Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования “Брестский государственный университет

имени А.С. Пушкина”

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

Курсовая работа на тему:

«Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики»

Выполнил: студент 4 курса

физического факультета

специальность «Физика»

Шустик Р.М.

Проверил:

Брест, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ

2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

3. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

8. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ

9. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ

10. КИПЕНИЕ

11. КОНДЕНСАЦИЯ

12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

«Тепловые явления» включает систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах, тепловые двигатели.

Обилие понятий, которые нужно усвоить учащимся, требует тщательной разработки методики их формирования. Учитель при этом должен опираться на знания, полученные учащимися при изучении первоначальных сведений о строении вещества в VII классе, на понятия о работе и энергии. Это необходимо для объяснения сущности тепловых явлений и формирования основных понятий, таких, как тепловое движение, температура, внутренняя энергия, теплопередача, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества.

Определённые методические трудности возникают в связи с устаревшей терминологией. Основные термины — «теплота», «количество теплоты», «теплоемкость», «тепловая передача», «теплообмен» — появились в период теплородных представлений, когда под теплотой понимали особую материальную среду. При современных взглядах на природу теплоты такая терминология затрудняет правильное понимание учащимися физической сущности данных терминов и понятий. Однако иной терминологии пока не существует.

Для преодоления трудностей при изучении тем, связанных с формированием у школьников многих сложных и абстрактных понятий, надо идти по пути самого широкого использования демонстрационного и лабораторного физического эксперимента, решения задач и привлечения примеров из жизни, быта, природы и производства.

В неявном виде в данной теме учащиеся знакомятся с первым законом термодинамики и в некоторой степени — со вторым.

1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ

Приступая к изучению темы, необходимо повторить и уточнить с учащимися основные положения молекулярно-кинетической теории, поскольку на них придется опираться при изучении всего раздела. При повторении необходимо остановиться на особенностях движения частиц, из которых состоят газообразные, жидкие и твердые тела. Учащиеся вспоминают, что микрочастицы (молекулы) находятся в непрерывном движении. Молекулы газа, например, движутся по прямой линии, сталкиваясь, они изменяют скорость и направление своего движения и вновь продолжают движение до следующего соударения. Движение молекул беспорядочно. Такое движение получило название теплового движения.

Напоминают также учащимся, что скорость движения частиц связана с температурой тела: чем быстрее движутся частицы, тем более нагретым оказывается тело.

Связь скорости движения частиц с температурой тела можно продемонстрировать при наблюдении следующего опыта. Кристаллизатор разделяют водонепроницаемой перегородкой (пластилин) на две части. В одну половину кристаллизатора наливают горячую воду, в другую — холодную. Наличие пара с поверхности горячей воды свидетельствует о более высокой температуре. Одновременно в воду опускают одинаковые по размеру кусочки кровяной соли (гексациано феррата калия). Опыт наблюдается в проекции (рис. 20.1), он доказывает, чем выше температура, тем скорость диффузии больше. Значит, тем быстрее движутся частицы.

На основе понятия о тепловом движении переходят к уточнению понятия температуры.

Научное определение температуры требует введения понятия теплового равновесия, установления эмпирической шкалы температур, выбора термометрического тела и температурного признака. Данные понятия будут введены только в X классе. В VIII классе достаточно, если учащиеся воспримут понятие температуры как «степени нагретости тела» познакомятся с устройством и принципом действия жидкостных термометров и научатся измерять 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 горячей водой, показывают, что чем дольше подогревается вода в колбе, тем выше уровень столбика воды в трубке. Если жидкость в колбе имеет температуру окружающей среды, то по высоте столбика можно также судить и о температуре этой среды (воздуха, воды).

На уроке следует рассмотреть лабораторный и медицинский термометры.

Учащихся необходимо познакомить со следующими правилами измерения температуры: каждый термометр предназначен для измерения температуры лишь в определенных пределах; нельзя пользоваться термометром, если измеряемая температура может оказаться ниже или выше установленных для данного термометра предельных значений; отсчет по термометру надо производить спустя некоторое время, в течение которого он принимает температуру среды; при измерении температуры термометр (кроме медицинского) не должен извлекаться из среды, температуру которой определяют; глаз наблюдателя должен находиться на уровне верхнего конца столбика жидкости, наполняющей термометр.

