Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

Несложные опыты, а также наблюдения теплопроводности и конвекции нужно рекомендовать учащимся выполнить самостоятельно дома. Изложение вопроса следует закончить постановкой ряда качественных задач.

ИЗЛУЧЕНИЕ

Понятие об излучении как одном из способов передачи тепла можно начать с постановки опыта по нагреванию колбы, соединенной с манометром, от электрообогревателя с отражателем. По изменению уровней жидкости в манометре учащиеся приходят к выводу о нагревании воздуха в колбе.

Перед учащимися ставится вопрос: вследствие чего же воздух в колбе нагревается? Ведь теплопроводность здесь исключена: слой воздуха, отделяющий колбу от спирали электрообогревателя — плохой проводник тепла, а конвекция в данном случае исключена, так как колба расположена на одном уровне со спиралью. Возникает проблемная ситуация, в результате обсуждения которой учащиеся приходят к заключению о том, что в данном случае имеет место особый вид теплопередачи — излучение — теплопередача с помощью невидимых лучей. Учитель сообщает, что с помощью излучения передается на Землю тепло от Солнца, находящегося от Земли на расстоянии 150 млн. км.

Особенности явления выясняют с помощью опытов, описание которых приведено в книге С. А. Хорошавина «Физический эксперимент в средней школе. 6—7 классы» (М.: Просвещение, 1988.— С. 70).

Затем переходят к раскрытию трудного для понимания учащихся понятия о том, что тела с темной поверхностью при равной температуре не только лучше поглощают энергию и сильнее нагревают, но и лучше излучают ее, чем тела, имеющие светлую поверхность. Для этого ставят опыт с сосудом 1 (рис. 20.7), одна стенка которого покрыта черной, а другая белой краской. В сосуд наливают кипяток и рядом помещают два теплоприемника 2 и 3, присоединенные к различным коленам манометра или, что лучше, концам горизонтальной трубки 4, в которую помещен столбик жидкости 5. Через некоторое время столбик жидкости начнет перемещаться в результате большого повышения давления в теплоприемнике, расположенном у зачерненной стенки сосуда, показывая тем самым, что зачерненная поверхность путем излучения передает больше энергии, чем светлая поверхность.

Полезно также поставить опыт с двумя сосудами, один из которых выкрашен белой, а другой черной краской. В сосуды наливают кипяток и вставляют термометры, по которым через некоторое время будет видно, что вода в черном сосуде остывает быстрее.

Типичными задачами по данному вопросу темы 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 прежде всего излучением.

Один ученик сказал, что летом ходить в белой одежде прохладнее, поскольку она лучше отражает лучи и меньше нагревается. Другой возразил ему, сказав, что прохладнее в черной одежде, так как она лучше излучает энергию. Кто из них прав?

4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

Процесс совершения механической работы и процесс теплопередачи имеют общий признак — изменяют внутреннюю энергию тела. Меру изменения внутренней энергии путем совершения механической работы назвали просто работой, а меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи — количеством теплоты.

До определения единицы количества теплоты следует вспомнить с учащимися о физической величине — механической работе и ее расчете. Механическая работа прямо пропорциональна силе и длине пути.

Аналогично количество теплоты как мера изменения внутренней энергии тоже зависит от нескольких физических величин. Напоминают о том, что внутренняя энергия определяется скоростью теплового движения частиц, из которых состоит тело, следовательно, количество теплоты как мера изменения внутренней энергии связано с температурой тела. Если температура тела возросла, это означает, что тело получило некоторое количество теплоты, если температура тела понизилась — оно отдало некоторое количество теплоты.

Таким образом, можно сказать, что количество теплоты зависит от изменения температуры тела. Количество теплоты зависит также от второй физической величины — массы тела. В самом деле, на спиртовке за определенное время мы сможем вскипятить воду в пробирке, чего не сделаем в чайнике. Объясняется это тем, что количество теплоты за промежуток времени t будет достаточным для нагревания до 100 °С воды в пробирке и недостаточным для нагревания до температуры кипения воды в чайнике. Количества теплоты, необходимые для кипячения воды в пробирке и чайнике, будут различными; как показывает опыт, чем больше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.

То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела.

Обобщая оба случая, можно говорить о том, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разности температур в начале и в конце теплообмена.

Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ. Единицами внутренней энергии служат джоуль, килоджоуль. Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введены раньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицы для измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока еще применяются 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 при повышении температуры на 1 °С: 1 кал =4,19 Дж. В дальнейшем расчеты внутренней энергии следует выполнять в джоулях.

5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

Изучение предыдущего материала подготовило учащихся к пониманию того, что изменение теплового состояния тела при теплопередаче зависит и от рода вещества. Эту зависимость характеризуют особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества.

Для перехода к понятию об удельной теплоемкости проводят ряд опытов.

Цилиндры из разных веществ одинаковой массы (равенство масс цилиндров показать взвешиванием на весах) и одинакового д аметра нагревают в кипящей воде и опускают на пластинку из парафина (рис. 20.8). Расплавив парафин, цилиндры погружаются в него на различную глубину. Из опыта делают вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, при охлаждении и при нагревании на одно и то же число градусов отдают и требуют разное количество теплоты.

В два внутренних стакана калориметра наливают по 0,1 кг воды при комнатной температуре и помещают в них термометры. В третий сосуд кладут кусок железа, наливают воду, масса которой равна массе куска железа, и нагревают до 100 °С. Затем кусок железа переносят в один из стаканов калориметра, а горячую воду выливают в другой. О повышении температуры воды в калориметрах судят по показаниям термометров.

3. Для сравнения теплоемкости жидкостей можно поставить следующий опыт. В один стакан наливают 0,1 кг воды, в другой — 0,1 кг керосина и опускают в них нагретые в горячей воде одинаковые по массе тела. Термометры покажут, что температура керосина увеличится быстрее, чем температура воды.

Данные опыты можно использовать при расчете количества теплоты, полученного водой, и количества теплоты, отданного при остывании на 1 °С телом массой 1 г (кг). После этого дают определение теплоемкости как количества теплоты, необходимого для изменения температуры тела на 1 °С, удельной теплоемкости — как количества теплоты, необходимого для изменения температуры 1 г (кг) вещества на 1 °С. Вновь подчеркивают физический смысл термина «количество теплоты» или дают другое определение: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1 г (кг) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 °С. Далее рассматривают с учащимися таблицу удельных теплоем-костей и выясняют, что означает, например, запись:

Значение различной теплоемкости в технике и природе поясняют рядом примеров.

1. Большая по сравнению с другими веществами удельная теплоемкость воды делает ее удобной для применения в водяном отоплении и в системе охлаждения двигателей. (Вследствие большой удельной теплоемкости воды даже при незначительном изменении ее температуры выделяется или поглощается большее количество теплоты.)

2.Климат островов гораздо умереннее и ровнее, чем климат больших материков, вследствие большой теплоемкости окружающих водных масс.

Расчет количества теплоты, полученного телом при нагревании или отданного при охлаждении, производят сначала арифметически, исходя из определения удельной теплоемкости.

В завершение, когда учащиеся окончательно уяснят смысл удельной теплоемкости и зависимость количества теплоты от удельной теплоемкости, массы тела и разности температур, вводят формулу Q = cm(t-t0). По данной формуле решают в основном прямые задачи, т. е. определяют значение Q. Задачи, в которых надо найти по данной зависимости с, т и особенно t или t0, трудны для учащихся VIII класса. Поэтому на ряде примеров учащимся следует разъяснить, как из данного уравнения можно найти то или иное неизвестное.

Для закрепления полученных знаний, а главное для приобретения умений и навыков производить калориметрические измерения и расчеты проводят лабораторную работу «Сравнение количеств теплоты при смешении воды». В этой работе учащиеся, как показывают наблюдения, часто допускают следующие ошибки: при измерении температуры термометр вынимают из сосуда с водой; вынимают из кожуха внутренний сосуд калориметра и работают только с ним; взвешивают внутренний сосуд вместе с внешним. Поэтому перед проведением работы необходимо провести беседу, которая бы помогла учащимся провести все измерения правильно.

Данная работа является первой попыткой подвести учащихся к пониманию закона сохранения энергии в тепловых процессах, поэтому в дальнейшем при изучении этого закона следует еще раз проанализировать результаты, метод проведения работы и установить, почему количество энергии, полученной нагревающимся телом, несколько меньше количества энергии, выделенной остывающим телом.

