طرح چند آزمایش جالب فیزیک و شیمی
سید رسول حسینی 1و2و 3اصغر شعرباف زاده 4و5
)1اصفهان، دانشگاه اصفهان، سازمان ملی پرورش استعدادهای درخشان، مدرسه ی راهنمایی شهید علی اکبر اژه ای، ناحیه 3آموزش و پرورش استان اصفهان
)2عضو کمیته ی کیفیت بخشی درس علوم تجربی کشور
)3رئیس انجمن علمی معلمان علوم تجربی استان اصفهان
)4اصفهان، دانشگاه اصفهان، سازمان ملی پرورش استعدادهای درخشان، دبیرستان شهید علی اکبر اژه ای، ناحیه 3آموزش و پرورش استان اصفهان
)5عضو شورای اجرایی انجمن علمی آموزشی معلمان فیزیک استان اصفهان
چکیده: به علت اهمیت و جایگاه آزمایش در یادگیری مفاهیم علوم تجربی، در این مقاله به شرح و توضیح روش انجام ده آزمایش جالب در زمینه ی فیزیک و
شیمی، که بارها توسط نویسندگان مقاله، ضمن انجام تدریس، آزمایش شده است می پردازیم. این آزمایش ها موضوعاتی چون راکت هیدروژنی، انفجار
هیدروژن، موتور گرمایی، موشک آبی، گنبد آبی، لیوان آب واژگون، اعمال نیرو و عدم سقوط وزنه، تأثیر خلا بر سلول های زنده، گلوله به سبک آفتاب پرست و
کیسه ی بالا رونده را شامل می شوند.
کلمات کلیدی: راکت هیدروژنی، انفجار، ماشین گرمایی، موشک آبی، گنبد آبی، لیوان واژگون، سقوط وزنه، تأثیر خلا بر سلول زنده، گلوله، کیسه ی بالا رونده
.1مقدمه
از آنجایی که تدریس توأم با آزمایش تأثیر بسزایی در یادگیری
مفاهیم فیزیک دارد و باعث عمیق تر شدن یادگیری و در ادامه
طراحی و انجام آزمایش های جدید می شود که در اکثر موارد
بسیار جالب و شگفت انگیز می باشد، به ذکر چند آزمایش
جالب در زمینه ی مفاهیم فیزیک و شیمی می پردازیم تا
همکاران ضمن پرداختن به آن ها، دانش آموزان را در جهت
انجام این آزمایش ها ترغیب و تشویق نمایند و یا خودشان
ضمن تدریس به انجام آن همت گمارند.
.2راکت هیدروژنی
برای نشان دادن طرز کار موشک، به عنوان یک نوع ماشین
گرمایی و همچنین افزایش حجم گاز، هنگام احتراق، این
آزمایش، بسیار مناسب و جذاب می باشد. برای انجام آزمایش
به یک بطری نوشابه خانواده، مقداری فویل آلومینیومی، محلول
سود سوزآور(هیدروکسید سدیم،) گیره و پایه، ارلن، تشت آب
و کبریت نیاز داریم. ابتدا محلول سود را در ارلن می ریزیم.
سپس فویل آلومینیومی، که تکه تکه کرده ایم را در ارلن
می اندازیم. با این کار در اثر واکنش هیدروکسید سدیم با
آلومینیوم مطابق واکنش زیر، گاز هیدروژن تولید می شود.
2 NaOH + 2 Al + 6 H2O 2 NaAl(OH)4 + 3 H2
باید توجه داشته باشیم که این واکنش گرماده است و ارلن داغ
می شود. سرعت واکنش، در تولید هیدروژن، ابتدا به دلیل
وجود لایه ی اکسید آلومینیوم موجود بر روی فویل، کم است
اما به تدریج زیاد می شود. بنابراین وجود ظرف آب، برای
خنک کردن ارلن و کنترل سرعت واکنش ضروری است. البته
اگر کپسول گاز هیدروژن در اختیار داشته باشیم نیازی به انجام
این واکنش، برای تولید هیدروژن نداریم و مستقیمأ از
هیدروژن موجود در کپسول برای انجام آزمایش استفاده
خواهیم کرد. در ادامه دهانه ی بطری خالی را مطابق شکل ()1
بر روی ارلن می گذاریم.
