mekanik deneyleri

Amaçlar

Bu üniteyi çalıştıktan sonra;• iş-enerji,• basit makina,• sıvı ve gazların basıncı,• Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac yasalarıile 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

ÜNİTE

6Mekanik Deneyleri II

YazarProf.Dr. Ertuğrul YÖRÜKOĞULLARI

A N A D O L U Ü N İ V E R S İ T E S İ

Çalışma Önerileri

• Bu üniteyi çalışmadan önce deneylerle ilgili kavramları gözdengeçiriniz ve deneyde kullanılan araç ve gereçleri temin ediniz.

A Ç I K Ö Ğ R E T İ M F A K Ü L T E S İ

1. GirişÜnite 5'in devamı olan bu ünitede, enerji dönüşümü basit makina deneyleri, sıvıve gaz basıncı ile kaldırma kuvveti deneyleri ile Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac Ya-sası deneyleri 6, 7 ve 8. sınıf Fen Bilgisi Ders Kitabına paralel olarak hazırlanmıştır.Bu deneyler, derste anlatılan kavramların pekişmesi yanında kavramların kalıcıolmasını 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 potansiyelenerjiye dönüşümünün incelenmesi.

Deneyle İlgili Temel Kavramlar: İş, enerji, potansiyel enerji, kinetik enerji, enerji-nin 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 to-pun zeminden sıçradıktan sonraki yüksekliklerini tayin ediniz. Bu bulguları hazır-ladığınız bir tabloya yerleştiriniz (Şekil 6.1).

Top veya bilyenin kütlesini tartınız.

M E K A N İ K D E N E Y L E R İ I I 59

1 m

0,75 m

0,5 m

0,25 m

Şekil 6.1: Topun Zemine Değişik Yüksekliklerden Bırakılması


Yapılacak İşlemler, Hesaplar ve Sonuçlar:

a. Topun, zeminden 1 m, 0,75 m, 0,50 m ve 0,25 m yükseklikte potansiyelenerjilerini U = mgh ifadesine göre hesaplayarak hazırladığınız tabloya yer-leştiriniz. g = 10 m/s2 alınız.

b. 1 m, 0,75 m, 0,50 m ve 0,25 m yükseklikten bırakılan topun zeminden sıçra-dıktan sonra çıktığı yükseklikleri bulunuz. Daha sonra topun potansiyel ener-jisini, U = mgh ifadesini kullanarak her durum için bulunuz (g = 10 m/s2 alı-nız).

c. a ve b şıklarında hesaplanan potansiyel enerjiler eşit midir? Enerjiler eşitdeğilse nedenini araştırınız.

d. a şıkkında, topun herbir durumda yere çarptığı andaki kinetik enerji-lerini U = Ek 'den faydalanarak hesaplayınız. Bu enerjiden faydalanarak to-pun yere

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 kuvvettenkazanç sağlanması.

Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Kaldıraç, sabit makara, hareketli makara, çık-rık, eğik düzlem, iş, enerji ve kuvvet.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Kaldıraç kolu, statif çubuk, yarıklı ağırlık-lar, yarıklı ağırlık askısı, makara, ip, dinamometre, bağlama parçası, üç ayak, hare-ketli makara, 2 adet ikili makara, kademeli makara, eğik düzlem, küçük araba,cam levha, metre çubuk (1 m).


a. Şekil 6.2'de görülen deney düzeneğini kurunuz. Kancalı ağırlıklar yardı-mıyla kaldıraç kolunun 5. deliğine 200 g asınız. 50 g asarak dengeyi sağlayı-nız. Aynı deneyi çeşitli ağırlıklarla tekrarlayınız. Hazırladığınız bir tabloyabu değerleri yerleştiriniz. Ağırlıkların dönme noktasına olan uzaklıkları daaynı tabloya yerleştiriniz.

M E K A N İ K D E N E Y L E R İ I I60

?

