Урок "Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. Теплопередача в природе и технике"

Дата    _________    Класс 8                                          Урок № 6                 .

 

Тема урока: Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопередача в природе и технике.

Цель:

1. ознакомить учащихся с видами теплообмена; научить их объяснять тепловые явления на основании молекулярно-кинетической теории. показать способы передачи теплоты и исследовать их закономерности.
2. развитие научного мышления учащихся, познавательных и творческих способностей, любознательности и интереса к явлениям природы, осознанных мотивов учения; развивать интеллектуальные умения: наблюдать, сравнивать, делать выводы, выявлять закономерности, анализ.
3. воспитание ответственности, научной и экологической культуры, понимания социальной роли физической науки.

Оборудование: дерево (спичка), железный гвоздь, пробирка с водой, спиртовка, трубка с водой для демонстрации конвекции в жидкости; теплоприемник, жидкостный манометр.

 

Демонстрации: перемещение тепла по спицам из различных металл и вращение вертушки над горящей лампой; нагревание раствора медного купороса в колбе; взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Тип урока: изучение нового материала

Метод обучения: словесный, практический

Модули: ИКТ, диалоговое обучение, учет возрастных особенностей, лидерство в обучении, работа с талантливыми и одаренными, оценивание для бучения и оценивание обучения, критическое мышление.

Ход урока.

1. Организационный момент.
2. Повторение. Проверка домашнего задания

Прежде чем приступить к изучению новой темы, вспомним то, что мы уже знаем, и ответим на вопросы.

1. Что такое внутренняя энергия?

2. В каких единицах измеряется внутренняя энергия тел?

3. Назовите способы изменения внутренней энергии тел?

4. Почему и как изменяется внутренняя энергия пилы при распиливании бревна.

5 Почему и как изменяется внутренняя энергия продуктов, положенных в холодильник?

6. Мука из – под жернов выходит горячей, хлеб из печи вынимают тоже горячий. Укажите способы изменения внутренней энергии муки и хлеба.

7. В медицинской практике часто используются согревающиеся компрессы, грелки, а также массаж. Какие способы изменения внутренней энергии при этом используются.

8. Что такое теплопередача?

9. Приведите примеры теплопередачи из окружающей жизни.

Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

Ответ: Совершая механическую работу или теплопередачей.

Расскажите о процессе нагревания металлической ложки, погруженной в горячую воду.

Ответ: Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц ложки. Молекулы воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц ложки будет увеличиваться. Температура воды уменьшиться, а температура ложки – увеличится. Через определенное время их температуры сравняются.

Какой процесс называют теплопередачей?

Ответ: Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Приведите примеры увеличения (уменьшения) внутренней энергии тела при совершении над ним (или этим телом над другими телами) механической работы.

Ответ: При деформации тел (ударах, сгибании, разгибании, сжатии и т. д.) их внутренняя энергия увеличивается. Сжатый газ совершает работу, выталкивая пробку из сосуда, при этом внутренняя энергия газа уменьшается.

В теплую комнату внесли с улицы бутыль, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка выскочила из бутыли. Почему?

Ответ: В теплой комнате температура воздуха, находящегося под пробкой, со временем увеличивается, при этом давление воздуха повышается и это приводит к выталкиванию пробки.

Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?

Ответ: Над телами совершается работа силы трения, при этом их внутренняя энергия увеличивается, а значит и температура тел повышается.

Объявление темы и целей урока.

На последнем уроке физики мы изучили способы изменения внутренней энергии: за счет совершения работы и теплопередачи. Сегодняшний урок посвящен исследованию закономерностей теплопередачи.

Тема урока: « Виды теплообмена».

Эпиграфом к нашей работе будут следующие слова:

Когда вы слушаете, вы забываете,

Когда вы видите, вы понимаете.

Когда вы действуете, вы научаетесь.

Сегодня на уроке мы должны применить полученные ранее знания для исследования закономерностей видов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.

Изучение нового материала

Объяснение нового материала.

Сегодня на уроке мы рассмотрим три способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение и исследуем их закономерности. Начнем с опыта.

Опыт (демонстрирует учитель). В пламя спиртовки вносим металлический стержень, к которому с помощью пластилина прикреплены кнопки. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки пластилин плавится. И кнопки постепенно отпадают от проволоки.

