Teach Lessen met laboratoria op afstand

Teach-les

Druk en volume van een gas: kleine capsule, grote druk

Experimenteer met een model van een ideaal gas om een afgesloten monsterkamer op maat te maken en pas het verband daarna toe op een nieuw geval. Behandelt de wet van Boyle. Alleen in de browser: geen lab of lesmateriaal nodig.

  • 20 min
  • 14–17 jaar
  • nl
  • Physics

Log in met een docentenaccount om een klassikale sessie voor te bereiden. Leerlingen doen mee met een klascode.

Leerdoelen

  • Een model van een ideaal gas gebruiken om te voorspellen hoe de druk verandert als het volume verandert bij constante temperatuur.

  • Een verband tussen druk en volume onderbouwen met zelfgekozen aflezingen uit het model.

  • Een ontwerp kiezen en onderbouwen dat aan meerdere numerieke eisen voldoet.

  • Het verband toepassen op een nieuw beginpunt en zeggen wat een model niet kan aantonen over echte gassen.

Voorvertoning van de leerlingactiviteit

Inhoud van de activiteit

Alleen voorvertoning. In een klassikale sessie kunnen leerlingen antwoorden invullen en hun werk bij de docent inleveren.

1

De missie

Tekstversie van het onderzoek

Een onderzoeksdrone moet een afgesloten luchtmonster mee terugbrengen, maar de kamer is te groot voor de laadruimte. Zoek het kleinste volume in hele milliliters dat aan de drukregels van de missie voldoet.

Elk getal in deze les komt uit een model van een ideaal gas. Niets hier is gemeten met echte apparatuur. Je kunt met het model experimenteren en het gebruiken om een beslissing te nemen, maar de waarden ervan kunnen niet aantonen dat echte gassen de regel volgen waarop het model is gebouwd.

Deze versie heeft dezelfde vragen als de interactieve versie en werkt zonder afbeeldingen. Beantwoord elke vraag voordat je verder leest: niets op deze pagina houdt je tegen om vooruit te lezen, en je docent kan zien dat je deze versie hebt gebruikt.

2

1. Voorspel voordat je waarneemt

3 min

De afgesloten kamer begint bij 60 mL en 100 kPa absolute druk. Een thermische mantel houdt het gas op 293 K (ongeveer 20 °C).

Eerste voorspelling

Welke druk voorspel je bij 30 mL? Waarom? Leg uit wat het halveren van het volume zou kunnen veranderen.

Opzet voor een eerlijke test

Met welke opzet onderzoek je alleen het effect van het volume?

Controleer je opzet

Houd de afsluiting dicht en de temperatuur constant. Als je de klep opent, verandert de hoeveelheid gas; als je verwarmt, verandert de temperatuur. In beide gevallen kun je het effect van het volume niet meer afzonderlijk bepalen.

3

2. Test je idee eerlijk

4 min

Waarden van het ideale model, berekend en niet gemeten

Kies minstens vier aflezingen, waaronder 60 mL en 30 mL, die samen twee gelijke stappen in volume geven. Neem ze over in de tabel.

  • 60 mL → 100,0 kPa
  • 55 mL → 109,1 kPa
  • 50 mL → 120,0 kPa
  • 45 mL → 133,3 kPa
  • 40 mL → 150,0 kPa
  • 35 mL → 171,4 kPa
  • 30 mL → 200,0 kPa

Dit zijn waarden voor een vaste hoeveelheid gas bij 293 K, afgelezen nadat het gas tot rust is gekomen. Bij snel samenpersen in het echt kan het gas even opwarmen; dit model laat dat niet zien.

Je modelaflezingen (ideaal model, niet gemeten)

Noteer de aflezingen die je hebt gekozen, één per rij. Laat de andere rijen leeg.

Volume mL Druk volgens het model kPa

Twee gelijke stappen

Als het volume in twee gelijke stappen daalt, hoeveel stijgt de druk dan bij elke stap? Wat zegt dat over je voorspelling?

4

3. Van een patroon naar een voorspelling

4 min

Voorgesteld verband

Welke grootheid blijft volgens jou constant?

Je onderbouwing

Onderbouw je verband met twee vastgelegde waarnemingen.

Voorspelling bij 24 mL

Gebruik je verband: welke druk voorspel je bij 24 mL, buiten de volumes die je hebt getest?

Deeltjesverklaring

Waarom stijgt de druk bij dezelfde temperatuur?

Controleer je denkwerk

Bij 24 mL geeft het model 250 kPa: P × V blijft 6000 kPa·mL bij dezelfde hoeveelheid gas en dezelfde temperatuur. P + V verandert (100 + 60 = 160, 200 + 30 = 230), en P ÷ V ook.

De deeltjes botsen vaker tegen elk stukje wand. Ze krimpen niet, en bij een constante temperatuur houden ze dezelfde gemiddelde snelheid.

De druk is hier absoluut: gemeten ten opzichte van vacuüm, niet ten opzichte van de omgevingslucht.

5

4. Hoe klein kan het?

4 min

Kies het kleinste volume in hele milliliters dat aan alle drie de regels voldoet. Deze grenzen horen bij deze verzonnen ontwerpuitdaging.

  • De laadruimte voor het monster kan hoogstens 40 mL bevatten.
  • De grens voor de absolute druk is 180 kPa.
  • Houd minstens 10 kPa marge onder die grens over.

Bereken P = 6000 ÷ V en daarna marge = 180 − P. Noteer elke poging in je aantekeningen.

Je volume

Wat is het kleinste volume in hele milliliters dat aan alle drie de regels voldoet?

Waarom een kleiner volume niet werkt

Waarom zou een kleiner volume in hele mL niet werken? Gebruik de getallen uit deze uitdaging.

Controleer je ontwerp

36 mL geeft 166,7 kPa en 13,3 kPa marge. 35 mL geeft 171,4 kPa en maar 8,6 kPa marge. Dit zijn ontwerpregels voor de les, geen veiligheidskeuring van welke apparatuur dan ook.

6

5. Wat dit model wel en niet kan vertellen

2 min

Je hebt een omgekeerd evenredig verband gebruikt om een beslissing te nemen. Het model is gebouwd met een constante P × V, dus door ermee te experimenteren kon je die regel niet toetsen aan echt gas. Met een echte spuit kan dat wel. Je docent kan je de LabsLand-les over Boyle geven, waarin je werkt met opgenomen metingen van echte apparatuur.

Reflectie

Welke waarneming zou je aan dit model doen twijfelen? (Optioneel)

7

Nog één laatste vraag

3 min

Deze vraag gaat over een echte spuit, niet over het model. Er zijn geen hints en er is geen automatische feedback. Je docent leest je redenering.

Een echte spuit begint bij 86 kPa met 60 mL afgesloten lucht, bij een constante temperatuur.

Verwachte aflezing bij 30 mL

Welke aflezing verwacht je bij 30 mL?

Verwachte aflezing bij 45 mL

Welke aflezing verwacht je bij 45 mL?

Je redenering

Leg uit hoe je aan deze aflezingen bent gekomen.

Maak van deze voorvertoning een klassikale sessie

Ga door naar LabsLand Teach om deze les met leerlingen te gebruiken en de toegang van je account te bekijken.