НАВЧАЛЬНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ ПРИ ВИВЧЕННІ РОЗДІЛУ:
"ТЕПЛОВІ ЯВИЩА" (8-й КЛАС)

Мета роботи: ознайомитись з методикою та технікою проведення навчального експерименту у 8-му класі при розгляді питань, які пов'язані з вив-ченням понять:  тепловий рух, внутрішня енергія, види теплопередачі, кількість теплоти, питома теплоємність, перетво-рення енергії у механічних і теплових процесах.

Обладнання: склянка, насос ручний, гальванометр, термопара, трубка з латуні, ефір, два дерев’яні бруски, пластина з свинцю, пластина з картону, наковальня та молоток; стержні з різних речовин; спиртівка; пластилін; прилад для демонстрації різної теплопровідності металів; прилад для демонстрації конвекції у рідинах; кристалики марганцево-кислого калію; екран; змійка на вістрі; теплоприймач; манометр демонстраційний; терези; електричний термо¬метр; два тіла з набору тіл рівної маси  (алюміній, свинець); прилад для демонстрації різної теплоємності металів; калориметр; при¬лад для де-мон¬стра¬ції бро¬у¬нів¬сь¬ко¬го ру¬ху; про¬е¬к¬цій¬ний апа¬рат з при¬стро¬єм для го¬ри¬зо¬н¬та¬ль¬но¬го про¬е¬к¬т󬬬ван¬ня, прилад для демонстрації конвекції в рідині; освітлювач для тіньової проекції; модель водяного опалення; електрична плитка;  сітка з азбесту; фарба; димар з гумовою грушею, термос; посудина Дьюара на підставці; пробірка таких самих розмірів, прилад Тиндаля.
Підготовка до роботи:
1. Ознайомитись з навчальним  матеріалом  розділу “Теплові явища” підручників  фізики  8-го класу.
2. Ознайомитись з цільовою програмою вивчення теми: “Теплові явища” у 8 класі.
3. Ознайомитись з цільовою програмою фахової підготовки майбутнього вчителя.

Цільова програма (А) до змісту теми:” Теплові явища” рівень пер-винної обізнаності.
№    Перелік пізнавальних задач    Урок    Тема
1
2
3    Броунівський рух
Внутрішня енергія
Кількість теплоти    ПВЗ
РГ
РГ    УЗЗ
ПВЗ
ПВЗ

Цільова програма (Б) щодо змісту фахової підготовки 
майбуньго вчителя.
№    Перелік пізнавальних задач з курсу МВФ    Знання до ла-бораторного практикуму    Знання після лабора-торного практикуму
1

2

3

5
6
7    Особливості методики викладання фі-зики в 8 класі.
Задачі і зміст навчання фізики в серед-ній школі.
Розвиток мислення і творчих здібнос-тей учнів.
Розв’язуваня задач з фізики.
Форми організації уроків з фізики.
Методика викладання теми “Теплові явища”.    РГ

РГ

РГ

РГ
РГ

РГ    ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ
ПВЗ

ПВЗ

Еталоні завдання для вступного контролю (шкільний курс фізики;
первиний рівень фахової обізнаності):
1.    (А:РГ) Означте поняття: тепловий стан, температура, вимірювання температури, вплив температури на лінійні розміри тіл, тепловий рух, внутрішня енергія, способи зміни внутрішньої енергії, види теплообміну, кількість теплоти, питома теплоємність, тепло-вий баланс, теплота згоряння палива, закон збереження та перетворення енергії в меха-нічних та теплових процесах.
2.    (А:ПВЗ) Як відраховуються покази тиску у відкритому демонстраційному рідинному манометрі?
3.    (А:ПВЗ) Дві півсфери з’єднані в сферу, з якої частково викачано повітря, і підвішено в точці полюсу. Півсфери відірвуться одна від одної, якщо доточки протележного полюса підвести вантаж масою М. До якої температури потрібно нагріти повітрявсередині сфери, щоб вона розвалилася без додаткового грузу? Маса кожної півсфери рівна м, зовнішнії радіус рівний r, атмосферний тиск рівний р0, початкова температура повітря і сфери рівна Т0. тепловим розширенням сфери знехтувати.
4.    (А:РГ) Якщо в середину желатіну помістити кусочок мідного купурусу, то через декі-лька днів ми побачимо, що желатін закрасився в синій колір, а намісці мідного купуру-саутворилася порожнина. Що доказує цей дослід?
5.    (А:ПВЗ) Азот і кисень мають однакову температуру. Як повині відноситися іх тиски, щоб вони мали прицьому однакові густини?
6.    (А:ПВЗ) Два мідних бруски масами 100 і 500 г, взятих при кімнатній температурі, зану-рили в киплчу воду на однаковий час. Чи змінилася їхня внутрішня енергія? Чи однаково змінилось значення внутрішньої енергії цих брусків відносно один одного? Відповідь обгрунтуйте.
7.    (А:ПВЗ) У закритій трубці є краплина ртуті. Трубку з одного кінця нагріли. Пясніть за-рахунок якої енергії здійснюється робота під час переміщення ртуті в трубці.
8.    (Б:РГ) Сірник запалюється, якщо його терти об коробку. Він також запалюється, коли його вносять у полум’я свічки. У чому спільність і відміність причин, які зумовили за-палювання сірника?
9.    (А:ПВЗ) З дна водойми спливає бульбашка повітря. За рахунок чого збільшується її по-тенціальна енергія?
10.    (А:ПВЗ) Яка пара металів дасть більший ефект, якщо  виконувати дослід  для вивчен-ня залежності теплоємності від виду речовини? (Алюміній, залізо, мідь, свинець).

