Цели урока: формирование познавательного интереса к физике, выявление знаний и умений учащихся по теме, обобщение и закрепление знаний и умений, которые приобрели учащиеся по теме: «Тепловые явления», воспитание познавательной активности учащихся
Демонстрации:
- способы определения варёных и сырых яиц
- устройство скороварки
- устройство пароварки
- наблюдение за процессом кипения воды
- зависимость поглощения телом тепла в зависимости от цвета тела
- устройство термоса
- зависимость давления твёрдых тел от площади опоры
Оборудование: электрический чайник с прозрачным корпусом и подсветкой, тонкостенный стакан, полоски белой и чёрной бумаги, свечка, кнопки, пластилин, сосуд с насыщенным раствором соли, яйца варёные и сырые, хлеб, нож, термос, скороварка, пароварка, интерактивная доска, диск «Живая физика»
Ход урока
- Организационный момент.
- Проверка усвоения изученного материала учащимися путём фронтальной беседы, обсуждения результатов опытов, ответов на занимательные вопросы, решения задачи.
- Итоги урока.
«Радость видеть и понимать – есть самый прекрасный дар природы»
А. Эйнштейн
Учитель: В нашей повседневной жизни мы не найдём другого такого места, где происходило бы столько удивительного и загадочного, как в кухне. Именно здесь мы смешиваем, нагреваем, охлаждаем, замораживаем, размораживаем, а бывает, что и сжигаем всевозможные виды животного, растительного и неорганического сырья. При этом используем оборудование, от которого бы содрогнулись средневековые алхимики. Не удивительно, что Шекспир в « Макбете» обозначил горящий огонь и кипящий котёл в качестве самых важных атрибутов колдовства. За внешней простотой таких привычных нам явлений скрываются невероятные превращения, которые и не снились алхимикам. Но мы можем легко их объяснить, потому что нам известно о существовании мира молекул.
Сегодня на нашей импровизированной кухне, ребята принимают своих друзей.
Также в качестве особого гостя прямо из Англии приглашён великий сыщик Шерлок Холмс, который, используя свой дедуктивный метод, не раз обращался к законам физики. В качестве эксперта буду выступать я.
Но сначала приготовим завтрак, ведь, как известно, соловья баснями не кормят.
В качестве главных поваров выступают мои помощники, ученики 8 класса. Им же отведена и роль главных знатоков законов и явлений физики. Однако мы надеемся на то, что и вы умеете готовить себе завтрак, а поэтому примите активное участие в том, что здесь будет происходить. Завтрак мы будем готовить из яиц, молока, сливочного масла, сыра и батона.
1 ученик: На столе 6 яиц. 4 из них уже сварены, и их нужно оставить на салат «оливье». Как их можно найти среди остальных? Мистер Холмс, подайте, пожалуйста, мне сырые яйца.
Шерлок Холмс: Завтрак мне обычно готовит моя экономка, миссис Хадсон. Поэтому с первого взгляда я не могу определить, где сырые, а где варёные яйца.
1 ученик: Ребята, а вы знаете? Ваши предложения. Но нужно не только назвать эти способы, но и разобраться в их физической сути.
1 ученик: Итак, существует 2 способа определения сырых яиц от варёных. Нужно положить яйцо на стол и вращать его вокруг вертикальной оси. Попробуем это сделать. Варёное яйцо будет вращаться быстрее, чем сырое. Почему? Варёное яйцо вращается как одно целое; сырое же состоит из отдельных жидких частей: желтка и белка. При вращении сырого яйца эти части обладают разной линейной скоростью: чем дальше от оси вращения, тем эта скорость больше; поэтому между частями яйца возникает внутреннее трение, тормозящее движение.
Демонстрация 1
2 ученик: А я знаю ещё один способ. Возьмём сосуд с солёной водой, опустим туда 2 яйца, и если они одинакового размера, то сырое яйцо будет плавать, на большей глубине, чем варёное. Это происходит потому, что они имеют разную плотность
Шерлок Холмс: А я вспомнил ещё один способ, правда, он очень оригинальный. Нужно укрепить на столе все яйца. Затем из ружья выстреливать в них по очереди. В варёных яйцах останется узкий след от пролетевшей пули, а сырые разлетятся на куски в разные стороны. Вряд ли кто-то пользуется таким способом, но интересна причина такого разного влияния пули на сырые и варёные яйца. Надеюсь, вы поможете мне разобраться в этом явлении.
