Zagadnienia
Opis
Ta symulacja opiera się na symulacji Gazy - właściwości, ale ma bardziej zaawansowane funkcje, które pozwalają uczniom zobaczyć trzy sytuacje fizyczne: Balon na ogrzane powietrze (sztywny otwarty pojemnik z własnym źródłem ciepła), Sztywna kula (sztywny zamknięty pojemnik), Balon z helem (elastyczny zamknięty pojemnik).
PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0
Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna i okno aplikacji nie skaluje się.
W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Kelly Lancaster, Sam Reid, październik 2011)
W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.
Poziom
Szkoła podstawowa, szkoła średnia
Przykładowe cele nauczania
- Określ, co powoduje, że balon, sztywna sfera i balon z helem unoszą się lub opadają w pudełku.
- Przewiduj, jak zmiana p, V, T i liczby cząsteczek wpływa na ruch balonów.
Przykładowe materiały teoretyczne
Sterowanie symulacją
Eksperymentuj z balonem wypełnionym helem, balonem na ogrzane powietrze lub sztywną kulą wypełnioną różnymi gazami. Odkryj, co sprawia, że niektóre balony unoszą się, a inne opadają.
Ekran Balon z gorącym powietrzem
Na tym ekranie uczniowie mogą badać zachowanie balonu na ogrzane powietrze (sztywny otwarty pojemnik z własnym źródłem ciepła).
Ekran Sztywna pusta sfera
Na tym ekranie uczniowie mogą badać zachowanie sztywnej sfery (sztywny zamknięty pojemnik).
Ekran Balon z helem
Na tym ekranie uczniowie mogą badać zachowanie balonu z helem (elastyczny zamknięty pojemnik).
Ekran Właściwości gazu
Wpompuj cząsteczki gazu do pojemnika i zobacz co się dzieje, gdy zmienimy objętość, dostarczymy lub pobierzemy ciepło, zmienimy przyspieszenie grawitacyjne, itd. Zmierz temperaturę i ciśnienie, i zobacz w jaki sposób zależą od nich właściwości gazu. Zbadaj histogramy energii kinetycznej i szybkości dla lekkich i ciężkich cząsteczek.
Złożone sterowanie
- Ważne jest, aby dodawać cząsteczki do zamkniętych pojemników, w przeciwnym razie można zaobserwować nienaturalne zachowanie.
- Można wstrzymać symulację, a następnie użyć przycisku Krok do stopniowej analizy.
- Pamiętaj, aby otworzyć Narzędzia pomiarowe do analizy ilościowej. Większość z nich nie wymaga objaśnień.
- Narzędzie Warstwa można przeciągać i pozwala ono zobaczyć ciśnienie na wybranej wysokości. Jest to szczególnie przydatne w przypadku działania siły grawitacji.
- Należy zauważyć, że linijka jest wyskalowana w nanometrach
Informacje o molekułach - otwiera okno z informacją o liczbie molekuł i ich średniej szybkości
- Histogramy energii - otwiera okno z rozkładami szybkości i energii kinetycznej cząsteczek gazu
- W sekcji Zaawansowane ustawienia można odznaczyć opcję Zderzenia molekuł. Ta funkcja wraz z histogramami energii pozwala zademonstrować, w jaki sposób rozkład Maxwella-Boltzmanna szybkości cząsteczek formuje się po zezwoleniu na zderzenia.
Ułatwienia dostępu
Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem
Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.
Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.
Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):
A następnie wybierając odpowiednią opcję:
Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów
- Jeden z uczniów, który znał równanie stanu gazu doskonałego, zapytał: „Jeśli utrzymam stałą objętość i zacznę zwiększać ciśnienie, wpompowując cząsteczki, nie nastąpi odpowiedni wzrost temperatury. Temperatura utrzymuje się na poziomie 300 K?”. Dobrym pomysłem może być wtedy podzielenie się z uczniami niektórymi uwagami dotyczącymi modelowania.
Uproszczenia / założenia modelu
- Sztywna kula i balon z helem mają małą masę; balon na ogrzane powietrze ma większą.
- Elastyczność balonu jest zoptymalizowana na podstawie naszych analiz, aby była mała, ale odpowiednia. Symulacja nie jest jednak zaprojektowana do obliczania stałej sprężystości.
- Symulacja uwzględnia efekty pracy: jeśli wypuścisz cząsteczki, T i p zmniejszą się, jeśli V będzie stałe; T i p zmniejszą się, jeśli p będzie stałe. Podobnie, gdy zmienia się objętość, widoczne są efekty pracy pV.
- W symulacji napływające cząsteczki są pompowane w temperaturze odpowiadającej aktualnej temperaturze gazu (poprzez odpowiednie ustawienie ich prędkości). Tak więc po wpompowaniu nowych cząsteczek temperatura nie ulegnie zmianie.
- Jeśli chcemy ustawić temperaturę napływających cząsteczek, na przykład w celu sprawdzenia, jak dodanie cząsteczek o temperaturze 50K do gazu o temperaturze 300K wpływa na ogólną temperaturę, należy skorzystać z pola w sekcji Zaawansowane ustawienia.
- Aby zademonstrować związek między n i p (jak zmienia się p, gdy zwiększam n i utrzymuję wszystko inne na stałym poziomie), ustaw stałą objętość i dodaj cząsteczki.
- Aby zademonstrować zależność między p a T, użyj grzałki i utrzymuj stałą objętość oraz stałe n (nie dodając cząsteczek).
- Ciężkie cząsteczki to modelowe reprezentacje N2, a lekkie to He. Rozmiar ciężkiej cząsteczki jest zgodny ze skalą, ale małej nie. Prędkości są realistyczne. Jeśli zaczniemy od około 200 cząsteczek i Nic dla parametrów stałych, otrzymamy 1 atm w temperaturze pokojowej.
Sugestie dotyczące wykorzystania
Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.
Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.
Przykładowe polecenia
- Wyjaśnij, dlaczego sztywna kula unosi się lub opada.
- Określ, co powoduje, że balon z helem unosi się lub opada w pojemniku.
- Opisz różnice pomiędzy balonem na ogrzane powietrze, sztywną kulą i balonem wypełnionym helem.
- Opisz kształt rozkładu szybkości. Który rodzaj cząsteczek jest średnio szybszy? Co się dzieje, gdy zderzenia cząsteczka-cząsteczka są wyłączone?
Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Balony i siła wyporu tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).
Symulacje zbliżone tematycznie
