Tento experimentální protokol je navržen pro měření objemového koeficientu tepelné roztažnosti kapaliny pozorováním změn výšky kapky oleje v kapilární trubici při změně teploty. Experiment začíná nastavením přístroje, včetně zajištění univerzálních svorek, předehřátí kapilární trubice a přípravy kádinek se studenou vodou a ledem.
Měření výšky olejové kapky probíhá při různých teplotách za použití teploměru a stopek, zatímco se pečlivě upravuje teplota vody na topné ploténce.
Vzdělávací cíle
- Pochopení objemové roztažnosti: Účastníci prozkoumají, jak se objem kapaliny mění s teplotou, s cílem určit její koeficient objemové tepelné roztažnosti.
- Techniky měření teploty Experiment představuje metody pro přesné měření teploty a výšky hladiny kapaliny v kapilární trubici, čímž zvyšuje obeznámenost účastníků s měřeními souvisejícími s teplotou.
- Manipulace s laboratorními přístroji: Studenti si procvičí používání různých laboratorních přístrojů a zlepší si manuální zručnost při provádění experimentů.
- Základy termodynamiky kapalin Prostřednictvím tohoto postupu získají účastníci vhled do základních principů termodynamiky v aplikaci na kapaliny, včetně vztahu mezi teplotou a objemem.
Tato laboratorní zkušenost je klíčová pro pochopení vlivu teploty na objem kapaliny a pro zvládnutí přesných měřicích technik v laboratorním prostředí.
Účastníci si osvojí praktické dovednosti v práci s laboratorním vybavením, pozorování fyzikálních jevů a analýze experimentálních dat. Tento experiment navíc zdůrazňuje význam metodologické přísnosti a přesnosti ve vědeckém experimentování, což zajišťuje spolehlivé a smysluplné výsledky. Zapojením do této činnosti se účastníci nejen dozví o termodynamice kapalin, ale také ocení pečlivost, která je ve vědeckém výzkumu vyžadována, čímž se zvýší jejich celková kompetence v experimentální fyzice a chemii.
Protokol
ČÁST A: Příprava kapiláry
- Nad topnou deskou; připevněte univerzální svorku ke každé ze dvou podpěr.
- Pomocí kapátka naberte trochu olivového oleje a naneste dvě kapky oleje na hodinkové sklíčko.
- Zapálit plynový kahan.
- Pomocí tepelně odolných rukavic zahřejte kapilární trubičku po celé její délce vystavením plameni za současného pohybu dopředu a dozadu po dobu přibližně 20 sekund.
- Přiložte otevřený konec (průhledný konec) velmi horké zkumavky na olejové kapky připravené v kroku 1. Olej by měl sám stoupat do kapiláry.
- Vraťte zkumavku do vzpřímené polohy (otevřeným koncem nahoru) a počkejte několik sekund, až vychladne.
- Připevněte kapiláru k univerzální svorce pravé podpěry; průhledný konec umístěte směrem nahoru.
- Vypněte kahan.
- Kapka oleje v kapilární trubici by měla mít tloušťku mezi 5 mm a 1 cm.
ČÁST B: Měření vztahu mezi objemem a teplotou
- Položte 250ml kádinku na plotýnku (plotýnku nezapínejte).
- Umístěte magnetické míchadlo do kádinky.
- Připevněte teploměr k univerzální svorce levého stojanu a svisle jej vložte do 250ml kádinky. Nádobka teploměru ani kapilára by se neměly dotýkat stěn kádinky.
- Připevněte pravítko za kapilární zkumavku pro měření výšky kapky oleje.
- Vezměte kádinku s ledem a přidejte do ní 250 ml studené vody z kohoutku.
- Poté nalijte studenou vodu a led do kádinky obsahující kapiláru. Hladina vody musí přesahovat hladinu olejové kapky.
- Sledujte teplotu vody a výšku spodní části olejové kapky, jakmile se teplota ustálí.
- Zapněte míchadlo na plotýnce.
- Spusťte stopky.
- Zapněte varnou desku na nízkou intenzitu (20 °C) a počkejte, až teplota stoupne asi o deset stupňů.
- V tabulce výsledků pozorujte teplotu vody a výšku dna olejové kapky, jakmile se teplota ustálí. Zaznamenáte změnu výšky kapky v závislosti na změnách teploty vody.
- Zopakujte kroky 18 a 19 a zvyšte teplotu plotýnky o dalších 10 stupňů.
- Vypněte plotýnku a počkejte, až vše vychladne.
- Poznámka: Vnitřní poloměr kapilární trubice je 0,5 mm.
Předvídané výsledky
Účastníci zkoumají stavovou rovnici ideálního plynu, která říká, že objem plynu je přímo úměrný jeho teplotě, když tlak a množství plynu zůstávají konstantní. Tento experiment poskytuje vizuální a kvantitativní pochopení toho, jak se objem plynu mění v reakci na změny teploty.
