Question:
Est-ce que ces enfants expérimentent une façon légitime de montrer que l'air a une masse?
ramseysdream111
2014-07-28 22:42:28 UTC
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Considérez l'expérience de ce lien.

L'expérience comprend l'utilisation d'une règle comme levier, avec un ballon gonflé d'un côté et un ballon qui n'est pas gonflé sur le autre.

Le but de l'expérience est de montrer que l'air a une masse.

J'ai vu de nombreux enfants réaliser des expériences similaires.

Mais, si l'air la pression à l'intérieur du ballon est égale à celle à l'extérieur, alors la force de flottabilité annulera le poids de l'air à l'intérieur du ballon, n'est-ce pas?

Comment une expérience peut-elle être fausse?Si votre expérience ne correspond pas à la théorie, c'est la théorie qui est fausse, pas l'expérience.
@ACuriousMind Très bien, j'ai édité le titre.
Mais pourquoi pensez-vous que la pression de l'air à l'intérieur du ballon est égale à l'extérieur?Tu ne travailles pas quand tu fais exploser un ballon?
@Pkwssis Veuillez répéter l'essentiel de l'expérience dans votre message, car le lien peut mourir à un moment donné, ce qui rend votre question inutile.Nous aimerions éviter cela.
J'ai le sentiment que ce que vous dites, c'est que cette expérience est un peu trompeuse.Bien sûr, l'air a une masse.Mais si le ballon était rempli d'air à pression ambiante, cela ne fera pas bouger la règle ... C'est parce que l'air à l'intérieur du ballon est plus dense qu'à l'extérieur, et donc pèse plus.
[Lien Wayback Machine] (http://web.archive.org/web/20131128014012/http://www.kids-fun-science.com/air-pressure-experiments.html) au cas où cela serait nécessaire.Néanmoins, ce serait bien si vous pouviez développer un peu plus l'expérience: (a) exactement ce que vous êtes censé faire, (b) quelles sont les observations, et (c) les inférences qui en découlent.
La façon dont j'ai appris était avec une fiole sphérique, pesée avec de l'air à l'intérieur, puis elle a été vidée de l'air à l'aide d'une pompe à vide.Et pesé à nouveau.
D'où je viens, tout ce que vous faites est de monter la montagne avec un nouveau sac de chips et d'attendre qu'il explose.Comment quelque chose sans masse peut-il provoquer une différence de pression?Ça ne peut pas!
Pour être juste, le but déclaré de l'expérience liée est de déterminer si l'air a un poids et non une masse.La messe n'est même pas mentionnée.
@ACuriousMind * "Si votre expérience ne correspond pas à la théorie, c'est la théorie qui est fausse, pas l'expérience." * Ou que vous avez un problème dans votre analyse.Ou dans votre exécution.
Six réponses:
Floris
2014-07-29 00:04:08 UTC
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Je peux penser à au moins quatre choses en cours dans cette expérience qui doivent être soulignées:

  1. Lorsque vous gonflez un ballon par la bouche, l'air est chaud: cela rend l'air à l'intérieur du ballon gonflé légèrement plus léger que l'air qu'il a déplacé
  2. L'air à l'intérieur du ballon a 100% d'humidité relative à 37 ° C, et de la condensation se formera rapidement à l'intérieur du ballon à mesure que l'air à l'intérieur se refroidit.
  3. L'air à l'intérieur du ballon contient du dioxyde de carbone, qui a une densité plus élevée que l'air ambiant (masse moléculaire de 12 + 16 + 16 = 44 amu, vs oxygène à 32 amu et azote à 28 amu - ignorant les petits effets isotopiques, et ignorant Argon).
  4. La pression à l'intérieur du ballon est plus grande qu'à l'extérieur - cela augmente la densité

Alors, quelle est la taille de chacun de ces effets?

