بناء أداة لقياس درجة الحرارة (ثِرمومتر)
- المادة: علوم
- المرحلة (الصفوف): ابتدائي (ثالث - رابع - خامس)/ متوسط (أول - ثاني)
- الوحدة: الطقس والمناخ/ الطاقة الحرارية
- مدة النشاط: 30 دقيقة
- المفاهيم العلمية المستهدفة: درجة الحرارة، الثرمومتر
- إعداد وترجمة: رائف بودريس
الفكرة العامة للنشاط:
ستقوم في هذا النشاط ببناء أداة من مواد بسيطة من حولك بحيث يمكنك استخدامها لقياس درجة حرارة الأجسام بشكل نسبي! يُطلق على هذا النوع من المقاييس الذي ستقوم ببنائه في هذا النشاط اسم الثرمومتر.
الأدوات المطلوبة في النشاط:
- ماصة بلاستيكية (يُفضّل أن يكون لونها فاتح وقطرها صغير)
- مسطرة مترية
- قلم أسود وأحمر للتحديد (ماركر)
- قوارير زجاجية صغيرة ضيّقة العنق بغطاء (مثل قوارير ملوّنات الطعام فارغة ونظيفة)
- ملون طعام أحمر أوأزرق.
- معقم سائل (70% إيزوبروبيل)
- مناشف ورقية أو قماشية
- صلصال
- حقنة أو قطّارة (لدواء)
- ماء
- وعاء صغير
- مكعبات ثلج
- مقياس حراري ثرمومتر عادي أو رقمي (اختياري)
الخلفية العلمية للنشاط:
تتكون مقاييس درجة الحرارة من أنبوب ضيق ينتهي بمستودع (خزان) مملوء بسائل، إذا زادت درجة حرارة السائل في المستودع، فإنه يتمدد ويرتفع إلى الأنبوب الضيق. وعندما يبرد السائل، فإنه يتقلص مما يسمح للسائل الموجود في الأنبوب بالهبوط إلى مستوى أدنى. لذلك؛ تشير المستويات العالية من السائل في الأنبوب إلى ارتفاع درجة الحرارة بينما انخفاض المستويات تشير إلى انخفاض درجة الحرارة. عند معايرة مقياس الحرارة، يتم تمييز درجات الحرارة المحدّدة المقابلة لمستويات السائل في الأنبوب الضيق على السطح الخارجي للأنبوب. مثلًا كل ارتفاع واحد درجة على مقياس الحرارة يقابله ارتفاع مستوى السائل بمقدار نصف سنتيمتر.
ويطلق العلماء على ميل المادة إلى تغيير حجمها نتيجة لتغير درجة الحرارة اسم "التمدد الحراري". فالغازات (مثل الهواء) تتمدّد وتتقلص بشكل كبير، والسوائل تتمدد وتتقلص أيضًا، لكن مقدار التغير في حجمها يكون أقل مما عليه في الغازات، حتى المواد الصلبة يتغير حجمها عندما يتم تسخينها أو تبريدها. على سبيل المثال، تكون الجسور أطول قليلاً في الصيف ومع ذلك فإن التغير في حجم المواد الصلبة يكون بسيط جدًا ويصعب ملاحظته بسهولة.
يمكن أن تملأ السوائل المختلفة مستودع مقياس الحرارة، ويعتبر مقدار تمدد السائل لكل درجة مكتسبة في درجة الحرارة (معامل التمدد الحراري)، بالإضافة إلى درجة التجمد ودرجة الغليان كلها عوامل يجب مراعاتها عند اختيار سائل لمقياس حرارة سائل. كما يعتبر حجم الهواء المحصور في الخزان ودرجة حرارته هو عامل آخر يجب مراعاته، أما حجم المستودع ونسبة الهواء داخل المستودع فتحدّد مدى سرعة تعديل مقياس الحرارة للتغيّر في درجة الحرارة.
وينتج عن الأنبوب الضيق مقياس حرارة أكثر دقة؛ لأن نفس تمدد أو تقلص السائل سيؤدي إلى ارتفاع أو انخفاض على مسافة أطول. بالمقابل قد تقلّل الماصة الضيقة من الوصول إلى درجة الحرارة القصوى التي يمكن أن يصل إليها مقياس الحرارة مما يجعل من الصعب إسقاط السائل في الأنبوب.
خطوات البناء:
1) خذ الماصة البلاستيكية الشفافة وضعها بجانب المسطرة، ثم استخدم قلم التحديد (الماركر) لوضع علامة على مسافات متساوية تقدّر بنصف سنتيمتر. ستمثّل هذه العلامات مستوى الحرارة (مرتفع، متوسط، منخفض) على مقياس الحرارة الخاص بك. ويمكنك أن تستخدم لونين مختلفين من أقلام التحديد حتى يسهّل عليك من القراءة على مقياس الحرارة الخاص بك.
