Урок "Розв'язування задач з теми "Рівняння теплового балансу""

Рівняння теплового балансу

Урок розв’язування задач

Усе людське пізнання –

це не що інше,

як постійна постановка і

розв’язування все нових задач.

Е. Ільєнков

Мета: з’ясувати зміст рівняння теплового балансу, навчити учнів складати рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів та розв’язувати його, формувати математичну та інформаційно-комунікаційну компетентності; виховувати ціннісне ставлення до фізичних знань; розвивати логічне мислення, пам’ять та увагу

Основні поняття: внутрішня енергія, кількість теплоти, тепловий баланс.

Обладнання: калориметр, термометр, мензурка, дві посудини з водою різної температури, таблиця питомих теплоємностей речовин; ноутбук, телевізор, комп’ютер, презентація MS PowerPoint.

Тип уроку: комбінований урок.

Хід уроку

І. Розминка

Аналіз і обговорення епіграфу до уроку.[Слайд №1]

Оберіть, будь ласка, ту картку, яка на даний момент відповідає вашому настрою. Червона картка означає тривожний стан, жовта — спокійний і рівний, а картка зеленого кольору – гармонійний, комфортний стан.

ІІ. Актуалізація опорних знань

Гра «Морський бій».

Учень першого ряду називає комірку, наприклад А1(рис. 1), учитель відкриває відповідний слайд (рис. 1а-1з), на якому зазначене запитання, на яке необхідно дати відповідь. Потім черга переходить до учня другого ряду і алгоритм гри повторюється.                      Рис. 1

Рис. 1а                                    Рис. 1б                                    Рис. 1в

Рис. 1г                                    Рис. 1д                                    Рис. 1е

 Рис. 1є                                    Рис. 1ж                                    Рис. 1з

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності, оголошення теми, мети

Усі явища в природі відбуваються згідно закону збереження енергії. Цей закон справджується і для теплових процесів. Математичний вираз закону збереження енергії в процесі теплопередачі є рівняння теплового балансу.

ІV. Сприйняття та засвоєння навчального матеріалу.

Уявіть систему тіл, яка не одержує і не віддає енергію (таку систему називають ізольованою), а зменшення або збільшення внутрішньої енергії тіл системи відбувається лише внаслідок теплопередачі між тілами цієї системи. У такому випадку на підставі закону збереження енергії можна стверджувати: скільки теплоти віддадуть одні тіла системи, стільки ж теплоти одержать інші тіла цієї системи[4]. Ця умова називається тепловим балансом. Математичний вираз, яким записується умова теплового балансу, називається рівнянням теплового балансу[2].

V. Осмислення об’єктивних зв’язків.

Клас поділяється на групи. Кожна група виконує завдання, потім презентує виконане завдання перед усім класом.

Група №1.

Учням роздається умова задачі. Учні розвʼязують задачу із застосуванням ноутбуків або стаціонарних компʼютерів графічним методом з використанням редактора електронних таблиць Excel[1]. Результат виводиться за допомогою ноутбука на екран телевізора.

Задача. Змішали 39 кг води за 20°С і 21 кг гарячої води при 60°С. Визначити температуру суміші.

Розвʼязування.

Рівняння теплового балансу може мати вигляд такого простого твердження: "Під час теплообміну у замкнутій ізольованій системі сумарна кількість теплоти, відданої одними тілами, завжди дорівнює (за модулем) сумарній кількості теплоти, отриманої іншими". В задачі визначаємо два теплових процеси:

1. Q₁=c_вm₁(t-t₁) – кількість теплоти, яку отримує вода під час нагрівання від  20 °С до t.
2. Q₂=c_вm₂(t₂-t) – кількість теплоти, яку віддає вода під час охолодження від 60 °С до t.

Рівняння теплового балансу має вигляд: Q₁= Q₂.

Складання таблиці необхідно розпочати із внесення сталих величин та  температур, які задані умовою задачі.

У третьому стовпчику вводимо температуру від 20 до 40°С з кроком 1°С. В останніх двох стовпцях вводимо формули для Q₁ та Q₂. Фрагмент таблиці зображено на рис.2.

Рис. 2 Фрагмент розвʼязку задачі.

Складена таблиця дає можливість побудувати графіки залежності кількості теплоти відданих та отриманих тілами в ізольованій системі (рис. 3).

Рис. 3.  Графіки залежності кількості теплоти відданих та отриманих тілами в ізольованій системі.

Бачимо, що два графіки перетнулися у точці, що відповідає рівноважній температурі. Отже, вода охолодиться до температури 34 °С.

