/>/>/>МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования “Брестский государственныйуниверситет
имени А.С. Пушкина”
Кафедра методики преподавания физики и ОТД
Курсовая работа на тему:
«Изучение тепловых явлений в школьномкурсе физики»
Выполнил:студент 4 курса
физическогофакультета
специальность«Физика»
ШустикР.М.
Проверил:
Брест, 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ
2. ВНУТРЕННЯЯЭНЕРГИЯ ТЕЛ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
3. ВИДЫТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
4. КОЛИЧЕСТВОТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
5. УДЕЛЬНАЯТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТАСГОРАНИЯ ТОПЛИВА
7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
8. УДЕЛЬНАЯТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ
9. ИСПАРЕНИЕ.КОНДЕНСАЦИЯ
10. КИПЕНИЕ
11. КОНДЕНСАЦИЯ
12. ТЕПЛОВЫЕДВИГАТЕЛИ
13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ.ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
«Тепловые явления» включает системупонятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническоезначение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способыизменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкостьвещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание,испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетическихпредставлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах,тепловые двигатели.
Обилие понятий, которые нужно усвоитьучащимся, требует тщательной разработки методики их формирования. Учитель приэтом должен опираться на знания, полученные учащимися при изучениипервоначальных сведений о строении вещества в VII классе, на понятия о работе иэнергии. Это необходимо для объяснения сущности тепловых явлений и формированияосновных понятий, таких, как тепловое движение, температура, внутренняяэнергия, теплопередача, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества.
Определённые методические трудностивозникают в связи с устаревшей терминологией. Основные термины — «теплота»,«количество теплоты», «теплоемкость», «тепловая передача», «теплообмен» —появились в период теплородных представлений, когда под теплотой понималиособую материальную среду. При современных взглядах на природу теплоты такаятерминология затрудняет правильное понимание учащимися физической сущностиданных терминов и понятий. Однако иной терминологии пока не существует.
Для преодоления трудностей приизучении тем, связанных с формированием у школьников многих сложных и абстрактныхпонятий, надо идти по пути самого широкого использования демонстрационного илабораторного физического эксперимента, решения задач и привлечения примеров изжизни, быта, природы и производства.
В неявном виде в данной теме учащиесязнакомятся с первым законом термодинамики и в некоторой степени — со вторым.
1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ
Приступая к изучению темы, необходимоповторить и уточнить с учащимися основные положения молекулярно-кинетическойтеории, поскольку на них придется опираться при изучении всего раздела. Приповторении необходимо остановиться на особенностях движения частиц, из которыхсостоят газообразные, жидкие и твердые тела. Учащиеся вспоминают, чтомикрочастицы (молекулы) находятся в непрерывном движении. Молекулы газа,например, движутся по прямой линии, сталкиваясь, они изменяют скорость инаправление своего движения и вновь продолжают движение до следующегосоударения. Движение молекул беспорядочно. Такое движение получило названиетеплового движения.
Напоминают также учащимся, чтоскорость движения частиц связана с температурой тела: чем быстрее движутсячастицы, тем более нагретым оказывается тело.
Связь скорости движения частиц стемпературой тела можно продемонстрировать при наблюдении следующего опыта.Кристаллизатор разделяют водонепроницаемой перегородкой (пластилин) на двечасти. В одну половину кристаллизатора наливают горячую воду, в другую —холодную. Наличие пара с поверхности горячей воды свидетельствует о болеевысокой температуре. Одновременно в воду опускают одинаковые по размеру кусочкикровяной соли (гексациано феррата калия). Опыт наблюдается в проекции (рис. 20.1), он доказывает, чемвыше температура, тем скорость диффузии больше. Значит, тем быстрее движутсячастицы.
На основе понятия о тепловом движениипереходят к уточнению понятия температуры.
Научное определение температурытребует введения понятия теплового равновесия, установления эмпирической шкалытемператур, выбора термометрического тела и температурного признака. Данныепонятия будут введены только в X классе. В VIII классе достаточно, еслиучащиеся воспримут понятие температуры как «степени нагретости тела»познакомятся с устройством и принципом действия жидкостных термометров и научатсяизмерять ими температуру.
Принцип действия термометра,основанного на тепловом расширении, удобно пояснить на опыте с прибором,изображенном на рисунке 20.2. Подогревая колбу помещенную в сосуд с горячейводой, показывают, что чем дольше подогревается вода в колбе, тем выше уровеньстолбика воды в трубке. Если жидкость в колбе имеет температуру окружающейсреды, то по высоте столбика можно также судить и о температуре этой среды(воздуха, воды).
На уроке следует рассмотретьлабораторный и медицинский термометры.
Учащихся необходимо познакомить соследующими правилами измерения температуры: каждый термометр предназначен дляизмерения температуры лишь в определенных пределах; нельзя пользоватьсятермометром, если измеряемая температура может оказаться ниже или вышеустановленных для данного термометра предельных значений; отсчет по термометрунадо производить спустя некоторое время, в течение которого он принимаеттемпературу среды; при измерении температуры термометр (кроме медицинского) недолжен извлекаться из среды, температуру которой определяют; глаз наблюдателядолжен находиться на уровне верхнего конца столбика жидкости, наполняющейтермометр.
Полезно сообщить некоторые значениятемператур, встречающихся в природе и технике. Различные млекопитающие имеютнормальную температуру от 35 до 40,5 °С; температура здорового человека 36—37°С; температура птиц 39,5—44 °С. Наиболее высокая температура воздуха на Земле(58 °С) зарегистрирована в Триполи, а наиболее низкая (—88,3 °С) — вАнтарктиде. Вольфрамовая нить накала газонаполненной лампы нагревается током до2525 °С, а температура поверхности Солнца около 6000 °С.
/>
В демонстрационных опытах наряду сжидкостным термометром можно использовать и электрический, поскольку жидкостныйдемонстрационный термометр имеет существенный недостаток: он обладаетсравнительно большой теплоемкостью и тепловой инерцией (время измерения 1 —1,5мин, объем жидкости не менее 200 см3).
Промышленность выпускает для школэлектрический термометр, датчиком которого является термистор, присоединяемый кизмерительному мосту с демонстрационным гальванометром. Электрический термометрможно изготовить своими силами.
Так как учащиеся VIII классанезнакомы с физическими явлениями, которые используются в электрическомтермометре, то будет достаточно, если учитель объяснит им принцип градуировкиприбора и, измеряя, например, температуру воды электрическим и жидкостнымтермометрами, убедит учащихся в возможности измерения таким приборомтемпературы тел.
Для тренировки учеников в отсчетах пошкалам термометров полезно провести со всем классом упражнения сдемонстрационной моделью, имеющей набор различных шкал (рис. 20.3).
