το ανέβασμα της λωρίδας φαίνεται έντονα από μαθητές που βλέπουν στο ύψος της λωρίδας. Φωτογραφία 33 Ερμηνεία: Η λωρίδα από το αλουμινόχαρτο ζεσταίνεται και διαστέλλεται. Σημειώσεις: 1) Αν δεν έχεις μπουκάλια κρασιού μπορείς να χρησιμοποιήσεις μεγάλα πλαστικά μπουκάλια νερού ή αναψυκτικών. Στην περίπτωση αυτή βάλε λίγο νερό μέσα στα μπουκάλια για να είναι βαριά. Και στην περίπτωση αυτή τοποθέτησε την λωρίδα του αλουμινόχαρτου όπως πριν και κλείσε τα μπουκάλια με τα καπάκια τους. Τα δυο μπουκάλια να έχουν ίδιο μεταξύ τους ύψος 2) Τα μπουκάλια απαιτείται να είναι ψηλά ώστε να μπορείς να κινήσεις άνετα το αναμμένο γκαζάκι κάτω από τη λωρίδα 3) Μην τοποθετήσεις το γκαζάκι κάτω από το αλουμινόχαρτο σε ένα σταθερό σημείο, ή μην το αφήσεις πολύ χρόνο σε ένα σημείο, υπάρχει κίνδυνος να καεί και να κοπεί το αλουμινόχαρτο. Κίνησε το γκαζάκι πέρα δώθε κάτω από την ταινία του αλουμινόχαρτου. Αν σου κοπεί το αλουμινόχαρτο (κάηκε) επανάλαβε το πείραμα κινώντας πιο γρήγορα το γκαζάκι 4) Αν δεν φαίνεται καλά το αποτέλεσμα άφησε πιο χαλαρή τη λωρίδα του αλουμινόχαρτου. 5) Το ίδιο συμβαίνει το καλοκαίρι με τα καλώδια της ΔΕΗ, τα οποία φαίνονται να κρέμονται χαλαρά μεταξύ δυο στύλων. 1
Πείραμα 2: Η βελόνα που κινείται. Τι χρειάζεσαι: Ένα μακρύ και λεπτό (π.χ. Ν ο 3 ή Ν ο 2,5) μεταλλικό βελόνι πλεξίματος, μια σχετικά μεγάλη κυλινδρική και χοντρή βελόνα ραψίματος («σακοράφα»), δυο άδεια μπουκάλια κρασιού το ένα με το φελλό του, χαρτί, ένα ψαλίδι, ένα γκαζάκι Τι θα κάνεις: Κόψε μια λωρίδα χαρτιού μήκους 8 cm και πλάτους 1 cm. Κόψε τη μια άκρη της σαν βέλος (φωτογραφία 34α). Στο μέσο της λωρίδας πέρασε, κάθετα σε αυτήν, την βελόνα ραψίματος. Στερέωσε τη βελόνα πάνω στο στόμιο του ενός μπουκαλιού, να ακουμπάει δηλαδή ή βελόνα σε δυο αντιδιαμετρικά σημεία στα χείλη του μπουκαλιού, φροντίζοντας ώστε η χάρτινη λωρίδα να είναι οριζόντια και να μην ακουμπάει στο τοίχωμα του μπουκαλιού, φωτογραφία 34α. Φωτογραφία 34α Αν δεν μένει οριζόντια, έλεγξε αν είναι η βελόνα ακριβώς στη μέση της λωρίδας και κάνε της απαραίτητες διορθώσεις ή κόψε λίγο χαρτί από το μέρος που γέρνει. Κλείσε το άλλο μπουκάλι με το φελλό του. Κάρφωσε ελαφρά τη μύτη από το βελόνι πλεξίματος στο φελλό, ακριβώς εκεί που ο φελλός ακουμπάει στο γυαλί. Ακούμπησε την άλλη άκρη του βελονιού πάνω στην βελόνα που βρίσκεται στο άλλο μπουκάλι, φωτογραφία 34β. Βεβαιώσου ότι ακουμπάει καλά πάνω στη βελόνα, καλύτερα να την πιέζει προς τα κάτω. Άναψε το γκαζάκι και κρατώντας το με το χέρι σου κίνησέ το ελαφρά κάτω από το βελόνι πλεξίματος, φωτογραφία 34γ, ώστε το βελόνι να ζεσταθεί. Τι θα δεις: Η χάρτινη λωρίδα στρέφεται (δείκτης) και σιγά - σιγά πλησιάζει την κατακόρυφη διεύθυνση. Αν απομακρύνεις το αναμμένο γκαζάκι ο δείκτης επιστρέφει σιγά - σιγά στην αρχική του, οριζόντια, θέση. Ερμηνεία: Το μεταλλικό (από αλουμίνιο) βελόνι θερμαινόμενο επιμηκύνεται και γλιστράει πάνω στη βελόνα την οποία αναγκάζει να περιστραφεί. Η βελόνα με τη σειρά της αναγκάζει τη χάρτινη λωρίδα (δείκτη) σε περιστροφή, από οριζόντια στη φωτογραφία 34β έγινε κατακόρυφη στην 34γ). 2
Φωτογραφία 34β Φωτογραφία 34γ Σημείωση: Επειδή διάφοροι κραδασμοί μπορούν να κάνουν το βελόνι να γλιστράει ελαφρά, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα περιστροφή της βελόνας και άρα και του δείχτη, το πείραμα πρέπει να γίνεται σε σταθερή επιφάνεια π.χ. αν το πείραμα γίνεται σε τραπέζι πάνω σε ξύλινο πάτωμα ενδεχόμενα να μην πετυχαίνει, ανάλογα βέβαια με την ταλάντωση του πατώματος. 3
2. Διαστολή συστολή υγρών Πείραμα 1: Το νερό που ανεβαίνει στο καλαμάκι Τι χρειάζεσαι: Ένα μικρό γυάλινο μπουκάλι με βιδωτό καπάκι, ένα διαφανές (ή έστω ανοιχτόχρωμο) καλαμάκι, ένα χοντρό καρφί, ένα σφυρί, πλαστελίνη, νερό, ένα γκαζάκι ή ένα ηλεκτρικό μάτι, ένα μπρίκι, τέμπερα π.χ. κόκκινη ή μαύρη, ένα μπολ. Τι θα κάνεις: Γέμισε το μπρίκι με νερό και βάλε το να ζεσταθεί. Γύρισε το καπάκι ανάποδα, πάνω σε ένα άχρηστο κομμάτι ξύλου και με τη βοήθεια του καρφιού και του σφυριού τρύπησέ το, έτσι ώστε από την τρύπα να χωράει να περάσει το καλαμάκι. Βάλε το καλαμάκι όρθιο μέσα στην τρύπα, έτσι ώστε ένα πολύ μικρό του μέρος να είναι στο μέσα μέρος από το καπάκι (δηλ. μέσα στο μπουκάλι όταν βιδωθεί το καπάκι στη θέση του) και το μεγαλύτερο μέρος έξω από το μπουκάλι. Γέμισε τελείως το μπουκάλι με νερό στο οποίο έχεις ρίξει λίγη τέμπερα (ώστε να φαίνεται, όταν ανεβαίνει στο καλαμάκι). Βίδωσε το καπάκι στη θέση του, φωτογραφία 35α. Πίεσε λίγη πλαστελίνη γύρω από την περιοχή που βγαίνει το καλαμάκι από το μπουκάλι ώστε να κλείσει όποια μικρή τρύπα τυχόν έμεινε ανάμεσα στο καλαμάκι και στο τοίχωμα από την τρύπα που είχες κάνει στο καπάκι. Βάλε το μπουκάλι μέσα στο μπολ. Ρίξε στο μπολ το ζεστό νερό. Αν δεν έχεις εύκολο ένα μπολ, φτιάξε χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο πλαστικό μπουκάλι από αναψυκτικό. Τι θα δεις: Το νερό που ήταν μέσα στο μπουκάλι, ανεβαίνει στο καλαμάκι, φωτογραφία 35β. Όσο περισσότερο ζεσταίνεται, τόσο περισσότερο ανεβαίνει (στη φωτογραφία το μπουκάλι περιέχει οινόπνευμα). Φωτογραφία 35α Φωτογραφία 35β 4
