Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Цей дослід присвячено перетворенню форм енергії, а точніше - потенціальної на внутрішню.
Для цього дробинки контрольовано скидають усередині трубки Вайтінга і фіксують стани енергії до і після процесу.
Інша інформація для вчителя (1/3)
Попередні знання
Учні мають знати, що енергія може існувати в різних формах і що перетворення між формами можливе.
Принцип
У цьому досліді потенціальна енергія дробинок під час падіння в трубці перетворюється спершу на кінетичну, а потім на внутрішню (трубка Вайтінга).
Після цього формулюють висновки про ефективність і принцип дії цього перетворення.
Інша інформація для вчителя (2/3)
Навчальна мета
Учні дізнаються, як відбувається перетворення потенціальної енергії на внутрішню.
Завдання
Дай дробинкам багато разів упасти з певної висоти і виміряй, наскільки вони від цього нагріваються.
Інша інформація для вчителя (3/3)
Вказівки щодо складання та виконання
- Слід простежити, щоб обидва корки сиділи щільно. Обертаючи трубку, братися руками треба лише за корки з обох кінців.
- Трубку потрібно перевернути 200 разів, інакше різниці температур будуть надто малими. Проте за набагато більшої кількості обертань дослід триває довго, а це дає більші втрати.
- Щоб визначити висоту падіння, мірну стрічку опускають до самих дробинок. Але при цьому дробинки не слід відсувати вбік.
- Масу дробинок можна перевірити на терезах, проте результат - і підвищення температури, і ККД - від маси не залежить. В обох випадках вона скорочується.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Велосипедна динамо-машина
Якщо їдеш уночі на велосипеді, тобі потрібне світло. Багато велосипедів мають для цього динамо-машину, якою ти під час педалювання перетворюєш енергію свого руху на електричну.
Такі перетворювачі енергії трапляються в побуті часто. Автомобільний двигун перетворює хімічну енергію на електричну, а та своєю чергою перетворюється на енергію руху.
Тепер постає питання: чи можна перетворювати одна на одну й інші форми енергії? У цьому досліді ти дослідиш, чи можна перетворити механічну енергію на внутрішню, тобто на теплоту.
Завдання (1/2)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Завдання (2/2)
Схема досліду
Чи можна перетворити потенціальну енергію на теплоту?
Дай дробинкам багато разів упасти з певної висоти і виміряй, наскільки вони від цього нагріваються.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість | 1 | Cobra SMARTsense - температура, −40 … 125 °C (Bluetooth) | 12903-00 | 1 | 2 | Основа штатива, PHYWE | 02001-00 | 1 | 3 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=250 мм, d = 10 мм | 02031-00 | 1 | 4 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм | 02037-00 | 1 | 5 | Подвійна муфта | 02043-00 | 1 | 6 | Універсальний затискач | 37715-01 | 1 | 7 | Трубка, пластик PMMA, d = 30 мм, l = 400 мм | 04446-00 | 1 | 8 | Гумовий корок 26/32, без отвору | 39258-00 | 1 | 9 | Гумовий корок 26/32, отвір 7 мм | 39258-01 | 1 | 10 | Дробинки, d = 2 мм, 120 г | 03990-00 | 1 | 11 | Лабораторний стакан, пластик (PP), 100 мл | 36011-01 | 1 | 12 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 | 13 | measureAPP - безкоштовне вимірювальне програмне забезпечення для всіх пристроїв | 14581-61 | 1 |
|---|
Складання (1/3)
Рисунок 1
Увага!
- Трубка з термометром має вільно обертатися. Датчик не повинен ударятися об стіл чи стрижень.
- Штативний затискач у муфті слід прикрутити лише злегка.
Складають установку за рис. 1.
1. Змонтуй штатив. Простеж, щоб великий стрижень справді був міцно закручений.
Складання (2/3)
Рисунок 2
2. Просунь датчик температури крізь отвір у корку так, щоб він виступав приблизно на 1,5 см.
