Kami belajar fizik dan mengajar kanak-kanak tanpa meninggalkan dapur

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Kami menghabiskan 1-2 jam di dapur setiap hari. Seseorang kurang, seseorang lebih. Oleh itu, kita jarang memikirkan fenomena fizikal apabila kita memasak sarapan pagi, makan tengah hari atau makan malam. Tetapi tidak ada kepekatan yang lebih besar daripada mereka dalam keadaan seharian daripada di dapur, di apartmen. Peluang yang baik untuk menerangkan fizik kepada kanak-kanak!

1. Penyebaran

Kami sentiasa berhadapan dengan fenomena ini di dapur. Namanya berasal dari bahasa Latin diffusio - interaksi, penyebaran, pengedaran.

Ini adalah proses penembusan bersama molekul atau atom dua bahan yang bersebelahan. Kadar resapan adalah berkadar dengan luas keratan rentas badan (isipadu), dan perbezaan kepekatan, suhu bahan campuran. Sekiranya terdapat perbezaan suhu, maka ia menetapkan arah penyebaran (kecerunan) - dari panas ke sejuk. Akibatnya, penjajaran spontan kepekatan molekul atau atom berlaku.

Fenomena ini boleh diperhatikan di dapur apabila bau menyebar. Terima kasih kepada penyebaran gas, duduk di bilik lain, anda boleh memahami apa yang sedang dimasak. Seperti yang anda tahu, gas asli tidak berbau dan ditambah dengan bahan tambahan untuk memudahkan pengesanan kebocoran gas domestik.

Bau seperti etil mercaptan menambah bau pedas. Sekiranya pembakar tidak menyala pada kali pertama, maka kita dapat menghidu bau tertentu, yang kita kenali sejak kecil sebagai bau gas rumah tangga.

Dan jika anda membuang bijirin teh atau uncang teh ke dalam air mendidih dan tidak kacau, anda boleh melihat bagaimana penyerapan teh merebak dalam jumlah air tulen.

Ini ialah resapan cecair. Contoh resapan dalam pepejal ialah pengasinan tomato, timun, cendawan atau kubis. Hablur garam dalam air terurai kepada ion Na dan Cl, yang, bergerak secara huru-hara, menembusi antara molekul bahan dalam komposisi sayur-sayuran atau cendawan.

2. Perubahan keadaan pengagregatan

Segelintir daripada kita menyedari bahawa dalam segelas air kiri, selepas beberapa hari, bahagian air yang sama menguap pada suhu bilik seperti ketika mendidih selama 1-2 minit. Dan apabila kita membekukan makanan atau air untuk kiub ais di dalam peti sejuk, kita tidak memikirkan bagaimana ini berlaku.

Sementara itu, fenomena dapur yang paling biasa dan biasa ini dijelaskan dengan mudah. Cecair mempunyai keadaan pertengahan antara pepejal dan gas.

Pada suhu selain daripada mendidih atau beku, daya tarikan antara molekul dalam cecair tidak sekuat atau lemah seperti pada pepejal dan gas. Oleh itu, sebagai contoh, hanya menerima tenaga (dari pancaran matahari, molekul udara pada suhu bilik), molekul cecair dari permukaan terbuka secara beransur-ansur memasuki fasa gas, mewujudkan tekanan wap di atas permukaan cecair.

Kadar penyejatan meningkat dengan peningkatan luas permukaan cecair, peningkatan suhu, dan penurunan tekanan luaran. Jika suhu meningkat, maka tekanan wap cecair ini mencapai tekanan luaran. Suhu di mana ini berlaku dipanggil takat didih. Takat didih berkurangan dengan penurunan tekanan luar. Oleh itu, di kawasan pergunungan, air mendidih lebih cepat.

Sebaliknya, apabila suhu menurun, molekul air kehilangan tenaga kinetik mereka ke tahap daya tarikan antara mereka. Mereka tidak lagi bergerak secara huru-hara, yang membolehkan pembentukan kekisi kristal seperti pepejal. Suhu 0 ° C di mana ini berlaku dipanggil takat beku air.

