Урок -обобщение материала по теме "Тепловые явления"
план-конспект урока по физике (8 класс) на тему

«Физика за чашкой чая»

Чай, чай- выручай!

В начале урока — мое небольшое вступление: "Ребята! Я знаю, вы с удовольствием каждый день пьете чай, но уверен, что не многие задумывались над сопровождающими этот процесс физическими явлениями. Попробуем сделать это вместе".

Далее зачитываю правила:

группа учеников, сидящих за одним столом, называется командой;

на уроке нужно совмещать два дела: пить чай и отвечать на вопросы, задаваемые учителем;

каждый ученик должен стремиться набрать как можно больше баллов, которые даются за правильные ответы на вопросы и дополнения. За каждый верный ответ — 1 балл; за правильное дополнение — тоже 1 балл; за оригинальный ответ — 2 балла;

ученик, набравший к концу урока 5 баллов, получает оценку "5"; набравший 3—4 балла — "4",1- 2 балла — "3";

первоочередное право ответа на вопрос имеют те ученики, к которым обратился учитель .

за подсказку, разговор и прочие нарушения хода урока вычитается 1 балл. •   А теперь — вопросы.

1.Как вы думаете, почему, ставя кипятить, чайник закрывают крышкой?

(Ответ. Если чайник открыт, то часть молекул воды, имеющих большую кинетическую энергию, будет беспрепятственно улетать в пространство над чайником, унося с собой свою энергию; поэтому к чайнику нужно дольше подводить энергию извне, и он долго не закипает. Закрытый чайник закипит быстрее.)

2. Проведу опыт: крышку горячего чайника охлажу, облив ее холодной водой из кувшина. Затем на три спички аккуратно положу крышку так, чтобы она не прикасалась к чайнику. Через некоторое время предлагаю вам потрогать крышку. Что вы ощутите? Почему?

+ Чем можно заменить спички, чтобы получить такой же эффект?

(Ответ. Крышка будет теплая. Мы частично устранили один из способов теплопередачи: ведь у деревянных спичек малая теплопроводность, поэтому тепло от чайника почти не будет передаваться крышке способом теплопроводности. Спички можно заменить любыми предметами из веществ, имеющих малую теплопроводность: кусочками веток, ватой, картоном, пробкой.)

3.Какими будут мои ощущения, если я возьму крышку с горячего металлического чайника за пластмассовую ручку? Как вы их объясните?

(Ответ. Пластмасса имеет малую теплопроводность, поэтому руке не будет горячо.)

4. Вода в чайнике уже закипела, из носика вырвалась наружу струя пара... Но ведь пар считается невидимым! Что же мы видим в действительности?

(Ответ. Пар невидим. Вырвавшись из носика чайника, он в прохладном воздухе конденсируется, образуя мельчайшие капельки воды; вот их-то мы и видим.)

4. Вода в чайнике уже закипела, из носика вырвалась наружу струя пара... Но ведь пар считается невидимым! Что же мы видим в действительности?

 (Ответ. Молекулы кипящей воды имеют большую скорость движения, поэтому мгновенно пробивают верхнюю часть кожи и проникают в ткани мышц, вызывая ощущение боли.)

6. Какую температуру имеет кипящая вода в чайнике? (Ответ. ~ 100°С.)

7.+ Всегда ли кипит вода при 100 °С?

(Ответ. Все зависит от давления над поверхностью воды: чем меньше давление, тем температура кипения меньше. В горах вода кипит при 90°С, а в котельных — при 200°С.)

8. Каким простым способом можно повысить температуру кипения воды в чайнике?

(Ответ. Увеличить давление над поверхностью воды. Для этого надо плотно закрыть чайник крышкой, сверху положить груз, в носик вставить пробку.)

9.+ В каких кухонных приборах применяется этот способ — увеличение давления над кипящей жидкостью? Для каких целей?

