Invitation to Science Inquiry Invitation to Science Inquiry : (Kuidas mõjub soojus?)

Kuidas mõjub soojus?

7.1 Juhtmest küünlakustutaja

Vahendid:

1. Tikud
2. Küünal
3. Nuga, puss
4. Isoleeritud vaskjuhe

Protseduur:

1. Võta vaskjuhe ja eemalda 3/4 osas juhtme isolatsioonikiht (kasuta selleks nuga).

2. Moodusta juhtme isolatsioonivabast otsast spiraalne kujutis.

3. Süüta küünal ja kinnita see laua külge (näiteks küünlavaha lauale tilgutades).

4. Pane vaskjuhe kiiresti küünla lähedusse. Küünal kustub.

5. Süüta küünal uuesti ja nüüd pane vaskjuhe küünla lähedusse aeglaselt (hoia seda veidi aega leegi sees), seejärel lase juhe alla kuni küünlani. Küünal põleb edasi.

Miks tuli kustus, kui juhe kiiresti leegile lähenes? Vastama
Kas leek „lõigati“ õhust lahti? Vastama
Miks leek ei kustunud, kui juhet natuke aega leegi sees hoiti? Vastama
Missugune oli temperatuur juhtmel esimesel korral võrreldes teise korraga? Vastama
Miks pole terve juhe isoleeritud? Vastama

Selgitus Kui vaskjuhet leegile lähendada, eemaldab see leegilt soojust. See tekitas ümbruskonna temperatuuri kiire languse, mistõttu leek kustus. Teiste sõnadega: temperatuur kukkus madalamale, kui on küünlavaha põlemiseks vaja. Kui hoida juhet leegis pikemat aega, siis tema temperatuur tõuseb. Kui seda kuuma juhet nüüd leegile lähendada, siis tuli ei kustu, sest leegi ümbruses on temperatuur kõrgem, kui küünlavaha põlemiseks vajalik. Isolatsioon jäeti osaliselt eemaldamata, et vältida sõrmedelt tulevat soojusülekannet. Ilma isolatsioonita oleks juhtme hoidmine sõrmede vahel liiga kuum.

7.2 Süttimatu puuvill

Vahendid:

1. Tikud
2. Sigaret
3. Puuvillane lapp
4. Vasest münt

Protseduur:

1. Võta puuvillast lapp, süüta sigaret ja näita tudengitele, kui lihtne on põletada riide sisse auk (tee seda riide nurgaotsas).

2. Pane münt riide sisse ja hoia münti tihedalt vastu riiet.

3. Teise käega vajuta süüdatud sigaretiga vastu riidega kaetud münti. Riie ei kahjustu.

4. Eemalda sigaret riidelt ja näita õpilastele, et riie on põletatud kohast terve.

Miks polnud võimalik riiet kõrvetada, kui riides oli münt? Vastama
Miks on riidesse augu kõrvetamine ilma mündita nii lihtne? Vastama
Milline tundub münt pärast katset riiet kõrvetada? Vastama
Kas mündi võib asendada rauast kettaga? Puidust kettaga? Plastikust kettaga? Vastama
Millise temperatuuri peab riie omandama, et ta hakkaks põlema? Vastama
Mis eesmärk oli mündil? Vastama
Kuidas soojus riidest mööda liikus? Vastama

Selgitus Süüdatud sigareti soojus on piisav, et põletada riidesse auk. Kui münt riide sisse panna, siis see soojus neeldub mündis ja eemaldub riidest. Põleva sigareti kuumus läks mündile muutes riide temperatuuri madalamaks, mistõttu riidesse ei teki auk. Et katse õnnestuks, peab münti hoidma väga tihedalt riide vastu. Mida parem on riide ja mündi vaheline kokkupuude, seda paremini eraldub soojus riidest.

7.3 Kõrvetav paber

Vahendid:

1. Üks alkoholipõleti
2. Kleeplint
3. Paber
4. Vasktoru
5. Puidust tüübel

Protseduur:

1. Võta puidust tüübel ja vasktoru (sama läbimõõduga) ja ühenda nad ühe paberikihi abil (kasuta kleeplinti, et paberi otsad kokku panna, paber peab olema tihedalt vastu pulka).

2. Hoia metalltoru ja kuumuta paberit alkoholipõleti värvitus leegis ühtlaselt pulka edasi-tagasi liigutades. Kuumuta, kuni paber hakkab kõrbema.

