Физика на кухне

Теоретическая основа

Источники тока

В 1786 г. итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани решил изучить действие атмосферного электричества на мышцы лягушки. Для этого он прикрепил к нерву лапки свежепрепарированной лягушки медный крючок, после чего подвесил лапку к железной решетке, окружавшей висячий садик его дома. Однако никакого действия атмосферы не последовало. И лишь тогда, когда под порывами ветра лапка случайно коснулась решетки забора, ее мускулы резко содрогнулись. Гальвани решил повторить опыты дома. Положив лапку на железную дощечку, он снова обнаружил конвульсивные сокращения мышц. После четырех лет всестороннего исследования открытого им явления Гальвани сообщил о своих наблюдениях в книге, которая называлась «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Появление этой книги вызвало огромный интерес в среде ученых. Опыты с лягушачьей лапкой стали повторять и физики, и химики, и философы, и врачи. Но лишь одному из них - итальянскому ученому Алессандро Вольта удалось понять истинную причину наблюдаемого эффекта.

Лапка сокращается не потому, что в лягушке сосредоточено какое-то особое «животное» электричество (как считал Гальвани), а потому, что через нее проходит электрический ток, возникающий благодаря контакту двух проводников из разных металлов,- к такому выводу пришел Вольта после тщательных исследований этого явления. По мнению Вольта, лягушка в этих опытах нужна лишь как «электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками». Поэтому тот же ток можно получить и без использования лягушки, если только позаботиться о том, чтобы разнородные металлы соприкасались с жидкостью, способной проводить электричество. И Вольта подтверждает свой вывод опытом на самом себе: соединив одни концы серебряной и оловянной проволочек между собой, он прикасается их противоположными концами к своему языку. Появившийся при этом кисло-горький вкус означал, что по языку пошел ток. Если бы источником электричества была сама мышца языка, то вкус должен был бы ощущаться и тогда, когда металлы одинаковые; этого, однако, не происходило.

Вольта продолжает опыты. Он берет две монеты из разного вещества и одну из них кладет себе на язык, а другую - под него. Соединив монеты проволочкой, он снова ощущает специфический вкус.

Наконец, в 1800 г. Вольта берет несколько десятков пар круглых пластин (из цинка и серебра) и, проложив между ними кружочки картона, смоченные соленой водой, располагает их в виде столба. Подсоединив к верхней и нижней пластинам столба провода, Вольта получает первый источник постоянного тока (вольтов столб).

На демонстрации вольтова столба перед французскими учеными присутствовал Наполеон Бонапарт. Опыты Вольта произвели на присутствующих очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что за свои исследования Вольта получил титул графа и стал рыцарем Почетного легиона.

В последующие годы источники тока непрерывно совершенствовались и в конце концов приобрели тот вид, к которому мы все привыкли.

Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.

Гальванический элемент- химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.

Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно использовать многократно, периодически заряжая их.

У любого из этих источников имеются два полюса - положительный (+) и отрицательный (-). Разные заряды этих полюсов обусловлены химическими реакциями, протекающими внутри источника на проводниках (электродах), погруженных в специальный раствор.

В современных условиях наиболее распространенными химическими источниками тока являются гальванические элементы. Принцип работы гальванического элемента достаточно прост. В водный раствор серной кислоты погружаются медная и цинковая пластины, которые, затем, играют роль положительного и отрицательного полюса.

Основной принцип действия гальванического элемента

Гальванические элементы являются источниками постоянного напряжения и называются первичными элементами. Электрическая энергия, получаемая в этом случае, образуется в результате химических реакций, происходящих внутри элемента. Рассмотрим принцип действия простейшего гальванического элемента.

Элемент состоит из сосуда с раствором серной кислоты (H2SО4), в которую погружены две разнородные пластины: цинковая и медная. Как   показал   опыт,   цинк в этом случае заряжается отрицательно, а медь — положительно. Элемент имеет два вывода — полюса: положительный  (анод) и отрицательный (катод).

Цинковая пластина, опущенная в раствор серной кислоты, будет растворяться в ней. Способность цинка легко отдавать свой электроны приводит к тому, что атом цинка, оставляя два своих электрона пластине, переходит в раствор в виде положительного иона. Между цинковой пластиной и раствором возникает некоторая разность потенциалов, которая приостанавливает дальнейшее растворение цинковой пластины.

Опустим в раствор медную пластину. Обладая меньшей способностью растворения, медь по отношению к раствору будет иметь иную разность потенциалов, чем цинк. Таким образом, между медной и цинковой пластинами образуется разность потенциалов.

