Проектно-исследовательская деятельность по физике

5. Кипение воды при комнатной температуре

Цели проекта
1. Исследование условий, при которых вода закипает при комнатной температуре.
2. Изучение свойств насыщенного пара.

Задачи проекта
1. Изучение теоретического материала по данной теме.
2. Создание условий, при которых вода может кипеть при комнатной температуре.
3. Установление независимости давления насыщенного пара от объема.

Оборудование
1. Шприц медицинский одноразовый на 5 см³ в комплекте (с иглой и защитным колпачком для нее).
2. Электрочайник, стакан из термостойкого стекла.
3. Штатив с двумя лапками, неподвижный блок, набор грузов массой до 1 кг.

ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОЕКТА

Базовый уровень

1. Жидкость кипит, когда давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению (см. § 44). Поэтому при достаточно низком давлении вода может кипеть при комнатной температуре. Пониженное давление создается внутри герметически закрытого шприца. Для обеспечения герметичности надо плотно надеть на шприц иглу, предварительно расплющив ее молотком. Для безопасности наденьте на иглу защитный колпачок.

2. Для проверки герметичности шприца выдавите из него воздух, наденьте сплющенную иглу с колпачком и вытяните поршень. Если шприц герметичен, то поршень вернется в исходное положение.

3. Снимите иглу и наберите в шприц 1-2 см³ воды. Держа шприц иглой вверх, выдавите из него поршнем воздух и наденьте иглу. Для успешного проведения опытов важно, чтобы в шприце осталась только вода!

4. Плавно, но достаточно сильно потяните поршень. Опишите, как изменяется состояние воды при этом. Объясните наблюдаемый процесс.

5. Снова потяните поршень и резко его отпустите. Опишите свои наблюдения.

6. Повторите опыт, оставив в шприце немного воздуха. Сравните этот опыт с предыдущим. Используя свойства насыщенного пара, объясните различия между опытами.

Углубленный уровень

7. Соберите установку (рис. 1). Подвесьте на нити, перекинутой через блок, такой груз, чтобы при вытягивании поршня вода в шприце закипела, Когда кипение прекратится, немного потяните поршень рукой. Объясните, почему вода снова закипает и почему при постоянном объеме кипение прекращается. Почему этот опыт указывает на то, что давление насыщенного пара не зависит от объема?

8. Поставьте под шприц стакан с горячей водой, чтобы уровень воды в шприце был на уровне воды в стакане. Опишите и объясните наблюдаемые явления.

9. Долейте горячую воду в стакан до уровня поршня. Кипение воды в шприце прекратится. Объясните почему. При демонстрации проекта можно осветить установку яркой лампой и с помощью линзы спроектировать на экран изображение шприца.

10. Загрузите архив «Кипяток в пипетке» с сайта Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов (school-collection.edu.ru/catalog/rubr/6ff3234e-28e5-11dc-8314-0800200c9a66/110956/?, открыть файл 37.avi.) Повторите показанный там эксперимент и дайте ему объяснение.

Подготовьте презентацию о выполнении проекта.

6. Создание и изучение свойств гальванических элементов

Цели проекта
1. Создание гальванических элементов.
2. Изучение сравнительных характеристик гальванических элементов.

Задачи проекта
1. Изучение теоретического материала по данной теме.
2. Изготовление гальванических элементов.
3. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления гальванических элементов.
4. Исследование свойств батареи гальванических элементов.

Оборудование
1. Металлические электроды из различных материалов: куски толстой проволоки из меди и алюминия, стальные гвозди, куски оцинкованного железа, ложка из нержавеющей стали, монеты разного достоинства («белые» и «желтые»).
2. Соединительные провода, зажимы типа «крокодил».
3. Поваренная соль, два стакана.
4. Мультиметр для измерений постоянного напряжения с точностью до 10 мВ и силы тока с точностью до 10 мкА.
5. Лимоны, яблоки, клубни картофеля.
6. Светодиод с напряжением зажигания менее одного вольта.

ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОЕКТА

Базовый уровень

1. Для создания простейшего гальванического элемента поместите в стакан с насыщенным раствором поваренной соли два различных металлических электрода (например, медную проволоку и оцинкованное железо). Подсоедините к ним с помощью зажимов мультиметр. Объясните, почему показания вольтметра с большим сопротивлением, подключенного к полюсам источника тока, можно принять равными ЭДС источника (см. § 59).

2. По знаку напряжения установите, какой электрод является положительным, а какой – отрицательным полюсом гальванического элемента.

3. Определите ЭДС элементов, составленных из различных пар металлических проводников. Результаты представьте в виде столбчатой диаграммы, расположив пары проводников в порядке убывания ЭДС. Подпишите названия проводников.

