6 egyszerű fizikai tudományos kísérlet gyerekeknek

A fizika az anyaggal, energiával, mozgással és erővel foglalkozó természettudomány. A fizika tanulmányozásának célja, hogy megértsük, hogyan működik a világunk, és ezen keresztül az univerzumunk! Íme 6 szuper egyszerű tudományos kísérlet a gyerekek számára a sűrűség, a gravitáció, az elektromosság és a nyomás felfedezésére. A szükséges anyagok valószínűleg már a ház körül hevernek: tojás, víz, ételfesték, narancs, fésű és még spagetti is!

A víz sűrűségének megváltoztatása

Láttál már télen befagyni egy tavat? Amikor a hőmérséklet csökken, a tetején jégréteg képződik, de a jégréteg alatt a tó még mindig ott van. Miért történik ez, és szerinted miért olyan fontos ez? Ezekkel a kérdésekkel foglalkozunk a következő kísérletben. Alaposan megvizsgáljuk a hőmérséklet hatását a vízre, és megnézzük, mi történik, ha megpróbáljuk összekeverni a különböző hőmérsékletű vizet.

Mire lesz szükséged:

• Két edény, például befőttesüveg vagy mérőpohár
• Víz
• Élelmiszerfesték

Rendezés

1. Adjunk körülbelül négy csésze vizet egy edénybe. Adj hozzá 2-3 csepp kék ételfestéket, és jól keverd össze. Hűtsük le a hűtőszekrényben egy éjszakán át.

2. Melegítsünk fel körülbelül 1 csésze vizet gőzölgőre vagy éppen forrásig. Adjunk hozzá 2-3 csepp sárga ételfestéket, és keverjük jól össze.

3. Lassan öntsünk ~1/4 csésze hideg vizet a forró vízbe. Ügyeljen arra, hogy nagyon lassan és az edény oldala mentén öntse, hogy minimális legyen a keveredés. Látnia kell, hogy két réteg képződik. Mérd le, mennyi időbe telik, amíg a két réteg fokozatosan összeér, és egyetlen zöld réteget alkot.

Mi történik?

A víz hőmérsékletének változtatása befolyásolja a sűrűségét. Amikor a víz felmelegszik, a molekulái rezegnek és mozognak. Ezáltal a közöttük lévő tér megnő, ami kisebb sűrűséget eredményez. Ahogy a víz lehűl, a molekulái lelassulnak és közelebb kerülnek egymáshoz. Ezáltal a víz sűrűbbé válik. A kísérletünkben a lehűlt víz azért süllyedt a fenékre, mert nagyobb volt a sűrűsége, mint a felmelegített vízé. Azért lett zöld színű, mert lefelé menet hozzáért a forró víz egy részéhez, ami lehűtötte és elsüllyesztette azt.

A természetben ez a jelenség felelős a “turnover” nevű folyamatért. A hűvösebb víz süllyedése és a melegebb víz emelkedése a tó rétegeinek keveredését okozza, lehetővé téve a tápanyagok, például az oxigén eloszlását az egész tóban. Akkor miért nem fagy be egy tó alulról felfelé? A víz sűrűsége tovább emelkedik, amíg el nem éri a fagypontot, de utána ismét megváltozik a sűrűsége. A jég sokkal kisebb sűrűségű, mint a folyékony víz, így a megfagyott víz felfelé emelkedik. A jég egy réteget képez a tó felszínén, de a tó alatta folyékony marad, lehetővé téve a növényi és állati élet számára, hogy túlélje a telet.

Hogyan lehet egy narancsot elsüllyeszteni vagy úszni

Ha azt próbáljuk kitalálni, hogy egy tárgy úszni fog-e, hasznos figyelembe venni a tárgy sűrűségét. A sűrűséget a térfogategységre jutó tömegként határozzuk meg, és a nagyobb tömeg-térfogat aránnyal rendelkező tárgyak sűrűsége nagyobb. Azok a tárgyak, amelyek sűrűbbek, mint a víz, elsüllyednek, míg azok, amelyek kevésbé sűrűek, felszínen maradnak.

