Урок по физике в 10 классе на тему: "Температура и тепловое равновесие".
учебно-методический материал по физике (10 класс) на тему

1.

Организационный момент.                                                    

1-2 мин.

2.

Активизация учащихся, проверка домашнего задания.    

1-2 мин.

Целеполагание и мотивация.

1-2 мин

3.

Мотивация учащихся на изучение нового материала.    

1-2мин

4.

Объяснение нового материала.                                              

26 -29 мин.

5.

Закрепление материала.                                                          

3 -4 мин.

6.

Домашнее задание.                                                                  

1 мин.

7.

Подведение итогов урока.                                                      

2 мин.

Этапы урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

1. Организационный момент (1-2мин).

- Здравствуйте, ребята! Я рада видеть вас, наших гостей, а гостей мы всегда встречаем как?

- Поэтому и урок будет не только познавательным, но и позитивным, если, конечно, вы мне в этом поможете!

- На предыдущем уроке мы с вами начали изучать новый раздел физики  «Молекулярно - кинетическая теория идеального газа». И сегодня нам предстоит связать воедино все наши познания о физической величине «температура».

Позитивно!

II. Активизация учащихся, проверка домашнего задания

(2-3 мин).

- Но прежде, чем мы начнём работать над новой темой, давайте вспомним, какой газ  называют идеальным?

Идеальный газ – это газ, взаимодействие, между молекулами которого пренебрежимо мало.

- Почему такая модель газа была введена в физику?

Идеальный газ - модель реального газа. Молекулы этого газа крошечные шарики, не взаимодействующие друг с другом. Сталкиваясь со стенкой, молекулы не оказывают на неё давление.

Вывод учителя: 

- Любой газ состоит из огромного числа молекул. Невозможно быстро определить положение и скорость каждой молекулы в отдельности, да и смысла в этом нет. Физики воспользовались статистическим (обобщенным) подходом для определения поведения молекул. Основателем статистической физики считается Людвиг Больцман. Для характеристики системы, состоящей из большого числа частиц, ввели  микро и макроскопические параметры (величины).

- Назовите макроскопические параметры?

температура, давление, объём.

- Назовите микроскопические параметры?

масса молекулы, скорость молекулы.

- Существует ли взаимосвязь между ними?

да

III. Целеполагание и мотивация (1-2мин). 

Проблемная ситуация: 

- Скажите, что у меня в руках? (показываю лампочку)

лампочка

- А как вы думаете почему сегодня на урок я принесла, казалось бы простой, более того привычный для каждого из нас баллон электрической лампочки.

затрудняются ответить

- Как вы думаете, чем заполнено пространство внутри такого баллона?

газом

- Как вы думаете, какие условия должны соблюдаться при заполнении электрических ламп? Почему?

затрудняются ответить.

Вывод учителя: 

- Баллоны электрических ламп заполняют азотом (аргоном, гелием) при пониженном давлении и температуре. Значит, можно сразу предположить, что между давлением газа и температурой существует определенная зависимость?

Записываю на доске: Р∼Т

- А вот почему газ закачивают в баллон именно при пониженном давлении? Кто попробует ответить на этот вопрос?

затрудняются ответить.

Может быть, изменение условия опасно для жизни?

слайд

- Во время работы лампа разогревается, и давление газа внутри нее повышается (работа с графиком).

Если давление внутри баллона превысит нормальное атмосферное давление, что произойдёт?

взрыв

- Правильно, в результате повышения давления внутри лампочки может привести к разрыву стеклянной оболочки лампочки.

- Как вы думаете, почему это может произойти?

Т.к. при повышении температуры, скорость движения молекул возрастает, а значит, повышается давление на стенки закрытого сосуда, что соответственно приводит к разрыву внешней оболочки.

Вывод учителя:

Значит такой макроскопический параметр, как t взаимосвязан с таким микроскопическим параметром, как скорость молекул.

Записываю на доске:υ

- А скорость, как известно – основная характеристика средней кинетической энергии.

Записываю на доске:

- Теперь вы можете самостоятельно ответить на вопрос: «Существует ли взаимосвязь между макроскопическими и микроскопическими параметрами».

- Эта связь выражается в виде зависимости, между какими величинами?

Существует.

Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

- Как вы думаете, какие закономерности, и между какими параметрами мы должны определить сегодня на уроке?