Millisest kohast hakkas paber kõrbema? Vastama
Miks hakkas paber kõrbema ainult ühelt poolt? Vastama
Kas küünlaleek võiks asendada alkoholipõletit? Vastama
Miks peab paberit kuumutama ühtlaselt? Vastama
Mis juhtuks paberiga, kui asendada vasktoru kummitoruga? Klaastoruga? Vastama
Mis juhtuks paberiga, kui pulk oleks kaetud rohkem kui ühe kihi paberiga? Vastama

Selgitus Vasktoru on puidust tüübliga võrreldes palju parem soojusjuht. Seetõttu kadus soojus vasktoru poolel vasktorusse, samas kui temperatuur puidust tüübli poolel ei muutunud. Puidust tüübli poolel muutus temperatuur palju kõrgemaks kui vasktoru poolel, mistõttu hakkas paber kõrbema puidust tüübli poolel. Kui metalltoru asendada väiksema soojusjuhtivusega kehaga (näiteks kumm või klaas), hakkab paber ilmselt kõrbema mõlemast paberi otsast, kuna soojus koguneb mõlemal pool paberile.

7.4 Soojuse ralli

Vahendid:

1. Üks alkoholipõleti
2. Üks pikk ja kaks lühikest vaskjuhet
3. Kaks väikest korki

Protseduur:

1. Lõika vaskjuhtmed sellisteks pikkusteks: üks 10 cm, kaks 4 cm.

2. Suru 10 cm pikkune juhe läbi väikese korgi A.

3. Suru lühemad juhtmed korgi B mõlemast otsast sisse.

4. Lase kahel õpilasel hoida juhtmete otsast kinni ja teised otsad suunata alkoholipõletisse (ära reeda õpilastele, et juhe korgis B on katki, varsti õpilane A laseb juhtmest lahti).

Miks õpilane A lasi juhtmest lahti? Vastama
Miks õpilane B sai juhtmest ikka kinni hoida? Vastama
Mida saab öelda korgi B juhtme kohta? Vastama
Miks läks soojus õpilase A näppudesse? Vastama
Mida peaks õpilane A tegema, et korki A soojendada? Vastama

Selgitus Õpilane A lasi juhtmest lahti, sest alkoholipõletilt tekkinud soojus kandus juhtme teise otsa, kus olid õpilase näpud. See ots on lõpuks liiga kuum, et teda käes hoida. Õpilased võivad eeldada, et juhe korgis B on halb soojusjuht või mõnest mittejuhtivast materjalist, või et juhe on katki ja seega soojus ei liigu edasi õpilase näppudeni. Et õpilane A saaks juhtmest kauem kinni hoida, peab ta panema juhtme kinnihoidmiskohale peale mingi mittejuhtiva aine. See peatab soojuse edasikandmise näppudesse ja ta saab juhtmest kauem kinni hoida. Õpilase B korral peatati soojusülekanne korgis, sest juhe korgis B on katki.

7.5 Soojuse ralli 2

Vahendid:

1. Kolm kirjaklambrit
2. Küünal
3. Üks alkoholipõleti
4. Vasest, rauast ja alumiiniumist juhtmed
5. Klaaspulk

Protseduur:

1. Võta võrdsete pikkustega vasest, rauast ja alumiiniumist juhtmed ja seo nad ühest otsast kokku.

2. Aja juhtmed üksteisest laiali nii, et nad moodustaksid omavahel 1200-se nurga.

3. Kinnita kirjaklambrid juhtmete seotud otstest võrdsetele kaugustele (10 cm) sulanud küünlavaha tilgaga.

4. Painuta seotud otsa nii, et ta saaks klaastoru otsas rippuda.

5. Kuumuta seotud otsa alkoholipõleti kohal ja mõõda aeg, mis kulub kirjaklambritel juhtmelt maha kukkumiseks.

Milline kirjaklamber kukkus esimesena? Teisena? Kolmandana? Vastama
Milline nendest metallidest on parim soojusjuht? Milline on halvim? Vastama
Millised muutujad on selles „rallis“ muutumatud? Vastama
Millised muutujad on muutuvad ja sõltuvad? Vastama
Kas „rallile“ avaldaks mõju see, kui kasutada kirjaklambrite kinnitamiseks rohkem või vähem küünlavaha? Vastama

Selgitus Kuigi kirjaklambrid on kinnitatud juhtmete seotud otsast võrdsetele kaugustele ja seega ka võrdsel kaugusel alkoholipõletist, ei kuku kirjaklambrid maha samal ajal. See on seetõttu, et iga metalli soojusjuhtivus on erinev. Vasel on suurim soojusjuhtivus, seejärel on alumiinium ning viimane on raud. Muutujad, mis mõjutavad „rallit“, on leegi asukoht, küünlavaha kogus kirjaklambri kinnitamiseks, kirjaklambri suurus, ja nii edasi. Neid tuleb katse ajal hoida muutumatuna. Manipuleeritud muutuja(?) on metalli tüüp (see on kolme juhtme korral erinev) ja sõltuv muutuja on kas aeg soojendamise algusest kuni kirjaklambri kukkumiseni või metalli soojusjuhtivus. Soojus liigub seotud otsast iga juhtme otsa poole. Soojus sulatab küünlavaha, millega kirjaklamber on juhtme küljes, ning seetõttu kukub kirjaklamber maha.

