Μάθημα : Επιστήμη_Ε' τάξης_2020-2021

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

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!