çarptığı andaki hızını Ek = 12

mv2 ifadesini kullanarak bulunuz.


b. Şekil 6.3'te görülen deney düzeneğini kurunuz. İpin ucuna farklı ağırlıklarasınız. Alınan yolları ve dinamometreden okunan değeri hazırladığınız tablo-ya yerleştiriniz.

c. Hareketli makara ve dinamometreleri kullanarak Şekil 6.4'te görülen deneydüzeneğini kurunuz. Makaraya çeşitli ağırlıklar asınız. Dinamometredenokunan değerleri hazırladığınız tabloya yerleştiriniz.


Şekil 6.2: Kaldıraç Deneyi

Şekil 6.3: Sabit Makara Deneyi


d. Palanga ve dinamometre kullanarak Şekil 6.5'te görülen deney düzeneğinikurunuz. Palanganın alt ucuna çeşitli ağırlıklar asarak, ağırlıkları dinamo-metre ile dengede tutan değerleri bir tabloda toplayınız.

e) Şekil 6.6'daki deney düzeneğini kademeli makara ve dinamometre kulla-narak kurunuz. Kademeli makaranın ucuna astığınız ağırlıklar ve dinamo-metreden okunan değerleri bir tabloya yerleştiriniz. Daha sonra dinamomet-re ve ağırlıkların yerini değiştirerek aynı tabloyu tekrar hazırlayınız.


Şekil 6.4: Hareketli Makara Deneyi

Şekil 6.5: Palanga Deney Düzeneği


f) Şekil 6.7'de görülen deney düzeneğini kurunuz. Önce arabanın ağırlığınıbelirleyiniz. Daha sonra çeşitli eğimlerde eğik düzlemi ayarlayarak arabayıeğik düzlem üzerinde çekiniz. Elde edilen verileri hazırladığınız bir tabloyayerleştiriniz. Aynı işlemleri eğik düzlem üzerine cam levha yerleştirerek tek-rarlayınız.


a. Kaldıraç deneyi sonucu bulunan her değeri

kuvvet x kuvvet kolu = yük x yük kolu

için sağlayınız.


Şekil 6.6: Kademeli Makara Deneyi

Şekil 6.7: Eğik Düzlem Deney Düzeneği


b. Sabit makara deneyinde tablonun incelenmesi sonucu kuvvet ile yük vekuvvet kolu ile yük kolunun birbirine eşit olduğu görülür. Sabit makaradakuvvetten kazanç olmaz. Yalnızca uygulanan kuvvetin doğrultusu değişir.

c. Hareketli makara deneyinde tablonun incelenmesinden görüleceği gibikuvvet kolu yük kolunun iki katıdır. Bu sonucu hesaplarda doğrulayınız.

d) Palanga deney düzeneği ile aldığınız verilerle hazırladığınız tablodan,

bağıntısını doğrulayınız.

e) Kademeli makara deney sonucu hazırlanan tablodan, kuvvet ile yük ara-sındaki oranın iç ve dış makaraların yarıçapları arasındaki orana eşit olduğugörülür. Buradan,

yük x yük kolu = kuvvet x kuvvet kolu

bağıntısını gerçekleyiniz.

f) Arabayı eğik düzlem üzerinde çekmek için gereken kuvvetin çeşitli eğim-lerle değiştiği hazırladığınız tablodan görülür. O halde,

kuvvet = yük x eğim

bağıntısını doğrulayınız. Arabaya uygulanan kuvvetin, sürtünme ile nasıldeğiştiğini araştırınız.

Makaraların kullanılma amacını belirtiniz.

Basit makarada enerjiden kazanmak mümkün müdür?

Deneylerde incelenen basit makinalardan başka bildiğiniz basit makinaları sı-ralayınız.

3. Sıvı ve Gazların Basınç Deneyleri

3.1. Hidrostatik Basınç

Deney 3: Hidrostatik Basınç

Deneyin Amacı: Sıvı içindeki basıncın derinlikle artması.


?

kuvvet = yük2 x hareketli makara say›s›


Deneyle İlgili Temel Kavramlar: Yoğunluk, hidrostatik basınç, manometre.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Manometre (U borulu) statif çubuk, üçayak, bağlama parçası, dereceli silindir, değişik çapta cam boru, lastik boru.