Apabila beku, air mengembang. Ramai orang boleh mengenali fenomena ini apabila mereka meletakkan botol plastik dengan minuman di dalam peti sejuk untuk penyejukan cepat dan melupakannya, dan kemudian botol itu pecah. Apabila disejukkan ke suhu 4 ° C, peningkatan ketumpatan air mula-mula diperhatikan, di mana ketumpatan maksimum dan isipadu minimumnya dicapai. Kemudian, pada suhu dari 4 hingga 0 ° C, penyusunan semula ikatan dalam molekul air berlaku, dan strukturnya menjadi kurang padat.

Pada suhu 0 ° C, fasa cecair air berubah kepada pepejal. Selepas air sepenuhnya membeku dan bertukar menjadi ais, jumlahnya meningkat sebanyak 8, 4%, yang membawa kepada pecah botol plastik. Kandungan cecair dalam banyak produk adalah rendah, jadi ia tidak meningkat dalam jumlah begitu ketara apabila dibekukan.

3. Penyerapan dan penjerapan

Kedua-dua fenomena yang hampir tidak dapat dipisahkan ini, dipanggil dari bahasa Latin sorbeo (untuk menyerap), diperhatikan, sebagai contoh, apabila memanaskan air dalam cerek atau periuk. Gas yang tidak bertindak secara kimia pada cecair bagaimanapun boleh diserap olehnya apabila bersentuhan dengannya. Fenomena ini dipanggil penyerapan.

Apabila gas diserap oleh badan berbutir halus atau berliang pepejal, kebanyakannya terkumpul padat dan dikekalkan pada permukaan liang atau butiran dan tidak diedarkan ke seluruh isipadu. Dalam kes ini, proses itu dipanggil penjerapan. Fenomena ini boleh diperhatikan apabila air mendidih - buih terpisah dari dinding periuk atau cerek apabila dipanaskan.

Udara yang dibebaskan daripada air mengandungi 63% nitrogen dan 36% oksigen. Secara amnya, udara atmosfera mengandungi 78% nitrogen dan 21% oksigen.

Garam meja dalam bekas yang tidak bertutup boleh menjadi basah kerana sifat higroskopiknya - penyerapan wap air dari udara. Dan baking soda bertindak sebagai penjerap apabila diletakkan di dalam peti sejuk untuk menghilangkan bau.

4. Manifestasi undang-undang Archimedes

Apabila kami bersedia untuk memasak ayam, kami mengisi periuk dengan air kira-kira separuh atau ¾, bergantung kepada saiz ayam. Dengan merendam bangkai dalam periuk air, kita dapati bahawa berat ayam di dalam air berkurangan dengan ketara, dan air naik ke tepi periuk.

Fenomena ini dijelaskan oleh daya apungan atau hukum Archimedes. Dalam kes ini, daya apungan bertindak ke atas jasad yang direndam dalam cecair, sama dengan berat cecair dalam isipadu bahagian badan yang tenggelam. Daya ini dipanggil kuasa Archimedes, seperti undang-undang itu sendiri, yang menjelaskan fenomena ini.

5. Ketegangan permukaan

Ramai orang mengingati eksperimen dengan filem cecair, yang ditunjukkan dalam pelajaran fizik di sekolah. Bingkai dawai kecil dengan sebelah boleh alih dicelupkan ke dalam air sabun dan kemudian ditarik keluar. Daya tegangan permukaan dalam filem yang terbentuk di sepanjang perimeter mengangkat bahagian alih bawah bingkai. Untuk memastikan ia tidak bergerak, pemberat digantung daripadanya apabila percubaan diulang.

Fenomena ini boleh diperhatikan dalam colander - selepas digunakan, air kekal di dalam lubang di bahagian bawah peralatan dapur ini. Fenomena yang sama boleh diperhatikan selepas mencuci garpu - terdapat juga jaluran air pada permukaan dalam antara beberapa gigi.

