Експериментът със свещи - PRIMAS - Германия
Експеримент със свещи
Вдигането на свещи е част от стандартния научен експеримент от детската градина през началното училище до гимназията. За учениците от девети клас веднага е налице обяснение дори без действителния опит: „Свещта се нуждае от кислород - налягането на въздуха в чашата намалява - водата се покачва“ (виж инструкционния филм). На по-нататъшния въпрос: "Кога водата се вдига в чашата?" отговорът на ученика е ясен: „Докато свещта гори“. В последващия експеримент (с видеокамера) обаче той ясно показва, че покачването започва само с пламъка на свещта. Следователно консумацията на кислород може да бъде изключена като обяснение.
За учениците става наистина интересно: "Какво е правилното обяснение сега?" Класът незабавно формулира многобройни предположения и предлага по-нататъшни експерименти. За да се изучи подробно явлението, класът е разделен на групи.
Видео от урока (8 от 45 минути):
Използване на изследователския цикъл:
За структуриран подход в груповата работа с отворена експериментална задача е препоръчително да се ориентирате към изследователския цикъл. Цикълът може да се използва за всеки отворен експериментален въпрос. Студентите са принудени да формулират своите често объркани хипотези ясно в групата, да ги обсъждат и да планират съответните експерименти точно преди да бъдат извършени. Структурата на цикъла може да бъде дадена на учениците с работен лист. Веригата служи като спомагателна структура за ученици, които все още не са запознати с отворените експериментални задачи. Опитните класове могат уверено да се справят без методичното ръководство с малка стъпка.
Изследователски цикъл за научни експерименти.
Материали за ученици за изследване на феномена:
Сол, захар, студен чай, магнити, пера, кубчета лед, сушилня с горещ въздух, кана, .
Техническа бележка:
За съжаление експериментът често се обяснява неправилно в книгите с експерименти и дори по телевизията: „Свещта се нуждае от кислород - налягането на въздуха в чашата намалява - водата се покачва“. По-долу накратко се обяснява ефект, който главно води до покачване на водата: Когато горещият въздух се охлажда, той се свива. В затвореното горно стъкло се създава отрицателно налягане, когато въздухът се охлади. Получената разлика в налягането е това, което задвижва надигащата се вода. Колкото по-голяма е температурната разлика, толкова по-голяма е разликата в налягането и свързаното с това увеличение на водата. Експериментът работи и без свещта, като бързо охлажда чаша, която е загрята с кубчета лед. Допълнителни ефекти, които засилват процеса (кондензация на водни пари, разтваряне на CO2,) могат да бъдат намерени в цитираната литература. Експериментът може да се използва като въведение в темата за топлинните машини.
Саморазграничителна задача:
Отварянето на уроците за научно-изследователско учене има важен принос за самостоятелното обучение и придобиването на знания, ориентирани към компетентност. Идеите преди урока, които често се пренебрегват в ориентирани към учителите уроци с до 33 ученици, играят важна роля в независимите изследвания: Учениците използват съществуващите си концепции, обсъждат ги в групова работа и накрая се опитват да ги преоткрият в експеримент. Независимата заетост с научния феномен може да бъде повод за учениците да сближат своите предубеждения с научните концепции.Изследването на експеримента със свещи е основно диференцирано. Слабите групи ученици могат да направят прости предположения като Б. изключва различното разтваряне на газове в подсладена или подсолена вода. В допълнение към топлинния ефект, много добри училищни групи откриват и други причини като Б. кондензация на водни пари върху хладна чаена чаша.
Видеоклипове от експеримента със свещи:
Експериментирайте със свещ:
Водата се вдига едва след угасването на свещта
Експериментирайте I без свещ:
Стъклото се загрява с вентилатор с горещ въздух - свръхналягането изпомпва водата навън.
Експеримент II без свещ:
Стъклото се нагрява със сушилня с горещ въздух и след това се охлажда с кубче лед (изстрел във времето)
Видеоклипове с приложения на ефекта:
Аналогичен експеримент:
Горещият въздух се разширява в стъклената крушка - студеният въздух се свива.
