Forsøk og praktisk arbeid

Passer for

  • fysikk 1
  • fysikk 2
  • teknologi og forskningslære 2

Håndvarmer – åpent forsøk

Dette er et åpent forsøk, og har ikke noen oppgitt problemstilling. Gjennom forsøket får du øvelse i å stille en problemstilling, lage en hypotese og bestemme hvilke  variabler som skal endres og hvilke som skal undersøkes.

Håndvarmerne som skal undersøkes er først flytende, men størkner når de utsettes for et mekanisk støt. Når en håndvarmer størkner frigjør den varmeenergi. En håndvarmer som har størknet kan kokes og avkjøles.

Begynn forsøket med å undersøke en håndvarmer med flytende innhold.

  • Hva skjer når metallskiven kneppes?

Problemstilling

Nå skal du foreslå en liste med forskjellige forhold som kan undersøkes med en håndvarmer. Prøv å komme på så mange forskjellige forhold som mulig.

Bestem deg for én problemstilling du ønsker å undersøke nærmere.
Eksempel: Hvordan endrer temperaturen seg som funksjon av tid når håndvarmeren aktiveres?

Hypotese

Når du har valgt en problemstilling, er det ofte fordi du har en antakelse om hva resultatet vil bli, og du ønsker å finne ut om du har rett eller ikke. Nå skal du lage en hypotese som du skal begrunne ut fra din egen kunnskap. Hvis problemstillingen er som i eksempelet over, vil det være naturlig å skissere hvordan du tror en graf som viser temperatur vs tid vil se ut.

Valg av utstyr, variabler og framgangsmåte

Nå skal du bestemme deg for hvordan du skal gå frem for å finne svar på problemstillingen din. Først må du finne hvilke variabler du vil endre, hvilke du skal måle, og hvilke du vil holde konstant.

  • Uavhengig variabel er den du skal endre på. I vårt eksempel er det tiden t.
  • Avhengig variabel er den du skal måle. I vårt eksempel er det temperaturen T.
  • Kontrollerte variabler er alle andre forhold som du tror kan påvirke måleserien din, og som det derfor er viktig å holde konstant. I vårt eksempel er dette antall håndvarmere, romtemperaturen og typen termometer.

Lag en utstyrsliste med alt du trenger til forsøket. Deretter beskriver du hele fremgangsmåten. I vårt eksempel ser fremgangsmåten slik ut:

Måling av temperatur mellom to håndvarmere Måling av temperatur mellom to håndvarmere

  • Legg et termometer (eller temperatursensoren til en datalogger) mellom to håndvarmere som har flytende innhold. Registrer temperaturen før du aktiverer håndvarmerne, og noter dette ned som temperaturen T ved tiden t = 0.
  • Aktiver håndvarmerne samtidig som du starter klokken (eller setter igang dataloggeren)
  • Les av samhørende verdier for temperatur og tid helt til håndvarmerne har romtemperatur. Fyll verdiene inn i en tabell.
  • Fremstill måleresultatene grafisk, og lag en matematisk modell for forsøket.

Innsamling av data

Det er viktig at du noterer ned alt du observerer, og at du noterer ned alt du måler. Før måleresultatene dine direkte inn i en tabell. Disse dataene er dine rådata.

Bearbeiding av data

Nå skal du bearbeide rådataene dine. Dersom du må gjøre noen mellomregninger, må du huske å oppgi hvilke formler du har brukt. Fremstill gjerne grafisk det du har målt.

Klarer du å lage en matematisk sammenheng ut fra dataene dine?

Konklusjon

  • Hva er svaret på problemstillingen din?
  • Kom hypotesen styrket eller svekket ut av forsøket ditt?
  • Feilkilder og usikkerhet må diskuteres.

Denne type forsøk kan ofte gi uventede svar, og mange ganger fungerer ikke den metoden du har valgt slik den var ment å fungere. Det er derfor viktig at du drøfter både resultater og metode. Ofte dukker nye spørsmål og problemstillinger opp under arbeidet, og du kan bruke erfaringene fra dette forsøket til å foreslå hvordan forsøket kan videreutvikles slik at det gir et (tydeligere) svar på problemstillingen du startet med, eller du kan foreslå en ny problemstilling basert på resultatene fra forsøket.