Теоретичні відомості:
Ми знаємо, що є два роди механічної енергії: потенціальна і кінетична. Потенціальною енергією називають енергію, яка визначається взаємним положенням тіл, що взаємодіють, або частин того самого тіла. Потенціальна і кінетична енергії можуть перетво-ритися одна водну. Енергію руху і взаємодії частинок, з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією тіла. Крім механічної енергії, є ще внутрішня енергія. Внутрішня енергія тіла не залежить ні від механічного руху тіла, ні від положення цього тіла відносно інших тіл.
З підвищенням температури внутрішня енергія тіла збільшується, бо зростає середня швидкість, а отже, і кінетична енергія молекул цього тіла. Із зниженням температури внутрішня енергія тіла зменшується. Таким чином, внутрішня енергія тіла змінюється, якщо змінюється швидкість руху його молекул. Внутрішня енергія збільшилась за рахунок роботи. Внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконуючи над ним роботу. Процес зміни внутрішньої енергії без виконання роботи над тілом або самим тілом називається теплопере-дачею. Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: виконанням механічної роботи або теплопередачею.
Перенесення енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітого внаслідок теп-лового руху і взаємодії частинок називається теплопровідністю. При теплопровідності сама речовина не переміщується від одного кінця тіла до другого.
При конвекції енергія переноситься самими ступенями газу або рідини. Енергію, ку тіло дістає або втрачає при теплопередачі, називають кількістю теплоти. Кількість теплоти, потрібна для нагрівання тіла, залежить і від того, з якої речовини це тіло. Кількість теплоти, потрібна для нагрівання тіла (або виділена ним при охолодженні), залежить від роду речови-ни, з якої складається це тіло, від маси цього тіла і від зміни його температури.
Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для збільшення темпе-ратури речовини масою 1 кг на 1 С, називається питомою теплоємністю. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла, або, кількість теплоти, яку виділяє тіло під час охолодження, треба питому теплоємність речовини помножити на масу тіла і на різницю між вищою і нижчою його температурами. Коли між тілами відбувається теплообмін, то внутрішня енергія всіх тіл,  які нагріваються, збільшується настільки, наскільки зменшується внутрішня енергія тіл, що охолоджується.
Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива. Щоб обчисли-ти кількість теплоти, яка виділяється від повного згоряння будь-якої маси палива, треба  пи-тому теплоту згоряння помножити на масу палива, що згоріло.
Внутрішня енергія – це енергія руху та взаємодії частинок, з яких складається тіло (речовина). Внутрішню енергію можна збільшити шляхом виконання роботи. Тіла, які скла-даються з різних речовин, але однакової маси, віддають при охолодженні і потребують при нагріванні різну кількість теплоти. Чим на більшу кількість градусів нагрівають воду, тим більшу кількість теплоти передають їй. Енергія не зникає і не виникає. Вона тільки перетво-рюється з одного виду в інший або переходить від одного тіла до інщого. Отже, нагрівання тіл однакової маси до однакової температури вимагає різної кількості теплоти, яка залежить від виду речовини, з якої виготовлене тіло.
Кількість теплоти, необхідна для зміни температури тіла, залежить від роду речовини, з якої воно складається, від маси цього тіла і від зміни його температури.
Фізична величина, що визначається кількістю теплоти, яку треба надати 1 кг ре-човини для підвищення температури тіла на 1 К, називається питомою теплоємністю речовини.

