Свічковий експеримент - PRIMAS - Німеччина
Свічковий експеримент
Підйом свічок є частиною стандартного наукового експерименту від дитячого садка через початкову школу до середньої школи. Для учнів дев’ятого класу пояснення доступне одразу навіть без фактичної спроби: «Свічка потребує кисню - тиск повітря в склянці зменшується - вода піднімається» (див. Навчальний фільм). На подальше питання: "Коли вода піднімається в склянці?" відповідь учня чітка: «Поки горить свічка». Однак у подальшому експерименті (з відеокамерою) це чітко показує, що підйом починається лише із полум’я свічки. Тому споживання кисню можна виключити як пояснення.
Для учнів стає по-справжньому цікавим: "Яке правильне пояснення зараз?" Клас відразу формулює численні здогади і пропонує подальші експерименти. Для детального вивчення явища клас поділяють на групи.
Відео з уроку (8 з 45 хвилин):
Використання дослідницького циклу:
Для структурованого підходу в груповій роботі з відкритим експериментальним завданням доцільно орієнтуватися на дослідницький цикл. Цикл можна використовувати для будь-якого відкритого експериментального питання. Студенти змушені чітко формулювати свої часто плутані гіпотези в групі, обговорювати їх та планувати відповідні експерименти безпосередньо перед їх проведенням. Структуру циклу можна дати учням за допомогою робочого аркуша. Схема служить опорною структурою для студентів, які ще не знайомі з відкритими експериментальними завданнями. Досвідчені класи можуть впевнено обійтися без покрокового методичного керівництва.
Цикл досліджень для наукових експериментів.
Матеріали для вивчення студентами явища:
Сіль, цукор, холодний чай, магніти, пір’я, кубики льоду, сушарка на гарячому повітрі, чайник, .
Технічна примітка:
На жаль, експеримент часто помилково пояснюється в експериментальних книгах і навіть на телебаченні: "Свічка потребує кисню - тиск повітря в склянці зменшується - вода піднімається". Далі коротко пояснюється ефект, який головним чином спричиняє підйом води: Коли гаряче повітря охолоджується, воно стискається. Під час охолодження повітря у закритому верхньому склі створюється негативний тиск. Отримана різниця тиску - це те, що рухає воду, що піднімається. Чим більша різниця температур, тим більша різниця тиску і пов'язане з цим збільшення води. Експеримент також працює без свічки, швидко охолоджуючи склянку, нагріту кубиками льоду. Подальші ефекти, що інтенсифікують процес (конденсація водяної пари, розчинення СО2,) можна знайти в цитованій літературі. Експеримент може бути використаний як вступ до теми теплових двигунів.
Самодиференційоване завдання:
Відкриття уроків для науково-дослідного навчання робить важливий внесок у самостійне навчання та здобуття знань на основі навичок для учнів. Ідеї перед уроком, якими часто нехтують на уроках, орієнтованих на вчителя, до 33 учнів відіграють важливу роль у незалежних дослідженнях: студенти використовують свої існуючі концепції, обговорюють їх у груповій роботі та, нарешті, намагаються знову відкрити їх в експерименті. Незалежна зайнятість науковим явищем може стати приводом для школярів наблизити свої упередження до наукових концепцій.Дослідження експерименту зі свічками принципово диференційоване. Слабкі групи студентів можуть скласти прості здогади, такі як Б. виключають різне розчинення газів у підсолодженій або підсоленій воді. Окрім теплового ефекту, дуже хороші шкільні групи виявляють і інші причини, такі як B. конденсація водяної пари на прохолодному чайному склянці.
Відео експерименту зі свічками:
Експериментуйте зі свічкою:
Вода піднімається лише після того, як свічка згасла
Експеримент I без свічки:
Скло нагрівається за допомогою повітродувки - надлишковий тиск перекачує воду назовні.
Експеримент II без свічки:
Скло нагрівають сушаркою з гарячим повітрям, а потім охолоджують кубиком льоду (проміжок часу)
Відео з додатками ефекту:
Аналогічний експеримент:
Гаряче повітря розширюється в скляній колбі - холодне повітря стискається.