2) شكّل كرة من الصلصال واضغط عليها خفيفًا لتكون بشكل قرصي. ثم استخدم الماصة لعمل ثقب في منتصف قطعة الصلصال القرصية وكبيرة بما يكفي للسماح للماصة بالمرور من خلالها، ثم قم بإزالة أي جزء من الصلصال يسد فتحة الماصة.
3) صُب المعقم السائل إلى الزجاجة الصغيرة بمقدار الثلث إلى النصف، ثم أغلق قارورة المعقم فورًا حتى لا يتبخر.
4) أضف بضع قطرات من مُلوِّن الطعام الأحمر إلى المعقم السائل في الزجاجة الصغيرة، ثم أغلق الزجاجة ورجّها حتى تمتزج جيدًا. سيكون هذا بمثابة المستودع المملوء بالسائل لمقياس الحرارة الخاص بك.
سؤال: من وجهة نظرك، ما سبب أهمية تلوين المعقم السائل؟
5) افتح الزجاجة المملؤة بسائل المعقم الأحمر واسحب باستخدام قطّارة الدواء أو الحقنة بالمعقم الأحمر، ثم ضع القطّارة جانبًا بعناية، ويفضّل أن يكون ذلك على منشفة ورقية أو قطعة قماش في حال حدوث أي تسريب. إذا انخفض مستوى السائل في الزجاجة إلى أقل من الربع، أضف القليل من المعقم الأحمر إلى الزجاجة بحيث يكون المستوى بين ربع ونصف الزجاجة.
6) أدخل الماصة البلاستيكية في الفتحة الموجودة في الصلصال، وضع الصلصال على عنق الزجاجة حتى تتدلى الماصة في الزجاجة، اضبط ارتفاع الماصة بحيث تغمر نهايته في السائل، واحرص على عدم لمس الماصة قاع الزجاجة بحيث يكون غالبية الماصة خارج الزجاجة.
سؤال: من وجهة نظرك، لماذا لا يجب أن تلمس نهاية الماصة قاع الزجاجة؟
7) استخدم الصلصال لإغلاق فتحة الزجاجة وثبّت الماصة في مكانها. وتأكّد من أن الصلصال يكون على شكل سدّادة مُحْكمة الإغلاق حول الماصة وفوق الزجاجة، لكن احرص على ألا تغلق فتحة الماصة.
سؤال: هل يمكنك التفكير في سبب ضرورة عدم دخول الهواء إلى الزجاجة؟
8) قم بتقطير محتوى القطّارة أو الحقنة - قطرة بقطرة - في الماصة. ماذا حدث؟
سؤال: إذا ارتفع السائل إلى أعلى الماصة وظلّ ثابتًا، فما سبب ذلك؟ وإذا انسكب السائل داخل الزجاجة، فما سبب ذلك؟
إذا كان الصلصال مُحْكَم الغلق، فلا يمكن أن يخرج الهواء من الزجاجة لإفساح المجال لدخول سائل إضافي؛ لذلك ينسكب السائل أسفل الماصة ويُشكّل عمودًا. أما إذا لم يكن الصلصال محكم الغلق، فسوف يتدفق السائل عبر الماصة إلى المستودع مما يؤدي ذلك إلى دفع الهواء خارج الزجاجة. إذا حدث معك ذلك، فقم بإزالة الصلصال والماصة والعودة إلى الخطوة 2، وتأكد من أن الصلصال مُحْكَم الغلق عند عنق الزجاجة وحول الماصة عند تنفيذ الخطوة 7.
9) يجب أن يصل مستوى السائل في العمود إلى منتصف الجزء المرئي من الماصة. وإذا لزم الأمر، استخدم القطّارة أو الحقنة لإضافة المزيد من المعقم السائل (غير الملوّن) إلى الماصة.
10) راقب مستوى السائل في الماصة (حيث يشير هذا المستوى إلى درجة حرارة الغرفة)، ثم استخدم قلم التحديد (الماركر) لعمل رمز صغير يشير إلى مستوى السائل على الماصة عند هذه الدرجة.
سؤال: هل سيتغير مستوى السائل في الماصة إذا تم تبريد أو تسخين المستودع (الزجاجة المملؤة بالمعقم الملون)؟
11) للاختبار، صب ماء بارد إلى الوعاء، ثم ضع مكعبات الثلج في الماء حتى تصل درجة حرارة الماء إلى 0 سلسيوس (32 درجة فهرنهايت) باستخدام مقياس حرارة عادي أو رقمي.
سؤال: ما الذي سيحدث إذا وضعت مقياس الحرارة في الحمام المائي البارد؟
12) ضع مستودع مقياس الحرارة الخاص بك في الماء والثلج، واترك مقياس الحرارة لفترة زمنية كافية.
سؤال: صف ما حدث. هل هو مطابق أم مختلف عمّا توقعته؟ كيف يمكن أن يساعدك ما حدث في إضافة مؤشر أو مستوى جديد إلى مقياس الحرارة الخاص بك؟
13) حدّد مستوى السائل في الأنبوب الضيّق مشيرًا إلى 0 درجة سلسيوس / 32 درجة فهرنهايت.