  • Air chaud: 37 ° C vs 20 ° C entraîne une baisse de densité de 0,945x (293/310) ou -5,5%^
  • Humidité: pression partielle de l'eau à 37 ° C est 47,1 mm Hg source, soit environ 0,061 atm osphères. En supposant que la pression est constante, cette eau (masse 18 amu) déplace l'air (masse moyenne 29 amu), donc la densité de l'air diminue de 0,061 * (29 - 18) / 29 = 2,3%. Si nous permettons à l'air extérieur du ballon d'avoir 60% d'humidité relative (avec une pression de vapeur saturée de 10,5 mm Hg), il serait légèrement moins dense que l'air sec (10,5 * 0,6 / 760 * (29-18) / 29 = 0,3 %) faisant la différence nette -2,0% . Notez qu'une grande partie de cette humidité se condensera lorsque le ballon se refroidira - de petites gouttelettes se formeront à l'intérieur du ballon. Avec l'air à l'intérieur encore saturé, sa densité sera de 0,1% inférieure à celle de l'extérieur; le résultat net représente 2,9% de la masse d'air dans le ballon.
  • Dioxyde de carbone: l'air expiré contient 4 à 5% de dioxyde de carbone source: wikipedia, avec une baisse équivalente en oxygène. La densité de l'air expiré est donc plus élevée que celle de l'air inhalé de 0,045 * (44-32) / 29 = +1,9%
  • Pression dans le ballon: à partir de cette vidéo youtube - heure 3:43, j’estime l’augmentation de la pression dans le ballon à 23 mm Hg, ce qui entraîne une augmentation de la densité de 2,9%

    • Résumé dans un tableau: 

      effet du facteur à la température ambiante T -5,5% 0,0% humidité -2,0% 2,9% CO2 1,9% 1,9 % pression 2,9% 2,9% net -2,7% 7,7%

    Un ballon fraîchement gonflé n'aura donc qu'une densité légèrement inférieure à l'air qu'il a déplacé, car l'effet température + humidité est supérieur à les deux autres. Après avoir attendu un peu, la température s'égalisera et la densité de l'air à l'intérieur du ballon sera plus grande - de 7,7%, avec plus de la moitié non causée par la pression dans le ballon. ..

    En résumé: l'expérience décrite dans votre lien mesure la différence de densité entre l'air d'un ballon et l'air ambiant. Puisque la densité de l'air à l'intérieur du ballon est plus élevée que la densité à l'extérieur du ballon, on peut conclure que l'air à l'intérieur du ballon a une densité finie. On ne peut PAS conclure que le milieu à l'extérieur du ballon (que nous pensons être de «l'air sec») a une densité quelconque - puisque rien dans cette mesure ne nous dit sur l'air extérieur du ballon.

    Si vous fait l'expérience avec précaution avec un ballon initialement rempli d'air chaud, et vous avez laissé l'air se refroidir, vous pourrez peut-être dire que l'équilibre change - en d'autres termes, qu'il doit y avoir un changement dans la flottabilité ressentie par le ballon comme il se refroidit. Ce serait une expérience pour démontrer que «l'air a une masse» (le volume du ballon diminue et il subit moins de flottabilité). A partir de l'expérience décrite (faire sauter le ballon), nous apprenons que «l'air expiré a une masse». Ce n’est pas la même chose.

    Si vous utilisiez une pompe à air (pompe à ballon) pour gonfler le ballon, les trois premiers composants disparaîtraient et vous vous retrouveriez avec la différence due uniquement à la pression - 2,9% de la masse de l'air dans le ballon.