ХІД  РОБОТИ
1. Мо¬дель ха¬о¬ти¬ч¬но¬го ру¬ху мо¬ле¬кул і бро¬у¬нів¬сь¬ко¬го руху  [7, с. 49-50]. Ві¬до¬мий шкі¬ль¬ний при¬лад (мал. 1) вста¬но¬в¬лю¬ють на про¬е¬к¬цій¬ний апа¬рат, який при¬го¬то¬в¬ле¬ний для го-ри¬зо¬н¬та¬ль¬но¬го про¬е¬к¬ту¬ван¬ня. Над при¬ла¬дом за¬крі¬п¬лю¬ють об’¬єк¬тив з пло¬с¬ким дзе¬р¬ка¬лом чи обо¬ро¬т¬ною при¬змою. В за¬те¬м¬не¬но¬му кла¬сі про¬е¬к¬ту¬ють при¬лад на ек¬ран і пе¬ре¬мі¬ща¬ють об’¬єк-тив, до¬би¬ва¬ють¬ся ма¬к¬си¬ма¬ль¬ної чі¬т¬ко¬с¬ті зо¬бра¬жен¬ня ста¬ль¬них кульок та гумової про¬б¬ки, які зна¬хо¬дять¬ся все¬ре¬ди¬ні при¬ла¬ду. Куль¬ки де¬мон¬стру¬ють мо¬ле¬ку¬ли, а гумо¬ва про¬б¬ка – мବ¬¬ле¬нь¬¬-ку зва¬же¬ну ча¬с¬ти¬н¬ку в рі¬ди¬ні чи га¬зі, яку не ви¬д¬но неозбро¬є¬ним оком, про¬те ви䬬но під мі¬к-ро¬ско¬пом.
Обе¬р¬та¬ю¬чи ру¬ч¬ку уда¬р¬но¬го ме¬ха¬ні¬з¬му, при¬во¬дять в ха¬о¬ти¬ч¬ний рух куль¬ки і спо¬сте¬рі-га¬ють, як вна¬слі¬док спів¬уда¬рів з куль¬ка¬ми при¬хо¬дить в де¬який ха¬о¬ти¬ч¬ний рух і про¬б¬ка. Во¬на пе¬ре¬мі¬щу¬єть¬ся вна¬слі¬док не¬врі¬в¬но¬ва¬же¬но¬го бо¬м¬ба¬р¬ду¬ван¬ня куль¬ка¬ми. Пе¬ре¬мі¬щен¬ня гумо¬вої про¬б¬ки  мо¬де¬лює  пе¬ре¬мі¬щен¬ня зва¬же¬ної ча¬с¬ти¬н¬ки, яке спо¬сте¬рі¬га¬є¬мо під мі¬к¬ро¬ско¬пом, тоб¬то бро¬у¬нів¬сь¬кий рух. Цей рух слу¬гує до¬во¬лі ва¬ж¬ли¬вим до¬слі¬д¬ним під¬тве¬р¬джен¬ням ха¬о¬ти¬ч¬но¬го ру¬ху мо¬ле¬кул.