Ερμηνεία: Το νερό, όταν θερμαίνεται (από 4 o C και πάνω) διαστέλλεται. Σημειώσεις: 1) Ένας εύκολος τρόπος (αναφέρεται σε πολλά βιβλία) για να κλείσεις το στόμιο, ολόκληρο, οποιουδήποτε γυάλινου μπουκαλιού, είναι να χρησιμοποιήσεις πλαστελίνη. Το πρόβλημα όμως είναι ότι η πλαστελίνη ζεσταίνεται, όταν ζεσταίνεται το νερό που περιέχει το μπουκάλι, και δημιουργεί ρωγμές, με το ανεπιθύμητο αποτέλεσμα να διαρρέει το υγρό, ή μέρος του, στο περιβάλλον και να μην ανεβαίνει στο καλαμάκι. 2) Μπορείς να βρεις ένα μικρό γυάλινο μπουκάλι με βιδωτό καπάκι, π.χ. μπουκάλι από φυσικό μεταλλικό νερό Ιόλη ή Δουμπιά, μικρό μπουκάλι ούζου κτλ. Αυτό έχει μεταλλικό καπάκι. Μπορείς να το τρυπήσεις με τρυπάνι η με χοντρό καρφί και σφυρί. Μπορείς ακόμη να αντικαταστήσεις το μεταλλικό καπάκι με πλαστικό. Π.χ. το πλαστικό καπάκι από Σπράιτ, κόκα- κόλα, ΗΒΗ, από ορισμένα νερά κτλ. ταιριάζει. Το πλαστικό καπάκι μπορείς να το τρυπήσεις θερμαίνοντας σε γκαζάκι ένα μεγάλο καρφί, κρατώντας το π.χ. με πένσα ή κάτι άλλο που έχει λαβή με μονωτικό, και να ακουμπήσεις κάθετα το καρφί στο μέρος του πλαστικού που θέλεις να τρυπήσεις. Νύξεις για μεθοδολογία Μετά την εκτέλεση του πειράματος μπορεί: 1) Ο Δάσκαλος να θέσει στα παιδιά την ερώτηση: Τι μπορούμε να ψάξουμε στη συνέχεια; Επιθυμητή απάντηση των παιδιών: Από τι εξαρτάται πόσο διαστέλλεται ένα υγρό. 2) Ο Δάσκαλος ζητά από τα παιδιά να διατυπώσουν υποθέσεις Επιθυμητές απαντήσεις των παιδιών α) από το είδος του υγρού που θα είναι στο μπουκάλι β) από τη θερμοκρασία του λουτρού στο οποίο θα μπει το μπουκάλι γ) από το μέγεθος του μπουκαλιού δ).. 3) Ο δάσκαλος ζητά από τα παιδιά να ελέγξουν την κάθε διατυπωμένη υπόθεση Τα παιδιά σχεδιάζουν πείραμα όπου κάθε φορά κρατούνται σταθερές όλες οι άλλες μεταβλητές και αλλάζει μόνο αυτή που θέλουν να ελέγξουν. Για παράδειγμα για τον έλεγχο της πρώτης υπόθεσης ετοιμάζονται περισσότερα από ένα μπουκάλια, γεμίζονται με διαφορετικά υγρά π.χ. νερό, οινόπνευμα και λάδι και βυθίζονται σε μια μικρή λεκάνη (τάπερ) με ζεστό νερό (Κουμαράς 2012). Προσοχή! Αν το μπουκάλι δεν είναι καλά γεμάτο (έχει ένα, μικρό όμως, κενό) θα αργήσεις να δεις το ανέβασμα, γιατί πρώτα γεμίζει το κενό του μπουκαλιού (η χωρίς να φαίνεται ότι γέμισε με υγρό έχει γεμίσει με ατμούς που ανεβάζουν την πίεση κτλ.). Αν δεν δεις το νερό να ανεβαίνει έλεγξε αν το μπουκάλι είναι τελείως γεμάτο, ή μήπως χάνει από κάπου. Το πιθανότερο είναι να χάνει από την τρύπα που έχεις περάσει το καλαμάκι ή να θέλει προσεκτικότερο βίδωμα του καπακιού του. 5
