Διαθεματική Εργασία στη Φυσική

 

 

 

Εργαστηριακά Όργανα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Τμήμα: Β2

 

Ομάδα: Watt

Μαθητές:

 

Δούμτσης Θωμάς

Καρατζόβαλη Βάσω

Λέτσιου Αντωνία

 

Επιβλέποντες Καθηγητές:

 

Ντόζης Αλέξανδρος, φυσικός

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Γουμένισσα 2007 – 2008


Α. Η Εργασία μας

Α.1 Ανάθεση
 
Β  Εργασία 4

 

Εργαστηριακά όργανα

 

Το εργαστήριο της φυσικής του σχολείου μας έχει κάποια όργανα τα οποία δεν λειτουργούν ή χρειάζονται βελτίωση! Ας προσπαθήσουμε να τα διορθώσουμε. Επίσης χρειαζόμαστε και ορισμένα όργανα που μπορούμε να φτιάξουμε μόνοι μας.

1. Κατασκευή πλάγιου (κεκλιμένου) επιπέδου. Η ομάδα θα κατασκευάσει ένα πλάγιο επίπεδο (κατά προτίμηση από ξύλο) με τα εξής χαρακτηριστικά:

α. Θα στηρίζεται σε μία σταθερή ξύλινη βάση.

β. Το πλάγιο επίπεδο θα έχει πλάτος τουλάχιστον 20 cm.

γ. Το πλάγιο επίπεδο θα έχει μήκος τουλάχιστον 80 cm.

δ. Το πλάγιο επίπεδο θα μπορεί να λαμβάνει και να σταθεροποιείται σε τουλάχιστον τρεις διαφορετικές κλίσεις.

Η ομάδα αφού φτιάξει το πλάγιο (κεκλιμένο) επίπεδο θα μελετήσει την κίνηση αντικειμένων στο κεκλιμένο επίπεδο με τη βοήθεια του χρονομετρητή του σχολικού εργαστηρίου.

2. Επισκευή του μανομέτρου. Το μανόμετρο του σχολικού εργαστηρίου είναι χαλασμένο καθώς έχει καταστραφεί η μανομετρική κάψα. Η ομάδα εργασίας θα προσπαθήσει να επιδιορθώσει το μανόμετρο ή να δημιουργήσει ένα καινούργιο. Το μανόμετρο θα βαθμονομηθεί και με τη βοήθειά του θα μετρηθεί η πυκνότητα ορισμένων υγρών και διαλυμάτων.

3. Βελτίωση του ηλεκτροσκοπίου (ηλεκτρικού εκκρεμούς). Το ηλεκτρικό εκκρεμές του σχολικού εργαστηρίου έχει συνθετικά σφαιρίδια τα οποία είναι πολύ βαριά για να αντιδράσουν στα μικρά φορτία που δημιουργούνται με τριβή στις ράβδους του εργαστηρίου. Η ομάδα θα δημιουργήσει ελαφριά σφαιρίδια από φελιζόλ τα οποία θα επιδέσει σε κατάλληλα νήματα έτσι ώστε να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό εκκρεμές μεγαλύτερης ευαισθησίας. Η μάζα των σφαιριδίων και των νημάτων θα μετρηθεί με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών ζυγών του εργαστηρίου. Η ομάδα θα προσπαθήσει να εκτιμήσει το ηλεκτρικό φορτίο που αναπτύσσεται με τριβή στις ράβδους του σχολικού εργαστηρίου με τη βοήθεια του ηλεκτρικού εκκρεμούς.

4. Για καθένα από τα παραπάνω όργανα θα δημιουργηθεί κατάλληλο σχέδιο υπό κλίμακα το οποίο θα τα περιγράφει.

5. Να παρουσιάσετε κατάλληλα την εργασία σε ένα χαρτόνι διαστάσεων 1mΧ70cm (περίπου)

 

Η ομάδα θα γράψει μία εργασία με τις εξής ενότητες:

Α. Η εργασία μας

Στην ενότητα αυτή θα περιγραφεί πλήρως, σε μορφή έκθεσης, όλη η εργασία που έγινε από τα μέλη της ομάδας, πώς ολοκληρώθηκε κάθε βήμα της, τι βοηθήματα χρησιμοποιήθηκαν, τι πηγές αναζητήθηκαν, ποιοι άνθρωποι βοήθησαν και πώς κ.τ.λ.

Β. Οι δυσκολίες

Στην ενότητα αυτή θα περιγραφεί ποια κομμάτια της εργασίας δυσκόλεψαν ιδιαίτερα την ομάδα και γιατί. Επίσης σ’ αυτήν την ενότητα θα περιγραφούν τα σημεία που δεν έγινε κατορθωτό να ολοκληρωθούν και οι λόγοι της μη ολοκλήρωσής τους.