Мал. 1                                                 















Мал. 2                      мал. 3                              мал. 4

2.  Внутрішня енергія. Зміна внутрішньої енергії тіл при здійсненні роботи та при теплообміні  [13, с. 66].
Масивна металева куля падає на свинцеву пластину. Потенціальна енергія кулі, піднятої над Землею, переходить в кінетичну енергію руху кулі, але після удару в пластину немає видимого переходу кінетичної енергії в потенціальну. Зверніть увагу, що куля після удару деформувалась і змінилась її температура  (мал. 2).
В склянку з теплою водою опустити термометр. Стовпчик рідини в термометрі піднімається. Вода в склянці має енергію (мал. 3).
Пробірку, яка наповнена повітрям, щільно закривають пробкою. Крізь отвір в пробці  її з’єднують з циліндром, що має поршень. При натиранні трубки мотузкою поршень починає висуватися з циліндра (мал. 4). Колбу, яка наповнена повітрям, щільно закривають пробкою. Крізь отвір в пробці  вставляють трубку, в якій знаходиться водяна бульбашка. При нагріванні колби руками бульбашка починає підніматись.
Нагрівання тіл при теплопередачі можна продемонструвати іншим чином. Зігнути свинцеву пластину і з вкладеною термопарою потримати в руці. Можна закріпити термопару на одному кінці свинцевої пластинки, а другий кінець помістити в склянку з гарячою водою або потримати декілька секунд над полум’ям сірника. Отже внутрішню енергію можна збільшити шляхом теплообміну.
3. Конвекція у рідинах та газах. В тіньовій проекції демонструють потоки повітря, нагрітого в полум’ї спиртівки. Або вертикально встановлену скляну трубку наповнюють димом. Дим порівняно довго залишається в ній. Але якщо знизу до отвору трубки піднести запалений сірник, то конвекційні потоки гарячого повітря викличуть енергійний рух диму знизу вгору (мал. 5) [13, с. 69].
[7, с. 165]. Прилад, що виготовляється промисловістю спеціально для демонстрації конвекції рідини, є скляною трубкою діаметром  25  мм  з   відкри тими кінцями, зігнутої у вигляді лі-тери U. Дещо нижче відкритих кінців коліна трубки з’єднані між собою перемичкою – труб-кою такого ж діаметру. До приладу додаються дві сітчаті ложечки з дротяними ручками різ-ної довжини; кінці ручок зігнуті гачком, щоб їх можна було вішати на край трубки.
мал. 5
Перед дослідом прилад укріплюють в вертикальному положенні, як це показано на (мал. 6). Позаду трубки розміщують білий екран, на фоні якого краще видно конвекційні по-токи. Наливають у прилад холодну воду,  заповняючи нею всю верхню горизонтальну труб-ку. Потім на сітчасте дно кожної ложечки кладуть невеликий шматочок барвника, наприклад кристалики марганцевокислого калію. Ложечки з барвником опускають в обидва коліна приладу і підвішують їх за краї трубки так, щоб ручки не заважали спостереженню конвекційних потоків.
Для демонстрування конвекції під прилад підставляють спиртівку: її полум’я повинно охоплювати кут приладу під одною з ложечок і по можливості не дотикатись нижньої гори-зонтальної частини трубки. В підігрітій таким чином воді виникають конвекційні потоки, тому поблизу обох ложечок одночасно з’являться різко зафарбовані потоки води. Від ложеч-ки, розміщеної над нагрівачем, зафарбований потік буде підніматись вгору, а від іншої – та-кий же потік піде вниз. Явище буде чітко спостерігатись до злиття двох зафарбованих пото-ків. У цьому досліді слід звернути увагу на напрямок  конвекційних потоків і на одночас-ність їх виникнення в будь-якому перерізі трубки.











мал. 6                    мал. 7                                                  мал. 8
Конвекцію у повітрі можна помітити з допомогою легкої паперової змійки, посадже-ної на вістря і розміщеної над полум’ям спиртівки (мал. 7) або ж над ввімкнутою у мережу електричною плиткою. Висота, на якій слід розмістити змійку для отримання максимального ефекту, підбирається експериментально. Звертають увагу на те, що обертання змійки у дано-му випадку викликається потоками нагрітого повітря, яке піднімається над запаленою спир-тівкою або ж увімкненою плиткою, утворюючи конвекцію.      Даний потік гарячого повітря можна зробити добре помітним. Для цього слід використати тіньове проектування. Якщо на шляху потоку розмістити похило лист картону, то потік буде обгинати лист (мал. 8).