2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
В современных курсах физики,содержание понятия «внутренняя энергия» раскрывается следующим образом: «Взависимости от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело,внутреннюю энергию можно разбить на следующие составные части:
а) кинетическую энергию хаотическогодвижения молекул (поступательного и вращательного);
б) потенциальную энергию,обусловленную силами межмолекулярного взаимодействия;
в) кинетическую и потенциальнуюэнергию колебательного движения атомов и молекул;
г) энергию электронных оболочекатомов и ионов, а также внутриядерную энергию».
В VIII классе будет достаточным, еслиучащиеся усвоят, что энергия хаотического движения молекул(молекулярно-кинетическая) и энергия взаимодействия молекул(молекулярно-потенциальная) являются частью внутренней энергии тела. Такойподход правомерен и с научной точки зрения, так как тепловые явления, изучаемыев школе, протекают в пределах среднего температурного диапазона, при которомизменение внутренней энергии тел связано главным образом с изменениемкинетической и потенциальной энергии молекул.
В ознакомительном плане можно такжесказать, как это сделано в учебнике для VIII класса, что к внутренней энергииотносится также атомная энергия, понятие о которой учащиеся получат приизучении электричества.
Приступая к формированию понятиявнутренней энергии и способах ее изменения, необходимо предложить учащимсявспомнить, что они знают о механической энергии и внутреннем строении тел.
Здесь важно уточнить пониманиеучащимися следующих вопросов: «В каком случае о телах говорят, что они обладаютэнергией?», «Какие виды механической энергии различают?», «Какие тела обладаюткинетической энергией и от чего она зависит?», «От чего зависит потенциальнаяэнергия тел?». Понимание этих вопросов поможет школьникам при изучениивнутренней энергии не путать ее с механической энергией.
Формирование понятия внутреннейэнергии можно провести различными приёмами. В основу первого приёма положенаидея о кажущемся «нарушении» закона сохранения энергии при соударении неупругихтел — свинцового шара и свинцовой пластинки, в основу второго — мысль о том,что работа совершается в процессе изменения или превращения энергии и чторабота представляет собой меру этого изменения или превращения энергии. Другимисловами, если тело может совершать или совершает работу, то оно обладаетэнергией.
Первый прием менее привлекателен, таккак при этом в конечном итоге происходит увеличение внутренней энергиивзаимодействующих тел (свинцовый шар и пластинка) за счет уменьшенияпотенциальной энергии падающего свинцового шара. Вопрос же о том, обладали ливнутренней энергией эти тела до соударения, остается открытым. Поэтомуначальные опыты должны иллюстрировать наличие внутренней энергии у тел до ихнагревания и совершения над ними работы. К числу таких демонстраций можноотнести опыт с пробковым пистолетом, помещенным под колокол воздушного насоса.При создании разрежения под колоколом пробка выбрасывается из пробирки. Делаютвывод: работу совершил воздух, находящийся в пробирке, следовательно, онобладал энергией. В отличие от механической энергии эту энергию называютвнутренней энергией тела. Это энергия движения и взаимодействия частиц, изкоторых состоит тело. Микрочастицы, из которых состоят тела (молекулы, атомы),взаимодействуют между собой (притягиваются или отталкиваются), следовательно,они обладают потенциальной энергией.
Кинетическая энергия хаотического(теплового) движения микрочастиц вместе с потенциальной энергией ихвзаимодействия составляет часть внутренней энергии тела и характеризуетсостояние тела в данный момент.
Далее нужно разъяснить учащимсяотличие внутренней энергии от механической энергии тел. Механическая энергиязависит от скорости движения и массы тела, а также от расположения данного телаотносительно других тел. Внутренняя же энергия не зависит от скорости движениятела в целом. Она определяется скоростью движения частиц, из которых состоиттело, и их взаимным расположением.
Дальше учащихся знакомят со способамиизменения внутренней энергии тел, показывают, что она может изменяться присовершении (над телом или самим телом) механической работы и при теплопередаче.Этому помогают следующие простые и вместе с тем убедительные опыты, в которыхосновная идея не заслоняется побочными явлениями. В этих опытах внутренняяэнергия рассматривается только как энергия движения молекул. О потенциальнойэнергии уместнее будет говорить при изучении изменений агрегатных состоянийвещества.
1. Касаются руками стенок колбыдилатометра (см. рис. 17.23) и наблюдают перемещение подкрашенной капли воды втрубке. Явление объясняют расширением воздуха при нагревании. Нагревание жевоздуха (повышение его температуры) свидетельствует об увеличении скоростибеспорядочного (теплового) движения его молекул, а значит, и их кинетическойэнергии, составляющей часть внутренней энергии тела.
В данном случае увеличения внутреннейэнергии достигают путем теплопередачи. Если колбу поместить в сосуд с водой,температура которой ниже комнатной, капля воды в трубке будет перемещатьсявниз, свидетельствуя о понижении температуры воздуха в колбе, а значит, и обуменьшении скорости беспорядочного движения молекул, их кинетической энергии.
Баллон, соединенный с манометрическойтрубкой (рис. 20.4) или микроманометром, натирают сукном и наблюдают изменениеуровня жидкости в трубках манометра. Явление объясняют расширением воздуха вбаллоне, которое, в свою очередь, обусловлено увеличением кинетической энергиимолекул воздуха. В данном опыте происходит увеличение внутренней энергии тела(воздух) в результате совершения механической работы.
3. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Берут воздушное огниво. При быстромсжатии воздух нагревается столь значительно, что пары эфира, находящиеся вцилиндре под поршнем, воспламеняются. Температура самовоспламенения паров эфира180 °С. Увеличение внутренней энергии паров эфира происходит в результатесовершения механической работы по сжатию.
На наковальню помещают небольшойкусок меди, предварительно подложив под него лист бумаги (теплоизоляция). Резкоударяют 8—10 раз молотком по куску меди, после чего кладут ее на термоскоп,соединенный с микроманометром или манометром, наполненным подкрашенным спиртом.Разность уровней спирта в манометре достигает при этом 1,5—2 см, что хорошоможно заметить даже споследних парт. В опыте с горизонтально расположеннойтрубкой результат еще более выразителен.
На основе опытов и анализа примеровиз повседневной жизни подводят учащихся к выводу, что внутреннюю энергию теламожно изменить путем теплопередачи (теплообмена) окружающим телам и совершениямеханической работы (трение, удар, сжатие).
Надо рассмотреть с учащимися ипротивоположные процессы, результат которых — уменьшение внутренней энергиитела. Так, при теплообмене нагретого утюга с окружающим воздухом его внутренняяэнергия уменьшается, о чем можно судить по понижению температуры утюга стечением времени. Подобное явление происходит со всеми телами, начальнаятемпература которых была выше окружающих тел.
