6.1. Szilárd testek lineáris hőtágulása
a) Vékony fémpálca hőtágulásának szemléltetése fénymutató használatával
A kísérlet célja
Szilárd test hőtágulásának bemutatása, a hosszváltozás érzékelhetővé tétele.
Szükséges anyagok, eszközök
- 2 db Bunsen-állvány, dió
- hosszú, vékony fémpálca (pl. kötőtű vagy kerékpárküllő)
- megfelelően felfüggesztett, elfordulni képes tükör
- borszeszégő, gázgyújtó
- lézermutató állványon
Leírás
A fémpálcát a dióba befogva rögzítsük a Bunsen-állványhoz úgy, hogy a vége éppen hozzáérjen a felfüggesztett tükörhöz. (A jelenség annál látványosabb, minél közelebb esik a hozzáérési pont a tükör felső tengelyéhez.) Világítsuk meg a tükröt folyamatosan lézermutatóval, és a visszaverődő fénypontot irányítsuk a 2-3 méterre lévő falra/táblára. Jelöljük meg a fényfolt helyét. Melegítsük meg a pálcát Bunsen-égővel vagy borszeszégővel, a lángot mozgatva, hogy az egész pálca melegedjen.
Figyeljük meg a visszavert fénypont helyének változását.
b) Görgőn nyugvó vasrúd hőtágulásának kimutatása
A kísérlet célja
Szilárd test hőtágulásának bemutatása, a hosszváltozás érzékelhetővé tétele.
Szükséges anyagok, eszközök
- Bunsen-állvány, dió
- hosszú vasrúd (pl. Bunsen-állvány vasrúdja)
- borszeszégő, gázgyújtó
- szívószál tűvel átszúrva
- fakocka
Leírás
A vasrudat fogjuk be egyik végénél a Bunsen-állványba, másik végét támasszuk fel egy fakockára. Helyezzük a fakocka és a rúd közé a tűvel átszúrt szívószál tűjének hegyes végét. Így a tű görgőként szolgál. A tűre szúrt szívószál jelzi a kötőtű elfordulását. Melegítsük meg a vasrudat Bunsen-égővel vagy borszeszégővel, a lángot mozgatva, hogy az egész rúd melegedjen.
Figyeljük meg a szívószál-mutató elfordulását.
c) Különböző anyagú fémrudak hőtágulásának bemutatása nagy áttételű mechanikus mutatóval
A kísérlet célja
A hőtágulási együttható anyagfüggésének bemutatása szilárd testeknél.
Szükséges anyagok, eszközök
- nagy áttételű mutatókat tartalmazó eszköz (úgynevezett „emeltyűs pirométer”)
- különböző anyagú, egyforma hosszúságú fémrudak
- denaturált szesz, gyufa
Leírás
A csavarok segítségével fogjunk be két különböző anyagú, egyforma hosszúságú fémrudat az eszközbe. Ügyeljünk rá, hogy a rúd végének elmozdulására a mutató is elmozduljon (ezt pl. a rúd végén található csavar óvatos csavargatásával ellenőrizhetjük). Állítsuk be a két mutatót nulla helyzetbe. A fémrudak alatti kis tartóba öntsünk néhány cm3-nyi denaturált szeszt. A flakon becsukása és távolra helyezése után gyújtsuk meg a folyadékot.
Figyeljük meg a mutatók különböző mértékű elmozdulását. (A kísérlet inkább csak kvalitatív módon szemlélteti a hőtágulási együttható anyagfüggését, kvantitatív mérésre általában nem alkalmas.)
Vigyázat!
Az alkohol lángja színtelen, ezért nehéz észlelni! Szigorúan tilos a lángra akár a flakonból, akár a kupakból újabb adag denaturált szeszt önteni! Szigorúan tilos a láng eltűnése után, a még forró tartóba denaturált szeszt önteni! Újabb kísérlet elvégzéséhez meg kell várni, míg az eszköz kihűl!
