Fizyka da się lubić – 2013



Pobieranie 58.01 Kb.
Data08.05.2016
Rozmiar58.01 Kb.
Marek Derezulko II Liceum Ogólnokształcące

Adrian Gęsicki z Oddziałami Dwujęzycznymi

Wojciech Fabjańczuk im. Adama Mickiewicza

Joanna Olszewska w Słupsku

Dominik Pędzich

Klasa: IIe


Opiekun: Grażyna Linder

FIZYKA DA SIĘ LUBIĆ – 2013
KATEGORIA – DOŚWIADCZENIE

SPIS TREŚCI


  1. Wstęp

  2. Przygotowywanie stanowiska pomiarowego i dokonywanie pomiarów

  3. Obliczenia

  4. Interpretacja wyników

  5. Wskazówki do dalszych badań

  6. Zakończenie



  1. Wstęp

Fizyka jest piękną, aczkolwiek niełatwą dziedziną nauki. Niektórym z trudem przychodzi poznawanie jej praw i zasad, chociaż niekiedy poświęcają całe godziny, dnie czy nawet tygodnie na ślęczenie nad kolejnymi podręcznikami. Wydaje się jednak, iż nie taka droga jest najwłaściwsza, by zrozumieć fizykę. Wybitny, choć niezbyt znany w Polsce angielski pisarz John Fowles stwierdził kiedyś, iż „żadna lektura i inteligentne rozumowanie nie zastąpi bezpośredniego doświadczenia”. Co prawda być może nie miał na myśli wyłącznie nauk ścisłych, mimo to uważamy, że w odniesieniu do fizyki słowa te stają się absolutną prawdą. Dlatego też postanowiliśmy samodzielnie sprawdzić, czy i jak można wyznaczyć moc oraz sprawność świeczki.

Pomiary przeprowadzaliśmy dwukrotnie. Niestety, pierwszej próby nie mogliśmy zaliczyć do udanych. Złożyło się na to kilka czynników: brak odpowiednio dokładnej wagi – dysponowaliśmy jedynie wagą laboratoryjną starszego typu – oraz właściwego zaizolowania całego układu, a także samoistne zgaśnięcie podgrzewacza po 24 minutach z powodu zbyt krótkiego knota. Nie pozwoliło nam to na osiągnięcie pożądanej temperatury wody w puszcze, a co za tym idzie, nie mogliśmy analizować otrzymanych wyników jako całkowicie niemiarodajnych. Postanowiliśmy więc powtórzyć pomiary następnego dnia, tym razem wykorzystując elektroniczną wagę jubilerską oraz izolując cały układ.



  1. Przygotowywanie stanowiska pomiarowego i dokonywanie pomiarów

Na początku zajęliśmy się wybraniem odpowiednich świeczek. Podgrzewacze, które początkowo planowaliśmy wykorzystać do doświadczenia okazały się być wykonane najprawdopodobniej z mieszaniny parafiny i stearyny. Skład chemiczny udało się nam ustalić dzięki reakcji charakterystycznej, jaką jest zmydlanie. Polega ona na zobojętnianiu wyższych kwasów tłuszczowych ługiem sodowym. Produktami reakcji są: mydło (sól sodowa wyższego kwasu tłuszczowego) oraz woda.

Próbkę z zakupionych świec wrzuciliśmy do kolby okrągłodennej, dolaliśmy 10% roztwór NaOH i podgrzewaliśmy przez 20 minut nad palnikiem Bunsena. Po reakcji woda spieniła się i zmętniała, a po schłodzeniu obecna w mieszaninie parafina zestaliła się. Wniosek: podgrzewacze zawierały w sobie i parafinę, i stearynę.

Stearyna, będąc mieszaniną kwasów tłuszczowych, reaguje z NaOH, tworząc rozpuszczalne w wodzie mydło. Natomiast parafina nie reaguje z zasadami, gdyż jest mieszaniną alkanów.

Po zbadaniu składu chemicznego podgrzewaczy, ostatecznie wybraliśmy świeczki parafinowe.

Po wybraniu podgrzewaczy przygotowaliśmy stanowisko pracy. Świeczkę umieściliśmy na poliresingowej podstawce. Następnie przystąpiliśmy do zaizolowania aluminiowej puszki, naprzemiennie owijając jej boczną powierzchnię warstwami ręcznika papierowego oraz taśmy izolacyjnej. Cały układ został zaizolowany za pomocą kartonowego pudełka o wymiarach 20 cm x 30 cm, które z każdej strony zostało oklejone folią aluminiową oraz matą termo- i paroizolacyjną. W pudełku wycięliśmy dwa małe otwory – jeden na termometr znajdujący się w puszce, a drugi na statyw.



