Проекто-исследовательская деятельность на уроках физики как условие развития творческой личности учащихся при обучении по новым образовательным стандартам

Тип проекта: информационно-исследовательский, межпредметный.

Участники проекта: обучающиеся 8 класса (21 человек).

Введение

Актуальность темы

С наступлением  холодов проблема отопления жилых помещений напоминает о себе все чаще и чаще. Чем отопить свой дом, чтобы сделать его максимально комфортным для жилья и экономичным?

Основная цель отопления - создание теплового комфорта в помещениях, т.е. тепловых условий, благоприятных для жизнедеятельности человека. Тепловой комфорт в холодное время года обеспечивается, если поддерживать определенную температуру воздуха в помещении.

Мы тратим большую сумму денег за коммунальные услуги, не предполагая, что это может обходиться гораздо дешевле.

Проблема: На уроках по термодинамике приходим к выводу, что многих людей волнует проблема экономичности жилья.

Цель проекта: Выявить наиболее экономичный вид отопления жилых помещений.

Задачи:

1. Рассчитать какое количество теплоты необходимо для отопления:

1. Дома отапливаемого каменным углём
2. Дома с газовым отоплением
3. Дома отапливаемого электрической энергией
4. Коммунальной квартиры

2. Выяснить оплату отопления за 6 месяцев.

3. Провести сравнительный анализ различных систем отопления.

Методы исследования:

• Поисковый.
• Исследовательский.
• Статистический.

Тип проекта: информационно-исследовательский, межпредметный.

Продолжительность проекта: 3 месяца.

Организация работы над проектом

Подготовительная часть:

1. Поиск информации.
   
2. Систематизирование материала таким образом, чтобы он оправдывал цель проекта.
   
3. Поиск формул для расчетов.

Основная часть:

1. Расчет теплопроизводительности системы отопления.
2. Выяснение возможных способов получения такой производительности.
3. Нахождение экономической эффективности каждого способа.
4. Заполнение таблиц и построение диаграмм по результатам исследования.

Заключительная часть:

1. Заключение и выводы.
2. Подведение итогов и защита проектов с показом презентаций.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Историческая справка

Среди тех, кто внес значительный вклад в развитие идей термодинамики, были Б.Томпсон (граф Румфорд), Р.Майер и Дж.Джоуль. Заслугой Томпсона является опровержение бытовавшей в XVIII в. теории "калорической жидкости", которая перетекает из одного тела в другое при нагревании или охлаждении. При этом (по аналогии с течением воды) полное количество калорической жидкости должно сохраняться. Наблюдая сильное нагревание, возникавшее в результате сверления стволов пушек на оружейном заводе, Томпсон заметил, что это невозможно объяснить перетеканием калорической жидкости от других тел, тем более что эффект накапливался, т.е. теплота каким-то образом генерировалась. Он попытался провести количественные эксперименты. В одном из экспериментов для охлаждения сверла использовалась вода. Томпсон измерял рост температуры воды вплоть до кипения и, как он вспоминал, "заметил удивленное выражение лиц окружающих, когда они увидели, что вода закипела без всякого огня". Томпсон пришел к выводу, что теплота не является материальной субстанцией, так как опыт свидетельствовал, что количество этой субстанции может неограниченно возрастать. Он высказал предположение, что нагревание являлось результатом той работы, которую совершали силы трения.

Важный, но, к сожалению, не оцененный современниками вклад в установление закона сохранения энергии в приложении к тепловым процессам внес немецкий врач Р.Майер. Именно он, сравнивая цвет венозной крови у людей, живущих на севере и на юге, первым с определенностью высказал утверждение, что теплота есть просто иная форма энергии.

1.2 Опыт Джоуля

Устройство, с помощью которого Дж. Джоуль в 1847 г. доказал, что механическая и тепловая энергия могут переходить из одной формы в другую, и измерил механический эквивалент количества теплоты, состояло из двух массивных тел массами М/2, подвешенных на нитях так, что при своем движении вниз с высоты h они раскручивали систему погруженных в воду легких лопастей. Сосуд с водой был теплоизолирован. Таким образом, нагревание массы m воды можно было отнести за счет механической работы, совершенной вращающимися лопастями, которые, в свою очередь, получали кинетическую энергию вращения за счет изменения потенциальной энергии опускающихся грузов. Если признать справедливость закона сохранения энергии в любых формах, то механическая работа должна равняться количеству теплоты, затраченной на нагревание воды:

A = ∆U = Мgh = Q = cVm∆T.