Полезно сообщить некоторые значения температур, встречающихся в природе и технике. Различные млекопитающие имеют нормальную 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) — в Антарктиде. Вольфрамовая нить накала газонаполненной лампы нагревается током до 2525 °С, а температура поверхности Солнца около 6000 °С.

В демонстрационных опытах наряду с жидкостным термометром можно использовать и электрический, поскольку жидкостный демонстрационный термометр имеет существенный недостаток: он обладает сравнительно большой теплоемкостью и тепловой инерцией (время измерения 1 —1,5 мин, объем жидкости не менее 200 см3).

Промышленность выпускает для школ электрический термометр, датчиком которого является термистор, присоединяемый к измерительному мосту с демонстрационным гальванометром. Электрический термометр можно изготовить своими силами.

Так как учащиеся VIII класса незнакомы с физическими явлениями, которые используются в электрическом термометре, то будет достаточно, если учитель объяснит им принцип градуировки прибора и, измеряя, например, температуру воды электрическим и жидкостным термометрами, убедит учащихся в возможности измерения таким прибором температуры тел.

Для тренировки учеников в отсчетах по шкалам термометров полезно провести со всем классом упражнения с демонстрационной 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: «В зависимости от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело, внутреннюю энергию можно разбить на следующие составные части:

а) кинетическую энергию хаотического движения молекул (поступательного и вращательного);

б) потенциальную энергию, обусловленную силами межмолекулярного взаимодействия;

в) кинетическую и потенциальную энергию колебательного движения атомов и молекул;

г) энергию электронных оболочек атомов и ионов, а также внутриядерную энергию».

В VIII классе будет достаточным, если учащиеся усвоят, что энергия хаотического движения молекул (молекулярно-кинетическая) и энергия взаимодействия молекул (молекулярно-потенциальная) являются частью внутренней энергии тела. Такой подход правомерен и с научной точки зрения, так как тепловые явления, изучаемые в школе, протекают в пределах среднего температурного диапазона, при котором изменение внутренней энергии тел связано главным образом с изменением кинетической и потенциальной энергии молекул.

В ознакомительном плане можно также сказать, как это сделано в учебнике для VIII класса, что к внутренней энергии относится также атомная энергия, понятие о которой учащиеся получат при изучении электричества.

Приступая к формированию понятия внутренней энергии и способах ее изменения, необходимо предложить учащимся вспомнить, что они знают о механической энергии и внутреннем строении тел.

Здесь важно уточнить понимание учащимися следующих вопросов: «В каком случае о телах говорят, что они обладают энергией?», «Какие виды механической энергии различают?», «Какие тела обладают кинетической энергией и от чего она зависит?», «От чего зависит потенциальная энергия тел?». Понимание этих вопросов поможет школьникам при изучении внутренней энергии не путать ее с механической энергией.

Формирование понятия внутренней энергии можно провести различными приёмами. В основу первого приёма положена идея о кажущемся «нарушении» закона сохранения энергии при соударении неупругих тел — свинцового шара и свинцовой пластинки, в основу второго — мысль о том, что работа совершается в процессе изменения или превращения энергии и что работа представляет собой меру этого изменения или превращения энергии. Другими словами, если тело может совершать или совершает работу, то оно обладает энергией.

Первый прием менее привлекателен, так как при этом в конечном итоге происходит увеличение внутренней энергии взаимодействующих тел (свинцовый шар и пластинка) за счет уменьшения потенциальной энергии падающего свинцового шара. Вопрос же о том, обладали ли внутренней энергией эти тела до соударения, остается открытым. Поэтому начальные опыты должны иллюстрировать наличие внутренней энергии у тел до их нагревания и совершения над ними работы. К числу таких демонстраций можно отнести опыт с пробковым пистолетом, помещенным под колокол воздушного насоса. При создании разрежения под колоколом пробка выбрасывается из пробирки. Делают вывод: работу совершил воздух, находящийся в пробирке, следовательно, он обладал энергией. В отличие от механической энергии эту энергию называют внутренней энергией тела. Это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых 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 их взаимодействия составляет часть внутренней энергии тела и характеризует состояние тела в данный момент.

Далее нужно разъяснить учащимся отличие внутренней энергии от механической энергии тел. Механическая энергия зависит от скорости движения и массы тела, а также от расположения данного тела относительно других тел. Внутренняя же энергия не зависит от скорости движения тела в целом. Она определяется скоростью движения частиц, из которых состоит тело, и их взаимным расположением.