    Je ne suis pas sûr que la température affecte vraiment, je pense qu'il a assez de temps pour se refroidir;le caoutchouc a une chaleur spécifique beaucoup plus élevée, il n'est donc même pas nécessaire de le traverser.J'ai gonflé des ballons aujourd'hui, et ils ne se sentaient pas chauds (mais malheureusement, je n'avais pas mon thermomètre infrarouge à proximité).A part ça, c'est une très bonne analyse de tous les facteurs!
    @Davidmh Je ne m'attendrais pas à ce qu'un ballon se sent chaud étant donné la conductivité thermique du caoutchouc et la capacité thermique relative de l'air.Pour tester si l'air à l'intérieur du ballon est significativement plus chaud que l'environnement, je verrais si le diamètre du ballon change juste après le gonflage (lorsque le volume baisse de 4,5%, le diamètre doit baisser de 1,5%, soit environ 3 mm pour un ballon de 20 cm.Besoin d'une configuration assez soignée pour le mesurer.)
    Puisque «l'air» n'est pas très clairement défini dans l'expérience, les variations des composants ne semblent pas particulièrement importantes, bien que la vapeur d'eau provenant de l'haleine puisse être une exception.Quoi qu'il en soit, en supposant l'absence de «masse», la «densité» de ** n'importe quel ** composant normal serait-elle pertinente?C'est-à-dire que la densité relative du CO2 est-elle vraiment importante (si elle n'avait pas de masse)?Pour le degré de rigueur de l'expérience, comment réussir à séparer «densité» et «masse»?
    Pour ces raisons, l'expérience pourrait être grandement améliorée en utilisant une pompe à ballon afin que vous puissiez remplir le ballon avec de «l'air sec» (ou pour être précis, quel que soit l'air déjà présent).De cette façon, vous prouvez directement que * l'air * a une masse, par opposition à la preuve que «tout ce que je souffle dans un ballon» a une masse.Bien sûr, tout ce que vous expirez est une composante de l'air dans la pièce, mais il ne semble pas anodin de démontrer que vous n'avez pas craché / dribblé dans le ballon en le gonflant, il est donc préférable d'éliminer cette possibilité.
    @stevjessop une pompe à air améliorerait certainement la rigueur de l'expérience.Bonne suggestion.
    @Floris Pourquoi l'effet 2 (humidité dans l'air) augmente-t-il la densité de gaz dans le ballon?Je dirais que vous remplacez le gaz lourd (azote) par du gaz léger (vapeur d'eau), donc la densité devrait devenir plus petite.
    Comment le mélange d'un gaz plus léger (18 u) avec de l'air (29 u) entraîne-t-il une augmentation de la densité?Si vous le mélangez dans un rapport 94/6, la nouvelle densité ne serait-elle pas de 28,3 g par (22,4 litres corrigés en température)?
    Vous avez raison - je travaillais sur l'hypothèse d'un volume constant.Je le réparerai.
    @user27542 vous (et Nick T) avez eu raison de signaler mon erreur - je l'ai corrigée.
    Vous pouvez supprimer l'effet de pression en utilisant un sac à sandwich au lieu d'un ballon.Assurez-vous simplement qu'il n'y a pas de pression à l'intérieur du sac.
    @LDC3 qui aidera avec le seul effet oui - pas sûr que cela transforme cela en une "bonne" expérience pour prouver que l'air a une masse ...
    Je ne pense pas que ce serait le cas puisque vous n'avez pas de conteneur rigide pour montrer que le même volume sans air a moins de masse.
    John Rennie
    2014-07-28 22:53:16 UTC
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    C'est un excellent moyen de montrer que la densité de l'air augmente avec la pression, et donc que l'air doit avoir une masse.

    Lorsque la balance s'incline vers le bas sur le côté du ballon qui décolle, cela montre le le volume contenu dans le ballon a une masse plus élevée que le même volume d'air à la pression atmosphérique. Cela signifie que la densité doit être supérieure. nous ne connaissons pas la pression à l'intérieur du ballon, mais nous savons qu'elle doit être supérieure à la pression atmosphérique car la peau élastique du ballon exerce une force sur l'air à l'intérieur.

    Oui ... correct ... je n'ai pas tenu compte de la force due à la peau élastique ...
    La meilleure façon dont j'ai montré que la densité de l'air augmente avec la pression est d'utiliser deux ballons.Prenez-en un et insérez un ballon vide à l'intérieur avant le gonflage.Le deuxième ballon, insérez également un deuxième ballon, mais faites exploser celui de l'intérieur pour que la pression soit double!Lorsque les deux sont lâchés en même temps, le deuxième ballon devrait tomber un peu plus vite.Je n'ai pas essayé cela depuis que j'étais très petit, donc si ça ne marche pas, pardonne-moi.
    Bien que le raisonnement tel que vous le signalez soit valide, j'aurais toujours peur que les enfants qui ont prêté une attention moins que parfaite ne passent à côté de l'argument de la pression et pensent plutôt qu'ils ont mesuré l'air dans le ballon sans tenir compte du déplacement.Cette interprétation semble si évidente à première vue… Donc je ne considère toujours pas cela comme une «très bonne manière».
    Eric Lippert
    2014-07-29 03:45:16 UTC
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    La réponse de John Rennie souligne à juste titre que la chaîne de raisonnement correcte ici est un peu complexe:

    • D'un côté de la balance, nous avons un colonne d’air montant dans l’espace, un ballon et un peu d’air comprimé, et ont déplacé une quantité de la colonne d’air égale au volume de l’air comprimé.

    • Sur le de l'autre côté, nous avons une colonne d'air similaire et un ballon.

    • Le premier côté plonge, et a donc plus de masse.

    • L'air est donc compressible sous une forme dont la densité est supérieure à la masse d'air déplacée.

    • L'air a donc une masse.

    Cette chaîne complexe de raisonnement est susceptible d'être perdue pour tous les élèves sauf les plus brillants. Et un étudiant pourrait facilement faire remarquer qu'un ballon contenant un mélange d'air et d'hélium pourrait être produit de manière à faire plonger l'autre côté de la balance, mais à partir de là, nous ne conclurions pas que l'air-plus-hélium est sans masse.