Γ. Επιπλέον εργασίες

Στην ενότητα αυτή θα περιγραφούν επιπλέον τμήματα της εργασίας που πρόσθεσαν τα μέλη της ομάδας, χωρίς να ζητηθούν, αλλά που η ομάδα τα βρήκε ενδιαφέροντα.

Δ. Προτάσεις για το καλύτερο

Στην ενότητα αυτή θα περιγραφούν οι προτάσεις της ομάδας για βελτίωση της εργασίας.

 


Α.2 Εκτέλεση της εργασίας μας

 

Συνεδρία 1η

Η ομάδα έχει να επιλέξει την κατανομή των εργασιών, τις ιδέες, και πάνω απ’ όλα, τον τρόπο με τον οποίο θα εργαστεί. Η συνεδρία πήγε καλά παρ’ όλο που υπήρχαν κάποιες δυσκολίες. Οι ιδέες βρέθηκαν, ο τρόπος, καθώς και η κατανομή των εργασιών πραγματοποιήθηκαν.

 

Αρχίζουμε…

 

q       Κεκλιμένο επίπεδο: Οι ιδέες πολλές, όμως τελικά επικράτησε μόνο μία. Τώρα έρχεται η επίσκεψη στον ξυλουργό. Εκεί, αφού κόπηκαν τα ξύλα, βοηθήσαμε στην επικόλληση.

 

q       Μανόμετρο: Σωτήριο Internet! Χάρη σε τόσες πολλές πληροφορίες η ιδέα βρέθηκε. Πολλές ερωτήσεις στον φυσικό του σχολείου για το τι ακριβώς είναι η μανομετρική κάψα. Έπειτα ήρθε η κατασκευή του. Μετά από αρκετές αποτυχημένες προσπάθειες τελικά πέτυχε.

 

q       Ηλεκτρικό εκκρεμές: Μετά από αρκετές ερωτήσεις στο φυσικό του σχολείου η κατασκευή ολοκληρώθηκε επιτυχώς.

 

Μελετώντας την κίνηση αντικειμένων στο κεκλιμένο επίπεδο συμπεραίνουμε ότι στο πιο ψηλό καθώς και στο επόμενο επίπεδο η κίνηση είναι επιταχυνόμενη ενώ στο χαμηλότερο επίπεδο η κίνηση που εκτελεί το αντικείμενο είναι ευθύγραμμη ομαλή.

 

 

Πώς φτιάχτηκε το μανόμετρο;

 

Πήραμε ένα μπουκάλι σχετικά μικρό με σκληρά τοιχώματα και το κόψαμε κοντά στον πάτο του. Κάναμε μία τρύπα στο καπάκι ώστε να περνάει μέσα από αυτήν σφιχτά ο σωλήνας. Περάσαμε το σωλήνα από την τρύπα. Κόψαμε ένα μπαλόνι, πετάξαμε το μέρος που έχει το λαιμό του και με το άλλο μέρος κλείσαμε το ανοιχτό κάτω μέρος του μπουκαλιού. Περάσαμε ένα λαστιχάκι για να κρατήσουμε το κομμάτι του μπαλονιού στη θέση του και τελειώσαμε.

 

 

Πώς φτιάχτηκε το ηλεκτρικό εκκρεμές;

 

Πήραμε ένα κομμάτι φελιζόλ, το κόψαμε μέχρι να γίνει πολύ μικρό και περάσαμε μέσα από αυτό μια κλωστή με τη βελόνα. Έπειτα δέσαμε τη κλωστή στη βάση και περάσαμε ένα ακόμη πολύ μικρό κομμάτι φελιζόλ. Αφού δέσαμε κι εκεί τη κλωστή, δέσαμε τέλος τη κλωστή στη βάση του ηλεκτρικού εκκρεμούς.

 

 

Δοκιμάζοντας τις κατασκευές…

 

Μανόμετρο: Όταν δοκιμάσαμε το μανόμετρο αναρωτιόμασταν αν θα πετύχει. Βάλαμε νερό στο σωλήνα σχήματος U, συνδέσαμε με ένα λάστιχο το σωλήνα με τη μανομετρική κάψα που είχαμε κατασκευάσει και προσπαθήσαμε να κάνουμε το πείραμα. Η μανομετρική κάψα που είχαμε κατασκευάσει μπορούσε να μετρήσει την υδροστατική πίεση καθώς το πείραμα πέτυχε. Παρ’ όλα αυτά είχαμε ένα παράδοξο: ενώ ως ένα σημείο μετρούσε κανονικά, έπειτα το υγρό στους δύο κλάδους του σωλήνα U ισοσκελιζόταν και η μέτρηση γινόταν αντίστροφα. Ευτυχώς – μη ρωτάτε πώς, στη συγκεκριμένη περίπτωση μόνον ο Θεός και ίσως ο Pascal ξέρουν – δε μετράει πια και αντιστρόφως.