7.6 Kas jäävesi saab minna keema?

Vahendid:

1. Üks alkoholipõleti
2. Väike raskus või kivi
3. katseklaasi hoidja
4. Lai katseklaas
5. Jääkuubikud või purustatud jää

Protseduur:

1. Aseta mõned jääkuubikud katseklaasi (umbes 1/3 ulatuses) ja pane selle peale kivi või väike raskus.

2. Vala vett, kuni katseklaas on peaaegu täis.

3. Võta katseklaasi hoidjaga katseklaas ja hoia selle ülemist osa kallutatult alkoholipõleti kohal (vaata jooniselt), kuni vesi keema hakkab.

4. Näita õpilastele, et jääkuubikud on ikka alles, kuigi katseklaasi ülemises otsas vesi keeb.

Miks jää ei sulanud soojendamise tagajärjel? Vastama
Mis eesmärk on kivil või raskusel? Vastama
Kas katse toimiks ilma kivita? Vastama
Kas vesi juhtis hästi soojust? Vastama
Kas katseklaasis toimusid konvektsioonivoolud?  Vastama

Selgitus Jääd hoitakse katseklaasi põhjas kivi või raskuse abil. Ilma raskuseta hakkaks jää vees ringi liikuma ja seetõttu sulaks kõigepealt jää ja seejärel hakkaks vesi soojenema ja hiljem keema. Hoides jää katseklaasi põhjas saab katseklaasi ülemises osas olevat vett soojendada ja keeta, sest kuum vesi on väiksema tihedusega kui külm vesi. Toimub väga väike soojusülekanne, aga ainult katseklaasi ülemises osas. Veel üks põhjus, miks jää ei sula, on see, et vesi on halb soojusjuht. Katseklaasi ülemise osa soojus ei kandu seetõttu katseklaasi põhjas oleva jääni.

Tikud

Tiku saab küünla leegile lähemale panna küljelt, ilma et see süttiks.

Vahendid:

1. Tikud
2. Küünal

Protseduur:

Süttimise testija

1. Jaga klassis õpilastele küünlad ja tikud ja juhenda neid, et nad järgiksid järgnevaid punkte.

2. Süüta küünal ja pane see kindlalt lauale.

3. Lähenda tikku küünlaleegile erinevatelt asukohtadelt kuni tikk süttib (vaata, et küünlaleek oleks juba püstises asendis).

4. Hinda (või mõõda) ja pane kirja lähim kaugus süttimata tiku ja leegi vahel erinevate asukohtade korral (vaata jooniselt).

Miks saame me tikuga leegile altosast lähemale? Vastama
Mis toimub õhuga leegi kohal? Vastama
Miks tikk süttib, kuigi tikk pole leegiga kokkupuutes? Vastama
Milline temperatuur saavutatakse, kui tikk süttib? Vastama
Kas tikud süttivad täpselt sama temperatuuri korral? Vastama
Millised muutujad mõjutavad tikkude süttimist? Vastama
Kas bensiinipõleti leek käituks samamoodi? Vastama

Selgitus Leegi soojus tekitab õhukonvektsiooni, mistõttu küünla ümber on leek kuumem kui kusagil mujal selle ümbruses. Selle põhjuseks on see, et kuum õhk on väiksema tihedusega kui külm õhk. Kuna leegi kohal on õhk palju kuumem, süttivad tikud leegi kohal palju kaugemal kui leegi kõrval. Soojus, mis jõuab tikkudeni küünlaleegi kõrval, on enamasti soojus radiatsiooni, mitte konvektsiooni tõttu.

1

Vee konvektsioon kahes üksteise peale asetatud pudelis sõltub vee temperatuurist neis pudelites.
 

Vahendid:

1. Mängukaart
2. Toiduvärv
3. Neli plastpudelit

Protseduur:

Segaduses pudelid

1. Täida kaks pudelit (A1 ja B1) külma veega ja kaks pudelit (A2 ja B2) sooja veega (ära ütle õpilastele, et temperatuurid on erinevad).

2. Värvi vesi pudelites A1 ja B2 mõne tilga toiduvärviga ja sega värv ühtlaseks (kata pudeli suu näpuga ja pööra pudel tagurpidi).

3. Kata pudelite A2 ja B1 suud mängukaartidega ja pane tagurpidi värviga pudelite peale (hoides ühte näppu vastu kaarti, ei tule pudelist vett välja, kui pudel ümber pöörata). Aseta pudelid nii, et nende suud oleks kohakuti ja siis tõmba kaart pudelite vahelt välja, ise samal ajal ülemist pudelit kinni hoides.