    Une meilleure expérience serait d'avoir deux bouteilles rigides identiques, d'évacuer l'air d'une bouteille, et de montrer que la bouteille évacuée a moins de masse, soit en les équilibrant l'une contre l'autre, soit en mesurant leur inertie. Cela a bien sûr l'inconvénient de nécessiter un équipement spécialisé.

    Une expérience que j'aime et qui montre que l'air a une masse est la suivante:

    • Procurez-vous un ballon d'hélium, une boule de bowling et un break.
    • Mettez le ballon sur le siège avant et la boule de bowling à l'arrière.
    • Prenez de la vitesse et gardez les objets immobiles par rapport à la voiture.
    • Frappez les freins.

    La boule de bowling roule vers l'avant, indiquant qu'elle a une masse. Il a une inertie , donc il a une masse . Le ballon d'hélium flotte vers l'arrière. Qu'est-ce qui fait reculer le ballon? La pression d'air doit avoir augmenté à l'avant de la voiture et a diminué à l'arrière lorsque les freins ont été appliqués. Une partie de l'air de l'arrière de la voiture a continué à avancer lorsque les freins ont été appliqués, donc l'air, comme la boule de bowling, a de l'inertie, et donc de la masse.

    Eric - comme vous le faites remarquer, "c'est difficile", et la plupart des expériences nécessiteraient un équipement spécialisé.Je pense que seule l'expérience air chaud / air froid (dernier paragraphe de ma réponse) peut être réalisée dans un «environnement enfantin» - mais même dans ce cas, la différence de portance est assez faible et nécessiterait encore une configuration expérimentale prudente (pas de brouillons...)
    "à partir de là, nous ne conclurions pas que l'air-plus-hélium est sans masse" - bien que nous puissions conclure que l'hélium contient une forte composante de phlogistique.J'entends par là que ces expériences ne "prouvent" quoi que ce soit avec l'appui d'une théorie environnante.La théorie elle-même a été développée et «prouvée» (c'est-à-dire non réfutée) par de très nombreuses expériences sur une longue période.Il est souvent difficile de détecter lorsque vous êtes trompé par une simple preuve expérimentale de quelque chose, où la théorie supposée est en fait * plus difficile * à croire que la seule chose démontrée.
    @SteveJessop: Bien sûr, vous voulez déphlogistique de l'air avant l'expérience;il va sans dire.:-)
    La position par défaut est que l'air n'a pas de masse et l'hélium a une masse négative.
    Si vous utilisez l'inertie, vous pourriez aussi bien éviter le break: faites simplement sauter le ballon et relâchez-le sans faire de nœud.Vous aurez une petite fusée ballon, et comme l'inertie totale doit rester la même, l'air doit avoir une inertie opposée à celle du ballon, il doit donc avoir une masse.
    @MvG: Belle idée!L'élan total, je pense que vous voulez dire.
    En plus d'appuyer sur les freins, vous pouvez faire des virages.Voici Karl Kruszelnicki (Dr Karl) qui fait les deux.https://www.youtube.com/watch?v=0m4UCEwc06k
    AJFarkas
    2014-07-29 22:57:47 UTC
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    Bien que l'expérience que vous décrivez soit légitime, elle a une complexité qui pourrait la rendre difficile à comprendre ("oh, ma respiration a de la masse!").

    La façon la plus simple de faire cela est de mettre un conteneur (j'ai vu un ballon de basket utilisé, mais les ballons fonctionnent aussi) sur une échelle ou une balance avec des poids réguliers de l'autre côté. Utilisez une pompe à vélo pour ajouter de l'air à votre conteneur et voyez la masse du conteneur augmenter.
    Il est difficile d'affirmer que la pompe importe autre chose que le même air qui entoure votre conteneur, et l'effet est clair. Cela a bien fonctionné pour moi dans ma jeunesse.

    Mark Rovetta
    2014-07-29 00:45:56 UTC
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    Parfois, il est utile d'expliquer à un élève la logique de la conception expérimentale comme testant des «hypothèses alternatives concurrentes».

    Un résultat positif de cette expérience serait une preuve solide contre l'hypothèse alternative que l'air soufflé dans le ballon n'a pas de masse.

    Un résultat négatif ne prouverait cependant pas que l'air n'a pas de masse. Une expérimentation supplémentaire serait nécessaire pour comprendre pourquoi le résultat inattendu a été obtenu.

