Μάθημα : Επιστήμη_Ε' τάξης_2019-2020

Δείτε το παρακάτω πείραμα από το wiki Εργαστηρίου ΦΕ, με θέμα: "Μία απλή κατασκευή για τη μελέτη της θερμικής διαστολής ενός κομματιού σύρματος" [http://efepereth.wikidot.com/wire-heat-expansion]

http://efepereth.wikidot.com/wire-heat-expansion

Αφού μελετήσετε το πείραμα και τα υλικά που θα χρειαστείτε, με τη βοήθεια ενήλικα στο σπίτι (μπαμπάς, μαμά, μεγαλύτερα αδέλφια) και με μεγάλη προσοχή στα κεράκια ρεσώ (!!!), προσπαθήστε να το φτιάξετε κι εσείς! Σίγουρα κάπου θα βρείτε λίγο χαρτόνι από χαρτόκουτα και λίγο λεπτό σύρμα ... για προσπαθήστε ...

Μπορείτε να στείλετε και φωτογραφίες ή βιντεάκι από τις κατασκευές σας!

'Οσοι και όσες δυσκολεύονται, ας μελετήσουν τα βίντεο που ακολουθούν παρακάτω!

Παρακάτω υπάρχει το πρώτο βίντεο, που δείχνει και οδηγίες για την κατασκευή του πειράματος!

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με τη διαστολή και συστολή 2 συρμάτων (χαλκού δεξιά και γαλβανισμένου σιδήρου (αριστερά) με μια απλή διάταξη

Ερωτήματα ["τα ερωτήματα είναι σημαντικά ... απαντήσεις βρίσκουμε!"]

• Τι παρατηρείτε να συμβαίνει στο χαρτονένιο δείκτη;
• Τι παρατηρείτε ότι συμβαίνει στο σύρμα;
• Γιατί νομίζετε ότι συμβαίνει αυτό;
• Τι θα συμβεί εάν χρησιμοποιήσουμε ένα ή δύο κεράκια ρεσώ μόνο;
• Τι θα συμβεί αν χρησιμοποιήσουμε τέσσερα κεράκια ρεσώ;
• Τι θα συμβεί εάν μικρύνουμε το μήκος του σύρματος; (ενδεχομένως θα χρειαστεί να τροποποιήσουμε λίγο και το χαρτόνι βάσης)
• Τι θα συμβεί αν βάλουμε ένα χάλκινο ή ένα αλουμινένιο σύρμα στη θέση του σιδερένιου (γαλβανισμένου) σύρματος;
• Μπορείτε να σκεφτείτε έναν τρόπο να κάνουμε τη σύγκριση ανάμεσα σε δύο διαφορετικά σύρματα; (για να δούμε τι θα συμβεί)
• Μπορούμε να τοποθετήσουμε το "δείκτη βέλος" και με άλλο τρόπο; Τι θα συμβεί;
• Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σύρμα από διαφορετικό μέταλλο;
• Τι θα συμβεί αν το σύρμα μας είναι χάλκινο ή αλουμινένιο; Πώς μπορούμε να το διερευνήσουμε;
• Τι θα συμβεί αν το σύρμα μας είναι πιο λεπτό ή πιο χονδρό; Πώς μπορούμε να το διερευνήσουμε;

Σβήστε τώρα τα κεράκια ρεσώ …

• Τι συμβαίνει τώρα στο χαρτονένιο δείκτη;
• Γιατί νομίζετε ότι γυρίζει πίσω στην αρχική του θέση;
• Πώς συμβαίνει αυτό;

Τι συμβαίνει;