Учитель: Ребята, давайте вспомним, как передаётся давление, оказываемое на твёрдое и жидкие тела. При попадании пули в сырое яйцо, давление, оказываемое на его жидкое содержимое, будет передаваться по закону Паскаля во все стороны без изменения. А давление на твёрдые тела передаётся по направлению действия силы.
Отделив варёные яйца от сырых, начинаем готовить завтрак. Варим яйца.
3 ученик: Нам надо сварить яйца. В какую воду будем класть сырые яйца? Можно в холодную, а можно в горячую. В холодной воде нагревание происходит равномерно, а в кипящей может треснуть скорлупа яйца, как тонкостенный стакан. При большой разности температур (комнаты и кипятка) вещество внутри яйца расширяется при нагревании очень быстро, и трескается скорлупа. Как этого избежать?
Учитель: Чтобы яйцо не треснуло нужно положить его на металлическую ложку, а затем медленно опускать в кипяток вместе с ложкой. Ребята, а зачем нужна металлическая ложка?
2 ученик: Яйца варим от 4 до 10 минут. Что предпринимают после того, как прошло время, отведённое для варки яиц? Опускают в холодную воду. Зачем? Остудить. Да, но не только за этим. Скорлупа при быстром охлаждении резко сокращает свои размеры, и в ней образуются микротрещинки, которые облегчают процесс снятия скорлупы.
Учитель: А ещё кипящая вода становится горячее, если в неё добавить соли. Как только соль растворится, вода начнёт кипеть при более высокой температуре. При добавлении 70 г соли на 1 литр воды температура кипения воды повышается на 5°С
Шерлок Холмс: Ребята, а я слышал такую странную шутку, будто яйцо в Нью-Йорке варится быстрее, чем в Мехико. Мне кажется это чистой воды вымысел. Или физики и на это найдут свой ответ?
Учитель: Было бы интересно отнести это явление на счёт быстрого ритма жизни, но надо оставаться верными истине. Разница не имеет никакого отношения к яйцам. Всё дело в воде. Когда вода кипит в Нью-Йорке, то она немного горячее, чем в Мехико. А в более горячей воде яйцо скорее дойдёт до нужной кондиции.
Давайте вспомним, что разница между городами, кроме традиционных блюд, заключается в их расположении на разных высотах. В Мехико, плита, на которой готовит хозяйка находится на 2240 метров выше, чем в Нью-Йорке. А чем больше высота, тем меньше температура кипения. Вот почему в горах трудно сварить яйца и другую пищу. Они могут долго находиться в кипящей воде, но оставаться при этом сырыми. Температура кипения зависит от внешнего давления. В высокогорных районах атмосферное давление значительно ниже, чем у поверхности Земли, а с уменьшением давления температура кипения уменьшается. В Мехико плотность воздуха составляет только 76% от его плотности над уровнем моря.
Экстремальный случай. Самая высокая точка планеты – гора Эверест (8848 м над уровнем моря) на этой высоте атмосферное давление составляет всего 31% от давления над уровнем моря и температура кипения воды всего +70°С. Не так уж и горячо, чтобы приготовить что-то существенное, независимо от того, как сильно вы проголодались при подъёме.
Шерлок Холмс: Друзья мои, означает ли это, что можно увеличить температуру кипения, увеличив давление?
1 ученик: Совершенно верно. Ещё до изобретения скороварки, пастухи, высоко в горах, чтобы сварить мясо, клали на крышку тяжёлые камни, увеличивая давление воздуха внутри котла, тем самым, повышая температуру кипения воды. Но прогресс не стоит на месте, и человечество изобрело скороварку.
Демонстрация 2
Учитель: Принцип её таков: на обычную кастрюлю установить плотно прилегающую крышку с одним маленьким отверстием для выхода пара. Затем закроем отверстие грузом. Это нужно для того, чтобы держать внутри определённое давление пара и не давать пару свободно уходить в воздух. Можно пользоваться скороваркой с регулятором давления, который будет поддерживать его в заданных пределах, создавая нужную “атмосферу” внутри кастрюли.