 

 

 

 

 

Ηλεκτρικό εκκρεμές: Τρίψαμε τη ράβδο από εβονίτη έτσι ώστε να φορτιστεί και την πλησιάσαμε στο φελιζόλ. Η ράβδος ασκούσε ελκτικές δυνάμεις στις μπαλίτσες από φελιζόλ και αυτές εκτρέπονταν από την κατακόρυφη θέση τους. Αυτό σημαίνει ότι η κατασκευή μας πέτυχε.

 

 

 

 

 

 

 

Στο εργαστήριο…

 

Στο εργαστήριο φυσικής του σχολείου μας μετρήσαμε το χρόνο που χρειάζεται ένα αντικείμενο για να διανύσει μία καθορισμένη απόσταση ανάλογα με την κλίση του κεκλιμένου επιπέδου. Δυστυχώς δεν μπορέσαμε να συμμετέχουμε όλοι στο πείραμα διότι είχαμε φυσική αγωγή.

Αρχικά τοποθετήσαμε το πλάγιο επίπεδο στην υψηλότερη κλίμακα. Τοποθετήσαμε το χρονομετρητή σε μία καρέκλα στο ίδιο ύψος και το αντικείμενο που χρησιμοποιήσαμε ήταν ένα βαρίδιο (άγνωστης μάζας). Το αφήσαμε να διασχίσει το κεκλιμένο επίπεδο, καθώς ο χρονομετρητής είχε τεθεί σε λειτουργία. Παρατηρήσαμε από την κίνηση που είχε καταγράψει ο χρονομετρητής, ότι το αντικείμενο στη συγκεκριμένη κλίση είχε εκτελέσει επιταχυνόμενη κίνηση.

Ακολουθήσαμε την ίδια διαδικασία και στο μεσαίο και στο χαμηλότερο επίπεδο. Εκεί από την κίνηση που είχε καταγράψει ο χρονομετρητής συμπεράναμε ότι στο μεσαίο επίπεδο το βαρίδιο είχε πραγματοποιήσει επιταχυνόμενη κίνηση ενώ στο χαμηλότερο επίπεδο το αντικείμενο έτεινε να πραγματοποιήσει ευθύγραμμη ομαλή κίνηση.

 

Β. Οι δυσκολίες

 

Πολλές φορές δε γνωρίζαμε τι ακριβώς έπρεπε να φτιάξουμε και δεν μπορούσαμε να καταλάβουμε τι ζητούσε η εργασία, ακόμη κι όταν ψάχναμε στο Internet. Ευτυχώς, ρωτήσαμε το φυσικό του σχολείου μας και μπορέσαμε να κατανοήσουμε τα ζητούμενα και να προχωρήσουμε στην κατασκευή.

Επίσης, το μανόμετρο ήταν πολύ δύσκολο καθώς και χρονοβόρο να βαθμονομηθεί κι έτσι δεν έγινε δυνατόν να μετρηθεί η πυκνότητα ορισμένων υγρών.

Ένα άλλο πρόβλημα που συναντήσαμε ήταν ότι δεν ήταν εύκολο να εκτιμήσουμε το ηλεκτρικό φορτίο που αναπτύσσεται με τριβή στις ράβδους, δεν είχαμε τις απαραίτητες γνώσεις κι έτσι δεν έγινε κατορθωτό να ολοκληρωθεί αυτό το μέρος της εργασίας.

 

 

Γ. Επιπλέον εργασίες

 

Μανόμετρο

 

Συσκευή για την απευθείας μέτρηση της πίεσης η οποία ασκείται επί ενός ρευστού. Ο συνηθέστερος τρόπος στη βιομηχανία και στην καθημερινή χρήση είναι το μεταλλικό μανόμετρο του Μπουρντόν το οποίο αποτελείται από έναν ελαστικό μεταλλικό σωλήνα σε σχήμα γάντζου. Το ανοιχτό άκρο επικοινωνεί με δοχείο που περιέχει το υγρό ή το αέριο, ενώ το κλειστό συνδέεται με έναν μοχλό ο οποίος κινεί έναν δείκτη. Η πίεση στο ρευστό τείνει να ανορθώσει το σωλήνα ενώ το κλειστό άκρο καθώς μετακινείται κινεί έναν δείκτη.

