Świat fizyki z bliska

Danuta Szot-Gawlik Barbara Sagnowska Świat fizyki z bliska Podręcznik dla uczniów gimnazjum Część 1 Kraków 2011 R ZamKor

Autorki Danuta Szot-Gawlik, Barbara Sagnowska Redakcja językowa Magdalena Puda-Blokesz Redakcja techniczna Stanisław Sagnowski Rysunki Wojciech Ludwin, Katarzyna Mentel Projekt okładki i układu graficznego Joanna Wypiór Zdjęcia Łukasz Opaliński, Barbara Wrzos-Koczwara Doświadczenia na stronach 86, 89, 113, 118 zostały opracowane na podstawie książki Doświadczenia z fizyki dla uczniów gimnazjum cz. 2, ZamKor, Kraków 2001. Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia specjalnego do nauczania fizyki na poziomie gimnazjum specjalnego, na podstawie opinii rzeczo znaw ców: mgr. Lecha Kłosowskiego, mgr. Waldemara Reńdy, dr. Tomasza Karpowicza. Rok dopuszczenia 2011. Numer dopuszczenia: S I 9/2011 ZamKor R Copyright by ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy sp. j. ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków tel. 12 623 25 20 faks 12 623 25 24 e-mail: zamkor@zamkor.pl www.zamkor.pl ISBN 978-83-60793-82-4 (całość) ISBN 978-83-60793-94-7 (część 1) Druk i oprawa P.W. STABIL, tel. 12 410 28 20

Spis treści 1. Wykonujemy pomiary... 7 1.1. Wielkości fizyczne, które najczęściej mierzymy.....................8 1.1.1. Pomiar długości...9 1.1.2. Pomiar temperatury......................................14 1.1.3. Pomiar czasu...18 1.1.4. Pomiar szybkości...21 1.1.5. Pomiar masy...23 1.2. Pomiar wartości siły ciężkości (ciężaru ciała)......................28 1.3. Wyznaczanie gęstości substancji.................................37 1.4. Pomiar ciśnienia...50 Z rozdziału 1. zapamiętamy.........................................59 Sprawdź swoją wiedzę...63 2. Niektóre właściwości fizyczne ciał...65 2.1. Trzy stany skupienia ciał........................................66 2.1.1. Ciała stałe...67 2.1.2. Ciecze...69 2.1.3. Gazy...71 2.2. Zmiany stanów skupienia ciał...................................75 2.2.1. Topnienie i krzepnięcie...76 2.2.2. Parowanie i skraplanie...78 2.2.3. Wrzenie...82 2.2.4. Sublimacja i resublimacja...83 2.3. Rozszerzalność temperaturowa ciał...87 Z rozdziału 2. zapamiętamy.........................................98 Sprawdź swoją wiedzę...100 3. Cząsteczkowa budowa ciał...................................... 103 3.1. Z czego są zrobione substancje?.................................104 3.2. Siły międzycząsteczkowe...113 3.3. Różnice w budowie ciał stałych, cieczy i gazów...121 3.4. Od czego zależy ciśnienie gazu w zamkniętym zbiorniku?..........125 Z rozdziału 3. zapamiętamy........................................130 Sprawdź swoją wiedzę...132 Odpowiedzi do zadań............................................. 135

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 65

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 66 Na fotografii (rys. 2.1) widzimy przedmioty wykonane z różnych materiałów. W fizyce materiały nazywamy substancjami. flakon ze szkła powietrze w baloniku olej gaz w metalowej butli kostki lodu metalowa łyżka Rys. 2.1 papierowy zeszyt woda mleko gumowa piłka kawałki kredy drewniane szczypce Niektóre z tych przedmiotów, czyli jak mówią fizycy ciał fizycznych, możemy po prostu wziąć do ręki na przykład piłkę czy lód. Inne, takie jak mleko czy woda, możemy przenieść w naczyniu. Natomiast powietrze lub inny gaz możemy przenosić tylko w szczelnie zamkniętych pojemnikach. 2.1. Trzy stany skupienia ciał W otaczającej nas przyrodzie substancje mogą występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym lub gazowym (lotnym). Ćwiczenie Nazwy ciał pokazanych na rysunku 2.1 wpisz w odpowiednie miejsca w tabeli. Stan skupienia Nazwa ciała stały ciekły gazowy