(Ответ. В скороварках. Увеличение давления вызывает повышение температуры кипения. Жидкость прогревается до температуры выше 100°С. При этом пища проваривается быстрее и лучше.)

10+ А что такое кипение?

(Ответ. Кипение — это процесс интенсивного испарения жидкости при определенной температуре, сопровождающийся быстрым образованием и ростом пузырьков пара, прорывающихся через поверхность жидкости наружу и лопающихся там.)

11+ Обратите внимание на заварочный чайник. В его крышке сделана небольшая дырочка. Зачем?

(Ответ. В чайник наливают горячую воду; она испаряется. Если в крышке чайника нет дырочки, то между крышкой и слоем воды скапливается пар и образуется повышенное давление, под влиянием которого вода будет выливаться из носика.)

12+ Я прошу налить мне горячий чай в стакан, но предупреждаю, что он толстостенный. Какая опасность поджидает вас и меня? Почему?

(Ответ. Стакан может лопнуть; внутренние стенки, соприкасающиеся с горячей жидкостью, сразу же расширятся, в то время как внешние еще не успеют прогреться и сохраняют свои размеры; от этого стекло деформируется и происходит его разрушение.)

13 Как надо поступить, наливая кипяток, чтобы толстостенный стакан не лопнул?

(Ответ. Необходимо в стакан опустить металлическую ложечку: она примет часть тепла, температура воды станет меньше, тепловое расширение внутренних стенок будет тоже меньше; деформация не окажется столь сильной.)

14.А для чего у чашек сделаны ручки?

(Ответ. Ручка позволяет брать горячую чашку, не обжигая при этом пальцы. Она менее горяча, чем чашка, так как соприкасается с ней всего двумя точками, т.е. слабо связана с источником тепла.)

15.+ Некоторые мужчины пьют чай из стаканов, вставленных в металлические подстаканники. Влияет ли подстаканник на качество чая?

(Ответ. Металлический подстаканник охлаждает чай, так как сам быстро нагревается: ведь металл имеет малую удельную теплоемкость и большую теплопроводность.)

16. Чтобы подстаканник быстрее охлаждал чай, из какого материала нужно его изготовить?

(Ответ. Из такого, у которого теплопроводность возможно больше, а удельная теплоемкость возможно меньше; например из серебра, золота.)

17.Вы, наверное, наблюдали, как старые люди в деревнях пьют чай: наливают его в блюдце и дуют, держа блюдце на кончиках пальцев. Объясните, почему они так делают.

(Ответ. У чая, налитого в блюдце, большая поверхность соприкосновения с воздухом, поэтому интенсивно идут теплообмен и испарение — чай быстро остывает. Когда дуют на поверхность чая, процесс испарения ускоряется, а это тоже понижает температуру жидкости. Площадь соприкосновения кончиков пальцев и блюдечка очень мала, поэтому рука не так сильно чувствует большую температуру блюдца.)

18. А сейчас проделаем следующее. Положите в чашку ложку сахарного песка и налейте заварку; затем осторожно влейте кипяток. Не мешайте чай. Теперь попробуйте его. Почему чай не сладкий?

(Ответ. Чтобы весь чай стал сладким, нужно время, в течение которого молекулы жидкости и сахара сами собой перемешаются, т.е. произойдет диффузия. В данном случае это не успело совершиться, и мы процессу не помогали помешиванием ложечкой. Поэтому в верхней части чашки чай совсем не сладкий.)

19 А теперь... Кто хочет стать экспертом с завязанными глазами? Выразившему желание надеваю на глаза повязку и предлагаю при помощи пальца определить, из какого материала изготовлены ложки, одинаковые по массе, которые я одновременно опускаю в чашку с кипятком, и обосновать свое заключение.

(Ответ. Источником информации служит быстрота нагревания ложек: она разная. Та, что нагрелась сильнее, сделана из материала с большой теплопроводностью, например алюминия — 207 Вт/ (м • К) при 100°С. Материал же второй ложки обладает меньшей теплопроводностью; это может быть, например, железо — 67,5 Вт/ (м • К).

