Hustota látek

1         Úkol

1.1       Seznámení se s pojmem hustota.

1.2       Využití Archimédova zákona pro porovnání hustoty.

1.3       Experimentální porovnání hustoty kapalin.

1.4       Hustoměr, jeho využití a tvorba funkčního modelu hustoměru.

2         Časová dotace

2 vyučovací hodiny

3         Pomůcky a materiál

Pro jednu skupinu na jeden experiment:

3.1       Poměrový hustoměr: brčko, modelína, kancelářské sponky, nůžky, odměrný válec nebo jiná úzká průhledná nádoba, lihový fix, různé kapaliny.

3.2       Barevná voda pokaždé jinak aneb kde je teplá a kde studená voda: 4 průhledné láhve (stejné velikosti a stejného tvaru) s víčky, studená a teplá voda, potravinářské barvivo (vhodné jsou kombinace modrá + červená, žlutá + zelená, žlutá + červená atp.), hřebík, hrací nebo platební karta.

3.3       Barevný koktejl: Průhledná vysoká nádoba, lžíce, různé kapaliny a pevné látky – med, sirup, kondenzované mléko, voda, tekuté mýdlo, olej, technický líh, dřevo, sklo, plast, korek atp.

4         Hlavní a dílčí cíle

4.1       Základní cíle

Seznámení se s pojmem hustota na základě experimentu.

Porovnávání hustoty kapaliny s využitím Archimédova zákona.

4.2       Vedlejší cíle

Aplikace teoretických poznatků do praxe.

Systematizace teoretických poznatků na základě experimentu.

Schopnost realizovat a prezentovat experiment před publikem.

Řešení problémových úkolů a situací na základě experimentu.

5         Mezipředmětové vztahy a přesahy

Matematika (výpočet objemu, hmotnosti a hustoty), chemie (hustota kapalin), biologie a ekologie (vliv hustoty na chování kapalin v přírodě, ekologické havárie)

6         Obecný úvod k tématu

Hustota látky je odvozená fyzikální veličina, která určuje, jaká je hmotnost jednotkového objemu látky.

Značka: r (ró), jednotka:  (kilogram na metr krychlový)

Hustotu kapalin můžeme určovat s využitím Archimédova zákona pomocí hustoměru, hustotu některých pevných látek, kapalin i plynů nalezneme v tabulkách a hustotu homogenního tělesa lze také určit výpočtem vycházejícím z definice hustoty. Hustota látek závisí na tlaku a teplotě, u pevných látek a kapalin jen velmi málo, u plynů významně.

Jestliže se jedná o hmotnost látky v jednotkovém objemu, znamená to, že budeme při výpočtech vycházet ze vztahu  .

Víte, že voda v Mrtvém moři obsahuje z více než 27 % sůl, zatímco v ostatních mořích a oceánech je sůl zastoupena 2–3 %, takže má větší hustotu.

Motivační příběh: V blízkosti naší školy jsou dvě cukrárny. Majitelé, kteří oba prodávají za stejné ceny, zjistili, že do cukrárny pana Poctivého chodí samí výborní fyzikové a cukrárně pana Nepoctivého se vyhýbají, zatímco ti, které fyzika nezajímá a nebaví, chodí k panu Nepoctivému. A my jsme zjistili proč – minerálka u pana Poctivého i Nepoctivého sice stojí stejně, je jí i stejné množství, ale nechutná stejně. Jak ale panu Nepoctivému dokázat, že místo minerálky nalévá vodu? Stačí do obou skleniček nasypat špetku soli nebo pár hrozinek. Zkuste to a vysvětlete.

7         Pracovní postup

7.1       Poměrový hustoměr

Do spodní části brčka vtlačíme modelínu tak, aby bylo utěsněné. Do modelíny upevníme zespodu kancelářskou sponku, která funguje jako „kýl“, tj. jejím nakloněním v modelíně upravíme polohu těžiště brčka a stabilizujeme je ve svislé poloze. Takto upravené brčko ponoříme do odměrného válce, ve kterém je voda. Ubíráme nebo přidáváme modelínu tak, aby bylo brčko ponořené zhruba z poloviny. Teď už stačí jen měnit kapaliny a fixem vyznačit příslušné hodnoty. Pro poměřování jsou vhodné například olej, technický líh, šťáva, slaná voda, případně různě tučná mléka, smetana a acidofilní mléko.

7.1.1        Praxe

V praxi se pro měření hustoty kapalin používají kalibrované hustoměry s různým rozsahem stupnic. Význam mají v potravinářství, automobilovém průmyslu i dalších odvětvích – umožňují velmi přesně určit hustotu alkoholu, hustotu benzínu a podobně.

