Värmelära med en doppvärmare

Kunskaps och fördighetsmål

• Att ställa upp och testa en hypotes.
• Mätteknisk övning där noggrannheten vid arbetet ger ett tydligt utslag.
• Övning i att rita och tolka diagram.
• Visar omvandling mellan elektrisk effekt/energi och värmeenergi.
• Visar enkla tillämpningar på beräkningar med elektrisk effekt och värmekapacitet.
• Tillfälle till diskussioner kring olika begrepp inom värmeläran, speciellt värmekapacitet, kokpunkt och ångbildningsvärme.

Tidsåtgång minst 60 min, men gärna betydligt längre tid så att inget av momenten behöver stressas igenom utan varje moment kan få den tid det behöver.

Utförande

I en bägare hälls 600 g vatten (mängden vald så att vattennivån i en 1000 ml-bägare kommer att stå mellan doppvärmarens min- och max-markeringar). Låt eleverna föreslå hur man lättast mäter upp denna mängd. Med en graderad bägare räcker den noggrannhet man får genom att använda graderingen på bägaren. Både doppvärmaren och termometern kan stå löst i bägaren och termometern verkar inte ta skada även om den står i kontakt med doppvärmaren. Gör inga försök att värmeisolera.

Hypoteser

Hypoteserna: Låt eleverna fundera och diskutera kring följande frågor:

1. Kommer vattnet att börja bli varmt direkt eller dröjer det en stund innan man ser att temperaturen ökar (och i så fall varför)?
2. Hur kommer temperaturökningen att se ut; först långsam sedan allt snabbare eller först snabbt sadan allt långsammare eller på något annat sätt?
3. Hur varmt kommer vattnet att vara om 25 minuter? hur varmt skulle det kunna bli om vi fortsätter värma ytterligare en timme?

Första avläsningen blir att mäta vattnets temperatur just innan uppvärmningen startar, värdet antecknas. Låt eleverna göra en tabell att föra in värdena i. Många vill rita ett diagram direkt men om de skulle missa något i mätningarna eller vid diagramritningen är det bra att ha tabellen att falla tillbaka på

Om det finns möjlighet att centralt bryta strömmen till laborationsplatserna kan man utnyttja detta så att man låter alla grupper starta mätningarna samtidigt. Alla grupper skall ju då göra sina avläsningar samtidigt vilket minskar risken att grupperna stör varandra just när de skall göra en avläsning.

För att få bra mätresultat är det viktigt att avläsningarna sker på samma sätt vid alla mätpunkterna. Rör om i vattnet 5 - 10 sek före avläsning så att vattnet får likformig temperatur. Avläsningen av temperaturen skall göras så exakt i tid som möjligt och termometern bör vid avläsningen hållas uppe i vattnet och inte stå mot den något kallare botten på bägaren. Mätvärdena är mycket avslöjande på den här punkten.

Om laborationen görs under ett långt lektionspass och man har plats i salen kan man låta bägarna stå (med strömmen bruten) för en senare avläsning av temperaturen och fortsatt diskussion om värmeförluster. Ett lock på ett par av bägarna kan ge resultat som kan ge upphov till ytterligare kommentarer.

Diagrammet ritas helst på mm-rutat papper men vanligt 5x5 mm-rutat går också bra. Lämplig skala på y-axeln är 10º på 10 mm och på x-axeln 1 min på 5mm. Mätpunkterna bör ritas som + (plustecken) och inte som x (kryss). Eleverna bör inte dra en linje från mätpunkt till mätpunkt utan vänta till efter en diskussion om felkällorna och därefter dra en utjämnad kurva

Genomgång efter avslutade mätningar

Ytterligare diskussioner

Med hjälp av tabellen nedan kan man fördjupa diskussionerna kring resultatet av laborationen (och dessutom träna eleverna i att hämta uppgifter ur tabeller).

Hur skulle resultatet av mätningarna sett ut om vi i stället för vatten haft t ex etanol?

• Hade uppvärmningen varit snabbare eller långsammare?
• Vid vilken temperatur hade kurvan planat ut?
• Dröjer det lika länge innan etanol kokar bort?

Tabell. Data om vätskor

Vad skall eleverna klara ?

G-nivån:

Experimentet: Alla elever skall klara att utföra mätningarna. Enstaka mätvärden kan bli felavlästa, spridningen av mätvärdena kan bli något större för elever som inte varit tillräckligt noggranna med omrörningen och med att hålla tiden för avläsningen.

Diagrammet: Eleverna kan föra in mätvärdena men behöver hjälp med valet av gradering av axlarna.

Teori: Det eleverna skall förstå är ungefär följande resonemang. När doppvärmaren är inkopplad blir den varm av den elektriska strömmen. Elektrisk energi omvandlas till värmeenergi. Eftersom doppvärmaren är varmare än vattnet värms vattnet upp. För varje minut som går blir vattnet varmare eftersom det hela tiden får värme från doppvärmaren. När vattnets temperatur nått kokpunkten blir det inte varmare eftersom all energi går åt för att göra ånga av vattnet. Det behövs mycket energi för att förånga vatten därför tar det lång tid innan allt vatten kokat bort.

VG-MVG nivån

Experimentet : Skall göra mätserien med endast små fluktuationer i mätvärdena.

Diagrammet: Väljer själv lämpliga skalor och ritar ett korrekt diagram.

Teori: Deltar aktivt vid diskussionerna om tolkningen av detaljerna i diagrammet. Med hjälp av en tabell över några vanliga vätskors egenskaper bör en MVG-elev kunna dra slutsatser om vad man kan vänta sig om man i stället för vatten använt en annan vätska.

• Utskriftsversion