Ο όγκος ενός στερεού μεταβάλλεται όταν το σώμα ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον. Την αύξηση του όγκου ενός σώματος που παίρνει θερμότητα την ονομάζουμε διαστολή, ενώ τη μείωση του όγκου του την ονομάζουμε συστολή. Η διαστολή είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικό φαινόμενο για τα μεταλλικά σώματα. Δεν συμβαίνει σε ίδια έκταση σε μη μεταλλικά σώματα, π.χ. στο ξύλο και στο γυαλί. Παρόλο που η αύξηση του όγκου γίνεται και στις τρεις διαστάσεις (μήκος, πλάτος & ύψος), όταν το μεταλλικό αντικείμενο έχει τη μορφή ράβδου, η διαστολή (και η συστολή) είναι περισσότερο εμφανής στο μήκος του και γι αυτό ονομάζεται "γραμμική διαστολή" (και συστολή, αντίστοιχα). Η παρατηρούμενη αύξηση του μήκους της ράβδου (ή του κομματιού του σύρματος) είναι ανάλογη με το αρχικό της μήκος και με την αύξηση της θερμοκρασίας του, ενώ εξαρτάται και από το είδος του υλικού του μετάλλου (π.χ. σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο κλπ.). Παλιότερα, στον εξοπλισμό των εργαστηρίων, υπήρχε μια πειραματική συσκευή για τη γραμμική διαστολή μεταλλικών ράβδων με δείκτη και υποδοχή για βαμβάκι με οινόπνευμα, το οποίο ανάβαμε ως "πηγή θερμότητας". Από τη μια μεριά, η ράβδος ήταν βιδωμένη πάνω στη συσκευή, ενώ η άλλη μεριά έσπρωχνε τη διάταξη του δείκτη έτσι, ώστε η μετακίνησή του να μεταβάλει τις ενδείξεις πάνω σε μια κλίμακα μέτρησης (βλ. σχετικό σκίτσο). Όμως, το ίδιο μπορούμε να κάνουμε και με την απλή συσκευή από ανακυκλώσιμα υλικά δεύτερης χρήσης, όπως αυτή που έχουμε εδώ και να μελετήσουμε με επάρκεια το ίδιο φαινόμενο. Από τη μια μεριά, λοιπόν, το σύρμα είναι κατάλληλα στραβωμένο και "κλειδωμένο" μέσα στο χαρτόνι, στην τρύπα που το έχουμε σπρώξει. Από την άλλη είναι ελεύθερο και ακουμπά πάνω στο άλλο (το κάθετο) σύρμα, που πάνω έχουμε στερεώσει το χαρτονένιο "δείκτη βέλος" (βλ. σχετική φωτογραφία). Όταν ανάβουμε τα τρία κεράκια ρεσώ και θερμαίνεται το σύρμα, τότε αυτό διαστέλλεται, δηλαδή μεγαλώνει το μήκος του (αλλά και το πλάτος και ύψος του, μόνο που αυτό είναι δύσκολο να το "δούμε") και έτσι όπως ακουμπά πάνω στο σύρμα του δείκτη, "καταφέρνει" να το "παρασύρει" και να το στρίψει λίγο, μετακινώντας ταυτόχρονα και το χαρτονένιο "δείκτη βέλος" προς τα πάνω. Δηλαδή, η τριβή ανάμεσα στις επιφάνειες των δύο (κυλινδρικών) συρμάτων, κάνει το σύρμα του δείκτη να μετακινείται έτσι, ώστε να γίνεται ορατή η (γραμμική) διαστολή του σύρματος (δηλ. να "βλέπουμε" το "μεγάλωμα" του μήκους του). Όταν σβήσουμε τα κεράκια ρεσώ, το κομμάτι σύρματος της βάσης, αρχίζει να "μικραίνει" στο μήκος του, δηλαδή να συστέλλεται και με παρόμοιο τρόπο να τρίβεται και να παρασέρνει σύρμα του δείκτη (και το δείκτη βέλος μαζί) σε μια αντίστροφη πορεία. Έτσι, λοιπόν, θυμίζουμε ότι τα στερεά σώματα (και τα μέταλλα, όπως το σύρμα), όταν παίρνουν ενέργεια (θερμότητα) διαστέλλονται, δηλαδή μεγαλώνει ο όγκος τους, ενώ όταν δίνουν ενέργεια (θερμότητα) και ψύχονται, μικραίνει ο όγκος τους.

Δείτε ακόμα ένα βίντεο, από τον Χρυσόστομο Τουτουντζόγλου, με πειράματα από τη θερμική διαστολή-συστολή των στερεών, όπως: o δακτύλιος του Gravesande [circa 1725] (διαστολή σφαίρας κατ' όγκο), η συσκευή γραμμικής διαστολής που περιγράψαμε παραπάνω και μερικές εφαρμογές "της επιστήμης στην καθημερινή ζωή"

Δείτε ακόμα ένα ενδιαφέρον χιουμοριστικό βιντεάκι με καρτούν για τη "θερμική διαστολή" [thermal expansion], το οποίο είναι στα αγγλικά, αλλά μπορείτε να βάλετε ελληνικούς υπότιτλους ή ακόμα να κάνετε και λίγο "English practice". Θα δείτε γιατί δεν πρέπει να γεμίζουμε μέχρι επάνω τα ντεπόζιτα με βενζίνη το καλοκαίρι και γιατί πρέπει να αφήνουμε "διάκενα" ανάμεσα στις ράγες πάνω στις οποίες κινούνται (τροχοδρομούν) τα τρένα. Νομίζω ότι θα σας αρέσει!