Variasjon

Resultatene fra et slikt forsøk kan legges frem muntlig for resten av klassen, eller du kan lage en veggavis som beskriver forsøket og resultatene.

Faglig forklaring

For at is (fast stoff) skal smelte (bli flytende væske), må vi tilføre energi. Vi kan smelte is i en gryte eller vi kan la sola gjøre jobben med å tilføre energi. I den motsatte prosessen, altså når vann fryser (går fra væske til is), frigjøres energi. Det vil si at temperaturen stiger noe i området rundt. Denne temperaturøkningen skyldes at det kreves mindre energi for å holde dette stoffet i fast form enn for å holde det flytende. I underkjølt regn er temperaturen under frysepunktet, og i det øyeblikk disse vanndråpene treffer noe, fryser de til is samtidig som tempreaturen stiger! Når væsken stivner blir det frigjort energi i form av varmeenergi.

 

 

I håndvarmere skjer det noe liknende. Håndvarmerne inneholder en overmettet saltløsning av natriumacetat (NaCH3COO). Overmetning oppstår når vi har løst opp mer av et stoff enn det vi normalt klarer i en gitt mengde vann. Vanligvis vil en overmettet løsning av natriumacetat være i fast form når temperaturen er under 58 oC, men denne løsningen kan være underkjølt akkurat som regn.

For at væsken i håndvarmeren skal gå over til fast form trenger den hjelp fra den lille metallbiten som ligger inni håndvarmeren. Når du klemmer ("klikker") på den, vil den overmettede væsken utsettes for et støt, og stoffet stivner.Stoffet ser ut som is, men det vi har er saltkrystaller av natriumacetat. Det kreves mer energi for å holde stoffet i flytende form enn i fast form, og denne energien blir frigjort i form av varmeenergi. Dette medfører at håndvarmernes temperatur øker.

Kommentarer/praktiske tips

Ikke alle elever er vant til å finne en problemstilling. Da kan det være lurt å ha en felles idedugnad i klassen først. Her er forslag til andre problemstillinger.

  • Er det sammenheng mellom hvor lenge en håndvarmer har stabil temperatur og temperaturen på håndvarmeren før den aktiveres (mens den fortsatt er flytende)? I så fall, hva er sammenhengen?
  • Hva er den matematiske modellen som best beskriver avkjølingskurven til en flytende, nykokt håndvarmer (som ikke aktiveres)?
  • Hva er den matematiske modellen som beskriver avkjølingskurven til en nykokt håndvarmer som ikke er fullstendig smeltet (det skal være noen få krystaller - "litt grums" igjen)?
  • Hvor mye energi blir frigitt når innholdet i håndvarmerne endre fase?
  • Hva er varmekapasiteten til en håndvarmer med flytende innhold?
  • Hva er varmekapasiteten til en håndvarmer med fast innhold?
  • Vil håndvarmeren kunne størkne uten å utsettes for et støt? Hva er i så fall størkningstemperaturen?

 

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i fysikk - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Fysikk 1
    • Den unge forskeren
      • planlegge og gjennomføre egne undersøkelser og foreta relevante forsøk innen de forskjellige hovedområdene i faget
      • samle inn og bearbeide data og presentere og vurdere resultater og konklusjoner av forsøk og undersøkelser, med og uten digitale verktøy
  • Fysikk 2
    • Den unge forskeren
      • gjennomføre relevante forsøk innen de forskjellige hovedområdene, med og uten digitale verktøy
      • anslå usikkerhet i innsamlede måledata og regne ut usikkerheten i det endelige resultatet
      • vurdere begrensninger i valgt metode og utstyr og foreslå forbedringer og videreutvikling av forsøk

Læreplan i teknologi og forskningslære - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Teknologi og forskningslære 2
    • Den unge forskeren
      • planlegge og gjennomføre naturvitenskapelige undersøkelser basert på egne ideer, og presentere arbeidet i en vitenskapelig form
      • drøfte resultater fra egne undersøkelser i forhold til relevant kunnskap på området, og vurdere hvordan kontroll av variabler og reproduserbarhet er ivaretatt

Materialer og utstyr

  • håndvarmere (kan kjøpes i Nille-butikker)

Tema

Nettressurser

(youtube.com)