Väga luft
Årskurs: 4-6. 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Kraft och rörelse
Vad väger luft? Med en vakuumpump för vinflaskor och en noggrann våg kan du och dina elever lätt ta reda på det.
Material
- Vakuumpump med tillhörande kork.
- Tom vinflaska, helst en halvflaska.
- Precisionsvåg.
- Behållare med vatten.
- Mätbägare.
- Tom lådvinspåse.
Du behöver en våg med noggrannheten 0,1 gram eller ännu hellre 0,01 gram. De flesta precisionsvågar klarar maximalt av 500 gram vilket innebär att många normalstora vinflaskor är för tunga. Använd därför halvflaskor i stället.
Experimentet
Se filmen.
Vad händer?
Efter att ha pumpat ut luft ur flaskan konstaterar vi att den väger lite mindre än tidigare. Sedan tar vi reda på hur stor volym luft som pumpats ut genom att mäta den volym vatten som strömmar in i flaskan när vi lossar korken under vatten. Se hela tiden till att flaskans mynning är under ytan.
Vattnet forsar in i flaskan eftersom trycket i flaskan är mycket lägre (vi har sänkt det genom att pumpa ut luften) än lufttrycket på vattenytan. Därmed trycks vattnet in i flaskan och volymen vatten som tränger in motsvarar volymen av den luft som pumpats ut.
Räkna ut densiteten
Genom att dividera skillnaden i massa med volymen får man fram densiteten. I filmen fick vi luftens densitet till 1,1 gram/liter, vilket är nära tabellvärdet 1,2 gram/liter.
Men om man då i stället tar och blåser upp och väger en lådvinspåse? Den rymmer ju tre liter (oftast) och luften i den väger alltså ungefär tre gram. Men vågen ger nästan inget utslag alls. Man kan förklara varför lådvinspåsen inte duger till att väga luft med på ett par olika vis.
Förklaring 1: Det finns hela tiden en volym luft ovanpå vågen och om denna luft är inuti eller utanför påsen spelar ingen roll. Man förändrar ingenting genom att flytta tre liter luft ut ur eller in i påsen. Med vinflaskan är det annorlunda. När vi pumpar ut luft ur flaskan minskar vi mängden luft ovanpå vågen. Vi har ju lyft undan en luftpelare lika hög som flaskan och ersatt den med (nästan) vakuum.
Förklaring 2: Arkimedes princip säger att undanträngd gas eller vätska utövar en ''lyftkraft''. Lådvinpåsen tränger inte undan någon luft; luften är kvar på samma ställe med eller utan påse runt. Flaskan behåller sin volym när den är nästa tömd på luft och har då trängt undan den mängd luft vi pumpat bort.
På mellanstadiet
Om du undervisar skolår 4-6 kan ni använda experimentet för att konstatera att luft faktiskt väger något. Här kan man nöja sig med massan utan att bry sig om volymen. Fokusera även på experimentutförandet. Det vill säga att väga före och efter, användningen av vågen och vakuumpumpens funktion. Tvärtemot en cykelpump plockar den ju ut luftmolekylerna ur flaskan!
På högstadiet
Att väga luft är en vanlig demonstration på högstadienivå. Genom att använda flaskor och vakuumpumpar för vin kan alla elever göra sin egen mätning och beräkna densiteten.
Densiteten blir naturligtvis inte exakt detsamma som tabellvärdet. Elever lägger ofta stor vikt vid exakta siffror och decimaler. Försök därför ge perspektiv på resultatet.
Ni har med all säkerhet fått max 20 procents avvikelse från tabellvärdet 1,2 gram/liter. Betona att även 0,5 eller 2 gram/liter hade varit bra uppskattningar av det faktiska värdet.
Bra minnesregel
En bra minnesregel är att vatten väger 1 kilogram per liter och luft 1 gram per liter.
När man diskuterar tryck i och utanför flaskan fokuserar eleverna gärna enbart på trycket i flaskan. Därmed glömmer de bort att lufttrycket utanför flaskan också spelar stor roll. Till exempel då vätska trycks in i den evakuerade flaskan.
Varianten med lådvinspåsen är mest lämpad för gymnasiet eller högstadiet. På gymnasiet kan ni använda allmänna gaslagen för att räkna ut hur lågt tryck det var i flaskan.
Ballongförsök
Blåser man upp en ballong och lägger den på en våg kommer vågen att ge utslag. Om man väger ballongen utan luft i får man dock ungefär samma utslag, nämligen vad ballongen själv väger.
Detta är samma experiment som med lådvinspåsen. Det går alltså inte att väga luft på det sättet. Möjligtvis skulle ballongen med luft kunna vara något tyngre än den utan, vilket beror på att luften i ballongen är en aning komprimerad.
Två ballonger
Det finns ett försök som vi hör talas om ibland där man fäster två ballonger i vardera änden av en pinne och hänger upp eller balanserar den så att den väger jämt.
Sedan sticker man hål på den ena ballongen och pinnen tippar då för det mesta över åt den hela ballongens sida. Återigen så visar detta bara att luften i den hela ballongen är något komprimerad jämfört med den luft som finns utanför ballongen.
(Skapat av Per Beckman och Carina Fasth.)