Курсовая работа: Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики
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.