Цель урока: исследовать теоретически и экспериментально явления нагревания и охлаждения, таким образом получить как можно больше информации об этих явлениях.

Задачи урока:

• Образовательные:
  • раскрыть прямую пропорциональную зависимость Q от c; m; t;
  • научиться читать и анализировать графики Q от t, мин. и t^o C от t, мин, а также построить график t^o C от t, мин. для охлаждения воды;
  • отработать основные этапы деятельности при использовании метода наблюдения;
  • выделить значение средств экспериментального исследования (приборов) в процессе познания;
  • начать работу по формированию исследовательского подхода при чтении, объяснении, построении графиков;
  • подчеркнуть межпредметные связи между математикой и физикой.
• Развивающие:
  • работать над формированием исследовательского подхода к изучаемым явлениям. Показать два вида исследовательской деятельности на уроке: теоретическое и экспериментальное исследование;
  • продолжить работу по формированию умений ставить цели перед началом работы и делать выводы по её окончанию;
  • формировать культуру эксперимента у учащихся;
  • учить детей задавать вопросы во время постановки опыта и его объяснении;
  • учить анализу, сравнению, обобщению, синтезу.
• Воспитательные:
  • показать значение причинно-следственных связей в познании явлений;
  • воспитывть коммуникативность при работе в группах.

Оборудование:

• Два штатива.
• 5 термометров.
• 4 стеклянных огнеупорных колбы.
• Сухое горючее.
• Спички.
• Чайник с горячей водой.
• Линейка и треугольник для работы на доске.
• Указка.
• Мензурка.
• 3 набора на стойках из картона для организации групповой работы (Приложение 2, Приложение 3).
• На каждого ученика лист с осями координат для графика.
• Инструкция по технике безопасности
• Описание техники проведения эксперимента, этапы, контрольные вопросы.
• Отдельно железное “плато” штатива.
• Два деревянных бруска.
• Подкрашенная (КМ_nO₄₎ вода.
• Экран фоновый.

I. Учитель подводит итог лабораторной работы по сравнению количеств теплоты при смешивании воды разной температуры, которая была выполнена на предыдущем уроке:

– Какие явления мы изучали на лабораторной работе? (Явления нагревания холодной воды и охлаждения горячей воды.)

II. Учитель: Продолжим разговор об этих явлениях – нагревании и охлаждении, но введем еще один способ описания процессов – графический.

На доске написано:

Учитель:

– Прочитайте эти выражения в буквенном варианте и смысловом.
– Сравните, чем отличаются записи. Объясните значение знаков “+” и “–”.
– Назовите буквы и физические величины, входящие в формулы.
– Дайте определение удельной теплоемкости вещества.

Учитель предлагает провести теоретические рассуждения:

– Если Q > 0, это значит, что t ° > 0, так как и с и m всегда положительные числа (t ° > 0, если t₂° – конечная температура больше t₁° – начальной температуры), то есть идет нагревание, и система тел поглощает энергию.
– Q < 0, если t₂° меньше t₁°, то есть система тел охлаждается, и энергия выделяется в окружающее пространство .

При беседе учитель особо подчеркивает:

– В каком направлении идет теплообмен? (Теплообмен идет от более нагретого тела к менее нагретому телу.)
– В какой зависимости находятся между собой параметры в данной формуле Q ~ m ; Q ~ с ; Q ~ t °? (Все зависимости прямые пропорциональности.)
– Вспоминаем единицы измерения всех физических величин и открываем учебник на странице 21, где напечатана таблица удельной теплоемкости вещества.

Работа с таблицей, проговаривание физического смысла “с” для воды, стекла, масла, алюминия, меди, железа.

III.

Учитель: Продолжаем исследование, опираясь на наблюдения из жизни, например с вашей кухни:

В два новых одинаковых чайника налили 1 литр и 2 литра воды. В каком чайнике вода быстрее закипит, при одинаковых горелках, если первоначально вода была одной температуры, равной 20° С?

Один ученик отвечает: Так как чайники новые и одинаковые, а в чайнике № 2 воды в два раза больше то и количество теплоты Q₂ в два раза больше, чем Q₁ . Значит раньше закипит вода в чайнике № 1.

Второй ученик пишет на доске:

Если c1 = c2 = c p1 = p2 t 1° = t 2° = t° m2 = 2 m1 то Q1 = c . m1 . t ° Q2 = 2 c .  m1 . t ° Значит Q2 > Q1 в два раза и тогда вода закипит раньше в 1 чайнике.

Учитель просит сравнить ответы и проанализировать их, отмечает краткость первого ответа и логическую стройность и убедительность второго, хвалит за наблюдательность и умение логически и последовательно вести теоретическое исследование – доказательство.

IV. Опыт 1

– А теперь обратимся к опыту на столе:

В две одинаковые колбы налили вдвое отличающееся количество подкрашенной воды. В колбу №1 – 2 мерных стаканчика, в колбу № 2 – 1 мерный стаканчик.

Учитель предлагает составить задачу по опыту и задать вопросы вслух; выбирает лучший вопрос:

– Если температура воды в начале опыта в колбах одинакова, то при получении одинакового количества теплоты Q , в какой колбе через 1 минуту температура воды станет больше? (В колбе № 2, так как: Q = c ^. m ^. t °

Анализ :

1) c₁ = c₂ = c;

2) m₁ = 2m₂;

3) Q₁ = Q₂

следовательно

c₁ ^.  m₁ ^. t₁ ° = c₂ ^. m₁ /2 ^.   t₂ ° ; сокращаем на с₁ и на m₁ получим

t₁° = t₂°/2

То есть в колбе № 2 температура t₂° в два раза больше, чем в колбе № 1.