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 2.1.1. Ciała stałe 67 doświadczenie 2.1 Cel: Badamy właściwości ciał stałych (I). Potrzebne przedmioty: cylinder miarowy, woda, wałek plasteliny, nitka. Rys. 2.2 Kolejne czynności: Do cylindra miarowego nalewamy wody do wysokości nieco większej niż długość wałka plasteliny. Odczytujemy na podziałce cylindra miarowego objętość wody V 1 = cm 3. Plastelinę zawieszamy na nitce i wsuwamy do wody; odczytujemy objętość V 2 = cm 3 wody z plasteliną. Wyjmujemy plastelinę z wody, osuszamy papierową chusteczką. Wykorzystując plastyczność plasteliny, robimy z niej kulkę. Kulkę zawieszamy na nitce i powtórnie zanurzamy plastelinę w wodzie. Ponownie odczytujemy objętość wody z plasteliną V 3 = cm 3. Wynik: Objętości wody z plasteliną V 2 i V 3 są takie same. Wnioski: 1. Różnica między objętością wody z plasteliną i objętością samej wody jest w każdym przypadku objętością plasteliny V plast. : V 2 V 1 = V 3 V 1 = V plast. 2. Zmiana kształtu ciała stałego nie powoduje zmiany jego objętości.

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 68 doświadczenie 2.2 Cel: Badamy właściwości ciał stałych (II). Potrzebny przedmiot: plastikowa linijka o długości 30 cm. Kolejne czynności: Linijkę kładziemy prostopadle do krawędzi stołu tak, aby większa jej część (około 20 cm) wystawała poza stół. Jedną ręką przytrzymujemy mocno całą krótszą część linijki na stole, a drugą ręką lekko odchylamy w dół jej dłuższą część, którą następnie puszczamy swobodnie. Powtarzamy doświadczenie dwa razy, coraz mocniej odchylając w dół dłuższą część linijki. Wynik obserwacji: Wygięta linijka po wykonaniu kilku drgań zawsze powraca do pierwotnego kształtu. Wniosek: Niektóre ciała stałe, jak na przykład plastik, stal, guma, charakteryzują się sprężystością. Pod wpływem nacisku odkształcają się, a gdy nacisk ustępuje, powracają do pierwotnego. UWAGA: Zbyt duża siła powoduje przekroczenie granicy sprężystości i trwałe odkształcenie ciała sprężystego! doświadczenie 2.3 Cel: Badamy właściwości ciał stałych (III). Potrzebne przedmioty: kreda, ołówek automatyczny, szorstki karton. Kolejne czynności: Kredę ustawiamy prostopadle do krawędzi stołu tak, aby jej połowa wystawała poza stół. Jedną ręką przytrzymujemy mocno leżącą na stole część kredy, a drugą ręką odchylamy w dół jej drugą część. Wynik: Kreda łamie się na dwie części. Z ołówka automatycznego wysuwamy 5 mm grafitu i zaczynamy pisać na kartonie. Wynik: Grafit się odłamuje.

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 69 Na kartonie zaczynamy pisać kredą i ołówkiem, ale wysuwamy tylko 1 mm grafitu. Wynik: Ślady kredy i grafitu pozostają na kartonie. Wnioski: 1. Niektóre ciała stałe, takie jak na przykład kreda, grafit, cegła, porcelana, charakteryzują się kruchością. Pod wpływem nacisku kruszą się i trwale tracą swój kształt. 2. Dzięki kruchości substancji przy odpowiednim nacisku niewielkie odłamki kredy lub grafitu pozostawiają ślady na kartonie, papierze lub tablicy. Wszystkie ciała stałe w ustalonej temperaturze mają określoną objętość i kształt. Naciskając na ciała stałe, nawet bardzo dużą siłą, nie można zmniejszyć ich objętości ciała stałe są nieściśliwe. Pod wpływem nacisku innego ciała kształty ciał stałych mogą się zmieniać: niektóre, jak plastelina, wykazują plastyczność ich kształt ulega zmianie, ale można później doprowadzić je do początkowego kształtu; inne, jak kreda czy porcelana, wykazują kruchość pod wpływem nacisku kruszą się i nieodwracalnie tracą swój kształt; niektóre ciała, jak sprężyna, guma i gąbka, wykazują sprężystość pod wpływem nacisku odkształcają się, a gdy nacisk ustąpi, same wracają do początkowego kształtu. 2.1.2. Ciecze doświadczenie 2.4 Cel: Badamy właściwości cieczy (I). Potrzebne przedmioty: kilka przezroczystych naczyń o różnych kształtach, mała szklanka, duża butelka z zabarwioną wodą (np. sokiem z buraków). Kolejne czynności: Do każdego z naczyń wlewamy pełną szklankę zabarwionej wody.