4. Lase õpilastel jälgida, mis värviga juhtub.

Miks ülemine pudel B läks värviliseks, aga ülemine pudel A ei läinud? Vastama
Kas temperatuur kõigis neljas pudelis oli sama? Vastama
Millised pudelid olid soojemad? Vastama
Kas vesi pudelis A2 muutub värviliseks? Kui jah, siis millal? Vastama
Mis juhtuks värviga, kui temperatuur kõigis pudelites oleks sama väärtusega? Vastama

Selgitus Pudelites A1 ja B1 oli vesi külm ning pudelites A2 ja B2 oli vesi soe. Soe vesi on väiksema tihedusega kui külm vesi ja seega tõuseb soe vesi kõrgemale. Kuna soe vesi pudelis B2 oli värvitud, siis see värvitud vesi tõuseb ülemisse pudelisse ja külm vesi vajub alumisse pudelisse, toimub konvektsioon. Kuna vesi pudelis A2 on soe ja juba külma veega pudelist üleval pool, konvektsiooni ei toimu ja seetõttu vesi ülemises pudelis ei värvu. Kui vee temperatuur ülemises pudelis on kõrgem kui alumises pudelis, siis toimub vaid värvi difusioon. See on palju aeglasem protsess kui konvektsioon ja on põhjustatud molekulide muutumatust vibratsioonist.

Üks alkoholipõleti

Anuma ühte külge soojendades tekib anumas oleva vedeliku konvektsioon.
 

Vahendid:

1. Kaaliumpermanganaat või toiduvärv või tint
2. Üks alkoholipõleti
3. Suur anum (800-1000 ml)

Protseduur:

Huvitavad voolud

1. Täida anum veega ja aseta see millegi peale seisma.

2. Süüta alkoholipõleti, kuid hoia see anumast eemal.

3. Lase anumasse paar tilka kaaliumpermanganaati või toiduvärvi anuma ühte poolde.

4. Aseta kiirelt leek anuma teisele poolele ja lase õpilastel värvi liikumist jälgida.

Miks kaaliumpermanganaadi kristallid vajuvad anuma põhja? Vastama
Mida teeb leek veele? Vastama
Kas vee mass ruumalaühiku kohta tõuseb või väheneb, kui vedelik paisub? Vastama
Kui vedelikku kuumutada, millised karakteristikud kahanevad? Vastama
Mida võiks kasutada leegi asemel, et saavutada samasugused konvektsioonivoolud? Vastama
Kus saab igapäevaelus selliseid huvitavaid voolusid näha? Vastama

Selgitus Põleti leek soojendab vett ühelt küljelt, mistõttu vesi paisub selles kohas, millega vesi muutub vähem tihedaks. Kuna tihedus kahaneb, muutub vee mass ruumalaühiku kohta väiksemaks ning hakkab tõusma. Kaaliumpermanganaadi kristallid on suurema tihedusega kui vesi ja seetõttu vajuvad nad anuma põhja. Kuna kuum vesi anuma ühes otsas tõuseb, siis külm vesi anuma teises otsas liigub soojema vee alla. Sellega tekib vee konvektsioonivool. See konvektsioonivool tehakse nähtavaks kaaliumpermanganaadi abil, mis liigub koos veega. Meie igapäevaelus toimuvad soojad õhuvoolud ookeanides, näiteks soe Golfi hoovus liigub põhja poole.

Tikud

Põleva salvrätiku tuhk tõuseb õhuvoolude jõul üles.

Vahendid:

1. Tikud
2. Õhukesest paberist salvrätik (krõbisev)

Protseduur:

Müstiliselt tõusev salvrätik

1. Rulli salvrätik silindriks, mille läbimõõt on umbes 3 cm ja pane ta püsti lauale seisma.

2. Pane salvrätik ülevalt otsast põlema ja vaata, kas tuhk püsib koos ja tõuseb enne põlemise lõppu õhku.

3. Kui tuhk püsib koos ja see ei tõuse põlemise lõpupoole üles, siis proovi 3/4 või 1/2 pikkuse salvrätikuga.

4. Kui õige pikkusega salvrätik on leitud, on katse demonstreerimiseks valmis.

5. Rulli salvrätik silindriks ja pane ta püsti lauale seisma. Alusta salvrätiku põletamist silindri ülemisest otsast. Sellel hetkel võid rääkida ühe jutu (kolmest mehest, kes surma said, ja ootasid, et saaks taevasse. Taeva väravavalvur vaatas kolme meest ja hindas neid nende tehtud tegemiste põhjal. Esimene mees polnud piisavalt hea, teise mees polnud ka piisavalt hea, aga kolmas mees oli korralik ja teda võis taevasse vastu võtta).

