Mekanik Deneyleri II Yazar Prof.Dr. Ertuğrul YÖRÜKOĞULLARI ÜNİTE 6 Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; iş-enerji, basit makina, sıvı ve gazların basıncı, Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac yasaları ile ilgili bazı deneyleri öğrenmiş olacaksınız. İçindekiler Giriş 59 İş-Enerji Deneyleri 59 Sıvı ve Gazların Basınç Deneyleri 64 Gazlarda Hacim-Basınç, Sıcaklık-Hacim ve Sıcaklık-Basınç İlişkisi 67 Özet 71 Değerlendirme Soruları 72 Yararlanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar 73
Çalışma Önerileri Bu üniteyi çalışmadan önce deneylerle ilgili kavramları gözden geçiriniz ve deneyde kullanılan araç ve gereçleri temin ediniz. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 59 1. Giriş Ünite 5'in devamı olan bu ünitede, enerji dönüşümü basit makina deneyleri, sıvı ve gaz basıncı ile kaldırma kuvveti deneyleri ile Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac Yasası deneyleri 6, 7 ve 8. sınıf Fen Bilgisi Ders Kitabına paralel olarak hazırlanmıştır. Bu deneyler, derste anlatılan kavramların pekişmesi yanında kavramların kalıcı olmasını sağlayacaktır. 2. İş-Enerji Deneyleri 2.1. Enerji Korunumu (Enerjinin Dönüşümü) Deney 1: Enerji Korunumu (Enerjinin Dönüşümü) Deneyin Amacı: Potansiyel enerjinin kinetik enerjiye, kinetik enerjinin potansiyel enerjiye dönüşümünün incelenmesi. Deneyle İlgili Temel Kavramlar: İş, enerji, potansiyel enerji, kinetik enerji, enerjinin korunumu. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Metre, bilye veya top, çift kollu terazi. Deneyin Yapılışı Elinizdeki top veya bilyeyi 1 m, 0,75 m, 0,5 m ve 0,25 m yükseklikten bırakarak topun zeminden sıçradıktan sonraki yüksekliklerini tayin ediniz. Bu bulguları hazırladığınız bir tabloya yerleştiriniz (Şekil 6.1). Top veya bilyenin kütlesini tartınız. 1 m 0,75 m 0,5 m 0,25 m Şekil 6.1: Topun Zemine Değişik Yüksekliklerden Bırakılması AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
60 MEKANİ K DENEYLERİ II Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar: a. Topun, zeminden 1 m, 0,75 m, 0,50 m ve 0,25 m yükseklikte potansiyel enerjilerini U = mgh ifadesine göre hesaplayarak hazırladığınız tabloya yerleştiriniz. g = 10 m/s 2 alınız. b. 1 m, 0,75 m, 0,50 m ve 0,25 m yükseklikten bırakılan topun zeminden sıçradıktan sonra çıktığı yükseklikleri bulunuz. Daha sonra topun potansiyel enerjisini, U = mgh ifadesini kullanarak her durum için bulunuz (g = 10 m/s 2 alınız). c. a ve b şıklarında hesaplanan potansiyel enerjiler eşit midir Enerjiler eşit değilse nedenini araştırınız. d. a şıkkında, topun herbir durumda yere çarptığı andaki kinetik enerjilerini U = E k 'den faydalanarak hesaplayınız. Bu enerjiden faydalanarak topun yere çarptığı andaki hızını E k = 1 2 mv 2 ifadesini kullanarak bulunuz. Enerjinin korunumu ilkesini açıklayınız. "Enerji Üretimi" ifadesi doğru mudur Tartışınız. Enerji kaynaklarını sınıflandırınız. 2.2. Basit Makine Deneyleri Deney 2: Basit makineler Deneyin Amacı: Basit makineleri tanıma ve bu makineler ile yol ya da kuvvetten kazanç sağlanması. Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Kaldıraç, sabit makara, hareketli makara, çıkrık, eğik düzlem, iş, enerji ve kuvvet. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Kaldıraç kolu, statif çubuk, yarıklı ağırlıklar, yarıklı ağırlık askısı, makara, ip, dinamometre, bağlama parçası, üç ayak, hareketli makara, 2 adet ikili makara, kademeli makara, eğik düzlem, küçük araba, cam levha, metre çubuk (1 m). Deneyin Yapılışı a. Şekil 6.2'de görülen deney düzeneğini kurunuz. Kancalı ağırlıklar yardımıyla kaldıraç kolunun 5. deliğine 200 g asınız. 50 g asarak dengeyi sağlayınız. Aynı deneyi çeşitli ağırlıklarla tekrarlayınız. Hazırladığınız bir tabloya bu değerleri yerleştiriniz. Ağırlıkların dönme noktasına olan uzaklıkları da aynı tabloya yerleştiriniz. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 61 Şekil 6.2: Kaldıraç Deneyi b. Şekil 6.3'te görülen deney düzeneğini kurunuz. İpin ucuna farklı ağırlıklar asınız. Alınan yolları ve dinamometreden okunan değeri hazırladığınız tabloya yerleştiriniz. Şekil 6.3: Sabit Makara Deneyi c. Hareketli makara ve dinamometreleri kullanarak Şekil 6.4'te görülen deney düzeneğini kurunuz. Makaraya çeşitli ağırlıklar asınız. Dinamometreden okunan değerleri hazırladığınız tabloya yerleştiriniz. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
62 MEKANİ K DENEYLERİ II Şekil 6.4: Hareketli Makara Deneyi d. Palanga ve dinamometre kullanarak Şekil 6.5'te görülen deney düzeneğini kurunuz. Palanganın alt ucuna çeşitli ağırlıklar asarak, ağırlıkları dinamometre ile dengede tutan değerleri bir tabloda toplayınız. Şekil 6.5: Palanga Deney Düzeneği e) Şekil 6.6'daki deney düzeneğini kademeli makara ve dinamometre kullanarak kurunuz. Kademeli makaranın ucuna astığınız ağırlıklar ve dinamometreden okunan değerleri bir tabloya yerleştiriniz. Daha sonra dinamometre ve ağırlıkların yerini değiştirerek aynı tabloyu tekrar hazırlayınız. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 63 Şekil 6.6: Kademeli Makara Deneyi f) Şekil 6.7'de görülen deney düzeneğini kurunuz. Önce arabanın ağırlığını belirleyiniz. Daha sonra çeşitli eğimlerde eğik düzlemi ayarlayarak arabayı eğik düzlem üzerinde çekiniz. Elde edilen verileri hazırladığınız bir tabloya yerleştiriniz. Aynı işlemleri eğik düzlem üzerine cam levha yerleştirerek tekrarlayınız. Şekil 6.7: Eğik Düzlem Deney Düzeneği Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar: a. Kaldıraç deneyi sonucu bulunan her değeri kuvvet x kuvvet kolu = yük x yük kolu için sağlayınız. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
64 MEKANİ K DENEYLERİ II b. Sabit makara deneyinde tablonun incelenmesi sonucu kuvvet ile yük ve kuvvet kolu ile yük kolunun birbirine eşit olduğu görülür. Sabit makarada kuvvetten kazanç olmaz. Yalnızca uygulanan kuvvetin doğrultusu değişir. c. Hareketli makara deneyinde tablonun incelenmesinden görüleceği gibi kuvvet kolu yük kolunun iki katıdır. Bu sonucu hesaplarda doğrulayınız. d) Palanga deney düzeneği ile aldığınız verilerle hazırladığınız tablodan, kuvvet = yük 2 x hareketli makara say s bağıntısını doğrulayınız. e) Kademeli makara deney sonucu hazırlanan tablodan, kuvvet ile yük arasındaki oranın iç ve dış makaraların yarıçapları arasındaki orana eşit olduğu görülür. Buradan, yük x yük kolu = kuvvet x kuvvet kolu bağıntısını gerçekleyiniz. f) Arabayı eğik düzlem üzerinde çekmek için gereken kuvvetin çeşitli eğimlerle değiştiği hazırladığınız tablodan görülür. O halde, kuvvet = yük x eğim bağıntısını doğrulayınız. Arabaya uygulanan kuvvetin, sürtünme ile nasıl değiştiğini araştırınız. Makaraların kullanılma amacını belirtiniz. Basit makarada enerjiden kazanmak mümkün müdür Deneylerde incelenen basit makinalardan başka bildiğiniz basit makinaları sıralayınız. 