Παρατήρηση: Αν στο μπουκάλι έχεις βάλει λίγο υγρό, είναι όμως το καλαμάκι βυθισμένο μέσα σε αυτό, και το θερμάνεις θα παρατηρήσεις ότι το υγρό ανεβαίνει στο καλαμάκι, φωτογραφία 35γ. Αυτό όμως οφείλεται κυρίως στη διαστολή του αέρα. Δεν είναι όμως καλό πείραμα ούτε για τη διαστολή του αέρα, μια και δεν είναι μόνο αυτό το φαινόμενο, καταλληλότερο είναι το πείραμα που περιγράφεται στη συνέχεια, στην παράγραφο 4. Φωτογραφία 35γ 3. Μεταβολή της πυκνότητας του νερού με την θερμοκρασία - Η θερμότητα μεταδίδεται με ρεύματα. Τι χρειάζεσαι: ένα κοντό μπουκάλι (π.χ. μπουκάλι από παιδικό αντιβιοτικό ή μπουκάλι από Σουρωτή), ένα πλαστικό μπουκάλι αναψυκτικού των 2 λίτρων (π.χ. κόκα κόλας), νερό βρύσης, ζεστό νερό, τέμπερα. Τι θα κάνεις: Πάρε το μεγάλο πλαστικό μπουκάλι και κόψε το πάνω μέρος του, εκεί που αρχίζει να στενεύει. Έχεις έτσι φτιάξει ένα στενό και ψηλό κυλινδρικό δοχείο. Βάλε στο δοχείο αυτό νερό από τη βρύση. Γέμισε το κοντό μπουκάλι με πολύ ζεστό νερό μέσα στο οποίο έχεις διαλύσει τέμπερα π.χ. κόκκινη ή μαύρη, ώστε το ζεστό νερό να έχει αποκτήσει χρώμα. Τοποθέτησε το μικρό μπουκάλι μέσα στο στενό και ψηλό κυλινδρικό δοχείο. Πρόσεξε μη χύσεις το νερό από το μικρό μπουκάλι. Πρέπει το στόμιο του μικρού μπουκαλιού να καλυφθεί από το κρύο νερό και να υπάρχει και αρκετό νερό πάνω από αυτό. ΠΡΟΣΟΧΗ: στο στενό και ψηλό κυλινδρικό δοχείο πρέπει να βάλεις τόσο νερό όσο να μην ξεχειλίσει όταν βάλεις μέσα σε αυτό το κοντό μπουκάλι με το ζεστό νερό. Για να μην έχεις πρόβλημα εκείνη τη στιγμή, πριν γεμίσεις με ζεστό νερό το κοντό μπουκάλι, μπορείς κρατώντας άδειο το κοντό μπουκάλι μέσα στο ψηλό κυλινδρικό δοχείο να βάλεις στο δοχείο την κατάλληλη ποσότητα νερού. Τι θα δεις: Κόκκινο νερό βγαίνει σα σύννεφο από το μικρό μπουκάλι και ανεβαίνει προς την επιφάνεια, φωτογραφία 36 α (μαύρο στη φωτογραφία για να διακρίνεται). Στη συνέχεια παρατηρείς ότι το κόκκινο νερό μένει στην επιφάνεια, φωτογραφία 36β. Ερμηνεία: Το ζεστό νερό έχει πυκνότητα μικρότερη από την πυκνότητα του κρύου νερού, και γι αυτό ανεβαίνει (δεν ισχύει για την περιοχή 0 4 o C). 6
Φωτογραφία 36α Φωτογραφία 36β Σημειώσεις: 1) Με το παραπάνω πείραμα μπορείς να εξηγήσεις γιατί στους θερμοσίφωνες η παροχή του (κρύου) νερού είναι στο κάτω μέρος του και η έξοδος (του ζεστού) είναι στο πάνω μέρος, οπότε ο θερμοσίφωνας μένει πάντα γεμάτος. Επίσης μπορείς να εξηγήσεις την κυκλοφορία του υγρού στο κλειστό, θερμαντικό σύστημα του ηλιακού θερμοσίφωνα. 2) Πιο εντυπωσιακό λόγω της μεγαλύτερης διαδρομής του κόκκινου ζεστού νερού θα είναι αν βρεις ένα υψηλό διάφανο δοχείο. 