Творческие работы учащихся

Cоревнование юных исследователей

«Ступенька в будущее»

Теплоемкость веществ, или как сварить яйцо в бумажной кастрюле

Автор: Морозов Михаил Андреевич

МБОУ СОШ № 4, 8 «А» класс

Руководитель: Сиваш Татьяна Петровна

учитель физики МБОУ СОШ № 4

2019 год

Содержание

Стр.

1. Актуальность проблемы                                3

2.Цель, задачи исследования                                                              3

3. Исследовательская деятельность4  

- Удельная теплоёмкость                                                        4

- Удельная теплоемкость воды5

- Практическая работа7

5. Заключение                                                                        8

6. Литература                                                                9

7. Приложения                                                                10

Актуальность проблемы.

Один очень умный человек сказал: «Без физики нам не прожить!». Это значит, что во всех сферах жизнедеятельности человека мы сталкиваемся с проявлениями физики в той или иной форме. Везде и всегда. Казалось бы, ну какое отношение имеет физика к походам или путешествиям. Иногда случаются критические ситуации, когда человек может остаться без своего снаряжения, пригодного для кипячения воды. Можно ли вскипятить воду в «бумажной кастрюле», так как бумажная коробка, например, от молока или сокаможет остаться?  Фольги, бутылок, банок может и не быть.

Возможно, ли сварить яйцо в воде, налитой в бумажный стакан? Затея кажется абсурдной, ведь бумага сразу загорится, и вода зальет пламя. Но проделав, мы убедились, что бумага нисколько не пострадает от огня. Бумага не загорается, если даже пламя лижет ее. В чем же секрет? Почему же бумажный стаканчик без воды сгорает, а с водой нет?

Гипотеза исследования:

Можно ли вскипятить воду в «бумажной кастрюле»?

Цели проекта.

Цели проекта:

1.  Изучение теплоемкости веществ;

2. Проведение эксперимента для подтверждения или опровержения гипотезы.

Задачи проекта.

Задачи проекта:

1. Изучить теоретический материал (удельную теплоемкость веществ; теплоемкость воды);
2. Собрать экспериментальную установку;
3. Провести эксперимент;
4. Предоставить результаты исследования на школьной научно-практической конференции;  

Предмет исследования: удельная теплоемкость.

Удельная теплоёмкость.

Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ, но имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты. К примеру, для нагревания серебра массой 1 кг на 1 0 необходимо количество теплоты, равное 250 Дж, а если нагревать 1 кг цинка -  потребуется всего 400 Дж. 

Удельная теплоёмкость (с) — это физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу. Удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1кг вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.

В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм на кельвин, Дж/(кг·К). Иногда используются и внесистемные единицы: калория/(кг·°C) и т. д.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры.

Формула расчёта удельной теплоёмкости:

с =

где c — удельная теплоёмкость,

Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении),

m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества,

ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, разная.

Удельная теплоемкость воды

При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды в жидком состоянии равна 4183 Дж/(кг·град). Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1°, достаточно, чтобы нагреть на 1° 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Как уже было сказано, что удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному килограмму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H2O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H2O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. Во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H2O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от 0 °С до 37 °С и снова растёт при дальнейшем нагревании.

В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно.

Из-за высокой удельной теплоёмкости воду широко используют в технике и быту. Например, в системе водяного отопления домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, в медицине (в грелках) и др.

Именно благодаря высокой удельной теплоёмкости вода является одним из лучших средств для борьбы с огнём. Соприкасаясь с пламенем, она моментально превращается в пар, отнимая большое количество теплоты у горящего предмета.

Практическая работа

Оборудование: штатив с муфтой, лапкой и кольцом, тигель, спирт, 2 бумажных стаканчика, яйцо куриное, спички, сосуд с водой, ложка.

Установка для проведения эксперимента состоит из штатива, на основании которого находится тигель с топливом. На штативе с помощью муфты закреплено кольцо, на котором располагается «бумажная кастрюля». В качестве «бумажной кастрюли» используется бумажный стаканчик объемом 0,2 л и средним диаметром 8 см. Расстояние между фитилем и дном стакана должно составлять примерно 2 см.