Разность потенциалов (э. д. с.) между пластинами (электродами) медно-цинкового элемента равна 1,1 в.

Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства, потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого источником, через них пойдет ток.

Экспериментальное задание

   Возьмите картофель, яблоко и т.д. и воткните в него два проводника. Одним из них может быть медный провод, а другим - железный гвоздь. Принесите изготовленный таким образом источник тока в колледж и, подсоединив его проводами к гальванометру, убедитесь, что источник работает. (Гальванометром называют прибор для регистрации и измерения слабых токов. Школьный демонстрационный гальванометр изображен на рисунке.)

Исследовательская часть

ГИПОТЕЗЫ:

1. Фрукты и овощи не могут быть источниками электрического тока.

2. Фрукты и овощи содержат воду и кислоту, поэтому могут работать как гальванические элементы.

ПЛАН РАБОТЫ

1. Приготовим необходимое оборудование, фрукты и овощи для исследования.

2. Проведем физические  эксперименты для доказательства или опровержения гипотез.

        3. Сделаем выводы.

ОБОРУДОВАНИЕ

Лабораторное: гальваническая ванна, электрические провода, микроамперметр, вольтметр, медный и цинковый электроды.

Фрукты и овощи: картофель,свекла, морковь, лук, яблоки, апельсины.

Дополнительно: миксер, стакан для миксера, мясорубка, часы, фонарик.

Опыт 1.

Эксперимент с картофелем

1. Вставляем электроды в картофель.

Выдерживаем расстояние между электродами 5 см, а глубину погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Добавляем последовательно в цепь еще один картофель с электродами.

4. Снимаем показания вольтметра.

5. Измельчаем картофель для выделения картофельного сока.

6. Снимаем показания вольтметра.

Опыт 2.

Эксперимент со свеклой

1. Вставляем электроды в свеклу.

Выдерживаем расстояние между электродами 5 см, а глубину погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Добавляем последовательно в цепь еще одну свеклу с электродами.

4. Снимаем показания вольтметра.

5. Измельчаем свеклу для выделения свекольного сока.

6. Снимаем показания вольтметра.

Опыт 3.

Эксперимент с морковью

1. Вставляем электроды в морковь.

Выдерживаем расстояние между электродами 5 см, а глубину погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Добавляем последовательно в цепь еще одну морковь с электродами.

4. Снимаем показания вольтметра.

5. Измельчаем морковь для выделения морковного сока.

6. Снимаем показания вольтметра.

Опыт 4.

Эксперимент с луком

1. Вставляем электроды в лук.

Расстояние между электродами 5 см, а глубина погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Измельчаем лук для выделения сока. Помещаем полученную массу в электролизную ванну.

4. Снимаем показания вольтметра.

Опыт 5.

Эксперимент с яблоком

1. Вставляем электроды в яблоко. Расстояние между электродами 5 см, а глубина погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Изменяем плотность яблока, пропустив ее через мясорубку.

4. Помещаем полученную массу в электролизную ванну.

5. Снимаем показания вольтметра.

Опыт 6.

Эксперимент с апельсином

1. Вставляем электроды в апельсин. Расстояние между электродами 5 см, а глубина погружения - 2,5 см.

2. Снимаем показания вольтметра.

3. Изменяем плотность апельсина, пропустив его через мясорубку. Помещаем полученную массу в электролизную ванну.

4. Снимаем показания вольтметра.

Сводная таблица результатов

ВЫВОДЫ:

Исследования показали, что еда (в нашем случае это фрукты и овощи) может служить источником электрического тока.

Кроме этого в ходе экспериментов было установлено, что человек также является источником электрического тока. Причем, у разных людей значение тока разное.

Физика на кухне (викторина)

1. Почему живую рыбу трудно держать в руках?

     Поверхность гладкая, трение мало

2. Почему открывалка острая на том конце, которым мы открываем?

     Площадь маленькая, давление большое.

3. С какой целью человек, несущий в одной руке тяжелое ведро с водой, наклоняется в противоположную сторону?

    Для равновесия.

4. Какие плоды после встряхивания неполного ведра с картофелем окажутся наверху: крупные или мелкие?

      Наиболее устойчивым будет равновесие если в центральной части картофель упакуется плотно, значит внизу- мелкие, а наверху – крупные

5. Почему результат взвешивания на рычажных весах не зависит от того, где лежит тело- посередине чашки весов или ближе к  ее краю?