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 70 Porównujemy kształty jednakowych objętości cieczy w naczyniach. Rys. 2.3 Wynik obserwacji: Jednakowe objętości cieczy nalane do naczyń o różnym kształcie przyjmują kształty tych naczyń. Wniosek: Przelanie określonej objętości cieczy z jednego naczynia do drugiego o innym kształcie powoduje zmianę kształtu cieczy, czyli ciecze nie mają własnego kształtu. doświadczenie 2.5 Cel: Badamy właściwości cieczy (II). Potrzebne przedmioty: strzykawka, zabarwiona woda. Kolejne czynności: Do strzykawki wciągamy wodę, tak by strzykawka była napełniona do połowy objętości. Trzymając strzykawkę pionowo, naciskamy na tłok i dokładnie usuwamy z niej powietrze. Zatykamy otwór strzykawki palcem i próbujemy zmniejszyć objętość wody przez naciskanie tłoka.

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 71 Rys. 2.4 Można powtórzyć doświadczenie ze strzykawką napełnioną inną cieczą. Wynik obserwacji: Przez naciskanie tłoka nie można zmniejszyć objętości cieczy. Wniosek: Ciecze są nieściśliwe. Ciecze zachowują swoją objętość są nieściśliwe, ale nie mają swego kształtu zawsze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. 2.1.3. Gazy doświadczenie 2.6 Cel: Badamy właściwości gazu. Potrzebne przedmioty: lateksowa rękawiczka, strzykawka. Kolejne czynności: Nadmuchujemy lekko rękawiczkę i zamykamy otwór, robiąc supeł. Rys. 2.5

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 72 Ściskając palcami rękawiczkę i skręcając dolną część, przepychamy powietrze od strony supła do części na palce. Gromadzimy prawie całe powietrze w połowie objętości rękawiczki. Po chwili puszczamy rękawiczkę i obserwujemy, że powietrze znowu całą rękawiczkę. Wynik obserwacji: Powietrze zamknięte w gumowej rękawiczce zawsze zajmuje całą dostępną objętość. Wniosek: Gaz jest rozprężliwy. Pytanie: Jak zachowa się powietrze po rozwiązaniu supła? Odpowiedź:. Kolejne czynności: Tłok strzykawki odsuwamy maksymalnie od otworu. Rys. 2.6 Otwór zatykamy palcem i mocno naciskamy tłok. Wynik obserwacji: Objętość powietrza znacznie się zmniejsza. Przestajemy naciskać tłok. Wynik obserwacji: Powietrze zwiększa swoją objętość. Wniosek: Wywierając nacisk na powietrze zamknięte w naczyniu, możemy zmniejszyć jego objętość gaz jest ściśliwy. Gazy, podobnie jak ciecze, nie mają własnego kształtu i przyjmują kształt zbiornika, w którym się znajdują. Gazy nie mają własnej objętości i wypełniają całą objętość zbiornika. Łatwo można zmieniać objętości gazów, ponieważ są ściśliwe i rozprężliwe.