Δείτε την εργασία που έχετε να κάνετε γι αυτό το e-μάθημα!

Πριν κλείσουμε τα σχολεία, είχαμε κάνει ένα πείραμα στη θερμότητα, με ένα μπουκάλι, χρωματιστό νερό, πλαστελίνη και ένα καλαμάκι, που έμοιαζε με ένα "χονδροκομμένο" θερμόμετρο (βλ. παρακάτω εικόνα). Το θυμόσαστε (Τετράδιο Εργασιών, "πορτοκαλί βιβλίο", σ. 89); 

Όταν το νερό μέσα στο μπουκάλι θερμαίνεται (δηλαδή, παίρνει ενέργεια-θερμότητα) τότε διαστέλλεται, δηλαδή μεγαλώνει ο όγκος του και καθώς αυτό συμβαίνει, "προχωρά" μέσα στο καλαμάκι και "ανεβαίνει" προς τα πάνω και έτσι αλλάζει το επίπεδο της στάθμης του χρωματισμένου νερού μέσα στο σωληνάκι. Το ανάποδο συμβαίνει όταν το νερό μέσα στο μπουκάλι ψύχεται (δηλαδή, δίνει ενέργεια-θερμότητα), τότε συστέλλεται, δηλαδή μικραίνει ο όγκος του και καθώς αυτό συμβαίνει, "υποχωρεί" μέσα στο καλαμάκι και "κατεβαίνει" προς τα κάτω και έτσι πάλι μεταβάλλεται (αλλάζει)το επίπεδο της στάθμης του χρωματισμένου νερού μέσα στο σωληνάκι-καλαμάκι.

Για να θυμηθείτε την κατασκευή αυτή, που μοιάζει με ένα απλό θερμόμετρο και στηρίζεται πάνω στην ιδιότητα της διαστολής και συστολής των υγρών (όταν θερμαίνονται και ψύχονται, αντίστοιχα), δείτε το παρακάτω βίντεο από την ομάδα του αγαπημένου μας πειραματιστή Steve Spangler.

Είχαμε συζητήσει, επίσης, τη διαδικασία που είχε κάνει ο Κέλσιος (Anders Celsius) για να "κατασκευάσει" την κλίμακά του (1742), την οποία χρησιμοποιούμε ακόμα και σήμερα. Για να θυμηθείτε τη διαδικασία, η οποία πάλι στηρίζεται στη συστολή και διαστολή των υγρών για το θερμόμετρο, μπορείτε να δείτε το παρακάτω βίντεο από την επιτυχημένη σειρά κινουμένων σχεδίων για την Επιστήμη, τη σειρά "Eureka", της καναδικής τηλεόρασης TVO, το επεισόδιο 20: "Μετρώντας τη θερμοκρασία" (ελληνικοί υπότιτλοι από το φίλο και συνάδελφο Βασίλη Γαργανουράκη, 1ο ΕΚΦΕ Ηρακλείου).

Στην αρχή του βίντεο, υπάρχει ένα πείραμα που έχουμε κάνει και στην τάξη, με λίγο διαφορετικό τρόπο, χρησιμοποιώντας τα χέρια μας. Τότε, είχαμε πει ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε και τα πόδια μας, αντίστοιχα.

Ερωτήσεις:

• Τί μας δείχνει αυτό το πείραμα;
• Μπούμε τελικά να εκτιμήσουμε τη θερμοκρασία με τις αισθήσεις μας;
• Έχουμε δει άλλα είδη θερμομέτρων;

Δείτε, επίσης, ένα βίντεο από το συνάδελφο Χρυσόστομο Τουτουντζόγλου και το YouTube κανάλι του "Επιστήμη για αρχάριους", το οποίο μας περιγράφει τη διαδικασία που ακολούθησε ο Κέλσιος για τη δημιουργία της κλίματα, αλλά κρύβει και μία έκπληξη ... 

Το είδατε; Ποια ήταν η έκπληξη, λοιπόν; Θα σας ρωτήσω!

Θυμάστε και το θερμόμετρο του Γαλιλαίου που έχουμε στο Εργαστήριο ΦΕ και μοιάζει περισσότερο με διακοσμητικό αντικείμενο; Είναι πράγματι αρκετά παράξενο και η φυσική που κρύβει, είναι περισσότερο πολύπλοκη. Δείτε το παρακάτω βίντεο για να το θυμηθείτε ...