Manometreyi lastik boru yardımıyla cam boruya bağlayarak Şekil 6.8'deki deneydüzeneğini kurunuz. Cam boruyu su içinde çeşitli derinliklere indiriniz. Bu du-rumda manometredeki civa seviyesi yükselir. Manometredeki değerleri hazırladı-ğınız tabloya kaydediniz. Aynı deneyi değişik çaptaki boru ve sıvı olarak alkol kul-lanarak yapınız.

Yapılacak İşlemler ve Hesaplar:

Hazırladığınız tabloyu kullanarak basıncın derinlikle arttığını, ayrıca basıncın sıvıyoğunluğuna bağlı olduğunu gösteriniz.

basınç @@@@ derinlik x yoğunluk x yerçekimi ivmesi

olduğunu doğrulayınız.

Basınç birimlerini yazınız.

Basınç kabın cinsine bağlı mıdır? Açıklayınız.


Şekil 6.8: Hidrostatik Deney Düzeneği


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.


Terazi kefelerinden birine kovayı ve onun altına da Arşimet silindirini asınız. Te-raziyi dengeye getiriniz. Silindiri suya daldırdığınızda denge bozulur. Dengeyisağlamak için kovaya tamamen su doldurmak gerekir (Şekil 6.9).


Deney sonucunda, suyun kaldırma kuvveti için: Batan cismin yer değiştirdiğisuyun 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.


Şekil 6.9: Arşimet Deney Düzeneği


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 veSıcaklık-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 camboru (bir ucu kapalı), milimetrik kağıt şerit, dereceli silindiri doldurmak için civave barometre.


Cam boru üzerine milimetrik kağıdı yapıştırın. Dereceli silindiri Şekil 6.10'dagörüldüğü gibi civa ile doldurunuz. Sonra cam boruyu, açık ucu aşağıda olacak şe-kilde civa içine daldırınız ve cam boruyu silindirin dibine değinceye kadar itiniz.

P0 hava basıncını barometreden okuyunuz. Borudaki Pciva - yüksekliği ile boru-daki havanın hacmini de belirleyiniz. Daha sonra cam boruyu 5-10 cm yukarı çeke-rek aynı işlemi yapınız. Boru içindeki havanın basıncını,

P = P0 + Pciva

bağıntısından hesaplayarak P ve V'leri hazırladığınız tabloya yerleştiriniz.


??


Yapılacak İşlemler ve Hesaplar:

a. Hazırladığınız tablodan yararlanarak 1., 2. ve 3. deneyden elde edilen P1 V1 ,P2V2 ve P3V3 değerlerini hesaplayınız.

b. P1V1 = P2V2 = P3V3 eşitliğini doğrulayınız. Buna, Boyle-Mariotte Yasasıdenir.

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.


Şekil 6.10: Boyle-Mariotte Yasası Deney Düzeneği

???


Deneyin Yapılışı: Eczaneden temin edeceğiniz 20 ml'lik bir enjektörün, pistonu-nu yarıya kadar çekerek ucunu kapatınız. Pistonun yerini bir paket lastiği yardı-mıyla sabitleyiniz. Şekil 6.11'de görüldüğü gibi enjektörü yarısına kadar su doluolan bir beherglass içine yerleştiriniz. Termometreden suyun sıcaklığını okuyu-nuz 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 busıcaklıklarda enjektörden havanın hacmini okuyunuz (Şekil 6.11).

Okunan değerleri sıcaklık (T) ve basınç (P) değerlerini hazırladığınız bir tabloyayerleştiriniz. (Enjektörü suya batırmak için bir ağırlık kullanabilirsiniz.)

Elde edilen verileri kullanarak Hacim-Sıcaklık eğrisini çiziniz.


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, V1/T1 , V2/T2 ve V3/T3 değerleri-ni hesaplayınız.


Şekil 6.11: Gay-Lussac Yasası Deney Düzeneği


b. doğrulanıyor mu? Bu bağıntı Gay-Lussac veya Charles Ya-

sası adını alır.

Gay-Lussac Yasası nedir? Açıklayınız.