3. Sıvı ve Gazların Basınç Deneyleri 3.1. Hidrostatik Basınç Deney 3: Hidrostatik Basınç Deneyin Amacı: Sıvı içindeki basıncın derinlikle artması. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 65 Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Yoğunluk, hidrostatik basınç, manometre. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Manometre (U borulu) statif çubuk, üç ayak, bağlama parçası, dereceli silindir, değişik çapta cam boru, lastik boru. Deneyin Yapılışı Manometreyi lastik boru yardımıyla cam boruya bağlayarak Şekil 6.8'deki deney düzeneğini kurunuz. Cam boruyu su içinde çeşitli derinliklere indiriniz. Bu durumda manometredeki civa seviyesi yükselir. Manometredeki değerleri hazırladığınız tabloya kaydediniz. Aynı deneyi değişik çaptaki boru ve sıvı olarak alkol kullanarak yapınız. Şekil 6.8: Hidrostatik Deney Düzeneği Yapılacak İşlemler ve Hesaplar: Hazırladığınız tabloyu kullanarak basıncın derinlikle arttığını, ayrıca basıncın sıvı yoğunluğuna bağlı olduğunu gösteriniz. basınç @ derinlik x yoğunluk x yerçekimi ivmesi olduğunu doğrulayınız. Basınç birimlerini yazınız. Basınç kabın cinsine bağlı mıdır Açıklayınız. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
66 MEKANİ K DENEYLERİ II Basınç sıvılar tarafından iletilir mi Örnek veriniz. 3.2. Kaldırma Kuvvetinin Ölçülmesi Deney 4: Kaldırma Kuvvetinin Ölçülmesi Deneyin Amacı: Archimedes (Arşimet) ilkesinin doğrulanması. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Hidrostatik terazi, Arşimet silindiri, dara, su kabı. Deneyin Yapılışı Terazi kefelerinden birine kovayı ve onun altına da Arşimet silindirini asınız. Teraziyi dengeye getiriniz. Silindiri suya daldırdığınızda denge bozulur. Dengeyi sağlamak için kovaya tamamen su doldurmak gerekir (Şekil 6.9). Şekil 6.9: Arşimet Deney Düzeneği Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar: Deney sonucunda, suyun kaldırma kuvveti için: Batan cismin yer değiştirdiği suyun ağırlığına eşittir ifadesi elde edilir. kaldırma kuvveti = cismin hacmi x sıvı yoğunluğu x yerçekimi ivmesi ifadesini doğrulayınız. Bu kaldırma kuvveti Arşimet itmesi olarak da bilinir. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 67 Arşimet ilkesinden faydalanarak katı bir cismin yoğunluğu nasıl tayin edilir Arşimet ilkesinden bir sıvının yoğunluğu tayin edilebilir mi Gazlar için Arşimet ilkesini açıklayınız. 4. Gazlarda Hacim-Basınç, Sıcaklık-Hacim ve Sıcaklık-Basınç İlişkisi 4.1. Sabit Sıcaklıkta Gazlarda Hacim-Basınç İlişkisi Deney 5: Sabit Sıcaklıkta Gazlarda Hacim-Basınç İlişkisi (Bakınız Ünite 13.4) Deneyin Amacı: Sabit sıcaklıkta havanın hacim-basınç ilişkisinin incelenmesi (Boyle-Mariotte Yasası). Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Basınç, hacim, Boyle-Mariotte yasası. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Dereceli silindir (mezür), ince uzun cam boru (bir ucu kapalı), milimetrik kağıt şerit, dereceli silindiri doldurmak için civa ve barometre. Deneyin Yapılışı Cam boru üzerine milimetrik kağıdı yapıştırın. Dereceli silindiri Şekil 6.10'da görüldüğü gibi civa ile doldurunuz. Sonra cam boruyu, açık ucu aşağıda olacak şekilde civa içine daldırınız ve cam boruyu silindirin dibine değinceye kadar itiniz. P 0 hava basıncını barometreden okuyunuz. Borudaki P civa - yüksekliği ile borudaki havanın hacmini de belirleyiniz. Daha sonra cam boruyu 5-10 cm yukarı çekerek aynı işlemi yapınız. Boru içindeki havanın basıncını, P = P 0 + P civa bağıntısından hesaplayarak P ve V'leri hazırladığınız tabloya yerleştiriniz. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
