Gazy - wstęp

Zagadnienia

• Równanie Clapeyrona
• Ciśnienie
• Objętość
• Temperatura

Opis

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.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz zachowanie cząsteczek gazu w pojemniku.
• Określ związek między ciśnieniem, objętością, temperaturą i liczbą cząsteczek gazu.
• Opisz związek między zderzeniami cząsteczek ze ściankami a ciśnieniem.
• Przewiduj, jak zmiana temperatury wpłynie na prędkość cząsteczek.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Równanie stanu gazu doskonałego (ZPE)
• Do czego służy równanie Clapeyrona? (ZPE)
• Jak zinterpretować wykres przemian gazu doskonałego? (ZPE)
• Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie (ZPE)
• Gazy - wstęp (OpenStax)
• Czym jest równanie stanu gazu doskonałego? (Khan Academy)
• Model cząsteczkowy gazu doskonałego (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Wpompuj cząsteczki gazu do pojemnika i odkryj, co się stanie, gdy zmienisz objętość, dodasz lub usuniesz ciepło i tym podobne.

Ekran Prawa (link bezpośredni)

Zbadaj, jak właściwości gazu zmieniają się w zależności od siebie i eksperymentuj, utrzymując jeden parametr jako stały.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Gazy - wstęp chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1), z włączonym trybem projektora (colorProfile=projector), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gases-intro_all.html?screens=1&colorProfile=projector

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gases-intro_all.html?locale=pl&screens=1&colorProfile=projector

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
pressureNoise - dodaje szum wyświetlany na manometrze (drgania wskazówki). Domyślnie manometr wyświetla dokładne ciśnienie w modelu, wynikające z prawa gazu doskonałego.	pressureNoise=true
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji. Pole wyboru dostępne także w menu PhET w obszarze Opcje > Tryb projektora.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb projektora i tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje… w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej. Możemy też odznaczyć (domyślnie zaznaczone) Szumy ciśnienia, aby wyciszyć szum (drgania wskazówki) wyświetlany na manometrze.

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.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Zderzenia cząsteczka-cząsteczka są modelowane jako zderzenia twardej kuli. Szczegółowy opis modelu można znaleźć tutaj (en).
• Głębokość pojemnika (4 nm) i wysokość (8,75 nm) są stałe, więc objętość zmienia się liniowo wraz z szerokością.
• Lekkie cząsteczki mają masę 4 u, a ciężkie 28 u. Podczas gdy masy te odpowiadają odpowiednio He i N₂, promienie różnią się, aby zoptymalizować wizualną różnicę wielkości.
• Ciśnienie w modelu wynika z prawa gazu doskonałego \(p=\frac{NkT}{V}\). Ciśnienie będzie niezerowe, gdy tylko N > 0 i pozostanie stałe do momentu zmiany N, T lub V. Ciśnienie wyświetlane na manometrze może różnić się od wartości modelowej w pewnych okolicznościach.
• Manometr będzie wyświetlał zerowe ciśnienie aż do pierwszego zderzenia cząsteczki ze ścianą.
• Jeśli opcja Szum ciśnienia jest włączona, odczyt ciśnienia będzie wahał się co 0,75 ps o maksymalnie 50 kPa. Poziom szumu ciśnienia (szum odnosi się tutaj do niepewności/zmienności odczytu ciśnienia) jest odwrotnie proporcjonalny do ciśnienia i dla T ≤ 50K zmniejsza się liniowo, aż do 0 kPa, gdy T ≤ 5K.
• Przesuwanie ściany pojemnika na ekranie Doskonały nie spowoduje wykonania żadnej pracy przez układ. Gdy ściana pojemnika zostanie chwycona, symulacja zostanie wstrzymana. Po zwolnieniu, cząsteczki natychmiast rozmieszczą się w pojemniku, a ich szybkości pozostaną niezmienione.
• Na ekranie Badaj przesuwanie ściany pojemnika wpływa na prędkość zderzających się z nią cząsteczek. Ściana ma ograniczenie prędkości do 800 pm/ps podczas zmniejszania objętości, aby uniknąć ciągłego wysadzania pokrywy.
• Dodanie cząsteczek do pojemnika nie zmienia temperatury układu, ponieważ nowo dodawanym cząsteczkom nadawana jest odpowiednia prędkość, dopasowana do temperatury gazu w pojemniku. Na ekranie Energia użyj elementów sterujących Temperatura wtrysku, aby zamiast tego ustawić temperaturę cząsteczek przed dodaniem ich do pojemnika.
• Gdy temperatura układu spadnie poniżej 0,5 K, na wyświetlaczu pojawi się 0 K. Ruch cząsteczek zostanie ostatecznie zatrzymany, jeśli pojemnik będzie dalej chłodzony, choć może to zająć trochę czasu.

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

• Opisz związek między zderzeniami cząsteczek ze ściankami a ciśnieniem.
• Przewiduj, jak zmiana temperatury wpłynie na szybkość cząsteczek gazu.
• Zaprojektuj doświadczenie w celu ustalenia związku między dwiema właściwościami gazu, takimi jak ciśnienie p i temperatura T.
• Określ zależności między ciśnieniem, objętością, temperaturą i liczbą cząsteczek gazu.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Gazy - wstęp tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).