Уменьшение внутренней энергии тел врезультате совершения ими механической работы можно показать на следующемопыте.
Берут бутылку из-под молока и наливаютв нее чайную ложку воды. Горлышко бутылки закрывают пробкой с продетой черезнее стеклянной трубкой. Трубку с помощью резинового шланга соединяют спатрубком насоса Комовского для нагнетания воздуха. При нагнетании воздуха вбутылку давление в ней повышается и наконец становится таким, что под егодействием вылетает пробка. На стенках бутылки при этом появляются капелькиводы, что свидетельствует о понижении температуры находящихся в ней воздуха ипара. Образование капелек тумана усиливается, если в бутылку поместитьдымящуюся спичку.
При демонстрации данного опыта должныбыть приняты меры предосторожности: пробку следует смочить, чтобы онасравнительно легко выбрасывалась из горлышка бутылки.
Процесс, происходящий в описанномопыте, требует тщательного анализа на основе молекулярно-кинетическихпредставлений.
Молекулы воздуха и водяного пара,находясь в непрерывном беспорядочном движении, бомбардируют стенки сосуда, вкоторый они заключены. Чем выше температура воздуха, тем быстрее молекулыдвижутся. Если одна из стенок сосуда, в котором находится воздух, подвижна (вопытах это пробка), то она движется под ударами молекул. Энергия молекул приэтом расходуется на совершение механической работы (по преодолению сил трения,по подъему пробки). В результате внутренняя энергия воздуха (и находящегося внем пара) уменьшается.
Итак, учащиеся приходят к выводу:внутренняя энергия тела может изменяться (увеличиваться или уменьшаться) современем при теплообмене данного тела с окружающими телами и при совершениимеханической работы. Для закрепления полученных знаний учащиеся отвечают на рядвопросов:
Почемуискусственные спутники Земли, не снабженные специальной тепловой зашитой, иметеориты сгорают, когда они в конце своего движения входят в плотные слоиземной атмосферы?
Мука из-поджерновов выходит горячей, хлеб из печи вынимают тоже горячим. Укажите причиныповышения температуры муки и хлеба. Изменилась ли внутренняя энергия этих тел ипочему?
Обладает ливнутренней энергией тело, температура которого 0 °С?
Содержание этой темы по существуподводит учащихся к представлению о втором законе термодинамики как утверждениио невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела кболее нагретому. Учащиеся должны усвоить, что теплопередача всегда происходит вопределенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с болеенизкой температурой.
При объяснении механизматеплопередачи опираются на имеющиеся у учащихся сведения омолекулярно-кинетической теории.
Изложение начинают с постановки проблемногоопыта. На деревянный цилиндр накалывают ряд кнопок, обертывают его одним слоембумаги (рис. 20.5). При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелкипроисходит неравномерное обугливание бумаги. Ставят вопрос: «Почему бумага,прилегающая к кнопкам, обугливается меньше?» Обобщая ответы учащихся иимеющиеся у них представления, устанавливают факт передачи теплоты от однойчасти твердого тела к другой и объясняют его. При нагревании происходитувеличение скорости движения молекул, из которых состоит тело. Это движениепередается соседним молекулам, в результате скорость этих молекул и,следовательно, температура данной части тела возрастают. Выразителен такжеопыт, рассмотренный в учебнике.
Затем вводят понятие о хорошихпроводниках тепла — металлах и плохих проводниках (изоляторах) —дерево, стекло.Различную теплопроводность веществ — стекло и железо, железо и медь — нагляднодемонстрируют на опыте по отделению гвоздиков, приклеенных парафином или воскомк стержням, при их нагревании.
Рассматривают использование втехнике, быту и в школьных физических приборах свойств тел по-разному проводитьтепло. Например, плохую теплопроводность воздуха используют в устройствешкольного прибора калориметра.
/>
Объяснение устройства и назначениякалориметра необходимо пояснить на опыте с ним.
Полезно решить ряд задач. Здесь могутбыть предложены задачи следующего содержания:
Взяв в руку гвоздьдлиной 5—6 см, внесите его конец в пламя спички. На основе опыта сравнитетеплопроводность дерева и железа. Объясните, почему рука чувствует гвоздьособенно горячим уже после того, как спичка погаснет.
2. На северемеховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге (в Туркмении) — от жары.Объясните целесообразность этого.
Полезно сообщить учащимсясравнительные данные теплопроводности некоторых твердых, жидких и газообразныхтел. Железо, например, в 163 раза лучше проводит тепло, чем дуб, и в 100 разлучше, чем вода; вода — в 27 раз лучше, чем воздух.
Изучение конвекции можно начать спостановки опыта, расположив, как указано на рисунке 20.6, стеклянную трубку сводой над пламенем спиртовки. При этом показания одного термометра (на рисункеслева) останутся почти без изменений, а другого (на рисунке справа) начнутбыстро увеличиваться. Ставят вопрос: «Почему вода в одном случае хорошо, а вдругом плохо передает тепло?»
В беседе выясняют, что так как водапри нагревании расширяется, то плотность ее уменьшается (можно, например,сообщить, что масса 1 м3 воды при 100 °С меньше, чем при 0 °С на 42кг) и поэтому под действием архимедовой силы более легкие, нагретые слои водыподнимаются вверх.
Сущность явления следует раскрыть,нагревая, например, свечкой колбу с водой, на дне которой помещен кристалликмарганцовокислого калия, окрашивающего конвекционные потоки.
Для демонстрации теплопроводности иконвекции в газах можно поставить опыт, подобный показанному на рисунке 20.5,нагревая в трубке воздух.
Затем с помощью бумажных вертушек идыма демонстрируют образование восходящих потоков воздуха над нагревателями.Можно сообщить учащимся, что, например, масса 1 м3 воздуха при 100«С в 1,4 раза меньше, чем при 0 °С, поэтому конвекция в воздухе, как и вжидкостях, объясняется действием архимедовой силы.
В качестве примера конвекции вприроде рассматривают образование дневных и ночных бризов, а в технике —образование тяги в дымоходах, конвекцию в водяном отоплении, водяном охлаждениидвигателя внутреннего сгорания.
Несложные опыты, а также наблюдениятеплопроводности и конвекции нужно рекомендовать учащимся выполнитьсамостоятельно дома. Изложение вопроса следует закончить постановкой рядакачественных задач.
ИЗЛУЧЕНИЕ
Понятие об излучении как одном изспособов передачи тепла можно начать с постановки опыта по нагреванию колбы,соединенной с манометром, от электрообогревателя с отражателем. По изменениюуровней жидкости в манометре учащиеся приходят к выводу о нагревании воздуха вколбе.