20.Я делаю из ложки лодочку и даю ей возможность плавать на поверхности чая, если положу ее ручку на край чашки. Капаю несколько капель чая в ложечку — она сразу же тонет. Почему?

(Ответ. Увеличивается сила тяжести ложечки, а объем ее остается прежним; также прежним остается и выталкивающая сила. Ее теперь недостаточно, чтобы удержать более тяжелую ложку на поверхности чая.)

21. Я налью себе в чистый стакан немного кипятка. Пронаблюдайте, что произойдет. Почему?

(Ответ. Стенки стакана запотели: кипящая вода испарялась, пар ее, соприкасаясь с холодными стенками стакана, конденсировался на них, образуя туман.)

22. Одни любят чай горячий, а другие — теплый. Рассудите двух друзей — любителей первого напитка. Один говорит: я обожаю горячий чай, поэтому, налив жидкость, не спешу класть в него сахар; если его положить через 5 мин, то чай будет горячее, чем в том случае, если сахар положить сразу. Второй возражает: ты не прав; если сахар опустить сразу, объем воды будет больше (она не успеет частично испариться), а чем больше воды, тем она медленнее остывает. Кто из них прав?

(Ответ. Прав первый, так как при растворении сахара температура жидкости понижается, а чем она ниже — меньше отличается от комнатной, тем медленнее идет теплообмен, и чай остывает тоже медленнее.)

23. До какой температуры остынет горячий чай, если оставить чашку с ним в комнате до утра?

(Ответ. До температуры воздуха в помещении.)

24.Что необходимо сделать, чтобы чай в чашке как можно дольше оставался горячим?

(Ответ. Уменьшить теплопроводность и теплообмен. Для этого можно поставить чашку на подставку, которая плохо проводит тепло, например деревянную. Желательно поместить ее в другую чашку, большую, сделав подобие калориметра. Можно завернуть ее в "шубу". Сверху чашку лучше накрыть, например, пластинкой из пенопласта.)

25. А сейчас — вопрос о печенье. Печенье легко разломить, но невозможно соединить куски. Почему?

(Ответ. Когда печенье ломаем, то нарушаем молекулярные связи. При соединении не удается сблизить куски на такое расстояние, чтобы начали проявляться силы молекулярного притяжения.)

Сегодня на уроке, совмещая приятное с полезным, мы применили Урок "Физика за чашкой чая"

свои знания к немного необычным, но в то же время самым обычным ситуациям. Будет очень хорошо, если каждый будет чаще задумываться над окружающими явлениями и постарается объяснить их с точки зрения физики.

А теперь подведем итоги, выставим оценки...".

Дополнительные вопросы

1.Почемучка жаловался: «Вчера я съел подряд 3 мороженых, после этого так застыл, что даже ноги охладились, а потом через некоторое время мне стало жарко». «Чем объяснить происшедшее?» — допытывался он. Действительно, чем?

(Ответ. Эффект прохлады от мороженого создается в первые минуты за счет большой разности температур тела человека и мороженого. Потом молочные белки, жиры, сахар, входящие в состав мороженого, начинают перевариваться, при этом выделяется энергия, которая и согревает организм.)

2. Батареи отопления в квартире были горячими. Почемучка потрогал рукой сначала батарею, потом сухую тряпку, давно лежавшую на ней, и сделал удивленное лицо. Увидев маму, спросил: «Одинаковы ли температуры тряпки и батареи? Батарея мне кажется более горячей». Что должна ему ответить мама?

(Ответ. За длительное время соприкосновения температуры тряпки и батареи выровнялись. Однако на ощупь ткань кажется менее горячей, чем металл. Это вызвано разной теплопроводностью материалов: у ткани она меньше. Поэтому ткань в меньшей мере проводит тепло к руке.)