14) لاختبار ما يحدث إذا تم تسخين المستودع، ضع يديك حول الزجاجة ولاحظ النتائج. انتظر قليلًا، فقد يستغرق السائل في المستودع بعض الوقت حتى يتوقف.
سؤال: هل سيتغير مستوى السائل في الماصة؟ وهل تغيّر كثيرًا أم قليلًا فقط؟ فسّر ما حدث؟
15) ضع بعضًا من ماء الصنبور متوسط الحرارة في وعاء صغير آخر، ثم ضع مستودع مقياس الحرارة في الماء. امنح مقياس الحرارة وقتًا كافيًا حتى يتوقف. وانتبه جيدًا إلى ارتفاع السائل إلى مستوى قريب من الجزء العلوي من الماصة.
سؤال: كيف سيتغير مستوى السائل في الماصة؟ هل تغيّر أكثر مما كان عليه سابقًا عندما قمت بإمساك الزجاجة باستخدام يديك؟ ولماذا؟
سؤال: ما سبب تدفق السائل من الفتحة العلوية للماصة؟ وما الذي يمكنك تغييره في مقياس الحرارة لمنع حدوث ذلك؟
ربط النشاط بواقع الحياة
تكون مقاييس الحرارة مفيدة عندما نحتاج إلى معرفة درجة حرارة الأجسام والمواد من حولنا لمنع إصابات الحروق وضمان سلامة الأشخاص في جميع الأماكن. كما تفيدنا مقاييس الحرارة لمعرفة درجة حرارة الطقس واختيار الملابس المناسب ارتداؤها في ذلك اليوم، والتعرف على درجة حرارة أجسامنا الطبيعية والكشف عن حالات الحُمّى المصاحبة لبعض الأمراض مثل الإنفلونزا والالتهابات وغيرها. والتعرّف على درجة حرارة المَركَبات التي نقودها وأخذ الاحتياطات والإجراءات اللازمة عند حدوث ارتفاع أو انخفاض درجة حرارتها. كما أننا نستخدم مقاييس الحرارة لمعرفة درجات الحرارة الصحيحة لطبخ المأكولات والمخبوزات، وإجراء بعض التفاعلات الكيميائية داخل المعامل والمختبرات.
كيف حدث التكامل بين مجالات STEM في هذا النشاط؟
*العلوم: التعرف على أنواع السوائل ومقاييس الحرارة، وأهميتها في التعرّف على درجة حرارة الأجسام.
*التقنية: استخدام أنواع السوائل والأدوات لصنع مقاييس حرارة مختلفة ومتعددة الاستخدامات.
*التصميم الهندسي: مراحل عملية التصميم الهندسي لبناء التحديات والمشاريع المطلوبة.
*الرياضيات: حساب أبعاد مقياس الحرارة، والفروقات في اختلاف درجات الحرارة، واستخراج معامل التمدد الحراري للسوائل.
كيف ننمي مهارات التعلم للقرن الواحد والعشرين في هذا النشاط؟
*التعاون: تقسيم طلاب الفصل إلى مجموعات وتوزيع الأدوار على كل عضو.
*التفكير الإبداعي: تقوم كل مجموعة بتوليد أفكار لتطوير مقياس الحرارة الخاص بهم، أو ابتكار مقياس حرارة جديد.
*التفكير الناقد: اختيار فكرة لمقياس حرارة جديد والعمل عليه بعد دراسته وتحليله، والإجابة على أسئلة التفكير الناقد والتأمل حول موضوع النشاط، وتقييم مقاييس الحرارة للمجموعات الأخرى اعتمادًا على بطاقة تقويم الأداء المصممة من قبل المعلم.
*التواصل: عرض مقياس الحرارة الخاص بكل مجموعة أمام باقي المجموعات الأخرى أو في المعارض أمام الجمهور باستخدام التواصل اللفظي وغير اللفظي.
التحديات والمشاريع المطلوبة:
- قم ببناء مقياس حرارة يعطي نتائج أقرب للدقة من مقياس الحرارة البسيط الذي قمت ببنائه في هذا النشاط.
- حاول صنع مقياس حرارة باستخدام ماصة قطرها أكبر أو أصغر من قطر الماصة المستخدمة في هذا النشاط. هل سيكون مقياس الحرارة الجديد أكثر أو أقل دقة مقارنةً بمقياس الحرارة الأول؟
- قم ببناء مقياس حرارة يمكنه قياس درجة حرارة المواد أقل من -10 وأعلى من 120 سلسيوس.
- قم ببناء مقياس حرارة إلكتروني باستخدام حقيبة المايكروبت أو الأردوينو.
المصدر الأصلي للنشاط:
https://www.sciencebuddies.org/stem-activities/homemade-thermometer
