Versione italiana
Program Skupnostne Iniciative InterreG III - ITALIJA - SLOVENIJA 2000 - 2006
Materiali za inovacijo didaktike v fiziki v podporo zacetnemu izobrazevanju in v sluzbi uciteljev
Razumeti fluide - Mikroskopski in mezoskopski modeli

Italiano Kartezijev plavač – potapljač

Izdelaj demonstracijski poskus znan pod imenom Kartezijev plavač, tako da bo utež plavača iz železa (feromagnet). Primeren plavač lahko izdelaš iz prepognjene slamice in kovinskega krokodila, ki ga uporabljamo pri poskusih z elektriko (glej Sliko 1 ).


Slika 1

Plastenko napolni do vrha z vodo in vanjo postavi obtežen plavač. Če plavač potone, uporabi daljšo slamico. Plavač je primerno obtežen, če iz vode moli le kakih 5 mm plavača. Ko je plavač primerno obtežen, zapri plastenko in nanjo natakni kovinski obroč, ki ga uporabljajo za pritrjevanje debelih cevi (konca obroča sta spojena z vijačnim mehanizmom, ki omogoča spreminjanje premera obroča). Posebej pomembno je, da izbereš obroč, ki je izdelan iz nemagnetne kovine (nerjavno jeklo oz. »rostfrei«) in s tem preprečiš, da bi morebitno namagnetenje obroča vplivalo na kovinski del plavača!
Z izvijačem privijaj vijak na obroču, dokler obroč tesno ne objame plastenke. Če je premer obroča prevelik si lahko pomagaš z zamaškom, ki ga podložiš pod obroč (glej Sliko 2).


Slika 2: Kartezijev plavač – potapljač

Premer obroča še naprej zmanjšuj s privijanjem vijaka, dokler v nekem trenutku plavač ne potone. Nato počasi odvijaj vijak, dokler se plavač ne začne leno dvigovati od tal in počasi splava na vrh plastenke. Zdaj je plavač pripravljen za glavni poskus: z magnetom v roki pritegni kovinski del plavača  in mu daj rahel sunek v smeri proti dnu. Plavač bo potonil in se ne bo več dvignil na površje. Če mu v tej legi damo z magnetom rahel sunek v smeri navzgor, bo plavač zopet splaval na vrh plastenke. Z nekaj vaje lahko najdemo globino v plastenki, pod katero plavač vselej potone in nad katero vselej splava na vrh.

Cilji

Razumevanje odvisnosti vzgona od globine za primere, pri katerih večji del telesa zapolnjuje zračni mehur, ki je izpostavljen hidrostatskemu tlaku. Sinteza in uporaba znanja pridobljenega pri obravnavi statike tekočin (vzgon, tlak), termodinamike (Boylov zakon) in mehanike (Newtonovi zakoni).

Aktivnosti učencev 

1. Učenci naj najprej opazujejo in razumejo delovanje običajnega Kartezijevega plavača. Če imamo na voljo šolsko opremo za računalniško podprte meritve, izmerimo še, kako se spreminja tlak v plastenki, med tem, ko jo stiskamo.
2. Nato usmerimo pozornost na spreminjanje hidrostatskega tlaka z globino in vprašajmo, kako ta vpliva na velikost zračnega mehurja v plavaču (primerjamo lahko tipično vrednost hidrostatskega tlaka in izmerjeno vrednost spremembe tlaka pri stiskanju in tako pokažemo, da je v primeru plastenke prvi mnogo manjši od drugega).  
3. Sledi pomemben razmislek o limitnem primeru: »kaj bi se zgodilo, če bi lahko plavač potisnili še globje, recimo v globokem jezeru?« Z dodatnimi vprašanji skušamo doseči, da učenci sami spoznajo, da bi plavač pod neko globino začel toniti.
4. Nadaljujemo s sklepom, da lahko dosežemo, da plavač potone na dva načina: tako, da zvišamo tlak nad vodo ali da potisnemo plavač do določene globine. V opisanem poskusu oba načina združimo in tako »skrčimo« kritično globino, pod katero plavač tone, na območje višine vode v plastenki.   

Nekaj vprašanj s katerimi usmerjamo aktivno učenje in razmišljanje učencev:
(vprašanja, ki se nanašajo na zaprto plastenko, polno vode; fizikalno sliko bo lažje graditi, če povemo, da je na vrhu zaprte plastenke majhen zračni mehur)
Kako se z globino vode v plastenki spreminja tlak, preden plastenko zapremo?
Kako se spremeni tlak na določeni globini v plastenki, ko plastenko stisnemo?
Ali se pri stiskanju plastenke plavaču spremeni masa? Razloži zakaj?
Ali se pri stiskanju plastenke plavaču spremeni prostornina? Razloži zakaj? Kako?
Ali se pri stiskanju plastenke plavaču spremeni gostota? Razloži zakaj? Kako?

(Podobno kot zadnja tri vprašanja, le da se nanašajo na potiskanje plavača proti dnu v globokem jezeru.)
Zakaj mora biti utež plavača iz železa?
Predlagaj, kako bi iz meritev pri opisanem poskusu določil kritično globino, do katere bi morali potisniti plavača v globokem jezeru, da bi začel toniti. (Izmeriti moramo tlak v plastenki, pri katerem so dosežene razmere, ki so opisane v poskusu. Iz podatka o tlaku lahko izračunamo kritično globino).
Kako bi na izide opisanih poskusov vplivalo povečanje/zmanjšanje temperature vode v plastenki?

Napotki za učitelj

Starost: 15-18 let
Predvideno predznanje: tlak v tekočinah, vzgon, Boylov zakon, Newtonovi zakoni

Didaktični napotki

Če le čas dopušča, naj učenci sodelujejo pri izdelavi plavača. Poskus je posebej primeren za delo v manjših skupinah, kjer vsaka skupina izdela svoj plavač in nato raziskuje njegove lastnosti.
Posebej pomembno je, da učenci razumejo, kako se plavaču spreminja povprečna gostota, zato je pri demonstracijski izvedbi poskusa nepogrešljiva velika in jasna slika, ki prikazuje zgradbo plavača.
Opisani poskus lahko povežemo z delovanjem ribjega mehurja ali vloge zraka v potapljaški obleki, lahko pa ga uporabimo kot demonstracijski poskus pri razlagi omenjenih primerov.

Praktični napotki

Če plastenko napolnimo z vodo iz pipe, pustimo odprto plastenko stati nekaj ur, da se plini, ki so raztopljeni v vodi izločilo. Na stenah plastenke se naberejo drobni mehurčki, ki splavajo na površje, ko plastenko rahlo stresemo.
Po končanem poskusu vzamemo potapljača iz vode in ga osušimo, sicer lahko železni krokodil zarjavi in rjavo obarva vodo.