Για ακριβέστερες μετρήσεις της πίεσης των αερίων χρησιμοποιούνται τα μανόμετρα ελεύθερου και πεπιεσμένου αέρα. Τα πρώτα Τα πρώτα αποτελούνται από έναν ανοιχτό σωλήνα σε σχήμα U που περιέχει υδράργυρο ή λάδι ή νερό. Το ένα άκρο τίθεται σε επικοινωνία με το δοχείο που περιέχει το προς μέτρηση αέριο. Όταν η πίεση μεταβληθεί οι στάθμες του υδραργύρου στους δύο κλάδους διαφοροποιούνται δίνοντας ένα μέτρο της διαφοράς μεταξύ της πίεσης του αερίου και της ατμοσφαιρικής. Η διαφορά ύψους των στηλών είναι ανάλογη της διαφορικής πίεσης, δηλαδή της απόλυτης πίεσης (ζητούμενης), μείον την τιμή της ατμοσφαιρικής.

Για υψηλότερες πιέσεις χρησιμοποιούνται τα μανόμετρα πεπιεσμένου αέρα τα οποία είναι όμοια με τα προηγούμενα αλλά με τον εξωτερικό κλάδο του σωλήνα σε σχήμα U κλειστό. Στον εξωτερικό σωλήνα ο όγκος των αερίων ελαττώνεται όταν αυξάνεται η πίεση, ακολουθώντας κατά προσέγγιση τον νόμο του Μπόυλ.

 

Εκκρεμές

 

Κάθε σώμα που αιωρείται, όταν κρεμαστεί από οριζόντιο άξονα που δεν περνά από το κέντρο βάρους του. Το πιο απλό εκκρεμές είναι ένα σώμα που κρέμεται με σχοινί ή λεπτό σύρμα από έναν άξονα έτσι ώστε να μπορεί να κινείται, όταν το μεταφέρουμε σε άλλη θέση από την κατακόρυφο και το αφήσουμε ελεύθερο. Το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί για να φύγει το εκκρεμές από μία θέση και να ξαναγυρίσει σε αυτήν, αφού περάσει διαδοχικά από όλα τα σημεία της τροχιάς του, το λέμε περίοδο. Η περίοδος αυτή εξαρτάται μόνο από το μήκος του σχοινιού και από τον τόπο που βρίσκεται, γι’ αυτό και το εκκρεμές χρησιμεύει για τη μέτρηση του χρόνου και της επιτάχυνσης της βαρύτητας σε έναν τόπο. Για να διατηρείται σταθερό το πλάτος της ταλάντωσής του έχουν επινοηθεί διάφοροι μηχανισμοί (ελατήρια) ή άλλα σώματα που πέφτουν σιγά σιγά και που η μεταβολή της ενέργειάς τους αναπληρώνει την ενέργεια που χάνει το εκκρεμές. Ο Ολλανδός Χούιγκας (1657) υιοθέτησε την χρησιμοποίηση του εκκρεμούς για συγχρονισμό των ρολογιών. Σιγά σιγά ο μηχανισμός του απλοποιείται, συνάμα, για να γίνει αργότερα ένα διακοσμητικό (17ος και 18ος αιώνας) στα σπίτια, παίρνοντας διαφορετικές εξωτερικές μορφές. Το 1851 ο Φουκό απέδειξε με ένα εκκρεμές ότι η Γη κινείται. Σήμερα χρησιμοποιείται και ως χρονόμετρο αλλά και για τη μέτρηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας. Είδη εκκρεμούς: α) Βαλλιστικό εκκρεμές, β) Φουκό εκκρεμές, γ) Ηλεκτρικό εκκρεμές. Η διάταξη ενός απλού εκκρεμούς που αποτελείται από ένα μεταξένιο νήμα στο οποίο δένεται μία μικρή σφαίρα από ελαφρύ υλικό, κακό αγωγό (μονωτή) του ηλεκτρισμού, και κρέμεται κατακόρυφα. Το σύστημα χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ασθενών ηλεκτρικών φορτίων από τις έλξεις ή τις απώσεις που παθαίνει η σφαίρα, όταν τη βάζουμε κοντά στα σώματα που εξετάζουμε.

 

 

Δ. Προτάσεις για το καλύτερο

 

Το καλύτερο θα ήταν να μπορούσαμε να ολοκληρώσουμε όλα τα μέρη της εργασίας. Διαφορετικά η εργασία πραγματοποιήθηκε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Ίσως το καλύτερο θα ήταν να δούλευε όλη η ομάδα μαζί και να μην εργάζονταν επιφανειακά ορισμένα άτομα.