Fizik cecair menerangkan fenomena ini seperti berikut: molekul cecair sangat rapat antara satu sama lain sehingga daya tarikan di antara mereka mewujudkan ketegangan permukaan dalam satah permukaan bebas. Jika daya tarikan molekul air filem cecair lebih lemah daripada daya tarikan ke permukaan colander, maka filem air pecah.

Juga, daya ketegangan permukaan ketara apabila kita menuang bijirin atau kacang, kacang ke dalam periuk dengan air, atau menambah bijirin bulat lada. Sesetengah butir akan kekal di permukaan air, manakala sebahagian besar akan tenggelam ke dasar di bawah berat selebihnya. Jika anda menekan ringan pada butiran terapung dengan hujung jari atau sudu anda, ia akan mengatasi ketegangan permukaan air dan tenggelam ke dasar.

6. Membasahi dan merebak

Cecair yang tertumpah boleh membentuk kesan kecil pada dapur bersalut gris, dan satu lopak di atas meja. Masalahnya ialah molekul cecair dalam kes pertama lebih tertarik antara satu sama lain daripada ke permukaan plat, di mana terdapat lapisan lemak yang tidak dibasahi oleh air, dan di atas meja yang bersih tarikan molekul air kepada molekul permukaan meja adalah lebih tinggi daripada daya tarikan molekul air antara satu sama lain. Akibatnya, lopak itu merebak.

Fenomena ini juga berkaitan dengan fizik cecair dan berkaitan dengan tegangan permukaan. Seperti yang anda ketahui, gelembung sabun atau titisan cecair mempunyai bentuk sfera disebabkan oleh daya tegangan permukaan.

Dalam titisan, molekul cecair tertarik antara satu sama lain dengan lebih kuat daripada molekul gas, dan cenderung ke bahagian dalam titisan cecair, mengurangkan luas permukaannya. Tetapi, jika terdapat permukaan pepejal basah, maka sebahagian daripada titisan apabila bersentuhan diregangkan di sepanjangnya, kerana molekul pepejal menarik molekul cecair, dan daya ini melebihi daya tarikan antara molekul cecair.

Tahap pembasahan dan penyebaran ke atas permukaan pepejal akan bergantung pada daya mana yang lebih besar - daya tarikan molekul cecair dan molekul pepejal di antara mereka atau daya tarikan molekul di dalam cecair.

Sejak tahun 1938, fenomena fizikal ini telah digunakan secara meluas dalam industri, dalam pengeluaran barangan rumah, apabila bahan Teflon (polytetrafluoroethylene) disintesis di makmal DuPont.

Ciri-cirinya digunakan bukan sahaja dalam pembuatan alat memasak tidak melekat, tetapi juga dalam pembuatan kain kalis air, kalis air dan salutan untuk pakaian dan kasut. Teflon diiktiraf oleh Guinness Book of Records sebagai bahan paling licin di dunia. Ia mempunyai tegangan permukaan yang sangat rendah dan lekatan (melekat), ia tidak dibasahi dengan air, gris atau banyak pelarut organik.

7. Kekonduksian terma

Salah satu fenomena yang paling biasa di dapur yang boleh kita perhatikan ialah pemanasan cerek atau air dalam periuk. Kekonduksian terma ialah pemindahan haba melalui pergerakan zarah apabila terdapat perbezaan (kecerunan) suhu. Antara jenis kekonduksian terma, terdapat juga perolakan.

Dalam kes bahan yang sama, kekonduksian terma cecair adalah kurang daripada pepejal, dan lebih tinggi daripada gas. Kekonduksian terma gas dan logam meningkat dengan peningkatan suhu, dan cecair berkurangan. Kita sentiasa berhadapan dengan perolakan, sama ada kita mengacau sup atau teh dengan sudu, atau membuka tingkap, atau menghidupkan pengudaraan untuk mengudarakan dapur.