Джоуль сравнил значения A в Дж (сам Джоуль употреблял, конечно, другие единицы работы) и Q в калориях, которые являются устаревшими единицами измерения количества теплоты (1 ккал равна тому количеству теплоты, которое нужно, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °С в интервале от 14,5 до 15,5 °С). Полученный Джоулем результат (1 кал = 4,15 Дж) несколько отличался от известного теперь:

1 кал = 4,186 Дж.

1.3 Внутренняя энергия

Одной из основных величин, используемых в термодинамике, является внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц (молекул), из которых состоит тело.

При этом мы исключаем из рассмотрения механическую энергию тела, как единого целого. (считаем, что тело неподвижно в данной системе отсчета и потенциальная энергия его взаимодействия с другими телами равно 0).

Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом.

Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплопередача и совершение работы.

Теплопередача – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Мерой передачи энергии является количество теплоты.

Количество теплоты, получаемое телом, - энергия, передаваемая телу из вне в результате теплопередачи.

1.4 Теплопередача

Теплопередача (теплообмен) - это процесс обмена энергией между системой и окружающими ее телами; при этом нет изменения внешних параметров состояния системы (P, V, T). Теплопередача осуществляется либо путем непосредственного взаимодействия частиц системы с частицами среды при их случайных столкновениях (теплопроводность, конвекция), либо путем обмена электромагнитным излучением (лучеиспускание). Например, при столкновении "холодного" и "горячего" газов молекулы нагретого газа передают энергию (при случайных столкновениях) молекулам холодного газа. Вода в море в дневное время прогревается (получает энергию) за счет излучения, посылаемого Солнцем. Энергия, полученная или отданная системой в процессе теплопередачи, называется количеством тепла. Количество тепла Q измеряется в Джоулях (Дж) и является величиной скалярной. Q > 0 (положительная величина), если система получает тепло; Q < 0 (отрицательная величина), если система отдает тепло.

1.5 Нагревание и охлаждение веществ. Удельная теплоемкость вещества

Нагревание - процесс, при котором при подводе количества тепла Q температура вещества (твердого тела, жидкости или газа) линейно повышается (рис. 1). Количество тепла, необходимое для нагревания вещества массой m, определяется по формуле

 Q=cm(t₂-t₁)

где t₁ и t₂ - начальная и конечная температуры нагрева; с - удельная теплоемкость вещества.

Охлаждение - процесс, при котором при отводе количества тепла Q температура вещества линейно понижается.

Удельная теплоемкость вещества - величина, равная количеству тепла, необходимому для нагревания единицы массы вещества на один градус. Удельная теплоемкость измеряется в Дж/кг·К (К – градус по шкале Кельвина).

1.6 Сгорание топлива. Удельная теплота сгорания топлива.

Количество тепла, выделяющееся при сгорании топлива массой m рассчитывается по формуле:

Q=qm

где q - удельная теплота сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива q численно равна количеству тепла, выделенному при сгорании единицы массы топлива. Величина q измеряется в Дж/кг.

1.7 Формулы для расчета

№1. Вычислим объем комнаты, зная её площадь и высоту. V=abc

№2. Высчитаем массу находящегося воздуха в каждой комнате по формуле: m=V*p(где p воздуха=1, 29 кг/м3)

№3. Внутренняя энергия. Рассчитаем внутреннюю энергию (первоначальную) по формуле: U=5/2*PV, (где P=10 Па)

№4 Высчитаем количество теплоты, требуемое для обогрева комнат на 25 градусов по формуле:

Q=cmT

T=25К,

m- масса воздуха в комнатах, с возд.=1,01*10 Дж/кг*К

№5 Рассчитаем внутреннюю энерги, которую приобрел воздух при нагревании на 25С по формуле: U₂=Q+U₁

№6. Рассчитаем количество топлива, необходимого для нагревания этой массы воздуха за 1 день. M=Q\q

№7. Рассчитаем количество необходимого топлива с учетом того, что отопительный сезон длится 6 месяцев. M=Nm

Глава 2. Практическая часть

2.1 Расчет теплопроизводительности системы отопления

Рассчитаем теплопроизводительность системы отопления одноэтажного жилого дома и предложим наиболее эффективный способ его обогрева. Отопление водяное.