Перед учащимися ставится вопрос:вследствие чего же воздух в колбе нагревается? Ведь теплопроводность здесьисключена: слой воздуха, отделяющий колбу от спирали электрообогревателя —плохой проводник тепла, а конвекция в данном случае исключена, так как колбарасположена на одном уровне со спиралью. Возникает проблемная ситуация, в результатеобсуждения которой учащиеся приходят к заключению о том, что в данном случаеимеет место особый вид теплопередачи — излучение — теплопередача с помощьюневидимых лучей. Учитель сообщает, что с помощью излучения передается на Землютепло от Солнца, находящегося от Земли на расстоянии 150 млн. км.
Особенности явления выясняют спомощью опытов, описание которых приведено в книге С. А. Хорошавина «Физическийэксперимент в средней школе. 6—7 классы» (М.: Просвещение, 1988.— С. 70).
/>
Затем переходят к раскрытию трудногодля понимания учащихся понятия о том, что тела с темной поверхностью при равнойтемпературе не только лучше поглощают энергию и сильнее нагревают, но и лучшеизлучают ее, чем тела, имеющие светлую поверхность. Для этого ставят опыт ссосудом 1 (рис. 20.7), одна стенка которогопокрыта черной, а другая белой краской. В сосуд наливают кипяток и рядомпомещают два теплоприемника 2 и 3, присоединенныек различным коленам манометра или, что лучше, концам горизонтальной трубки 4, в которуюпомещен столбик жидкости 5. Черезнекоторое время столбик жидкости начнет перемещаться в результате большогоповышения давления в теплоприемнике, расположенном у зачерненной стенки сосуда,показывая тем самым, что зачерненная поверхность путем излучения передаетбольше энергии, чем светлая поверхность.
Полезно также поставить опыт с двумясосудами, один из которых выкрашен белой, а другой черной краской. В сосудыналивают кипяток и вставляют термометры, по которым через некоторое время будетвидно, что вода в черном сосуде остывает быстрее.
Типичными задачами по данному вопросутемы являются следующие:
Все знают, как«пышет жаром» от раскаленной железной печки, от углей или электроплитки.Докажите, что в этом случае человек ощущает тепло, которое передается преждевсего излучением.
Один учениксказал, что летом ходить в белой одежде прохладнее, поскольку она лучшеотражает лучи и меньше нагревается. Другой возразил ему, сказав, что прохладнеев черной одежде, так как она лучше излучает энергию. Кто из них прав?
4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
Процесс совершения механическойработы и процесс теплопередачи имеют общий признак — изменяют внутреннююэнергию тела. Меру изменения внутренней энергии путем совершения механическойработы назвали просто работой, а меру изменения внутренней энергии в процессетеплопередачи — количеством теплоты.
До определения единицы количестватеплоты следует вспомнить с учащимися о физической величине — механическойработе и ее расчете. Механическая работа прямо пропорциональна силе и длинепути.
/>
Аналогично количество теплоты какмера изменения внутренней энергии тоже зависит от нескольких физическихвеличин. Напоминают о том, что внутренняя энергия определяется скоростьютеплового движения частиц, из которых состоит тело, следовательно, количествотеплоты как мера изменения внутренней энергии связано с температурой тела. Еслитемпература тела возросла, это означает, что тело получило некоторое количествотеплоты, если температура тела понизилась — оно отдало некоторое количествотеплоты.
Таким образом, можно сказать, чтоколичество теплоты зависит от изменения температуры тела. Количество теплотызависит также от второй физической величины — массы тела. В самом деле, наспиртовке за определенное время мы сможем вскипятить воду в пробирке, чего несделаем в чайнике. Объясняется это тем, что количество теплоты за промежутоквремени t будет достаточнымдля нагревания до 100 °С воды в пробирке и недостаточным для нагревания дотемпературы кипения воды в чайнике. Количества теплоты, необходимые длякипячения воды в пробирке и чайнике, будут различными; как показывает опыт, чембольше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплотыпотребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.
То же самое справедливо и приохлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплотыпропорционально массе тела.
Обобщая оба случая, можно говорить отом, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разноститемператур в начале и в конце теплообмена.
Зависимость количества теплоты,переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовленотело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленныхиз различных веществ. Единицами внутренней энергии служат джоуль, килоджоуль.Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введеныраньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос обэнергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицыдля измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока ещеприменяются при расчетах.
Затем дают определение калории.Калория — количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1°С, т. е. калория есть мера приращения внутренней энергии 1 г воды приповышении температуры на 1 °С: 1 кал =4,19 Дж. В дальнейшем расчеты внутреннейэнергии следует выполнять в джоулях.
5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
Изучение предыдущего материалаподготовило учащихся к пониманию того, что изменение теплового состояния телапри теплопередаче зависит и от рода вещества. Эту зависимость характеризуютособой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества.
Для перехода к понятию об удельнойтеплоемкости проводят ряд опытов.
Цилиндры из разных веществ одинаковоймассы (равенство масс цилиндров показать взвешиванием на весах) и одинакового даметра нагревают в кипящей воде и опускают на пластинку из парафина (рис.20.8). Расплавив парафин, цилиндры погружаются в него на различную глубину. Изопыта делают вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, при охлаждениии при нагревании на одно и то же число градусов отдают и требуют разноеколичество теплоты.
В два внутренних стакана калориметраналивают по 0,1 кг воды при комнатной температуре и помещают в них термометры.В третий сосуд кладут кусок железа, наливают воду, масса которой равна массекуска железа, и нагревают до 100 °С. Затем кусок железа переносят в один изстаканов калориметра, а горячую воду выливают в другой. О повышении температурыводы в калориметрах судят по показаниям термометров.
3. Для сравнения теплоемкостижидкостей можно поставить следующий опыт. В один стакан наливают 0,1 кг воды, вдругой — 0,1 кг керосина и опускают в них нагретые в горячей воде одинаковые помассе тела. Термометры покажут, что температура керосина увеличится быстрее,чем температура воды.
Данные опыты можно использовать прирасчете количества теплоты, полученного водой, и количества теплоты, отданногопри остывании на 1 °С телом массой 1 г (кг). После этого дают определениетеплоемкости как количества теплоты, необходимого для изменения температурытела на 1 °С, удельной теплоемкости — как количества теплоты, необходимого дляизменения температуры 1 г (кг) вещества на 1 °С. Вновь подчеркивают физическийсмысл термина «количество теплоты» или дают другое определение: удельнаятеплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1 г(кг) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 °С. Далее рассматривают сучащимися таблицу удельных теплоем-костей и выясняют, что означает, например,запись:
/>
Значение различной теплоемкости втехнике и природе поясняют рядом примеров.