Hacim-Sıcaklık eğrisi bir doğru olduğuna göre bu doğrunun uzantısının sıcak-lık 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 ba-lona uygun), termometre (- 10 + 100°C), cam boru, manometre (açık), lastik boru vebeher glass (800 ml) ile gerekli bağlantı elemanları.

Deneyin Yapılışı: Lastik tıpanın bir deliğine termometreyi diğer deliğine kısacam boruyu geçiriniz. Daha sonra lastik tıpayı cam balona geçiriniz. Lastik boruyardımıyla cam boruyu manometreye bağlayınız (Şekil 6.12). Manometreye civadoldurarak civanın her iki kolda aynı seviyede olmasına dikkat ediniz. Manomet-reden cam borunun bulunduğu taraftaki civa seviyesini ve havanın sıcaklığını ter-mometreden okuyarak kaydediniz.


V1T1

= V2T2

= V3T3

??

Şekil 6.12: Gay-Lussac Yasası Deney Düzeneği


Balonu bu kez içinde ılık su bulunan beher glasse doldururuz. Bir süre beklediktensonra sıcaklık ve basıncı okuyunuz. Aynı işlemi sıcak su ile yaparak sıcaklık ve ba-sınç değerlerini kaydediniz. Okuduğunuz bu değerleri hazırladığınız bir tabloyayazınız ve sıcaklık-basınç eğrisini çiziniz.


a. Deneyde elde ettiğiniz sıcaklık değerlerini Kelvine (K) çeviriniz.

b. Tablodaki değerlerden faydalanarak,

bağıntısını doğrulayınız. Bu bağıntıya da Gay-Lussac ve Charles Yasasıdenir.

Sabit hacim için Gay-Lussac yasasını ifade ediniz.

Sıcaklık-basınç eğrisi bir doğru mudur? Bu doğrunun uzantısının sıcaklık ek-senini kestiği nokta hangi değere eşittir?

Deney, gazın basınç ve sıcaklığı düşürülerek yapılırsa aynı sonuçlar bulunurmu?

Değerlendirme Soruları1.

Kütlesi 0,5 kg olan bir cisim 1 m yüksekten zemine bırakılıyor. Cismin ze-mine çarptığı andaki hızını bulunuz (g = 10 m/s2).A. 3B.C. 4D.E. 5


??

P1T1

= P2T2

= P3T3

1 m

10

20


2.

I. O desteğinin hareketi (F) kuvvetini değiştirir.II. O desteği yükten uzaklaştıkça (F) kuvveti artar.III. O desteği yüke yaklaştıkça (F) kuvveti küçülür.A. IB. IIIC. II ve IIID. I, II ve IIIE. II

3.

Makaraların ağırlığını gözönüne almayarak, W ağırlığının kaç N olduğunuhesaplayınız.A. 3B. 6C. 12D. 18E. 24

4. Hacmi 1x103 cm3 olan bir cismin, yoğunluğu 0,8 g/cm3 olan sıvı içindekendiliğinden batması için kaç gram (g) olmalıdır?A. 800B. 600C. 500D. 400E. 200


F

AC O

B

W = ?

F = 6 N


5. Kapalı bir kapta 27°C 'de ve 1 Atm basınçta 20 lt gaz bulunmaktadır. Bu ga-zın sıcaklığını sabit tutarak hacmini 8 lt yaparsak basınç kaç Atm olur?A. 1B. 2.5C. 3D. 3.5E. 5

Aşağıdaki cümlelerin DOĞRU ya da YANLIŞ olduklarını yanlarına belirtiniz.

6. Sıvı içerisine batırılan katı bir cisim, bu sıvının kaldırma kuvveti ka-dar 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 deği-şir.

Yararlanılan ve Başvurulabilecek KaynaklarSerway, 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 Yayı-nevi, Ankara, 1991.

Fizik Deney Kitabı, M.E.B. Ders Aletleri Yapım Merkezi, Ayyıldız Matbaası, An-kara, 1968.

Değerlendirme Sorularının Yanıtları

1. B 2. D 3. E 4. A 5. B 6. D 7. D 8. D 9. Y 10. Y


Documents

mekanik deneyleri