Відповідь: 34 °С.

Група №2.

Розрахункова задача

Металеву кулю масою 900 г, нагріту до 155 °С, опустили в посудину з 3 л води, температура якої була 10 °С. У результаті теплообміну встановилася температура 15 °С. З якого металу виготовлена куля? Нагріванням посудини знехтувати[3].

            c₁-?                              Пошук математичної моделі, розв’язання

m₁=900г=0,9кг              Визначимо кількість теплових процесів внаслідок

t₁=155°С                     теплообміну:

V=3л=0,003м³               1) охолодження металевої кулі: (1).

t₂=10°С                           Процес із виділенням теплоти.

t=15°С                        2) нагрівання води: , де . Отже,

c₂=4200 Дж/(кг·°С)        (2). Процес із поглинанням теплоти.

ρ=1000 кг/м³                  Складемо рівняння теплового балансу: (3).

                                        Підставимо (1), (2) в (3): .

Із останнього виразу: .

Обчислимо: .

За таблицею визначаємо, що таку питому теплоємність має сталь.

Відповідь: сталь.

Група №3.

Експериментальна задача

Експериментально перевірити виконання рівняння теплового балансу. Обчислити і порівняти кількості теплоти, яку отримує холодна вода та віддає гаряча вода.

Обладнання: калориметр, термометр, мензурка, дві посудин из водою різної температури, таблиця питомих теплоємностей речовин.

Перед проведенням експерименту, учні повинні пройти інструктаж з безпеки життєдіяльності.

Хід експерименту

1. за допомогою мензурки виміряти об’єм та визначити масу холодної води, яку після цього перелити в калориметр;
2. виміряти термометром початкову температуру холодної води;
3. виміряти об’єм та визначити масу гарячої води, налитої вчителем у мензурку;
4. виміряти термометром температуру гарячої води безпосередньо перед змішуванням із холодною водою і перелити гарячу воду в калориметр;
5. виміряти температуру суміші після встановлення теплової рівноваги;
6. обчислити кількість теплоти, яку отримала холодна і віддала гаряча вода;
7. порівняти кількості теплотиі вказати основні причини можливих розбіжностей отриманих значень.

Група №4.

В алюмінієвий калориметр (мал. 3) вилили воду з вимірювального циліндра (мал. 1) і виміряли її температуру (мал. 2). Воду з мензурки (мал. 5), яку попередньо підігріли (мал. 6), теж вилили в калориметр. Термометр зафіксував температуру теплової рівноваги.  (мал. 4). Визначте: 1) яку кількість теплоти віддала гаряча вода? 2) яку кількість теплоти одержали калориметр і холодна вода? Порівняйте отримані кількості теплоти і зробіть висновки. Чи можна в даному досліді нехтувати теплоємністю калориметра?                    Рис. 4

VI. Рефлексія

Учитель пропонує учням кожної групи узагальнити набуті знання методом «Прес». Діти один за одним будують і проголошують заключне положення до заняття за схемою:

1. Я вважаю, що…
2. …Тому, що…
3. …Наприклад…
4. Отже, таким чином…

VII. Підсумки уроку

Оберіть, будь ласка, ту картку, яка на даний момент відповідає вашому настрою. Червона картка означає тривожний стан, жовта — спокійний і рівний, а картка зеленого кольору – гармонійний, комфортний стан.

Учитель з коментарями виставляє учням оцінки. Робить висновки щодо поставленої мети та завдань уроку.

VIIІ. Домашнє завдання

1. Опрацювати § 12 підручника [4].
2. Виконати вправу 12 (задачі №2,3)[4].
3. Експериментальне завдання (стор. 39)[4].

Використана література:

1. Антікуз Є. В. Розв'язання  графічних завдань з фізики за допомогою табличного редактора MS Excel// Фізика в школах України, 2007. – №8(84). – С. 25-27
2. Лук’янова С. Кількість теплоти. Рівняння теплового балансу // Шкільний світ, 2009. - №11(383). – с. 4,5
3. Татарчук Н.В. Фізика. 8 клас: Навч. посібник. – Х.: країна мрій, 2002. – 168 с.
4. Фізика : підруч. для 8 кл. загальноосвіт. навч. закл. / [В.Г.Бар’яхтар, Ф.Я.Божинова, С.О.Довгий, О.О.Кірюхіна]; за ред. В.Г.Бар’яхтара, С.О.Довгого. – Х.: Вид-во «Ранок», 2016. – 240 с. : іл.,фот.