Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Drawsku Pomorskim • ID grupy: 98/11_mf_g1 • Opiekun: Irena Prajsner • Kompetencja: matematyka z fizyką • Temat projektowy: • Od żaby do stacji kosmicznej • Semestr III • Rok szkolny 2010/2011

3. Plan prezentacji • Początki elektryczności, prawa i ich twórcy • Energia elektryczna wokół nas • Międzynarodowa Stacja Kosmiczna • Zrób to sam – część doświadczalna • Podsumowanie działań

4. Początki elektryczności, prawa i ich twórcy

5. Benjamin Franklin - żył w latach 1706 - 1790. Był uczonym, filozofem i politykiem amerykańskim. Był pierwszym amerykańskim fizykiem. Interesował się m.in. zjawiskiem elektryczności. Po raz pierwszy nazwał ładunki. Te, które gromadzą się na szkle zostały nazwane ładunkami dodatnimi, natomiast te gromadzące się na plastiku otrzymały nazwę ładunków ujemnych. Przez wiele lat zajmował się badaniem natury pioruna i jako pierwszy wykazał, że piorun to nic innego jak zjawisko elektryczne zachodzące w atmosferze. Skonstruował piorunochron, który w niedługim czasie wszedł do powszechnego użytku. Uchodzi także za konstruktora wielu innych wynalazków, m.in. fotela bujanego i okularów dwuogniskowych.

6. Luigi Galvani - żył w latach 1737 – 1798. Był włoskim fizykiem, lekarzem i fizjologiem. Od 1763 roku był profesorem na Uniwersytecie w Bolonii. Podczas badań anatomicznych żab, dokonał słynnego odkrycia zjawiska pobudzenia elektrycznego narządów, które przypisywał – błędnie – tzw. elektryczności zwierzęcej. Mimo, że sama hipoteza była błędna, przyspieszyła znacznie prace nad badaniem elektryczności, w szczególności zainspirowały Voltę do badań, które doprowadziły do skonstruowania pierwszej baterii elektrycznej. Jego przełomowa praca została opublikowana w 1791 r. pod tytułem „De viribuselictricitatisinmotumuscularicommentarius” – „Komentarz o efektach elektrycznych ruchu mięśni”. Zawierała ona wyniki doświadczeń Galvaniego nad "fluidem elektrycznym" wykonywanych od lat 70. XVIII w.

7. "Historia" żab dr Luigi Galvaniego Dr Luigi przygotowywał na obiad udka żabie duszone w tłuszczu. W tym celu oddzielił od tułowia udka i ściągnął z nich skórę. Odsłonił przy tym nerwy. Rzecz działa się w laboratorium. Asystenci wytwarzali w tym czasie długie iskry za pomocą maszyny elektrostatycznej. Nagle rozległ się krzyk: "Przecież żaba żyje!” Był to historyczny moment w rozwoju nauk przyrodniczych. Galvani szybko wpadł na pomysł, aby wykorzystać błyskawicę. Doktor rozciągnął nad swoim domem żelazny drut i zawiesił na nerwach udka żab za pomocą mosiężnych haczyków. Nogi żab połączył za pomocą drutu żelaznego z ziemią. Doświadczenie udało się. Przy każdej błyskawicy mięśnie żab doznały natychmiast silnych, wielokrotnych skurczów. W ten sposób Galvani odkrył pierwowzór ogniwa galwanicznego i zaobserwował po raz pierwszy przepływ prądu elektrycznego ze źródła prądu, jakim jest ogniwo.  