Порядок выполнения

1. Подготовили материал и оборудование для проведения опыта.
2. Нагревали пустой бумажный стаканчик на открытом огне.
3. Налили в бумажный стаканчик 100 мл воды комнатной температуры.
4. Положили в воду сырое куриное яйцо и начали нагревать.
5.  Наблюдали за изменением температуры воды (над водой образовался пар, что свидетельствует о повышении ее температуры). Через несколько минут вода закипела.
6. Варили яйцо в течение 5 минут.
7. Достали яйцо и убедились в том, что оно сварилось.
8. Сделали вывод.

Вывод. Температура, при которой закипает вода, меньше температуры при которой загорается бумага. Следовательно, вода закипела в бумажном стакане и яйцо сварилось.

Заключение

Гипотеза подтвердилась – вода закипела в «бумажной кастрюле». Причина в том, что вода может быть нагрета в открытом сосуде только до температуры ее кипения, т.е. до 100°С.

Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому все тепло, которое получает бумага от пламени, вода забирает себе.

Таким образом, вода поглощает избыток теплоты бумаги, не дает ей нагреться заметно выше 100°, т. е. настолько, чтобы она могла воспламениться. Бумага воспламеняется только при достижении температуры приблизительно 450 °С. А у воздуха теплопроводность очень низкая, поэтому он не забирает тепло от бумаги. В результате чего бумага нагревается от огня до высокой температуры и воспламеняется. К тому же роду явлений относится и печальный опыт, который невольно проделывают рассеянные люди, ставящие чайник или кастрюлю без воды: дно прогорает. Причина понятна: температура пламени огромна (около 1000 °С), и только тесное соседство воды спасает его от опасного повышения температуры.

При выполнении этой исследовательской работы я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и лучше стал в ней разбираться. Моя работа доступна людям всех возрастов и для решения многих задач достаточно знаний школьного курса физики.

Литература

1. Пёрышкин, А. В. Физика. 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа.
2.  «Занимательная Физика» Перельман Я.И.
3. https://ru.wikipedia.org
4. http://infotables.ru

Приложение.

Приложение 1

Удельная теплоёмкость некоторых веществ

Приложение 2

Правила техники безопасности в кабинете физики

До начала работы

1. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.

2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.

Во время работы

1. Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания учителя.

2. Не оставляйте рабочее место без разрешения учителя.

3. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.

4. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

5.  При работе со стеклянным оборудованием (колбы, стаканы, термометры и др.) соблюдайте осторожность, располагайте их на рабочем месте так, чтобы не разбить их и не уронить со стола.

6. Остерегайтесь ожогов горячей водой.

7.Если сосуд разбит в процессе работы, уберите со стола осколки не руками или тряпкой, а сметите щёткой в совок.

8.При работе с жидкими веществами не пробуйте их на вкус, не разбрызгивайте и не разливайте.

9. Если вода попадёт на стол, тетрадь, книгу – сразу попросите тряпку и вытрите потёки.

10. При работе с термометром будьте осторожны, не сжимайте его крепко в руках при измерении температуры жидкости, не касайтесь им краев посуды.

11. Не встряхивайте термометр, не задевайте им о какие-нибудь предметы. После измерения сразу верните термометр в предназначенный для него футляр.

12. Остерегайтесь ожогов от горячего тела. Переносите его в калориметр пинцетом или при помощи, привязанной к нему нитки.

13. Не берите гири пальцами, только пинцетом. Помните, что разновес (гири) должны находиться либо в своих гнездах в предназначенном для них футляре, либо на правой чашке весов и нигде больше.

14. Не роняйте гирьки с высоты, осторожно укладывайте их на правую чашку весов или в гнездо футляра. Так же осторожно кладите на левую чашку весов взвешиваемое тело, убедившись, что на нем нет влаги.

15. Берегите оборудование и используйте его по назначению.

16.  При получении травмы обратитесь к учителю.

После окончания работы

1.Тщательно вымойте руки с мылом.

2. Соблюдайте правила личной гигиены. При неопрятном состоянии рук под ногтями могут скапливаться вреднодействующие вещества, которые при попадании с пищей в организм приводят к отравлению.