6. Enne, kui leek jõuab lauani, ütle: „Sa pääsed taevasse!“ (või midagi muud, mis sobiks jutu lõppu).

Miks tuhk õhku tõusis? Vastama
Miks põlev salvrätik ei tõusnud õhku, enne kui leek jõudis salvrätiku alumise otsani? Vastama
Kus võib seda nähtust näha igapäevaelus? Vastama

Selgitus Salvrätiku tuha koostis on selle demonstratsiooni jaoks kriitilise tähtsusega. Kui tuhk püsib piisavalt kaua koos, siis selle mass langeb piisava tasemeni, et leegi poolt tekitatud konvektsioonivool tõstab tuha üles.

7.11 Kumb värv on soojem?

Vahendid:

1. Tükk musta ja valget paberit
2. Kohtvalgusti
3. Kaks termomeetrit (skaala ulatusega 0-100 °C)
4. Kaks 100 ml suurust anumat

Protseduur:

1. Kata väljastpoolt üks anum valge paberiga ja teine anum musta paberiga (tihedalt ümber anuma).

2. Täida mõlemad anumad sama hulga veega ja pane termomeetrid mõlemasse anumasse. Loe termomeetritelt temperatuurid.

3. Aseta mõlemad anumad valgustist sama kaugele (umbes 50 cm) ja lülita valgusti tööle.

4. Loe mõlema anuma temperatuurid pärast seda, kui anumad on 5 minutit valgusti poolt soojendatud.

Kumb termomeeter näitab kõrgemat temperatuuri? Vastama
Miks näitavad termomeetrid erinevat temperatuuri? Vastama
Millised värvid on üldiselt soojemad? Vastama
Mis juhtub kiiratud energiaga, kui see läheb sooja värviga pinnale? Mis juhtub külmade värvidega pindade korral? Vastama

Selgitus Must pind neelab valgust palju rohkem kui valge pind, mis peegeldab igat värvi valguse tagasi. Must värv on tegelikult kõikide värvide puudumine, ja seega teist värvi valgust ei kiirgu. Valge värv kiirgab või peegeldab igat värvi valguse tagasi ja seega ei neela kiiratud soojusenergiat.  Soojemad värvid on punane, oranž, pruun ja kollane, külmemad värvid on roheline, sinine, lilla ja violetne. Neeldumise testimiseks saab teha katse seda värvi pindade korral.

7.12 Kumb münt püsib kauem?

Vahendid:

1. Kaks samasugust münti
2. Küünal
3. Tühi plekkpurk, millel on põhjad eemaldatud

Protseduur:

1. Süüta küünal ja pane vastu purgi sisemist külge, hoides purki külili (vaata jooniselt). Kui see on tehtud, lase purgil jahtuda.

2. Pane purgi põletatud küljele ja selle vastasküljele purgist väljapoole mündid ühe tilga sulatatud vahaga.

3. Nüüd pane purk ümber põleva küünla ning küsi õpilastelt: „Kumb münt püsib kauem purgi küljes?“ Tee kindlaks, et mündid oleks asetatud täpselt purgi keskele (vaata joonist).

Miks üks münt kukub enne kui teine? Vastama
Kumb münt kukkus esimesena? Vastama
Kas teine münt kukub kunagi maha või mitte? Vastama
Kas purgi põletamine väljastpoolt annaks samasuguse tulemuse? Vastama
Kuidas soojus leegilt purgile kandus? Vastama

Selgitus Münt, mis oli kinnitatud purgi põletatud küljele, kukkus esimesena. See on nii seetõttu, et soojus neeldub mustas pinnas paremini kui läikivas metallist pinnas. Kuna musta pinna neeldumine oli suurem, siis tõusis temperatuur seal kiiremini ja seega sulas küünlavaha kiiremini ning münt kukkus maha. Kui purgi sisekülje asemel põletada väliskülge, siis poleks soojuse neeldumisel mingit vahet, kuna siseküljed peegeldaksid sama palju kiirgust. Sellisel juhul võib rolli mängida väljastpoolt purki tulev soojus, millega temperatuur võib muutuda. Sellisel juhul võib tekkida müntide allakukkumise ajaline erinevus.

7.13 Tõusvad vedelikud

Vahendid:

1. Toiduvärv või tint
2. Klaastoru (30 cm), mis on pandud auguga korgi sisse
3. Suur kitsa kaelaga pudel
4. Suur ja väike veenõu

Protseduur:

1. Täida pudel 1/4 ulatuses veega ja lisa mõni tilk toiduvärvi.

2. Pane pudelile kork, millest läheb läbi klaastoru. Klaastoru ots peab olema vees.

3. Vajuta korgile. Veetase klaastorus peaks tõusma.

4. Pane suletud korgiga pudel suurde anumasse.

5. Vala pudelile sooja vett. Jälgi veetaset klaastorus.

Mis tekitas veetaseme tõusu klaastorus? Vastama
Miks veetase torus langes, kui vee valamine lõpetati? Kus veetase pidama jääb? Vastama
Kas valatud vesi oli soe või külm? Vastama
Kui valada pudelile vee asemel õli, siis kui suur erinevus oleks veetaseme tõusmisel? Vastama

