Experiment so sviečkami - PRIMAS - Nemecko

Sviečkový experiment

Sviečkový výťah je súčasťou štandardného vedeckého experimentu od materskej školy cez základnú školu až po strednú školu. Pre študentov deviateho ročníka je okamžite k dispozícii vysvetlenie aj bez samotného pokusu: „Sviečka potrebuje kyslík - tlak vzduchu v pohári klesá - voda stúpa“ (pozri inštruktážny film). Na ďalšiu otázku: „Kedy stúpa voda v pohári?“ odpoveď študenta je jednoznačná: „Zatiaľ čo sviečka horí“. V následnom experimente (s videokamerou) však jasne ukazuje, že stúpanie sa začína iba plameňom sviečky. Spotreba kyslíka sa preto dá z dôvodu vysvetlenia vylúčiť.

primas

Pre žiakov to začne byť skutočne zaujímavé: „Aké je správne vysvetlenie teraz?“ Trieda okamžite vytvorí množstvo dohadov a navrhne ďalšie experimenty. Aby bolo možné fenomén podrobne študovať, je trieda rozdelená do skupín.

Video z hodiny (8 zo 45 minút):

Využitie výskumného cyklu:
Pre štruktúrovaný prístup v skupinovej práci s otvoreným experimentálnym zadaním je vhodné sa orientovať smerom k výskumnému cyklu. Cyklus je možné použiť na každú otvorenú experimentálnu otázku. Študenti sú nútení formulovať svoje často zmätené hypotézy jasne v skupine, diskutovať o nich a plánovať príslušné experimenty presne pred ich uskutočnením. Štruktúru cyklu môžu študenti získať pomocou pracovného listu. Okruh slúži ako podporná štruktúra pre študentov, ktorí ešte nepoznajú otvorené experimentálne úlohy. Skúsené triedy sa s istotou zaobídu bez metodického vedenia v malom kroku.


Výskumný cyklus vedeckých experimentov.

Materiály pre študentov na skúmanie fenoménu:
Soľ, cukor, ľadový čaj, magnetky, perie, kocky ľadu, teplovzdušná sušička, rýchlovarná kanvica, .

Technická poznámka:
Experiment je, bohužiaľ, často nesprávne vysvetlený v knihách o pokusoch a dokonca aj v televízii: „Sviečka potrebuje kyslík - tlak vzduchu v pohári klesá - voda stúpa“. Ďalej je stručne vysvetlený efekt, ktorý spôsobuje hlavne stúpanie vody: Keď sa ochladí horúci vzduch, stiahne sa. Keď sa vzduch ochladí, v uzavretom hornom skle sa vytvorí podtlak. Výsledný tlakový rozdiel je to, čo poháňa stúpajúcu vodu. Čím väčší je teplotný rozdiel, tým väčší je tlakový rozdiel a s tým spojené zvýšenie vody. Experiment funguje aj bez sviečky a to rýchlym ochladením pohára, ktorý bol zahriaty kockami ľadu. Ďalšie účinky, ktoré zintenzívňujú proces (kondenzácia vodných pár, rozpúšťanie CO2, ...), sú uvedené v literatúre. Experiment je možné použiť ako úvod do problematiky tepelných motorov.

Samodiferenciačná úloha:
Otvorenie hodín výučbe založenej na výskume významne prispieva k samostatnému učeniu a získavaniu vedomostí zameraných na kompetencie študentov. Myšlienky pred vyučovaním, ktoré sú často zanedbávané na hodinách zameraných na učiteľa až s 33 študentmi, zohrávajú dôležitú úlohu v nezávislom výskume: Študenti využívajú svoje existujúce koncepty, diskutujú o nich v skupinovej práci a nakoniec sa ich pokúsia znovu objaviť v experimente. Nezávislé zameranie na vedecký fenomén môže byť pre školákov príležitosťou priblížiť ich predsudky vedeckým konceptom. Výskum experimentov so sviečkami je zásadne diferencovaný. Slabé skupiny študentov môžu robiť jednoduché odhady ako napr B. vylúčiť rôzne rozpúšťanie plynov v sladenej alebo slanej vode. Okrem tepelného efektu veľmi dobré školské skupiny objavia aj ďalšie príčiny ako napr B. kondenzácia vodnej pary na chladnom pohári čaju.

Videá experimentu so sviečkami:
Experimentujte so sviečkou:
Voda stúpa až po zhasnutí sviečky
Experiment I bez sviečky:
Sklo sa ohrieva teplovzdušným dúchadlom - pretlak odčerpáva vodu von.
Experiment II bez sviečky:
Sklo sa ohrieva teplovzdušnou sušičkou a potom sa ochladí kockou ľadu (časozberný záber)

Videá s aplikáciami efektu:
Analógový experiment:
Horúci vzduch sa rozpína ​​v sklenenej žiarovke - studený vzduch sa sťahuje.
Stirlingov motor:
Je to možné iba pri teplej a studenej.
Parný motor:
Výstup studenej pary zvyšuje účinnosť.