Давление, создаваемое в типовой скороварке, равняется 0,7 кг на см2, что выше нормального атмосферного давления. Температура кипения и температура пара при этом составляет + 115°С. Этого достаточно, чтобы ускорить приготовление блюд, требующих долгой тепловой обработки, например для тушения мяса. Более того, воздушное пространство в скороварке заполнено паром, который лучше проводит тепло, чем воздух. Таким образом, всё тепло в ней передаётся пище с большей эффективностью, чем при наличии в кастрюле воздуха. Это, естественно, также ускоряет процесс приготовления блюда.
Демонстрация 3
2 ученик: Также для улучшения приготовления пищи используют пароварку. Горячий пар, который образуется над кипящей жидкостью, имеет температуру выше, чем вода. Пароварка готовит быстрее, полезнее, вкуснее!
Учитель: Совершенно верно. Давление и температура кипения жидкости связаны между собой. Давайте посмотрим видеофрагменты, иллюстрирующие эту связь.
Видеофрагменты (Слайд 8, Слайд 9)
Учитель: Хотите чаю, мистер Холмс? Или кипячёного молока?
Шерлок Холмс: Вот такой же вопрос, однажды задал мне мой знакомый, когда я него гостил. «Да», - ответил я. «Вот хорошо», - сказал хозяин. – Но, я люблю горячий чай, а потому кладу в него кусочки сахара только перед тем, как пить». «Разумнее это делать раньше, сразу, как, вам налили его» - посоветовал я ему. Прав ли я был?
Учитель: Ребята, а вы как думаете? Чем выше температура тела, тем большее количество теплоты он отдаёт окружающей среде. Если сахар положить сразу, то температура тела понизится, и тепла будет отдано окружающей среде меньше.
С горячим чаем разобрались. Интересно, а, сколько природного газа надо сжечь, чтобы вскипятить чайник? (задача)
Демонстрация 4
Слайд 10: Задача: Сколько нужно сжечь природного газа, чтобы вскипятить чайник с водой. Считайте, что на весь процесс необходимо 1300 кДж энергии
Учитель: Ребята, кажется это не так много, но задумайтесь, сколько раз в день мы пользуемся плитой для нагревания пищи? Запасы природного газа не так уж велики и расходовать их нужно экономно. По последним данным разведанных запасов природного газа при нынешних темпах использования хватит на 60 лет! И запомните, если жидкость закипела, то её температура больше повышаться не будет. Поэтому, необходимо убавить газ и готовить далее пищу на слабом огне.
Шерлок Холмс: Да, а к чаю были поданы вкуснейшие блины. «Блины вкусные, когда они горячие», - сказала хозяйка, приглашая меня к столу. – Чтобы они оставались дольше горячими, - я ставлю тарелку с блинами на плетённый из металлической проволоки поднос». «Лучше ставить на деревянный поднос» - посоветовал ей я. На чём был основан этот совет?
А вот ручки у сковородок, чайников, кастрюль делают из дерева или пластмассы, т.к. эти вещества обладают плохой теплопроводностью.
2 ученик: Раз уж мы заговорили о чае, давайте разберём следующие вопросы
- У нас имеются 2 чайника: старый и новый. В каком из них быстрее закипит вода? Почему?
- Зачем чай наливают в блюдце?
- В какой кружке белой или чёрной медленнее остывает чай?
Демонстрация 5
Опыт с полосатым стаканом: Стакан из тонкого стекла оклеиваю полосками белой и чёрной бумаги одинаковой ширины. Снаружи к стакану приклеиваю пластилином на одной высоте кнопки по одной против каждой белой и чёрной полоски. Ставлю стакан на блюдце и в него свечу строго в центр. Через некоторое время кнопки начинают отпадать.
Сначала отпадают те кнопки, которые приклеены против чёрных полосок бумаги, так как здесь стекло больше нагревается, чёрные поверхности больше поглощают энергию падающего на них излучения, чем белые. Чёрные поверхности быстрее нагреваются и быстрее остывают
1 ученик: А почему термос сохраняет тепло?