Между макроскопическими параметрами

(V, t, p)

- Совершенно верно. Сегодня на уроке мы с вами попытаемся ответить на этот вопрос более подробно. А также вы узнаете нечто новое о физической величине, которую каждый день упоминают в сводках погоды, которую мы начинаем измерять, когда заболеем. Назовите эту физическую величину.

Температура

- Запишем тему урока в тетрадь.

Записывают тему.

IV.Объяснение нового материала

(26-29 мин). 

- Как мы уже знаем, любой газ состоит из огромного числа молекул. Невозможно быстро определить положение и скорость каждой молекулы в отдельности, да и смысла в этом нет. Физики воспользовались статистическим (обобщенным) подходом для определения поведения молекул. Основателем статистической физики считается Людвиг Больцман. Для характеристики системы, состоящей из большого числа частиц, ввели микро и макроскопические параметры (величины). Но макроскопические параметры не исчерпываются объемом, давлением и температурой. Например, для смеси газов нужно ещё знать концентрации отдельных компонентов. Обычный атмосферный воздух представляет собой смесь газов.

Холодные и горячие тела.

- В теории тепловых явлений основной величиной является температура. На теле кроме чувствительных приёмников, реагирующих на прикосновение, давление и болевые раздражения, есть приёмники, реагирующие на тепло и холод.

- С чем можно связать способность тел по-разному воздействовать на органы чувств?

С температурой.

- Что же такое температура?

Степень нагретости тел

слайд

Вывод учителя:

- Понятием «температура» мы часто пользуемся в обыденной жизни. «Надо посмотреть, сколько градусов на улице, чтобы знать, как одеться», – говорим мы. Или: «Не заболел ли ваш ребенок? Измерьте ему температуру». И каждый хорошо понимает, что означают эти слова. 
Но это субъективное определение температуры, которое не содержит способа её измерения.

Измерение температуры стало возможным лишь тогда, когда была установлена зависимость от температуры таких величин, как длина, объём, которые можно измерять ещё в древности заметили, что состояние здоровья человека связано с теплотой тела.

Наука о теплоте начала делать первые шаги в первой четверти 18 века – начали изготавливать термометры с двумя опорными (реперными) точками.

(Раздел физики назывался термометрия).

Тепловое равновесие.

- Для измерения температуры тела человека нужно подержать медицинский термометр под мышкой 5-8 мин.

- Как вы думаете почему?

За это время ртуть в термометре нагревается до температуры тела и уровень её повышается.

- Правильно. По длине столбика ртути можно определить температуру. То же происходит при измерении температуры любого тела любым термометром. Термометр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра  выровнялись, и между телами установилось тепловое равновесие, при котором температура перестанет изменяться.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру.

Проверим это экспериментально.

Демонстрация. 

«Наблюдение явления расширения воды при нагревании»

Берем колбу с длинной узкой трубочкой. Наливаем в неё подкрашенную воду и закрываем колбу пробкой. Отметим начальный уровень воды с помощью маркера. Нагреем воду на спиртовке, наблюдая за уровнем воды в трубке. Когда уровень воды заметно увеличится, опустим колбу в сосуд с холодной водой.

Анализ:

-Что произойдёт с уровнем воды в колбе спустя некоторое время?

Объем воды в колбе станет прежним.

- Правильно установится тепловое равновесие. А пока оно устанавливается, попробуем вместе с вами провести подобный эксперимент.

Фронтальный эксперимент – наблюдение расширения воздуха при нагревании.

В колбу с плотно закрытой пробкой стеклянной трубкой малого диаметра помещаем 2 капли подкрашенной воды. Около пробки должен быть небольшой столбик воды.

Колбу закрепим на штативе. Руками нагреем воздух в колбе, заметим, что столбик воды в трубке перемещается. Уберем руки и вновь наблюдаем за перемещением столбика воды.

Анализ:

-Что происходит с уровнем воды в трубке?

Столбик воды опускается.

- Почему это происходит?

Устанавливается тепловое равновесие.

Вывод учителя:

-Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы:  во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение.

- Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.

- Что происходит с точки зрения МКТ?

При столкновении быстродвижущихся молекул с медленно движущимися такой же массы скорости быстрых молекул уменьшаются, а медленных –увеличиваются. При бесчисленных соударениях средние кинетические энергии молекул выравниваются и при тепловом равновесии имеют одно и то же значение, как для молекул одинаковой массы, так и для молекул разных масс.

- Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул в макроскопическом теле.

- Если бросить кусочек льда в стакан с водой, что произойдёт?

Лёд начнёт плавиться, а вода охлаждаться. Когда лёд растает, вода начнёт нагреваться; после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.

- Из этих и подобных им простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

- Попробуйте сформулировать определение теплового равновесия.

формулируют

Работа с учебником

- Прочитайте это определение в учебнике на с. 162

Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические  параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

- Это означает, что в системе не меняется объём и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют  взаимные превращения газов, жидкостей, твёрдых тел.

- т.е. температура системы остается постоянной.

- Как вы думаете. А микроскопические процессы внутри тела прекращаются?

предположения

- Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии; меняется положение молекул, их скорости при столкновениях.

Температура.

- Система макроскопических тел может находиться в различных состояниях. В каждом из этих состояний температура имеет свое, строго определенное значение. Другие физические величины в состоянии теплового равновесия могут иметь разные значения, которые с течением времени не меняются. Так, например, объемы различных частей системы и давления внутри их при наличии твердых перегородок могут быть разными.

-Что произойдёт, если вы внесете с улицы мяч, наполненный сжатым воздухом?

спустя некоторое время температура воздуха в мяче и комнате выровняется. Давление же воздуха в мяче все равно будет больше комнатного.

слайд

- Так что же такое температура?

- На основании закона теплового равновесия Максвелл дал два определения температуры. Температура - это величина одинаковая у всех частей изолированной системы, находящаяся в состоянии теплового равновесия.
Температура, это физическая величина, показывающая количественное отклонение состояния данного тела от состояния теплового равновесия с эталоном.

Ответы.

- Прочитайте определение в учебнике на с.163

- Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Вывод учителя:

- При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена. Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. При этом тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой.

Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.

Измерение температуры. Термометры.

- Какими приборами мы пользуемся для измерения температуры?

термометрами

Слайд 2

Слайд 3

- Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т. д.

Демонстрация термометров.

1.  жидкостный термометр (ртуть – температура от -38˚С до 260˚С; глицерин – от – 50˚С до 100˚С).
2. Термопара ( температура от – 269˚С до 2300˚С
3. Термисторы: сопротивление зависит от температуры.
4. Газовые термометры.

- Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

Демонстрация спиртового и ртутного термометра.

Работа с раздаточным материалом.

- Возьмите в руки термометры, которые лежат у каждого из вас на столе.

- При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами. Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1 °С.

Берут, рассматривают

Работа с учебником

- Положите термометры, обратите внимание на рис. 140 на с. 163 учебника.

- Что изображено на рисунке?

Работа с учебником

Термометр.

- Термометр, аналогичный нашему.

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

- Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100 °С будут совпадать у всех термометров, но, скажем, 50 °С совпадать не будут.

- Первый прообраз термометра демонстрировал Г. Галилей в 1952г.

У термометра Галилея не было шкалы. Для того, чтобы ввести шкалу, прежде всего, необходимо установить постоянные точки с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве опорных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды. Впервые это предложил Х.Гюйгенс в 1655г.

- Самой употребляемой температурной шкалой в англоязычных странах до сих пор является шкала Фаренгейта. За 00 принимается смесь снега и нашатыря, а за 1000 –нормальная температура человеческого тела.

- Английский учёный Ч. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой Т=t+273.

10С=1К.

При Т=00К тепловое движение молекул прекращается.

- Какое же вещество выбрать для того, чтобы избавиться от этой зависимости?

ответы

Слайд6

- Было замечено, что в отличие от жидкостей все разреженные газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. По этой причине в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении. Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур. При ее установлении удается избавиться еще от одного существенного недостатка шкалы Цельсия — произвольности выбора начала отсчета, т. е. нулевой температуры. Ведь за начало отсчета вместо температуры таяния льда с тем же успехом можно было бы взять температуру кипения воды.

- Но об этом мы поговорим позже.

V. Закрепление

(3-4 мин).

- Каким термометром измеряется температура тела?

измерение температуры проводится спиртовым или ртутным термометром.

- Как вы думаете, существуют ли правила измерения температуры тела? Какие?

Да.

А) Тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром.

Б) Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела.

В) Показания термометра следует отсчитывать после наступления теплового равновесия.