Приложение 3

Отличие варёного яйца от сырого

Варёное яйцо представляет собой единое твёрдое тело, поэтому оно сразу же начинает вращаться и долго сохраняет движение. У сырого же яйца — твёрдая только скорлупа. Содержимое его — жидкое. Когда начинаешь крутить сырое яйцо, то не сразу начнёт двигаться его жидкое содержимое: оно почти не связано с оболочкой. Такое яйцо хуже крутится и быстро останавливается.

Приложение 4                                                        Приложение 5

Приложение 6                                                        Приложение 7

Приложение 8                        Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Полет Вини-Пуха на воздушном шарике – сказка или реальность?

Исследовательская работа

Подготовила:

Мосейкова Екатерина,

ученица 7-а класса

муниципального бюджетного              

общеобразовательного    

учреждения СОШ №26

Сургут, 2016

Аннотация………………………………………………………………………….…2

Введение………………………………………………………………………………3

Основная часть……………………………………………………….…………….…4

1. Узнаем больше о законе Архимеда…………………………….………..…..4
2. Воздухоплавание…………………………….………………………………..5
3.  Мог ли Вини-Пух летать на воздушном шарике? ………………………....6

Заключение………………………………………………………….………………...9

5. Список источников и использованной литературы …………………………….10

Аннотация

Одной из основных концепций современного школьного образования считается умение пробудить в детях интерес к предмету, стремление постичь его законы и применить их в жизни, а не заставлять зазубривать основные формулировки и формулы как, это было раньше. Изучение физических законов, явлений должно проходить через практическое применение. Опыт, проведенный учеником, эксперимент, поставленный самостоятельно, имеет более важное значение, чем теоретическое изучение этого же процесса.

Проектирование ставит ученика в активную позицию деятельного субъекта, поскольку именно он сам генерирует идеи, инициирует деятельность, реализует свои творческие замыслы. А деятельность в свою очередь формирует мышление, умения, способности, характер, качества личности, багаж знаний, межличностные отношения.

В основу этого проекта положен мультфильм "Винни-Пух" по сказке А. Милна (Винни-Пух и Пятачок идут за медом к дереву с пчёлами).

Проект реализуется учащимися 7 класса при изучении темы “Сила Архимеда”.

Актуальность данного проекта обусловлена тем, что многие физические законы трудно объяснить, пользуясь лишь словесными описаниями, а эксперимент является наглядным средством обучения. Знания усваиваются лишь тогда, когда ученик получает их через опыт. Опыт есть критерий истины.

1. Введение

С давних времен люди мечтали о возможности летать над облаками, плавать в воздушном океане, как они плавали в море.

В детстве я читала повести о Вини - Пухе, автором которых является английский писатель Алан Александр Милн. Меня очень заинтересовало«Мог ли на самом деле Винни Пух летать на воздушном шарике, так же как он это делал в своем сказочном мире?» и поэтому я решила провести это исследование.

Цель исследования: Проверить условия воздухоплавания; исследовать, мог ли действительно Вини – Пух летать на воздушном шарике; установить экспериментально подъёмную силу воздушного шарика, наполненного гелием.

Задачи исследовательской работы:

• Изучение теоретических основ воздухоплавания.
• Подготовка оборудования.
• Проведение эксперимента.
• Анализ результатов.
• Подготовка отчета и защита проекта.

Объекты исследования:Архимедова сила

Предмет исследования:воздушный шарик, наполненный гелием

Методы: сравнительно-аналитический, частично- поисковый, анализ, синтез.

"Что кажется нам чудом, на самом деле таковым не является!"

Симон Стевин

1. Узнаем больше о законе Архимеда.

В первой части мы рассмотрели, что зависимость давления в жидкости или газе от глубины погружения тела приводит к появлению выталкивающей силы (или иначе силы Архимеда), действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ.

        Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести, поэтому вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме. Величина Архимедовой силы определяется по закону Архимеда.FА= g pЖ VТ

Закон назван в честь древнегреческого ученого Архимеда, жившего в 3 веке до нашей эры.

Открытие основного закона гидростатики - крупнейшее завоевание античной науки.
        Закон Архимеда, впервые был упомянут им в трактате " О плавающих телах". Архимед писал: " тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела». Еще одна формула для определения Архимедовой силы: FА= g mЖ =РЖ
Интересно,  что сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.
        Вес тела в вакууме P0=mg.
Если тело погружено в жидкость или газ, то P = P0 – FА = Р0 – PЖ
Вес тела, погруженного в жидкость или газ, уменьшается на величину выталкивающей силы, действующей на тело. Или иначе: Тело, погруженное в жидкость или газ, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

2. Воздухоплавание

На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле, умножив ускорение свободного падения на плотность воздуха и на объем тела.

FА= g pЖVТ

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух.

Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.

Fпод = FА- (Fтоболочки + Fтгаза внутри + Fт груза)

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий.

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше. 
После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится. Чтобы подняться еще выше, с шара сбрасывают балласт. При этом сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается вновь большей.

Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхней части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить воздушный шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе Архимеда, то шар " повиснет" в воздухе.

3. Практическая часть

                                Мог ли Вини-Пух летать на воздушном шарике?

Во второй части мы провела эксперимент по определению подъёмной силы воздушного шарика. Рассчитали сколько необходимо воздушных шариков, чтобы поднять нашего Винни-Пуха массой 250г.

Для проведения эксперимента мы использовали оборудование: шарик наполненный гелием, весы электронные, линейка ученическая, игрушка.

                Подъемная сила воздушного шара равна разности между силой Архимеда и действующей на шар силой тяжести.

Fпод = FА -  (Fтоболочки + Fтгаза внутри + Fт груза)

В ходе эксперимента:

1. Определили силу Архимеда, действующая на шарик:

FА = ρ (воздух).g.V, где

p(воздух) - плотность воздуха,

V - объём шарика,

 g - ускорение свободного падения.

3.1Объём шарика: V=4/3πR3         

π = 3,14

R=27см=0,27м

V=4/3. ,3,14.(0,27м)3=0,01м3

3.2.                Сила Архимеда: FА = 1,29 кг/м2. 9,8Н/кг.0,01м3

FА=0,049Н

3.3.       Сила тяжести, действующая на оболочку шарика: Fт.об = m ,g

m – масса оболочки шарика;

   m = 0,96г = 0,00096кг

                  Fт.об = 9,8Н/кг 0,00096кг=0,0096Н

3.4.Сила тяжести, действующая на газ (гелий)в шарике: Fтгаза внутри = m ,g = ρ (Не),g V

 Fт = 9,8Н/кг.0,18кг/м3.0,01м3

Fт =0,018Н

Плотности возьмём из таблицы:

ρ(He) = 0,18 кг/м3

ρ(воздух) = 1,29 кг/м3

3.5.Определили подъёмную силу одного шарика:

Fпод = FА– (Fтоболочки + Fтгаза внутри )

Fпод = 0,049Н– (0,0096Н +0,018Н) =0,02 Н

Вывод: в ходе эксперимента установили, что подъёмная сила одного шарика, наполненного гелием равна приблизительно 0,02Н, то есть один шарик может поднять груз массой 2г

m = F/ g

3.6.Сколько шариков необходимо, чтобы поднять груз массой 250 г? Чтобы определить количество шариков необходимых для поднятия груза массой 250г, необходимо массу груза разделить на подъёмную силу одного шарика.

N = 250 г/2г

N = 125

Вывод: для подъёма Вини-Пуха массой 250 грамм необходимо использовать приблизительно 125 гелиевых шариков.

Заключение

                Для того, чтобы дать ответ на вопрос, мог ли Вини-Пух подняться на воздушном шарике, мы использовали воздушный шарик, наполненный гелием. Экспериментально установили, что стандартный воздушный шарик диаметром 27 сантиметров может поднять груз массой 1-2 грамма.  Масса нашего Вини-Пуха 250 грамм и поэтому, для его подъёма необходимо использовать приблизительно 125 гелиевых шариков.

                По результатам эксперимента мы убедились, что Вини-Пух не мог подняться за медом лишь на одном воздушном шарике.

Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 класс: учебник / А.В.Перышкин  – 4-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2015. – 224, с.: ил.
2. Сайт http://class-fizika.narod.ru/7_vosdplav.htm
3. Сайт http://videoblock.info/article/38/vini-pukh
4. Сайт http://poradumo.pp.ua/svoimu-rukamu/32914-yak-zrobiti-povtryana-kulya.html
5. Сайт http://www.livemaster.ru/item/1275531-kukly-igrushki-vinni-puh
6. Сайт https://www.youtube.com/watch?v=0mDx5CMLd4k