6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

В данной теме расширяется понятие энергии. Вначале напоминают учащимся некоторые сведения из химии. Они сводятся к тому, что при горении происходит соединение элементов с кислородом и образование новых веществ, новых молекул. Так, например, при горении метана образуются углекислый газ и вода:

СН4 + 202 = СО + + 2Н20.

Горение, связанное с разрушением одних молекул и образованием других, сопровождается выделением некоторого количества теплоты. В данном случае изменение внутренней энергии произошло не посредством теплообмена и не путем совершения работы телом или над телом, а в результате термохимических явлен происходящих с топливом. При этом энергия движения молекул продуктов сгорания, а следовательно, и их температура будет больше, чем у молекул топлива.

Повышение температуры при сгорании топлива и увеличение кинетической энергии молекул продуктов сгорания, а затем передача окружающим телам некоторого количества теплоты объясняется изменением внутренней энергии тела.

Для конкретизации и закрепления введенных понятий можно также поставить следующий опыт.

В стеклянный цилиндр с отверстием в стенке около дна помещают свободно входящий картонный поршень. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом. Убирают подальше пульверизатор, подносят пламя спички к отверстию цилиндра и наблюдают, как поршень выбрасывается вверх. Учащимся объясняют, что при горении кинетическая энергия молекул увеличивается. В целом же внутренняя энергия топлива уменьшается, так как совершается работа по поднятию поршня.

Все виды топлива обладают внутренней энергией, которая выделяется при сгорании. При этом совершается механическая работа (при определенных условиях) или нагреваются другие тела путем теплообмена. При сгорании 1 кг различных видов топлива выделяется различное количество энергии. Отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к массе сгоревшего топлива называется удельной теплотой сгорания топлива.

Учащимся предлагается работа с таблицей «Удельная теплота сгорания топлива». Дается задание найти в таблице топливо, теплота сгорания которого наибольшая, наименьшая, сравнить теплоту сгорания торфа и каменного угля, дров и т. д. Затем решают задачи на расчет количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, используя формулу Q = qm, где q — удельная теплота сгорания, am — масса топлива. При этом уточняется наименование единицы удельной теплоты сгорания- .

Далее рассматривается вопрос о превращении механической энергии во внутреннюю энергию тел. Демонстрируют опыты: нагревание монеты при натирании ее, нагревание проволоки при многократном ее изгибании, нагревание ножа при заточке его на вращающемся точильном камне. Предлагают детям привести примеры подобных явлений из своего жизненного опыта (нагревание ладоней рук при спуске по шесту, канату, образование искр в механической зажигалке). Полезно напомнить о том, как с помощью трения кусков дерева друг о друга первобытные люди получали огонь.

После обсуждения этих примеров и опытов формулируют закон сохранения и превращения энергии. Учащимся дают краткую историческую справку о законе сохранения и превращения энергии. Сообщают, что его открыли в середине XIX в., когда был накоплен необходимый для этого многочисленный экспериментальный материал и появилась возможность его обобщить. Рассказывают о роли в открытии этого закона Р. Майера, Г. Гельмгольца и Д. Джоуля, о большой заслуге М. В. Ломоносова, который, на столетие опережая ученых своего времени, писал в письме Эйлеру 5 июля 1748 г.: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому.»1.

Далее показывают использование закона сохранения и превращения энергии для технических расчетов. Учащиеся должны узнать, что на основе этого закона производят расчеты количества топлива, необходимого для работы электростанций, тепловозов; закон позволяет рассчитать количество электроэнергии, необходимое для работы машин.

Одной из важных иллюстраций закона сохранения и превращения энергии является рассмотрение энергетических превращений, происходящих в природе. Основной источник используемых сейчас на Земле видов энергии — Солнце. Учащимся сообщают, что часть энергии, полученная Землей от Солнца, расходуется непосредственно на нагревание земной коры и атмосферы; другая часть преобразуется растениями в химическую энергию, которая становится, таким образом, частью внутренней энергии растений. С деятельностью Солнца связаны и запасы топлива на Земле: каменного угля, торфа и др. Круговорот воды, движение воздушных масс есть также результат солнечной деятельности.

Полезно продемонстрировать учебный кинофильм «Солнце — главный источник энергии на Земле».

Тема «Солнце — главный источник энергии на Земле» не обязательна для изучения в классе. Материал в учебнике на эту тему дан для дополнительного чтения. Если учитель посчитает возможным изучение этого вопроса на уроке, его целесообразно провести в виде учебной конференции, поставив следующие доклады:

Солнце — источник тепла и света на Земле.