شکل :1قراردادن دهانه ی بطری خالی بر روی ارلن
هیدروژن سبک است و به آرامی وارد بطری می شود. برای
کمک کردن به ورود سریع هیدروژن به داخل بطری، با فشار
دادن دیواره ها، به خروج مقداری هوا و در نتیجه وارد شدن
هیدروژن کمک می کنیم. تقریبأ بایستی یک سوم از حجم
بطری، هیدروژن و بقیه هوا باشد. اکنون بطری را مطابق شکل
( )2به صورت مایل بر روی گیره و پایه قرار می دهیم. باید
مراقب باشیم بطری به طرف کسی نباشد. اکنون کافی است
فندک را به دهانه ی بطری نزدیک کنیم. مخلوط هوا و
هیدروژن منفجر شده و بطری مطابق شکل ( )2با سرعت زیاد
مانند موشک پرتاب می شود.
شکل :2پرتاب شدن بطری
.3انفجار هیدروژن
انفجار تخم مرغ، یک آزمایش بسیار شگفت انگیز برای نشان
دادن واکنش های شیمیایی سریع، کم بودن چگالی هیدروژن،
تبدیل انرژی شیمیایی به گرمایی و جنبشی و مثلث آتش
است.برای انجام آزمایش به یک بطری، یک عدد تخم مرغ،
فویل آلومینیومی، محلول سود سوزآور(هیدروکسید سدیم،)
گیره و پایه، ارلن، میخ یا سوزن، ظرف آب و فندک، نیاز داریم.
ابتدا به وسیله ی یک جسم نوک تیز مثل سوزن یا میخ، دو سر
تخم مرغ را سوراخ می کنیم. باید دقت کنیم که سوراخ ایجاد
شده در یک طرف، در حدود 4میلی متر و سوراخ طرف دیگر
آن، کمی بزرگتر باشد. سپس پوسته ی نازک زیر پوسته ی
آهکی را سوراخ می کنیم. اکنون با فوت کردن در یکی از
سوراخ ها به آرامی محتویات تخم مرغ را خالی می کنیم.
و قبل از ادامه ی کار، داخل آن را تمیز می کنیم. نکته ی حائز
اهمیت، این است که پوسته ی نازک دو طرف تخم مرغ باید از
پشت سوراخ ها برداشته شود. در غیر این صورت، در ورود
هوا و هیدروژن اخلال ایجاد می شود. اکنون مطابق آنچه در
آزمایش راکت هیدروژنی بیان شد، گاز هیدروژن تولید کرده و
به منظور ورود گاز هیدروژن به داخل تخم مرغ، آن را مطابق
شکل ( )3روی دهانه ی ارلن می گذاریم.
شکل :3قرار گرفتن تخم مرغ بر روی ارلن
هیدروژن با چگالی کمتر نسبت به هوا، آرام آرام از طریق
سوراخ پائینی وارد تخم مرغ شده و هوای درون تخم مرغ از
سوراخ بالایی خارج می شود.این کار باید تا زمانی ادامه یابد
که مطمئن شویم درون تخم مرغ، فقط هیدروژن وجود دارد.
در ادامه سوراخ بالایی را با انگشت می پوشانیم و تخم مرغ را
مطابق شکل ( )4روی گیره قرار می دهیم. همزمان با برداشتن
انگشت، فندک روشن را به سوراخ بالایی نزدیک می کنیم.
شعله ی کوچکی بر روی تخم مرغ قابل مشاهده است. در این
هنگام باید از تخم مرغ فاصله بگیریم و چند ثانیه صبر کنیم.
هیدروژن به آرامی از سوراخ بالایی خارج می شود و می سوزد
و هوا از سوراخ پایینی وارد تخم مرغ می شود. ابتدا فقط
هیدروژن داخل تخم مرغ است و انفجاری صورت نمی گیرد با
وارد شدن هوا به داخل تخم مرغ، مخلوط هوا و هیدروژن
مطابق شکل ( )4تخم مرغ را منفجر خواهد کرد.
