Урок 8. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Цели: выяснить физическое содержание закона сохранения энергии для тепловых процессов; вывести уравнение теплового баланса. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Анализ итогов контрольной работы

А) что такое удельная теплота сгорания топлива? Единицы измерения

Б) Как рассчитывается энергия топлива?

III. Изучение нового материала

Обратимся к опытам, изображенным на рис. 16 и 36. Как видно, полная механическая энергия свинцового шара при ударе о свинцовую плиту может превращаться во внутреннюю энергию шара и плиты (см. рис. 16). Наоборот, внутренняя энергия кипящей воды может превращаться в механическую энергию вращающегося колесика с лопастями (рис. 36).

Мерой превращения механической энергии во внутреннюю и обратно является работа.

Мерой передачи энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты равно изменению внутренней энергии, если в процессе теплообмена не совершается работа. В случае же, когда в процессе теплообмена совершается работа, количество теплоты не равно изменению внутренней энергии. Оно расходуется на увеличение внутренней энергии тела и на совершение им работы.

Таким образом, совершенная работа и количество переданной теплоты являются мерой изменения внутренней энергии системы. Это означает, что теплота и работа являются количественными характеристиками не состояния системы, а процесса перехода системы из одного состояния в другое.

Если нагревать газ, находящийся в цилиндре (рис. 38), то количе­ство теплоты Q, переданное газу от нагревателя, приводит к увеличению его внутренней энергии на At/. Одновременно будет совершаться работа по подъему поршня на высоту. из положения 1 в положение 2. Это означает, что увеличение внутренней энергии газа и совершение им работы по подъему поршня при своем расширении происходит за счет передачи ему некоторого количества теплоты.

Множество аналогичных опытов и наблюдений привели ученых к открытию одного из основных законов природы — закона сохранения энергии. Этот закон носит
всеобщий характер, так как распространяется на все явления, происходящие в природе.

Энергия не исчезает и не возникает из ничего. Она лишь передается от одного тела к другому или превращается из одного вида в другой в равных количествах.

Сумму механической энергии W и внутренней энергии U называют полной
энергией системы тел и обозначают Е: Е = W + U = Е_к +Е_п + U.

Необходимо учесть, что выполнение закона сохранения полной энергии соблюдается в замкнутой (теплоизолированной) системе.

Система тел замкнута (теплоизолирована), если на нее не действуют внешние силы и не происходит теплообмена с окружающей средой.

Внутри замкнутой системы тел могут происходить не только механические, но и тепловые, химические, электрические, ядерные процессы.

С учетом вводимых условий выполнения основной закон природы в общем виде формулируется следующим образом: Закон сохранения и превращения энергии состоит в том, что полная энергия замкнутой системы тел остается постоянной при любых изменениях, происходящих в этой системе.

Домашнее задание §

Урок 10. Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание твердых тел.

Цель: изучить физические особенности в строении и свойствах различ­ных веществ. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

научить учащихся понимать суть таких тепловых явлений, как плавление и кристаллизация; изучить особенности в поведении вещества при переходе из твердого состояния в жидкое и обратно.

Демонстрации: модели кристаллических решеток; наблюдение за про­цессами испарения, плавления и кристаллизации.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания. Задачи в тетрадях учащихся

III. Изучение нового материала

Любое вещество, состоящее из атомов или молекул, может находиться в одном из трех агрегатных состояний: а) твердом; б) жидком или в) газооб­разном,

-     Что же отличает одно агрегатное состояние вещества от другого?

-     Каковы особенности молекулярного строения газов, жидкостей и твердых тел? (Прежде чем продолжить объяснение, жела­тельно выслушать мнения учащихся.)

На примере моделей кристаллических решеток видно, что в твердом со­стоянии положение молекул упорядочено. Они не могут свободно переме­щаться по телу.

Молекулы жидкости не имеют такой структуры в расположении, силы взаимодействия у них меньше, чем у молекул твердых тел, и поэтому даже под действием небольших внешних сил они легко перемещаются. Жидко­сти обладают текучестью.

Молекулы газа еще слабее связаны друг с другом, и поэтому переме­щаются по всему объему с большими скоростями. При этом они часто сталкиваются друг с другом. Это можно наблюдать на примере распро­странения запаха духов по комнате.

Делается вывод: во-первых, в разных агрегатных состояниях располо­жение атомов и молекул различно; во-вторых, внутренняя энергия одина­ковых масс твердого тела, жидкости и газа при одинаковых температурах различна.

В ознакомительном плане можно рассказать учащимся об аморфных те­лах, которые обладают свойствами твердых тел (прочность, хрупкость, твердость) и свойствами жидкостей (текучесть, не сохраняют формы с течением времени).

4. Процесс перехода вида «твердое вещество —* жидкость —» газ» связан с увеличением внутренней энергии.

А в переходе вида «газ —* жидкость —* твердое вещество» процесс пе­рехода идет с выделением тепла. При этом скорость молекул и внутренняя энергия уменьшаются.

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Оно идет с поглощением тепла.

Процесс превращения жидкости в твердое тело называется кристалли­зацией. При этом вещество часть тепла отдает в окружающую среду.

Домашнее задание §

Урок 11. Температура плавления. Удельная теплота плавления

Цель: определить способ расчета удельной теплоты плавления  в изучаемых про­цессах. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение.