Miatt, hogy kevésbé sűrű, mint a víz, egy hámozatlan narancs lebegni fog. Értelemszerűen a narancs hámozásának, és ezáltal a tömegének csökkentésének nem vagy csak kis mértékben kell hatnia. Valójában épp az ellenkezője történik. Talán ellentmondásosnak tűnik, de a következő kísérletben látni fogjuk, hogy a narancs hámozása valójában süllyedésre készteti azt.

Mire lesz szükséged:

• Egy széles szájú edény, például egy befőttesüveg
• Egy narancs
• Víz

Vezetés

1. Töltsd meg az üveget annyi vízzel, hogy ellepje a narancsot, ha elmerülne.

2. Óvatosan tegyél egy hámozatlan narancsot a vízbe. Figyeljük meg, mi történik. Süllyed vagy úszik a narancs?

3. Vedd ki a narancsot az üvegből és hámozd meg.

4. Tedd vissza a meghámozott narancsot az üvegbe. Mi történik most a naranccsal?

Mi történik?

A narancs hámozásával úgy tűnhet, hogy a narancsnak még jobban kellene lebegnie, hiszen a hámozással eltávolítjuk a tömegének egy részét, és könnyebbé tesszük. Valójában azt tapasztaljuk, hogy a narancsot meghámozva az elsüllyed. Ez logikátlannak tűnik, amíg nem vesszük figyelembe a sűrűség természetét.

A sűrűséget a térfogatra jutó tömegként határozzuk meg. A narancshéj erősen porózus, ami azt jelenti, hogy sok apró lyuk van benne. A lyukak lényegében apró légbuborékok. Ezek a légbuborékok üres terek, vagy tömeg nélküli zsebek, amelyek a teljes sűrűség kiszámításakor a végeredmény csökkentésére szolgálnak. Ha eltávolítjuk a héjat, a légzsebek is eltűnnek. Most a narancsnak nagyobb a sűrűsége, mert az egységnyi térfogatra jutó tömege megnő. A narancs most sűrűbb, mint a víz. Ezért elsüllyed. Tehát, bár úgy tűnik, hogy az ész ellen hat, az eredmény valójában a sűrűség szabályainak betartása.

Hogyan használjuk a gravitációt arra, hogy megmondjuk, főtt-e a tojás

A “gravitáció” az az erő, amely a föld felé vonz minket, és ez felelős azért, hogy a dolgok a földre esnek, ha feldobjuk őket, vagy ha távolról leejtjük őket. A “súlypont” vagy “tömegközéppont” az a pont, ahol egy tárgy súlya összpontosul. Ez tekinthető annak a pontnak, amelyre a gravitáció hat egy tárgyra.

A stabil súlypont teszi lehetővé az olyan dolgokat, mint a forgó csúcsok, vagy hogy egy kötéltáncos egy vékony dróton egyensúlyozzon. Ezt a jelenséget arra is kihasználhatjuk, hogy megállapítsuk, hogy egy tojás megfőtt-e, anélkül, hogy fel kellene törnünk a tojást!

Mire lesz szükséged:

• 2 tojás
• 1 kis fazék
• Víz a főzéshez

Rendezés

1. Az egyik tojást keményre főzzük. *Figyelem: ez a rész felnőtt felügyeletet igényel. Egy tojást többféleképpen lehet keményre főzni, de ennek a kísérletnek a céljaira meg akarunk győződni arról, hogy a tojás alaposan keményre főtt. Ehhez hagyjuk a tojást legalább 15 percig aktívan forró vízben állni.

2. Szűrjük le a tojást, és öblítsük le hideg víz alatt. Tegyük a tojást legalább egy órára a hűtőszekrénybe. Ez azért van így, hogy ne lehessen egyszerűen a hőmérséklet ellenőrzésével megállapítani, melyik tojás főtt meg.

3. Vegye ki a főtt tojást és a nyers tojást a hűtőből. Forgassa meg a tojásokat, egyesével, egy pulton vagy tiszta felületen. Figyeljük meg a különbségeket az egyes tojások mozgásában. Az egyik tojás simán forog, míg a másik meginog, és nehezen forog.

Mi történik?

A nyers tojás héjában lévő tartalom folyékony, ezért képes mozogni. Amikor megpróbálod megpörgetni a nyers tojást, a tartalma elmozdul. Ezáltal a tojás súlypontja folyamatosan változik. Mivel nincs stabil súlypontja, a tojás nem egyenletesen forog, mint egy csúcs, hanem imbolyog. A főtt tojás viszont belül szilárd. A súlypontja változatlan marad. Ezért a keményre főtt tojás egyenletesen forog, és könnyen megkülönböztethető a nyers tojástól anélkül, hogy bármelyik tojást fel kellene törni.”