شکل :4تخم مرغ در آستانه ی انفجار
.4موتور گرمایی
برای تبدیل انرژی شیمیایی به گرمایی و سپس به انرژی
مکانیکی، به ماشین گرمایی نیازمندیم. موتور اتومبیل، موتور
جت و موتور موشک از جمله ماشین های گرمایی هستند.
برای نشان دادن طرز کار موتور اتومبیل و نیز تبدیل انرژی
گرمایی به مکانیکی، این آزمایش، ساده و بسیار جالب به نظر
می رسد. برای انجام این آزمایش به یک قوطی خالی فیلم
عکاسی، الکل، یک فندک و دو تکه سیم روکش دار مفتولی
نیاز داریم. روکش سیم های مفتولی را برداشته و به دو پایانه ی
فندک جرقه زن ( اتمی ) می بندیم. درب قوطی فیلم را
برداشته و دو سوراخ کوچک به فاصله ی 7میلی متر در آن
ایجاد می کنیم. سپس روکش دیگر سیم های مفتولی را برداشته
و از سوراخ های درب قوطی می گذرانیم و در طرف دیگر آن
را خم می کنیم به طوری که وقتی جرقه می زنیم مطابق شکل
( )5این جرقه در پشت درب قوطی و در قسمت داخلی آن
ایجاد شود. اکنون چند قطره الکل را درون قوطی فیلم عکاسی
ریخته و درب آن را محکم می بندیم. قوطی را کمی تکان
می دهیم تا الکل کاملأ تبخیر شده و با هوای داخل قوطی
مخلوط گردد. قبل از شروع آزمایش، از این که قوطی به طرف
کسی نیست مطمئن می شویم و آنگاه فندک را می زنیم. با
انفجار مخلوط سوخت و هوا درون قوطی فیلم، گازهای داغ
تولید می شوند و حجم گاز درون قوطی به شدت افزایش
می یابد به طوری که مطابق شکل ( )6قوطی را با سرعت
پرتاب می کند.
شکل :5درب قوطی ی فیلم عکاسی بر روی فندک
شکل :6پرتاب قوطی
.5موشک آبی
پرتاب موشک آبی، یک آزمایش بسیار جالب توجه برای نشان
دادن قانون سوم نیوتن و بحث اختلاف فشار است.برای انجام
آزمایش به یک بطری نوشابه خانواده خالی که درون درب آن
والو تیوپ لاستیک ماشین نصب شده است نیاز داریم. به این
ترتیب که ابتدا درون بطری را تا نیمه یا حتی بیشتر آب
می ریزیم و درب آن را می بندیم وتوسط تلمبه یا پمپ باد
قوی، تا جایی که امکان دارد آن را باد می کنیم. با واژگون
کردن بطری، آب به قسمت پایین آمده و هوای متراکم به
قسمت بالای بطری جابجا می شود. در این حالت، بطری را به
طرف آسمان گرفته و درب بطری را باز می کنیم آب با سرعت
زیادی از درب بطری خارج شده وبطری از دست ما خارج
می شود. همان طور که در شکل( )7مشاهده می شود اختلاف
فشار بین هوای درون بطری و هوای بیرون باعث اعمال
نیرویی از طرف آب به هوا شده و بنابرقانون سوم نیوتن،
عکس العمل آن، موشک آبی فوق را تا ارتفاع زیادی به طرف
بالا پرتاب می کند.
شکل :7پرتاب موشک آبی
.6گنبد آبی
برای بررسی خاصیت کشش سطحی آب، آزمایش جالبی را به
صورت زیر انجام می دهیم که باعث تعجب دانش آموزان
می شود. یک لیوان را روی سطح کاملأ افقی قرارداده و از آب
لبریز می کنیم. و شروع به ریختن سوزن ته گرد، درون آن
می کنیم. با کمال تعجب مشاهده می شود که لیوان پر از سوزن
شده، ولی آبی از لیوان بیرون نمی ریزد و سطح آب به دلیل
خاصیت کشش سطحی به صورت گنبدی در می آید در واقع
حجم کل سوزن های ریخته شده درون آب با حجم آب بالا
آمده در این آزمایش برابر خواهد بود. توجه کنید که مطابق
شکل( )8ابتدا می توان حتی دورن آب، سکه یا اشیاء دیگری
ریخت ولی به مرور که سطح آب بالا می آید باید سوزن ته
گرد و آن هم از قسمت نوک تیز درون آب انداخت.