- Vztah mezi teplotou a objemem: Jak se zvyšuje teplota plynu (v tomto případě vzduchu v kapilární trubici), očekává se nárůst objemu, určeného výškou olejové kapky. Naopak, při snížení teploty by se měl objem zmenšit. Vnitřní poloměr kapilární trubice je 0,5 mm.
- Vztah se řídí zákonem ideálního plynu, kde pV=nRT, kde p= tlak (Pa), V=Objem (/1000l), n = móly, R = 8,314 J/mol*K, a T je teplota v kelvinech.
-
Výsledky by měly být přibližně:
Teplota
(°C)
Absolutní teplota
(K)
Výška
(mm)
Objem vzduchu
mililitr)
4,0
277,2
47,3
0.037
11,5
284,7
48,6
0.038
20,5
293,7
50,0
0.039
29,0
302,2
51,5
0.04
41,5
314,7
53,7
0.042
50,0
323,2
55,1
0.043
62,0
335,2
57,2
0.045
72,5
345,7
59,0
0.046
80,5
353,7
60,3
0.047
91,0
364,2
62,1
0.049
-
Objem (V, v mL) plynu (při konstantním počtu molů a tlaku) se bude řídit vztahem V = π*r2*h, kde r=poloměr válce (0,05 cm) a pozorovaná výška (v cm). Graf bude představovat konstantní lineární nárůst objemu vzhledem k teplotě.
- Sběr a analýza datSystematickým zaznamenáváním teploty a odpovídající výšky olejové kapky při různých teplotách vytvoří účastníci soubor dat, který by po vykreslení do grafu měl ukázat lineární vztah mezi teplotou (v Kelvinech) a objemem, což potvrdí zákon ideálního plynu.
- Pozorovací schopnostiÚčastníci si zdokonalí své pozorovací schopnosti a všimnou si, jak drobné změny teploty mohou vést k měřitelným změnám objemu plynu.
Význam a poučení
- Porozumění chování plynůExperiment prohlubuje pochopení základních plynových zákonů, konkrétně stavové rovnice ideálního plynu, čímž v kontrolovaném prostředí ukazuje, jak plyny při zahřátí expandují a při ochlazení se smršťují.
- Reálný dopadPrincipy, které jsou zde demonstrovány, jsou použitelné v různých reálných situacích, jako je pochopení chování vzduchu v meteorologických balonech, automobilových motorech a dokonce i v meteorologii pro předpověď počasí.
- Vědecká metodologieÚčastníci se učí o důležitosti přesných měření a potřebu kontrolovat proměnné pro izolaci vlivu teploty na objem plynu. To posiluje roli vědecké metody v návrhu experimentů a analýze dat.
- Kritické myšlení: Při analýze výsledků budou účastníci zapojeni do kritického myšlení, zejména pokud se výsledky budou lišit od očekávaného lineárního vztahu, což podnítí zkoumání možných zdrojů chyb nebo nedokonalého chování plynu.
- Praktické dovednostiManipulace s laboratorním vybavením, jako jsou Bunsenovy kahan, kapilární zkumavky a tepelné rukavice, rozvíjí praktické dovednosti a posiluje důležitost bezpečnostních postupů v laboratoři.
Tento experiment nabízí komplexní výukovou zkušenost, která spojuje teoretické znalosti s praktickými dovednostmi a posiluje tak porozumění účastníků plynovým zákonům a jejich schopnost provádět vědecká bádání.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
3.–5. třída (věk 8–10 let)
- Fokus: Základní úvod do pojmů teploty a objemu.
- Aktivity: Pozorování jednoduchých ukázek, jak teplota ovlivňuje objem kapalin, základní bezpečnostní pokyny.
6.–8. ročník (věk 11–13 let)
- Fokus: Střední znalost objemové roztažnosti a měření teploty.
- AktivityMěření teploty a výšky hladiny kapaliny v kapilární trubici, zaznamenávání změn objemu s teplotou, dodržování podrobných bezpečnostních postupů.
Třídy 9–12 (věk 14–18 let)
- FokusPokročilé porozumění objemové roztažnosti, přesné měřicí techniky a principy termodynamiky.
- AktivityNastavení a použití přístroje k měření objemového koeficientu tepelné roztažnosti, přesné měření teploty a výšky hladiny, analýza vztahu mezi teplotou a objemem, podrobné zaznamenávání a interpretace výsledků, dodržování pokročilých bezpečnostních protokolů, upevnění konceptů tekutinové termodynamiky.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinka (250ml)
- Bunsenův kahan
- Kapilára
- Kapátko
- Plotýnka
- Stojan a svorky
- Magnetické míchadlo
- Pravítko
- Teploměry
- Časovač
- Watch glass
Produkty
- Olivový olej