3) Πιο εντυπωσιακό επίσης, λόγω της μεγαλύτερης διαδρομής του κόκκινου ζεστού νερού, (αλλά και πιο δύσκολο) γίνεται το πείραμα αν γεμίσεις ένα διαφανές μπουκάλι με ζεστό κόκκινο νερό και ένα όμοιο με κρύο νερό. Σκέπασε το μπουκάλι που περιέχει το κρύο νερό με ένα μικρό χαρτόνι, φωτογραφία 37α. Κράτησε με την παλάμη σου το χαρτονάκι και αναποδογύρισε προσεκτικά το μπουκάλι με το κρύο νερό πάνω στο μπουκάλι με το ζεστό νερό. Αφαίρεσε το χαρτονάκι, κρατώντας προσεκτικά τα μπουκάλια για να μη χυθεί το νερό. Θα παρατηρήσεις το κόκκινο (ζεστό ) νερό να ανεβαίνει στο πάνω μπουκάλι με το κρύο νερό, φωτογραφία 37β. ΠΡΟΣΟΧΗ: Χρειάζεσαι πλατύστομα μπουκάλια (π.χ. μπουκάλια από κέτσαπ, χυμό από ρόδι, Pumaro κ.ά.) για να ισορροπούν ευκολότερα. Στη συνέχεια για να κατεβάσεις το μπουκάλι με το κρύο νερό σπρώξε ένα χαρτονάκι ώστε να μπει κάτω από το στόμια αυτού του μπουκαλιού και στη συνέχεια το κρατάς σαν καπάκι του μπουκαλιού και κατεβάζεις το μπουκάλι. 7
Φωτογραφία 37α Φωτογραφία 37 Εντυπωσιακό αλλά από αλλού: Μπορείς να περάσεις ένα χοντρό μαχαίρι ανάμεσα από τα στόμια των δυο μπουκαλιών χωρίς να χυθεί σταγόνα νερού. Μπορείς να το εξηγήσεις; 8
4. Διαστολή - συστολή αερίων Πείραμα 1: Το μπαλόνι που φουσκώνει από μόνο του. Τι χρειάζεσαι: Ένα διάφανο γυάλινο μπουκάλι (π.χ. ρετσίνας), ένα μπαλόνι, ένα μπολ, ζεστό νερό. Τι θα κάνεις: Πέρνα το λαιμό του ξεφούσκωτου μπαλονιού στο λαιμό του μπουκαλιού. Βάλε το μπουκάλι μέσα στο μπολ. Ρίξε το ζεστό νερό μέσα στο μπολ. Τι θα δεις: Το μπαλόνι φουσκώνει. Αν το μπαλόνι είναι σχετικό μικρό υπάρχει μια θεαματική «ανόρθωση» του μπαλονιού καθώς φουσκώνει απότομα Ερμηνεία: Ο αέρας στο εσωτερικό του μπουκαλιού θερμαίνεται και διαστέλλεται οπότε περνά στο μπαλόνι και το φουσκώνει. Φωτογραφία γ Σημείωση: 1) Αντί να βάλεις το μπουκάλι σε ζεστό νερό μπορείς να το βάλεις σε κρύο νερό με παγάκια, οπότε μέρος από το μπαλόνι θα μπει μέσα στο μπουκάλι. Ο αέρας του μπουκαλιού κρυώνει και συστέλλεται, αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υποπίεσης μέσα στο μπουκάλι. Τελικά, η διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης και της πίεσης στο εσωτερικό του μπουκαλιού οδηγεί στο αποτέλεσμα που βλέπεις. 2) Αν χρησιμοποιήσεις ένα σχετικά μεγάλο μπαλόνι μπορείς να το δεις μισοφουσκωμένο όταν είναι προσαρμοσμένο στο στόμιο μπουκαλιού ρετσίνας (Φωτογραφία 37δ) και εμφανώς περισσότερο φουσκωμένο όταν τοποθετηθεί στο στόμιο μεγαλύτερου μπουκαλιού, π.χ. κρασιού των 750ml (Φωτογραφία 37ε). Προφανώς και τις δυο φορές τα μπουκάλια θα είναι βυθισμένα σε νερό ίδιας θερμοκρασίας. Φωτογραφία 37δ Φωτογραφία 37δ 9