شکل: سطح محدب آب لیوان
.7لیوان آب واژگون
اندازه ی تحمل یک ورقه ی کاغذ برای اینکه بتواند آب را
درون یک لیوان واژگون نگه دارد بستگی به ارتفاع آب و
انعطاف پذیری ورق دارد که توسط قانون بویل توضیح داده
می شود. اغلب این آزمایش را با گذاشتن یک ورق زیر یک
لیوان پر از آب وارونه انجام می دهند اما این کار وقتی بهتر
است که عرض دهانه ی لیوان بزرگ و گنجایش آن زیاد باشد.
در این صورت وزن بیشتری به ورق تحمیل می شود. زمانی که
ورق زیر لیوان وارونه قرار می گیرد، آب داخل لیوان می ماند
خواه لیوان پر یا نیمه پر باشد. اما اگراز یک ورق آلومینیومی
استفاده شود آب تا زمانی دورن لیوان می ماند که لیوان کاملأ
پر باشد و دلیل آن اختلاف در انعطاف پذیری میان ورقه ی
کاغذ و ورق آلومینیومی است و تغییر در گنجایش هوای درون
لیوان، مطابق قانون بویل- ماریوت همراه با تغییر متقابل در
فشار خواهدبود. و افزایش حجم هوای درون لیوان، باعث
کاهش فشارشده و باعث اختلاف فشار بین هوای بیرون و
هوای داخل لیوان، و خارج نشدن آب از درون لیوان وارونه
می شود. اما منشأ اولیه ی افزایش حجم هوا هنگام به کار بردن
ورقه آلومینیوم انعطاف قابل چشم پوشی ورق نیست. کشش
سطحی بین ملکول های آب مانع بیرون ریختن آن از سوراخ
های کوچک ناشی از ناصافی ورق می گردد. و بر این اساس
نقش کشش سطحی در نگه داشتن آب را می توان با قرار دادن
یک توری سیمی یا پارچه ای نازک در دهانه ی لیوان بررسی
کرد. به این ترتیب با قراردادن کاغذ در دهانه ی لیوان پر از آب
و بر روی توری و واژگون کردن آن، اگر کاغذ را از دهانه ی
لیوان بکشیم مطابق شکل( )9هیچ آبی از درون لیوان بیرون
نمی ریزد.
شکل :9لیوان آب واژگون
.8اعمال نیرو و عدم سقوط وزنه
دو وزنه را توسط نخ هایی آویزان می کنیم و به زیر هر وزنه،
نخ دیگری می بندیم وقتی نخ زیر هریک از وزنه ها را به
طرف پایین بکشیم، طناب بالایی اول پاره می شود به شرط
آنکه آن را آهسته کشیم و طناب پایینی اول پاره می شود اگر
آن را به سرعت بکشیم. برطبق قانون دوم نیوتن، نیروی کشش
در نخ بالایی 𝑇1و در نخ پایینی، 𝑇2توسط رابطه ی
T1 T2 mg maبه هم مربوط می شوند.پس تا
زمانی که جرم مزبور به طور لحظه ای به طرف پایین با شتاب
aی کمتر از gشتاب می گیرد، در آن صورت 𝑇1از 𝑇2بیشتر
می شود و نخ بالایی پاره می شود اما اگر aاز gبیشتر باشد در
آن صورت 𝑇2از 𝑇1بیشتر می شود و نخ پایینی پاره می گردد.
شکل :11کشیدن نخ از وزنه ی آویزان
.9تاثیر خلا بر سلول های زنده
یکی از مواردی که در سفر انسان و موجودات زنده به فضا
بایستی به طور ویژه به آن پرداخته شود، توجه به این امر است