1. Большая по сравнению с другимивеществами удельная теплоемкость воды делает ее удобной для применения вводяном отоплении и в системе охлаждения двигателей. (Вследствие большой удельнойтеплоемкости воды даже при незначительном изменении ее температуры выделяетсяили поглощается большее количество теплоты.)
2.Климат островов гораздо умереннее ировнее, чем климат больших материков, вследствие большой теплоемкостиокружающих водных масс.
Расчет количества теплоты,полученного телом при нагревании или отданного при охлаждении, производятсначала арифметически, исходя из определения удельной теплоемкости.
В завершение, когда учащиесяокончательно уяснят смысл удельной теплоемкости и зависимость количестватеплоты от удельной теплоемкости, массы тела и разности температур, вводятформулу Q = cm(t-t0). По даннойформуле решают в основном прямые задачи, т. е. определяют значение Q. Задачи, вкоторых надо найти по данной зависимости с, т и особенно t или t0, трудны дляучащихся VIII класса. Поэтому на ряде примеров учащимся следует разъяснить, какиз данного уравнения можно найти то или иное неизвестное.
Для закрепления полученных знаний, аглавное для приобретения умений и навыков производить калориметрическиеизмерения и расчеты проводят лабораторную работу «Сравнение количеств теплотыпри смешении воды». В этой работе учащиеся, как показывают наблюдения, частодопускают следующие ошибки: при измерении температуры термометр вынимают изсосуда с водой; вынимают из кожуха внутренний сосуд калориметра и работаюттолько с ним; взвешивают внутренний сосуд вместе с внешним. Поэтому передпроведением работы необходимо провести беседу, которая бы помогла учащимсяпровести все измерения правильно.
Данная работа является первойпопыткой подвести учащихся к пониманию закона сохранения энергии в тепловыхпроцессах, поэтому в дальнейшем при изучении этого закона следует еще разпроанализировать результаты, метод проведения работы и установить, почемуколичество энергии, полученной нагревающимся телом, несколько меньше количестваэнергии, выделенной остывающим телом.
6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
В данной теме расширяется понятиеэнергии. Вначале напоминают учащимся некоторые сведения из химии. Они сводятсяк тому, что при горении происходит соединение элементов с кислородом иобразование новых веществ, новых молекул. Так, например, при горении метанаобразуются углекислый газ и вода:
СН4 + 202 = СО ++ 2Н20.
Горение, связанное с разрушением одних молекул и образованиемдругих, сопровождается выделением некоторого количества теплоты. В данномслучае изменение внутренней энергии произошло не посредством теплообмена и непутем совершения работы телом или над телом, а в результате термохимическихявлен происходящих стопливом. При этом энергия движения молекул продуктов сгорания, аследовательно, и их температура будет больше, чем у молекул топлива.
Повышение температуры при сгораниитоплива и увеличение кинетической энергии молекул продуктов сгорания, а затемпередача окружающим телам некоторого количества теплоты объясняется изменениемвнутренней энергии тела.
Для конкретизации и закреплениявведенных понятий можно также поставить следующий опыт.
В стеклянный цилиндр с отверстием встенке около дна помещают свободно входящий картонный поршень. Пульверизаторомвпрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом.Убирают подальше пульверизатор, подносят пламя спички к отверстию цилиндра инаблюдают, как поршень выбрасывается вверх. Учащимся объясняют, что при горениикинетическая энергия молекул увеличивается. В целом же внутренняя энергиятоплива уменьшается, так как совершается работа по поднятию поршня.
Все виды топлива обладают внутреннейэнергией, которая выделяется при сгорании. При этом совершается механическаяработа (при определенных условиях) или нагреваются другие тела путемтеплообмена. При сгорании 1 кг различных видов топлива выделяется различноеколичество энергии. Отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к массесгоревшего топлива называется удельной теплотой сгорания топлива.
Учащимся предлагается работа стаблицей «Удельная теплота сгорания топлива». Дается задание найти в таблицетопливо, теплота сгорания которого наибольшая, наименьшая, сравнить теплоту сгоранияторфа и каменного угля, дров и т. д. Затем решают задачи на расчет количестватеплоты, выделяющегося при сгорании топлива, используя формулу Q = qm, где q — удельнаятеплота сгорания, am — массатоплива. При этом уточняется наименование единицы удельной теплоты сгорания- />.
Далее рассматривается вопрос опревращении механической энергии во внутреннюю энергию тел. Демонстрируютопыты: нагревание монеты при натирании ее, нагревание проволоки примногократном ее изгибании, нагревание ножа при заточке его на вращающемсяточильном камне. Предлагают детям привести примеры подобных явлений из своегожизненного опыта (нагревание ладоней рук при спуске по шесту, канату,образование искр в механической зажигалке). Полезно напомнить о том, как спомощью трения кусков дерева друг о друга первобытные люди получали огонь.
После обсуждения этих примеров иопытов формулируют закон сохранения и превращения энергии. Учащимся даюткраткую историческую справку о законе сохранения и превращения энергии.Сообщают, что его открыли в середине XIX в., когда был накоплен необходимый дляэтого многочисленный экспериментальный материал и появилась возможность егообобщить. Рассказывают о роли в открытии этого закона Р. Майера, Г. Гельмгольцаи Д. Джоуля, о большой заслуге М. В. Ломоносова, который, на столетие опережаяученых своего времени, писал в письме Эйлеру 5 июля 1748 г.: «Все перемены, внатуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного телаотнимается, столько присовокупится к другому.»1.
Далее показывают использование законасохранения и превращения энергии для технических расчетов. Учащиеся должныузнать, что на основе этого закона производят расчеты количества топлива,необходимого для работы электростанций, тепловозов; закон позволяет рассчитатьколичество электроэнергии, необходимое для работы машин.
Одной из важных иллюстраций законасохранения и превращения энергии является рассмотрение энергетическихпревращений, происходящих в природе. Основной источник используемых сейчас наЗемле видов энергии — Солнце. Учащимся сообщают, что часть энергии, полученнаяЗемлей от Солнца, расходуется непосредственно на нагревание земной коры иатмосферы; другая часть преобразуется растениями в химическую энергию, котораястановится, таким образом, частью внутренней энергии растений. С деятельностьюСолнца связаны и запасы топлива на Земле: каменного угля, торфа и др.Круговорот воды, движение воздушных масс есть также результат солнечнойдеятельности.
Полезно продемонстрировать учебныйкинофильм «Солнце — главный источник энергии на Земле».