3. Я могу заставить воду кипеть при комнатной температуре», — гордо сказал Почемучка и, не дожидаясь вопросов, провел опыт. Он налил в одноразовый медицинский шприц, в котором отсутствовала игла, немного воды (примерно 1/8 ее объема) из давно наполненного графина, затем заткнул пальцем отверстие и резко вытянул поршень шприца до крайнего положения. Вода внутри шприца закипела, оставаясь холодной. «Почему закипела вода?» — спросил Почемучка.

(Ответ. Точка кипения зависит от давления: чем ниже давление, тем ниже температура кипения. Когда был вытянут поршень, давление в шприце резко уменьшилось — видимо, до 17,5 мм рт. ст. Поэтому температура, при которой начинается кипение, тоже снизилась: со 100°С до 20°С.)

4.Почемучка стоял в коридоре школы (он опоздал на занятия) у двери старшего класса, где шел урок литературы, и жадно слушал. В классе читали прекрасные, но в то же время странные стихи А.С.Пушкина:

Татьяна пред окном стояла, На стекла хладные дыша, Задумавшись, моя душа, Прелестным пальчиком писала На отуманенном стекле Заветный вензель О да Е.

Почемучкины задачи

«Почему стекло отуманенное?» — вдруг подумал Почемучка. Почему?

(Ответ. Стекло было холодное — у Пушкина «стекла хладные»; и когда на него попал теплый воздух дыхания, то содержащийся в воздухе водяной пар начал охлаждаться, а затем конденсироваться. Стекло покрылось туманом — капельками влаги, став непрозрачным, пригодным для письма.)

•5.«Почему черная крыша дома быстрее освобождается от снега, чем крыша светлая?» — спросил Почемучка отца, шагая с ним ранней весной по улице дачного поселка.

(Ответ. Черные тела лучше поглощают тепло, поэтому они быстрее нагреваются, а это, в свою очередь, вызывает быстрое таяние снега.)

6.Почемучка провел новым мелом несколько горизонтальных линий на классной доске и потрогал мел пальчиком. «Почему мел нагрелся?» — спросил он стоявшего рядом товарища. Тот задумался. Что он должен ему ответить?

(Ответ: Над мелом была совершена работа. Частично эта работа превратилась в его внутреннюю энергию, а увеличение внутренней энергии тела связано с повышением температуры.)

Что быстрее освобождается от снега: пригорки или равнина. Почему?

(Ответ. Пригорки, так как они более обдуваемы теплым весенним воздухом, чем ровное место, поэтому процесс таяния там идет активнее.)

 На весенний тающий снег положили два кусочка материи — темный и светлый. Как под ними тает снег? Объясните, почему именно так.

(Ответ. Тела с темной поверхностью хорошо поглощают солнечную энергию, лучше, чем светлые. Они быстрее нагреваются. Поэтому под темным куском ткани проталина будет больше.)

Почему вокруг  стволов деревьев снег тает быстрее.

(Ответ. Вокруг стволов снег тает быстрее, поскольку ствол дерева темный, он нагревается больше, чем белый снег, и излучает тепло, ускоряющее процесс таяния.)

 Почему весной, после того, как начало активно пригревать солнышко, снег стал не пушистым, как зимой, а в виде крупинок?

(Ответ. Под действием солнечного излучения верхние слои снега начинают таять, вода просачивается вниз, располагаясь между снежинками. Ночью вода замерзает, образуя маленькие кристаллики льда.)

Весной положили на снег под солнечные лучи два одинаковых по размеру бруска: деревянный и металлический. Они полежали некоторое время. Что произошло? Как это объяснить?

(Ответ. Удельная теплоемкость у металла меньше, чем у дерева; например у железа она 0,46 кДж/ ( кг • К), а у дуба 2,39 кДж/ ( кг • К); поэтому, поглотив одинаковое количество теплоты, металлический брусок нагреется на большее число градусов, чем деревянный. Теплопроводность материалов тоже различна: у металла больше, чем у дерева; у железа она 73,3 Вт/ (м • К), у дуба 0,2 Вт/ (м • К). В результате этих причин под металлическим бруском снег будет таять быстрее, чем под деревянным.)

