Як розплющити банку за допомогою тиску повітря

Ви можете розплющити алюмінієву банку з-під лимонаду, скориставшись тільки лише джерелом тепла і ємністю з водою. Це відмінна візуальна демонстрація певних наукових принципів, які включають тиск повітря і поняття вакууму. Експеримент може проводитися вчителями чи старшокласниками під їх керівництвом в якості досвіду.

Частина 1 з 3: Як розплющити алюмінієву банку з-під лимонаду

1
Налийте трохи води в порожню алюмінієву банку. Сполосніть її і залиште на дні приблизно 15-30 мілілітрів (1-2 чайних ложок) води. Якщо у вас немає вимірювальної ложки, просто покрийте водою дно алюмінієвої банки.
2
Приготуйте миску з крижаною водою. Наповніть ємність холодною водою і льодом або ж водою, яка зберігалася в холодильнику. Бажано взяти миску досить глибоку для того, щоб в неї помістилася вся банку - тоді буде легше проводити експеримент - але це необов`язково. Через прозору миску буде зручніше спостерігати сплющивание банки.
3
Знайдіть захисні зварювальні окуляри і щипці. У цьому досвіді ви будете нагрівати алюмінієву банку до тих пір, поки вода в ній не закипить, а потім швидко переносити її. Всі спостерігають і сам експериментатор повинні надіти захисні окуляри на випадок, якщо гаряча вода приснет їм в очі. Вам також знадобляться щипці, щоб взяти банку і не обпектися, а потім занурити її догори дном в миску з крижаною водою. Попрактикуйтесь із захопленням банки щипцями, поки не навчитеся надійно утримувати її.
- Продовжуйте тільки під наглядом дорослих.
4
Розігрійте банку на плиті. Поставте алюмінієву банку дном на пальник, потім зробіть маленький вогонь або ступінь нагрівання. Дайте воді закипіти, щоб вона вирувала й випускала пар близько 30 секунд.
- Якщо відчуєте дивний або металевий запах, відразу ж приступайте до наступного кроку. Вода могла википіти або жар міг бути занадто великим, так що фарба або алюміній почали плавитися.
- Якщо алюмінієва банка не стає як слід на конфорку, скористайтеся електричної плитою або тримайте банку над вогнем жароміцними щипцями.
5
За допомогою щипців перекиньте гарячу банку догори дном в холодну воду. Тримайте щипці так, щоб ваша долоня дивилася вгору. Візьміть щипцями банку, швидко переверніть її над мискою з холодною водою і занурте її туди.
- Будьте готові почути гучні звуки, тому що банку може розплющуватися досить швидко!

Частина 2 з 3: Як це працює

1
Дізнайтеся, що таке тиск повітря. Повітря тисне на нас і на будь-який інший об`єкт з силою, рівною 101 кПа (кілопаскалях) (1 кг на 1 см2), коли ви знаходитесь на рівні моря. І взагалі-то цього достатньо, щоб банку розплющилася сама по собі, або навіть людина! Але цього не відбувається, тому що повітря всередині банки (або матерія всередині нашого тіла) тиснуть назовні з такою ж силою, і тиск повітря як би обнуляється через те, що він тисне на нас рівномірно з усіх боків.

2
З`ясуйте, що відбувається, коли ви нагріваєте банку з водою. Коли вода в банку закипає, можна помітити, як вона починає «збігати» у вигляді маленьких крапельок в повітря - нам це відомо як пар. Якась частина повітря виштовхується з банки в цей час, щоб звільнити місце для розширюється хмари з крапельок води.
- Незважаючи на те, що банку втрачає частину повітря, вона все ж не розплющується, тому що місце витісненого повітря тепер займає пар, який теж тисне зсередини.
- В цілому, чим більше ви нагріваєте рідина або газ, тим більше вона розширюється. Якщо вона знаходиться в закритій ємності і не може розширюватися, тоді збільшується тиск.
3
Зрозумійте, як розплющується банку. Коли банку виявляється догори дном у холодній воді, ситуація змінюється в двох напрямках. По-перше, банку позбавляється доступу повітря, так як отвір заблоковано водою. По-друге, пар всередині банки швидко охолоджується. Водяна пара стискається до свого початкового об`єму - крихітного кількості води на дні банки. Раптово основна частина простору всередині банки виявляється взагалі без нічого - там немає навіть повітря! Те повітря, яке тиснув на банку зовні весь цей час, більше не має ніякого відповідного опору зсередини, так що він розплющує банку всередину.
- Простір, в якому нічого немає, називається вакуум.

4
Уважно спостерігайте за банкою під час експерименту і відкрийте ще один ефект. Поява вакууму, або порожнього простору, всередині банки має ще один наслідок, крім її розплющування. Уважно дивіться на банку, коли ви занурюєте її в воду і коли дістаєте. Ви зможете помітити, як трохи води всмоктується в банку, а потім знову виходить. Це відбувається тому, що вода тисне на отвір банки, але цього тиску досить лише для того, щоб заповнити лише маленький простір всередині алюмінієвої банки, перш ніж вона розплющило.

Частина 3 з 3: Як допомогти учням вивчити матеріал завдяки експерименту

1
Запитайте учнів, чому розплющилася банку. Подивіться, чи є у них якісь думки з цього приводу. Не підтверджує і не заперечуйте жоден з відповідей на даній стадії. Визнайте кожну ідею і попросіть учнів пояснити хід їхніх думок.
2
Допоможіть учням з варіантами пояснень експерименту. Попросіть їх придумати нові експерименти, щоб перевірити їх ідеї. Задайте їм до проведення нових експериментів питання про те, що, на їх погляд, відбудеться у процесі. Якщо їм важко придумати новий досвід, прийдіть на допомогу. Ось декілька варіантів, які можуть виявитися корисними:
- Якщо учень думає, що саме вода (а не пар) всередині банки відповідальна за її розплющення, дайте їм наповнити всю банку водою і побачити, деформується вона.
- Спробуйте провести цей же експеримент з більш жорсткою ємністю. Більш міцний матеріал буде довше розплющуватися, що дасть крижаній воді час для того, щоб заповнити ємність.
- Спробуйте дати банку трохи охолонути перед тим, як занурювати її в крижану воду. Результатом буде більша кількість повітря в банку і менш сильна деформація.
3
Поясніть теорію, на якій заснований експеримент. Використовуйте інформацію з розділу «Як це працює», щоб учні розуміли, чому банку була розплющена. Запитайте їх, чи збігаються пояснення з їх ідеями, заради яких вони придумали власні експерименти.

Поради

Опускайте банку в воду за допомогою щипців, а не кидайте.

Попередження

Банку та вода всередині неї будуть гарячими. Нехай учасники досліду стоять позаду вас, коли банку буде занурюватися у воду, щоб вони не постраждали від раптової струмені гарячої води.
Діти старше 12 років можуть провести досвід самостійно, але тільки під наглядом дорослих! Ніколи не дозволяйте проводити експеримент більше, ніж одній людині за раз, якщо тільки керівник не буде також більше одного.

Що вам знадобиться

Порожні алюмінієві банки з-під лимонаду
Щипці достатнього розміру, щоб було зручно утримувати гарячу банку
Газова або електрична плита або пальник Бунзена
Миска з холодною водою