Тема «Солнце — главный источникэнергии на Земле» не обязательна для изучения в классе. Материал в учебнике наэту тему дан для дополнительного чтения. Если учитель посчитает возможнымизучение этого вопроса на уроке, его целесообразно провести в виде учебнойконференции, поставив следующие доклады:
Солнце — источник тепла и света наЗемле.
Использование человеком энергииизлучения Солнца.
7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Эту тему можно начать с проведениянаблюдений за изменением температуры при нагревании и плавлении нафталина.Можно продемонстрировать учащимся плавление тел и проанализировать полученныйпри этом график.
Учащиеся должны усвоить три следующихположения: существует температура, выше которой вещество в твердом состоянии неможет находиться; температура во время плавления остается постоянной; процессплавления требует притока энергии к плавящемуся веществу.
Учитель одновременно демонстрирует изаписывает на доске данные о плавлении нафталина или льда и воска.
Нафталин рекомендуется братьхимически чистым; резервуар термометра, помещенного внутрь малой пробирки,следует расположить в середине массы нафталина. Пробирку подбирают короткую изаполняют нафталином доверху во избежание осаждения его на стенках пробирки,что мешает снятию показаний термометра.
При выполнении лабораторной работывозникает трудность: горизонтальный участок графика при плавлении можетоказаться столь коротким, что учащиеся могут его не обнаружить. Чтобы получитькривую, близкую к идеальной, можно ограничиться исследованием только процессаотвердевания нафталина. Время наблюдения при этом примерно 15 мин при массенафталина 5 г. Наблюдения начинают с температуры воды, равной 90 °С. Тогдапроцесс отвердевания длится около 5 мин и оказывается резко выраженным награфике.
Для медленного нагревания испытуемыхтел и правильного изменения их температуры малую пробирку с нафталином помещаютвнутри большой так, чтобы она не касалась стенок последней, а большую пробиркупомещают в сосуд с водой, нагретой до кипения. Такая воздушно-водяная баняпозволяет получить хорошие данные для вычерчивания графика.
При анализе полученного графикаобращают внимание учащихся на постоянство температуры, при которой происходитплавление.
Далее рассматривают таблицутемператур плавления. Отметив, что все металлы и их сплавы относятся ккристаллическим телам, предлагают учащимся в таблице найти металлы с наиболеенизкой температурой плавления. Рассматривают применение тугоплавких металлов исплавов для создания космических кораблей, реактивных двигателей, дляизготовления спиралей тепловых электрических приборов. Полезно поставить рядвопросов, вскрывающих понимание учащимися процесса и температуры плавления:
Почему чайник,поставленный на включенную электрическую плитку, не распаивается, пока в немнаходится вода?
8. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ
Определение удельной теплотыплавления вводят после анализа графика плавления нафталина, позволяющегоустановить наличие теплообмена между нагревателем и телом без повышения еготемпературы и, следовательно, приводящего к мысли о существовании теплотыплавления. Записывают формулу Q = km. Выясняют сучащимися, почему в данной формуле отсутствует удельная теплоемкость тела.Внутренняя энергия плавящегося тела растет, а температура его не повышается.(Значит, теплоемкость плавящегося тела бесконечно велика).
Изученный материал закрепляютрассмотрением таблицы удельной теплоты плавления веществ и решением задач. Прианализе таблицы от учащихся требуют полного ответа на вопрос: «Что показываетвеличина удельной теплоты плавления вещества?»
После тренировки с данными таблицыобращаются к анализу той части графика, которая относится к отвердеванию, иустанавливают наличие теплоты отвердевания.
При решении задач по данному разделупреимущественно используют прямые задачи на нахождение количества теплоты,необходимого для нагревания и плавления вещества, при этом вначале решаютзадачи на плавление (отвердевание) тел, взятых при температуре плавления(отвердевания), а затем рассматривают тела при температуре, отличной оттемпературы плавления (отвердевания). В заключение решают простейшие задачи, вкоторых по существу используют уравнение теплового баланса. Например:
Какое количествоэнергии надо для превращения 5 кг льда, взятого при
—10 °С, в воду стемпературой 20 °С?
При решении подобных задач нужнообратить внимание учащихся на то, что значение удельной теплоемкости для одногои того же вещества в различных агрегатных состояниях, вообщем говоря, различно.
Например, при 20 ° С для воды с =4200/> а для льда с =1800/>при — 20 °С.
Наряду с вычислительными задачамиособое значение в данной теме имеет также решение графических задач, подобныхследующим:
Графики какихпроцессов изображены на рисунке 20.9?
При повторении в конце года в сильныхпо подготовке классах желательно провести лабораторную работу «Определениеудельной теплоты плавления льда». Работу можно включить в заключительныйфизический практикум, если учитель решит проводить его в VIII классе.
/>
Оборудование для работы: калориметр,весы, сосуд с кусочками тающего льда по 40—50 г, термометр, фильтровальная бумага, чайник с водой притемпературе 30—35 °С.
9. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ
Изучение испарения можно начать снаблюдения учащимися уменьшения количества вещества при испарении, котороесопровождается понижением температуры испаряющейся жидкости. Для этого натеплоприемник, соединенный с манометром, помещают металлическую коробку, на днокоторой наливают немного эфира. По мере испарения эфира жидкость в коленеманометра, соединенном с теплоприемником, поднимается. Объясняют явлениеохлаждением теплоприемника, происходящим в результате испарения эфира.
Желательно также поставить эффектныйопыт, демонстрирующий примерзание металлического колпачка спиртовки. В колпачокналивают немного эфира и ставят его на влажную дощечку. Над поверхностью эфирапродувают воздух резиновой грушей. Колпачек примерзает к дощечке, что наглядносвидетельствует о понижении температуры испаряющейся жидкости.
Анализируя опыт, объясняют ученикам,что при испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могутвылетать с поверхности слоя наружу. Эти молекулы обладают кинетическойэнергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против силсцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости,определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается.Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергияиспаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется напреодоление сил сцепления и на совершение расширяющимся паром работы противвнешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергиитой части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояниямежду молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости.Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергияединицы массы жидкости при той же температуре.
Далее выясняют, от чего зависитиспарение. Увеличение испарения в связи с повышением температуры можно показатьна следующем опыте. На чашки технических весов ставят по кристаллизатору: один— с горячей водой, другой — с холодной. Весы уравновешивают. Пока учащиесязарисовывают схему опыта, становится заметным нарушение равновесия весов. Массагорячей воды уменьшается быстрее, чем холодной.
Зависимость испарения от размерасвободной поверхности жидкости можно показать так. На весах уравновешиваютпробирку и кристаллизатор с легко испаряющейся жидкостью, например с эфиром.Наблюдают, как постепенно поднимается та чашка весов, на которой установленсосуд с большей свободной поверхностью жидкости.