Щоб датчик справді сидів щільно, а корок міг повністю ущільнити трубку, його треба обмотати клейкою стрічкою і підігнати за товщиною до отвору (див. рис. 2).
3. Щільно закрий трубку корком із датчиком температури.
Складання (3/3)
4. Закріпи трубку на штативі.
5. За допомогою лабораторного стакана обережно й повільно всип дробинки в трубку. Якщо робити це надто швидко, кульки легко розлітаються навсібіч.
Виконання (1/6)
1. Визнач висоту падіння дробинок:
1. Мірну стрічку обережно вводять у трубку, доки вона внизу не впреться в дробинки.
2.Від значення на верхньому краю трубки треба ще відняти ту частину верхнього корка, яка входить у трубку.
3. Запиши висоту падіння .
Виконання (1/6)
2. Дослід із падінням:
1. Увімкни свій датчик Cobra SMARTsense Temperature. Відкрий застосунок «measure» і вибери датчик температури.
2.Встанови частоту опитування 1 Гц.
3. Щільно закрий трубку зверху корком без отвору.
4.Почни запис вимірювань у measureApp - тоді щосекунди записуватиметься одне значення температури.
5. Зачекай близько 100 с, доки показ температури стабілізується: датчик температури внизу має бути в контакті з кульками.
Виконання (2/6)
6. Переверни трубку 200 разів різким рухом на 180° (туди й назад). Намагайся при цьому тримати трубку лише за корки. Дробинки при цьому мають не ковзати по стінці, а падати якомога вільніше вертикально вниз.
Тут стане в пригоді, якщо твій напарник притримає штатив і трохи його стабілізує.
7.Зачекай ще 100 с, доки виміряне значення стабілізується: датчик температури внизу має бути в контакті з дробом.
8. Заверши вимірювання і збережи його.
9. Висип дробинки назад у лабораторний стакан, щоб вони знову охолонули.
Виконання (3/6)
12. Поки кульки охолоджуються, можеш уже братися до опрацювання результатів.
13.Повтори дослід так само ще двічі.
Виконання (4/6)
Рисунок 3
3. Опрацювання даних
1.Вибери інструмент регресії і визнач ним початкову температуру дробинок, а також кінцеву температуру дробинок після 200 падінь: для цього проведи через сталі ділянки пряму з нахилом 0 як середнє значення (див. рис. 3). - це максимум температури, який встановлюється наприкінці вимірювання.
Занеси свої результати до таблиці 1 у протоколі.
Виконання (5/6)
2.Обчисли для всіх трьох вимірювань різницю температур і теж занеси її до таблиці 1.
3.Занеси висоту падіння до таблиці 2.
4.На верхньому кінці трубки дробинки мають більшу потенціальну енергію, ніж на нижньому.
Різниця становить: , де прискорення вільного падіння .
Якщо кульки підняли на цю відстань 200 разів, то їм надано механічну енергію: (1)
Обчисли за (1). Доповни таблицю 3.
Виконання (6/6)
5. Обчисли для кожного випадку зміну внутрішньої енергії дробинок , де питома теплоємність сталі у Дж/(г °C). Занеси значення до таблиці 3.
6. Обчисли для кожного випадку енергію , яку відведено як втрати в довкілля, і коефіцієнт корисної дії процесу перетворення . При цьому справджується
Доповни таблицю 3 у протоколі.
Протокол
Завдання 1
Заповни цю таблицю 1 за кроками з розділу «Виконання».
у °C
у °C
у °C
Вимірювання 1
Вимірювання 2
Вимірювання 3
Завдання 2
Заповни цю таблицю 2.
Висота падіння s у мм
Маса дробинок у г
Завдання 3
Заповни цю таблицю 3, користуючись формулами, означеними в розділі «Виконання».
у Дж
у Дж
у %
1-ше вимірювання
2-ге вимірювання
3-тє вимірювання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Наведи значення з одиницею, яке ти обчислив у розділі «Виконання»:
Завдання 6
Питання