Pracovné listy k lekcii:
Experimentovanie s výskumným cyklom:
Word PDF
Zabezpečenie výsledkov výskumného učebného experimentu:
Word PDF

Študentské riešenia z triedy:
Hypotéza: oxid uhličitý sa rozpustí vo vode.
PDF
Hypotéza: Efekt účinkuje pri teplej aj studenej.
PDF

Dodatočný materiál pre lekciu:

Technické vysvetlenie:
Účinok nastane aj vtedy, keď sa vzduch v pohári krátko zahreje teplovzdušnou sušičkou (500 ° C) a stojace sklo sa potom ochladí kockami ľadu (video).

Analógový experiment:
Od javu k tepelnému motoru: sklenená žiarovka je striedavo ponorená v horúcej a studenej vode - žiarovka sa pohybuje. Memorandum na použitie ako motor: „Je to možné iba za tepla a za studena.“ (Video)

Najjednoduchší tepelný motor:
Stirlingov motor vyžaduje na jednej strane teplú ruku, aby mohol pracovať, a na druhej strane kocky ľadu, aby sa zvýšil teplotný rozdiel (video). Referencia: vedecký obchod

Účinok na parný stroj:
Ak je výstup parného stroja ochladený studenou vodou, parný stroj zrazu beží takmer dvakrát rýchlejšie. (viď žiarovka). Zvýšil sa teplotný rozdiel medzi teplou a studenou - výrazne sa zvyšuje účinnosť parného stroja (video). Odkaz: laboratórny plán Schneider

Uhoľné elektrárne:
Všetky tepelné elektrárne vyžadujú na svoju prevádzku „horúcu“ a „studenú“. Elektrárne sú kvôli chladeniu vždy postavené vedľa rieky.

Článok v novinách: Problém chladenia v lete
Ďalšie príklady: motory automobilov s chladičmi, .
Zdroj obrázkov: Wikimedia Commons, obrázok Dmitry A. Mott

Sviečkový výťah v Jugend forscht:
Leonard Bauersfeld a Marcel Neidinger z gymnázia Hans-Thoma Lörrach:
1. miesto v oblasti fyziky na regionálnej súťaži Südbaden 2013: článok Badische-Zeitung

Sviečka na medzinárodnom svetovom pohári fyziky 2013:
Sviečkový experiment ako celosvetový výskumný projekt (č. 10): výskumné projekty IYPT
Medzinárodný turnaj mladých fyzikov 2013 v Taipei v Taiwane

Novinový článok o lekcii:
Kruh MINT: „Otvorené úlohy v učebni! Učebný príklad.“ Vydanie 1. 2. 2013 (2013)
S. Höhl: „Dátum a parný stroj“, Badische Zeitung (7. 7. 2012)

Mechanické použitie od staroveku:

Ľavý obrázok: Pohľad spredu na automatické dvere
Obrázok vpravo: Pohľad zozadu s mechanikmi.

Alexandrijské chrámové dvere: Tajomná podívaná v staroveku: po zapálení obetného ohňa bohovia zázračne otvorili chrámové dvere! Beda však oheň zhasne: cesta do chrámu je okamžite uzavretá. Pod dverami nekonali nijakí bohovia, ale fyzikálny princíp: „Môžete to robiť iba s teplou a studenou“. Pracovný model dverí môžete obdivovať vo vedeckom múzeu „Millennium Tower“ v Magdeburgu.
Vysvetlenie dverí na základe obrázku vpravo: Guľa napravo od dverí je vyhrievaná Bunsenovým horákom. Guľa je pripojená k uzavretej nádobe na vodu v strede pomocou hadice. Vzduch v guli sa rozpína ​​a vytláča kvapalinu z vodnej nádoby v strede doľava do visiacej otvorenej nádoby. Hmotnosť prázdnej nádoby vľavo je vyvážená hmotnosťou vpravo. Kvôli vtekajúcej vode do ľavej nádoby už nie je rovnováha a dvere sa otvárajú. Ak je lopta napravo od dverí ochladená, dvere sa opäť zatvoria.

Ďalšie starodávne stroje na fyzikálnom princípe:
Online článok o spoločnosti Spiegel

Testovanie úlohy: Trieda 9c, školský rok 2011/12, Friedrich-Gymnasium Freiburg
Autor: Dr. Patrick Bronner
Inšpirácia pre experimenty: Prof. Dieter Plappert
Fotografie a videá: P. Bronner