На примерах и опытах нужно такжепоказать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхностижидкости. Учащиеся хорошо знают, что в ветреную погоду белье, вывешенное дляпросушки, высыхает быстрее, чем в тихую; быстрее просыхает пол после влажнойуборки, если открыть окна в квартире. Продемонстрировать зависимость испаренияот скорости удаления паров с поверхности жидкости можно с помощью следующегоопыта. На колбы, соединенные с манометром, кладут одинаковые фланелевыетряпочки, смоченные спиртом. На одну из колб направляют воздушный поток отвентилятора и по показаниям манометра сразу обнаруживают, что испарение резковозрастает.
Зависимость скорости испарения отрода вещества испаряющейся жидкости можно показать так. Заготавливают листчистой бумаги с названиями исследуемых жидкостей (эфир, спирт, вода, масло). Налист с помощью кисточек, смоченных различными жидкостями, наносят несколькополосок. Затем края листа смачивают водой (как клеем) и накладывают на оконноестекло в физическом кабинете. При дневном освещении места, смоченныежидкостями, хорошо видны в проходящем свете. В вечернее время лист бумагиукрепляют в штативе и используют подсвет. Сначала исчезает пятно от эфира,затем от спирта, воды и, наконец, останется одна масляная полоска.
При изучении данных вопросов возможнаи иная последовательность: сначала предлагают учащимся на основемолекулярно-кине-тических представлений предсказать, как будет зависетьскорость испарения жидкости от температуры, размера свободной поверхностижидкости и ветра, а затем проверить предположения опытом. Таким путемцелесообразно изучать материал в более подготовленных классах.
Испарение твердого тела лучшепоказать, пользуясь искусственным льдом, если предоставляется такаявозможность. Медленно и не так наглядно идет испарение нафталина и снега.Поэтому наблюдение за их испарением можно дать в качестве домашнего заданиявсему классу.
Полезно давать учащимся на домтворческие задачи по физике, например:
На раскаленнуюпластинку, плиту или сковородку пустите капли воды и пронаблюдайте за скоростьюиспарения этих капель. Объясните, почему при очень высокой температурепластинки капля на ее поверхности держится неожиданно долго не испарясь.
Объясняют это тем, что «парыподдерживают каплю в воздухе.
Слой пара, поддерживающий каплю вовзвешенном состоянии, изолирует ее от металла, и она долго не испаряется».
В качестве примеров использованиязаконов испарения можно указать на разбрызгивание воды в горячих цехах дляохлаждения воздуха, на использование сушильных камер, где ускорения процессаиспарения жидкостей (из овощей, семян, древесных пород) достигают повышениемтемпературы и вентиляцией нагретого воздуха.
Дают некоторые сведения о ролииспарения в природе.
Всего с поверхности Земли за годиспаряется в среднем 518 600 км3 воды. Этого количества водыдостаточно, чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем большим, чем 1 м.Столько же в течение года выпадает осадков.
10. КИПЕНИЕ
Кипение — это особый видпарообразования, отличный от испарения. Поэтому при изучении кипения обращаютвнимание на внешние признаки явления, на постоянство температуры кипения.
Демонстрируют кипение воды в колбе иобъясняют его. Описание внешней картины явления связывают с выявлениемследующего: на стенках сосуда образуется много мелких пузырьков; объемпузырьков увеличивается, и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкостипроисходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. Наповерхности пузырьки лопаются. Процесс всплывания и разрушения на поверхностижидкости пузырьков, заполненных воздухом с паром, и характеризует кипение.Вводят понятие температуры кипения.
С целью увеличения наглядностиобразования пузырьков пара внутри жидкости можно кипятить жидкость,предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образованиекрупных пузырей пара с воздухом.
При выполнении лабораторной работы потеме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезносравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина илильда.
Понимание особенностей кипения будетболее полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять,что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различиемежду ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарениепроисходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнемдавлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости приопределенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.
В качестве домашнего задания всемуклассу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать икак кипит вода в открытом сосуде.
В учебнике и в программе нерассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления,но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.
Зависимость точки кипения от давленияцелесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную наодну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробиркурезиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжаетнагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей ивновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколомнасоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения приуменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемойхолодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшениядавления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершениетемы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодоннуюколбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.
Зависимость температуры кипения отдавления объясняют тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков паравнутри жидкости. Поэтому при повышении давления жидкость кипит при более высокойтемпературе. При изменении давления точка кипения меняется в более широкихпределах, чем точка плавления.
В качестве технической установки,демонстрирующей зависимость точки кипения от повышения давления, используюткотел Папина. При объяснении устройства котла необходимо подчеркнуть рольприспособления для регулировки давления пара. Оно не только выполняет функциипредохранительного устройства, но и обеспечивает кипение воды в котле приопределенной температуре.
11. КОНДЕНСАЦИЯ
После изучения парообразованиялогично поставить вопрос о противоположном процессе — конденсации пара.
Вновь проводят кипячение воды в колбеи наблюдают образование пара. Ставят на пути струи пара холодный предмет,например лист железа, и наблюдают появление на его нижней поверхности капелекводы.
Далее следует показать конденсациюпаров, находящихся в воздухе. С этой целью наливают эфир в пробирку или стакани продувают воздух, пока на стенках пробирки или стакана не появятся капелькиводы.
Наблюдаемые явления используют дляобъяснения круговорота воды в природе, образования тумана, выпадения росы.
Проще продемонстрировать наличиетеплоты конденсации, чем парообразования, поэтому изложение вопроса начинают сдемонстрации следующего опыта. Конец резиновой трубки, присоединенной к колбе скипящей водой, опускают в стакан с холодной водой. Пар, попадая в стакан,охлаждается и конденсируется, о чем свидетельствует повышение уровня воды встакане. Нагревание воды в стакане обнаруживают с помощью термометра. Налив встакан столько же кипятка, сколько сконденсировалось пара, мы получимзначительно меньшее повышение температуры.
Рассказывают о проявлении этогоявления в природе и использовании в технике. Обращают внимание на данныетаблицы зависимости удельной теплоты парообразования от температуры. Этисведения окажутся полезными при изучении темы «Тепловые двигатели». Взаключение решают задачи. Приемы решения задач на парообразование и конденсациюаналогичны решению задач на нахождение теплоты плавления. Теплотупарообразования выражают формулой Q = Lm, где L — удельнаятеплота парообразования.
В качестве примера использованияэнергии, выделяющейся при конденсации пара, рассматривают систему паровогоотопления.