Παρατήρηση: Η διαστολή του αέρα μέσα στο μπουκάλι μπορεί να θεωρηθεί ότι γίνεται με σταθερή πίεση μόνο στην αρχή. Πείραμα 2: Το νόμισμα που χοροπηδάει. Τι χρειάζεσαι: ένα μεγάλο γυάλινο μπουκάλι (καλό είναι ένα μπουκάλι κρασιού των 750 ml ή και μεγαλύτερο), ένα νόμισμα (κέρμα) που να μπορεί να κλείνει καλά το στόμιο του μπουκαλιού, ψυγείο, νερό. Τι θα κάνεις: Βάλε για περίπου 15 λεπτά το γυάλινο μπουκάλι στην κατάψυξη. Όταν βγάλεις το μπουκάλι, τοποθέτησε γρήγορα πάνω στο στόμιό του ένα βρεγμένο νόμισμα που να κλείνει καλά το στόμιο π.χ. ένα κέρμα των 50 λεπτών ή ένα άλλο κέρμα (κατά προτίμηση ελαφριού) με αντίστοιχο μέγεθος. Το νόμισμα να είναι βρεγμένο ώστε να κλείνουν τα κενά μεταξύ του νομίσματος και του μπουκαλιού. Τι θα δεις - ακούσεις: Σε λίγη ώρα (εξαρτάται και από το πόσο έχει κρυώσει το μπουκάλι) βλέπεις το νόμισμα να σηκώνεται κατά διαστήματα από το ένα μέρος του, ενώ συγχρόνως ακούς και τον ήχο που κάνει το κέρμα, καθώς επιστρέφοντας στη θέση του χτυπά στο γυάλινο στόμιο του μπουκαλιού. Ερμηνεία: Ο αέρας μέσα στο μπουκάλι ζεσταίνεται με αποτέλεσμα να αυξάνει η πίεση και άρα η δύναμη την οποία ασκεί και, επειδή δεν μπορεί να σπρώξει τα γυάλινα τοιχώματα του μπουκαλιού προς τα έξω, καταφέρνει κατά διαστήματα και σηκώνει το κέρμα (πώς;). Γιατί χρειάζεται γυάλινο μπουκάλι και όχι πλαστικό; Σημείωση: Υπάρχει περίπτωση μετά από μια αναπήδηση το νόμισμα να πέσει έτσι ώστε να μην εφάπτεται καλά στο στόμιο του μπουκαλιού και να μένει διέξοδος για τον αέρα, οπότε και σταματά το κέρμα να αναπηδά. Τα αποτελέσματα είναι καλύτερα όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του μπουκαλιού. Αν αντί για κέρμα περάσεις στο λαιμό του μπουκαλιού το λαιμό ενός ξεφούσκωτου μπαλονιού, θα παρατηρήσεις σε λίγο το μπαλόνι να φουσκώνει. Παρατήρηση: Ανάμεσα σε δυο διαδοχικά σηκώματα του κέρματος έχουμε μεταβολή με σταθερό όγκο. Πείραμα 3: Το μπουκάλι που αδυνάτισε. Τι χρειάζεσαι: Ένα άδειο μεγάλο πλαστικό μπουκάλι από αναψυκτικό με το καπάκι του, ένα ψυγείο. Τι θα κάνεις: Βίδωσε το καπάκι στο μπουκάλι και βάλε το στην κατάψυξη. Μετά από 5-10 λεπτά άνοιξε την κατάψυξη και κοίταξε το μπουκάλι. Τι θα δεις: Το μπουκάλι έχει συμπιεστεί, φωτογραφία 38. 10
Φωτογραφία 38 Ερμηνεία: Ο αέρας μέσα στο μπουκάλι κρύωσε και αυτό είχε ως αποτέλεσμα να συσταλεί. Έτσι, στο εσωτερικό του μπουκαλιού υπάρχει πίεση μικρότερη από την ατμοσφαιρική, με συνέπεια να ακολουθεί η συμπίεση του μπουκαλιού. Αυτή διαρκεί έως ότου μικρύνει τόσο ο όγκος του μπουκαλιού ώστε η πίεση μέσα σε αυτό να γίνει ίση με την ατμοσφαιρική. (δεν λαμβάνεται υπόψη η ελαστικότητα των τοιχωμάτων). Τι θα συμβεί, αν βγάλεις το μπουκάλι από την κατάψυξη και το αφήσεις βιδωμένο πάνω στο τραπέζι; Σημείωση: Τη συμπίεση των τοιχωμάτων του πλαστικού μπουκαλιού μπορείς να