Ten eksperymentalny protokół ma na celu zmierzenie objętościowego współczynnika rozszerzalności cieplnej cieczy poprzez obserwację zmian wysokości kropli oleju w rurce kapilarnej wraz ze zmianą temperatury. Eksperyment rozpoczyna się od ustawienia aparatury, w tym zabezpieczenia zacisków uniwersalnych, podgrzania rurki kapilarnej oraz przygotowania zlewki z zimną wodą i lodem.
Pomiary wysokości kropli oleju wykonuje się w różnych temperaturach, używając termometru i stopera, przy jednoczesnym starannym regulowaniu temperatury wody na płycie grzewczej.
Cele edukacyjne
- Zrozumienie rozszerzalności objętościowej: Uczestnicy zbadają, jak objętość cieczy zmienia się wraz z temperaturą, dążąc do wyznaczenia objętościowego współczynnika rozszerzalności cieplnej cieczy.
- Techniki pomiaru temperatury: Eksperyment wprowadza metody dokładnego pomiaru temperatury i wysokości cieczy w rurce kapilarnej, zwiększając zaznajomienie uczestników z pomiarami związanymi z temperaturą.
- Manipulacja przyrządem laboratoryjnym: Uczniowie będą ćwiczyć posługiwanie się różnymi przyrządami laboratoryjnymi, doskonaląc swoje praktyczne umiejętności w przeprowadzaniu eksperymentów.
- Podstawy termodynamiki cieczy: Dzięki tej procedurze uczestnicy zdobędą wiedzę na temat podstawowych zasad termodynamiki stosowanych do cieczy, w tym zależności między temperaturą a objętością.
To doświadczenie laboratoryjne jest kluczowe dla zrozumienia, jak temperatura wpływa na objętość cieczy i dla opanowania precyzyjnych technik pomiarowych w warunkach laboratoryjnych.
Uczestnicy zdobędą praktyczne umiejętności w obsłudze sprzętu laboratoryjnego, obserwacji zjawisk fizycznych i analizie danych eksperymentalnych. Ponadto, eksperyment ten podkreśla znaczenie rygoru metodologicznego i dokładności w eksperymentach naukowych, zapewniając wiarygodne i sensowne wyniki. Angażując się w tę aktywność, uczestnicy nie tylko dowiedzą się o termodynamice cieczy, ale także docenią skrupulatność wymaganą w badaniach naukowych, zwiększając swoje ogólne kompetencje w zakresie fizyki i chemii eksperymentalnej.
Protokół
CZĘŚĆ A: Przygotowanie rurki kapilarnej
- Nad płytą grzewczą; zamocuj zacisk uniwersalny do każdego z dwóch podpór.
- Używając zakraplacza, weź trochę oliwy z oliwek i umieść dwie krople oliwy na płytce zegarkowej.
- Zapalić palnik Bunsena.
- Używając rękawic termicznych, podgrzej probówkę kapilarną na całej jej długości, wystawiając ją na płomień, wykonując ruchy posuwisto-zwrotne przez około 20 sekund.
- Umieść otwarty koniec (przezroczysty koniec) bardzo gorącej probówki na kroplach oleju przygotowanych w kroku 1. Olej powinien samowolnie podnieść się do probówki kapilarnej.
- Postaw tubkę pionowo (otwartym końcem do góry) i odczekaj kilka sekund, aż ostygnie.
- Przymocuj rurkę kapilarną do uniwersalnego zacisku prawego statywu, ustawiając otwarty (przezroczysty) koniec do góry.
- Wyłącz palnik Bunsena.
- Kropla oleju w kapilarze powinna mieć grubość między 5 mm a 1 cm.
CZĘŚĆ B: Pomiar zależności objętości od temperatury
- Postaw zlewkę o pojemności 250 ml na płycie grzewczej (nie włączaj płyty).
- Umieść mieszadło magnetyczne w zlewce.
- Termometr przymocuj do zacisku uniwersalnego lewego statywu i umieść pionowo w zlewce o objętości 250 mL. Ani rurka kapilarna, ani termometr nie mogą dotykać ścianek zlewki.
- Zabezpiecz linijkę za kapilarą, aby zmierzyć wysokość kropli oleju.
- Weź zlewkę z lodem i dodaj do niej 250 ml zimnej wody z kranu.
- Następnie wlej zimną wodę i lód do zlewki zawierającej rurkę kapilarną. Poziom wody musi przekraczać poziom kropli oleju.
- Obserwuj temperaturę wody i wysokość dna kropli oleju, gdy temperatura się ustabilizuje.
- Włącz mieszadło na płycie grzewczej.
- Uruchom stoper.
- Włącz płytę grzewczą na niskim poziomie intensywności (20°C) i poczekaj, aż temperatura wzrośnie o około dziesięć stopni.
- W tabeli wyników; zaobserwuj temperaturę wody i wysokość dna kropli oleju po ustabilizowaniu się temperatury. Zauważysz zmianę wysokości kropli w zależności od zmian temperatury wody.
- Powtórz kroki 18 i 19, zwiększając temperaturę płyty o dodatkowe 10 stopni.
- Wyłącz płytę grzewczą i poczekaj, aż wszystko ostygnie.
- Uwaga: Wnętrze kapilary ma promień 0,5 mm.