Вопрос: Какие кнопки отпадут в первую очередь? Как происходит передача энергии по проволоке?

Ответ: В первую очередь отпадут те кнопки, которые находятся ближе к пламеню. Происходит перенос энергии по проволоке от более нагретых частей к менее нагретым.

Процесс переноса от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящем к выравниванию температуры, носит название теплопроводности.

Вопрос: При теплопроводности перемещается ли само вещество вдоль тела? Ответ: При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела – переносится лишь энергия.

Исследование теплопроводности различных тел.

Приборы и материалы: дерево (спичка), железный гвоздь, пробирка с водой, спиртовка.

Опыт: (работа в группах) Выясним теплопроводность дерева (спички) и железа. Зажигаем спиртовку и в пламя вносим железный гвоздь и спичку и держим их до тех пор, пока пламя не коснется пальцев рук.

Вопрос: Что вы можете сказать о теплопроводности железа и дерева?

Ответ: Железо обладает хорошей теплопроводностью, так как оно мгновенно обжигает руки.

Вопрос: Назовите вещества, которые обладают хорошей теплопроводностью и где они находят свое применение?

Ответ: Хорошей теплопроводностью обладает медь. Поэтому она используется, например, при устройстве паяльников.

Вопрос: А как вы думаете, какую теплопроводность имеет воздух?

Для этого проделаем опыт (работа в группах). Сухую пробирку надеваем на палец и, держа ее донышком кверху, нагреваем в пламени спиртовки 1-2 минуты.

Вопрос: Что вы замечаете?

Ответ: Палец при этом не ощущает нагревания, значит, воздух имеет плохую теплопроводность.

Вопрос? Где находит применение плохой теплопроводности воздуха?

Ответ: Например, плохую теплопроводность воздуха используют в жилищах, когда рамы окон делают двойными.

Сохраняя тепло помещения, мы экономим топливные запасы, тем самым, сберегая газ, лес, торф и т. д..

Теплопроводность жидкостей меньше, чем теплопроводность металлов. В этом можно убедиться следующим образом.

Опыт: (работа в группах) В пламя спиртовки, вносим верхний конец пробирки, держа пробирку за нижний конец. На дне пробирки с помощью груза укрепляем кусочек льда. И нагреваем воду до кипения.

Вопрос: Что вы при этом замечаете?

Ответ: Верхний слой воды закипает, а нижний остается холодным (лед не тает).

Следовательно, вода является плохим проводником тепла.

Опыт. Нагреваем пробирку снизу, а кусочек льда помещаем на поверхность воды. Вода в пробирке закипает. Лед тает. Но вода не должна прогреваться, так как она плохой проводник теплоты. Показанный опыт и жизненная практика свидетельствуют об обратном.

Возникает проблема: почему при подогревании пробирки снизу закипает вся масса воды, а при нагревании сверху ее верхний слой? (формируется с помощью учащихся)

Мы видели, что теплопроводность воды мала и при нагревании верхнего слоя воды, нижний слой остаётся холодным. Однако воду в чайниках, кастрюлях, котлах довольно быстро доводят до кипения.

Вопрос: Как принято нагревать воду? Попробуйте объяснить, каким образом вода при этом прогревается равномерно.

Обратимся к опыту (демонстрирует учитель). Закрепим трубку с водой для демонстрации конвекции в жидкости так, чтобы под ее колено можно было поставить спиртовку. Введем краситель в нижнее колено трубки с помощью шприца. Нагреем нижнюю часть трубки (колено) спиртовкой и пронаблюдаем за движением окрашенной воды.

Ответ: Вверх начнут подниматься окрашенные струйки воды. Вода при этом расширяется, плотность её при этом уменьшается и поэтому под действием архимедовой силы более лёгкие, нагретые слои воды поднимаются вверх и таким образом вода окрашивается равномерно.

В воде теплопередача осуществляется за счет конвекции

 

Вопрос: Для чего батареи водяного отопления устанавливают под окнами, а не у потолка?

Ответ: Поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз.

Конвекция – это теплообмен в жидкостях и газообразных средах, осуществляемый потоками вещества.