Módszertani kiegészítések
- Az eszköz működése sokszor nem megfelelő, a súrlódási erő és más tényezők gyakran nem várt eredményt hoznak. Fontos, hogy ez esetben meg tudjuk magyarázni a kísérlet eredményét a diákoknak, illetve a fenti felhívásnak megfelelően ne próbálkozzunk a forró fémre alkoholt töltve a kísérlet megismétlésével!
- Érdemes a kísérletet az óra első felében elvégezni, így a kihűlés során felhívhatjuk a diákok figyelmét a hőmérsékletcsökkenés hatására végbemenő hosszcsökkenésre.
- Az eszköz működésének magyarázatával a technikai részletek iránt érdeklődő diákokat lehet motiválni, emellett a geometria alkalmazásának bemutatásával új kontextusba lehet helyezni a tanulók matematikai ismereteit. A magyarázatban az alábbi ábra nyújthat segítséget.
d) Bimetálszalag melegítése és „tűzjelző modell” készítése
A kísérlet célja
A hőtágulási együttható anyagfüggésének bemutatása, a jelenség alkalmazásának modellezése.
Szükséges anyagok, eszközök
- bimetálszalag
- borszeszégő, gázgyújtó
- Bunsen-állvány, dió
- zsebtelep
- izzó, foglalatban
- röpzsinórok, 3 db
- krokodilcsipesz
Leírás
1. A bimetálszalag két különböző anyagi minőségű fém egymáshoz szegecselésével hozható létre.
Mozgassuk a bimetálszalagot Bunsen-égő (vagy borszeszégő) lángjában úgy, hogy az egész szalag átmelegedjen. Figyeljük meg, ahogy a szalag meghajlik.
2. Rögzítsük Bunsen-állványba a bimetálszalagot, végeihez csatlakoztassunk röpzsinórok segítségével zsebtelepet és izzót (az alsó ábra szerint). A bimetall-szalag szabad végétől kb. 2‑3 mm távolságban rögzítsük az egyik banándugót. (Természetesen abban az irányban, amerre a bimetálszalag elhajlását várjuk.)
Melegítsük meg egyenletesen a bimetálszalagot, és figyeljük meg, hogy megfelelő hőmérsékleten annyira meghajlik, hogy záródik az áramkör. Ezt az izzó kigyulladása jelzi. Így a tűzjelzők egy fajtájának egyszerű modelljét hoztuk létre.
Kísérlethez kapcsolódó kérdések
- Mi az anyagszerkezeti magyarázata a szilárd testek hőtágulásának?
- Miért szükséges fénymutatót, illetve nagy áttételű mechanikus mutatót használni a szilárd testek hőtágulásának bemutatásához?
- Milyen eszközökben alkalmaztak régebben, illetve manapság bimetálokat?
Módszertani kiegészítések
- A gimnáziumban általában a hőtan megelőzi az áram témakörét, azonban a diákok hétköznapi (esetleg általános iskolai) tapasztalataira építve nem okozhat gondot az összeállítás megértése.
- Középiskolában a hőtágulás tárgyalásakor általában nem szoktuk megmagyarázni miért van hőtágulás, ha mégis rákérdeznek a diákok, akkor azt az egyszerű szerkezeti magyarázatot szoktuk társítani hozzá, hogy magasabb hőmérsékleten az atomok jobban rezegnek, így nagyobb „területet” foglalnak el. Ez első közelítésnek elfogadható, de vegyük észre, hogy ha változatlan egyensúlyi helyzet körül rezegnének hevesebben, akkor nem lenne hőtágulás. Az atomok viszont egy aszimmetrikus potenciálvölgyben „ülnek”, így a hőmérséklet növekedésével, nemcsak a rezgés amplitúdója, de az atomok átlagos távolság is nő.
- Ebben témakörben mindenképpen érdemes a víz rendellenes hőtágulási viselkedéséről is beszélni, valamint annak hétköznapi hatásairól.
- Szorgalmi feladatnak kiadható a diákoknak, hogy a mai tűzjelzők milyen elven működnek.
- A bimetál hőtágulásához kapcsolódóan érdekes analógiát hozhatunk a diákoknak arra vonatkozóan, hogy miért növekednek a növények a fény felé.
Tweet