Температура. Изобретение термометра

Цели:

• Образовательные:
  • сформировать понятие о температуре;
  • актуализировать знания учащихся об измерении температуры, единицах измерения температуры;
  • охарактеризовать термометр, принцип действия и отличительные особенности;
  • выявить  уровень подготовки учащихся по определению цены деления термометра и расчета результата с учетом приборной абсолютной погрешности;
  • помочь учащимся определиться с планом проведения дальнейшей работы.
• Воспитательные:
  • приучать учащихся к доброжелательному общению,    взаимопомощи, к самооценке.
• Развивающие:
  • развивать у учащихся умение систематизировать, анализировать, выделять главное, обобщать изученный материал;
  • закрепить умения и навыки определения цены деления и расчета результата с учетом приборной абсолютной погрешности.

Задание: воссоздать термоскоп, продемонстрировать его работу

План урока:

1. Организационный момент. Сообщение темы и цели урока.
2. Мини-опрос.
3. История изобретения термометров
4. О шкале измерения температуры
5. Создать термоскоп.
6. Работа по приборам.
7. Домашнее задание.

ХОД УРОКА

1. тема урока: «Температура. Изобретение термометра»

Цель урока: сформировать понятие о температуре; охарактеризовать термометр, принцип действия и отличительные особенности.

2. Мини-опрос

• Как определить среднее значение физической величины из эксперимента?
• Что такое температура? Что мы знаем о температуре теоретически?
• Какие нужны приборы для измерения температуры?

3. История изобретения термометров

Проблемный вопрос: Какова история создания термоскопа? Какие температуры можно получить в лабораторных условиях?

В теории тепловых явлений температура – основная величина. Единицы величин начали появляться с того момента, когда у человека возникла необходимость выражать что-либо количественно. До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.

Опыт 1: На столе находится три сосуда с водой: один с горячей водой, второй – с холодной и третий – с теплой. Поместите левую руку в сосуд с горячей водой, а правую – в сосуд с холодной. Через некоторое время поместите обе руки в сосуд с теплой водой. Опишите свои ощущения.

Температура, которая когда-то оценивалась чисто топологически по шкале порядка (холодное – теплое – горячее), можно связать с различной степенью нагретости тел.

Рис. 1

Рис. 2

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей (рис.1) создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом.

У термоскопа Галилея не было шкалы, он представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой (рис.2). Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух (рис.3). В 17 веке флорентийским ученым Торричелли воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт (рис. 4). Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, – теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.

На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. Для того чтобы ввести шкалу, необходимо установить постоянные точки фиксированной температуры.

Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах – градусах. Из того, что температура – это средняя кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Вместо Т ввести величину Q, так чтобы Q = 3/2 • k • T (где постоянная Больцмана k связывает величину температуры, выражаемую в энергетических единицах, с температурой, выраженной в градусах).

4. О шкале измерения температуры

Проблемный вопрос: Какие существуют шкалы для измерения температуры, и какова история их создания?

Рис. 5

В 1694 году Карло Ренальдини (рис. 5) предложил принять в качестве двух крайних фиксированных точек термометра температуру таяния льда и температуру кипения воды. Предложил деления шкалы термометра на 12 равных частей и другое деление, основанное на определении температуры смеси воды, близкой к замерзанию, с кипящей водой в разных отношениях.

Рис. 6 Рис. 7 Рис. 8 Рис. 9 Рис. 10

В 1714 году Д. Г. Фаренгейт (рис.6) изготовил ртутный термометр. На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды + 212 ° F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, льда и нашатыря, а за 100 °F принята нормальная температура человеческого тела (однако Фаренгейт ошибся в последнем измерении: нормальная температура человеческого тела составляет 97,9 °F).
По одной из версий за 100 градусов температурной шкалы Фаренгейт принял температуру тела своей жены, которая в момент измерения температуры была больна лихорадкой – именно этим и обусловлено смещение стоградусной точки на 2,1°F, а не погрешностью самого измерения.

Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор. Ноль градусов Цельсия – это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 9/5 градуса Цельсия.

Еще одна шкала была предложена французским ученым Р.А.Реомюром (рис.7) в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.  
Единица – градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками – температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R):  1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

В 1742 шведский ученый Андрес Цельсий (рис.8) опубликовал работу с описанием стоградусной шкалы термометра, в которой температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении была принята за 0°, а температура таяния льда – за 100°. Позже шведский биолог К. Линней «перевернул» эту шкалу, приняв за 0° температуру таяния льда. Этой шкалой мы пользуемся до сих пор, называя ее шкалой Цельсия. В 1948 она была принята как международная.

М. В. Ломоносовым (рис.9) был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды.

К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.

Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно.
В 1848 году английским ученым лордом Кельвином (рис.10) была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это – 273,15 °С, т.е. один кельвин (обозначение: K)  равен 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.
Пересчет в градусы Цельсия: °С = K – 273,15

Абсолютный нуль температур – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный нуль температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале – шкале Кельвина.
Термометр (греч. терме – тепло, метрео – измеряю) – прибор для измерения температуры: воздуха, воды, почвы, тела человека и других физических тел. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии, медицине и других науках и отраслях хозяйства.
На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях.

В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел.

5. Попробуем и мы создать термоскоп

Опыт 2: Нагреем стеклянную колбу, перевернём её, опустим в стакан с водой открытым концом. Термоскоп готов.  По высоте столбика воды в горлышке колбы можно судить об изменениях температуры: при охлаждении воздуха в колбе столбик воды поднимается вверх, а при нагревании – опускается.
С помощью термоскопа можно увидеть изменение температуры, но её нельзя измерить. Показания зависят от атмосферного давления. У прибора нет шкалы

Проблемный вопрос: Как усовершенствовать термоскоп? (Воздух заменить подкрашенным спиртом или ртутью; откачать из трубки воздух и запаять открытый конец, т.е. исключить влияние атмосферного давления; создать шкалу.)

6. Работа по приборам:

 «Измерение температуры тела»

• Определите цену деления термометра;
• Рассчитайте приборную абсолютную погрешность термометра;
• Приведите тело в тепловой контакт с термометром;
• Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела;
• Отсчитайте показания термометра после наступления теплового равновесия;
• Определите показание термометра с учетом погрешности.

Проблемный вопрос: Что происходит с точки зрения молекулярно – кинетической теории? (Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы; разность температур указывает на направление теплообмена между телами; при хаотичных ударах молекул средняя кинетическая энергия молекул выравнивается и при тепловом равновесии становится одинаковой.)

7. Домашнее задание: § 66,67,задачи на стр.5-6

Проблемный вопрос: Существуют ли термометры без жидкости?

Учитель: На этот вопрос вы должны дать ответ на следующий урок.

Презентация по данной теме выполненна в программе Power Point.

Список используемых источников:

1. Волков В.А. «Поурочные разработки по физике 10 класс к учебнику Г.Я.Мякишева» – Москва, «Вако», 2006.
2. Электронные уроки и тесты «Физика в школе» – «Новый диск. www. nd.ru»
3. «Энциклопедия для детей. Том 16 ч 2» – Москва, «Аванта +», 2002.
4. ru.wikipedia.org›wiki/Термометр
5. gc-bars.ru›articles/5.htm Москва
6. elkin52.narod.ru›texnika/otvet35.htm
7. alldayplus.ru›society/science…termometr-galileya…
8. http://ru.wikipedia.org/wiki/