Обращаю внимание, что нами проведено еще одно теоретическое исследование.

V. Опыт 2.

На демонстрационном столе

В стеклянной колбе нагрели воду на 20^о С.   Масса колбы равна массе воды. Одинаковое ли Q получат колба и вода за одинаковое время? Прошу провести анализ:

Условия m₁ =  m₂; t₁° = t₂°/
Но вещества разные:

• стекло c₁ = 840 Дж/кг ^о С.
• вода c₂ = 4200 Дж/кг ^о С.

Q1 = c1 .  m1 .  t1 ° Q2 = c2 .  m2 .  t2 °

Так как нагрев происходил за одинаковое время, то количество теплоты зависит только от c.

Q ~ c

Вывод: Чем больше c, тем больше Q. Вода получит большее количество теплоты, чем стекло за одно и то же время.   Выразим эту зависимость графически.

VI. Перед тем, как начать строить график, вспомним табличное задание функции:

Графики у₁ = 2х и у₂ = 4х имеют разные коэффициенты: к₁ = 2; к₂ = 4, и чем больше К, тем больше угол наклона графика к оси абцисс.

Для нашего опыта:

Ученик у доски сравнивает:

Q₂ > Q₁
Так как Q ~ c и у нас
c₁ – для стекла;
c₂ – для воды;
график I соответствует стеклу, график II – воде.
Остается только подписать над прямыми соответствующие им уравнения.

Вывод: Чем больше с, тем круче график, в системе Q = Q( t ).

Примеры из жизни:

1. Течение Гольфстрим.
2. Летом вода в трубах на даче теплая.

VII. Используем полученные знания для решения задачи № 1000 из сборника задач Лукашика:

В алюминиевом чайнике нагрели воду и потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем.
Построим графики Q = Q( t ), полученной чайником и водой. Какой график для воды, какой график для алюминиевого чайника?

Ответ: График I – для чайника, график II – для воды.

VIII. Опыт 3

На демонстрационном столе:

Начальные температуры жидкостей одинаковы.

c_масла = 1700 Дж/кг^о С;
c_воды = 4200 Дж/кг^о С;
m₁ = m₂ ; Q₁ = Q_2.

Температура какой жидкости станет больше, если они получили одинаковое количество теплоты за одно время?

Два ученика проводят опыт: измеряют температуры; через 1,5 минуты – t ^о масла = 70^о С, t ^о воды = 52 ^о С

Вывод: Температура масла больше температуры воды доказано опытом.

Теоретическое доказательство опыта:

c = если m₁ = m₂ и Q₁ = Q_2, , то от этих параметров зависимость не берем

c ~ 1 /t °

Это обратнопропорциональная зависимость, что означает, что чем больше c, тем меньше разность температур и наоборот, чем меньше c тем больше разность температур. По таблице теплоемкость масла меньше теплоемкости воды, а по опыту разность температур t ° масла больше
t° воды, значит теория подтверждает практику.

IX. Решаем задачу № 1001 из сборника задач Лукашика.

На одинаковых горелках нагрели воду, железо, медь равной массы.
Графики построены

• для воды c = 4200 Дж/кг^оС;
• меди c = 400 Дж/кг^оС;
• железа c = 460 Дж/кг^оС.

Для какого вещества каждый график, если потери некоторого количества теплоты в окружающее пространство не учитывались?

Ответ: Мы знаем, что зависимости теоретической t ° С от t мин (температуры от времени) – нет. Рассуждаем так: “Из точки на оси времени восстанавливаем перпендикулярдо пересечения с графиками I,  II,  III. Сравним температуры t3 > t2 > t1, а так как c ~ 1 / t °, то c₃ < c₂ < c₁ –  400 < 460 < 4200.

Вывод: Чем больше удельная теплоемкость вещества, тем ближе график к оси абсцисс (в системе t^oC – t мин), значит I – для воды, II – для железа, III – для меди.

Х.

– А теперь найдите на столе черновик для таблицы и лист для построения графика с осями координат. Цель работы: объединиться в 3 группы и каждой группе построить график зависимости t^oC от t мин для охлаждения воды.

– Распределяем в группах обязанности (готовим стойки – см. Приложение 2, Приложение 3). Наблюдаем, снимаем показания и заполняем таблицу.

Приложение 1.

– Снять не менее 5 показаний через 2 минуты, чем больше результатов, тем точнее график.

Всего работают три группы и при всей видимости одинаковых условий эксперимента (о чем учитель предварительно не сообщил ученикам), имеем: в первой группе – колбу с водой, которая стоит на железной подставке от штатива; во второй группе – колба стоит на двух сложенных вместе деревянных брусках, а в третьей группе – колба практически висит в воздухе, так как закреплена на штативе.
Графики получатся разные, но школьники пока об этом не догадываются! Это проблемная ситуация к следующему уроку: объяснить почему графики разные, если воду налили из одного сосуда для всех трех групп, то есть начальные условия эксперимента – одинаковые.

XI. Домашнее задание

– Построить график по результатам эксперимента.

XII. Итог урока

Ученики сделали вывод по уроку, познакомились с графическим представлением явлений нагревания и охлаждения, строили графики, изучали теоретически, а также вторым способом исследований – экспериментально.

– Спасибо за урок.

Все получат отметки за график и за ответы.