3. Densitet och tryck
Centralt innehåll
Kapitlet handlar om:
● att alla ämnen och föremål har densitet
● att densiteten hos ett föremål beror på dess massa och volym
● lyftkraft i vatten
● tryck, som är beroende av kraft och area.
Undervisningstips och tilläggsinformation
I boken finns rutor som förklarar formler för uträkningar inom fysiken. I början av lärarmaterialet till kapitel 1 finns ett dokument med bokens alla formler samlade. I dokumentet finns även några tilläggsuppgifter att räkna.
s. 52 Inledningsbilden kan ge upphov till många diskussioner
Hur högt måste lufttrycket inne i en tryckluftshall vara för att hålla hallen uppe?
Här kan vi reducera problemet till skillnaden i lufttryck på insidan jämfört med på utsidan. Vi utgår från lufttrycket utanför och kallar det P. Trycket inne i hallen måste då vara högt nog för att lyfta materialet hallen är byggd av. Vi kan anta att materialet väger 10 kg per kvadratmeter. En kvadratmeter av materialet dras då mot marken med en kraft av
10 kg ⋅10 m/s²=100 N. 100 N per kvadratmeter är 100 Pascal. Det kan uttryckas som 1 hPa vilket är detsamma som 1 millibar. Lufttrycket inne i hallen trycker lika mycket åt alla håll, vilket betyder att det räcker att trycket inne i hallen är en millibar högre än trycket utanför för att hallen ska hållas utspänd. Dock räcker det inte för att hålla hallen stabilt i blåsväder och i snöväder. Därför kan tryckskillnaden vara två millibar mellan ut- och insidan.
s. 53 Vattenglaset och kartongbiten
Häll vatten i ett dricksglas och täck glasets öppning med en pappskiva. Dricksglaset behöver inte vara helt fullt med vatten. Håll fast skivan med ena handen och vänd upp och ner på glaset och notera att skivan blir kvar. Skivan kommer att bukta ner en aning och därmed minskar trycket inne i glaset. Det yttre atmosfärstrycket trycker upp skivan.
s. 55 Ägget i bägaren
Saltvatten är tyngre, har alltså högre densitet, än vanligt vatten och därför flyter ägget. Matoljan är lättare, har alltså lägre densitet än saltvattnet, och lägger sig ovanpå saltvattnet. Ägget, som har en densitet mellan saltvattnets och oljans, lägger sig i mitten.
När du tillsätter salt blir vattnet tyngre och får högre densitet. Om du tillsätter tillräckligt mycket salt kan ägget flyta. Diskutera med eleverna om de har märkt att det är lättare att simma i salt vatten än i sött vatten. Detta beror på densiteten och att du tränger undan mera vikt i saltvatten än i sötvatten. Saltvatten har högre densitet än sötvatten.
Eleverna behöver en densitetstabell när de gör experimentet.
Pdf-dokument att skriva ut.
s. 58 Jordmånen på främmande planet
Jobba i par. Den ena i paret är forskaren som finns på jorden medan den andra är roboten, som finns på en annan planet. Robotarna och forskarna skall vara så långt från varandra det går, helst i olika rum. Vi föreställer oss att roboten är placerad på en främmande planet och ska skicka data till en forskare hemma på jorden. Roboten tar med sig de tre mjölkpaketen till sin plats på den främmande planeten. Hen väljer ut ett av paketen, som alltså består av 1 liter jord, tar en bild av det då det står på vågen och skickar bilden, från vilket framgår provets massa, till forskaren. Forskarens uppgift är att först räkna ut densiteten för jorden på bilden. Sedan kan hen väga upp en deciliter åt gången av de olika proven hen har i skålarna och räkna ut deras densiteter för att kunna avgöra vilket av proven som motsvaras av jorden från den främmande planeten.
s. 60 Vad flyter, vad sjunker?
Att en del material flyter och andra sjunker beror på materialets täthet, densitet. Frigolit har låg täthet, till och med lägre än vad vatten har. Därför flyter det på vatten. Järn har hög täthet, högre än vatten. Därför sjunker det i vatten. Vilka material har lägre densitet än vatten och vilka har högre? Testa olika föremål av till exempel sten, trä, porslin, glas, stearin, olja, koppar, aluminium, kork.
Ägget är tyngre än vattnet. Vi säger att ägget har högre densitet eller täthet än vatten. Korken har däremot lägre densitet än vattnet och därför flyter korken medan ägget sjunker.
Dricksglaset i punkt 4 sjunker direkt eftersom det stjälper och fylls med vatten. Om ni däremot stöder upp glaset med handen eller sätter något tungt i botten hålls det flytande. Det hålls också flytande ifall ni har en del vatten i botten på glaset. Stora passagerarfartyg balanseras ofta med vatten i tankar långt nere i båten, så kallade ballasttankar.
s. 63 Vattnets lyftkraft
När eleverna har märkt ut vattenytans läge på mjölkpaketet kan du be dem räkna ut volymen för den delen av paketet som är under vattenytan. Använd gärna enheten dm så att resultatet är lätt att omvandla till liter. Låt dem sedan fundera på hur mycket den volymen vatten skulle väga. Alternativt kan man helt enkelt tömma paketet med sand och sen fylla det med vatten upp till vattenlinjen och väga det.