Проверка домашнего задания

При проверке домашнего задания кроме вопросов к параграфу можно задать учащимся ряд дополнительных вопросов для более глубокого пони­мания процессов плавления и кристаллизации вещества, например:

Почему плавление вещества происходит при постоянной темпе­ратуре?

В какой момент времени - в начале или в конце кристаллизации -внутренняя энергия вещества ниже. Почему?

-     Будет ли таять лед, плавающий в воде при температуре окру­жающей среды 0 °С?

Почему зимой у родника мы ощущаем тепло?

Нити накаливания ламп изготавливают из вольфрама, а не из меди. Почему?

Зависит ли процесс плавления по времени от температуры плав­ления, если тело уже нагрето до этой температуры?

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

 При рассмотрении нового материала нужно основное внимание уде­лить тому, чтобы ученики поняли, что при плавлении нет изменения тем­пературы вещества, в то же время внутренняя энергия вещества возрастает. Это соответствует закону сохранения энергии. Все количество теплоты от нагревания идет на разрушение кристаллических решеток и, значит, на увеличение скорости движения молекул.

Так как различные тела состоят из различных атомов и молекул, то для плавления равного количества различных веществ требуется разное коли­чество теплоты. Для 1 кг льда это количество теплоты равно 334 кДж, для стали - 84 кДж.

Под удельной теплотой плавления понимают то количество теплоты, которое необходимо для превращения 1 кг твердого тела в жидкость при температуре плавления.

Удельная теплота плавления обозначается буквой  λ (ламбда).измеряется в Дж/кг:

табличная величина, и при решении задач можно пользоваться таб­лицей в учебнике, где приведены величины удельной теплоты плавления для различных веществ.

Для того чтобы рассчитывать количество теплоты для плавления тела произвольной массы, можно воспользоваться формулой:

Q = λ m_t

где т — масса тела.

Эта формула вытекает из следующих соображений: если значение λ численно равно тому количеству теплоты, которое необходимо для плавле­ния 1 кг твердого тела, то для плавления, например, 3 кг льда потребуется тепла в три раза больше, чем для 1 кг.

Если рассчитывается количество теплоты, которое выделяется при кри­сталлизации тела, используется формула:

Q=- λ m.

Знак «-» указывает на то, что вещество при кристаллизации уменьшает свою внутреннюю энергию. При решении задач необходимо понимать, что выведенные формулы используются для расчета количеств теплоты лишь тогда, когда температура тела равна температуре плавления.

IV. Решение задач

Домашнее задание §

Урок 13. Парообразование. Испарение и конденсация. Насыщенные и не насыщенные пары.

Цели: дать учащимся знания об особенностях физических процессов перехода вещества из жидкого состояния в газообразное и наоборот; рас­смотреть энергетические изменения в процессах парообразования и кон­денсации. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение.

Проверка домашнего задания

Фронтальный опрос.

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

 Существует два вида перехода вещества из одного агрегатного со­стояния в другое, которые в нашей жизни занимают очень важное место. Это - парообразование и конденсация.

Под парообразованием, или испарением, понимают процесс перехода из жидкого состояния в парообразное с поверхности жидкости.

Важно понять физическое содержание этого процесса. От поверхности жидкости могут оторваться только молекулы, имеющие очень большую скорость. Это позволяет им преодолеть силы притяжения с молекулами нижних слоев. Таким образом, жидкость покидают самые «энергетичные» молекулы, а в жидкости остаются молекулы, которые движутся с меньши­ми скоростями. Поэтому при испарении внутренняя энергия жидкости уменьшается.

Молекулы, которые покинули жидкость и ушли в воздух, образуют пар.

Очевидно, что жидкость при испарении в реальной среде не может за­мерзнуть, так как она забирает энергию из этой среды, и скорость испаре­ния при постоянной температуре среды примерно постоянная.

От чего же зависит скорость испарения?

Во-первых, от рода жидкости: там, где сила притяжения между молеку­лами жидкости меньше, скорость испарения выше. Если потереть руку ват­кой, смоченной водой, а затем эфиром, ощущение холода будет больше от действия эфира, ибо он испаряется быстрее, и отбор тепла с поверхности кожи выше. Во-вторых, от температуры жидкости: чем выше температура жидкости, тем больше молекул со скоростями, достаточными для ухода с поверхности жидкости в воздух.

В-третьих, от площади свободной поверхности жидкости.

В-четвертых, от наличия ветра над свободной поверхностью жидкости. Отдельные молекулы жидкости, попавшие в воздух, могут упасть обратно в жидкость, но если есть ветер, то он снесет эти молекулы в сторону.

Одновременно с испарением происходит переход молекул из пара в жидкость - конденсация. Как правило, конденсация происходит на по­верхности жидкого или твердого тела или требует наличия в газе центров конденсации. Их роль могут играть различные примеси или пылинки.

Конденсация пара сопровождается выделением энергии. Конденсацией пара объясняется образование облаков, выпадение росы.

Говоря о практическом применении явлений испарения и конденса­ции, можно отметить, что быстроиспаряющиеся жидкости нашли примене­ние в работе холодильного оборудования. В жарких странах принято хра­нить воду в глиняных кувшинах: вода в них всегда прохладная, Так как происходит постоянное ее испарение через стенки сосуда, а так как глина плохо проводит тепло, теплообмен с окружающей средой слаб.

IV. Закрепление изученного

С целью закрепления материала можно провести беседу-опрос по изу­ченной теме:

-     Почему испарение жидкости происходит при любой температуре?

-     Против каких сил совершают работу молекулы, вылетающие из жидкости при испарении?

-     Как можно объяснить, что при одних и тех же условиях одни жидкости испаряются быстрее, а другие - медленнее?

-     Какие явления природы объясняются конденсацией пара? При­ведите примеры.

-     Почему мокрое белье на ветру сохнет быстрее?

Домашнее задание §

Урок 14. Влажность воздуха. Приборы для измерения влажности воздуха.

Цели: дать учащимся знания об особенностях физических процессов перехода вещества из жидкого состояния в газообразное и наоборот; познакомится с приборами для измерения влажности воздуха. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: охлаждение жидкости при испарении; зависимость скорости испарения от площади свободной поверхности; температуры; Движения воздуха; устройство и работа психрометра/

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение.

Проверка домашнего задания (физдиктант)

III. Изучение нового материала

Влажность воздуха играет большую роль в жизни растений и живых организмов. Поэтому нужно уметь определять влажность.

I.     Обычно водяной пар, содержащийся в воздухе, является ненасыщенным. Если бы водяной пар в воздухе был насыщенным, то все, что находится на поверхности Земли, никогда не высыхало бы. В действительности же, чем дальше находятся от насыщения водяные пары, содержащиеся в воздухе, тем воздух суше. Для определения степени влажности воздуха важно знать, близок или далек водяной пар, находящийся в нем, от состояния насыщения. С этой целью вводят понятие относительной влажности.

Относительной влажностью воздуха ф называют выраженную в процентах величину, равную отношению давления водяного пара р, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара р_н при данной температуре:

Очевидно, что испарение воды как с различных водоемов, так и из растений, из организма человека происходит тем быстрее, чем меньше относительная влажность атмосферного воздуха.

Относительная влажность зависит не только от количества водяного пара в воздухе, но и от температуры. Если количество водяных паров в воздухе не меняется, то с понижением темпера­туры относительная влажность возрастает. Объясняется это тем, что чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар к насыщению. И при достижении некоторой температуры Т_р, назы­ваемой точкой росы, пар становится насыщенным, т. е. р = р_я. Дальнейшее охлаждение водяного пара приводит к его частичной конденсации. Это означает, что если температура воздуха станет хотя бы немного ниже точки росы, пар начнет конденсироваться: появятся туман и капельки росы на различных предметах. В этом случае процессы испарения воды и конденсации пара протекают с одинаковой интенсивностью.

Температура, при которой пар (газ) переходит в насыщенное состояние и начинает конденсироваться (т. е. появляется роса), а относительная влажность становится равной 100%, называют точкой росы.

Для вычисления относительной влажности воздуха пользуются табличными значениями давления насыщенного пара р_и, определен­ными для конкретных температур.

При этом необходимо:

а)  измерить температуру воздуха и по таблице найти давление насыщенного пара, соответствующее этой температуре;

б)  определить точку росы и по той же таблице найти давление водяных паров, содержащихся в воздухе;

в)  по формуле вычислить относительную влажность.

 Прибор, который может измерить относительную влажность, называется психрометр (от греческого «psychros» - холодный).

Психрометр состоит из двух термомет­ров: один термометр сухой, а другой - влажный.

За счет испарения показания влажного термометра почти всегда ниже, чем у сухого. Найдя разность температур  и используя психро­метрическую таблицу, легко найти относительную влажность.

По таблице  находим, что влажность воздуха равна 54%.

Существуют и другие приборы для измерения влажности воздуха. К ним можно отнести волосяной гигрометр. Его работа основана на заметном изменении длины обезжиренного человеческого волоса при изменении влажности воздуха.

Домашнее задание: §

Урок 16. Кипение. Удельная теплота парообразования.

Цели: ознакомить учащихся с явлением кипения; научить объяснять процесс кипения на основании молекулярно-кинетической теории; рас­смотреть физические особенности кипения. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: наблюдение процесса нагревания и кипения воды в стеклянной колбе.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

1.  Урок можно начать с объяснения нового материала. Но поскольку вопросы парообразования и кипения тесно связаны, сначала нужно напом­нить основные особенности процесса испарения:

-    во-первых, испарение жидкости идет при любой температуре;

-    во-вторых, молекулы жидкости покидают ее лишь с поверхности. При этом процесс испарения сопровождается уменьшением внутренней

энергии жидкости и при отсутствии подвода тепла к жидкости ее темпера­тура должна неуклонно уменьшаться.

Но есть еще один вид парообразования. Это - кипение.

Очень удобно показать зарождение этого процесса при нагревании воды в широкой колбе.

При этом можно заметить на дне и стенках колбы в начале нагрева ма­ленькие пузырьки воздуха: при нормальных условиях в воде много раство­ренных газов. По мере нагрева давление в этих пузырьках увеличивается за счет увеличения скорости движения молекул, и объем пузырьков растет.

По ходу демонстрации опыта учитель задает вопрос:

-    Какие силы действуют на пузырек воздуха, наполненный паром,

когда он находится внутри жидкости?

С ростом объема пузырька выталкивающая сила Архимеда, действую­щая на него, увеличивается, и пузырек начинает всплывать. На поверхно­сти воды пузырек лопается, и пар из него уходит в воздух. Мы наблюдаем процесс кипения.

Кипение - процесс парообразования, происходящий по всему объе­му жидкости при постоянной температуре.

2. Температура, при которой происходит кипение, называется температу­рой кипения. Для воды при нормальных условиях она равна г_й = 100 °С.

Учитель задает вопросы:

-    Почему в процессе кипения температура остается постоянной?

-    На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении? Легко понять, почему при кипении температура воды остается постоян­ной: все количество теплоты от горелки уходит на поддержание внутрен­ней энергии кипящей жидкости - ведь воздушные пузырьки с паром уносят значительную энергию при отрыве от поверхности жидкости.

4.  Любой процесс испарения идет с понижением внутренней энергии жидкости. Поэтому, как только прекращается доступ энергии для кипящей жидкости, процесс испарения посредством кипения прекращается.

Так как кипение идет при постоянной температуре, то вся энергия идет на сообщение жидкости такой энергии, при которой пузырьки с паром мог­ли подниматься вверх.

Опытным путем было установлено, что при нормальных условиях для превращения 1 кг воды в пар при температуре кипения нужно 2,3 МДж энергии. Для превращения 1 кг эфира в пар нужно 0,4 • 10^б Дж энергии.

Под удельной .теплотой парообразования г понимают то количество теплоты, которое необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при температуре кипения.

[r] = Дж/кг.

Для различных жидкостей значения удельной теплоты парообразования определены и являются табличными величинами.

5. Зная значение удельной теплоты парообразования, легко найти коли­чество теплоты, которое идет на превращение в пар жидкости.

Для определения количества теплоты в этом случае можно использовать следующую формулу:

Очевидно, что если пар конденсируется, то в окружающую среду выде­ляется количество теплоты, равное:

Q = -r т .

Знак «-» указывает на то, что вещество отдает тепло. При этом пар пре­вращается в жидкость, которая имеет такую же температуру, которую имел пар при конденсации. Конденсация, как и испарение идет при постоянной температуре.

III. Закрепление изученного

Если в конце урока остается время, можно коллективно разобрать ряд простых задач по изученной теме:

Какая из жидкостей - вода, ртуть или эфир - кипит при самой низкой температуре?

В каком агрегатном состоянии находится при нормальном дав­лении спирт при 100 °С и вода при 100 °С? Что обладает большей внутренней энергией: вода при темпера­туре 100 °С или ее пар той же массы при той же температуре?

Домашнее задание §

Урок 1. Температура. Способы ее измерения. Различные виды термометров. Температурные шкалы

Цели: дать ввести понятие температуры; познакомить учащихся с различными видами термометров и температурными шкалами.

Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Приборы и материалы: различные виды термометров

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение

-     Как называются частицы, из которых состоят вещества?

-     Какие наблюдения свидетельствуют, что размеры молекул малы?

-     Какие явления показывают, что вещества состоят из частиц, раз­деленных промежутками?

Как изменяется объем тела при уменьшении или увеличении расстояния между частицами?

-     Что такое диффузия?

-     Одинаково ли быстро протекает диффузия в газах, жидкостях и в твердых телах?

-     Почему твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы?

-     Какие явления указывают на то, что молекулы не только притя­гиваются друг к другу, но и отталкиваются?

-     Что вы знаете о молекулах одного и того же вещества? Какие три состояния вещества вы знаете?

Имеются ли различия между молекулами льда, воды, водяного пара?

-     Как расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердые тела?

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. В окружающем мире происходят различные физические явления, ко­торые связаны с нагреванием и охлаждением тел.Словами «холодный», «теплый», «горячий» указывают на различную степень нагретости тела и говорят о различной температуре. Для объективности измерений температуры были созданы различного рода термометры. Нетрудно убедиться, что при повышении температуры газа возраста его давление на стенки сосуда.

2. Опыт показывает, что в основном все твердые тела и жидкости расширяются при повышении температуры. Таким образом, явление теплового расширения тел тоже может быть использовано для измерения температуры.

В повседневной деятельности мы часто встречаемся с понятиями «холодно», «горячо». Однако ощущение тепла и холода является субъективным фактором. В субъективности теплового ощущения учащиеся могут убедиться на следующих опытах:

а)  учитель предлагает учащимся левой рукой дотронуться до деревянного предмета (например, стол, стул), а правой - до металлического. Хотя предметы находятся в классе при одной и той же температуре, левая рука ощущает тепло, правая - холод.

Отсюда делается вывод: с помощью ощущений судить о температуре невозможно.

Первый прибор для объективной оценки температуры был изобретен Гали леем в 1592 г. Термоскоп Галилея был очень чувствителен к изменению температуры. Газовые термометры используются в науке в качестве образцовой прибора, по которому градуируются все остальные термометры.

Самое широкое применение на практике приобрели жидкостные термо­метры, в которых для регистрации температуры используется тепловое  расширение жидкости. Чаще всего для этих целей используют ртуть или, подкрашенный спирт.

Демонстрируются два термометра, обращают внимание на устройство медицинского термометра, и на диапазон температур. Формулируются пра­вила, обеспечивающие сохранность термометра и правильность измерений.

1)  Определить, в каких диапазонах температур можно производить из­мерения с помощью данного термометра.

2)  Определить цену деления шкалы и определить, с какой точностью можно измерить температуру с помощью данного термометра.

Совершенствованием термометров занимались много ученых. Каждый из них создавал свою шкалу. Некоторые из этих шкал широко распространялись, другие, наоборот, быстро забылись. В настоящее время в большинстве стран для научных и практических целей используется Международная практическая температурная шкала. За нуль принимается температура плавления льда при нормальном ат­мосферном давлении (101,325 Па). Температуре кипения дистиллирован­ной воды при нормальном  атмосферном давлении приписывается значение 100 градусов. Шкала делится на 100 равных частей - градусов, каждый градус можно вновь поделить на равные доли.

Во Франции (и до революции в России) применялась шкала Реомюра, предложенная французским естествоиспытателем Р. Реомюром в 1730 г. В Англии и США до сих пор используется шкала Фаренгейта. Кипение воды по шкале Реомюра равно 80 °R, по шкале Фаренгейта 212 °F. Такой произ­вольный выбор нуля температур существенно усложняет теоретические выводы, приводит к громоздким формулам и ненужным вычислениям.

У. Томсон в .1848 г. (получивший впоследствии за научные заслуги ти­тул лорда Кельвина) предложил ввести новую шкалу температур, которая называется абсолютной. Нулевой уровень -273,15 °С.

Важно отметить, что любое измерение температуры требует времени. Время необходимо для того, чтобы термометр мог войти в состояние теп­лового равновесия с телом, температуру которого мы измеряем.

Фактически термометр показывает собственную температуру, которая в состоянии теплового равновесия равна температуре тела.

IV. Закрепление изученного

-   Как меняются размеры твердых тел и жидкостей при изменении их температуры?

-   Что мы понимаем под температурой вещества?

-   Какие температурные шкалы вам известны?

-   Какие точки приняты в качестве основных на шкале Цельсия?

Домашнее задание §

Урок 2. Тепловое движение. Броуновское движение. Диффузия.

Цели: дать понятие теплового движения молекулы; познакомить учащихся с тепловым движением как особым видом движения. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Оборудование: духи, кристаллик перманганата калия, колба с водой

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

-   Что мы понимаем под температурой вещества?

-   Какие температурные шкалы вам известны?

-   Какие точки приняты в качестве основных на шкале Цельсия?

III. Изучение нового материала

I.   Тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времен. Умение добывать огонь и поддерживать его было одним из величайших открытий человечества. Однако для объяснения тепловых явлений, для понимания их сути ученым пришлось затратить немало труда в течение очень длительного времени. (рассказать про две теории воззрения на природу теплоты).

К концу XIX в. известные ученые из разных стран — Д. Джоуль, Р. Клаузиус, Дж. Максвелл, JI. Больцман — сделали окончательный вывод. Тепловые явления они объясняли хаотическим движением
молекул, из которых состоят все тела.

Тепловое движение молекул внутри тела можно сравнить с роем мошек в безветренную погоду. Рой как бы неподвижно висит в воздухе. Внутри же него сотни мошек непрестанно, беспорядочно движутся то вправо, то влево и так по всем направлениям. И в то же время весь рой остается на том же месте и не изменяет своей формы.

Невидимые движения атомов и молекул носят такой же хаотический, беспорядочный характер. Если одни молекулы ушли из объема, то их место заняли другие. Тело же остается неизменным. Каждая молекула беспрестанно меняет свою скорость при столкновениях с другими молекулами. Траектория ее движения представляет собой чрезвычайно запутанную, ломаную линию. Никогда, ни при каких условиях не прекращается невидимое тепловое движение частичек, из которых построен мир.

Беспорядочное движение молекул называют тепловым движением.

Следствием хаотического движения молекул является броунов­ское движение. Названо оно так в честь английского ботаника Р. Броуна, который наблюдал за поведением плавающих в воде спор растений. Он заметил, что крошечные частички спор непре­рывно движутся во всех направлениях. Чем меньше были частички, тем быстрее они двигались. Самым поразительным было то, что движение частичек никогда не прекращалось. Их будто постоянно толкали какие-то невидимые силы. При этом скорость их движения возрастает с повышением температуры.

В чем причина броуновского движения?

Являясь автором открытия такого значительнейшего явления в области естествознания, сделанного в 1827 г., Броун однако не смог объяснить, почему оно происходит.

Правильное, качественное объяснение броуновского движения было дано рядом ученых во второй половине XIX в. Однако полная теория его разработана только в 1905—1906 гг. А. Эйнштейном и М. Смолуховским.

Причиной броуновского движения является тепловое движение молекул среды и их столкновение с броуновской частицей.

Другим следствием беспорядочного движения частиц вещества (молекул, атомов) служит явление диффузии. С этим явлением вы ознакомились в 7 классе. Явление диффузии наблюдается как в газах, так и в жидкостях и твердых телах. Распространение запахов в воздухе, перемешивание различных жидкостей, получение растворов, склеивание твердых тел — все это объясняется диффузией. Диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества. (привести примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах)

Интенсивность диффузии существенно зависит от плотности вещества и скорости хаотичного движения молекул,

IV. Закрепление изученного

Домашнее задание §

Урок 3. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Теплопроводность. Конвекция. Излучение

Цели: ввести понятие внутренней энергии как суммы кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия; рассмотреть способы изменения внутренней энергии. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Оборудование: компьютер, видеопроектор, презентация, набор для демонстрации теплопроводности тел, колба с водой, кнопки, пластилин, спиртовка, кристаллик перманганата калия

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение. Проверка домашнего задания

А) Что понимают под тепловым движением тел?

Б) Броуновское движение

В) Дать определение диффузии. Привести примеры

III. Изучение нового материала

Суммарную энергию движения и взаимодействия всех частиц, из кото­рых состоит тело, называют внутренней энергией.

Объясните опыты:

-    Почему при периодическом изгибании железной проволоки тела:

нагреваются?

-    Почему два бруска при трении нагреваются?

Эти примеры иллюстрируют превращение механического движения в тепловое.

Внутренняя энергия обозначается буквой U.

Особенностью внутренней энергии является то, что она всегда больше нуля, ведь тепловое движение частиц никогда не прекращается. При этом величина внутренней энергии тела не зависит от механической энергии тела. Необходимо обратить внимание учащихся на 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.

3. Для описания энергетических превращений используют закон сохра­нения энергии. Он определяет соответствие между изменением механиче­ской и внутренней энергий.

Полная энергия, равная сумме механической и внутренней энергии, остается постоянной при всех взаимодействиях.

С другой стороны, этот закон подчеркивает тот факт, что какой-либо I вид энергии сам по себе не появляется и не исчезает бесследно. Всегда один вид энергии переходит в другой в равных количествах. Закон сохра­нения полной энергии был открыт Робертом Майером.

Способы изменения внутренней энергии тела

Существуют два способа изменения внутренней энергии системы — путем теплообмена с окружающими телами и путем совершения механической работы (трение, удар, сжатие).

Изменение внутренней энергии тел без совершения над телами работы, называется теплопередачей.

Следует обратить внимание на тот факт, что при теплопередаче (тепло­обмене) энергия всегда передается от горячего тела к холодному, то есть от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Обратный процесс сам собой никогда не происходит.

Различают три вида теплообмена:

1. Теплообмен посредством теплопроводности.

Теплопроводность - такой тип теплообмена, когда тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Для опыта необходимо взять два стержня одинаковой геометрии из ме­ди и железа. На равных расстояниях по длине стержней укрепить кнопки на воске и свободные концы стержней начать нагревать от спиртовки. Легко заметить, что первыми кнопки нач­нут падать с медного стержня. То есть тепло  быстрее перемещается по медному стержню.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемеща­ется. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие - плохие про­водники тепла. Это - различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теп­лопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

2. Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться . Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, по­этому нагрев производят снизу. При этом конвекционное потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жид­кость. На опыте по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены, кристаллики марганцовки, мы замечаем лиловые «змейки», которые поднимаются вверх.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это отделительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении кон­векционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемеши­вание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности явля­ется то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не пе­реносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения - примеры конвекции.

Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают пе­ренос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело являет­ся источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отда­ют в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной темпе­ратуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Спо­собность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

IV. Закрепление изученного

С целью закрепления изученного материла можно провести в конце урока краткий опрос-беседу по следующим вопросам:

-    Приведите примеры, какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность?

-    Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

-    Почему конвекция невозможна в твердых телах?

-    Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой.

Домашнее задание §

Урок 4. Примеры теплопередачи в природе и технике

Цели: углубить знания учащихся о видах теплообмена и их роли в при­роде и технике; рассмотреть примеры использования видов теплообмена в различных областях человеческой деятельности. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

 Демонстрации: работа термоса; слайды, таблицы по примерам теплопередачи в природе и технике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного. 

Проверка домашнего задания

-     При какой температуре и металл, и дерево будут казаться одина­ково нагретыми?

-     Почему форточки для проветривания комнаты помещают в верх­ней части окна?

-     Почему снег в городе тает быстрее, чем в поле?

Почему в низинах растения чаще гибнут от заморозков, чем на возвышенностях?

-     Почему зимой в доме, где рамы двойные, теплее, чем в доме с однократным застеклением?   

-     Почему эскимосы зимой смазывают лицо жиром?

В каком из двух сосудов закипит быстрее вода? Один сосуд светлый, а другой закопченный.

-     Согласны ли вы с утверждением, что шуба «греет»?

III. Изучение нового материала

Для того, чтобы был понятен механизм тепловых процессов, мы рассмотрели теплопроводность, конвекцию и излучение раздельно. Однако часто на практике все они происходят
одновременно. Вследствие этого, создавая тот или иной прибор или машину, нужно учитывать все три вида теплопередачи, чтобы действие машин было эффективным.

В одних случаях необходимо обогревать и сохранять тепло. В других — очень важно охлаждение.

I.    Для обогрева жилища используют домашний радиатор. Металл, из которого изготовлен радиатор, — хороший проводник, и поэтому благодаря теплопроводности тепло быстро передается от металла в окружающий воздух.

Передача энергии от теплой воды в радиаторе к воздуху в комнате осуществляется за счет теплопроводности, а распределение энергии и прогревание воздуха в помещении — за счет конвекции.

Явление конвекции учитывается в системе центрального водяного отопления помещений. Горячая вода с теплоэлектроцентрали подается в расширительный бак, расположенный на чердаке здания. Из бака
по системе труб вода поступает в отопительные радиаторы. Здесь вода отдает свою энергию воздуху в помещении и опускается вниз, где поступает в котел, нагревается в нем и снова поднимается вверх.

В последнее время в целях экономии топлива большое внимание уделяется тепловой изоляции домов. В качестве изоляционного материала используют пористые стенки. Стены заполняются таким веществом, как пластмассовая пена, в которой имеются маленькие пузырьки воздуха. В этом случае отсутствует конвекция и улучшается теплоизоляция.

Двойные рамы в окне также улучшают теплоизоляцию. Между двумя стеклами содержится слой воздуха, который является хорошим теплоизолятором.

На крышах домов размещается теплоизолирующий материал в виде гранул или волокон для предотвращения потерь тепловой энергии путем теплопроводности.

Охлаждающие устройства помещаются так, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Морозильная камера в холодильнике помещена сверху. В этом случае холодный воздух опускается ко дну, а теплый воздух наверху постоянно охлаждается. Аналогично располагают кондиционеры, вентиляторы, форточки.

II.    В сельском хозяйстве виды теплопередачи учитываются и используются в сооружении теплиц, погребов, в защите посадок с помощью снежного покрова.

Температура нижнего слоя воздуха, прилегающего к земле, и поверхностного слоя почвы влияет на развитие растений. Днем почва поглощает энергию и нагревается, ночью, наоборот, охлаждается. Причем темная, вспаханная почва сильней нагревается излучением, но быстрее охлаждается, чем почва, покрытая растительностью.

На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. Значительные изменения в тепловой баланс Земли вносят облака. Они задерживают лучи, поэтому в пасмурный день прохладнее, чем в ясный. Зато в ясную ночь холоднее, чем в пасмурную. Заморозки могут наступить только в ясную, безоблачную ночь, когда тепловое излучение почвы больше, чем тепловое излучение атмосферы, и оно не задерживается облаками.

Полному использованию излучения Солнца в целях повышения температуры почвы и прилегающего к ней воздуха способствуют теплицы. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками, которые хорошо пропускают внутрь видимое солнечное излучение. Попадая на темную почву, эти лучи нагревают ее. Тепловая энергия, излучаемая нагретой поверхностью земли, плохо проходит через стекло или пленку. Кроме того, такая поверхность препятствует осуществлению конвекции и действует как “ловушка” энергии. Внутри теплиц температура выше примерно на 10°С, чем на открытом грунте.

Ночью происходит обратный процесс. Земля быстрее охлаж­дается до температуры ниже температуры моря. Поэтому воздух над морем теплее воздуха над землей. Возникает циркуляционный конвективный поток в обратном направлении. Днем ветер дует с моря на сушу — морской бриз, ночью — с суши на море — береговой бриз.

Для предотвращения таяния льда, мороженого, сохранения горячей пищи и воды пользуются термосом.

Колба термоса—очень полезное изобретение, почти полностью исключающее теплопроводность, конвекцию и излучение (рис. 34). Она состоит из стеклянного сосуда с двойными стенками и пробки.
Из пространства между стенками выкачивается воздух и создается вакуум.
Внутренние поверхности стенок 4, между которыми создан вакуум, до зеркального
блеска посеребрены для уменьшения потерь тепловой энергии через излучение. Причем внутренняя стенка — плохой излучатель, а внешняя — плохой поглотитель энергии. Безвоздушное пространство между стенками не может передавать тепловую энергию ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Важна роль пробки Она предотвращает передачу тепла, устанавливающегося над поверхностью жидкости, помещенной в колбу термоса, или наоборот — извне в данный объем.

Чтобы защитить хрупкое стекло от повреждений, термос помещают в картонный или металлический футляр. Сверху футляра навинчивают колпачок.

Передача тепловой энергии — это двусторонний процесс, и колба термоса используется для сохранения как холодных, так и горячих веществ.

IV. Закрепление

Если в конце урока остается время, можно с целью закрепления изучен­ного материала коллективно обсудить ряд качественных задач, например: 

 -     Какой из видов теплопередачи играет основную роль в нагревании воды в чайнике?

Человек греется у костра. Какой из трех видов теплопередачи! играет главную роль в передаче тепла от костра к человеку?

-     Почему не падают облака?

Стакан наполовину заполнен кипятком. В каком из двух случаев получится менее горячая вода: а) если подождать 5 мин, а затем долить в стакан холодную воду; б) если сразу долить холодную воду, а затем подождать 5 мин? Когда тяга в трубах лучше - зимой или летом? Почему?

-     На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге  от жары. Объясните целесообразность этого.

-     Почему от закрытого окна, даже если оно плотно закрыто, дует  (особенно зимой)?

Домашнее задание §

Урок 5. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества.

Цель: ввести и выяснить физический смысл удельной теплоемкости; определение способа расчета количества теплоты при теплообме­не тел. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

Проверка домашнего задания

Проверку домашнего задания можно провести в виде фронтального оп­роса по вопросам . Также необходимо разобрать решения домашних задач.

III. Изучение нового материала

Изучая процесс нагревания, вы могли убедиться, что этот процесс требует подведения энергии к телу. И наоборот, при охлаждении тело выделяет энергию. В этих случаях происходит изменение внутренней энергии тела.

Вам известны два способа изменения внутренней энергии: в процессе совершения механической работы и в процессе теплопередачи.

Меру изменения внутренней энергии путем совершения механической работы называют работой  и обозначают буквой

 Меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи называют количеством теплоты и обозначают буквой Q.

Иначе, количество теплоты — это энергия, которую тело получает или теряет при теплопередаче.

Для того чтобы научиться рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания тела, выясним, от чего оно зависит.

Известно, что внутренняя энергия определяется скоростью и илового движения частиц вещества, из которых состоит тело. Чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше температура тела.

Исходя из этого, можно сделать вывод: количество теплоты мне меры изменения внутренней энергии связано с температурой тела.