Selgitus Pudelile valatud vesi oli soe ja see põhjustas pudelis õhu paisumise. Selle tulemusena hakkas vesi klaastorus kõrgemale tõusma. Mida kõrgem on valatud vee temperatuur, seda rohkem õhk paisub ja sellega surutakse vesi klaastorus kõrgemale. Kui vee valamine katkestada, siis väljaspool pudelit olev vesi aurustub ja jahtub. See jahtumine põhjustab pudeli jahtumise ja veetase langeb. Kui kasutada sooja vee asemel külma vett, siis veetase torus langeb madalamale kui veetase pudelis. Kui kasutada vee asemel samal temperatuuril õli, mida pudelile valatakse, siis veetaseme tõusmine toimub samamoodi, aga veetaseme langus toimub ilmselt aeglasemalt, sest õli ei aurustu nii kiiresti kui vesi ja seetõttu pudel ei jahtu nii kiiresti.

7.14 Vedelike ühtlustamine

Vahendid:

1. Toiduvärv
2. Suur ja väike anum
3. Klaastoru, mis on auguga korgis
4. Kooniline kolb (250 ml)

Protseduur:

1. Täida kooniline kolb 1/4 ulatuses värvitud veega.

2. Pane kork kolvile peale ning pane sellest klaastoru läbi. Tee kindlaks, et toru ots oleks vees. Veetase torus peaks olema kõrgemal kui veetase kolvis.

3. Vala külm värvitu vesi kolvi peale, mis on suures anumas, ning lase õpilastel klaastoru veetaset jälgida.

Miks veetase torus langes? Vastama
Miks veetase torus hakkas tõusma, kui vee valamine lõpetati? Vastama
Kas valatud vesi oli sama temperatuuriga, mis oli veel kolvis. Vastama
Mis juhtuks veega kolvis, kui puhuda külmale kolvile? Vastama
Kuidas veetase klaastorus alguses tõusis? Vastama

Selgitus Külm vesi, mida valati koonilisele kolvile, tekitas kolvis õhu kokkutõmbumise, mistõttu vee rõhk langes kolvis. Selle tõttu hakkas veetase torus langema. Kui valamine lõpetati, siis jahtumine ei lõppenud täielikult, sest kolb oli ikka märg ning toimus vee aurustumine. Vesi hakkab klaastorus uuesti tõusma, kui kolb on saanud täiesti kuivaks. Kui märjale kolvile puhuda, siis vee aurustumine suureneb ja veetase langeb kiiresti. Veetaset saab torus tõsta, kui valada kolvile sooja vett või lihtsalt kolvi kahe käe vahel soojendades. Kolvi soojendamine leegi abil annab sama tulemuse.

7.15 Liikuv teip

Vahendid:

1. Üks alkoholipõleti
2. Kleeplint ja maalriteip

Protseduur:

1. Võta 10 cm pikkused jupid maalriteipi ja kleeplinti.

2. Kleebi mõlemad teibid kokku, nii et üks teip katab täielikult teise (lõika üleliigsed ääred ära).

3. Hoia teibi ühte otsa alkoholipõleti kohal ja lase õpilastel vaadata, mis teibiga juhtub.

4. Võta teip leegi kohalt ära ning kleebi need uuesti kokku. Pööra teip teistpidi ning pane uuesti leegi kohale. Kuhupoole nüüd teip paindub?

Miks teip paindus üles või alla, kui seda kuumutati? Vastama
Kas tavaline maalriteip käituks samamoodi? Vastama
Mis juhtuks, kui kleepida kokku kaks juppi maalriteipi ja panna see leegi kohale? Vastama
Kumb teip paindub soojendamisel rohkem, kas maalriteip või kleeplint? Vastama

Selgitus Tavaline maalriteip ei painduks üles ega alla, kui teda leegi kohal hoida. Paindumine toimub seetõttu, et kleeplint paisub rohkem kui maalriteip. Kuna üks teip ei saa teise peal libiseda, siis hakkab teip painduma maalriteibi suunas. Sama põhimõte toimub kahe metalli korral, millel on erinevad paisumistegurid (paisuvad erineval määral). Neid metallide ühendusi kasutatakse termolülitite, termostaatide, sisse-välja lülitite ja muude asjade korral. Kui temperatuur saavutab mingi kindla väärtuse, siis metallid painduvad piisavalt palju, et lülitada vool välja. Kui ta jahtub, siis metallid painduvad tagasi ja metallide ühendus lülitab voolu jälle sisse.

7.16 Liikuv varras

Vahendid:

1. Küünlad ja alkoholipõleti
2. Nõel
3. Kõrs
4. Kaks väikest tükki aknaklaasi
5. Metallist varras (50 cm pikkune)

Protseduur:

1. Aseta metallist varras kahe klaasitüki peale, mis asuvad raamatute peal, nii et varras asetseks horisontaalselt (vaata jooniselt).