Video:
Titta på videon om varför skepp flyter.
s. 66 Hur mycket lättare blir ett föremål som sänkts i vätska?
Tänk på att du behöver göra den mättade koksaltslösningen i god tid före experimentet. Natriumkloridens löslighet vid 20 °C är 35,9 g per 100 g vatten. Det motsvarar en salthalt av 26,43 % och då är lösningens densitet 1,199 g/cm³. Lösligheten ökar bara lite vid ökad temperatur. Etanol finns i olika brännvätskor, till exempel i Sinol eller Marinol.
Diskutera vad vågens resultat beror på. Hur hänger det ihop med Newtons tredje lag? En våg visar alltid motkraften till lyftkraften.
Arkimedes princip:
Om en sten läggs i vatten så kommer den att sjunka. Det beror på att stenens densitet är större än vattnets. Samtidigt kommer stenen att vara lättare när den är under vattnet än vad den är ovanför i luften. Det beror på vattnets lyftkraft som påverkar stenen uppåt.
Denna lyftkraft kommer att vara lika stor som tyngden av det vattnet som trängs undan av stenen.
s. 70 Vilken spets tränger lättast in i apelsinen?
Ju spetsigare ett föremål är, desto mindre är ytan som kraften koncentreras till.
s. 72 Den sprutande flaskan
Det sprutar från det nedersta hålet i flaskan både längst tid och med den längsta strålen. Trycket i strålen avtar steg för steg uppåt. Trycket i vattnet blir större ju djupare ner i flaskan vi kommer. Så är det också när man dyker: ju djupare ner man kommer, desto större blir trycket eftersom man har mer vatten ovanför sig.
Video:
Titta på videon om luft och lufttryck. Experimentet på sidan 72 i boken visas i detta videoklipp. Vi får också veta hur ett flygplan hålls i luften och vad som skulle hända om ett fönster skulle gå sönder när flygplanet befinner sig på hög höjd.
Video:
Titta på videon om lufttryck, den mystiska glaskulan. Går det att blåsa upp en ballong inne i en glasbehållare? Jonas experimenterar och förklarar.
Visa eleverna hur man kan flytta mätaren för att mäta trycket på olika djup. Enklast görs det om man fyller bassängen ända upp och använder rutnätet för att visa djupet. Låt sedan eleverna experimentera själva med exempelvis olika former på bassängen eller med att avlägsna trycket från jordens atmosfär.
s. 75 Bygg en modell av ett vattentorn
Den enklaste varianten här är att trä en slang på en tratt och låta tratten fungera som vattentorn och slangen utgöra vattenledning. Hur högt kan du lyfta den fria ändan av slangen och fortfarande få vatten att strömma ur den? Det har ingen betydelse hur lång slangen är, så jobba gärna med en rejält lång slang för att betona hur systemet fungerar. Det är endast höjden som avgör. Givetvis kan ni utveckla ert vattentorn och göra en vacker modell med förgreningar på slangen.
s. 76 Lufttornet
Ju lägre ner i lufttornettornet något som kan komprimeras placeras, desto mer trycks det ihop av det som finns ovanför i tornet. Om 20 elever placerar sig ovanpå varandra kommer 19 elever att trycka ihop den elev som är längst ner. Den som är näst längst upp har bara en kompis som pressar på.
s. 79 Bygg din egen barometer
Så här fungerar barometerburken:
Högt atmosfärstryck trycker på ballonghinnan och får den att bukta inåt. Den fasttejpade ändan av sugröret sjunker, vilket får den andra ändan att lyftas upp. När atmosfärstrycket är lågt är luftens tryck inuti burken högre och lyfter upp den tejpade delen av sugröret som börjar peka neråt. Temperaturen påverkar också atmosfärstrycket så att din barometer behöver en konstant temperatur för att vara exakt. Håll barometern borta från ett fönster eller andra platser som upplever temperaturförändringar.
Med hjälp av en barometer kan du förutsäga vädret. Vädermönster är förknippade med regioner med högt och lågt atmosfärstryck. Stigande tryck är förknippat med torrt, svalt och lugnt väder. Snabbt sjunkande lufttryck förutsäger regn, vind eller stormar.
● Snabbt stigande tryck som startar från genomsnitt eller högt tryck under vackert väder indikerar att en lågtryckscell närmar sig. Du kan förvänta dig att trycket börjar sjunka när dåligt väder närmar sig.
● Snabbt stigande tryck efter en period med lågt tryck innebär att du kan förvänta dig en kort period med bra väder.
● Långsamt stigande barometertryck under en vecka indikerar bra väder som håller fast ett tag.
● Långsamt fallande tryck indikerar närvaron av ett närliggande lågtryckssystem. Förändringar i ditt väder är osannolikt just nu.
● Om trycket fortsätter att sjunka långsamt kan du förvänta dig en lång period av dåligt väder.