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 73 PODSUMOWANIE W przyrodzie substancje mogą występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i lotnym. Ciała stałe mają określony kształt. Zmiana kształtu ciała stałego nie powoduje zmiany jego objętości. Ciała stałe mogą być: kruche, sprężyste lub plastyczne. Ciecze mają określoną objętość, ale nie mają określonego kształtu, przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Są one praktycznie nieściśliwe bardzo trudno jest zmienić ich objętość. Gazy nie mają określonego kształtu ani objętości, przyjmują kształt zbiornika (naczynia), w którym się znajdują, wypełniając całą jego objętość. Są ściśliwe i rozprężliwe. ( Zadania domowe 1. Do odpowiednich rubryk w tabeli wpisz po pięć nazw ciał w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Ciała w stanie stałym Ciała w stanie ciekłym Ciała w stanie gazowym 2. Uzupełnij zdania: Łuk możemy napinać, ponieważ łuk jest. Można lepić figurki z gliny, ponieważ glina rozrobiona z wodą jest.

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 74 Piszemy kredą po tablicy, ponieważ kreda jest. Możemy napompować pompką koło roweru, ponieważ powietrze jest. Z pękniętego balonika uchodzi powietrze, ponieważ jest. Spinacz biurowy trzyma kartki, ponieważ drut stalowy jest. Filiżanki łatwo się tłuką, ponieważ porcelana jest. 3. Rozwiąż krzyżówkę i odpowiedz na pytanie. 1. Mleko przelane do szklanki z garnuszka nie zmienia. 2. Na co dzień używamy jej w stanie ciekłym. 3. Pompując koło rowerowe, wykorzystujemy powietrza. 4. Substancje występują w trzech stanach. 5. Balonik można nadmuchać, ponieważ guma jest. 6. Figurki lepimy z plasteliny, ponieważ jest ona. 7. Przedmiot, czyli ciało. 8. Spodek łatwo stłuc, ponieważ jest. W jakim stanie skupienia jest przedmiot będący rozwiązaniem krzyżówki? Odpowiedź:.

rozdział 2 niektóre właściwości fizyczne ciał 98 Z rozdziału 2 zapamiętamy Trzy stany skupienia ciał Zmiany stanów skupienia ciał gaz w baloniku sublimacja resublimacja skraplanie parowanie ciało stałe (kryształ) topnienie krzepnięcie ciecz we flakonie

niektóre właściwości fizyczne ciał rozdział 2 Jaką temperaturę nazywamy temperaturę topnienia? Topnienie i krzepnięcie substancji zachodzą w tej samej, stałej i charakterystycznej dla tej substancji temperaturze, zwanej temperaturą topnienia. Jak zmienia się objętość substancji podczas krzepnięcia? Podczas krzepnięcia prawie wszystkie substancje zmniejszają swoją objętość; ważnym wyjątkiem jest woda, która krzepnąc, zwiększa swoją objętość. Czy szybkość parowania cieczy zależy od temperatury? Ciecze parują w każdej temperaturze. Im wyższa temperatura, tym szybsze jest parowanie. Czy wszystkie ciecze mają jednakową temperaturę wrzenia? Wrzenie polega na gwałtownym parowaniu cieczy w całej objętości. Każda ciecz ma ściśle określoną temperaturę wrzenia, która zależy od ciśnienia nad jej powierzchnią. Przy wyższym ciśnieniu nad powierzchnią (ciśnienie zewnętrzne) temperatura wrzenia jest wyższa. Na czym polega rozszerzalność temperaturowa ciał? Wraz ze wzrostem temperatury ciał stałych, cieczy i gazów wzrasta ich objętość. Przyrost objętości DV jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury Dt DV ~ Dt Jak opisujemy rozszerzalność temperaturową szyn, drutów i innych długich przedmiotów? W przypadku długich ciał, takich jak szyny, druty itp., przy zmianach temperatury szczególnie są widoczne zmiany ich długości. Jeśli interesuje nas wpływ zmian temperatury na jeden wymiar ciała, tak jest na przykład dla prętów, drutów itp., rozważa się wówczas rozszerzalność liniową tego ciała. Przyrost długości Dl takiego ciała jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury Dt. Dl ~ Dt Jak zmienia się objętość wody wraz ze zmianą jej temperatury? W przeciwieństwie do innych cieczy woda ogrzewana od 0 o C do 4 o C się kurczy. Dopiero powyżej tej temperatury rozszerza się tak jak inne ciecze. W temperaturze 4 o C woda ma najmniejszą objętość i największą gęstość. W zbiornikach wodnych opada na dno. Dzięki temu, nawet gdy powierzchnia zbiornika pokryje się lodem, woda przy dnie ma temperaturę 4 o C, co pozwala rybom i roślinom wodnym przetrwać zimę. 99