Tesztelünk egy spagettihidat

Az építkezés egyik legfontosabb döntése az építőanyagok kiválasztása. A különböző anyagok összetételüktől függően különböző terheléseknek képesek ellenállni. Ezt a fogalmat egy miniatűr híd megépítésével, majd annak teherbíró képességének vizsgálatával vizsgálhatjuk. Főzés nélküli spagettiszálak segítségével megvizsgáljuk, hogy egy adott építőanyag szerkezeti összetétele hogyan befolyásolja a teherbíró képességét.

Mire lesz szükséged:

• Spagetti
• Papírkapocs vagy S-kampó
• Kis papírpohár
• Másfélét

Rendezés

1. Helyezzünk egy szál nyers spagettit két befőttesüveg vagy doboz közé úgy, hogy a spagetti hidat képezzen.

2. Hajlítsuk meg a papírkapcsot úgy, hogy S-kampót formázzon (vagy egyszerűen csak használjunk és S-kampót), és szúrjunk lyukat a papírpohárba. Függeszd fel a papírpoharat a kampóra, majd óvatosan akaszd fel a kampót és a poharat a spagettihídra.

3. Adj a pohárba egyesével érméket. Jegyezd fel, hány érmét tudsz hozzáadni, mielőtt a spagetti elszakad.

4. Állítsd fel újra a kísérletet, de ezúttal két szál spagettit használj a híd megépítéséhez. Hány érmét bír el az új híd, mielőtt most eltörik?

5. Ismételd meg a kísérletet növekvő mennyiségű spagettiszálakkal. Mit veszel észre a híd érmevezető képességével kapcsolatban, ahogy egyre több spagettiszálat adsz hozzá?

Mi történik?

A nyers spagettiszál nagyon törékeny, és elpattan, ha nyomást gyakorolsz rá. Ha azonban további spagettiszálakat adunk hozzá, a nyomás eloszlik a szálak között, így az egyes szálakra kifejtett össznyomás kisebb lesz. A szálak alapvetően megosztják a terhelést, így megnő az érmék száma, amelyeket hozzáadhatunk, mielőtt a híd eltörik.

Egy példa egy olyan építőanyagra, amely ezt az elvet használja, a rétegelt lemez. A rétegelt lemez több vékony fafurnér lapból áll, amelyeket egymáshoz ragasztottak. Ez olyan anyagot eredményez, amely nagyobb nyomást képes elviselni, mint amekkora egyetlen lap esetén lehetséges lenne.

Hogyan készítsünk fésűs “mágnest”

Valószínű, hogy valamikor már találkoztál statikus elektromossággal. Az az apró áramütés, amit néha érzel, amikor egy kilincsért nyúlsz, ahogy a hajad feláll, amikor kifésülöd, ahogy a sapkád a hajadhoz tapad – ezek mind a statikus elektromosság példái.

A következő kísérletben a statikus elektromosságot fogjuk felhasználni egy “mágnes” készítéséhez. Elektromos töltést hozunk létre egy hajfésűn, és megvizsgáljuk, hogyan működik ez a töltés. A kísérlet végére jobban megértjük a statikus elektromosságot, hogy miért viselkedik úgy, ahogyan viselkedik, és mit tehetünk annak érdekében, hogy minimalizáljuk a hatásait a mindennapi életünkben.

Mire lesz szükséged:

• Egy hajfésű
• Egy szövet
• Olló

Vezetés

1. Ha a papírzsebkendőd 2 rétegű, válaszd szét a két réteget, és csak az egyiket használd. Olló segítségével vágja negyedekre a szövetet. Az egyik negyedet tegye laposan egy asztallapra.

2. Fésülje át a haját többször (legalább 12-szer) gyors egymásutánban egy fésűvel. Ez tiszta, száraz hajon működik a legjobban, és a legjobb eredményt a fésű finomabb részével, vagy azzal a végével fogja elérni, ahol a fogak közelebb vannak egymáshoz.