Przed rozpoczęciem pomiarów zważyliśmy pustą puszkę bez izolacji – 13,94 g – oraz po zaizolowaniu – 54,13 g. Do mierzenia masy puszki korzystaliśmy z wagi jubilerskiej z dokładnością do 0,01 g. Następnie nalaliśmy do puszki wody – 75 ml. Puszkę z wodą umocowaliśmy na statywie na wysokości 9 cm nad powierzchnią. Pod puszką umieściliśmy zapalony podgrzewacz na podstawce, zaś do puszki włożyliśmy termometr alkoholowy z dokładnością do 1°C. Od momentu zapalenia świeczki mierzyliśmy temperaturę wody w puszce co dwie minuty stoperem z dokładnością do 1 s. Pomiary prowadziliśmy przez 30 min, osiągając temperaturę wody w puszce 82°C.

Czas palenia się świeczki [min]

Temperatura wody w puszce [°C]

0

23

2

30

4

35

6

41

8

47

10

52

12

56

14

61

16

65

18

69

20

72

22

75

24

77

26

79

28

81

30

82

Tab. 1. Wyniki drugiego pomiaru.


Dodatkowo, prowadziliśmy równolegle pomiar ubytku masy identycznego podgrzewacza w trakcie palenia się.



Ryc. 1. Zależność temperatury wody oraz masy świeczki od czasu palenia się podgrzewacza.



  1. Obliczenia




  1. Moc świeczki




  1. Moc świeczki wyznaczyliśmy ze wzoru



- ciepło właściwe wody

- masa wody w puszce

- zmiana temperatury wody w puszce w czasie 


  1. Niepewność standardową mocy świeczki obliczyliśmy następująco:







    • 

    • 

    • 




  • Następnie wyliczyliśmy pierwiastek z sumy iloczynów kwadratów odpowiednich pochodnych (argumentami były wartości zmierzone) i kwadratów niepewności odpowiadających im pomiarów:



- niepewności pomiarów masy, temperatury i czasu


  • Otrzymana wartość była właśnie szukaną niepewnością mocy świeczki.




  • 

  • 




  1. Moc maksymalna świeczki




  1. Moc maksymalną świeczki obliczyliśmy ze wzoru:



- ciepło spalania parafiny
- zmiana masy świeczki w czasie 


  1. Niepewność pomiaru mocy maksymalnej obliczyliśmy następująco:







  • obliczyliśmy pierwsze pochodne cząstkowe funkcji 




    • 

    • 




  • Następnie wyliczyliśmy pierwiastek z sumy iloczynów kwadratów odpowiednich pochodnych (argumentami były wartości zmierzone) i kwadratów niepewności odpowiadających im pomiarów:



- niepewności pomiarów zmiany masy i czasu


  • Otrzymana wartość była właśnie szukaną niepewnością pomiaru mocy maksymalnej świeczki.




  • 




  • 




  1. Szybkość ubytku masy świeczki




  1. Szybkość ubytku masy obliczyliśmy ze wzoru:



- zmiana masy świeczki w czasie 


  1. Niepewność pomiaru szybkości obliczyliśmy następująco:




  • zapisaliśmy najpierw niepewności pomiarów i 




  • obliczyliśmy pierwsze pochodne cząstkowe funkcji 




    • 




    • 




  • Następnie wyliczyliśmy pierwiastek z sumy iloczynów kwadratów odpowiednich pochodnych (argumentami były wartości zmierzone) i kwadratów niepewności odpowiadających im pomiarów:



- niepewności pomiarów zmiany masy i czasu


  • Otrzymana wartość była właśnie szukaną niepewnością szybkości ubytku masy.




  • 




  • 



  1. Współczynnik k




  1. Współczynnik k – stosunek naszej mocy do mocy maksymalnej obliczyliśmy ze wzoru:



- moc świeczki podgrzewającej puszkę
- ciepło spalania parafiny 
- ubytek masy palącej się świeczki w czasie 


  1. Nie określaliśmy niepewności tego współczynnika.




4. Interpretacja wyników
Z obliczeń wynika, że sprawność naszego układu wyniosła 46%. Biorąc pod uwagę fakt, iż profesjonalne piece grzewcze, sprzedawane na co dzień w sklepach, osiągają sprawność ok. 80%, możemy stwierdzić, że konstrukcja podgrzewacz – puszka, jaką stworzyliśmy, cechowała się dość znaczną wydajnością. Moc – 11,80 W nie jest szczególnie wysokim wynikiem, jednak tym bardziej pozostawia to pole do dalszego udoskonalania naszego układu oraz wprowadzania nowych, bardziej efektywnych rozwiązań.

5. Wskazówki do dalszych badań
Jak wynika z przedstawionego przez nas opisu przeprowadzania doświadczenia, zaplanowanie, przygotowanie i wykonanie tego eksperymentu zajęło nam kilka dni. Z powodu ograniczonego czasu na przeprowadzenie badań oraz na skompletowanie odpowiedniego sprzętu i przyrządów, nie wszystkie pomiary wyglądały tak, jak moglibyśmy tego w pełni oczekiwać. Kolejnym czynnikiem ograniczającym była cena niektórych materiałów, których użycie rozważaliśmy, zwłaszcza do izolacji. Zdajemy sobie również sprawę z tego, iż doświadczenie nie było wykonywane w pomieszczeniu laboratoryjnym, a w zwykłej sali lekcyjnej. Staraliśmy się wykonać tyle, ile w danym momencie mogliśmy i na ile warunki i sprzęt nam pozwoliły. Jednak wszystkie te czynniki powodują, że odczuwamy pewien niedosyt i podążając za słowami Bolesława Prusa, który stwierdził kiedyś, iż „gdy raz opanuje człowieka idea, już go nie opuszcza i nie zdradza nigdy…”, staraliśmy się wysunąć kilka propozycji, co jeszcze moglibyśmy powtórzyć, zmienić, dodatkowo uwzględnić.