2. Kinnita üks varda ots klaasi külge ja pane varda ots vastu rasket raamatut.

3. Pane nõel läbi kõrre ja aseta nõel varda teise otsa ja klaasitüki vahele, nii et nõel saaks vabalt pöörelda.

4. Aseta kolm või neli küünalt või alkoholipõletit varda alla.

5. Lase õpilastel kõrt vaadata.

Kui kaua kõrs liikus, kui küünlad olid süüdatud? Vastama
Millises suunas kõrs liikus? Vastama
Miks kõrs liikuma hakkas? Vastama
Kas kõrs liiguks samas suunas, kui raske raamat enne kuumutamist eemaldada? Vastama
Mis eesmärk on klaasitükkidel? Vastama
Kui lisada varda alla rohkem küünlaid, mis siis juhtuks? Vastama
Kuidas mõjutaks varda pikkuse muutmine kõrre liikumist? Vastama

Selgitus Nõel on tihedalt kõrre sees ja kui varrast kuumutada, siis varras paisub ja pöörab nõela. Nõela pöörlemise kiirus suureneb kõrre liikumisega. Kõrs ei hakka kohe liikuma, kui küünlad süüdatakse, aga ilmselt umbes pärast mõnda minutit. See on seetõttu nii, et varras peab soojust neelama ja selle energia molekulidena edasi kandma. Kaks klaasitükki varda all toimivad soojuse isolaatoritena, lisaks tagavad nõelale sileda pinna, millel pöörelda. Raske raamat varda otsas tagab selle, et varras ei libiseks selles suunas. Kui lisada veel küünlaid, siis varda temperatuur tõuseb kõrgemale ja varras paisub rohkem. Mida pikem varras, seda pikemaks paisub varras.

7.17 Raske soojus

Vahendid:

1. Üks alkoholipõleti
2. Žiletitera ja väike puuklots või vormitav savi
3. Kruvi
4. Messingust varras või toru

Protseduur:

1. Keera kruvi umbes poole pikkuse ulatuses vardasse või torusse.

2. Aseta žiletitera vertikaalselt puuklotsi või savi sisse.

3. Tasakaalusta varras või toru žiletiteral liigutades seda vasakule või paremale poole.

4. Keera kruvi vardast välja, nii et varras läheb tasakaalust välja.

5. Kuumuta varda teist otsa alkoholipõletiga (vaata joonist).

Miks pole toru enne kuumutamist tasakaalus? Vastama
Mis juhtus toruga, kui seda kuumutati? Vastama
Miks toru kaldus kuumutatud otsa poole? Vastama
Mis juhtus toruga, kui kuumutamine lõpetati (kui toru oli kuumutatud otsa poole kaldu)? Vastama

Selgitus Kruvi väljakeeramine muutis toru massikeset natuke kruviga otsa poole, mistõttu toru läks kaldu, sest ühel pool žiletitera oli suurem raskus. Kui toru teist otsa kuumutada, siis see paisub ja pikeneb veidi, mistõttu massikese liikus kuumutatud otsa suunas. Selle tulemusena liikus toru tagasi tasakaaluasendisse. Kui kuumutamist jätkata, siis toru paisuks veelgi ning kalduks selle otsa poole. Kui toru on selle otsa poole kaldu ja kuumutamine lõpetada, siis toru jahtub ja lüheneb sellest otsast ning kaldub jälle teise otsa poole. Võib tunduda, et kuumutamine põhjustas kuumutatud otsa massi suurenemise, kuid tegelikult see polnud nii. Kuumutamise mõjul muutus ainult varda pikkus.

7.18 Nõrgenev juhe

Vahendid:

1. Kaks horisontaalse seljatoega tooli
2. Tahvlijoonlaud
3. 8 küünalt või alkoholipõletit
4. 0,5-1 kg raskus
5. 3 m pikkune vasest või rauast juhe

Protseduur:

1. Lõika juhtmest umbes 50 cm pikkune jupp.

2. Paigalda ülejäänud juhe kahe tooli seljatugede külge ja tõmba traat toole liigutades nii sirgeks kui võimalik.

3. Kinnita 50 cm pikkune juhe horisontaalse juhtme külge ja riputa selle otsa 0.5 kg raskus. (Vajadusel võib toolidele raskused panna, näiteks raamatud või istuvad õpilased).

4. Kinnita raskusele väike paberist nool ja suuna see joonlauale, mis seisab vertikaalselt vertikaalse juhtme kõrval.

5. Kuumuta horisontaalset juhet vähemalt kahe alkoholipõletiga (lase õpilasel aidata ühe poole kuumutamisel, liiguta põletit aeglaselt juhtme all edasi-tagasi). Jälgi noolt.

