Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики (стр. 3 из 7)

2. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге (в Туркмении) — от жары. Объясните целесообразность этого.

Полезно сообщить учащимся сравнительные данные теплопроводности некоторых твердых, жидких и газообразных тел. Железо, например, в 163 раза лучше проводит тепло, чем дуб, и в 100 раз лучше, чем вода; вода — в 27 раз лучше, чем воздух.

Изучение конвекции можно начать с постановки опыта, расположив, как указано на рисунке 20.6, стеклянную трубку с водой над пламенем спиртовки. При этом показания одного термометра (на рисунке слева) останутся почти без изменений, а другого (на рисунке справа) начнут быстро увеличиваться. Ставят вопрос: «Почему вода в одном случае хорошо, а в другом плохо передает тепло?»

В беседе выясняют, что так как вода при нагревании расширяется, то плотность ее уменьшается (можно, например, сообщить, что масса 1 м³ воды при 100 °С меньше, чем при 0 °С на 42 кг) и поэтому под действием архимедовой силы более легкие, нагретые слои воды поднимаются вверх.

Сущность явления следует раскрыть, нагревая, например, свечкой колбу с водой, на дне которой помещен кристаллик марганцовокислого калия, окрашивающего конвекционные потоки.

Для демонстрации теплопроводности и конвекции в газах можно поставить опыт, подобный показанному на рисунке 20.5, нагревая в трубке воздух.

Затем с помощью бумажных вертушек и дыма демонстрируют образование восходящих потоков воздуха над нагревателями. Можно сообщить учащимся, что, например, масса 1 м³ воздуха при 100 "С в 1,4 раза меньше, чем при 0 °С, поэтому конвекция в воздухе, как и в жидкостях, объясняется действием архимедовой силы.

В качестве примера конвекции в природе рассматривают образование дневных и ночных бризов, а в технике — образование тяги в дымоходах, конвекцию в водяном отоплении, водяном охлаждении двигателя внутреннего сгорания.

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

ИЗЛУЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

Типичными задачами по данному вопросу темы являются следующие:

Все знают, как «пышет жаром» от раскаленной железной печки, от углей или электроплитки. Докажите, что в этом случае человек ощущает тепло, которое передается прежде всего излучением.

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

4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

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

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

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

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

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

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

Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ. Единицами внутренней энергии служат джоуль, килоджоуль. Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введены раньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицы для измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока еще применяются при расчетах.

Затем дают определение калории. Калория — количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 °С, т. е. калория есть мера приращения внутренней энергии 1 г воды при повышении температуры на 1 °С: 1 кал =4,19 Дж. В дальнейшем расчеты внутренней энергии следует выполнять в джоулях.

5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

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

Для перехода к понятию об удельной теплоемкости проводят ряд опытов.

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

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

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

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