Демонстрация 6
Рассмотрим внутреннее строение термоса. Чтобы помешать телу остывать или нагреваться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним из трёх способов теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью, излучением.
Термос состоит из 2 сосудов, между которыми откачан воздух. Теплопроводность вакуума мала, поэтому он плохо проводит тепло. Внутренняя поверхность стенок покрыта зеркальным слоем, который отражает тепловое излучение. Пробка мешает конвекции.
Чтобы сохранить воду, пищу или предохранить лёд или мороженое от таяния, пользуются термосом или сумкой – холодильником, ящиком – термосом, где вместо вакуума используются пористые вещества, обладающие плохой теплопроводностью.
Учитель: С чаем разобрались, хотя можно ещё добавить, что заваривать чай надо в горячей воде, и сахар тоже быстрее растворяется в кипятке. Просто процесс диффузии протекает быстрее при высокой температуре. Вы положили сахар в чай и размешали ложкой. Почти сразу вода стала сладкой. А теперь не размешивайте и ждите когда вода станет сладкой по всему объёму. Как вы думаете, сколько придётся ждать? Почти столько, сколько просаливаются огурцы!
А если нам надо вскипятить молоко? Нельзя забывать, что процесс кипячения молока сопровождается интенсивным и резким увеличением объёма, в результате чего мы говорим, что молоко «убежало».
Молоко – это ценный пищевой продукт. Оно содержит сахар, белки, жиры, минеральные вещества, ферменты, витамины. Сравним процесс кипения воды и молока. В начале молоко, как и вода, нагревается в кастрюле благодаря конвекции – перемешиванию тёплых и холодных масс. Наличие определённого количества жира в молоке приводит к образованию маслянистой плёнки. При нагревании растворённый в молоке воздух расширяется и поднимается вверх в виде пузырьков. По мере повышения температуры, давление внутри пузырьков увеличивается, они лопаются, и воздух выходит наружу. Маслянистая плёнка на поверхности для пара непроницаема, поэтому пар, вырвавшийся из пузырьков, заставляет её подниматься. Молоко как бы разбухает, увеличивается в объёме и «убегает», переливаясь через край кастрюли.
Для нагревания различных веществ потребуется разное количество теплоты. Например, для нагревания масла и воды.
Демонстрация 6
2 ученик: Молоко вскипело. Осталось нарезать батон и приготовить бутерброды. Возьмём батон, нож и доску. Попробуем нарезать хлеб острой и тупой стороной ножа. Тупой стороной ножа резать трудно. Почему? Сила давления одна и та же, а площадь опоры разная. Чем больше площадь опоры, тем больше нужно оказывать давление, поэтому проще и удобнее резать острой частью ножа. Намажем ломтики батона маслом, сверху положим сыр, выложим их на тарелку.
Шерлок Холмс: Ребята, я часто сталкивался при раскрытии преступлений, с различными видами оружия. И меня всегда удивляло, почему нож называют холодным оружием?
А если нам необходимо разогреть что–то в микроволновой печи, например тот же бутерброд с сыром. Как происходит процесс прогревания в микроволновке? На обычной плите тепло проникает в пищу снаружи, постепенно доводя ее до готовности. При таком направлении движения тепла понятно, почему бифштекс внутри непрожаренный. В данном случае наблюдается процесс теплопередачи - горячие, быстро движущиеся молекулы, сталкиваются с лениво движущимися молекулами. Процесс протекает достаточно медленно – мясо и картофель, очень плохие проводники тепла.