3. Közvetlenül azután, hogy a fésűt végigfuttatta a haján, érintse a fésűt a szövet egyik széléhez. Tudni fogja, hogy sikerült, ha a szövet felemelkedik, hogy találkozzon a fésűvel, amint az a közelébe ér. Az új “mágneses” fésűddel emeld fel a szövetet az asztalról a levegőbe.

Mi történik?

A statikus elektromosság akkor keletkezik, amikor negatív töltésű részecskék, úgynevezett “elektronok” kerülnek egy tárgyra, és hagyják, hogy felhalmozódjanak. Kísérletünk esetében a tárgy a fésű volt. Az elektronok “átugrottak” a hajunkról a fésűre, így a fésű ideiglenesen negatív töltést kapott. Mivel az ellentétek vonzzák egymást, a fésűn lévő negatív töltések a szöveten lévő pozitív töltésekhez vonzódtak, és a szövet “odaragadt” a fésűhöz.

A szárazabb körülmények jobban kedveznek a statikus elektromos feltöltődésnek, ezért van az, hogy télen több statikus áramütést kapunk. Ez azért van, mert a víz nagyszerű vezető. Ha nedvesség van, a felületen természetesen felhalmozódó statikus elektromos töltéseket a levegőben lebegő vízrészecskék elnyelhetik. Ezek a vízrészecskék száraz időben nincsenek jelen, így a töltések felhalmozódnak, hogy aztán egy csapásra szétoszoljanak, amikor egy másik tárggyal, például a kezeddel érintkezel egy kilincsen.

Tojás lebegtetése a vízben

Nem minden lebeg a vízben. Egy tojás például az aljára süllyed, ha egy vízzel teli edénybe tesszük. Egy pingponglabda viszont lebegni fog. Miért történik ez? Mitől úszik vagy süllyed valami? A válasz a sűrűség. Azok a tárgyak, amelyek sűrűbbek a víznél, süllyedni fognak. Azok, amelyek kevésbé sűrűek, lebegni fognak.

A következő kísérletben a sűrűség hatását figyelheted meg a gyakorlatban. A víz sűrűségének megváltoztatásával megváltoztathatjuk egy tojás lebegési képességét.

Mire lesz szükséged:

• Egy átlátszó edény, például egy befőttesüveg
• Egy tojás (Megjegyzés: A tojásnak nem kell keményre főttnek lennie, de talán kevésbé idegőrlő, ha a kicsik egy keményre főtt tojást kezelnek.)
• Víz
• Só

Útmutató

1. Adjunk 1 csésze vizet az üres edénybe, vagy annyit, hogy az edény félig megteljen, és egy tojás teljesen elmerüljön benne. Óvatosan tegyük a tojást a vízbe, és figyeljük meg, mi történik.

2. Vegyük ki a tojást. Adjunk 6 evőkanál sót a tartályban lévő vízhez, és keverjük össze. Óvatosan tegyük vissza a tojást a sós vízbe, és figyeljük meg.

3. Vegyük ki a tojást, és öblítsük le friss vízzel. Lassan, hogy ne zavarja meg a sós vizet, adjon egy csésze tiszta vizet a tartályba. A cél az, hogy a friss vizet a sós vízre rétegezzük, ne keverjük össze a két réteget. Tegyük a tojást harmadszor is a tartályba.

Mi történik?

A tojás sűrűsége nagyobb, mint a vízé, ezért nem fog lebegni. Amikor azonban sót adtunk a vízhez, megváltoztattuk a sűrűségét. Elértük, hogy a víznek nagyobb legyen a sűrűsége, mint a tojásnak. Emiatt a tojás képes volt lebegni. Hogy még jobban kiemeljük ezt a koncepciót, a sós víz fölé egy réteg édesvizet tettünk. A tojás elsüllyedt az édesvízben, de nem süllyedt tovább, amikor elérte a sósvizes réteget.

Az egyik kiemelendő pont az, hogy egy tárgynak nem kell kevesebbet nyomnia, mint a víznek ahhoz, hogy lebegjen, csak kisebb sűrűségűnek kell lennie. Ez azt jelenti, hogy a tömegéhez képest nagyobb számú üres térrel rendelkező zsebekkel kell rendelkeznie. Így képesek úszni a hajók, annak ellenére, hogy olyan nagyok és nehezek, és ezért úszik egy pingponglabda, de egy tojás nem.