8. Alessandro Volta - żył w latach 1745– 1827 . Był włoskim fizykiem, wynalazcą, konstruktorem i fizjologiem. Już w szkole wykazywał ogromne zainteresowanie fizyką, a zwłaszcza elektrycznością. W roku 1774 skonstruował elektrofor, umożliwiający elektryzowanie ciał. W roku 1776 odkrył metan – główny składnik gazu błotnego. Eksperymentował z zapalaniem gazów w zamkniętej przestrzeni przy użyciu iskry elektrycznej. W roku 1781 skonstruował elektroskop, służący pomiarom elektryczności. W roku 1782 skonstruował kondensator. W roku 1800 skonstruował ogniwo Volty poprzez zanurzenie płytek srebra i cynku w słonej wodzie, a w 1801 zaprezentował przed samym Napoleonem stos Volty. W 1779 Alessandro Volta został profesorem fizyki na uniwersytecie w Pawii i zajmował to stanowisko przez 25 lat. Na jego cześć jednostkę napięcia elektrycznego nazwano wolt.

9. Stos Volty Oryginalne ogniwo Volty - to pionowa kolumna monet dwóch rodzajów, ułożonych na przemian i oddzielonych (co druga) papierem nawilżonym w słonej wodzie, aż do stu takich par. Na wystawie w Paryżu w 1800 roku Volta pokazał zarówno stos, jak i ciąg ogniw z dwoma płytkami zanurzonymi w kwasie

10. Charles Augustin Coulomb - żył w latach 1736 - 1806. Był francuskim fizykiem. Początkowo poświęcił się karierze wojskowej. Jednak od roku 1773 zajmował się tylko badaniami naukowymi. Początkowo pasjonował się mechaniką stosowaną. Prowadził badania nad wytrzymałością materiałów. Później zajął się badaniami nad zjawiskiem sił elektrycznych. W 1785 roku sformułował słynne prawo Coulomba, natomiast później doprowadził do rozwinięcia teorii elektryzowania powierzchniowego przewodników. Do jego odkryć należy także zjawisko ekranowania elektrycznego. Coulomb wprowadził także do terminologii naukowej pojęcie momentu magnetycznego.

11. Carl Friedrich Gauss żył w latach 1777 - 1855. Był wybitnym niemieckim matematykiem, astronomem i fizykiem. Za życia nazywany był "księciem matematyków". Uznawany jest za jednego z twórców geometrii nieeuklidesowej. Jako fizyk szczególnie interesował się zjawiskami dotyczącymi elektryczności i magnetyzmu. Jego prace stanowią również podwaliny pod rozwój optyki geometrycznej. Prawo Gaussa podaje związek między strumieniem przechodzącym przez powierzchnię zwaną powierzchnią Gaussa, a całkowitym ładunkiem zgromadzonym wewnątrz tej powierzchni. Prawo Gaussa może być wykorzystywane do wyznaczania natężenia pola elektrycznego, a także do obliczania całkowitego ładunku, w przypadku gdy natężenie jest znane.

12. William Thomson, Baron Kelvin – żył w latach 1824 – 1907. Był brytyjskim fizykiem, matematykiem oraz przyrodnikiem pochodzenia irlandzkiego. Wielkie zasługi położył w rozwoju teorii ciepła, obmyślił wiele czułych elektrycznych przyrządów mierniczych. Jego nazwisko stało się publicznie znane w związku z przedsięwzięciem kładzenia pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. W roku 1848 odkrył istnienie temperatury zera bezwzględnego. Sformułowana przez niego w roku 1854 druga zasada termodynamiki wyklucza istnienie tak zwanego perpetuum mobile drugiego rodzaju. Wyodrębnił z azotu atmosferycznego nieznany podówczas pierwiastek argon itd. W 1867 roku wynalazł generator kropelkowy do wytwarzania wysokich napięć. W roku 1892 uzyskał tytuł Lorda Kelvin, od rzeki Kelwin.