Использование человеком энергии излучения Солнца.

7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

Эту тему можно начать с проведения наблюдений за изменением температуры при нагревании и плавлении нафталина. Можно продемонстрировать учащимся плавление тел и проанализировать полученный при этом график.

Учащиеся должны усвоить три следующих положения: существует температура, выше которой вещество в твердом состоянии не может находиться; температура во время плавления остается постоянной; процесс плавления требует притока энергии к плавящемуся веществу.

Учитель одновременно демонстрирует и записывает на доске данные о плавлении нафталина или льда и воска.

Нафталин рекомендуется брать химически чистым; резервуар термометра, помещенного внутрь малой пробирки, следует расположить в середине массы нафталина. Пробирку подбирают короткую и заполняют нафталином доверху во избежание осаждения его на стенках пробирки, что мешает снятию показаний термометра.

При выполнении лабораторной работы возникает трудность: горизонтальный участок графика при плавлении может оказаться столь коротким, что учащиеся могут его не обнаружить. Чтобы получить кривую, близкую к идеальной, можно ограничиться исследованием только процесса отвердевания нафталина. Время наблюдения при этом примерно 15 мин при массе нафталина 5 г. Наблюдения начинают с температуры воды, равной 90 °С. Тогда процесс отвердевания длится около 5 мин и оказывается резко выраженным на графике.

Для медленного нагревания испытуемых тел и правильного изменения их температуры малую пробирку с нафталином помещают внутри большой так, чтобы она не касалась стенок последней, а большую пробирку помещают в сосуд с водой, нагретой до кипения. Такая воздушно-водяная баня позволяет получить хорошие данные для вычерчивания графика.

При анализе полученного графика обращают внимание учащихся на постоянство температуры, при которой происходит плавление.

Далее рассматривают таблицу температур плавления. Отметив, что все металлы и их сплавы относятся к кристаллическим телам, предлагают учащимся в таблице найти металлы с наиболее низкой температурой плавления. Рассматривают применение тугоплавких металлов и сплавов для создания космических кораблей, реактивных двигателей, для изготовления спиралей тепловых электрических приборов. Полезно поставить ряд вопросов, вскрывающих понимание учащимися процесса и температуры плавления:

Почему чайник, поставленный на включенную электрическую плитку, не распаивается, пока в нем находится вода?

8. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ

Определение удельной теплоты плавления вводят после анализа графика плавления нафталина, позволяющего установить наличие теплообмена между нагревателем и телом без повышения его температуры и, следовательно, приводящего к мысли о существовании теплоты плавления. Записывают формулу Q = km. Выясняют с учащимися, 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 закрепляют рассмотрением таблицы удельной теплоты плавления веществ и решением задач. При анализе таблицы от учащихся требуют полного ответа на вопрос: «Что показывает величина удельной теплоты плавления вещества?»

После тренировки с данными таблицы обращаются к анализу той части графика, которая относится к отвердеванию, и устанавливают наличие теплоты отвердевания.

При решении задач по данному разделу преимущественно используют прямые задачи на нахождение количества теплоты, необходимого для нагревания и плавления вещества, при этом вначале решают задачи на плавление (отвердевание) тел, взятых при температуре плавления (отвердевания), а затем рассматривают тела при температуре, отличной от температуры плавления (отвердевания). В заключение решают простейшие задачи, в которых по существу используют уравнение теплового баланса. Например:

Какое количество энергии надо для превращения 5 кг льда, взятого при

—10 °С, в воду с температурой 20 °С?

При решении подобных задач нужно обратить внимание учащихся на то, что значение удельной теплоемкости для одного и того же вещества в различных агрегатных состояниях, вообщем говоря,различно.

Например, при 20 ° С для воды с = 4200 а для льда с =1800при — 20 °С.

Наряду с вычислительными задачами особое значение в данной теме имеет также решение графических задач, подобных следующим:

Графики каких процессов изображены на рисунке 20.9?

При повторении в конце года в сильных по подготовке классах желательно провести лабораторную работу «Определение удельной теплоты плавления льда». Работу можно включить в заключительный физический 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 при температуре 30—35 °С.

9. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ

Изучение испарения можно начать с наблюдения учащимися уменьшения количества вещества при испарении, которое сопровождается понижением температуры испаряющейся жидкости. Для этого на теплоприемник, соединенный с манометром, помещают металлическую коробку, на дно которой наливают немного эфира. По мере испарения эфира жидкость в колене манометра, соединенном с теплоприемником, поднимается. Объясняют явление охлаждением теплоприемника, происходящим в результате испарения эфира.

Желательно также поставить эффектный опыт, демонстрирующий примерзание металлического колпачка спиртовки. В колпачок наливают немного эфира и ставят его на влажную дощечку. Над поверхностью эфира продувают воздух резиновой грушей. Колпачек примерзает к дощечке, что наглядно свидетельствует о понижении температуры испаряющейся жидкости.

Анализируя опыт, объясняют ученикам, что при испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылетать с поверхности слоя наружу. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершение расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.

Далее выясняют, от чего зависит испарение. Увеличение испарения в связи с повышением температуры можно показать на следующем опыте. На чашки технических весов ставят по кристаллизатору: один — с горячей водой, другой — с холодной. Весы уравновешивают. Пока учащиеся зарисовывают схему опыта, становится заметным нарушение равновесия весов. Масса горячей воды уменьшается быстрее, чем холодной.

Зависимость испарения от размера свободной поверхности жидкости можно показать так. На весах уравновешивают пробирку и кристаллизатор с легко испаряющейся жидкостью, например с эфиром. Наблюдают, как постепенно поднимается та чашка весов, на которой установлен сосуд с большей свободной поверхностью жидкости.

На примерах и опытах нужно также показать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости. Учащиеся хорошо знают, что в ветреную погоду белье, вывешенное для просушки, высыхает быстрее, чем в тихую; быстрее просыхает пол после влажной уборки, если открыть окна в квартире. Продемонстрировать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости можно с помощью следующего опыта. На колбы, соединенные с манометром, кладут одинаковые фланелевые тряпочки, смоченные спиртом. На одну из колб направляют воздушный поток от вентилятора и по показаниям манометра сразу обнаруживают, что испарение резко возрастает.

Зависимость скорости испарения от рода вещества испаряющейся жидкости можно показать так. Заготавливают лист чистой бумаги с названиями исследуемых жидкостей (эфир, спирт, вода, масло). На лист с помощью кисточек, смоченных различными жидкостями, наносят несколько полосок. Затем края листа смачивают водой (как клеем) и накладывают на оконное стекло в физическом кабинете. При дневном освещении места, смоченные жидкостями, хорошо видны в проходящем свете. В вечернее время лист бумаги укрепляют в штативе и используют подсвет. Сначала исчезает пятно от эфира, затем от спирта, воды и, наконец, останется одна масляная полоска.

При изучении данных вопросов возможна и иная последовательность: сначала предлагают учащимся на основе молекулярно-кине-тических представлений предсказать, как будет зависеть скорость испарения жидкости от температуры, размера свободной поверхности жидкости и ветра, а затем проверить предположения опытом. Таким путем целесообразно изучать материал в более подготовленных классах.

Испарение твердого тела лучше показать, пользуясь искусственным льдом, если предоставляется такая возможность. Медленно и не так наглядно идет испарение нафталина и снега. Поэтому наблюдение за их испарением можно дать в качестве домашнего задания всему классу.

Полезно давать учащимся на дом творческие задачи по физике, например:

На раскаленную пластинку, плиту или сковородку пустите капли воды и пронаблюдайте за скоростью испарения этих капель. Объясните, почему при очень высокой температуре пластинки капля на ее поверхности держится неожиданно долго не испарясь.

Объясняют это тем, что «пары поддерживают каплю в воздухе.

Слой пара, поддерживающий каплю во взвешенном состоянии, изолирует ее от металла, и она долго не испаряется».

В качестве примеров использования законов испарения можно указать на разбрызгивание воды в горячих цехах для охлаждения воздуха, на использование сушильных камер, где ускорения процесса испарения жидкостей (из овощей, семян, древесных пород) достигают повышением температуры и вентиляцией нагретого воздуха.

Дают некоторые сведения о роли испарения в природе.

Всего с поверхности Земли за год испаряется в среднем 518 600 км3 воды. Этого количества воды достаточно, чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем большим, чем 1 м. Столько же в течение года выпадает осадков.

10. КИПЕНИЕ

Кипение — это особый вид парообразования, отличный от испарения. Поэтому при изучении кипения обращают внимание на внешние признаки явления, на постоянство температуры кипения.

Демонстрируют кипение воды в колбе и объясняют его. Описание внешней картины явления связывают с выявлением следующего: на стенках сосуда образуется много мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается, и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются. Процесс всплывания и разрушения на поверхности жидкости пузырьков, заполненных воздухом с паром, и характеризует кипение. Вводят понятие температуры кипения.

С целью увеличения наглядности образования пузырьков пара внутри жидкости можно кипятить жидкость, предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образование крупных пузырей пара с воздухом.

При выполнении лабораторной работы по теме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезно сравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина или льда.

Понимание особенностей кипения будет более полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять, что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различие между ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.

В качестве домашнего задания всему классу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать и как кипит вода в открытом сосуде.

В учебнике и в программе не рассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления, но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.

Зависимость точки кипения от давления целесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную на одну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробирку резиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжает нагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей и вновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколом насоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения при уменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемой холодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшения давления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершение темы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодонную колбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.

Зависимость температуры кипения от давления объясняют тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости. Поэтому при повышении давления жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.

В качестве технической установки, демонстрирующей зависимость точки кипения от повышения давления, используют котел Папина. При объяснении устройства котла необходимо подчеркнуть роль приспособления для регулировки давления пара. Оно не только выполняет функции предохранительного устройства, но и обеспечивает кипение воды в котле при определенной температуре.

11. КОНДЕНСАЦИЯ

После изучения парообразования логично поставить вопрос о противоположном процессе — конденсации пара.

Вновь проводят кипячение воды в колбе и наблюдают образование пара. Ставят на пути струи пара холодный предмет, например лист железа, и наблюдают появление на его нижней поверхности капелек воды.

Далее следует показать конденсацию паров, находящихся в воздухе. С этой целью наливают эфир в пробирку или стакан и продувают воздух, пока на стенках пробирки или стакана не появятся капельки воды.

Наблюдаемые явления используют для объяснения круговорота воды в природе, образования тумана, выпадения росы.

Проще продемонстрировать наличие теплоты конденсации, чем парообразования, поэтому изложение вопроса начинают с демонстрации следующего опыта. Конец резиновой трубки, присоединенной к колбе с кипящей водой, опускают в стакан с холодной водой. Пар, попадая в стакан, охлаждается и конденсируется, о чем свидетельствует повышение уровня воды в стакане. Нагревание воды в стакане обнаруживают с помощью термометра. Налив в стакан столько же кипятка, сколько сконденсировалось пара, мы получим значительно меньшее повышение температуры.

Рассказывают о проявлении этого явления в природе и использовании в технике. Обращают внимание на данные таблицы зависимости удельной теплоты парообразования от температуры. Эти сведения окажутся полезными при изучении темы «Тепловые двигатели». В заключение решают задачи. Приемы решения задач на парообразование и конденсацию аналогичны решению задач на нахождение теплоты плавления. Теплоту парообразования выражают формулой Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования.

В качестве примера использования энергии, выделяющейся при конденсации пара, рассматривают систему парового отопления.

12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Тема «Тепловые двигатели» имеет ярко выраженную политехническую направленность, которая позволяет учителю тесно связать многие теоретические вопросы с их практическим применением в жизни. Вместе с тем, как показывает опыт, имеется опасность и такого изучения, когда физическое содержание процессов, происходящих в тепловых двигателях, отодвигается на второй план и подменяется описанием технических деталей. Основной же задачей при изучении данной темы является расширение представлений учащихся о превращении энергии молекул (кинетической и потенциальной) в механическую энергию тела и механической энергии во внутреннюю в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.

Таким образом, первая часть задачи состоит в изучении физических основ работы тепловых двигателей. Вторая часть задачи охватывает изучение конструктивных особенностей тепловых двигателей.

В VIII классе программой предусмотрено изучение устройства в действии поршневых двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин.

Изучение материала должно показать учащимся, что пар или газ может совершать работу только тогда, когда он не находится в тепловом или механическом равновесии с окружающей средой.

Процесс преобразования внутренней энергии газа, пара в механическую может быть осуществлен с помощью различных двигателей: поршневых и роторных. В паровом двигателе внутренняя энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую посредством расширения пара, в двигателях внутреннего сгорания это преобразование происходит посредством расширения нагретого газа. Непременным условием работы любого теплового двигателя является наличие нагревателя (разности температур), рабочего тела, холодильника и тела, механическая энергия которого увеличивается. Важной характеристикой при оценке экономичности тепловых двигателей является КПД.

Общее для всех поршневых двигателей не только наличие цилиндра и поршня, т. е. конструктивное сходство, но и то, что в них термодинамический процесс не разделен в пространстве, а только лишь во времени, тогда как в турбинах, реактивных двигателях термодинамический процесс разделен и в пространстве, и во времени. Эти соображения дают основание изучать тепловые двигатели в два этапа: вначале поршневые двигатели, как более простые в термодинамическом отношении, а затем турбины.

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

В начале темы «Тепловые явления» речь шла в основном об изменении внутренней энергии путем теплообмена. Теперь следует подробно рассмотреть вопрос об изменении внутренней энергии посредством совершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловых двигателях.

Расширение рабочего тела — самый важный процесс в работе любого теплового двигателя. Поэтому данное обстоятельство нельзя упускать из виду при объяснении работы тепловых двигателей.

С помощью демонстраций нужно показать учащимся, что газ, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, может совершить работу расширения за счет изменения своей внутренней энергии. Опыт может быть проведен на следующей установке.

В стеклянный цилиндр с отверстием на стенке около днища помещают картонный поршень. Отверстие в стеклянном цилиндре со стенками не тоньше 2,5—3 мм протачивают точильным корундовым кругом. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом или протирают стенки цилиндра тампоном, смоченным бензином. Убирают пульверизатор и подносят пламя спички к отверстию цилиндра. Смесь воспламеняется, и поршень (картонный) выбрасывается из стеклянного цилиндра.

В данном опыте тепловое неравновесное состояние газа по отношению к окружающей среде было создано за счет химической энергии топлива.Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием карбюраторный) действительно является тепловым двигателем (в термодинамическом смысле слова), так как он самостоятельно, непрерывно превращает внутреннюю энергию топлива в механическую посредством тепловых процессов. Паровая турбина, взятая изолированно, не является тепловым двигателем, а представляет собой механизм, преобразующий энергию рабочего тела в механическую. Роль теплового двигателя выполняет вся паровая установка.

Используя модель (рис. 20.11), рассказывают об устройстве и действии четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.Обращают внимание учащихся на наличие в двигателе внутреннего сгорания нагревателя (цилиндр), рабочего тела (газообразные продукты сгорания), тела, механическая энергия которого увеличивается (поршень).

При объяснении устройства и действия двигателя внутреннего сгорания следует использовать также плакаты, кинофильмы и зарисовки на доске. В фильмотеках имеется кинофрагмент «Четырехтактный двигатель». Натурные и мультипликационные кадры в нем знакомят с принципом действия двигателя внутреннего сгорания, с его внешним видом. В кинофрагменте демонстрируется четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Положение клапанов показано крупным планом. При наличии времени полезно продемонстрировать кинокольцовку «Работа четырехцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя». В ней показываются процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.

Учащиеся должны уметь выполнять схематические рисунки четырех тактов двигателя и объяснять происходящие при этом в двигателе внутреннего сгорания процессы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учащиеся в процессе изучения физики должны научиться пользоваться определенными приборами и устройствами. Уметь определять опытным путем физические величины, решать основные типы задач (вычислительные, качественные, экспериментальные, графические и др.). Решение задач является составной частью процесса обучения физики. В связи с этим задачи решаются на учебных занятиях 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.); мыслительные операциями (анализ, синтез, абстрагирование, обобщение и др.); приемами умственной деятельности(сравнение, классификация, определение и др.)

Все элементы физических знаний могут быть усвоены учащимися на различных уровнях(различение, запоминание, понимание, применение знаний в знакомой и в новой ситуация). Учащиеся должны знать 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.

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 в средней школе. Частные вопросы – Москва “Просвещение” 1987.-189-208 с.

3.       В.А. Кондаков // Строение и свойства вещества. Пособие для учителя – Издательство “Просвещение” Москва 1970.-136 -148 с.

4.       А.В. Усова // Методика преподавания физики в 7-8 классах средней 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 8 класса-Минск”Народная освета”2005.

Страницы: 1, 2