Zeljka Tomasev - Master Rad - u Boji Rad (f1-60)

  • View
    93

  • Download
    8

Embed Size (px)

DESCRIPTION

master rad,

Text of Zeljka Tomasev - Master Rad - u Boji Rad (f1-60)

  • 1969 ?y

    UN1VERZITET L NOVOM SADLPR1RODNO-M ATEM ATI^KI

    FAKL'LTETDEPARTMAN ZA H Z I K l

    i i ilv.

    21 10 2010

    Eksperimenti iz termodinamikeu nastavi fizike za osnovnu skolu

    -MASTER RAD-

    MENTOR:dr Sonja Skuban

    KANDIDAT:prof. Zeljka Tomasev

    Novi Sad, 2010. godine.

  • fEl(Sperimenti iz termodinamikg u nastavi fizike za osnovnu s

    l.Uvod 32. Termodinamika u nastavi fizike za 7. razred osnovne skole 4

    2.1. Unutrasnja energija i kretanje molekula 62.2. Temperatura i srednja kineticka energija 82.3. Merenje temperature 9

    2.3.1. Bazdarenje termometrapo Celzijusovoj skali 112.4. Toplotno sirenje 12

    2.5. Kolicina toplote. Speciflcni toplotni kapacitet 132.6. Toplotni bilans i opsti zakon odrzanja energije 142.7. Fazni prelazi 15

    2.7.1. Topljenje i ocvrscavanje 152.7.2. Isparavanje i kondenzovanje 172.7.3. Sublimacijai resublimacija 17

    2.8. Prenosenje toplote 183. Eksperimenti u nastavi fizike '. 19

    3.1. Merenje temperature mesavine tople i hladne vode posle uspostavljanjatermodinamicke ravnoteze 20

    3.2. Eksperimenti za dodatnu nastavu 213.2.1. Provodenje toplote kroz cvrsta tela 213.2.2. Provodenje toplote kroz cvrsta tela razlicite vrste materijala 223.2.3. Strujanje toplote kroz tecnosti 223.2.4. Prenosenje toplote zracenjem 233.2.5. Bazdarenje termometra 233.2.6. Sirenje cvrstih tela pri zagrevanju i skupljanje pri hladenju 243.2.7. Uporedivanje toplotnog kapaciteta vode i celicnih opiljaka 253.2.8. Pretvaranje unutrasnje energije u rad 25

    3.3. Jednostavni ogledi 263.3.1. Kondenzovanje vodene pare ili kako napraviti kisu 263.3.2. Kako napraviti maglu 263.3.3. Kako napraviti oblak 273.3.4. Kako napraviti inje 273.3.5. Balon koji ne puca 28

    3.4. Kompjuterske simulacije laboratoryskih vezbi i virtualni eksperimenti 283.4.1. Odredivanje specificne toplote cvrstog tela 293.4.2. Odredivanje toplote isparavanja vode 293.4.3. Ponasanje idealnog gasa pri promeni temperaturte, pritiska ili

    zapremine 304. Zakljucak 315. Literatura... ...32

    Page 2

  • "Eksperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu

    1. Uvod

    U ovom radu su obradeni eksperimenti iz oblasti termodinamike u nastavi fizike uosnovnoj skoli. Prvi put se sa toplotnim pojavama ucenici susrecu na casovima ,,Svet okonas" i ,,Priroda i drustvo". Tada se upoznaju sa faznim prelazima i agregatnim stanjima, kao isa provodenjem toplote kroz razlicite supstance.

    Toplota kao tema ozbiljnije se obraduje u sedmom razredu osnovne skole i to u 11nastavnih jedinica. Od toga su 3 casa obrade novog gradiva:

    1. Cesticni sastav supstancije. Molekuli i njihovo haoticno kretanje. Unutrasnja energija itemperatura.

    2. Toplotno sirenje tela. Pojam i merenje temperature.3. Kolicina toplote. Specificni toplotni kapacitet. Toplotna ravnoteza.