Przewidywane wyniki
Uczestnicy badają prawo gazu doskonałego, które stwierdza, że objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury, gdy ciśnienie i ilość gazu pozostają stałe. Eksperyment ten zapewnia wizualne i ilościowe zrozumienie zmian objętości gazu w odpowiedzi na zmiany temperatury.
- Zależność temperatury od objętości: Gdy temperatura gazu (w tym przypadku powietrza w rurce kapilarnej) rośnie, należy oczekiwać wzrostu objętości, wskazanej przez wysokość kropli oleju. I odwrotnie, gdy temperatura spada, objętość powinna się zmniejszyć. Wnętrze rurki kapilarnej ma promień 0,5 mm.
- Relacja jest zgodna z prawem gazu doskonałego, gdzie pV=nRT, gdzie p= ciśnienie (Pa), V=Objętość (/1000L), n mole, R = 8,314 J/mol*K, i T jest w kelwinach.
-
Wyniki powinny być w przybliżeniu:
Temperatura
(°C)
Temperatura absolutna
(K)
Wzrost
(mm)
Objętość powietrza
ml)
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
-
Objętość (V, w ml) gazu (przy stałej liczbie moli i ciśnieniu) będzie podlegać zależności V = π*r2gdzie r=promień cylindra (0,05cm) i zaobserwowana wysokość (w cm). Wykres będzie przedstawiał stały liniowy wzrost objętości w funkcji temperatury.
- Zbieranie i analiza danychSystematycznie rejestrując temperaturę i odpowiadającą jej wysokość kropli oleju w różnych temperaturach, uczestnicy stworzą zbiór danych, który po wykreśleniu powinien wykazać liniowy związek między temperaturą (w Kelwinach) a objętością, potwierdzając prawo gazu doskonałego.
- Umiejętności obserwacjiUczestnicy doskonalić będą swoje umiejętności obserwacji, zwracając uwagę na to, jak drobne zmiany temperatury mogą prowadzić do mierzalnych zmian objętości gazu.
Znaczenie i wyciągnięte wnioski:
- Zrozumienie zachowania gazówEksperyment pogłębia zrozumienie podstawowych praw gazów, w szczególności prawa gazu doskonałego, pokazując, jak gazy rozszerzają się pod wpływem ogrzewania i kurczą pod wpływem chłodzenia w kontrolowanym środowisku.
- Znaczenie w świecie rzeczywistymZasady te znajdują zastosowanie w różnych scenariuszach z życia wziętych, takich jak zrozumienie zachowania powietrza w balonach meteorologicznych, silnikach samochodowych, a nawet w meteorologii do prognozowania pogody.
- Metodologia naukowaUczestnicy uczą się o znaczeniu precyzyjnych pomiarów i potrzebie kontrolowania zmiennych, aby wyizolować wpływ temperatury na objętość gazu. Wzmacnia to rolę metod naukowych w projektowaniu eksperymentów i analizie danych.
- Myślenie krytyczneAnalizując wyniki, uczestnicy będą angażować się w myślenie krytyczne, zwłaszcza jeśli wyniki odbiegają od oczekiwanego liniowego związku, co skłoni do zbadania możliwych źródeł błędów lub nieidealnego zachowania gazu.
- Umiejętności praktyczne: Obsługa sprzętu laboratoryjnego, takiego jak palniki Bunsena, rurki kapilarne i rękawice termiczne, rozwija umiejętności praktyczne i wzmacnia znaczenie protokołów bezpieczeństwa laboratoryjnego.
Eksperyment ten oferuje wszechstronne doświadczenie edukacyjne, łącząc wiedzę teoretyczną z praktycznymi umiejętnościami, wzbogacając zrozumienie praw gazów przez uczestników i ich kompetencje w prowadzeniu badań naukowych.
Podsumowanie zadania według zakresu ocen
Klasy 3-5 (wiek 8-10 lat)
- SkupieniePodstawowe wprowadzenie do koncepcji temperatury i objętości.
- Aktywności: Obserwacja prostych demonstracji wpływu temperatury na objętość cieczy, podstawowe instrukcje bezpieczeństwa.
Klasy 6-8 (wiek 11-13 lat)
- Skupienie: Pośrednie zrozumienie rozszerzalności objętościowej i pomiaru temperatury.
- AktywnościPomiar temperatury i wysokości słupa cieczy w rurce kapilarnej, rejestrowanie zmian objętości wraz z temperaturą, przestrzeganie szczegółowych protokołów bezpieczeństwa.
Klasy 9-12 (Wiek 14-18 lat)
- SkupienieZaawansowane zrozumienie rozszerzalności objętościowej, precyzyjne techniki pomiarowe i zasady termodynamiki.
- AktywnościKonfiguracja i użycie aparatu do pomiaru objętościowego współczynnika rozszerzalności cieplnej, dokładne mierzenie temperatury i wysokości cieczy, analiza zależności między temperaturą a objętością, szczegółowe zapisywanie i interpretacja wyników, przestrzeganie zaawansowanych protokołów bezpieczeństwa, utrwalenie koncepcji termodynamiki cieczy.
Podstawowe wyposażenie laboratorium
Instrumenty
- Zlewka (250ml)
- palnik Bunsena
- Kapilara
- Spuszczacz
- Płyta grzewcza
- Stojak laboratoryjny i zaciski
- Mieszadło magnetyczne
- Linijka
- Termometry
- Minutnik
- Szkiełko zegarka
Produkty
- Oliwa z oliwek