13. Georg Simon Ohm – żył w latach 1789 -1854 . Był matematykiem niemieckim, profesorem politechniki w Norymberdze w latach 1833-1849 i uniwersytetu w Monachium po roku 1849. Po zainteresowaniu się fizyką napisał prace głównie z zakresu elektryczności i akustyki. Sformułował (1826) i udowodnił prawo opisujące związek pomiędzy natężeniem prądu elektrycznego a napięciem elektrycznym (tzw. Prawo Ohma). Badał nagrzewanie się przewodników przy przepływie prądu elektrycznego. Badając zależność oporu od formy geometrycznej przewodnika udowodnił istnienie oporności właściwej. W 1843 stwierdził, że najprostsze wrażenie słuchowe jest wywołane drganiami harmonicznymi. Prace pisane skomplikowanym językiem matematyki długo nie były uznawane przez współczesnych mu fizyków. Na jego cześć jednostce rezystancji nadano nazwę om.

14. Michael Faraday – żył w latach 1791 -1867. Fizyk i chemik angielski, jeden z najwybitniejszych uczonych XIX w., eksperymentator, samouk. Największe znaczenie miały prace Faradaya dotyczące elektryczności. W 1831 r. odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co przyczyniło się do powstania elektrodynamiki. W latach 1833-34 sformułował prawa elektrolizy. Faraday odkrył również zjawisko samoindukcji, zbudował pierwszy model silnika elektrycznego i pierwszą prądnicę.. W 1845 r. stwierdził, że diamagnetyzm jest powszechną właściwością materii, odkryty zaś przez niego paramagnetyzm – właściwością szczególną niektórych jej rodzajów. Faraday wprowadził pojęcie linii sił pola i wysunął twierdzenie, że ładunkielektryczne działają na siebie za pomocą takiego pola. W 1825 r. odkrył benzen, wydzielił naftalen, heksachloroetan, koloidalne złoto. Był też twórcą prostej metody skraplania gazów. Od jego nazwiska jednostka pojemności elektrycznej nazywana jest faradem

15. Energia elektryczna wokół nas

16. Wyładowania atmosferyczne Powstają na skutek rozdzielenia się w chmurach cząstek naelektryzowanych dodatnio i ujemnie. Natężenie pola wzrasta wtedy do wartości 500 – 1000 kV/m i zapoczątkowana zostaje lawinowa jonizacja gazu w chmurze. Podczas wyładowania piorunowego dochodzi do przepływu prądu o natężeniu od 10 kA do 200 kA. Wyładowaniu temu towarzyszy efekt w postaci świetlny (błyskawica) iskry o długości kilku do kilkunastu kilometrów oraz efekt akustyczny (grzmot) w wyniku rozprężania się nagrzanych mas powietrza.

17. Burza w poezji i malarstwie „A już deszcz wciąż pluszczy, Jak z sita, w gęstych kroplach; wtem rykły pioruny, Krople zlały się razem; to jak proste struny Długim warkoczem wiążą niebiosa do ziemi, To jak z wiader buchają warstamicałemi. Już zakryły się całkiem niebiosa i ziemia, Noc je z burzą od nocy czarniejszą zaciemia. Czasem widnokrąg pęka od końca do końca, I anioł burzy na kształt niezmiernego słońca Rozświeci twarz, i znowu okryty całunem Uciekł w niebo i drzwi chmur zatrzasnął piorunem.” „Burza” włoskiego malarza Giorgione „Pan Tadeusz” Adam Mickiewicz

18. Ryby elektryczne Ich ciało zaopatrzone jest w narządy elektryczne – umożliwiające wytwarzanie impulsów elektrycznych w celu samoobrony lub obezwładnienia ofiary – bądź w elektroreceptory umożliwiające wykrywanie obecności oraz zmian pola elektrycznego. Przykładem takiej ryby może być sum elektryczny, który jest wstanie wytworzyć napięcie rzędu 300–400 V.