68 MEKANİ K DENEYLERİ II Şekil 6.10: Boyle-Mariotte Yasası Deney Düzeneği Yapılacak İşlemler ve Hesaplar: a. Hazırladığınız tablodan yararlanarak 1., 2. ve 3. deneyden elde edilen P 1 V 1, P 2 V 2 ve P 3 V 3 değerlerini hesaplayınız. b. P 1 V 1 = P 2 V 2 = P 3 V 3 eşitliğini doğrulayınız. Buna, Boyle-Mariotte Yasası denir. Boyle-Mariotte yasası hangi koşulda geçerlidir Civa sıcaklığının değişmesi sonucu etkiler mi Hava basıncı hesaba katılmadan yapılan hesaplar doğru olur mu 4.2. Sabit Basınçta Gazlarda Hacim-Sıcaklık İlişkisi Deney 6: Sabit Basınçta Gazlarda Hacim-Sıcaklık İlişkisi (Bakınız Ünite 13.4) Deneyin Amacı: Sabit basınçta havanın hacim-sıcaklık ilişkisinin incelenmesi (Gay-Lussac veya Charles Yasası). Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Sıcaklık, hacim, basınç ve Gay-Lussac Yasası. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Termometre (- 10 + 100 C, ispirto ocağı, üç ayak, beherglass, büyük boy enjektör (20 ml), amyantlı tel ve paket lastiği. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 69 Deneyin Yapılışı: Eczaneden temin edeceğiniz 20 ml'lik bir enjektörün, pistonunu yarıya kadar çekerek ucunu kapatınız. Pistonun yerini bir paket lastiği yardımıyla sabitleyiniz. Şekil 6.11'de görüldüğü gibi enjektörü yarısına kadar su dolu olan bir beherglass içine yerleştiriniz. Termometreden suyun sıcaklığını okuyunuz ve kaydediniz. Aynı anda enjektörden havanın hacmini de okuyarak yazınız. Suyu ispirto ocağı ile ısıtarak suyun sıcaklığını 40, 60, 80 ve 90 C'ye çıkarınız ve bu sıcaklıklarda enjektörden havanın hacmini okuyunuz (Şekil 6.11). Şekil 6.11: Gay-Lussac Yasası Deney Düzeneği Okunan değerleri sıcaklık (T) ve basınç (P) değerlerini hazırladığınız bir tabloya yerleştiriniz. (Enjektörü suya batırmak için bir ağırlık kullanabilirsiniz.) Elde edilen verileri kullanarak Hacim-Sıcaklık eğrisini çiziniz. Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar: a. Deneyde ölçtüğünüz sıcaklık değerlerini ( C), hesaplarda kullanılan Kelvin (K)'e çevirmek için 273 ilavesi gerekir. Bunu formülle ifade edersek T = t + 273 olmaktadır. Böylece sıcaklıklar K olarak hesaplanır. Hazırladığınız tablodan yararlanarak, V 1 /T 1, V 2 /T 2 ve V 3 /T 3 değerlerini hesaplayınız. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
70 MEKANİ K DENEYLERİ II V 1 T 3 b. = V 2 = V 3 doğrulanıyor mu Bu bağıntı Gay-Lussac veya Charles Ya- T 1 T 2 sası adını alır. Gay-Lussac Yasası nedir Açıklayınız. Hacim-Sıcaklık eğrisi bir doğru olduğuna göre bu doğrunun uzantısının sıcaklık eksenini kestiği nokta hangi değere eşittir Sıcaklık hesaplarında neden Kelvin (K) kullanılmaktadır 4.3. Sabit Hacimde Gazlarda Basınç Sıcaklık İlişkisi Deney 7: Sabit Hacimde Gazlarda Basınç-Sıcaklık İlişkisi Deneyin Amacı: Sabit hacimde, havanın basınç-sıcaklık ilişkisinin incelenmesi (Gay-Lussac ve Charles Yasası). Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Hacim, basınç, sıcaklık, Gay-Lussac Yasası. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Cam balon, lastik tıpa (2 delikli ve cam balona uygun), termometre (- 10 + 100 C), cam boru, manometre (açık), lastik boru ve beher glass (800 ml) ile gerekli bağlantı elemanları. Deneyin Yapılışı: Lastik tıpanın bir deliğine termometreyi diğer deliğine kısa cam boruyu geçiriniz. Daha sonra lastik tıpayı cam balona geçiriniz. Lastik boru yardımıyla cam boruyu manometreye bağlayınız (Şekil 6.12). Manometreye civa doldurarak civanın her iki kolda aynı seviyede olmasına dikkat ediniz. Manometreden cam borunun bulunduğu taraftaki civa seviyesini ve havanın sıcaklığını termometreden okuyarak kaydediniz. Şekil 6.12: Gay-Lussac Yasası Deney Düzeneği ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 71 Balonu bu kez içinde ılık su bulunan beher glasse doldururuz. Bir süre bekledikten sonra sıcaklık ve basıncı okuyunuz. Aynı işlemi sıcak su ile yaparak sıcaklık ve basınç değerlerini kaydediniz. Okuduğunuz bu değerleri hazırladığınız bir tabloya yazınız ve sıcaklık-basınç eğrisini çiziniz. Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar: a. Deneyde elde ettiğiniz sıcaklık değerlerini Kelvine (K) çeviriniz. b. Tablodaki değerlerden faydalanarak, P 1 T 1 = P 2 T 2 = P 3 T 3 bağıntısını doğrulayınız. Bu bağıntıya da Gay-Lussac ve Charles Yasası denir. Sabit hacim için Gay-Lussac yasasını ifade ediniz. Sıcaklık-basınç eğrisi bir doğru mudur Bu doğrunun uzantısının sıcaklık eksenini kestiği nokta hangi değere eşittir Deney, gazın basınç ve sıcaklığı düşürülerek yapılırsa aynı sonuçlar bulunur mu Değerlendirme Soruları 1. 1 m Kütlesi 0,5 kg olan bir cisim 1 m yüksekten zemine bırakılıyor. Cismin zemine çarptığı andaki hızını bulunuz (g = 10 m/s 2 ). A. 3 B. 10 C. 4 D. 20 E. 5 AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
72 MEKANİ K DENEYLERİ II 2. F C O A B I. O desteğinin hareketi (F) kuvvetini değiştirir. II. O desteği yükten uzaklaştıkça (F) kuvveti artar. III. O desteği yüke yaklaştıkça (F) kuvveti küçülür. A. I B. III C. II ve III D. I, II ve III E. II 3. F = 6 N W = Makaraların ağırlığını gözönüne almayarak, W ağırlığının kaç N olduğunu hesaplayınız. A. 3 B. 6 C. 12 D. 18 E. 24 4. Hacmi 1x10 3 cm 3 olan bir cismin, yoğunluğu 0,8 g/cm 3 olan sıvı içinde kendiliğinden batması için kaç gram (g) olmalıdır A. 800 B. 600 C. 500 D. 400 E. 200 ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
MEKANİ K DENEYLERİ II 73 5. Kapalı bir kapta 27 C 'de ve 1 Atm basınçta 20 lt gaz bulunmaktadır. Bu gazın sıcaklığını sabit tutarak hacmini 8 lt yaparsak basınç kaç Atm olur A. 1 B. 2.5 C. 3 D. 3.5 E. 5 Aşağıdaki cümlelerin DOĞRU ya da YANLIŞ olduklarını yanlarına belirtiniz. 6. Sıvı içerisine batırılan katı bir cisim, bu sıvının kaldırma kuvveti kadar kendi ağırlığından kaybeder. 7. Sabit makaranın tek faydası, kuvvetin yönünü değiştirmektir. 8. Bir sıvının basıncı yüksekliği ile artar. 9. Sıcaklığı sabit kalacak şekilde, hacmi küçülen bir gazın basıncı azalır. 10. Düşen bir cismin potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisi toplamı değişir. Yararlanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar Serway, R., Fen ve Mühendislik İçin Fizik, Cilt 1, (Çev.Ed.: K.Çolakoğlu), Palme Yayıncılık, Ankara, 1995. Resnick, R., Halliday, D., Fiziğin Temelleri, Cilt 1, (Çev.: C.Yalçın), Arkadaş Yayınevi, Ankara, 1991. Fizik Deney Kitabı, M.E.B. Ders Aletleri Yapım Merkezi, Ayyıldız Matbaası, Ankara, 1968. Değerlendirme Sorularının Yanıtları 1. B 2. D 3. E 4. A 5. B 6. D 7. D 8. D 9. Y 10. Y AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