12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Тема «Тепловые двигатели» имеет ярковыраженную политехническую направленность, которая позволяет учителю тесносвязать многие теоретические вопросы с их практическим применением в жизни.Вместе с тем, как показывает опыт, имеется опасность и такого изучения, когдафизическое содержание процессов, происходящих в тепловых двигателях,отодвигается на второй план и подменяется описанием технических деталей.Основной же задачей при изучении данной темы является расширение представленийучащихся о превращении энергии молекул (кинетической и потенциальной) в механическуюэнергию тела и механической энергии во внутреннюю в соответствии с закономсохранения и превращения энергии.
Таким образом, первая часть задачисостоит в изучении физических основ работы тепловых двигателей. Вторая частьзадачи охватывает изучение конструктивных особенностей тепловых двигателей.
В VIII классе программойпредусмотрено изучение устройства в действии поршневых двигателей внутреннегосгорания и паровых турбин.
Изучение материала должно показатьучащимся, что пар или газ может совершать работу только тогда, когда он ненаходится в тепловом или механическом равновесии с окружающей средой.
Процесс преобразования внутреннейэнергии газа, пара в механическую может быть осуществлен с помощью различныхдвигателей: поршневых и роторных. В паровом двигателе внутренняя энергиясгоревшего топлива преобразуется в механическую посредством расширения пара, вдвигателях внутреннего сгорания это преобразование происходит посредствомрасширения нагретого газа. Непременным условием работы любого теплового двигателяявляется наличие нагревателя (разности температур), рабочего тела, холодильникаи тела, механическая энергия которого увеличивается. Важной характеристикой приоценке экономичности тепловых двигателей является КПД.
Общее для всех поршневых двигателейне только наличие цилиндра и поршня, т. е. конструктивное сходство, но и то,что в них термодинамический процесс не разделен в пространстве, а только лишьво времени, тогда как в турбинах, реактивных двигателях термодинамическийпроцесс разделен и в пространстве, и во времени. Эти соображения дают основаниеизучать тепловые двигатели в два этапа: вначале поршневые двигатели, как болеепростые в термодинамическом отношении, а затем турбины.
13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В начале темы «Тепловые явления» речьшла в основном об изменении внутренней энергии путем теплообмена. Теперьследует подробно рассмотреть вопрос об изменении внутренней энергии посредствомсовершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловыхдвигателях.
Расширениерабочего тела — самый важный процесс в работе любого теплового двигателя. Поэтомуданное обстоятельство нельзя упускать из виду при объяснении работы тепловыхдвигателей.
С помощью демонстраций нужно показатьучащимся, что газ, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающейсредой, может совершить работу расширения за счет изменения своей внутреннейэнергии. Опыт может быть проведен на следующей установке.
В стеклянный цилиндр с отверстием настенке около днища помещают картонный поршень. Отверстие в стеклянном цилиндресо стенками не тоньше 2,5—3 мм протачивают точильным корундовым кругом.Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин своздухом или протирают стенки цилиндра тампоном, смоченным бензином. Убираютпульверизатор и подносят пламя спички к отверстию цилиндра. Смесьвоспламеняется, и поршень (картонный) выбрасывается из стеклянного цилиндра.
В данном опыте тепловое неравновесноесостояние газа по отношению к окружающей среде было создано за счет химическойэнергии топлива.Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием карбюраторный) действительно является тепловымдвигателем (в термодинамическом смысле слова), так как он самостоятельно,непрерывно превращает внутреннюю энергию топлива в механическую посредствомтепловых процессов. Паровая турбина, взятая изолированно, не является тепловымдвигателем, а представляет собой механизм, преобразующий энергию рабочего телав механическую. Роль теплового двигателя выполняет вся паровая установка.
Используя модель (рис. 20.11),рассказывают об устройстве и действии четырехтактного двигателя внутреннегосгорания.Обращают внимание учащихся на наличие в двигателе внутреннего сгораниянагревателя (цилиндр), рабочего тела (газообразные продукты сгорания), тела,механическая энергия которого увеличивается (поршень).
При объяснении устройства и действиядвигателя внутреннего сгорания следует использовать также плакаты, кинофильмы изарисовки на доске. В фильмотеках имеется кинофрагмент «Четырехтактныйдвигатель». Натурные и мультипликационные кадры в нем знакомят с принципомдействия двигателя внутреннего сгорания, с его внешним видом. В кинофрагментедемонстрируется четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания: всасывание,сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Положение клапанов показанокрупным планом. При наличии времени полезно продемонстрировать кинокольцовку«Работа четырехцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя». В нейпоказываются процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннегосгорания.
Учащиеся должны уметь выполнятьсхематические рисунки четырех тактов двигателя и объяснять происходящие приэтом в двигателе внутреннего сгорания процессы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учащиеся в процессе изучения физики должнынаучиться пользоваться определенными приборами и устройствами. Уметь определятьопытным путем физические величины, решать основные типы задач (вычислительные,качественные, экспериментальные, графические и др.). Решение задач является составнойчастью процесса обучения физики. В связи с этим задачи решаются на учебныхзанятиях по физике в различных формах и на всех этапах усвоения знаний.Овладевать общеучебными умениями (уметь работать с учебной литературой,выделять главное, делать выводы, ставить опыты, вычислять и др.); мыслительныеоперациями (анализ, синтез, абстрагирование, обобщение и др.); приемамиумственной деятельности(сравнение, классификация, определение и др.)
Все элементы физических знаний могут быть усвоеныучащимися на различных уровнях(различение, запоминание, понимание, применениезнаний в знакомой и в новой ситуация). Учащиеся должны знать систему понятий,формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническоезначение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняяэнергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельнаятеплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление иотвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основемолекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических итепловых процессах, тепловые двигатели.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.В.Перышкин, Н.А. Родина, Х.Д. Рошовская // Преподавание физики в 6-7 классах средней школы.Пособие для учителя- Москва “Просвещение” 1985.-188-211 с.
2. С.Е. Каменецкий, Л.А. Иванов // Методика преподавания физики всредней школе. Частные вопросы – Москва “Просвещение” 1987.-189-208 с.
3. В.А. Кондаков // Строение и свойства вещества. Пособие дляучителя – Издательство “Просвещение” Москва 1970.-136 -148 с.
4. А.В. Усова // Методика преподавания физики в 7-8 классахсредней школы. Пособие для учителя – Москва “Просвещение” 1990.- 293-300 с.
5. Б.М. Якорский, А.А Пинский // Основы физики – Наука, Москва,1972 т.2 с. 73-97.
6. Л.А.Исаченкова, Ю.Д.Лещинский//Учебное пособие для 8класса-Минск”Народная освета”2005.