Perolakan - dari bahasa Latin convectiō (pemindahan) - sejenis pemindahan haba apabila tenaga dalaman gas atau cecair dipindahkan oleh jet dan aliran. Bezakan antara perolakan semula jadi dan paksa. Dalam kes pertama, lapisan cecair atau udara sendiri bercampur apabila dipanaskan atau disejukkan. Dan dalam kes kedua, terdapat pencampuran mekanikal cecair atau gas - dengan sudu, kipas atau dengan cara lain.

8. Sinaran elektromagnet

Ketuhar gelombang mikro kadangkala dipanggil ketuhar gelombang mikro, atau ketuhar gelombang mikro. Elemen utama setiap ketuhar gelombang mikro ialah magnetron, yang menukarkan tenaga elektrik kepada sinaran elektromagnet gelombang mikro dengan frekuensi sehingga 2.45 gigahertz (GHz). Sinaran memanaskan makanan dengan berinteraksi dengan molekulnya.

Produk mengandungi molekul dipol yang mengandungi cas elektrik dan negatif positif pada bahagian bertentangannya.

Ini adalah molekul lemak, gula, tetapi kebanyakan molekul dipol berada dalam air, yang terdapat dalam hampir semua produk. Medan gelombang mikro, sentiasa mengubah arahnya, menjadikan molekul bergetar dengan frekuensi tinggi, yang berbaris di sepanjang garis daya supaya semua bahagian molekul yang bercas positif "melihat" dalam satu arah atau yang lain. Geseran molekul timbul, tenaga dibebaskan, yang memanaskan makanan.

9. Induksi

Di dapur, anda semakin boleh mencari periuk induksi, yang berdasarkan fenomena ini. Ahli fizik Inggeris Michael Faraday menemui aruhan elektromagnet pada tahun 1831 dan sejak itu adalah mustahil untuk membayangkan kehidupan kita tanpanya.

Faraday menemui kejadian arus elektrik dalam gelung tertutup disebabkan oleh perubahan fluks magnet yang melalui gelung ini. Pengalaman sekolah diketahui apabila magnet rata bergerak di dalam litar berbentuk lingkaran wayar (solenoid), dan arus elektrik muncul di dalamnya. Terdapat juga proses terbalik - arus elektrik berselang-seli dalam solenoid (gegelung) mencipta medan magnet berselang-seli.

Periuk aruhan moden berfungsi pada prinsip yang sama. Di bawah panel pemanas kaca-seramik (neutral kepada ayunan elektromagnet) dapur sedemikian terdapat gegelung aruhan yang melaluinya arus elektrik mengalir dengan frekuensi 20-60 kHz, mewujudkan medan magnet berselang-seli yang mendorong arus pusar dalam lapisan nipis (lapisan kulit) bahagian bawah pinggan logam.

Rintangan elektrik memanaskan pinggan. Arus ini tidak lebih berbahaya daripada hidangan merah panas di atas dapur biasa. Alat memasak hendaklah keluli atau besi tuang dengan sifat feromagnetik (menarik magnet).

10. Pembiasan cahaya

Sudut tuju cahaya adalah sama dengan sudut pantulan, dan perambatan cahaya semula jadi atau cahaya dari lampu dijelaskan oleh sifat dwi-zarah gelombang: di satu pihak, ini adalah gelombang elektromagnet, dan di sisi lain, zarah-foton, yang bergerak pada kelajuan maksimum yang mungkin di Alam Semesta.

Di dapur, anda boleh melihat fenomena optik seperti pembiasan cahaya. Sebagai contoh, apabila terdapat pasu lutsinar dengan bunga di atas meja dapur, batang di dalam air kelihatan beralih pada sempadan permukaan air berbanding kesinambungannya di luar cecair. Hakikatnya ialah air, seperti kanta, membiaskan sinaran cahaya yang dipantulkan dari batang dalam pasu.

Perkara yang sama diperhatikan dalam segelas teh telus, di mana sudu dicelup. Anda juga boleh melihat imej kacang atau bijirin yang herot dan diperbesarkan di bahagian bawah periuk air jernih yang dalam.