Стърлинг двигател:
Възможно е само с топло и студено.
Парен двигател:
Изходът за студена пара увеличава ефективността.
Работни листове за урока:
Експериментиране с изследователския цикъл:
Word PDF
Осигуряване на резултатите от изследователския учебен експеримент:
Word PDF
Студентски решения от класната стая:
Хипотеза: въглеродният диоксид се разтваря във вода.
PDF
Хипотеза: Ефектът работи с топло и студено.
PDF
Допълнителен материал за урока:
Техническо обяснение:
Ефектът се проявява и когато въздухът в стъклото се загрява за кратко със сушилня с горещ въздух (500 ° C) и след това стоящото стъкло се охлажда с кубчета лед (видео).
Аналогичен експеримент:
От феномен до топлинен двигател: стъклената крушка се потапя последователно в топла и студена вода - крушката се движи. Меморандум за използване като двигател: "Възможно е само при топло и студено." (Видео)
Най-простият топлинен двигател:
Двигателят на Стърлинг се нуждае от топла ръка от едната страна, за да работи, и кубчета лед от друга, за да увеличи температурната разлика (видео). Справка: научен магазин
Ефект върху парната машина:
Ако изходът на парната машина се охлади със студена вода, парната машина внезапно работи почти два пъти по-бързо. (виж крушката). Температурната разлика между горещо и студено е увеличена - ефективността на парната машина се увеличава значително (видео). Справка: Лабораторен план на Schneider
Въглищни електроцентрали:
Всички топлоелектрически централи изискват "горещо" и "студено" за работа. Електроцентралите винаги са изградени до река за охлаждане.
Статия във вестник: Проблем с охлаждането през лятото
Други примери: автомобилни двигатели с радиатори, .
Източник на изображението: Wikimedia Commons, изображение на Дмитрий А. Мот
Вдигането на свещи в Jugend forscht:
Леонард Бауерсфелд и Марсел Нойдингер от гимназия „Ханс-Тома“ Льорах:
1-во място в областта на физиката на регионалното състезание Südbaden 2013: статия Badische-Zeitung
Вдигане на свещи на Международната световна купа по физика 2013:
Експериментът със свещи като световен изследователски проект (№ 10): Изследователски проекти на IYPT
Международен турнир за млади физици 2013 г. в Тайпе, Тайван
Статия във вестника за урока:
Кръг от МИНТА: "Отворени задачи в класната стая! Пример за преподаване." Издание 01/02 (2013)
С. Хьол: „Дата и парен двигател“, Badische Zeitung (07.07.2012 г.)
Механично приложение от древни времена:
Лява снимка: Изглед отпред на автоматичната врата
Картина вдясно: Изглед отзад с механиката.
Александрийски врати на храма: мистериозно зрелище в древността: след като е бил запален жертвен огън, боговете по чудо отварят вратите на храма! Но горко на огъня угасва: пътят към храма веднага се затваря. Никой бог не е действал под вратите, но физическият принцип: „Можете да го направите само с топло и студено“. Работещ модел на вратите може да се възхищавате в научния музей "Кулата на хилядолетието" в Магдебург.
Обяснение на вратите въз основа на снимката вдясно: Сферата вдясно от вратата се нагрява с горелка на Бунзен. Топката е свързана към затворения съд за вода в средата чрез маркуч. Въздухът в топката се разширява и изтласква течността от водния съд в средата наляво във висящия отворен съд. Теглото на празния съд отляво се балансира от тегло отдясно. Водата, вливаща се в левия съд, означава, че вече няма равновесие и вратите са отворени. Ако топката вдясно от вратата се охлади, вратата се затваря отново.
Други древни машини на физически принцип:
Онлайн статия на Spiegel
Тестване на задачата: Клас 9в, учебна година 2011/12, Фридрих-гимназия Фрайбург
Автор: Dr. Патрик Бронър
Вдъхновение за експериментите: проф. Дитер Плаперт
Снимки и видеоклипове: П. Бронър