תופעות המוכיחות את המבנה החלקיקי של החומר - חלק 2

בחלק הראשון של המאמר סקרתי שלוש תופעות המסייעות להוכיח את נכונותו של המודל החלקיקי של החומר על פני המודל הרציף של החומר.
התופעות הן: 1. ניתן לדחוס גז, 2. המסת סוכר במים לא משנה את נפחם 3. פעפוע.
בחלק השני נמשיך בסקירת התופעות:

תופעה רביעית - לחץ

מתחילים בהסבר מהו לחץ: הכוח המופעל על יחידת שטח. מאחר ובכיתה ז' עדיין לא מדברים על כוחות קל להמחיש לתלמידים את הכוונה בעזרת איור:

בשני המקרים מופעל אותו לחץ (חץ עבה), אך הוא מופעל על שטח שונה. באיור הימיני הלחץ מופעל על שטח קטן (חץ דק בודד) ואילו באיור השמאלי הלחץ מופעל על שטח גדול (הרבה חצים דקים).
כדי לבסס את ההבחנה ניתן להציג שימושים לתופעה זו:
א. מיטת פקיר

לפקיר לא כואב לשכב על המסמרים מאחר ומשקל גופו מתפזר על פני הרבה מסמרים - שטח גדול.

ב. סנדלי מוקשים

יש צורך בלחץ שמפעיל משקל ממוצע של אדם בוגר בכדי להפעיל מוקש נגד אדם. סנדלי המוקשים מפזרים את הכוח שמפעיל המשקל על פני שטח גדול ולכן הלחץ בכל נקודה קטן יותר והסיכוי להפעלת המוקש קטן יותר.

התלמידים מקבלים דף עם התמונות כדי להדביק ליד ההסברים במחברת. באופן זה ההסבר נהיה חזותי יותר ובזמן חזרה על החומר קל יותר לתלמידים להזכר בדוגמאות.

כיצד ניתן לשנות לחץ של גז בכלי?

לחץ גז נמדד לפי מספר ההתנגשויות של החלקיקים בדפנות הכלי. אילו דרכים יש לשנות את מספר ההתנגשויות? התלמידים מקבלים את האיורים ועליהם להשלים את ציור החלקיקים עבור כל אחת מהאפשרויות, ולנמק את שינוי הלחץ.

א. לשנות את מספר החלקיקים בכלי:

ב. לשנות את גודל הכלי:

ג. שינוי הטמפרטורה של הגז

לחץ גז הוא אחד הנושאים שבהם קיים מגוון גדול מאוד של ניסויים שניתן לערוך בקלות בכיתה וההתלבטות תמיד היא על מה לוותר מפאת חוסר זמן.

הניסוי שאני אוהבת לעשות, ושגם לוקח שיעור שלם, הוא הוצאה והכנסה של ביצה קשה לבקבוק קוני.

תנאים מקדימים: כאשר מבשלים את הביצים כדאי לוודא כי בועת האוויר נוצרת בצד הצר או הרחב של האליפסה הביצתית ולא לאורך הביצה. היווצרות השקע שיוצרת בועת האוויר בצידי הביצה עשויה לפגוע בניסוי בכך שלא יווצר אוטם מלא סביב הביצה אלא יתאפשר מעבר אוויר לא רצוי. כאשר קולפים את הביצה יש לוודא שהיא נשארת חלקה ולא "נפצעת" אחרת היא עשויה להתפרק במהלך הניסוי, או לאפשר מעבר אוויר לא רצוי. כדאי כמובן להכין לפחות ביצה אחת עודפת. בעת התחלת הניסוי הביצה צריכה להיות לחה אך לא רטובה. הבקבוק הקוני צריך להיות בעל פתח מעט קטן יותר מהיקף הביצה.