Miks vajus raskus juhtme kuumutamisel allapoole? Vastama
Kui palju raskus allapoole vajus? Vastama
Kas vajumises muutuks midagi, kui küünlaid või põleteid oleks rohkem? Vastama
Kas erinevatest metallidest juhtmed vajuksid sama vahe võrra? Vastama
Kuidas saab arvutada juhtme pikenemist tema vajumise abil? Vastama

Selgitus Põleti leegid põhjustasid juhtme kuumutamisel juhtme paisumise ja see põhjustas raskuse vajumise. Kuumutamine tekitas raskuse langemise punktist P1 punkti P2. Mõõtes vahemaad AP ja PP1, saame arvutada nurga x’ arvutusest tan(x’)=PP1/AP ja pikkuse AP1 valemist sin(x’)=PP1/AP1. Sarnaselt saab leida nurga x’’, tan(x’’)=PP2/AP1 ja pikkuse AP2 valemist sin(x’’)=PP2/AP2. Juhtme pikenemine on võrdne (AP1-AP2)*2. Teine võimalus on kasutada Pythagorase teoreemi. Mida rohkem põleteid kasutada, seda madalamale raskus vajub. Erinevate metallide juhtmed paisuvad erinevalt ja seega põhjustavad vajumise vahemaades erinevad tulemused.

7.19 Keeda vett pabertopsis

Vahendid:

1. 2 pesulõksu
2. Alus
3. Üks alkoholipõleti
4. Vahatamata pabertops

Protseduur:

1. Kui pabertopse pole, võib nõu teha paberkaardist, kui neli nurka püsti murda ja kirjaklambritega kokku panna.

2. Täida tops pooleldi veega ja aseta see alusele või kasuta kahte pesulõksu, et topsi leegi kohal hoida (vaata joonist).

3. Süüta alkoholipõleti või küünal ning kuumuta vett, kuni ta keema hakkab.

Miks paber ei põle? Vastama
Mis juhtuks siis, kui kasutada katses vahatatud pabertopsi? Vastama
Kuhu läheb leegi soojus? Vastama
Kui kõrgeks tõuseb vee temperatuur? Vastama
Millisel temperatuuril süttib paber? Vastama

Selgitus Leegi soojus neeldub topsis olevas vees. See läheb vee temperatuuri tõstmiseks toatemperatuurilt kuni keemistemperatuurini, mis on 1000C. Sellel temperatuuril läheb soojust vaja selleks, et vett aurustada. Vee temperatuur jääb 1000C juurde ja ka topsis ei tõuse temperatuur kõrgemale, kuni kõik vesi on aurustunud. Kuna paber süttib palju kõrgemal temperatuuril kui 1000C, ei hakka see enne põlema, kui kogu vesi on aurustunud. Teiste sõnadega: paber ei sütti enne, kui ta on kuiv. Sama põhimõte toimib kui põletada kaminas „rohelist“ puitu: see ei sütti hästi.

7.20 Huvitav leek

Vahendid:

1. Tükk aknaklaasi
2. Kaks klaaspulka
3. Keskmise suurusega anumad ja klaas
4. Süsinikdisulfiid ja süsiniktetrakloriid või etüülalkohol ja vesi

Protseduur:

1. Sega kokku kaks vedelikku (CS2+CCl4 või etüülalkohol+vesi), nii et nende ruumalad oleksid suhtes 4:6.

2. Vala väike kogus segu klaasile ja katseta tikuga süütamist. Kui see ei sütti, lisa segule mõni ml süsinikdisulfiidi või alkoholi kuni nõrk leek jääb proovimisel põlema.

3. Nüüd on demonstratsioon valmis: leota taskurätt või paberraha segu sees läbi ning pane klaasile. Süüta see tikuga ja liiguta seda klaaspulkadega kuni tuli põleb (kõige parem on katset teha pimedas).

Miks on võimalik põlevat taskurätikut käes hoida kui kasutada süsinikdisulfiidi ja süsiniktetrakloriidi segu? Vastama
Mis eesmärk on süsiniktetrakloriidil või veel? Vastama
Miks pidi taskurätikut liigutama? Vastama
Kas katse töötaks, kui alkoholi sisaldus vees või süsinikdisulfiidi sisaldus süsiniktetrakloriidis oleks suurem või väiksem? Vastama

Selgitus Süsinikdisulfiid koos süsiniktetrakloriidiga või alkohol koos veega tekitab üsna madala temperatuuriga leegi. Madal temperatuur on põhjustatud soojuse neeldumisest, mis läheb süsiniktetrakloriidi või vee aurustamiseks. Taskurätikut kogu aeg liigutades tagab süsiniktetrakloriid, et taskurätik oleks kogu aeg märg. Kui taskurätikut ei liiguta, siis mõni koht võib ära kuivada ning võib tekkida kuum koht. Mida rohkem süsinikdisulfiidi või alkoholi kasutada, seda kuumem on leek.