Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики (стр. 1 из 7)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования “Брестский государственный университет
имени А.С. Пушкина”
Кафедра методики преподавания физики и ОТД
Курсовая работа на тему:
«Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики»
Выполнил: студент 4 курса
физического факультета
специальность «Физика»
Шустик Р.М.
Проверил:
Брест, 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕПЛОВОЕДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ
2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
3. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
8. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ
9. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ
10. КИПЕНИЕ
11. КОНДЕНСАЦИЯ
12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
«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, тепловые двигатели.
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 теплоемкость вещества.
Определённые методические трудности возникают в связи с устаревшей терминологией. Основные термины — «теплота», «количество теплоты», «теплоемкость», «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.
1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛ
Приступая к изучению темы, необходимо повторить и уточнить с учащимися основные положения молекулярно-кинетической теории, поскольку на них придется опираться при изучении всего раздела. При повторении необходимо остановиться на особенностях движения частиц, из которых состоят газообразные, жидкие и твердые тела. Учащиеся вспоминают, что микрочастицы (молекулы) находятся в непрерывном движении. Молекулы газа, например, движутся по прямой линии, сталкиваясь, они изменяют скорость и направление своего движения и вновь продолжают движение до следующего соударения. Движение молекул беспорядочно. Такое движение получило название теплового движения.
Напоминают также учащимся, что скорость движения частиц связана с температурой тела: чем быстрее движутся частицы, тем более нагретым оказывается тело.
Связь скорости движения частиц с температурой тела можно продемонстрировать при наблюдении следующего опыта. Кристаллизатор разделяют водонепроницаемой перегородкой (пластилин) на две части. В одну половину кристаллизатора наливают горячую воду, в другую — холодную. Наличие пара с поверхности горячей воды свидетельствует о более высокой температуре. Одновременно в воду опускают одинаковые по размеру кусочки кровяной соли (гексациано феррата калия). Опытнаблюдается в проекции (рис. 20.1), он доказывает, чем выше температура, тем скорость диффузии больше. Значит, тем быстрее движутся частицы.
На основе понятия о тепловом движении переходят к уточнению понятия температуры.
Научное определение температуры требует введения понятия теплового равновесия, установления эмпирической шкалы температур, выбора термометрического тела и температурного признака. Данные понятия будут введены только в X классе. В VIII классе достаточно, если учащиеся воспримут понятие температуры как «степени нагретости тела» познакомятся с устройством и принципом действия жидкостных термометров и научатся измерять ими температуру.
Принцип действия термометра, основанного на тепловом расширении, удобно пояснить на опыте с прибором, изображенном на рисунке 20.2. Подогревая колбу помещенную в сосуд с горячей водой, показывают, что чем дольше подогревается вода в колбе, тем выше уровень столбика воды в трубке. Если жидкость в колбе имеет температуру окружающей среды, то по высоте столбика можно также судить и о температуре этой среды (воздуха, воды).
На уроке следует рассмотреть лабораторный и медицинский термометры.
Учащихся необходимо познакомить со следующими правилами измерения температуры: каждый термометр предназначен для измерения температуры лишь в определенных пределах; нельзя пользоваться термометром, если измеряемая температура может оказаться ниже или выше установленных для данного термометра предельных значений; отсчет по термометру надо производить спустя некоторое время, в течение которого он принимает температуру среды; при измерении температуры термометр (кроме медицинского) не должен извлекаться из среды, температуру которой определяют; глаз наблюдателя должен находиться на уровне верхнего конца столбика жидкости, наполняющей термометр.
Полезно сообщить некоторые значения температур, встречающихся в природе и технике. Различные млекопитающие имеют нормальную температуру от 35 до 40,5 °С; температура здорового человека 36—37 °С; температура птиц 39,5—44 °С. Наиболее высокая температура воздуха на Земле (58 °С) зарегистрирована в Триполи, а наиболее низкая (—88,3 °С) — в Антарктиде. Вольфрамовая нить накала газонаполненной лампы нагревается током до 2525 °С, а температура поверхности Солнца около 6000 °С.
В демонстрационных опытах наряду с жидкостным термометром можно использовать и электрический, поскольку жидкостный демонстрационный термометр имеет существенный недостаток: он обладает сравнительно большой теплоемкостью и тепловой инерцией (время измерения 1 —1,5 мин, объем жидкости не менее 200 см3).
Промышленность выпускает для школ электрический термометр, датчиком которого является термистор, присоединяемый к измерительному мосту с демонстрационным гальванометром. Электрический термометр можно изготовить своими силами.
Так как учащиеся VIII класса незнакомы с физическими явлениями, которые используются в электрическом термометре, то будет достаточно, если учитель объяснит им принцип градуировки прибора и, измеряя, например, температуру воды электрическим и жидкостным термометрами, убедит учащихся в возможности измерения таким прибором температуры тел.
Для тренировки учеников в отсчетах по шкалам термометров полезно провести со всем классом упражнения с демонстрационной моделью, имеющей набор различных шкал (рис. 20.3).
2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
В современных курсах физики, содержание понятия «внутренняя энергия» раскрывается следующим образом: «В зависимости от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело, внутреннюю энергию можно разбить на следующие составные части:
а) кинетическую энергию хаотического движения молекул (поступательного и вращательного);
б) потенциальную энергию, обусловленную силами межмолекулярного взаимодействия;
в) кинетическую и потенциальную энергию колебательного движения атомов и молекул;
г) энергию электронных оболочек атомов и ионов, а также внутриядерную энергию».
В VIII классе будет достаточным, если учащиеся усвоят, что энергия хаотического движения молекул (молекулярно-кинетическая) и энергия взаимодействия молекул (молекулярно-потенциальная) являются частью внутренней энергии тела. Такой подход правомерен и с научной точки зрения, так как тепловые явления, изучаемые в школе, протекают в пределах среднего температурного диапазона, при котором изменение внутренней энергии тел связано главным образом с изменением кинетической и потенциальной энергии молекул.
В ознакомительном плане можно также сказать, как это сделано в учебнике для VIII класса, что к внутренней энергии относится также атомная энергия, понятие о которой учащиеся получат при изучении электричества.
Приступая к формированию понятия внутренней энергии и способах ее изменения, необходимо предложить учащимся вспомнить, что они знают о механической энергии и внутреннем строении тел.
Здесь важно уточнить понимание учащимися следующих вопросов: «В каком случае о телах говорят, что они обладают энергией?», «Какие виды механической энергии различают?», «Какие тела обладают кинетической энергией и от чего она зависит?», «От чего зависит потенциальная энергия тел?». Понимание этих вопросов поможет школьникам при изучении внутренней энергии не путать ее с механической энергией.