Po pierwsze, wskazane byłoby powtórzyć pomiary temperatury wody, przynajmniej po raz trzeci, tak aby wyeliminować możliwość pomyłki lub ewentualnego wpływu innego czynnika zewnętrznego. Ponadto wszystkie próby winny być przeprowadzane w takich samych warunkach, aby rozbieżności w pomiarach były jak najmniejsze. Idealnym było by przeprowadzać badania, gdy na zewnątrz panowałyby takie same warunki atmosferyczne (temperatura, wilgotność, ciśnienie), jednak mimo wszystko wewnątrz były one podobne, przez co nie wpłynęły znacząco na wyniki.

Kolejną sprawą był ograniczony dostęp do sprzętu i przyrządów pomiarowych. Dopiero drugiego dnia mogliśmy skorzystać z wagi elektronicznej, której to dokładność jest o wiele lepsza niż wagi szalkowej, której używaliśmy dnia pierwszego. Ograniczony był również czas używania wagi elektronicznej, gdyż została ona pożyczona z zakładu jubilerskiego na około godzinę.

Niemały kłopot sprawiła również izolacja, której to koncepcji mieliśmy wiele, lecz nie na każdą mogliśmy się zdobyć. Przede wszystkim naszą konstrukcję (statyw, puszkę i świeczkę) chcieliśmy obudować rurą termoizolacyjną, stosowaną w instalacjach centralnego ogrzewania lub w kominkach. Jednak cena takiej rury skutecznie nas zniechęciła, gdyż jedna sztuka to wydatek około 150 zł. Dlatego zastąpiliśmy ją kartonem wyściełanym matą termo- i paroizolacyjną.



6. Zakończenie
Wykonane przez nas zadanie zapewniło nam wiele korzyści. Wiedzy uzyskanej w ten sposób nie zyskalibyśmy w żaden inny sposób. Informacje poznane w sposób empiryczny pozostaną w naszych umysłach na dłużej, gdyż były naszym udziałem. To nie tylko teoria z jednej z książek, wypowiedź naukowca, niepozwalająca przyswoić się dzięki przykładom. Ten eksperyment był doświadczeniem nie tylko fizycznym, lecz także życiowym dla wykonujących go. Poprawiły się nasze umiejętności pracy w zespole. Musieliśmy odpowiednio przydzielić zadania do kwalifikacji uczestników – to poprawia zdolności planowania. Ważny był także zmysł przywódczy, oraz biegłość w wydawaniu jasnych poleceń. My – badacze – stanowimy grupę koleżeńską, więc wykonywanie zlecenia stanowiło dla nas przyjemne zajęcie. Sprawiła to miła atmosfera, oraz swobodne rozmowy mimo skupienia związanego z doświadczeniem.

W tym miejscu chcielibyśmy także wyrazić wdzięczność dla wszystkich, dzięki którym nasze doświadczenie zostało wykonane. Podziękowania należą się przede wszystkim organizatorom konkursu, za zorganizowanie go, oraz poprowadzenie nas wskazówkami (mimo iż nie do wszystkich się zastosowaliśmy). Chcemy także złożyć podziękowania kadrze II LO za udostępnienie sali, w której przeprowadzany był eksperyment, a także części sprzętu. Dzięki należą się również producentowi podgrzewaczy (niestety nie znamy nazwy firmy, więc dziękujemy wszystkim firmom produkującym wyroby parafinowe), firmie „The Coca-Cola Company”, której puszki użyliśmy, „Gemini” - odpowiedzialnej za wyprodukowanie zapałek, spółce z o.o. „Wodociągi Słupsk” za udostępnienie wody oraz innym przedsiębiorstwom, instytucjom i organizacjom, które pomogły w realizacji projektu. Jesteśmy także wdzięczni naszym rodzinom, a w szczególnym matkom, które sprowadziły nas na ten świat, pełen fizycznych zagadek, gdyż bez nich przeprowadzenie niniejszego eksperymentu nie byłoby możliwe.





  1. Bibliografia




    1. Fowles John, Hebanowa wieża, Wydawnictwo Zysk i S-ka, Poznań 2009.

    2. Prus Bolesław, Lalka, Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wrocław 1998.

    3. www.axis.pl

    4. www.iwiedza.net

    5. www.pkn.pl


Wszystkie dane ze stron internetowych były sprawdzane w dniach 27 – 30 marca 2013 r.


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna