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.

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.