Решения задачи заключается в нахождении тепловых потерь дома, который собираемся обогреть. Средняя температура наиболее холодной пятидневки для Волгоградской области - 20°С. Дом считаем хорошо утепленным. При площади в 50 м² и высоте потолка 2,5 м объем составляет 125 м³. Тепловые потери в единицу времени для данного дома составят:

Q = 125 м³ х 0,81 Вт/м³°С х (18°С – (-20°С)) х 1,1

Q = 4232,25 Дж

Следовательно, для отопления дома в наиболее холодный период с учетом коэффициента запаса (1,15–1,19) нам нужно иметь теплопроизводительность системы отопления примерно 5094 Дж в единицу времени, а в сутки соответственно 4,4х10 8Дж.

2.2 Способы получения теплопроизводительности и их экономическая эффективность

1. Выясняем возможные способы получения такой производительности.

1 способ – сжигание твердого топлива, например каменного угля.

2 способ – сжигание природного газа.

3 способ – использование электрической энергии.

2. Рассчитываем массы топлива для данной производительности

3. Находим экономическую эффективность каждого способа и сравниваем с оплатой за отопление в коммунальной квартире.

4. Составляем таблицу стоимости различных видов отопления (Приложение 1)

Глав 3. Заключение

3.1 Результаты и выводы

 Построение диаграмм и таблиц по результатам исследования (Приложение 2, Приложение 3, презентация)

Итог:  Наиболее эффективным из традиционных способов является второй (использование в виде топлива природного газа).

В результате полученных данных можно сделать выводы:

1. Проведенные вычисления показывают, что самое экономное отопление для частных домов в Российской Федерации по-прежнему обеспечивается за счет природного газа, этот энергоноситель остается вне конкуренции. Кроме того, они в любой момент могут включить и отключить свою систему отопления. Идет экономия топлива. Учтите и тот факт, что газоиспользующее оборудование стоит относительно недорого и при этом является довольно эффективным и комфортным в эксплуатации.
2. Проживающие в частных домах с отоплением на твердом топливе платят за отопление почти в 2 раза больше, чем в частных домах с газовым отоплением, так как цены на каменный уголь выше, чем на газ. Кроме того, при сгорании каменного угля выделяются вредные вещества, которые загрязняют атмосферу. Сжигание угля можно рекомендовать для отопления частного дома без газа. Одно уточнение: автоматические пеллетные и угольные котлы стоят дороже обычных (в 1,5–2 раза).
3. В домах отапливаемых электроэнергией люди переплачивают примерно в 5 раз. Такой вид отопления экологически чист, но не экономичен. Применение чисто электрического оборудования для круглосуточного обогрева дома нельзя назвать выгодным. Так что отапливаться одним электричеством дешево не выйдет. Учитывая минимальные затраты на оборудование и его монтаж, вполне реально топить электричеством дешевле, но только в ночное время. Подходящий вариант как для загородного домика, так и для квартиры.
4. Жильцы коммунальных квартир платят за отопление в 1,5 раза больше, чем в домах с газовым отоплением. Для уменьшения оплаты за отопление в коммунальных квартирах рекомендуется ставить счетчики учета тепловой энергии.
5. На данный момент, когда цены энергоносителей стремятся к европейским, все большую актуальность приобретает утепление жилых помещений. Это тоже способ получить экономное отопление, ведь при этом уменьшаются теплопотери.

Список источников информации

1. «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ» Фейнман, Р.Лейтон, М. Сендс 1976г.
2. «ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» - Наука под ред. Академика Г.С.Ландсберга 1971г.
3. Перельман Я.И. «ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА» 1999г.
4. Энциклопедии «ФИЗИКА» и «ТЕХНИКА» - Москва: Аванта+, 2001г.
5. «ПРАКТИКУМ ПО ИНФОРМАТИКЕ И ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ» - Москва: Угринович Н., Михайлова Н., Богова Л.
6. otivent.com
7. eurosantehnik.ru
8. nsportal.ru