7.1.2        Vysvětlení

Při ustálení ponoru brčka do kapaliny nastává situace, kdy jsou v rovnováze tíhová a vztlaková síla působící na brčko. Hustoměr je nadlehčován vztlakovou silou, která je rovna tíze kapaliny mající objem ponořené části brčka. Tíha vytlačené kapaliny závisí na objemu ponořené části hustoměru a na hustotě kapaliny. Jestliže hustoměr ponoříme do kapaliny o vyšší hustotě, pro dosažení potřebné vztlakové síly stačí, aby hustoměr vytlačil menší objem kapaliny. Proto se hustoměr méně ponoří. V kapalině o nižší hustotě je tomu naopak. S rostoucí hustotou kapaliny se brčko ponoří méně, takže nejníže jsou na našem poměrovém hustoměru vyznačeny látky s nejvyšší hustotou.

7.1.3        Úkoly k pokusu

1)      Uspořádejte s využitím vámi vyrobeného hustoměru 4 různé kapaliny podle hustoty.

2)      Ve které kapalině je hustoměr ponořen nejméně a proč?

3)      Který zákon popisuje chování hustoměru v různých kapalinách?

7.2       Barevná voda pokaždé jinak aneb kde je teplá a kde studená voda

Udělejte (například horkým hřebíkem) do víček ve stejném místě otvory o průměru 0,5–1 cm. Do dvou lahví nalijte teplou a do dvou studenou vodu. Teplou vodu obarvěte v obou láhvích jednou barvou, studenou vodu druhou. Láhve uzavřete upravenými víčky a pomocí karty obraťte vždy dvě a dvě na sebe tak, aby jednou byla teplá voda ve spodní láhvi a studená nahoře a podruhé naopak. Kartu opatrně vyjměte.

7.2.1        Praxe

Tento jev je možné pozorovat v přírodě – voda s nejvyšší hustotou se drží u dna – jedná se o vodu o teplotě cca 4 stupně Celsia. Umožňuje život vodní fauny a flóry v zimě v zamrzlých řekách a rybnících.  Stejně tak mořské proudy teplé se nacházejí při hladině moří a oceánů, studené naopak u dna.

7.2.2        Vysvětlení

V případě, že je ve spodní láhvi studená a v horní láhvi teplá voda, se obarvené kapaliny nesmísí a barvy zůstanou oddělené. V případě, že ve spodní láhvi je voda teplá a nahoře studená, dojde k promísení barev a vzniku fialové, modré či oranžové tekutiny podle kombinací použitých barev. Teplá voda má menší hustotu než voda studená, proto se v prvním případě drží nahoře na svém původním místě, zatímco ve druhém případě se dostává nahoru a studená voda klesá ke dnu a barviva se prouděním smísí.

7.2.3        Úkoly k pokusu

1)      Vyzkoušejte si podobný experiment s jednou láhví plnou vody a druhou plnou oleje.

2)      Co se v jednotlivých situacích s vodou a olejem stane a proč?

3)      Dokázali byste nyní zdůvodnit, proč je topná spirála varné konvice vždy na jejím dně?

7.3       Barevný koktejl

Do nádoby po stěně pomocí lžičky postupně naléváme jednotlivé vrstvy kapalin podle hustoty. Takto nalité kapaliny se téměř nesmísí a vytvoří barevné vrstvy. Pro lepší barevný efekt můžeme líh a vodu obarvit potravinářským barvivem.

Následně vkládáme do kapaliny kousky korku, dřeva, plastu atp. Ty se v závislosti na hustotě zastaví mezi různými vrstvami kapalin.

7.3.1        Praxe

V praxi často pozorujeme olejové či ropné skvrny na vodě. Jedná se o dvě kapaliny, které se navzájem nemísí a zároveň se liší svojí hustotou.

7.3.2        Vysvětlení

Některé kapaliny se navzájem nemísí a ty ostatní se při opatrném nalévání smísí pouze nepatrně na svých rozhraních. Tím kapaliny vytvoří postupně barevné vrstvy. V jednotlivých vrstvách jsou kapaliny uspořádány podle hustoty od kapaliny s nejvyšší hustotou u dna sklenice po kapalinu s nejmenší hustotou u okraje sklenice.

7.3.3        Úkoly k pokusu

1)      Porovnejte hustotu použitých kapalin výpočtem (z určené hmotnosti a objemu) a experimentálně (z pořadí jednotlivých vrstev barevného koktejlu).

2)      Ve které části roztoku se zastaví dřevěná zápalka? Proč, co z toho vyplývá pro hustotu dřeva?

Které pevné látky klesnou zcela ke dnu?