19. Węgorz elektryczny Po bokach jego ciała, wzdłuż płetwy odbytowej znajdują się narządy elektryczne wytwarzające napięcie 300–600 V i natężenie poniżej 1 A. Napięcie takie może zabić małe zwierzę lub oszołomić duże. Wytwarzane napięcie jest zależne od długości osobnika. Narządy te są też wykorzystywane do elektrolokacji. Zajmują one 80% ciała ryby, pozostałe 20% przypada na głowę i jamę brzuszną.,

20. Budowa ogniwa Leclanchego Georges Leclanché – francuski chemik w 1866 roku wymyślił ogniwo • Pierwotnie ogniwo 1 - zbiornik2 - porowaty pojemnik ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV)3 - roztwór chlorku amonu4 - elektroda węglowa5 - elektroda cynkowa 1 - metalowe wieczko (+)2 - grafitowy pręt (dodatnia elektroda)3 - cynkowy pojemnik (ujemna elektroda)4 - tlenek manganu(IV)5 - wilgotna pasta chlorku amonu (elektrolit)6 - metalowe denko (-) • Występujące obecnie na rynku ogniwa

21. Najpopularniejsze ogniwa występujące w handlu Są to ogniwa Leclanchego tzw. baterie okrągłe (różnej wielkości, oznaczane symbolami R3/AAA, R6/AA (tzw. paluszek), R10, R14, R20 (o napięciu 1,5 V) lub baterie płaskie (o napięciu 4,5 V – trzy ogniwa połączone szeregowo).

22. Ciało ludzkie pod działaniem prądu Takie napięcia może wytrzymać ciało ludzkie: Skutki działania prądu elektrycznego na organizm człowieka można rozpatrywać jako fizyczne (np. cieplne), chemiczne (np. zmiany elektrolityczne) lub biologiczne (np. zaburzenia czynności). Prąd stały działa na człowieka inaczej niż prąd zmienny. Prądy przemienne o dużej częstotliwości nie wywołują zaburzeń przewodnictwa w nerwach, skurczów mięśni i zaburzeń w czynnościach mięśnia sercowego, mogą jednak doprowadzić do uszkodzeń wskutek wytwarzania ciepła na drodze przepływu przez ciało. Prądy o bardzo dużych częstotliwościach (kilka tysięcy Hz) mają stosunkowo małą zdolność do przenikania w głąb tkanek. Im częstotliwości są większe, tym działanie jest bardziej powierzchniowe.

23. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (skrót ISS z ang. International SpaceStation)

24. Największe przedsięwzięcie w historii podboju kosmosu Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (to pierwsza stacja kosmiczna wybudowana przy współudziale finansowym i naukowym wielu krajów (Stanów Zjednoczonych, Europejskiej Agencji Kosmicznej, Rosji, Japonii, Kanady i Brazylii) . Początkowo budżet programu na okres od roku 1994 do ukończenia budowy miał zamknąć się w kwocie 17,4 miliarda dolarów, lecz do momentu wystrzelenia pierwszego modułu w końcu 1997 roku wzrósł ponad dwukrotnie, do 40 miliardów dolarów. Budowa stacji rozpoczęła się 20 listopada 1998 roku.

25. Źródło zasilania ISS Stacja składa się obecnie z 14 głównych modułów (docelowo ma ich liczyć 16) i umożliwia jednoczesne przebywanie sześciu członków stałej załogi. Transportem ludzi i materiałów zajmują się amerykańskie wahadłowce oraz rosyjskie statki kosmiczne. Źródłem zasilania ISS są baterie słoneczne. Stacja jest na tyle duża, a jej moduły baterii słonecznych odbijają tyle światła słonecznego, że jest widoczna z Ziemi jako obiekt poruszający się po niebie.

26. Założenia programowe ISS Prowadzenie badań naukowych w warunkach mikrograwitacji, niemożliwych do osiągnięcia na Ziemi. Mają one pozwolić na udoskonalenie metod prowadzenia upraw, lepsze poznanie działania ludzkiego organizmu (a więc i możliwość wynalezienia nowych leków) oraz pomóc rozwiązać wiele innych problemów na Ziemi. Do tej pory nie dokonano jednak na ISS żadnego przełomowego odkrycia.

