Медицинский шприц в опытах

10-й класс. Базовый курс

Как быть учителю, если школа не может закупить оборудование? Выход один – обратиться за помощью к учащимся и родителям. Например, на нашу просьбу принести медицинский шприц для постановки опытов по физике откликнулись многие дети. Шприц хорош тем, что имеет прозрачный корпус с градуированной шкалой, герметичный поршень и иголки с каналами различного сечения. Шприцы емкостью 10–20 мл слишком малы, чтобы шкала непосредственно была видна всему классу, но ее можно спроецировать на экран через графопроектор. Отдельные же опыты можно предложить выполнить в качестве домашних экспериментальных заданий с обязательным отчетом на последующем уроке. Такие самостоятельные опыты с последующим обсуждением сильно стимулируют детей, особенно мальчиков. Со шприцем емкостью 100 мл удобно ставить демонстрации по газовым законам. Приведем описание некоторых опытов.

Сжимаемость воздуха и несжимаемость воды. Пальцем левой руки закрывают отверстие шприца емкостью 10–20 мл, а правой рукой давят на шток поршня. Показывают учащимся, что при небольшом усилии объем воздуха можно сократить в 3–4 раза. Отпускают шток поршня и наблюдают расширение воздуха почти до прежнего объема. (Перемещение поршня хорошо видно всему классу.)

Наполняют шприц водой и повторяют опыт. Учащиеся наблюдают, что все попытки сжать воду не приводят к успеху.

Диффузия в жидкостях. Берут стеклянный стаканчик и наполняют его наполовину чистой водой. Набирают в шприц (без иголки) 10 мл раствора медного купороса (или марганцовки) и погружают его в стаканчик. Осторожно и плавно выжимают из шприца раствор – и в стаканчике получают четкую границу раздела между чистой водой и раствором. К концу урока обнаруживают небольшую размытость границы раздела. Зависимость скорости диффузии в жидкостях от температуры демонстрируют так же, но с горячей водой. Для обнаружения указанной зависимости стаканчики с холодной и горячей водой ставят рядом.

Опыты, связанные с длительным промежутком времени наблюдений, лучше рекомендовать в качестве домашних экспериментальных заданий.

Атмосферное давление. Соединяют короткой резиновой трубочкой два шприца со вдвинутыми не до конца поршнями. Один шприц закрепляют внизу, в лапке штатива, другой держат в руках, повыше. К штоку нижнего шприца прикрепляют проволочку с петелькой, к петельке подвешивают гирю. Под тяжестью гири поршень шприца движется вниз. Поднимая вверх поршень верхнего шприца, увеличивают объем воздуха (т.е. понижают давление), при этом гиря движется вверх вследствие действия атмосферного давления на поршень нижнего шприца.

Изменение внутренней энергии воздуха при совершении работы. С помощью короткой резиновой трубочки соединяют два шприца. В один из них вместо поршня вставляют резиновую пробку с ртутным или электрическим термометром. При сжатии воздуха с помощью второго шприца наблюдают повышение температуры в цилиндре первого шприца. При разрежении воздуха наблюдают понижение температуры.

Кипение воды при повышенном и пониженном давлении. Колбу емкостью 250 мл заполняют водой примерно на 3/4 объема и затыкают резиновой пробкой со сквозным отверстием. Колбу закрепляют в лапке штатива так, чтобы под нее можно было подвести пламя горелки. После того как вода закипит, уменьшают нагревание (колбу поднимают), чтобы кипение было неинтенсивным. Вставляют в отверстие пробки шприц, например, емкостью 100 мл, и увеличивают давление в колбе, вдвигая поршень. Кипение воды при этом прекращается. При уменьшении давления снова наблюдают кипение. Убирают горелку и, когда вода перестанет кипеть, вставляют в отверстие пробки шприц. Выдвигая поршень, уменьшают давление в колбе – вода снова закипает.

Из таблицы известно, что температура кипения эфира при нормальном атмосферном давлении равна 35 °С. Однако можно демонстрировать кипение эфира при комнатной температуре. Для этого в шприц емкостью 10–20 мл набирают до 2 мл эфира, затыкают отверстие и поднимают поршень. Давление под поршнем понижается, и эфир закипает.

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре. Для демонстрации этого опыта нужен шприц емкостью 10 мл. Для обеспечения герметизации канавку поршня шприца перед опытом заполняют вазелином. Шприц соединяют с демонстрационным манометром и закрывают свободный кран манометра. Стрелку манометра устанавливают на деление 1 атм. Сначала, вдвигая поршень, уменьшают объем воздуха, а затем его увеличивают. Каждый раз объем воздуха под поршнем определяют по шкале шприца, а соответствующее давление – по шкале манометра.

Записывают показания приборов на доске, производят расчет и убеждаются в том, что для данной массы газа при постоянной температуре произведение объема газа на соответствующее давление – величина постоянная.

Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Берут шприц объемом 10–20 мл. Вместо штока подбирают винт с контргайкой, с помощью которого поршень шприца закрепляют неподвижно. Трубкой соединяют манометр со шприцем. Помещают шприц в стеклянную банку с водой, в которую заранее кладут кусочки льда или снег, чтобы вода вначале имела температуру 0 °С. Когда воздух в цилиндре шприца охладится до 0 °С, закрывают свободный кран манометра и записывают начальную температуру 0 °С и давление 1 кг/см2. Далее нагревают сосуд с водой и с помощью демонстрационного термометра отмечают температуру через каждые 20 °С. Показания термометра и соответствующие ему показания манометра записывают на доске, по полученным данным строят график.

Убеждаются в том, что при постоянном объеме давление воздуха изменяется прямо пропорционально температуре. Затем по данным одного из измерений вычисляют термический коэффициент давления воздуха. Его значение оказывается близким к 0,0037, что приблизительно составляет часть первоначального давления воздуха, взятого при 0 °С.

Зависимость объема данной массы газа от температуры при неизменном давлении. Экспериментальная установка аналогична предыдущей, но винт убирают, а поршень шприца выводят на деление «5» (объем воздуха 50 см³). При нагревании цилиндра объем воздуха увеличивается, но показания манометра практически остаются постоянными, т.к. поршень легко перемещается. Во время опыта записывают показания демонстрационного термометра и соответствующие им объемы воздуха под поршнем шприца. По результатам строят график, подтверждающий, что при постоянном давлении объем воздуха изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре.