Методика изучения тепловых явлений на основе строения вещества

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

1.1 Тепловое движение

1.2 Температура. Измерение температуры

1.3 Внутренняя энергия

1.4 Теплопередача

1.4.1 Теплопроводность

1.4.2 Конвекция

1.4.3 Тепловое излучение

1.5 Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость

1.6 Горение. Удельная теплота сгорания топлива

1.7 Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления и кристаллизации

1.8 Испарение и кипение. Удельная теплота парообразования

2. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕМЫ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

2.1 Учебная программа по физике для 8 класса по теме «Тепловые явления»

2.2 Методика изучения тепловых явлений

3. РАЗРАБОТКА УРОКОВ ПО ТЕМЕ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

3.1 Урок изучения нового материала по теме «Виды теплопередачи»

3.2 Комбинированный урок по теме «Кипение»

3.3 Урок-лабораторная работа по теме «Агрегатные состояния вещества»

3.4 Урок обобщения и систематизации знаний по теме «Тепловые явления»

3.5 Урок проверки и коррекции знаний и умений по теме «Тепловые явления»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЕ A

«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.

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 теплоёмкость вещества.

Определённые методические трудности возникают в связи с устаревшей терминологией. Основные термины — «теплота», «количество теплоты», «теплоёмкость», «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.

Актуальность данной темы дипломной работы заключается в процессе лучшего восприятия учащимися различных сторон и свойств изучаемых процессов и явлений.

Познавательные интересы учащихся к физике складываются из интереса к явлениям, фактам, законам; из стремления познать их сущность на основе теоретического знания, их практическое значение и овладеть методами познания — теоретическими и экспериментальными. Развитие творческих познавательных способностей учащихся — цель деятельности учителя, а применение различных приёмов активизации является средством достижения этой цели. Понимание этого важно для работы учителя.

1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

1.1 Тепловое движение Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении уменьшается. Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел называются тепловыми.

Например, охлаждение воздуха, таяние льда. Каждая молекула в теле движется по очень сложной траектории. Так, например частицы газа движутся на больших скоростях в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда (рис. 1).

Рисунок 1- Тепловое движение, наблюдаемое под микроскопом Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.

Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым. [1, c 3−4]

Наиболее наглядным экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном тепловом движении атомов и молекул является броуновское движение — это движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Броуновское движение обнаруживает большое сходство с диффузионным движением молекул и атомов. Беспорядочное движение мелких твёрдых частиц, находящихся в жидкости или газе, впервые в 1827 г. обнаружил при наблюдении в микроскоп английский ботаник Р. Броун. Это явление смогла объяснить лишь молекулярно-кинетическая теория на основе использования представлений о дискретном строении вещества и беспорядочном тепловом движении молекул (атомов). Молекулы жидкости или газа сталкиваются с твёрдой частицей и изменяют направление передаваемого ими импульса непостоянны во времени. Чем меньше размеры и масса частицы, тем более заметными становятся изменения её импульса во времени. Факт существования броуновского движения свидетельствует о молекулярном строение вещества и беспорядочном движении молекул. При нормальных условиях (давление не очень сильно отличается от атмосферного) плотности газов примерно в 1000 раз меньше плотностей жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, расстояние между молекулами (атомами) в газах примерно в 10 раз больше, чем в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому можно предположить, что в газах молекулы совершают поступательное движение от одного столкновения до другого. В жидкостях и твёрдых телах молекулы (атомы или ионы) в основном колеблются около некоторых положений равновесия, лишь изредка перескакивая из одного места в соседние, вакантные места. При этом в жидкостях таких вакансий много, и перескоки совершаются довольно часто — этим объясняется текучесть жидкостей. В твёрдых же телах таких вакансий мало, и перескоки совершаются редко. Эти предположения хорошо подтвердились в дальнейших исследованиях свойств вещества в разных агрегатных состояниях. [5, c 40−43]

1.2 Температура. Измерение температуры тепловой явление лабораторный урок Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Градус Цельсия по определению равен кельвину. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C.

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления. Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

· жидкостные и механические термометры,

· термопару,

· термометр сопротивления,

· газовый термометр,

· пирометр.

Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения Таблица № 1 — Пересчёт температуры между основными шкалами

1.3 Внутренняя энергия Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Чем больше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. Потенциальная энергия определяется взаимным расположением взаимодействующих тел или его отдельных частей.

Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, они могут превращаться друг в друга.

Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. Таким образом, внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Внутренняя энергия тела зависит от температуры, состояния вещества.

Внутренняя энергия тела не зависит от скорости движения и положения тела относительно других тел.

При повышении температуры тела скорость движения молекул возрастает, внутренняя энергия возрастает. Внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул в теле. Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая работу над телом. Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух в комнате нагревается от различных предметов.

Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы над ним или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от более нагретым телам к менее нагретым.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей. [1, c 4−8]

1.4 Теплопередача Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т. п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Существуют три основных вида теплопередачи:

1. Теплопроводность

2. Конвекция

3. Тепловое излучение

1.4.1 Теплопроводность Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально.

Теплопроводность — передача тепла в телах, не сопровождаемая перемещением составляющих их частиц. При теплопроводности перенос энергии осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

Теплопроводность есть явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Рисунок 2 — Теплопроводность, которая происходит через нагревание кастрюли на электрической плитке На рисунке 2 изображено нагревание кастрюли на электрической плитке, которое происходит через теплопроводность.

Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины — медную и стальную — укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной (рис. 3).

Рисунок 3 — Распространение теплопроводности по медной и стальной проволоке Опыты показывают, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью. [1, c 9−11]

1.4.2 Конвекция Слово «конвекция» образовано от греческого слова convectio — доставка. Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Так устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным образом возникает конвекция в газах.

На рисунке вы видите тень руки с зажженной спичкой. Волнистые тени над пламенем — это струйки поднимающегося теплого воздуха. Такие тени легко получаются на стене темной комнаты при освещении спички фонариком (рис. 4).

Рисунок 4 — Конвекция, возникающая над пламенем зажжённой спички Такой процесс часто называется естественной конвекцией. Для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Кроме естественной конвекции, возможна и вынужденная конвекция. При вынужденной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.

Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция — это способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.

Теплопередача конвекцией часто встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.

С явлением конвекции связана работа отопительной системы дома. Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции. Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям, отдавая тепло в радиаторах или конвекторах (рис. 5).

Рисунок 5 — Конвенция, связанная с отопительной системой дома

1.4.3 Тепловое излучение Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Существует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, то есть подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным. Этот вид излучения представлял для физиков конца XIX века особый интерес, так как в отличие от всех других видов люминесценции, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

Обнаружить излучение можно поднеся руку сбоку к раскаленному предмету (рис. 6).

Рисунок 6 — Исследование излучения на фоне раскалённого предмета Происходящая теплопередача не является конвекцией, поскольку конвекционные потоки теплого воздуха поднимаются вверх. Теплообмен не является и теплопроводностью, поскольку теплопроводность воздуха очень мала. Можно предположить, что теплообмен происходит посредством невидимого излучения.

Лучи могут различным образом поглощаться поверхностями и отражаться от них.

Чтобы несколько более детально исследовать процесс теплообмена, происходящий при излучении и поглощении энергии, расположим на одинаковом расстоянии от двух теплоприемников электролампу (рис. 7).

Рисунок 7 — Исследование излучения на фоне двух теплоприёмников и электролампы Теплоприемник представляет собой металлическую коробку с отверстием для подсоединения манометра. Одна поверхность теплоприемника — блестящая, другая — черная. К лампе теплоприемники обращены разными сторонами. С помощью шлангов теплоприемники подсоединены к манометру, позволяющему зафиксировать изменение давления воздуха внутри них. Давление воздуха в теплоприемниках будет изменяться при изменении его температуры.

Опыт показывает, что давление, а следовательно и температура воздуха в теплоприемниках повышается, причем в теплоприемнике, обращенном к лампе черной стороной, температура повышается на большую величину, чем в теплоприемнике с блестящей стороной.

Увеличим температуру нити накала лампы. Изменение температур воздуха в теплоприемниках происходит с большей скоростью, чем в предыдущем случае.

Тела с темной поверхностью поглощают лучистую энергию лучше, чем тела со светлой поверхностью.

Тепловое излучение отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум.

1.5 Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость Количество теплоты (Q) — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.

Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры Q=cm (t2 — t1), где Q — количество теплоты, m — масса тела, t2 — конечная температура тела, t1 — начальная температура тела, с — удельная теплоёмкость.

Количество теплоты при нагревании и охлаждении: Q=cm (t2 — t1)

Удельная теплоёмкость © вещества определяется как количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Единицей СИ для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм-Кельвин. Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицы массы вещества. На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C.

Формула расчёта удельной теплоёмкости: c=Q/m ((t2 — t1), где c — удельная теплоёмкость, Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества, (t2 — t1) — разность конечной и начальной температур вещества.

1.6 Горение. Удельная теплота сгорания топлива Горение — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением, в следствие, накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Рисунок 8 — Горение спички Удельная теплота сгорания (q) — это величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 мі.

Количество теплоты при сгорании топлива: Q=mq

Удельная теплота сгорания измеряется в Дж/кг (Дж/мі) или калория/кг (калория/мі). Для экспериментального измерения этой величины используются методы калориметрии.

Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) двигателя.

1.7 Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления и кристаллизации Плавление — переход тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода.

Способность плавиться относится к физическим свойствам вещества При нормальном давлении, наибольшей температурой плавления среди металлов обладает вольфрам (3422 °C), простых веществ вообще — углерод (по разным данным 3500 — 4500 °C) а среди произвольных веществ — карбид гафния HfC (3890 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает гелий: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.

Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путем сублимации сразу переходят в газообразное состояние.

Рисунок 9 — Плавление льда Кристаллизация — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов.

Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы (других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Рисунок 10 — Кристаллизация воды с образованием льда Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. Она необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое.

Удельная теплота плавления (также: энтальпия плавления; также существует равнозначное понятие удельная теплота кристаллизации) — количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества).

Количество теплоты при плавлении или кристаллизации: Q=mл

1.8 Испарение и кипение. Удельная теплота парообразования Испарение — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое. Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике Испарение — это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом Ek > Eп.

Рисунок 11 — Испарение над кружкой чая Удельная теплота испарения (парообразования) (L) — физическая величина, показывающая количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, взятому при температуре кипения, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное. Удельная теплота испарения измеряется в Дж/кг.

Кипение — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.

Рисунок 12 — Кипящая вода Количество теплоты при кипении, испарении жидкости и конденсации пара: Q=mL

2. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕМЫ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

2.1 Учебная программа по физике для 8 класса по теме «Тепловые явления»

В школе на изучение темы «Тепловые явления» отводится 25 часов, включающей в себя следующие темы уроков:

1. Тепловое расширение тел

2. Температура. Измерение температуры. Термометр

3. Внутренняя энергия

4. Способы изменения внутренней энергии

5. Теплопроводность

6. Конвекция

7. Излучение

8. Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении

9. Лабораторная работа 4 «Сравнение количеств теплоты при теплообмене»

10. Лабораторная работа 5 «Определение удельной теплоемкости вещества»

11. Решение задач по теме «Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении»

12. Горение. Удельная теплота сгорания топлива. Самостоятельная работа по теме «Внутренняя энергия. Количество теплоты»

13. Решение задач по теме «Горение. Удельная теплота сгорания топлива»

14. Повторение и систематизация знаний по теме «Количество теплоты»

15. Самостоятельная работа по теме «Количество теплоты»

16. Плавление и кристаллизация

17. Удельная теплота плавления и кристаллизации

18. Решение задач по теме «Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления и кристаллизации»

19. Испарение жидкостей. Факторы, влияющие на скорость испарения

20. Кипение жидкостей. Удельная теплота парообразования

21. Решение задач по теме «Кипение жидкостей. Удельная теплота парообразования»

22. Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия

23. Двигатель внутреннего сгорания

24. Повторение и систематизация знаний по теме «Тепловые явления»

25. Контрольная работа 2 по теме «Тепловые явления»

Фронтальные лабораторные работы:

Сравнение количества теплоты при теплообмене.

Определение удельной теплоемкости вещества.

Экспериментальные исследования:

Исследование теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел.

Исследование скорости нагревания и охлаждения воды.

Изменение температуры льда в зависимости от времени при его плавлении.

Изучение процесса испарения жидкости.

Демонстрации, опыты, компьютерные модели:

Изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче.

Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов.

Конвекция в жидкостях и газах.

Излучение и поглощение тепловой энергии телами с различными поверхностями.

Калориметр.

Плавление и кристаллизация твердого тела.

Охлаждение жидкости при испарении.

Зависимость скорости испарения жидкостей от температуры, площади свободной поверхности и наличия воздушных потоков.

Постоянство температуры кипения жидкости при постоянных внешних условиях.

Зависимость температуры кипения от внешнего давления.

Устройство и действие двигателя внутреннего сгорания (на модели).

Требования, предъявляемые к уровню подготовки учащихся по теме «Тепловые явления», учащиеся должны:

1) иметь представление: о значении явлений теплопередачи в повседневной жизни; о принципах работы двигателя внутреннего сгорания; о роли тепловых машин в жизни человека и об экологических аспектах их использования;

2) знать и понимать: смысл физических понятий (внутренняя энергия, теплопроводность, конвекция, излучение, количество теплоты, удельная теплоемкость, удельная теплота сгорания топлива, удельная теплота плавления, температура плавления, удельная теплота парообразования, температура кипения); способы изменения внутренней энергии;

3) уметь: описывать и объяснять на основе представлений о дискретном строении вещества изменения его внутренней энергии, различные виды теплопередачи, переход вещества из одного агрегатного состояния в другое;

4) владеть экспериментальными умениями: использовать физические приборы (термометр, калориметр) для определения физических величин: температуры, количества теплоты, удельной теплоемкости; выявлять эмпирические зависимости температуры от времени при различных процессах;

владеть практическими умениями: находить по таблицам значения удельной теплоемкости вещества, удельной теплоты сгорания топлива, удельной теплоты плавления, удельной теплоты парообразования; решать качественные, графические и расчетные задачи по определению количества теплоты в различных тепловых процессах, коэффициента полезного действия теплового двигателя с применением формул количества теплоты при нагревании, плавлении, парообразовании, сгорании топлива. [15]

2.2 Методика изучения тепловых явлений При изучении раздела «Тепловые явления» опираются на сведения из молекулярной физики, полученные учащимися в курсе физики 7 класса. Изложение материала всего раздела строится на использовании представлений о молекулярном строении вещества, но при этом широко используется и энергетический подход к объяснению многих тепловых явлений.

Анализ структуры и содержания раздела «Тепловые явления», показывает, что темы данного раздела включают систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся понятия о: 1) физическом явлении: плавление и отвердевание, испарение и конденсация, теплопроводность, конвекция, излучение, кипение; 2) физической величине: внутренняя энергия, температура, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, удельная теплота плавления, парообразования, сгорания, КПД теплового двигателя;

3) физическом законе: законы сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах, уравнение теплового баланса. [6, с 30]

Анализ литературы по методике преподавания физике, в частности, по методике преподавания рассматриваемой темы, показывает, что при формировании у школьников многих сложных и абстрактных понятий нужно идти по пути самого широкого использования демонстрационного и лабораторного эксперимента, решения задач, привлечение примеров из жизни и быта, природы и производства.

Если исходить из проблемно-деятельностного подхода к формированию основных понятий темы, то рассматриваемые вопросы следуют излагать в одной теме, изменив ее структуру. На мой взгляд, она должна быть следующей:

1. Первоначальные понятия темы: тепловое движение, температура, внутренняя энергия, способы ее изменения.

2. Энергия топлива. Количество теплоты. Удельная теплоты сгорания.

3. Передача теплоты. Способы теплопередачи.

4. Экспериментальное исследование изменения состояния вещества при его нагревании и построение графика зависимости температуры от времени нагревания (от количества теплоты).

5. Удельная теплоемкость вещества. Расчет количества теплоты при нагревании (охлаждении).

6. Удельная теплота плавления. Расчет количества теплоты при плавлении.

7. Удельная теплота парообразования. Расчет количества теплоты при кипении.

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

9. Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар.

10. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели и их КПД.

Основные изменения в структуре: все тепловые процессы (нагревание — охлаждение, плавление — кристаллизация, парообразование — конденсация) изучаются одновременно сначала на уровне определения этих явлений и их графического изображения на уроке экспериментального исследования изменения состояния вещества при его нагревании, а затем каждый процесс рассматривается подробно, с установлением соответствующих формул расчета количества теплоты. Такая последовательность изучения материала позволяет осуществить:

1) более наглядное сопоставление тепловых процессов: нагревание, плавление, парообразования;

2) выполнение учащимися действий «Распознавание тепловых процессов» по графикам зависимости t°C (t мин) или t°C (Q) и «Воспроизведение формул (Q= cm (t2 — t1), Q=mл, Q=mL)» на тех же графиках (см. дидактический материал в конце статьи).

3) Использование графического изображения тепловых процессов при выполнении лабораторных работ и решении задач по изучаемой теме.

Предлагается проводить серию опытов, которые демонстрируются как проблемные при введении новых для учащихся понятий: удельной теплоемкости, удельной теплоты плавления, удельной теплоты парообразования, удельной теплоты сгорания.

Для введения понятия удельной теплоёмкости вещества наливают в пробирки одинаковые массы воды и растительного масла. С помощью термопары (можно самодельной: нихром — медь) и зеркального гальванометра показывают, что первоначальная температура обеих жидкостей приблизительно одинакова. Затем обе пробирки помещают в предварительно нагретые пробирконагреаватели (или в стакан с горячей водой) и примерно через 1−2 минуты снова измеряют температуру воды и масла. Опыт показывает, что температура у них изменилась по-разному. Учащимся предлагается сделать вывод. В итоге обсуждения результатов опыта и вводится понятие удельной теплоемкости вещества.

Аналогичным образом водится понятие удельной теплоты плавления. Для проведения опыта по сравнению удельной теплоты льда и гипосульфита необходимо взять одинаковое количество льда (при 0°C) и гипосульфита (при 48°C), предварительно нагретых до температуры плавления. Затем пробирку со льдом и гипосульфитом одновременно помещаем в стакан с нагретой водой. Лед в стакан с водой при температуре t1, а гипосульфит при температуре t2=t1+48°C. (Чтобы сообщить им одинаковое количество теплоты). Через некоторое время замечают, что гипосульфит расплавился, а лед еще нет. На основе этого опыта учащиеся делают вывод о том, что для плавления одинаковых количеств льда и гипосульфита, взятых при температуре плавления, требуется разное количество теплоты, таким образом, вводится понятие об удельной теплоте плавления. (Целесообразно опыт проводить как лабораторный).

Для демонстрации различной теплоты парообразования воды и спирта равное их количество наливают в пробирки, каждую из них доводят до температуры кипения, а затем помещают в предварительно нагретые пробирконагреаватели. Замечают, что спирт испаряется гораздо быстрее. В результате обсуждения этих опытов учащиеся приходят к выводу о том, что для превращения спирта в пар требуется меньшее количество теплоты, чем для такого превращения воды. Таким образом, приходят к понятию удельной теплоты парообразования.

Для введения понятия удельной теплоты сгорания уравновешивают на весах одинаковое количество сухого спирта и спичек. Укладывают их под небольшими колбами с одинаковым количеством воды, укрепленным на штативе на одинаковой высоте, и поджигают. Вода в колбе над горящим спиртом быстро закипает, а над спичками едва начинает нагреваться. Учащиеся наглядно видят, что при сгорании одинакового количества сухого спирта и спичек выделяется разное количество теплоты, обсуждение результатов опыта позволяет ввести понятие удельной теплоты сгорания.

Для формирования понятий удельной теплоемкости и удельной теплоты плавления можно предложить и следующие эффективные проблемные ситуации: установить, достаточно ли имеющегося куска спирта для а) нагревания воды в колбе до кипения, б) полного расплавления куска льда. Выслушав предложения учащихся, намечают план решения проблемы (необходимое оборудование выставляется на демонстрационном столе, но задачу следует решать в общем виде и использовать сравнительные вычисления). [8]

1. Налить в колбочку воды () с помощью мензурки и измерить ее первоначальную температуру t1.

2. Найти массу маленького кусочка спирта () и нагреть им воду в колбочке до полного сгорания, затем измерить температуру нагретой воды ().

3. Найти отношение количества теплоты, выделенное при сгорании спирта к массе воды и изменению температуры, т. е.

4. Убедиться на опыте, что отношение не зависит от массы воды.

Для этого, таким же количеством спирта () нагреть в колбочке воду массой в 2 раза большей ()

5. Сформулировать определение удельной теплоемкости, установить единицы измерения. Найти теплоемкость воды по таблице.

6. Записать формулу количества теплоты для нагревания воды.

7. Записать формулу количества теплоты, которое выделится при сгорании спирта.

8. Сравнить Q и сделать вывод.

Выделить, что для решения проблемы а) потребовалось ввести новую физическую величину — удельную теплоёмкость. Еще раз обратиться к таблице удельных теплоемкостей, пояснив ее физический смысл и выполнить несколько упражнений.

Аналогично, может быть решена проблема б) но она значительно проще.

Следует иметь в виду, что в настоящее время выпускается лабораторное оборудование «Микро», индикаторы которой соединяются с компьютером и, следовательно, результаты опытов можно выводить на мониторе.

В заключении отметить, что при изучении темы учащиеся выполняют две лабораторные работы:

1. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры;

2. Измерение удельной теплоёмкости твёрдого тела.

Эти работы доступны учащимся, в большинстве школ имеется оборудование для их выполнения.

При решении задач на определение КПД следует различать:

a) коэффициент полезного действия тепловой установки;

b) коэффициент полезного действия теплового двигателя.

Задачу типа а) желательно решить, как экспериментальную.

В общем, изучение темы интересно для учащихся, если учитель показывает достаточное количество опытов, организует проведение самостоятельных работ по дидактическим материалам. Очень нравятся учащимся опыты по теплопроводности, конвекции (с вертушками), лучеиспусканию, например, со сферическими зеркалами (смотрите рис. 13). [8]

Рисунок 13 — Сферические зеркала

1-Сферическое зеркало; 2-Лампа накаливания 300−500 Вт; 3-Лапка штатива для закрепления; 4-Спички. Лампа накаливания (желательно с плоским волоском) устанавливается в фокусе одного зеркала, а в фокусе другого пучок спичек. Приборы устанавливают таким образом, чтобы пучок света, отраженного от сферических зеркал, сфокусировался на головках спичек. Через несколько секунд спички вспыхивают.

Дидактический материал для:

а) «распознавания» тепловых процессов по графикам, б) «воспроизведения» формул количества теплоты на графиках.

Таблица № 2- Распознавание тепловых процессов

3. РАЗРАБОТКА УРОКОВ ПО ТЕМЕ «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

3.1 Урок изучения нового материала по теме «Виды теплопередачи»

Тема: Виды теплопередачи Тип урока: урок изучение нового материала Цели:

1) Образовательная — формирование понятий о теплопередачи, о значении теплопередачи в природе и технике, формирование умений по проведению и объяснению результатов физических опытов.

2) Развивающая — развивать умение ясно выражать свои мысли, формулировать гипотезу.

3) Воспитательная — умение анализировать свою деятельность и деятельность своих товарищей, формирование способностей в принятии совместного решения.

Оборудование и приборы: штатив, медная проволока, спиртовка, маленькие гвоздики, стакан, чайная ложка, вода, холодная и горячая, колба, кристаллики марганцовки.

Ход урока:

На уроке реализуется схема: вызов — осмысление — рефлексия.

1) Организационный момент:

Для концентрации внимания проводится разминка «Карманное письмо». Учащимся предлагается описать ту вещь, которая оказалась у него в кармане пиджака, портфеля. Пояснить, почему она там оказалась. Эта разминка способствует концентрации внимания учащихся.

2) Стадия вызова:

Работа в группах по 7−8 человек. Группы получают карточку (карточка № 1).

Учитель: Обсудите в группе ответы на указанные вопросы. Подготовьте общий ответ.

Карточка № 1

1. Что происходит при контакте тел с разной температурой?

2. Сколько существует способов изменения внутренней энергии?

3. Докажите на опыте, что оба способа дают один и тот же результат.

4. На штативе закреплена медная проволока, на которой с помощью воска прикреплены гвоздики. Свободный конец проволоки нагревают с помощью спиртовки. Что будет происходить? К какому способу изменения внутренней энергии вы отнесёте данный опыт.

5. В стакан с горячей водой поместили чайную ложку. Опишите изменения, которые будут наблюдаться через 30 секунд. Измениться ли внутренняя энергия?

6. В колбу с водой опустили кристаллики марганцовки. Колбу нагревают с помощью спиртовки. Сделайте предположение, что вы увидите по мере нагревания колбы. К какому виду изменения внутренней энергии вы отнесёте данный опыт.

7. Сидя у костра, вы ощущайте тепло. По какому способу происходит изменение внутренней энергии.

8. Анализируя ответы на вопросы № 4, № 5, № 6 сформулируйте тему урока.

Заслушивание выдвинутых гипотез, формулировка темы занятия. Заполнение столбца № 1 «Бортового журнала» (таблица № 3):

Таблица № 3 — «Бортовой журнал»

3) Стадия осмысления:

Экспериментальная работа. Учитель предлагает учащимся сверить свои идеи с результатом опыта. Для подтверждения выдвинутых гипотез необходимо провести физический эксперимент и подтвердить свои идеи по вопросам № 4; № 5, № 6. Презентация проведенных опытов: группа № 1 выполняет опыт из вопроса № 4, группа № 2 выполняет опыт из вопроса № 6, группа № 3 выполняет опыт из вопроса № 5. По окончанию работы заполняется столбец № 2 «Бортового журнала»

Работа с учебником. Каждой группе выдается две карточки (с заданиями карточка № 2 и карточка — подсказка № 3). Учащиеся работают по единому тексту. Каждый ученик ищет ответ на поставленные вопросы, записывает в тетрадь ответы и докладывает результаты своей работы эксперту группы. Заполняется столбец № 3 «Бортового журнала». Один из группы оформляет бортовой журнал на ватмане.

Карточка № 2

1. Прочитать текст целиком уловить смысл, не вдаваясь в подробности.

2. В тексте найти описание своего опыта или аналогичного.

3. Из карточек на вашем столе выбрать ту, которая подходит к вашему опыту и провести доказательство того, что в ней написано.

4. Используя данную карточку, подготовить выступление по данному вопросу.

5. Расскажите о своих выводах членам родной группы.

6. Подготовьте выступление от группы.

Презентация ответов. Эксперты каждой группы докладывают результат работы каждого ученика, либо общий вариант ответа. Каждая группа представляет свой «Бортовой журнал».

4) Рефлексия.

Учащимся предлагается ответить на вопросы:

1. Какой вид теплопередачи может существовать через вакуум?

2. В каком чайнике светлом или темном вода дольше не остынет? Почему?

3. Почему жидкости и газы нагреваются снизу?

4. Основной вид теплопередачи?

5. Какой вид теплопередачи менее понятен?

6. Как вы оцениваете свою работу на уроке?

Ответы на вопросы учащиеся выполняют на листочках.

Рисунок 14 — Виды теплопередачи

5) Домашнее задание.

Составить презентацию в программе Power Point «Примеры теплопередачи в природе и технике».

3.2 Комбинированный урок по теме «Кипение»

Тема: Кипение Тип урока: комбинированный урок Цели:

1) Образовательная — усвоение понятия кипение; обеспечить продолжить формировать умение учеников применять основные положения МКТ в объяснении физических явлений.

2) Развивающая — развитие интеллектуальных умений: анализировать, выделять главное, существенное в изучаемом материале, делать выводы; формирование общеучебных умений; развитие самостоятельности; развитие познавательного интереса.

3) Воспитательная — формирование основных мировоззренческих идей: познаваемость мира и его закономерностей; причинно-следственные связи явлений.

Оборудование: электроплитка, колба с водой, термометр для измерения температуры жидкости, штатив, стакан с водой, резиновая медицинская груша, пробка для колбы с отверстием, насос Комовского, стеклянный колпак с подставкой для демонстрации пониженного давления.

Ход урока:

1. Организационный момент:

Объявление учителем темы и целей урока. Учитель обращает внимание на эпиграф на доске: Наблюдение и опыт являются основными источниками знаний при изучении физических явлений.

2. Фронтальный опрос по домашнему заданию:

Учитель задает вопросы:

1. Как называется явление превращения жидкости в пар?

— Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

2. Какие два способа парообразования существуют?

— Испарение и кипение.

Учитель:

Сегодня мы познакомимся со вторым способом парообразования — кипением. Для этого проведем эксперимент. Поставим на плитку колбу с водопроводной водой, опустив туда термометр, закрепленный на штативе. В процессе наблюдения продолжим отвечать на вопросы по домашнему заданию.

3. Какое явление называется испарением?

— Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

4. Объясните механизм испарения с точки зрения М.К.Т.

— Все тела состоят из молекул, которые непрерывно и хаотично движутся, причем с различными скоростями. Если «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Все вылетевшие молекулы образуют пар. У оставшихся молекул при соударении друг с другом меняется скорость, и найдутся такие молекулы, которые могут оказаться у поверхности и вылететь из жидкости. Этот процесс непрерывен, поэтому жидкость испаряется постепенно.

5. Почему испарение происходит при любой температуре?

— Так как молекулы движутся при любой температуре.

6. От чего зависит скорость испарения жидкости?

— От рода вещества, температуры, площади поверхности, скорости удаления молекул от поверхности жидкости.

7. Почему испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости?

— Так как от температуры зависит скорость молекул.

8. Как и почему зависит скорость испарения от площади поверхности жидкости?

— Чем больше площадь поверхности, тем большее количество молекул может вылететь из жидкости.

9. Почему лужи быстрее испаряются в ветреную погоду?

— Испарившиеся молекулы не могут возвратиться обратно в жидкость.

10. Что называется конденсацией пара?

— Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией пара.

11. При каких условиях происходит конденсация пара?

— Когда пар становится насыщенным, то есть находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Вернемся к нашему эксперименту и запишем этапы кипения, которые пронаблюдали:

· Испарение с поверхности жидкости усиливается по мере увеличения температуры. Иногда может наблюдаться туман (сам пар не виден).

· На дне и стенках сосуда появляются пузырьки воздуха.

Вопрос учителя:

Почему пузырьки воздуха появляются на дне и стенках сосуда?

— Сначала нагревается сосуд, а затем жидкость на дне и у стенок. Так как в воде всегда есть растворенный воздух, то при нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.

· Пузырьки воздуха начинают укрупняться, появляются по всему объему, причем в пузырьках будет не только воздух, но и водяной пар, так как вода начнет испаряться внутрь этих пузырьков воздуха. Появляется характерный шум.

Поясним это явление.

При достаточно большом объеме пузырька он под действием Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Поэтому в поднимающемся пузырьке водяной пар будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Соответственно давление внутри пузырька будет меньше, чем давление атмосферы и столба жидкости, оказываемое на пузырек. Пузырек будет захлопываться. Слышен шум.