27. Zagrożenia dla stacji • Możliwość zderzenia z osiągającymi ogromne prędkości meteoroidami. Proponowanym zabezpieczeniem jest "laserowa miotła", która mogłaby błyskawicznie niszczyć owe odłamki. Jej wprowadzenie będzie jednak wymagało zmiany przepisów zabraniających używania broni laserowych w kosmosie. • Możliwość zderzenia stacji z kosmicznym odpadkiem o średnicy ponad 1 cm. • Strumienie naładowanych cząstek powstających podczas wybuchów na Słońcu. Powodują one awarie instalacji elektrycznych nawet na Ziemi i mogłyby poważnie uszkodzić pozbawioną ochrony magnetosfery stację kosmiczną.

28. ISS - pierwsza ludzka kolonia w kosmosie

29. Czy wiesz, że … • na stacji może przybywać jednocześnie 6 członków załogi; • źródłem zasilania są baterie słoneczne; • w 2001 roku na ISS gościł pierwszy w historii kosmiczny turysta, podróż kosztowała 20 mln dolarów; • ISS była także miejscem pierwszego kosmicznego ślubu, 10 sierpnia 2003 roku rosyjski astronauta Jurij Malenczenko ożenił się z EkaterinąDimitriew, która przebywała wówczas w Teksasie; • na stacji zostały zainstalowane anteny polskiej konstrukcji i produkcji; • w styczniu 2010 roku załodze ISS udostępniono bezpośrednie połączenie z internetem. • w kosmos chciał polecieć również polski miliarder Leszek Czarnecki, ale nie udało się zrealizować tego planu.

30. Marzenia się spełniają Marzenia wielu pokoleń ludzi o zamieszkaniu w kosmosie spełniają się za naszego życia.

31. Zrób to sam – część doświadczalna tematu projektowego

32. Pomiar napięcia Przebieg doświadczenia: Weź bateryjkę 4,5 V (nie musi być nowa).Zdejmij osłonę tak, aby mieć dostęp do pojedynczych ogniw. Przyjrzyj się, jak są połączone ze sobą kolejne ogniwa. Zmierz napięcie na zaciskach każdego z ogniw oraz napięcie na zaciskach baterii. Jaki jest związek między tymi wartościami? Wniosek: Trzy 1,5 V ogniwa połączone szeregowo dają całkowita różnicę potencjałów w układzie równą 4,5 V

33. A to już stos Pauliny Ogniwo zbudowane z monet miedzianych (5 gr) i aluminiowych (20 gr) przekładanych bibułą nasączoną w roztworze wody z solą. Uzyskane napięcie – 0,12 V.

34. Ogniwa z ogórka Pomoce: kiszone ogórki, drut miedziany, drut stalowy, miernik napięcia. Wniosek: przygotowany układ pełni rolę ogniwa , elektrodami są różne metale a elektrolitem wodny roztwór kwasu mlekowego i soli kuchennej. Energia chemiczna w ogniwie ulega przemianie w energię elektryczną.

35. Dioda w roli wskaźnika prądu w obwodzie Pomoce: 4 połówki cytryny, 4 gwoździe ocynkowane, 4 gwoździe miedziane, dioda LED czerwona, przewody. Przebieg doświadczenia: zmontuj baterią z czterech ogniw połączonych szeregowo. Wolne elektrody połącz z diodą LED. Sprawdź intensywność świecenia po odłączeniu jednego ogniwa. Wniosek: Napięcie wytworzone przez baterię ogniw okazało się na tyle duże, ze spowodowało świecenie diody. Po odłączeniu jednego ogniwa intensywność świecenia maleje.

