Wirtualne laboratorium WL‑I
Badanie przewodnictwa cieplnego wybranych cieczy
Przeprowadź dwuczęściowy eksperyment w wirtualnym laboratorium. Wykonaj ćwiczenia i polecenia związane z wyposażeniem laboratorium oraz przeprowadzeniem pomiarów.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie widoczny jest układ do badania przewodnictwa cieplnego. Na poziomej szarej powierzchni z lewej strony znajduje się grzejnik w postaci dwóch szarych prostopadłościanów, ustawionych w taki sposób, że ich największe powierzchnie płaskie są kierowane w prawo. Lewy prostopadłościan to urządzenie wytwarzające ciepło, z czerwonym wyłącznikiem i napisem informacyjnym WŁĄCZONE/WYŁĄCZONE, a drugi to płyta grzewcza, do której przylega pozioma przezroczysta cylindryczna rurka wykonana z bardzo dobrego izolatora termicznego. Rurka ta posiada podziałkę od 0 do 60 cm i trzy małe otwory, w których umieszcza się termometry cyfrowe, wskazujące temperaturę z dokładnością do 0,1 C. Rurkę można napełnić jedną z trzech cieczy: rtęcią, spirytusem lub wodą. Gdy włączymy grzejnik, przycisk zmienia kolor na zielony, płyta grzewcza osiąga temperaturę 70 Indeks górny ooC, a ciecz w rurce ogrzewa się. Możemy obserwować jej temperaturę wskazywaną przez trzy termometry, umieszczone w odległościach 10, 30 i 50 cm od płyty grzewczej. Nad grzejnikiem znajduje się stoper odmierzający czas z dokładnością do 0,01 s, który jest sprzężony z płytą i włącza się automatycznie po jej uruchomieniu czerwonym przyciskiem. Na dole ekranu z prawej strony znajduje się przycisk PAUZA, który w magiczny sposób powoduje zatrzymanie czasu w laboratorium i jest użyteczny podczas wykonywania pomiarów temperatury.
Badanie zależności temperatury ogrzewanej cieczy od czasu
Jaki jest charakter zależności temperatury ogrzewanej cieczy od czasu?
Postaw swoją hipotezę badawczą – wybierz jedną z możliwości przedstawionych poniżej.
Zapoznaj się z instrukcją załączoną do wirtualnego laboratorium i wykonaj poniższe polecenia.
W instrukcji laboratorium zapisano, że w skład wyposażenia wchodzi przycisk „Pauza”, który w magiczny sposób powoduje zatrzymanie czasu w laboratorium. Wiadomo, że w realnych warunkach jest to niemożliwe. Jak można przeprowadzić eksperyment w rzeczywistości? Podaj swoje propozycje.
Wykonaj kilka próbnych eksperymentów, by zapoznać się z obsługą wirtualnego laboratorium. Klikając na zbiornik z wybraną cieczą napełnij nią rurkę. Przy pomocy myszki umieść termometry w wyznaczonych miejscach pomiaru temperatury (nie musisz używać wszystkich termometrów). Włącz płytę grzewczą i obserwuj, w jaki sposób zmienia się temperatura cieczy w rurce. Przetestuj działanie przycisku „Pauza”.
Umieść wszystkie termometry w otworach i napełnij rurkę wodą. Poprzednie pomiary zostaną zresetowane.
Przygotuj się do zapisywania wyników pomiaru w tabeli znajdującej się pod wirtualnym laboratorium. Sprawdź, jakie dane będą Ci potrzebne. Jeśli pracujesz w widoku pełnoekranowym, możesz zapisywać dane na kartce lub w osobnym arkuszu kalkulacyjnym.
Włącz płytę grzewczą i dokonaj pomiarów: po czasie nie krótszym niż 30 sekund od chwili włączenia płyty lub od poprzedniego pomiaru naciskaj przycisk PAUZA i zapisuj wyniki. Cały eksperyment powinien trwać nie więcej niż 5 minut.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D145OpbEA
Wykonaj wykres zależności temperatury wody od czasu dla termometru w odległości 10 cm od płyty grzewczej.
Nanieś na wykres dane dla pozostałych dwóch termometrów.
Przeanalizuj wyniki eksperymentu wykonując poniższe ćwiczenie.
Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?
Zagadnienia oznaczone gwiazdką obejmują zakres rozszerzony z matematyki.
Badanie zależności temperatury ogrzewanej cieczy od czasu
Jaki jest charakter zależności temperatury ogrzewanej cieczy od czasu?
Postaw swoją hipotezę badawczą – wybierz jedną z możliwości przedstawionych poniżej.
W instrukcji laboratorium zapisano, że w skład wyposażenia wchodzi przycisk PAUZA, który w magiczny sposób powoduje zatrzymanie czasu w laboratorium. Wiadomo, że w realnych warunkach jest to niemożliwe. Jak można przeprowadzić eksperyment w rzeczywistości? Podaj swoje propozycje.
W wirtualnym laboratorium wykonano doświadczenie polegające na ogrzewaniu wody i otrzymano następujące wskazania każdego z trzech termometrów , i w zależności od czasu :
t [s] | TIndeks dolny 11 [Indeks górny ooC] | TIndeks dolny 22 [Indeks górny ooC] | TIndeks dolny 33 [Indeks górny ooC] |
|---|---|---|---|
0 | 20 | 20 | 20 |
30 | 59,2 | 50,8 | 44,1 |
60 | 64,2 | 59,1 | 54,6 |
90 | 66,1 | 62,5 | 59,1 |
120 | 67,0 | 64,2 | 61,6 |
150 | 67,6 | 65,3 | 63,1 |
180 | 68,0 | 66,1 | 64,2 |
Który z termometrów znajdował się najbliżej płyty grzewczej?
Przeanalizuj dane doświadczalne dla jednego z termometrów aby ustalić, jaki jest charakter zależności temperatury od czasu ogrzewania cieczy.
Sprawdź, czy Twoje wnioski potwierdzają się także dla pozostałych termometrów.
Podsumuj wyniki eksperymentu wykonując poniższe ćwiczenie.
Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?
Zagadnienia oznaczone gwiazdką obejmują zakres rozszerzony z matematyki.
Porównanie przewodnictwa cieplnego różnych cieczy
Jak zbadać, która z cieczy jest najlepszym przewodnikiem ciepła?
Problem badawczy można rozstrzygnąć analizując przebieg zmienności wykresów temperatury od czasu dla poszczególnych cieczy, w takich samych warunkach doświadczalnych.
Wykorzystaj te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu. Do badania użyjesz tym razem nie tylko wodę, ale także rtęć i spirytus.
Wykonaj doświadczenie dla rtęci i spirytusu w taki sam sposób, jak poprzednio. Jeśli pomiarów temperatury dokonasz w tych samych chwilach, co dla wody – nie trzeba będzie powtarzać dla niej doświadczenia, a wyniki dla wszystkich trzech cieczy łatwo będzie porównać.
Wyniki pomiarów zapisuj w tabeli umieszczonej pod laboratorium (także i tym razem możesz je najpierw zanotować na kartce lub w arkuszu kalkulacyjnym).
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D145OpbEA
Przedstaw na jednym wykresie zależności w odległości 10 cm od płyty grzewczej dla wszystkich badanych cieczy.
Odpowiedz na pytania: Na którym z wykresów temperatura najszybciej osiąga graniczną wartość 70 °C, a na którym najwolniej? W jaki sposób szybkość zmian temperatury przekłada się na przewodnictwo cieplne badanych cieczy? Czy analiza tych wykresów pozwala odpowiedzieć na pytanie, która z cieczy jest najlepszym przewodnikiem ciepła, a która najsłabszym?
Wykonaj analogiczne wykresy dla dwóch pozostałych termometrów, oddalonych 30 cm i 50 cm od płyty grzewczej.
Zauważ, że charakter wykresów dla spirytusu (w szczególności dla większych odległości od płyty grzewczej) jest inny niż dla wody i rtęci. Z czego to wynika?
Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?
W formularzu wpisz odpowiedzi na zadane wyżej pytania.
Porównanie przewodnictwa cieplnego różnych cieczy
Jak zbadać, która z cieczy jest najlepszym przewodnikiem ciepła?
Problem badawczy można rozstrzygnąć analizując zależność temperatury od czasu dla poszczególnych cieczy, w takich samych warunkach doświadczalnych.
Wykorzystamy te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu. Do badania użyjemy tym razem nie tylko wodę, ale także rtęć i spirytus.
W doświadczeniu wykonano dwie serie pomiarów, dla rtęci i dla spirytusu oraz wykorzystano dane z poprzedniego doświadczenia, dotyczące przewodnictwa ciepłego wody. Poniżej zestawiono wyniki uzyskane dla trzeciego termometru, położonego najdalej od płyty grzewczej.
t [s] | Temperatura TIndeks dolny 33 [Indeks górny ooC] | ||
|---|---|---|---|
Rtęć | Spirytus | Woda | |
0 | 20 | 20 | 20 |
30 | 67,4 | 23,8 | 44,1 |
60 | 68,7 | 33,6 | 54,6 |
90 | 69,1 | 40,9 | 59,1 |
120 | 69,3 | 46,0 | 61,6 |
150 | 69,5 | 49,6 | 63,1 |
180 | 69,6 | 52,3 | 64,2 |
Przeanalizuj zależności dla wszystkich badanych cieczy.
Odpowiedz na pytania: Dla której cieczy temperatura najszybciej osiąga graniczną wartość 70 °C, a dla której najwolniej? W jaki sposób szybkość zmian temperatury przekłada się na przewodnictwo cieplne badanych cieczy? Czy analiza tych danych pozwala odpowiedzieć na pytanie, która z cieczy jest najlepszym przewodnikiem ciepła, a która najsłabszym?
Zauważ, że pierwszy punkt (w istocie, wszystkie punkty pomiarowe dla czasów krótszych od 60 s) zależności dla spirytusu ma wartość niższą, niż można by się spodziewać, gdyby temperatura rosła w sposób regularny. Z czego to wynika?
Czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się?
W formularzu wpisz odpowiedzi na zadane wyżej pytania.