Поэтому в твердых телах этот способ теплопередачи невозможен.

Различают естественную или свободную и вынужденную конвенцию, когда жидкость перемешивают насосом или мешалкой.

Вопрос: За счет каких сил происходит естественная конвекция?

Ответ: из - за различия температур в разных местах среды и вызванного этим различия плотностей.

Вопрос: где используется конвекция в быту?

Ответ: благодаря конвекции нагреваются жидкости на плите, обогреваются помещения. Конвекция лежит в основе возникновения таких явлений природы, как ветер, а также теплые и холодные течения воды в океанах. С явлением конвекции связаны парение птиц, столбы дыма из труб, охлаждение продуктов в холодильнике.

Опыт: (демонстрирует учитель). Возьмем теплоприемник- прибор, представляющий собой плоскую круглую пробку, одна сторона которой отполирована как зеркало, а другая покрыта чёрно- матовой краской. Внутри коробки находится воздух, который может выходить через отверстие в теплоприемнике. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром и поднесём к теплоприемнику сбоку электрическую плитку, нагретую до высокой температуры.

Вопрос что мы заметили?

Ответ: мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместился. Значит, воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился.

Вопрос: как передавалась энергия теплоприемнику от плитки?

Ответ: ясно, что не теплопроводностью, т.к. между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью.

При конвекции теплоприемник должен быть расположен над нагретым телом, а не рядом с ним.

Следовательно, энергия передавалась от нагретого тела теплоприемнику иным видом теплопередачи, излучением.

Излучение - передача теплоты между телами, обусловленная процессом испускания, переноса и поглощения лучистой энергии.

Вопрос: Чем отличается излучение от других видов теплопередачи? Ответ: передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что оно может осуществляться в полном вакууме.

Если теплоприемник повернуть к нагретому телу сначала черной, а потом блестящей стороной, то столбик жидкости в трубке манометра будет перемещаться в первом случае на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию и сильнее нагреваются. Оказывается, что тела с темной поверхностью и быстрее охлаждаются путем излучения. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном.

Вопрос: Где используется человеком способность тел по-разному поглощать энергию излучения?

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком. Послушаем сообщение (рассказ о разработках отечественными учеными специальных мер защиты летательных аппаратов: реактивных самолетов, искусственных спутников, космических ракет от перегрева под действием излучаемой Солнцем энергии); рассказать об эффективном использовании солнечной энергии в теплицах.

 

Работа в группах создание ментальных карт по теме: Виды теплопередачи.

Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двум способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Изменение внутренней энергии посредством теплообмена может производиться по-разному. Различают три вида теплообмена:

 

1. Теплообмен посредством теплопроводности.

Теплопроводность - такой тип теплообмена, когда тепло перемещаете от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Ставим опыт, который показывает что по разным материалам тепло перемещается с разной скоростью.

 

Для опыта необходимо взять два стержня одинаковой геометрии из меди и железа. На равных расстояниях по длине стержней укрепить кнопки на воске и свободные концы стержней начать нагревать от спиртовки Легко заметить, что первыми кнопки нач­нут падать с медного стержня. То есть тепло быстрее перемещается по медному стержню.

Можно провести и еще один опыт: на деревянный цилиндр накалывает­ся ряд кнопок, и цилиндр обертывается одним слоем бумаги (рис. 2). При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелки происходит не­равномерное обугливание бумаги.

Учитель задает вопрос:

- Почему бумага, прилегающая к кнопкам, обуглилась меньше?

Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содер­жании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемеща­ется. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие - плохие про­водники тепла. Это - различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теп­лопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

2. Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться (этот опыт проиллюстрирован в учебнике на с. 14). Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, по­этому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жид­кость.

На опыте по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены кристаллики медного купороса, мы замечаем голубые «змейки», которые поднимаются вверх.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это - длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении кон­векционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемеши­вание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности явля­ется то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не пе­реносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения - примеры конвекции.

3. Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают пе­ренос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело являет­ся источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в ва­кууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Если поставить опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике, мы можем убедиться в том, что от излучателя лучистая энергия попадает на теплоприемник, и нагретый в колене манометра воздух уве­личивает свое давление. Если темную мембрану теплоприемника заме­нить на зеркальную, то степень поглощения лучистой энергии станет за­метно меньше, что видно по малому перепаду уровней жидкости в коле­нах манометра.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отда­ют в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной темпе­ратуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Спо­собность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

Запись в тетради:

• Хорошей теплопроводностью обладают металлы, плохой теплопроводностью газы.
• В воде теплопередача осуществляется за счет конвекции
• Тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем со светлой.

 

Закрепление изученного материала.

1. А теперь… Кто хочет стать экспертом с завязанными глазами? Предлагаю при помощи пальцев определить, из какого материала изготовлены ложки, которые я одновременно опускаю в чашку с кипятком, и обосновать свое заключение.
2. Недавно я была в гостях. Хозяйка дома подошла к двери и впустила кошку. Посмотрев на кошку, я сказала: Погода на улице холодная. Как я это определила? (Ответ: по шерсти кошки. При холодной погоде шерсть становится особенно пушистой, чтобы в промежутках между ворсинками было больше воздуха. Ведь воздух плохой проводник тепла.).
3. Угощая нас блинами, хозяйка сказала: «Блины вкусны горячие, поэтому я ставлю тарелку с блинами на металлический поднос. Лучше ставить их на деревянную подставку», - посоветовала я. Кто из нас прав?

Физика за чайным столом.

1. Для чего ручки самовара делают пластмассовыми?
2. Почему чайник изготавливают зеркальным?
3. Почему, перед тем, как пить чай из стеклянного сосуда, стакана, в стакан опускают металлическую ложку?
4. Почему щи мы кушаем деревянной ложкой?
5. Почему у термоса стенки делают двойными и внутреннюю поверхность делают блестящей?
6. Игра третий лишний.

9.На рисунке изображены различные физические явления, приборы или установки. Два явления из трех логически связаны, а третий рисунок изображает явление, непосредственно не связанное с предыдущим. Задача ученика определить лишний рисунок в данном комплекте. Для того, чтобы определить какой из трех рисунков не относится к данной теме, ученик должен проанализировать все три явления.

Ответьте на следующие вопросы:

1. Почему вы обжигаете губы, когда пьёте чай одинаковой температуры из металлической кружки, и не обжигаете, когда пьёте чай из фарфоровой кружки?

Ответ. Металлическая кружка по сравнению с фарфоровой нагревается сильнее, вследствие высокой теплопроводности металла по сравнению с фарфором.

2. Почему ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы или дерева?

Ответ. Пластмасса и дерево имеют низкую теплопроводность. Такие ручки предохраняют руки человека от ожога.

3. Почему нагретая сковорода охлаждается в воде быстрее, чем на воздухе?

Ответ. Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух.

4. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?

Ответ. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждаются быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьшается, уменьшается и тяга.

5. Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?

Ответ. Батареи находятся ниже окон, для того, чтобы согревать холодный воздух, выходящий из окна. Благодаря конвекции теплый слой воздуха поднимается вверх и обогревается всё помещение.

6. Зачем самолёты красят «серебряной» краской?

Ответ. Для меньшего нагревания или охлаждения корпуса самолёта.

7. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?

Ответ. Темные тела лучше поглощают излучение Солнца и потому быстрее нагреваются.

8. Какой из изображенных чайников быстрее остынет?

Ответ. Быстрее остынет черный чайник, так как темные тела быстрее охлаждаются.

9. Посмотрите на рисунок. Почему одному мальчику жарко, а другому нет?

Ответ. Один из мальчиков одет в темную футболку, хорошо поглощающую солнечной энергии, и ему жарко. А другой одет в светлую футболку, которая плохо поглощает энергию Солнца.

10. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Ответ. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основания трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким образом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание §5-7 изучить, упр. №5 (1-5),                  №6 (1-3) выполнить

Придумайте свои проекты теплоизоляции двух зданий, одно из которых должно быть построено в тундре, а другое – в пустыне. На следующем занятии вы защитите свои проекты.

Рефлексия

Что нового, интересного вы узнали сегодня на уроке?

Какие понятия должны запомнить? Что понравилось на уроке? Почему? Что не понравилось?