שלב 1 - הכנסת הביצה: מניחים את הבקבוק הקוני מעל גזיה דולקת ומחממים את האוויר שבתוכו. בתחילה יופיעו אדי מים על צידי הבקבוק ולאחר מכן ייעלמו. סוגרים את האש ומניחים את הביצה. עוברים על ההסבר כיצד החימום השפיע על הלחץ בבקבוק - הפעם מאחר והבקבוק היה פתוח החימום גרם לעלית הלחץ בכלי וליציאת החלקיקים החוצה. הנחת הביצה כפקק מונעת מחלקיקים להכנס חזרה אל הבקבוק כעת כשהוא מתקרר. התקררות האוויר בבקבוק גורמת לירידת לחץ הגז בתוך הבקבוק לעומת הלחץ החיצוני שמפעיל האוויר שבחדר. לאחר מספר דקות הביצה מתחילה להחליק פנימה "בלי לגעת". 

שלב 2 - הוצאת הביצה: הופכים את הבקבוק ומניעים אותו עד שהביצה מתיישבת על הפתח בצורה אורכית. מחזיקים בעזרת מגבת או צבת מתאימה בצוואר הבקבוק ומחממים את תחתיתו. החימום גורם לעליית הלחץ בכלי שדוחף את הביצה החוצה.

שלב 3 - הכנסת הביצה: זה טריק חביב ביותר המראה כי לחץ הגז יכול לגבור על כוח המשיכה: לוקחים סיכת תפירה ואת הקצה החד שלה תוקעים בתחתיתו של נר יומולדת או נר חנוכה (העיקר שיהיה קטן וקל). את הצד השני של הסיכה תוקעים בקצה הצר של הביצה. מדליקים את הנר ומניחים את הבקבוק הקוני מעליו כך שהביצה מונחת על פיית הבקבוק ואוטמת מעבר אוויר. תוך שניות הנר מסיים לכלות את החמצן בבקבוק, הלחץ בתוך הבקבוק יורד (הקטנת מספר החלקיקים) והביצה נשאבת פנימיה - בתנועה כלפי מעלה מאחר והחזקנו את הבקבוק מעל הנר.

שלב 4 - הוצאת הביצה: מטפטפים מעט אצטון לתוך הכלי והופכים את הבקבוק כך שהביצה תתיישב על הפתח. האצטון מתאדה ומגדיל את מספר חלקיקי הגז בתוך הכלי. הביצה מחליקה החוצה במהירות.

לכל אורך הניסוי התלמידים מקבלים איורים של הבקבוק והביצה המתאימים ומוסיפים על האיור את כיוון תנועת הביצה ואיור של החלקיקים עם רישום עליה/ירידה בלחץ הגז.

קיימים עוד ניסויים רבים של לחץ גז. הקלאסיים המופיעים בספרי הלימוד כמו העפת פקק של בקבוק בעזרת הגדלת לחץ הגז (חימום או תגובה כימית בין חומץ וסודה לשתיה), כיווץ פחית שחוממה והוכנה למים קרים, ניפות בלון בתוך בקבוק שבקצהו יש חור והשוואה למצב בו סוגרים את החור בקצה הבקבוק ועוד.

כיצד מודדים את לחץ האוויר?
גילוי לחץ האוויר הוביל להוכחות הראשונות לקיומו של הריק. קיים פרק בשם "סוד הריק" של הסדרה "סופי לעת עתה" הזמין ביוטיוב המדגים חלק זה בצורה יפה.
תלמידים מקבלים דף שאלות המלווה את הצפיה בסרטון. על דף השאלות אני מוסיפה QR Code:

כך כאשר ירצו יוכלו לחזור אל הסרטון בקלות בעזרת סריקת הקוד בטלפון הנייד. במידה והצפייה ניתנת כשיעורי בית, הקוד מוודא שיגיעו אל הסרטון הרצוי.

מדובר בחידה שהתחילה אצל גלילאו ונפתרה על ידי תלמידו טוריצ'לי. טוריצ'לי היה הראשון לבנות מד לחץ אוויר - ברומטר בעזרת כספית.

זה המקום להסביר את שינוי לחץ האוויר בין מקומות גבוהים ונמוכים ו"למה יש לחץ באוזניים". לכיתות חזקות ניתן להוסיף הסבר על שינוי טמפרטורת הרתיחה בהתאם לגובה - וללחץ האוויר.

המשך תופעות המוכיחות את המבנה החלקיקי של החומר בחלק השלישי.
ניתן להוריד את האיורים כדפי העבודה באתר TPT לאחר הרשמה (חינמית) קצרה