Двигун Стірлінга:
Це можливо лише при гарячому та холодному.
Паровий двигун:
Випуск холодної пари підвищує ефективність.
Робочі листи до уроку:
Експерименти з дослідницьким циклом:
Word PDF
Забезпечення результатів дослідницького навчального експерименту:
Word PDF
Студентські рішення з класу:
Гіпотеза: вуглекислий газ розчиняється у воді.
PDF
Гіпотеза: Ефект працює із гарячим та холодним.
PDF
Додатковий матеріал до уроку:
Технічне пояснення:
Ефект також виникає, коли повітря в склі короткочасно нагрівається сушаркою з гарячим повітрям (500 ° C), а стояче скло потім охолоджується кубиками льоду (відео).
Аналогічний експеримент:
Від явища до теплового двигуна: скляну колбу по черзі занурюють у гарячу та холодну воду - колба рухається. Меморандум про використання в якості двигуна: "Ви можете робити це тільки в холодному і гарячому режимі". (Відео)
Найпростіший тепловий двигун:
Для роботи двигуна Стірлінга потрібна тепла рука з одного боку, а кубики льоду - з іншого, щоб збільшити різницю температур (відео). Довідково: науковий магазин
Вплив на парову машину:
Якщо вихід парової машини охолоджується холодною водою, паровий двигун раптом працює майже вдвічі швидше. (див. лампочку). Різниця температур між гарячою та холодною була збільшена - ефективність парової машини значно зростає (відео). Довідково: План праці Шнайдера
Вугільні електростанції:
Для роботи всіх теплових електростанцій потрібні "гарячі" та "холодні". Електростанції завжди будуються біля річки для охолодження.
Стаття в газеті: Проблема охолодження влітку
Інші приклади: автомобільні двигуни з радіаторами, .
Джерело зображення: Wikimedia Commons, зображення Дмитра А. Мотта
Підйом свічок у Jugend forscht:
Леонард Бауерсфельд та Марсель Нойдінгер із гімназії Ганса-Томи Леррах:
1 місце у галузі фізики на регіональному конкурсі Зюдбаден 2013: стаття Badische-Zeitung
Підйом свічок на Міжнародному Кубку світу з фізики 2013:
Експеримент зі свічками як світовий дослідницький проект (№ 10): дослідницькі проекти IYPT
Міжнародний турнір молодих фізиків ‘2013 у Тайбеї, Тайвань
Стаття в газеті про урок:
Гурток М’ЯТИ: «Відкриті завдання в класі! Приклад викладання». Видання 01/02 (2013)
С. Хьоль: "Дата і паровий двигун", Badische Zeitung (07.07.2012)
Механічне застосування з найдавніших часів:
Лівий малюнок: Вид спереду автоматичних дверей
Зображення праворуч: Вид ззаду з механікою.
Олександрійські храмові двері: таємниче видовище в давнину: після розпалення жертовного вогню боги дивом відчиняють двері храму! Але горе вогню згасає: шлях до храму негайно закривається. Жодні боги не діяли під дверима, але фізичний принцип: "Це можна робити лише з гарячим і холодним". Працюючою моделлю дверей можна милуватися в науковому музеї "Вежа Тисячоліття" в Магдебурзі.
Пояснення дверей на основі зображення праворуч: Куля праворуч від дверей нагрівається пальником Бунзена. Куля з'єднана із закритою посудиною для води посередині через шланг. Повітря в кульці розширюється і виштовхує рідину з посудини з водою посередині вліво у підвісну відкриту посудину. Вага порожньої посудини ліворуч збалансована вагою праворуч. Через приплив води в лівій посудині рівноваги вже немає і двері відчинені. Якщо куля праворуч від дверей охолоне, двері знову закриваються.
Інші стародавні машини за фізичним принципом:
Інтернет-стаття Spiegel
Тестування завдання: клас 9c, навчальний рік 2011/12, Фрайбург-гімназія Фрайбург
Автор: Dr. Патрік Броннер
Натхнення для експериментів: професор Дітер Плапперт
Малюнки та відео: П. Броннер