Дальше учащихся знакомят со способами изменения внутренней энергии тел, показывают, что она может изменяться при совершении (над телом или самим телом) механической работы и при теплопередаче. Этому помогают следующие простые и вместе с тем убедительные опыты, в которых основная идея не заслоняется побочными явлениями. В этих опытах внутренняя энергия рассматривается только как энергия движения молекул. О потенциальной энергии уместнее будет говорить при изучении изменений агрегатных состояний вещества.

1. Касаются руками стенок колбы дилатометра (см. рис. 17.23) и наблюдают перемещение подкрашенной капли воды в трубке. Явление объясняют расширением воздуха при нагревании. Нагревание же воздуха (повышение его температуры) свидетельствует об увеличении скорости беспорядочного (теплового) движения его молекул, а значит, и их кинетической энергии, составляющей часть внутренней энергии тела.

В данном случае увеличения внутренней энергии достигают путем теплопередачи. Если колбу поместить в сосуд с водой, температура которой ниже комнатной, капля воды в трубке будет перемещаться вниз, свидетельствуя о понижении температуры воздуха в колбе, а значит, и об уменьшении скорости беспорядочного движения молекул, их кинетической энергии.

Баллон, соединенный с манометрической трубкой (рис. 20.4) или микроманометром, натирают сукном и наблюдают изменение уровня жидкости в трубках манометра. Явление объясняют расширением воздуха в баллоне, которое, в свою очередь, обусловлено увеличением кинетической энергии молекул воздуха. В данном опыте происходит увеличение внутренней энергии тела (воздух) в результате совершения механической работы.

3. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Берут воздушное огниво. При быстром сжатии воздух нагревается столь значительно, что пары эфира, находящиеся в цилиндре под поршнем, воспламеняются. Температура самовоспламенения паров эфира 180 °С. Увеличение внутренней энергии паров эфира происходит в результате совершения механической работы по сжатию.

На наковальню помещают небольшой кусок меди, предварительно подложив под него лист бумаги (теплоизоляция). Резко ударяют 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 хорошо можно заметить даже споследних парт. В опыте с горизонтально расположенной трубкой результат еще более выразителен.

На основе опытов и анализа примеров из повседневной жизни подводят учащихся к выводу, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи (теплообмена) окружающим телам и совершения механической работы (трение, удар, сжатие).

Надо рассмотреть с учащимися и противоположные процессы, результат которых — уменьшение внутренней энергии тела. Так, при теплообмене нагретого утюга с окружающим воздухом его внутренняя энергия уменьшается, о чем можно судить по понижению температуры утюга с течением времени. Подобное явление происходит со всеми телами, начальная температура которых была выше окружающих тел.

Уменьшение внутренней энергии тел в результате совершения ими механической работы можно показать на следующем опыте.

Берут бутылку из-под молока и наливают в нее чайную ложку воды. Горлышко бутылки закрывают пробкой с продетой через нее стеклянной трубкой. Трубку с помощью резинового шланга соединяют с патрубком насоса Комовского для нагнетания воздуха. При нагнетании воздуха в бутылку давление в ней повышается и наконец становится таким, что под его действием вылетает пробка. На стенках бутылки при этом появляются капельки воды, что свидетельствует о понижении температуры находящихся в ней воздуха и пара. Образование капелек тумана усиливается, если в бутылку поместить дымящуюся спичку.

При демонстрации данного опыта должны быть приняты меры предосторожности: пробку следует смочить, чтобы она сравнительно легко выбрасывалась из горлышка бутылки.

Процесс, происходящий в описанном опыте, требует тщательного анализа на основе молекулярно-кинетических представлений.

Молекулы воздуха и водяного пара, находясь в непрерывном беспорядочном движении, бомбардируют стенки сосуда, в который они заключены. Чем выше температура воздуха, тем быстрее молекулы движутся. Если одна из стенок сосуда, в котором находится воздух, подвижна (в опытах это пробка), то она движется под ударами молекул. Энергия молекул при этом расходуется на совершение механической работы (по преодолению сил трения, по подъему пробки). В результате внутренняя энергия воздуха (и находящегося в нем пара) уменьшается.

Итак, учащиеся приходят к выводу: внутренняя энергия тела может изменяться (увеличиваться или уменьшаться) со временем при теплообмене данного тела с окружающими телами и при совершении механической работы. Для закрепления полученных знаний учащиеся отвечают на ряд вопросов:

Почему искусственные спутники Земли, не снабженные специальной тепловой зашитой, и метеориты сгорают, когда они в конце своего движения входят в плотные слои земной атмосферы?

Мука из-под жерновов выходит горячей, хлеб из печи вынимают тоже горячим. Укажите причины повышения температуры муки и хлеба. Изменилась ли внутренняя энергия этих тел и почему?

Обладает ли внутренней энергией тело, температура которого 0 °С?

Содержание этой темы по существу подводит учащихся к представлению о втором законе термодинамики как утверждении о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Учащиеся должны усвоить, что теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

При объяснении механизма теплопередачи опираются на имеющиеся у учащихся сведения о молекулярно-кинетической теории.

Изложение начинают с постановки проблемного опыта. На деревянный цилиндр накалывают ряд кнопок, обертывают его одним слоем бумаги (рис. 20.5). При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелки происходит неравномерное обугливание бумаги. Ставят вопрос: «Почему бумага, прилегающая к кнопкам, обугливается меньше?» Обобщая ответы учащихся и имеющиеся у них представления, устанавливают факт передачи теплоты от одной части твердого тела к другой и объясняют его. При нагревании происходит увеличение скорости движения молекул, из которых состоит тело. Это движение передается соседним молекулам, в результате скорость этих молекул и, следовательно, температура данной части тела возрастают. Выразителен также опыт, рассмотренный в учебнике.

Затем вводят понятие о хороших проводниках тепла — металлах и плохих проводниках (изоляторах) —дерево, стекло. Различную теплопроводность веществ — стекло и железо, железо и медь — наглядно демонстрируют на опыте по отделению гвоздиков, приклеенных парафином или воском к стержням, при их нагревании.

Рассматривают использование в технике, быту и в школьных физических приборах свойств тел по-разному проводить тепло. Например, плохую теплопроводность воздуха используют в устройстве школьного прибора калориметра.

Объяснение устройства и назначения калориметра необходимо пояснить на опыте с ним.

Полезно решить ряд задач. Здесь могут быть предложены задачи следующего содержания:

Взяв в руку гвоздь длиной 5—6 см, внесите его конец в пламя спички. На основе опыта сравните теплопроводность дерева и железа. Объясните, почему рука чувствует гвоздь особенно горячим уже после того, как спичка погаснет.

2. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге (в Туркмении) — от жары. Объясните целесообразность этого.

Полезно сообщить учащимся сравнительные данные теплопроводности некоторых твердых, жидких и газообразных тел. Железо, например, в 163 раза лучше проводит тепло, чем дуб, и в 100 раз лучше, чем вода; вода — в 27 раз лучше, чем воздух.

Изучение конвекции можно начать с постановки опыта, расположив, как указано на рисунке 20.6, стеклянную трубку с водой над пламенем спиртовки. При этом показания одного термометра (на рисунке слева) останутся почти без изменений, а другого (на рисунке справа) начнут быстро увеличиваться. Ставят вопрос: «Почему вода в одном случае хорошо, а в другом плохо передает тепло?»

В беседе выясняют, что так как вода при нагревании расширяется, то плотность ее уменьшается (можно, например, сообщить, что масса 1 м3 воды при 100 °С меньше, чем при 0 °С на 42 кг) и поэтому под действием архимедовой силы более легкие, нагретые слои воды поднимаются вверх.

Сущность явления следует раскрыть, нагревая, например, свечкой колбу с водой, на дне которой помещен кристаллик марганцовокислого калия, окрашивающего конвекционные потоки.

Для демонстрации теплопроводности и конвекции в газах можно поставить опыт, подобный показанному на рисунке 20.5, нагревая в трубке воздух.

Затем с помощью бумажных вертушек и дыма 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 в жидкостях, объясняется действием архимедовой силы.

В качестве примера конвекции в природе рассматривают образование дневных и ночных бризов, а в технике — образование тяги в дымоходах, конвекцию в водяном отоплении, водяном охлаждении двигателя внутреннего сгорания.

Страницы: 1, 2