    В обоих случаях чашка весов подвешена к одной и той же точке, следовательно, плечо силы постоянно, где бы не лежало тело.

6. Какой шоколадный батончик легче сломать на две части: длинный или короткий?

     Длинный, так как  плечи прилагаемых сил больше.

Опыт первый. « Исчезновение сахара»

В узкую мензурку с теплой водой опустить несколько кусочков сахара вода сначала поднимется, а затем, когда сахар растворится,   понизится. Почему?

         Сахар занял место между молекулами воды.

7. Свежеиспеченный хлеб весит больше, чем тот же хлеб, но остывший. Почему?

         Влага испаряется

8. Почему огурец всегда на 1-2 0С холоднее окружающей среды?

При испарении с поверхности влаги температура огурца понижается.

9. Почему при высыхании коробятся нарезанные фрукты, грибы, скручиваются листья у      растений?

         Испарение происходит неравномерно, вследствие разной толщины.

Опыт второй. «Яйцо в бутылке»

Загнать яйцо в бутылку не разрушая его.

В пустую бутылку опускаем зажженный газетный клочок бумаги, а на горлышко бутылки ставим очищенное вареное яйцо. Бумага сгорает, а очищенное яйцо опускается в бутылку.( Теплый воздух из бутылки выходит, расширяясь, а яйцо под действием атмосферного давления проникает в бутылку.)

10. Почему чай, кофе, суп охлаждаются быстрее, когда их помешивают ложкой?

     Вынужденная конвекция.

11. Как узнать какое яйцо сырое, а какое вареное?

Раскрутить. Сырое не раскрутится, т.к жидкость внутри мешает этому, а вареное будет крутиться.

12. Почему  в банке  со сгущенкой или соке нужно делать два отверстия?

Чтобы атмосферное давление на второе отверстие помогало выдавливать содержимое.

Опыт третий.

Вынуть лед из воды, не прикасаясь к нему руками.

Опустим лед в воду и постараемся вынуть его при помощи соли и нитки. Нужно положить нитку на лед и  присыпать солью. Нитка примерзнет ко льду.(Образуется охлаждающая смесь, и нитка примерзает)

13. Почему горящая спичка загибается вверх?

    Снизу давление больше. Так как воздух прогревается  и внизу и давит на спичку.

14. На каком явлении основана засолка огурцов, помидоров, капусты?

   Диффузия.

15. Объясните с физической точки зрения пословицу» Как с гуся вода»

Вода не смачивает перья гуся, так как они покрыты жиром.

16. Вода в бутылке, завернутая в мокрую тряпку, особенно на сквозняке имеет меньшую  

    температуру, чем окружающий воздух. Почему?  

                   Идет испарение, а значит охлаждение.

20.Где быстрее черствеет хлеб: на столе или в хлебнице?

               На столе, так как с него быстрее испарится влага

21. .Алюминиевая кружка  с горячим чаем обжигает губы, а фарфоровая нет. Почему?

                 Теплопроводность алюминия лучше.

22. Когда лучше срезать листья салата, чтобы они были более сочными: рано утром или после жаркого дня?

          Утром. Вечером часть влаги испарится.

23. Все молчит- лучина с треском

Лишь горит багровым блеском

Да по кровле ветер шумит      Фет «Метель»

       Почему лучина горит с треском?

          Влага испаряется, увеличивается в объеме. С треском разрывая древесину.

Хозяйке на заметку

1.Зубы у человека состоят из твердого вещества-дентина, а поверхность зубов покрыта слоем твердого, но хрупкой эмали. Зубы портятся, если после очень горящей пищи принимать холодную или наоборот, так как эмаль расширяется и сужается , а это ведет к трещинам на ней.

2.Сырая вода закипает быстрее, чем кипяченая , так как кипяченая имеет меньше растворенного воздуха.

3.Ожоги кипящим маслом всегда сильнее, чем ожоги кипящей водой, так как масло имеет большую теплоту парообразования

4.Свежесть куриных яиц можно определить, погружая их в воду. Долго хранящиеся яйца всплывают со дна сосуда, так как при долгом хранении часть влаги внутри яиц испаряется.

5.Если воронка плотно входит в горлышко бутылки, то через нее почти невозможно налить жидкость в эту бутылку. Воронку приходится приподнимать, так как давление воздуха внутри бутылки становится больше атмосферного.

6.Пища подгорает быстрее в медной посуде, чем в чугунной, так как  теплопроводность меди больше.

7.В новом чайнике вода нагревается быстрее, чем в старом с накипью, так как теплопроводность накипи мала.