    De plus, la meilleure façon de le faire est peut-être de suivre l’approche expérimentale de Lavoisier - et de démontrer la conservation de masse. Peser un composé solide, chauffer le solide pour chasser un gaz (capturer le gaz) puis mesurer le poids perdu par le solide et (moins facilement) le poids du gaz. Une technique expérimentale de plus en plus meilleure devrait montrer une meilleure concordance quantitative avec la conservation de la masse.

    Pappy3G
    2014-12-27 04:35:28 UTC
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    La réponse à votre question: "Mais si la pression de l'air à l'intérieur du ballon est égale à celle de l'extérieur, alors la force de flottabilité annulera le poids de l'air à l'intérieur du ballon, n'est-ce pas?" est OUI! Ce n'est malheureusement pas le cas pour un ballon élastique gonflé. La pression à l'intérieur du ballon est augmentée par la pression élastique du ballon réduisant le volume et donc la force de flottabilité.

    L'expérience dans le lien donné est défectueuse en ce que 1) la substance à l'intérieur du ballon n'est pas identique à l'extérieur et grâce à l'utilisation d'un ballon élastique, il a une densité plus élevée. 2) L'affirmation de l'expérience selon laquelle "L'air pèse réellement 14,7 livres par pouce carré au niveau de la mer" est en fait la pression et non le poids.

    Les résultats différents de l'expérience sont dus à des erreurs expérimentales.

    La masse d'air pourrait être déterminée plus précisément avec une expérience utilisant une propriété dépendante de la masse telle que l'inertie (m = F / a).

    Je propose ce qui suit dans l'espoir de clarifier la pression , température, substance, problème du conteneur.

    La "masse" d'un conteneur non rigide et de la substance avec laquelle il est rempli est supérieure au conteneur seul, par la "masse" de la substance contenue dans

    Étant donné que le «poids» mesurable dépend de facteurs tels que la force gravitationnelle et la flottabilité, il est difficile de mesurer expérimentalement les différences de poids.

    Si le conteneur non rigide est rempli avec la même substance qu'à l'extérieur du conteneur, et à la même température et pression, le «poids» du conteneur vide et rempli sera le même. Le poids de la substance à l'intérieur du conteneur sera annulé par la flottabilité de la substance à l'extérieur du conteneur. Ceci est valable pour les substances liquides et gazeuses, tant que le conteneur seul a une flottabilité négative.

    Si vous vous sentez poussé à essayer de «mesurer» expérimentalement la différence de poids, je vous suggère d'utiliser une balance de cuisine numérique qui peut mesurer au moins 0,1 once et un arrangement de bras de levier pour augmenter la sensibilité. Si vous pouvez obtenir un bras de levier suffisamment léger, vous pourrez peut-être mesurer la sensibilité de 0,01 once. Vous serez limité par la portée de la balance et le poids du mécanisme de levier et du conteneur. Au niveau de la mer et à 15 ° C, l'air a une densité d'environ 1,225 kg / m3 (0,001225 g / cm3, 0,0023769 limace / pi3, 0,0765 lbm / pi3) selon ISA (International Standard Atmosphere). Cela signifie qu'un pied cube d'air pèse plus de 8 onces, il devrait être facile de mesurer si l'air capturé ajoute au poids du conteneur.

    Mettez un crochet à l'extrémité du bras de levier et accrochez-y un sac poubelle non ouvert. Si vous utilisez l'option de pesée de tare, cela vous permettra de mesurer directement tout changement de poids. Après avoir annulé le poids du sac et du mécanisme de liage, retirez-le du crochet et aspirez de l'air dedans. Attachez lentement l'ouverture pour vous assurer qu'aucune pression n'a été appliquée à l'air à l'intérieur autre que la pression du poids du sac suspendu. Vous ne devriez voir aucun poids sur la balance indiquant qu'il n'y a pas eu d'augmentation de poids en ajoutant de l'air. Gardez à l'esprit que si vous êtes en mesure de rendre l'échelle suffisamment sensible, vous pouvez voir des fluctuations dues aux vibrations sismiques ou acoustiques.

    Une autre expérience intéressante montrant l'effet de la température et de la pression sur le ballon serait d'utiliser votre mécanisme d'échelle à bras de levier pour mesurer un grand ballon de fête «élastique» standard rempli de souffle à l'extérieur par une journée très froide du Minnesota. Si votre balance est suffisamment sensible, vous devriez être en mesure de voir l'augmentation de poids à mesure que le mélange de monoxyde de carbone / air chaud dans le ballon se refroidit. Cela serait dû à la diminution de la flottabilité lorsque le ballon rétrécit.



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