    Sedam casova je predvideno za ponavljanje gradiva i racunske zadatke, a samo jedancas za laboratory sku vezbu i to:

    1. Merenje temperature mesavine tople i hladne vode posle uspostavljanjatermodinamicke ravnoteze.

    Obzirom da se moze izvesti puno eksperimenata iz ove oblasti oni se mogu uraditi nacasovima planiranim za dodatnu nastavu.

    Malo vremena je ostavljeno i za teoriju iz ove oblasti pa se radoznalini ucenicima mozeprosiriti gradivo i mogu im se pruziti dodatna objasnjenja. Za ucenike koji iz ove teme zele dasaznaju vise predvidene su lekcije kao sto su fazni prelazi, prenosenje toplote i druge. U raduce ove lekcije biti napisane kosirn slovima, kao i kratke biografije naucnika.

    Za ovih 11 casova ucenici bi trebali da nauce [12]:*S da telo osim kineticke i potencijalne energije ima i unutrasnju energiju*J* da su temperatura i unutrasnja energija usko povezane sa brzinom kretanja

    molekulaJ da se pojam toplote odnosi na razmenu energije, a da on nema smisla ako

    razmene energije nemaJ da koriste formulu i jedinicu mere za temperaturu*t da koriste formulu i jedinicu mere za specificni toplotni kapacitet [12].

    Page 3

  • 'E^sperimenti iz termodinamike u nastavifizike za osnovnu st(pfu

    2. Termodinamika u nastavi fizike za 7. razred osnovne skole

    Termodinamika je grana fizike koja proucava toplotne procese. Rec je grckog poreklai znaci: Otp/JA] ftoplota) i Suvctfjig (snaga, sila, sposobnost). Ona istrazuje toplotnu ravnotezusistema i pretvaranjem toplotne energije u neke druge vidove energije. Proucava protoktoplotne energije i nacin na koji ona stvara mehanicki rad [5].

    Naucna istrazivanja toplotnih pojava zapoceta su u 18. veku. Pocetkom 19. vekaengleski fizicar Dzejms Dzul (si. 2.1) shvatio je pravu prirodu toplotnih pojava i tada je doslodo znacajnog razvoja termodinamike u pokusajima da se usavrsi rad parne masine. Toplotnepojave konacno je objasnio Ludvig Bole man (si. 2.2) uz pretpostavku da se materija sastojiod atoma. Ova teorija za to vreme je bila vrlo radikalna i slabo prihvacena cak i u naucnimkrugovima [15].

    James Prescott Joule(1818-1889) engleski fizicar i pivar. Ucenik Dzona Daltona.Proucavao je toplotu i njenu vezu sa mehanickim radom. Stodoprinosi definisanju i principa termodinamike. Jedinica mere zaenergiju dobila je naziv po njemu. Saradivao je pri istrazivanju salordom Kelvinom [16].

    (si. 2.1. James Prescott Joule)

    Ludwig Boltzmann(1844-1906) austrijski fizicar, jedan od osnivaca statistickemehanike. Zakone termodinamike objasnjavao je pretpostavkom opostojanju atoma. Definisao je entropiju kao meru neuredenostisistema [17].

    (si. 2.2. Ludwig Boltzmann)

    Znacaj termodinamike je u tome sto povezuje makroskopske procese u sisteme sanjihovim mikroskopskim osobinama, kao i u sirokoj primeni u svakodnevnom zivotu.

    Termodinamicki procesi su pojave izazvane toplotnim kretanjem mikrocestica.

    (si. 2.3. Prikaz atoma)

    Page 4

  • 'E^sperimenti iz termodinamikg u nastavifizike za osnovnu

    William Thomson- lord Kelvin(1824-1907) engleski fizicar. Postavio teoriju elektricnih oscilacija,usavrsio prenosenje signala kroz podmorski kabel, konstruiasaoaparat za merenje plime i oseke, usavrsio marinski kompas. Pokusaoje da izvrsi procenu starosti Zemlje. Po njemu je jedinica mere zaapsolutnu temperaturu dobila naziv [22].

    100

    -273,

    (2.2.2. William Thomson- lord Kelvin)

    37316 Vrednost jednog podeoka Celzijusove skale odgovara jednompodeoku Kelvinove skale (si. 2.2.3). Promena temperature jejednakau obe skale (2.2.4).