Микроволны также проникают в пищу. Они представляют собой электромагнитное излучение, как световые волны и радиоволны. По сути дела, это те же радиоволны, но очень высокой частоты: 2 миллиарда колебаний (циклов) в секунду (две тысячи МГц), что в двадцать раз превышает частоту диапазона радиовещания. Микроволны беспрепятственно проходят через большинство материалов, пока не встретят молекулы, которые хорошо поглощают энергию. Попросту говоря, микроволны проходят на несколько сантиметров вглубь приготавливаемой пищи, нагревая её по мере своего движения. И чем больше, молекул, способных поглощать энергию волн им встретится, тем дольше будет нагрев. На инструкции по эксплуатации микроволновых печей указано, что использовать металлическую посуду нельзя. Почему? Металлы отражают микроволны как зеркало (волны радара – микроволны, поэтому самолёты и превышающие скорость автомобили их отражают). Металл будет отражать эти волны, которые будут метаться внутри печки, пока энергия не возрастёт до угрожающих величин, возможно даже возникновение искры. Поэтому в микроволновой печи ни в коем случае не должен присутствовать металл (исключение составляют маленькие кусочки фольги). А что касается жужжания и урчания при готовке, так это работает вентилятор, равномерно распределяющий микроволны по всему объёму печки.
Итак, наш завтрак готов!
Сделано это не без участия физики. Когда он будет съеден, каждый из поевших получит запас определенное кол-во энергии для своей внутренней энергетической установки. И этот запас энергии можно подсчитать.
100 г хлеба, окисляясь, в организме дают 877 кДж энергии;
20 г масла – 838 кДж,
2 яйца – 754 кДж,
1 стакан молока – 544 кДж.
В сумме запас энергии составит 3013 кДж
Чтобы израсходовать такое кол-во энергии, нужно, например, 335 раз равномерно подняться по лестнице на пятый этаж. Ведь человек массой 60 кг на один подъем – 15 м – расходует 9 кДж энергии.
Шерлок Холмс: Ребята, я вижу, вы все хорошо знаете физику, а попробуйте ответить на мои вопросы.
1) У вас на кухне тепло и уютно, но в моей родной Англии, где климат влажный и сырая погода, в каждом уважающем себя доме есть камин.
Однажды мой экономный друг спросил меня: продаются берёзовые и сосновые дрова для камина. Цена дров за единицу объёма одинакова, удельная теплота сгорания дров одинакова. Какие же дрова мне купить? Или всё равно какие? Раз мой друг был рачительным хозяином, то я посоветовал приобрести ему берёзовые дрова. Почему?
2) Друг, послушал меня и купил берёзовые дрова. Но продавец оказался нечестным и продал ему сырые дрова. Они хуже горели и давали меньше тепла, чем сухие. Почему?
Учитель: именно поэтому трещат ветки в камине: при нагревании древесины влага, содержащаяся в ней, нагревается, испаряется, а водяной пар, увеличивая давление, разрывает волокна древесины.
У нас же, для обогревания помещений используются батареи отопления.
Ребята, а почему батареи отопления ставят под окнами, а форточки наверху?
3) Шерлок Холмс: У меня в гардеробе, как у истинного англичанина, много шерстяных вещей, которые отлично согревают меня в непогоду. Скажите, а почему именно шерстяные вещи так хороши в холода?
Учитель. А как бы вы ответили на вопрос: греет ли шуба?
4) Шерлок Холмс: Я однажды хотел согреть мороженное и накрыл его шубой и получил обратный эффект – мороженное дольше не таяло. Почему?
5) Однажды я увидел кошку, пришедшую домой с прогулки. Посмотрев на кошку, я заметил: «Погода на улице холодная!» Как я определил?
6) Однажды, войдя в квартиру и начав беседу с её обитателями, я через минуту сказал хозяйке: «Уважаемая хозяйка, у вас на кухне кипит чайник». Как я это определил, если из комнаты плита была не видна, а были видны только окна.
Учитель: А я хочу к вопросам уважаемого мистера Холмса добавить ещё несколько и думаю, повара помогут мне на них ответить:
- Как вы будете жарить картошку, накрывая крышкой или нет, если хотите получить хрустящий картофель?
- Какой суп остынет быстрее – постный или жирный?
Молодцы ребята!
Учитель. Вот и закончилось приготовление завтрака с физикой. Я благодарю всех своих помощников – консультантов за их старательную подготовку и интересные рассказы. Надеюсь, дорогие друзья вам было интересно, и вы узнали много нового.
А закончить нашу встречу хочу словами великого ученого А. Эйнштейна.
«Этот большой мир существует независимо от нас, людей, и стоит пред нами как огромная вечная загадка, доступная, однако, по крайней мере, отчасти, нашему восприятию и нашему разуму».
До новых встреч!