Υπάρχουν, όμως και άλλα θερμόμετρα, που λειτουργούν διαφορετικά, και με άλλους τρόπους.

Μια κατηγορία είναι τα "διμεταλλικά θερμόμετρα" που χρησιμοποιούμε στους φούρνους, ηλεκτρικούς ή ... ηλιακούς ... 

Ακολουθήστε το σύνδεσμο για την "εργασία" που έχετε να κάνετε γι αυτό το e-μάθημα, για να συζητήσουμε περισσότερα γι αυτά τα "διμεταλλικά θερμόμετρα"

Θα χρειαστεί να βάλουμε ένα άδειο γυάλινο μπουκάλι στην κατάψυξη για μία ώρα περίπου και θα χρειαστούμε επίσης ένα κέρμα, ας πούμε ένα πενηντάλεπτο (κέρμα των 50 λεπτών), το οποίο ταιριάζει πάνω στα περισσότερα στόμια μπουκαλιών. Το πείραμα το έχουμε και στο "Τετράδιο Εργασιών", στη σελίδα 91.

Δείτε το, όμως και παρακάτω ... 

Ερωτήματα:

1. Γιατί χρειάζεται να βάλουμε το μπουκάλι στην κατάψυξη;
2. Τι συμβαίνει μέσα στο μπουκάλι όταν είναι στην κατάψυξη;
3. Τι συμβαίνει μέσα στο μπουκάλι όταν το βγάζουμε έξω και το κρατάμε στα χέρια μας;
4. Γιατί, λέτε, ότι πρέπει να βρέξουμε το κέρμα;
5. Τελικά, τι είναι αυτό που ανασηκώνει το κέρμα στο στόμιο του μπουκαλιού;
6. Τι συμβαίνει στον αέρα που βρίσκεται μέσα στο μπουκάλι;
7. Μπορούμε να βάλουμε κάποιο άλλο αντικείμενο στο στόμιο του μπουκαλιού, το οποίο να ανασηκώνετε με παρόμοιο τρόπο;

Δείτε παρακάτω ένα σχετικό βιντεάκι με παιδιά μέσα στην τάξη που κάνουν αυτό το πείραμα. Μόλις έβγαλαν το μπουκάλι από την κατάψυξη και ... 

Τι λέτε; Δουλεύει;

Το "πνεύμα του μπουκαλιού" ζωντάνεψε ή έχουμε μια επιστημονική εξήγηση για το τι συμβαίνει εδώ;

Το δεύτερο πείραμα που έχουμε στην ίδια σελίδα, ένα μπαλόνι φουσκώνει και ξεφουσκώνει χωρίς να βάζουμε εμείς αέρα μέσα του μπαλόνι. Βάζουμε το μπαλόνι πάνω στο στόμιο ενός μπουκαλιού (γυάλινου ή/και πλαστικού) και στη συνέχεια το βουτάμε προσεκτικά μέσα σε μια λεκάνη με ζεστό νερό, που πήραμε από το βραστήρα. Έπειτα, το βγάζουμε έξω από τη λεκάνη και ή περιμένουμε για λίγο ή το βουτάμε σε μια άλλη λεκάνη με κρύο νερό ή νερό με παγάκια. Τί συμβαίνει στο μπαλόνι;

Δείτε εδώ ένα βιντεάκι με αυτό το πείραμα με το μπαλόνι που φουσκώνει μόνο του ... 

... και ακόμα ένα πείραμα, παρόμοιο. Δεν πειράζει που είναι στα αγγλικά, ευκαιρία για "English practice" 

Ερωτήματα:

1. Τι συμβαίνει στον αέρα μέσα στο μπουκάλι όταν βυθίζεται μέσα στο ζεστό νερό;
2. Τι συμβαίνει στον αέρα μέσα στο μπουκάλι όταν βυθίζεται μέσα στο κρύο νερό;
3. Πώς ονομάζουμε αυτά τα φαινόμενα;

Υπάρχουν άλλοι τόποι να φουσκώσουμε ένα μπαλόνι χωρίς να φυσάμε μέσα του;

Για να δείτε 2 άλλους τρόπους φουσκώματος το μπαλονιού, ακολουθήστε εδώ το σύνδεσμο της  e-άσκησης, αυτού του e-μαθήματος!