    AT=At (2.2.4)Veza izmedu temperature izrazene u Kelvinovoj i Celzijusovoj

    0 skalijef 2.2.5;:; t=(-273)C (2.2.5)

    273.16

    T=(273\ K

    (sl.2.2.3. Uporedna skala Kelvina i Celzijusa)

    Or

    2.3. Merenje temperature

    Prvi zabelezeni pokusaj da se definise temperaturna skala bio je u drugom veku prenove ere.

    Klaudije Galen(129-200. p.n.e.) rimski lekar ifilozofje napravio podelu na cetiri razlicitastepena telesne temperature. Stepeni su bill podeljeni u zavisnosti oddejstva lekova na ljudski organizam. Uveo je i neutralnu temperaturu tj.nulti stepen [23].

    (si. 2.2.4. Claudius Galenus)

    Prvi uredaj za merenje temperature napravio je Galileo Galilej u16. veku. Ovaj termometar se sastoji od staklenog cilindra saprovidnom tecnoscu u koju su zaronjeni tegovi razlicite prosecnegustine. Galilej je prvi primetio da se gustina supstancije men/asa promenom temperature, (sl.2.2.6) Obzirom da nije imaopodeoke niti skalu to je vise bio termoskop. Prvi pravitermometar napravila je Firentinska naucna akademija 1650.godine, kada i pocinje polemika kako napraviti najadekvatnijuskalu za merenje temperature [24].(si. 2.2.5. Termoskop) (si.2.2.6. Skica termoskopa)

    Page 9

  • 'Efaperimenti iz termodinami^e u nastavifizi^e za osnovnu sfotu

    2.4. Toplotno sirenje

    Sva tela se pri zagrevanju sire, a pri hladenju skupljaju. Ova pojava se naziva toplotnosirenje tela. Dobar primer za to su zice na dalekovodima, sine kod pruge, nivo tecnosti sepodize pri zagrevanju i tako dalje. Pri zagrevanju se najvise sire gasovi, nesto manje se siretecnosti, a najmanje cvrsta tela. Ova pojava je u nekim situacijma korisna, a u nekim sterna.

    Kod cvrstih tela se javljaju zapreminsko i Hnearno sirenje tela. Kod tela cije su svedimenzije priblizne sirenje je zapreminsko, tj. podjednako u svim pravcima. Izrazeno sirenjepo jednoj dimenziji kao sto je kod zica sipki, poluga naziva se Hnearno sirenje. Pojava sejavlja kod tela cija je jedna dimenzija puno veca od ostalih. Na koji nacin se telo prizagrevanju siri, na isti nacin se telo pri hladenju skuplja [8].

    Kod tecnosti je sirenje i skupljanje uglavnom zapreminsko, tj. zavisi od oblika suda ukome se tecnost nalazi. Obzirom da su medumolekulske veze u tecnostima slabije nego kodcvrstih tela sirenje je u nekim slucajevima i do 10 puta vece. Ne sire se podjednako ni sve

    tecnosti kao ni sva cvrsta tela, neka se sire vise a neka manje. Izuzetak u promeni dimenzijausled promene temperature javlja se kod vode i ova pojava se naziva anomalija vode. Naimevoda se pri hladenju skuplja do 4 C kada joj je i najmanja zapremina, a najveca gustina, dokse na nizim temperaturama od 4 C pocinje siriti. To je i razlog sto kockice leda plutaju napovrsini vode [8].

    Kod gasova se pri zagrevanju zapremina najvise povecava, a pri hladenju najvisesmanjuje. To se desava ako gas moze slobodno da se siriti i skuplja jer zauzima zapreminuposude u kojoj se nalazi. Razlog tome je slobodno kretanje molekula i najslabijemedumolekulske veze od svih agregatnih stanja. Ova se pojava primecuje na naduvanimtelima kao sto su baloni i lopte koji se preko leta danju, kada je visa temperatura, cine jacenaduvani, a nocu slabije (si.2.4.1). Lako se moze primetiti smanjenjezapremine balona ako se on stavi u rashladni uredaj na kratko vremekao i povecanje zapremine kada se vrati na sobnu temperaturu.Eksperiment se moze izvesti i u kucn