- Можно ли измерить температуру капли горячей воды термометром? 

нет

- Так в чём же суть работы термометра?

В состояние теплового равновесия макроскопической системы:  

Осознание и осмысление учебной информации.

Итак, восстановим всю цепочку наших рассуждений.

- Сформулируйте тему урока, проанализировав новые для вас ключевые понятия.

- удалось ли нам доказать существование теплового равновесия экспериментально?

Температура. Тепловое равновесие.

Да. Достаточно обратить внимание на состояние жидкости в наших измерительных приборах, хотя на разных этапах проведения эксперимента уровни жидкостей были разными.

Первичное закрепление учебного материала.

1. Как измерить температуру тела муравья с помощью обычного термометра?
2. Существуют термометры, в которых используют воду. Почему такие водяные термометры неудобны для измерения температур, близких к температуре замерзания воды?

VII        Домашнее задание (1мин).

Слайд 7

- Домашнее задание я для вас подготовила в электронном варианте, поэтому зайдите на свою страничку и откройте файл  д/з.

- Домашнее задание состоит из 3 заданий:

1. ПРОВЕДИ ДОМАШНИЙ ОПЫТ

Возьмите три тазика с водой: один - с очень горячей, другой - с умеренно теплой, а третий - с очень холодной. Теперь ненадолго опустите левую руку в тазик с горячей водой, а правую - с холодной. Через пару минут извлеките руки из горячей и холодной воды и опустите их в тазик с теплой водой. Спросите каждую руку, что она "скажет" вам о температуре воды?

2. СДЕЛАЙ САМ:

Термометр.

Возьми маленький стеклянный пузырек (в таких пузырьках в аптеках продают, например, зеленку), пробку (лучше резиновую) и тоненькую прозрачную трубочку (можно взять пустой прозрачный стерженек от шариковой ручки).
Проделай отверстие в пробке и закрой пузырек. Набери в трубочку капельку подкрашенной воды и вставь стержень в пробку. Хорошенько загерметизируй щель между пробкой и стержнем. Термометр готов. Теперь необходимо отградуировать его, т.е. сделать измерительную шкалу.
Понятно, что при нагревании воздуха в пузырьке он будет расширяться, и капелька жидкости будет подниматься по трубочке вверх. Твоя задача отметить на стерженьке или прикрепленной к нему картонке деления, соответствующие разным температурам. Для градуировки можно взять еще один готовый термометр и опустить оба термометра в стакан с теплой водой. Показания термометров должны совпадать. Поэтому, если готовый термометр показывает температуру, например, 40 градусов, можете смело ставить отметинку 40 на стерженьке своего термометра в том месте, где находится капелька жидкости. Вода в стакане будет остывать, и ты сможешь таким образом разметить измерительную шкалу.
Можно сделать термометр, полностью заполнив его жидкостью.

А можно и иначе:

Проделай в крышке пластиковой бутылки отверстие и вставь   тонкую пластиковую  трубочку. Бутылку частично заполни водой и закрепи на стене. У свободного конца трубочки разметь температурную шкалу. Отградуировать шкалу можно с помощью обычного комнатного термометра.  При изменении температуры в комнате вода будет расширяться или сжиматься, и уровень воды в трубочке тоже  «поползет» по шкале. А можно и  посмотреть, как работает  термометр! 
Обхвати  бутылку  руками и погрей ее.  Что произошло с уровнем воды в трубочке?

3. ОТВЕТЬ НА ВОПРОСЫ.

VII.        Итог урока

- Находится ли в состоянии теплового равновесия воздух в жилой комнате?

- В сосуд с водой при О0 С положили кусок льда при О0С. Сосуд теплоизолирован. Будет ли лед плавиться или вода замерзать?

- Какую температуру покажет термометр в открытом космическом пространстве, в котором плотность вещества равна нулю?

- Обоснуйте важность существования теплового баланса.

- Оцените практическую значимость  нашего урока.

Слайд 8

- Какие понятия  вы сегодня повторили?

- С какими новыми понятиями вы познакомились?

Вывод учителя:

- Итак, мы рассмотрели тему «Температура», в процессе моего рассказа вы записывали наиболее важный материал в таблицу, т.о. у вас получился конспект урока по новому материалу.

-Проверим, что вы записали на уроке.

- Выставим оценки. Спасибо всем.