rozdział 3 cząsteczkowa budowa ciał 132 Sprawdź swoją wiedzę Zaznacz poprawne odpowiedzi. 1. Która z wymienionych substancji nie jest pierwiastkiem chemicznym? a) węgiel b) woda c) tlen d) żelazo 2. Przykładem substancji o budowie krystalicznej jest: a) szkło, b) plastik, c) węgiel kamienny, d) parafina. 3. Ogórki, które zamierzamy ukisić, zalewamy w słoiku osoloną wodą. Po ukiszeniu także wnętrze ogórków jest słone. Zawdzięczamy to zjawisku: a) rozszerzalności objętościowej ogórków, b) dyfuzji, c) przylegania, d) spójności. 4. Temperatura 7 o C to: a) 280 K b) 180 K c) 80 K d) 7 K 5. Temperatura 373 K to: a) 0 o C b) 53 o C c) 73 o C d) 100 o C 6. Gdy wylejemy wodę ze szklanki, jej wnętrze pozostaje mokre. Przyczyną tego zjawiska są siły: a) przylegania cząsteczek wody i szkła, b) spójności cząsteczek wody i szkła, c) spójności cząsteczek wody, d) przylegania cząsteczek szkła. 7. Zjawisko napięcia powierzchniowego nie odgrywa roli: a) w przypadku owadów biegających po powierzchni wody, b) przy wytwarzaniu baniek mydlanych, c) w wygładzaniu powierzchni cieczy, d) przy zlepianiu się mokrych włosów.

cząsteczkowa budowa ciał rozdział 3 8. Objętość gazu można łatwo zmienić, a objętość cieczy bardzo trudno, gdyż: a) cząsteczki cieczy poruszają się szybciej niż cząsteczki gazu, b) odległości między cząsteczkami gazu są znacznie większe od odległości między cząsteczkami cieczy, c) cząsteczki gazu odpychają się, a cząsteczki cieczy nie, d) ciecze są zbudowane z cząsteczek, a gazy z atomów. 133 9. Przeczytaj zdania poniżej i wskaż zdanie nieprawdziwe. a) Masa kilogramowej sztabki złota jest równa sumie mas atomów, z których składa się ta sztabka. b) Objętość jednego litra wody jest równa sumie objętości atomów, które mieszczą się w tym litrze. c) W przyrodzie występuje ogromna liczba substancji, ale około 90 rodzajów atomów. d) Związek chemiczny może być cieczą, mimo że składa się z pierwiastków, które w naturze występują w postaci gazów. 10. Ciśnienie gazu w zbiorniku nie zwiększy się, gdy: a) zwiększymy liczbę cząsteczek gazu w zbiorniku, b) przy stałej masie gazu w zbiorniku zmniejszymy jego objętość, c) podgrzejemy gaz zamknięty w zbiorniku, d) postawimy zbiornik na sprężystym podłożu. 11. Rozwiąż krzyżówkę. 1. Siły przyciągania między cząsteczkami różnych ciał to siły. 2. Siły spójności i przylegania to siły. 3. Siły działające między cząsteczkami tego samego rodzaju to siły. 4. Zwiększając, możemy zwiększyć ciśnienie gazu w zbiorniku. 5. Zapachy rozchodzą się dzięki. Uzupełnij zdanie słowem, które jest rozwiązaniem krzyżówki. to cegiełki, z których zbudowane są substancje.

rozdział 3 cząsteczkowa budowa ciał 134 12. Z podanych wyrazów ułóż zdania. krople są Dzięki siłom spójności kuliste siły przylegania ręki zmniejsza brudu do Mydło ciał przylega klej sklejanych do silnie Dobry Zjawisko ciał cząsteczkowej o dyfuzji budowie świadczy