Для того чтобы вода в чайнике стала лишь теплой, мы сообщаем ей небольшое количество теплоты, недолго нагревая ее. В случае необходимости сделать воду горячее мы передаем ей большее количество теплоты.

 Чем больше при нагревании надо изменить температуру воды от t_l до t₂, тем большее количество теплоты надо ей передать.

Следовательно, количество теплоты — это физическая величина, пропорциональная изменению температуры от t_l до t₂, т. е.

Q ~ (t₂-t_l )

Если температура тела возросла, это значит, что тело получило некоторое количество теплоты, если понизилась — то отдало.

Причем, чем большее количество теплоты отдает тело при остывании, тем больше изменяется его температура.

I.        Однако знать только изменение температуры недостаточно, чтобы рассчитать количество теплоты, полученное телом при нагревании или отданное им при охлаждении.

Нагревая на спиртовке воду в пробирке, мы сможем за определенное время довести ее до кипения, но не сможем сделать такого с чайником, наполненным водой. Объяснить это можно тем, что за какой-то промежуток времени количество теплоты, требующееся для кипячения воды в пробирке и чайнике, будет различным.

Чем больше масса воды, тем больше потребуется  количества теплоты для нагревания ее на одну и ту же разность температур

                               Q ~ m

I.          Количество теплоты зависит не только от изменения температуры и массы тела, но и от вещества, из которого изготовлено тело.

На двух одинаковых горелках будем нагревать до одной и той же температуры (например, до 100С) два цилиндра одинаковой массы — свинцовый и алюминиевый. Если теперь погрузим цилиндры в одинаковые сосуды с водой, то обнаружим, что алюминиевый цилиндр нагреет воду до большей температуры, чем свинцовый. Значит, в результате охлаждения при одинаковых условиях данная масса алюминия отдает большее количество теплоты, чем такая же масса свинца. И, наоборот, для нагревания до одной и той же температуры алюминию нужно сообщить большее количество теплоты, чем такой же массе свинца.

Следовательно, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит и от того, из какого вещества состоит тело.

Единицей измерения количества теплоты является 1 Джоуль.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для изменения температуры вещества массой 1 кг на °С, называется удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества обозначается буквой с. Единицей измерения удельной теплоемкости является 1 джоуль на килограмм- градус Цельсия (Дж/кг • °С). Используется также кратная единица килоджоуль на килограмм-градус Цельсия (кДж/кг • С).

Удельная теплоемкость показывает, на какую           величину изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при нагревании или охлаждении его на °С. Удельная теплоемкость одного и того же вещества в различных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном — различна.

Q=cm(t₂-t₁)

Домашнее задание: §

Урок 6. Лабораторная работа № 1. Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры.

Урок 7. Удельная теплота сгорания топлива. Энергия топлива.

Цели: сформировать понятие об энергии топлива; рассмотреть физиче­ские основы горения веществ; обеспечить понимание учащимися физиче­ской сути удельной теплоты сгорания топлива. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка знаний

А) Дать определение количества теплоты.

Б) Удельная теплоемкость вещества.

III. Изучение нового материала

Переходя к объяснению нового материала, следует особое внимание уделить физическим основам горения. В сущности, гореть "могут любые вещества. Все определяется начальными условиями.

Если нефть, бензин, уголь - углеводородсодержащие вещества - горят с выделением тепла, то, скажем, кусок железа тоже можно сжечь при высо­кой начальной температуре и с большим количеством кислорода.

Во всех случаях горение - окислительно-восстановительный процесс. Но в одних случаях он идет с выделением тепла, а в других - с поглощени­ем энергии.

Энергия при горении вещества выделяется тогда, когда суммарная ки­нетическая энергия молекул после горения выше, чем у молекул до начала процесса горения. В этом случае говорят, что такое вещество называют топливом.

К наиболее распространенным видам топлива можно отнести нефть, природный газ, каменный уголь, торф, древесину и другие вещества. Все эти вещества содержат атомы углерода.

Именно эти атомы в соединении с кислородом образуют углекислый газ:

С + 20 = СО₂.

При этом суммарная кинетическая энергия молекул углекислого газа выше, чем суммарная энергия атомов углерода и кислорода. В зависимости от вида топлива количество теплоты, выделяемое при сгорании, различное.

2.  Количество теплоты, выделяемое при сгорании, обычно характери­зуют удельной теплотой сгорания (q).

То количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

[q] = Дж/кг.

Различные вещества имеют различные значения q. Например, для нефти q= 4,4 ■ 10⁷ Дж/кг, а для торфа q = 1,4 - 10⁷ Дж/кг. q - табличная величина.

Теперь можно понять, что при изменении внутренней энергии тел без совершения работы энергия берется либо при теплообмене, либо за счет поглощения энергии при сгорании топлива.

Зная удельную теплоту сгорания топлива, легко рассчитать количест­во теплоты, которое выделяется при сгорании топлива массы т. Чем боль­ше масса сгоревшего топлива, тем больше выделяемое количество теплоты.

Q = qm.

Таким образом, для определения количества теплоты, выделившего­ся при сгорании топлива, нужно удельную теплоту сгорания умно­жить на массу топлива.

IV. Решение задач

Задача 1

Определите количество теплоты, выделившееся при сгорании 200 г бензина.

Задача 2

При сгорании спирта выделилось 1,35 • 10⁶ Дж тепла. Чему равна масса сгоревшего спирта?

Домашнее задание §