την παρατηρήσεις, αν μια κρύα νύχτα αφήσεις στη βεράντα βιδωμένο το πλαστικό μπουκάλι του αναψυκτικού και νωρίς το πρωί, πριν ζεστάνει η μέρα, το παρατηρήσεις. Επίσης μπορείς το καλοκαίρι να παρατηρήσεις στο ψυγείο το πλαστικό μπουκάλι του εμφιαλωμένου νερού να έχει παραμορφωθεί, όταν περιέχει λίγο νερό. Παρατήρηση: Η μεταβολή μέσα στο μπουκάλι γίνεται με σταθερή πίεση. Τι νομίζεις ότι θα συνέβαινε στο μπουκάλι, αν το είχες βάλει στην κατάψυξη ανοιχτό και το βίδωνες όταν το έβγαζες; Γιατί; Βάλε τώρα το μπουκάλι στην κατάψυξη ανοιχτό. Μετά από δέκα λεπτά βγάλε το από την κατάψυξη και παρατήρησέ το. Στη συνέχεια, γρήγορα, βίδωσε το καπάκι του στη θέση του και άφησε το μπουκάλι πάνω στο τραπέζι. Μετά από λίγο πίεσε με τα χέρια σου τα τοιχώματα του μπουκαλιού. Τι παρατηρείς; Μπορείς να το ερμηνεύσεις; Φέρε το στόμιο του μπουκαλιού κοντά στο αυτί σου και ξεβίδωσε το καπάκι. Τι ακούς; (Ο κρύος από την κατάψυξη αέρας που υπάρχει στο εσωτερικό του μπουκαλιού, ζεσταίνεται και διαστέλλεται, σπρώχνει τα τοιχώματα του μπουκαλιού προς τα έξω και έτσι, όταν «ζουπάς» με τα χέρια σου τα τοιχώματα του μπουκαλιού σου φαίνονται σκληρά. Όταν ξεβιδώσεις το μπουκάλι, τότε αέρας βγαίνει προς τα έξω, αυτόν τον αέρα ακούς όταν ξεβιδώνεις το καπάκι του μπουκαλιού έχοντας κοντά το αυτί σου). Παρατηρήσεις: 1) Στο τελευταίο φαινόμενο η μεταβολή δε γίνεται με σταθερή πίεση. Από κάποιο σημείο και μετά γίνεται με σταθερό όγκο. 2) Σε όλα τα παραπάνω φαινόμενα έχουμε δημιουργία πίεσης μικρότερης ή μεγαλύτερης από την ατμοσφαιρική λόγω της συστολής ή διαστολής του αέρα και επακόλουθη άσκηση δυνάμεων λόγω της διαφοράς της πίεσης στο εσωτερικό του δοχείου και της ατμοσφαιρικής. 5. Διαφοροποίηση Θερμότητας Θερμοκρασίας. Το νερό βράζει στους 100 βαθμούς Κελσίου. Έρευνες δείχνουν ότι οι μαθητές δεν διαφοροποιούν τη θερμότητα από τη θερμοκρασία και είτε θεωρούν τις δυο έννοιες συνώνυμες είτε θεωρούν ότι η μια είναι μέτρο της άλλης π.χ. η θερμοκρασία μετράει τη θερμότητα. Ένα πείραμα για να δυσαρεστηθούν οι μαθητές με την άποψή τους είναι να τους δείξουμε ότι, 11
ενώ δίνεται θερμότητα π.χ. σε ένα υγρό η θερμοκρασία του υγρού παραμένει σταθερή. Τι χρειάζεσαι: Ένα μικρό ηλεκτρικό μάτι (ή ένα γκαζάκι, γενικά όπου είναι δυνατόν αποφεύγεις το γκαζάκι στην τάξη και πάντως δεν το αφήνεις ποτέ στα παιδιά) ένα μπρίκι, ένα ψηφιακό θερμόμετρο με ενδείξεις και πάνω από 100 o C. Τι θα κάνεις: Βάλε νερό στο μπρίκι και τοποθέτησέ το πάνω στο μάτι. Στερέωσε τον αισθητήρα του θερμόμετρου ώστε να μην ακουμπάει στον πάτο από το μπρίκι. Άνοιξε το διακόπτη από το ηλεκτρικό