 Какова температура лужи, в которой плавает лед? 

(Ответ. Температура воды в луже 0°С. Пока лед не растает, температура воды не будет повышаться.)

Задачи Шерлока Холмса

1Придя в дом, куда его давно звали в гости, Шерлок Холмс подошел к окну и посмотрел в него, потом еще раз взглянул, но сбоку. «Ваши апартаменты холодные»,— заметил он хозяйке.

Что он увидел и что позволило ему сделать такой вывод?

(Ответ. В окно он, видимо, увидел, что дом кирпичный и стены его тонкие. Кирпич же не очень хороший теплоизолятор по сравнению с деревом; его теплопроводность значительна: 0,47 - 0,77 Вт/(м • К), в то время как сосновых досок меньше: 0,35 Вт/(м • К), т.е. он быстрее выводит тепло наружу.)

Хозяйка дома, где был Холмс в гостях, подошла к двери и впустила в комнату кошку. Посмотрев на кошку, Шерлок Холмс сказал: «На улице холодно».

Как он это определил?

(Ответ. Очевидно, по шерсти кошки. При холодной погоде шерсть поднимается, становится «дыбом», чтобы в промежутках между шерстинками и ворсинками оказалось больше воздуха; воздух же — плохой проводник тепла.)

Гуляя в большом парке лорда, пригласившего известного сыщика к себе на пару дней, Шерлок Холмс заблудился. Уже начало темнеть, когда он случайно обнаружил водопроводную трубу. «Вот это удача!» — воскликнул Холмс. — Надо идти в ту сторону, куда течет вода в трубе». Не торопясь, он разжег костерок на трубе, закурил свою трубку и погрузился в раздумья. Минут через десять он уже знал точно, куда течет вода. «Вот что значит не интуиция, а знания и здравый смысл!» — воскликнул Холмс.

Как он определил направление тока воды?

(Ответ. Когда костерок разгорелся, труба нагрелась, а в ней нагрелась и вода. Холмс, очевидно, пощупал трубу по обе стороны от костра. По течению воды участок трубы должен быть более теплым, так как тепло туда передается и металлом, и водой.)

•  На столе, за которым сидели хозяин дома и его гость — гениальный сыщик, стояли стаканы с горячим чаем и лежали изящные серебряные ложечки.

— Все это — фамильные ценности, — перехватив взгляд Шерлока Холмса, с гордостью сказал мистер X — хозяин дома. — Их я унаследовал от отца, отцу их подарил дед. А дед был такой мастер, что до сих пор остается загадкой, какая из этих шести ложечек, изготовленных им собственноручно, — поддельная.

— Определить это не так уж сложно, — улыбаясь, сказал Шерлок Холмс. — Попробую сделать это с помощью стакана чая.

Какой способ определения мог иметь в виду Шерлок Холмс?

(Ответ. Он мог воспользоваться знанием того, что разные металлы имеют разную теплопроводность. Источником же тепла он мыслил горячий чай.)

Шерлок Холмс и доктор Ватсон отправились в гости к матушке Природе. Зашли в лес, развели костер, долго беседовали. Костер горел хорошо. Через некоторое время Шерлоку Холмсу и доктору Ватсону нужно было уходить. Шерлок Холмс обошел костер.

— Надо его, к сожалению, потушить, — сказал Ватсон.

— Придется залить костер водой, чтобы не возник пожар, — добавил Холмс, увидев невдалеке маленькую лужу.

Задачи Шерлока Холмса

— Воды этой лужи вряд ли хватит, чтобы залить костер, — проворчал доктор Ватсон, бросив насмешливый взор на лужу.