36. Warzywa są przewodnikami Pomoce: marchew lub ziemniak, dwa elektroskopy, statyw izolujący, rura PCW. Przebieg doświadczenia: Wykonaj model elektroskopu (na jednym końcu drutu aluminiowego umieść kulkę a na drugim cienki pasek folii)i umieść go na statywie. Na drugim umocuj ziemniaka. Naelektryzuj rurę przez tarcie i dotknij nią warzywa. Zaobserwuj zachowanie pasków folii. Powtórz doświadczenie elektryzując warzywo przez indukcję. Wniosek: Ziemniaka można naelektryzować. Warzywa zachowują się jak przewodniki.

37. Zasada zachowania ładunku elektrycznego Pomoce: marchew, dwa elektroskopy, statywy izolujące, przewody, rura PCW. Przebieg doświadczenia: Przetnij marchew i obie połówki umieść na statywach. Ustaw je tak, aby stanowiły jeden przewodnik. Końce marchwi połącz przewodami z elektroskopami. Do jednego z końców marchwi przybliż naelektryzowaną rurę PCW. Po wychyleniu wskazówek elektroskopów nie oddalając rury rozsuń marchew. Następnie oddal rurę. Zaobserwuj zachowanie wskazówek elektroskopów. Połącz obie części marchwi. Wniosek: W wyniku oddziaływania elektrostatycznego rozsunięte ładunki na przewodniku (marchwi i elektroskopach) są równe co wielkości i przeciwnego znaku. Suma ładunków marchwi przed i po elektryzowaniu przez indukcję była równa 0.

38. Generator kropelkowy Kelwina jako źródło wysokiego napięcia To rodzaj generatora elektrostatycznego. Wykorzystuje on spadające krople wody do wytworzenia różnicy potencjału elektrycznego pomiędzy dwoma wzajemnie przeciwnie ładującymi się zbiornikami. Zasada działania opiera się na indukcji elektrostatycznej, a energia elektryczna wytwarzana jest przez pracę siły grawitacji. Generator Kelvina został wynaleziony w 1867 roku przez Lorda Kelvina i stąd jego nazwa.

39. Budowa generatora Kelvina wg koncepcji Krzysztofa Tabaszewskiego zamieszczonej na stronie http://www.lwiatko.org

40. Budowa generatora Kelvina – ciąg dalszy

41. Uruchomienie generatora • Przed rozpoczęciem pracy suszymy generator. • Butelki 2,5 l napełniamy zimną woda z kranu (butelki są opuszczone). • Suchym ręcznikiem papierowym pocieramy rurkę z tworzywa, aż usłyszymy trzeszczenie. • Zbliżamy naelektryzowaną rurkę do jednej z 5 l butli. Dotykamy folii drugą ręką (trzymamy rurkę!), zabieramy rękę a następnie rurkę. Butla jest wstępnie naelektryzowana. • Podnosimy butle z wodą wiszące na statywie. • Woda leci z dysz, generator pracuje. • W iskierniku pojawiają się iskry.

42. Udało się – generator pracuje Działający generator zrobił na nas duże wrażenie. W naszym modelu uzyskaliśmy iskry o długości 5 do 7 mm

43. Podsumowanie działań 30 maja 2011 r. zaprosiliśmy swoich kolegów na pokaz pt. „Żabie udka i nie tylko”. Przedstawiliśmy scenkę pokazującą historię odkrycia Galvaniego, wykonaliśmy kilka ciekawych doświadczeń z elektrostatyki, zbudowaliśmy przykłady różnych źródeł elektryczności. Największe emocje towarzyszyły wzbudzeniu iskry w generatorze Kelvina do wytwarzania wysokich napięć.

44. Tak było na pokazie

45. Wzrost kompetencji w obszarze Tematu projektowego

46. Źródła informacji: „Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich – Fizyka” – Wydawnictwo Naukowo – Techniczne 1987 „Fizyka 2” (podręcznik dla gimnazjum) - Roman Grzybowski wyd. Operon www.wikipedia.org/wiki/Międzynarodowa_Stacja_Kosmiczna www.if.pw.edu.pl/~zielak/ http://www.lwiatko.org