μάτι. Παρακολούθησε τις ενδείξεις του θερμόμετρου. Ζήτησε από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβαίνει στις ενδείξεις του θερμομέτρου όσο θερμαίνουμε το νερό. Τι θα δεις: Το θερμόμετρο φτάνει κάποια στιγμή σε μια ένδειξη γύρω στο 100 o C και σταματά παρόλο που το ηλεκτρικό μάτι δίνει συνέχεια θερμότητα στο νερό. Επιδιωκόμενο αποτέλεσμα: Θερμότητα και θερμοκρασία δεν είναι το ίδιο, ούτε το ένα είναι μέτρο του άλλου, αφού, ενώ δίνεται θερμότητα, δε μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Σημείωση: Το παραπάνω πείραμα θα μπορούσε να γίνει ως πείραμα επίδειξης, όπου θα ήταν αναγκαίο να χρησιμοποιήσετε ένα ηλεκτρονικό θερμόμετρο, που μπορεί να μετράει πάνω από 100 o C, για να βλέπουν οι μαθητές τις ενδείξεις. Παρατήρηση: Παρόμοιο πείραμα γίνεται όπου έχουμε αλλαγή φάσης, π.χ. από πάγο 0 o C σε νερό 0 o C. Η θερμότητα, γνωστή ως λανθάνουσα θερμότητα, χρησιμοποιείται για την αλλαγή φάσης και όχι για τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Εντυπωσιακό: Το παραπάνω πείραμα μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας αντί για μπρίκι ένα χάρτινο κουτί και ένα γκαζάκι! Το νερό βράζει πάνω στη φλόγα από το γκαζάκι αλλά το χάρτινο κουτί δεν καίγεται:!!! Το γκαζάκι εδώ το χειρίζεσαι εσύ και είναι «αναγκαίο» για λόγους εντυπωσιασμού. Τι χρειάζεσαι: Ένα χάρτινο μικρό κουτί, ένα γκαζάκι. Τι θα κάνεις: Γέμισε το χάρτινο κουτί με νερό και τοποθέτησέ το πάνω στη φλόγα από το αναμμένο γκαζάκι. Προφανώς μπορείς να κρατάς μέσα στο νερό το θερμόμετρο όπως στο προηγούμενο πείραμα. Τι θα δεις: Το νερό μέσα στο χαρτόκουτο βράζει, ενώ το χαρτόκουτο, παρόλο που είναι πάνω στη φλόγα, δεν ανάβει, φωτογραφία 40. Φωτογραφία 40 Ερμηνεία: Το χαρτί για να ανάψει, πρέπει να θερμανθεί τοπικά περίπου στους 233 0 C (θυμήσου το έργο Φαρενάιτ 451, ή το βιβλίο) Το νερό όμως που βρέχει το χαρτί από το μέσα μέρος δεν επιτρέπει την άνοδο 12
της θερμοκρασίας πάνω από τους 100 0 C. Με κοινή λογική: Αφού το χαρτί είναι βρεγμένο πώς να ανάψει; Για να ανάψει πρέπει να εξατμιστεί όλο το νερό και να στεγνώσει το χαρτί. Σημείωση: Δεν πρέπει το χαρτόκουτο να είναι από χοντρό χαρτόνι, γιατί τότε μπορεί να καεί το έξω-έξω μέρος του (γιατί;). Επίσης μπορεί να ανάψουν τα «χείλη» του κουτιού δηλ. το μέρος του κουτιού που είναι έξω, πάνω, από το νερό. Μη χρησιμοποιήσεις χάρτινο κουτί από γάλα ή από χυμούς, υπάρχουν αναθυμιάσεις. Μπορείς να φτιάξεις ένα χαρτόκουτο με χαρτί που θα το τσακίσεις στις γραμμές που δείχνονται στο παρακάτω σχήμα 14, και στη συνέχεια να το κολλήσεις. Ψάξε και για χάρτινο φλιτζάνι του καφέ. Σχήμα 14 13