— Вполне хватит, если ее вскипятить, — заметил Холмс.— Что скажете, Ватсон, о моей гениальной идее?

На чем основана эта идея?

(Ответ. Если заливать костер кипящей водой, то сразу начинается процесс ее испарения, требующий большого количества теплоты: удельная теплота парообразования воды г = 2256 кДж/кг; поэтому костер будет быстро остывать. Кроме того, пар, обволакивающий горящие дрова, перекрывает к ним доступ кислорода, и процесс горения ослабевает. Если же заливать костер водой холодной, то вначале вода будет нагреваться, отбирая значительно меньшее количество теплоты: удельная теплоемкость воды с = 4,19 кДж/(кг • К); уже потом начнется ее парообразование. Тушение кипятком пойдет быстрее; воды потребуется меньше, чем для тушения холодной водой.)

Шерлок Холмс, войдя в квартиру, куда его пригласили на чашку чая, и начав беседу с ее обитателями, через минуту сказал: «Уважаемая хозяйка, у вас на кухне кипит чайник».

Как он это определил, если находился в комнате, из которой кухня не была видна?

(Ответ. По ритмичным ударам. Когда чайник кипит, то крышка обычно периодически подскакивает. Под действием образовавшегося пара вначале давление в чайнике повышается, и крышка от этого приподнимается, часть пара выходит; давление в чайнике уменьшается, крышка опускается, издавая при ударе о сосуд звук. Далее все повторяется.

Примечание. Этот процесс происходит лишь в чайниках некоторых видов.)

Холмс зашел к миссис Хадсон, которая в это время была занята сушкой грибов. Грибов было много: целая большая корзина.

— Мистер Холмс, — молвила миссис, — вы все знаете. Как быстрей пересушить грибы и при этом израсходовать минимум газа в газовой плите?

— Очень просто. Нужно использовать холодильник, — был ответ Холмса.

Действительно ли идея, предложенная Холмсом, ускорит сушку грибов? Почему? Как ее осуществить?

(Ответ. Грибы нужно заморозить, а уже затем сушить. Замерзая, вода, находящаяся в тканях грибов, разрывает и раздвигает их волокна, облегчая тем процесс последующего испарения влаги.)

Подходя к нужному дому, куда он был зван в гости, на окраине городка, Шерлок Холмс увидел следы лыжника. Они были как бы приподняты над остальным снегом. Хозяйке, открывшей дверь, он вместо приветствия сказал: «Скоро будет весна».

Почему он так решил?

(Ответ. С приближением весны солнце днем поднимается все выше, его лучи падают все более отвесно и все лучше прогревают землю. Рыхлый снег под солнечными лучами быстро тает и опускается. На лыжне же он более плотный и поэтому тает медленнее; из-за этого следы лыжника выглядят приподнятыми над поверхностью снега.)

Была зима. Шерлок Холмс вошел в комнату с улицы. Сквозь замерзшие окна был виден лишь край дороги. «Хозяйка квартиры ленивая», — подумал он.

Почему он сделал этот вывод?

(Ответ. Окна в квартире были замерзшими. Значит, в пространство между рамами проник из комнаты теплый влажный воздух. Соприкасаясь с холодным стеклом, содержащийся в воздухе водяной пар конденсировался в воду, а вода охладилась и замерзла на стекле. Отсюда следует: щели в рамах окон были плохо законопачены и заклеены. Видимо, хозяйка поленилась это сделать.)

Подсчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания  алюминиевого чайника  наполненного в водой от комнатной температуры () до кипения. Если вместимость чайника 2 литра, его масса 0,5 кг.

Сегодня на уроке, совмещая приятное с полезным, мы применили Урок "Физика за чашкой чая" свои знания к немного необычным, но в то же время самым обычным ситуациям. Будет очень хорошо, если каждый будет чаще задумываться над окружающими явлениями и постарается объяснить их с точки зрения физики.

А теперь подведем итоги, выставим оценки...".