● Ett plötsligt tryckfall över några timmar indikerar en storm som närmar sig inom 5–6 timmar. Stormen involverar förmodligen vind och nederbörd, men kommer inte att pågå länge.
Bildanalysfrågor
Här finns frågor som förslag till ganska fri bildanalys. Du kan använda frågeorden på pärmen, välja bland frågorna här under eller formulera helt egna frågor och funderingar.
s. 52 Inledningsbilden
Vilka delar av bilden känns mest bekanta för dig?
Vilka risker finns det med en tryckluftshall i det nordiska klimatet?
Har ni hört, sett eller läst om någon tryckluftshall som inte klarat vintern? Vad hände?
Har det någon betydelse om skridskoåkarens skridskoblad är långa eller korta?
Kan de bli för långa, tror du?
Vad kan hända som får en båt att sjunka ner i vattnet?
Hur konstrueras båtar för att minimera den risken?
s. 62 båda bilderna
På vilket sätt hör de här bilderna ihop?
Hur kan båten flyta även om den inte har en klassisk köl?
Hur fungerar en roddbåt om den har liknande botten som det stora fartyget?
Vad måste man tänka på när ett stort lastfartyg lastas?
Hur påverkar vinden ett lastfartyg, tror du?
s. 64 Flickan, ankaret och stenen
Varför orkar flickan bära den tunga stenen?
Är det någon skillnad om hon tappar stenen på tån i vattnet eller på land?
Vad händer om bojen går sönder så att luft kommer ut?
Vad händer om vattennivån stiger väldigt mycket?
Vad kan hända med din båt om du ankrat den i bojen och vattennivån mitt i allt blir mycket, mycket lägre?
s. 72 Dykarbilden
Vad gör personen på bilden?
Vilken utrustning har hen?
Varför måste hen dyka försiktigt och tillräckligt långsamt neråt?
Vad händer om hen dyker riktigt långt ner och sedan kommer upp snabbt?
Vid vilka olika tillfällen kan dykare hjälpa människor?
Har du hört om några fall där dykare räddat människor ur faror?
Facit till räkneuppgifter
s. 57
1.
Volymen: V = 2 l = 2 dm³
massan: m = 1,72 kg
r = 1,72 kg/2 dm³ = 0,86 kg/dm³ = 0,86 kg/l
2.
Massa: m = 32,4 g
Volymen = 12 cm³
r = 2,7 g/cm³ vilket är aluminiums densitet.
Obs! För denna uppgift behöver eleven en densitetstabell.
s. 59
0,76–0,85 g/cm³ – äpple
0,28–0,55 g/cm³ – kork
2,7 g/cm³ – stenen, som är av granit
7,9 g/cm³ – bulten
1,05 g/cm³ – ägget
0,275–0,325 – torr tallbarkö
nära vattnets densitet – sugröret
Facit till uppgifter på sidorna 80–81
1.
A)
När skridskoåkarna står upp utsätter de isen för högt tryck, eftersom ytan på skridskons skena är så liten (trycket får snön/isen att smälta en aning under skenan så att skridskoåkaren kan glida framåt). För att minska på trycket kan hen lägga sig ner och åla på isen.
Båtens totala densitet blir större då den fylls med vatten istället för luft.
2.
densitet = massan / volymen, densitet = 6 kg/2 dm³ = 3kg/dm³ = 3 kg/l
3.
Om det är högtryck, det vill säga om lufttrycket är över 1013 hPa, så är det ofta klart medan lågtryck ofta för med sig mulet och regnigt väder.
4.
Densiteten för guld = 19,3 kg/dm³
x/13 dm³ = 19,3 kg/dm³
x = 19,3kg/dm³ ⋅ 13 dm³ = 250,9 kg.
Alternativt:
13 dm³ ⋅ 19,3 kg/dm³ = (13 dm³ ⋅ 19,3 kg)/dm³≈ 250 kg
5.
A) lyftkraften = det undanträngda vattnets tyngd minus dunkens tyngd.
10 liter vatten väger ungefär 10 kg. Dunken väger mindre än 1 kg. Lyftkraften är då något mer än 9 kg ⋅ 10 m/s² = 90 N. Lyftkraften är alltså mer än 90 N, men kan inte nå 100 N, vilket skulle kräva att dunken i sig själv vore viktlös.
B) Med samma kraft som lyftkraften i A, alltså mellan 90 N och 100 N. Detta ifall dunken trycks ner med öppningen överst. Om dunken hålls liggande till en början kommer Knut undan med mycket liten kraft.
6.
Eftersom lufttrycket sjunker ju högre upp man kommer. Upp till ca. 500 meters höjd avtar lufttrycket med ungefär 1 hPa för var åttonde meter. Jämför gärna med tornet av kläder. Ju högre upp i tornet man kommer, desto mindre vikt pressar på ovanifrån.
Ordförklaringar
● Barometer
● Densitet
● Högtryck
● Lufttryck
● Lågtryck
● Tryck
● Volym
● Vätsketryck
● Ytspänning
Pdf-dokument att skriva ut. Kontrollera inställningarna på din skrivare så att korten skrivs ut rätt. Ordet ska finnas på kortets ena sida och förklaringen på andra sidan.