Углубленный уровень

4. Выберите пару электродов, создающих наибольшую ЭДС. Используя эти электроды, создайте несколько гальванических элементов. Определите ЭДС батареи, собранной из таких последовательно и параллельно соединенных элементов. Сделайте выводы об ЭДС батареи элементов для последовательного и параллельного соединения элементов.

5. Сделайте гальванические элементы, используя медный и цинковый проводники, погруженные в лимон (рис. 1), яблоко и клубень картофеля. Определите, в каком из случаев ЭДС элемента будет максимальной. Результаты измерений представьте в виде столбч атой диаграммы.

6. Определите двумя следующими способами внутреннее сопротивление элемента, созданного с использованием какого-либо плода(например, лимона).
а) Соедините последовательно с гальваническим элементом сопротивление (1-3 кОм) и мультиметр (в режиме амперметра). По формуле закона Ома для полной цепи рассчитайте внутреннее сопротивление источника тока.
б) Используя сведения из § 59, постройте графики зависимости U(I), используя различные внешние сопротивления. По виду графика рассчитайте внутреннее сопротивление источника.
Сравните результаты для внутреннего сопротивления, полученные различными способами.

7. Исследуйте, как зависит ЭДС элемента и его внутреннее сопротивление от площади электродов. Попробуйте обосновать полученные на опыте закономерности.

8. Соберите такую батарею из нескольких последовательно соединенных элементов, чтобы ее ЭДС превышала 3 В. Подсоедините к батарейке светодиод с низким напряжением зажигания (не забудьте, что важно соблюдать полярность подключения). Если светодиод не загорается, смените полярность подключения.

Подготовьте презентацию о выполнении проекта.

7. Исследование зависимости сопротивления полупроводников и проводников от температуры

Цели проекта
1. Исследование зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры.
2. Исследование возможности практического применения полученных результатов.

Задачи проекта
1. Изучение теоретического материала по данной теме.
2. Установление зависимости сопротивления терморезистора от температуры. Градуировка терморезистора. Измерение с помощью терморезистора температуры различных тел.
3. Измерение температуры раскаленного проводника.

Оборудование
Источник напряжения, терморезистор типа ММТ (рис. 1), стакан из термостойкого стекла, электроплитка с закрытым термоэлементом, омметр (мультиметр), миллиамперметр, термометр для диапазона температур от 0 ºС до 80 ºС, две низковольтовые лампочки (одна из них – без колбы: удаление колбы производит взрослый руководитель проекта), ключ, соединительные провода.

ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОЕКТА

Базовый уровень

1. Установите на выключенную плитку стакан с водой. Закрепите терморезистор и термометр, чтобы они находились постоянно в воде на одной высоте и не касались дна стакана. Измерьте температуру воды и сопротивление терморезистора.

2. Включите плитку на минимальную мощность и постоянно перемешивайте воду деревянной палочкой. Записывайте значения температуры и сопротивления терморезистора (например, с интервалом пять градусов).

3. Используя экспериментальные данные, постройте график зависимости сопротивления терморезистора от температуры в диапазоне температур от 0 ºС до 80 ºС.

4. С помощью полученного графика измерьте температуру различных тел, приводя их в контакт с терморезистором.

5. Соедините приготовленные лампочки последовательно и подключите их к источнику тока с регулируемым напряжением. (Наблюдать свечение лампы без колбы надо в защитных очках.) Подберите такое напряжение, чтобы лампочка с открытой спиралью не светилась, а лампочка с закрытой спиралью светилась. Объясните, почему одна лампочка светится, а другая нет.

6. Подуйте на открытую спираль, а затем погрейте ее снизу пламенем. Объясните, почему при этом изменяется накал лампочки с закрытой спиралью.

7. Возьмите терморезистор с сопротивлением около 10 Ом и соедините его последовательно с лампочкой накаливания. Пронаблюдайте, как изменяется накал лампочки при нагревании и охлаждении терморезистора. Объясните наблюдаемые явления.

Углубленный уровень

8. Определите средний термический коэффициент сопротивления терморезистора (ТКС) для разных интервалов температур: от 20 ºС до 30 ºС и т. д. с интервалом 10 градусов. Постройте график зависимости ТКС от температуры.

9. Определите на опыте, как изменяется сопротивление лампы с закрытой спиралью при увеличении силы тока. Дайте качественное объяснение полученной зависимости.

10. Найдите температуру нити накала лампы, используя то, что для металлических проводников сопротивление прямо пропорционально абсолютной температуре: R = bT, где b – постоянная величина.

Подготовьте демонстрационный эксперимент «Задуем лампочку». Детали и методику его демонстрации можно найти, загрузив архив «Задуем лампочку» из Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов school-collection.edu.ru/catalog/rubr/6ff3234e-18e5-11dc-8314-0800200c9a66/110878/? и открыв файл 83.avi.

Подготовьте презентацию о выполнении проекта.