Мал. 9                                                мал. 10
4. Кількість теплоти. Питома теплоємність [13, с. 71]. На електроплитку кладуть склянку з водою. Початкову температуру води  вимірюють. Після вмикання нагрівника слідкують за  підвищенням  температури. Помічають, що чим на більшу кількість градусів нагрівають воду, тим більшу кількість теплоти передають їй (мал. 9).
На два однакових нагрівники ставлять склянки з  водою різної маси.  Температуру во-ди в кожній вимірюють. Після вмикання нагрівників температура в склянці з водою  більшої  маси зростає повільніше. Отже, чим більша маса тіла, тим більшу кількість теплоти потрібно затратити для його нагрівання (мал. 10).
На два однакових нагрівники поміщають посудини з маслом та водою рівної маси та однакової температури. Після вмикання нагрівників, температура масла підвищується швидше. Отже, нагрівання тіл однакової маси до однакової температури вимагає різної кількості теплоти, яка залежить від виду речовини, з якої виготовлене тіло.
Кількість теплоти, необхідна для зміни температури тіла, залежить від роду речовини, з якої воно складається, від маси цього тіла і від зміни його температури.
Фізична величина, що визначається кількістю теплоти, яку треба надати 1 кг ре-човини для підвищення температури тіла на 1 К, називається питомою теплоємністю речовини.
5. Порівняння теплоємності різних металів [7, с. 172].
Перед дослідом знімають зі стояка приладу Тиндаля обойму з циліндриками і пере-вертають її циліндриками вгору. При цьому слідкують за тим, щоб шайби на стержнях ввійшли в отвір відкидної планки і помістились між планкою і обоймою. Посувають планку, як показано на (мал 11), і потім закріплюють стержні в цьому положенні. Опускають циліндрики в жерстяну ванну в яку заздалегідь наливають гарячу воду.  Поки циліндрики нагріваються в воді, на стояку встановлюють підготовлену для досліду парафінову пластин-ку. Її закріплюють ребром в спеціальних пазах стояка, підклавши знизу жерстяну кювету – форму (мал. 12). Потім демонструють дослід.
Витягнуту з окропу обойму насажують на стояк і, зсунувши планку, одночасно вики-дають циліндрики на парафінову пластинку. Якщо якийсь з них дещо змістився в сторону, то його потрібно швидко поправити (мал. 13). Потім слідкують за тим, як циліндрики, розплавляючи парафін, поступово опускаються в пластинку і зупиняються, коли їх температура стане нижче точки плавлення парафіну.  Різна глибина занурення циліндриків свідчить про різну кількість теплоти, яка віддається кожним з них при остиганні на однакове число градусів, тобто про неоднакову теплоємність. Так як маси у циліндриків однакові, можна зробити висновок: питома теплоємність різних металів, з яких виготовлені циліндрики, неоднакова.
Глибина занурення циліндриків добре співпадає з даними таблиці: найменша глибина занурення в свинцю – питома теплоємність 130 дж/(кг град), потім слідує латунь – с = 400 дж/(кг град), сталь – с = 460 дж/(кг град) і алюміній – с = 880 дж/(кг  град).
Після проведення досліду парафінову пластинку звільняють від циліндриків, склада-ють у форму і підгрівають, поки парафін не розплавиться. Потім парафіну дають застигнути. Щоб з новою пластиною можна було повторити дослід, її виймають з форми, легко підтримуючи краї форми натискаючи на дно.
мал. 11                            мал.1 2                                 мал. 13

Додаткові експериментальні завдання.
1.    Покладіть п’ятикопійкову монету на лист фанери або на дерев’яну дошку. Притисніть монету до дошки і рухайте її швидко то в одну то в другий бік. Запам’ятайте скільки разів треба пересунути монету, щоб вона стала теплою, гарячою. Зробіть висновок про зв’язок між виконаною роботою і збільшенням внутрішньої енергії тіла.
2.    За допомогою мірного циліндра чи мензурки відміряйте склянку приблизно 100г холодної води і виміряйте її температуру. Налийте в калориметр приблизно стільки ж гарячої води і виміряйте її температуру. Обережно влийте зі склянки в калориметр хо-лодну воду і після встановлення теплової рівноваги виміряйте температуру суміші. Обчисліть кількість теплоти Q1, яку отримала холодна вода: Q1 = cm1(t - t1). Обчисліть кількість теплоти Q2, яку віддала гаряча вода: Q2 = cm2(t2 - t). Порівняйте їх і зробіть висновки.
3.    Кидають м’яч з деякої висоти. Звертають увага на те, що м’яч після удару підстрибує на меншу висоту, ніж та з якої він падав. Зменшення висоти підйому після падіння по-мітніше, якщо м’яч зробить декілька підскоків. Далі беремо свинцеву пластину. За до-помогою термопари, яка з’єднана з чутливим гальванометром, фіксують температуру свинцевої пластини. Потім на свинцеву пластину з деякої висоти  падає гиря більшої маси. Після удару об пластинку гиря майже не підстрибує. Температуру свинцевої пла-стинки знову вимірюють.

Еталоні завдання для підсумкового контролю рівня фахової
обізнаності.
1.     (Б:ПВЗ) Як показати вплив температури на лінійні розміри тіл?
2.    (Б: ПВЗ) Що таке броунівський рух та як його продемонструвати?
3.    (А: ПВЗ) Якими способами можливо змінювати внутрішню енергію системи?
4.    (А: ПВЗ) У  якого  з двох тіл – латунній  трубці чи повітря всередині в ній, внутрішня енергія зміниться більше при нагріванні трубки?
5.    (Б: ПВЗ) Як продемонструвати  теплопровідність тіл?
6.    (А: ПВЗ) У досліді  для  вивчення  теплопровідності рідин  різне нагрівання стінок і дна пробірки учень пояснив поганою теплопровідністю скла. Доведіть, що  у даному ви-падку мова  йде саме про погану теплопровідність води.
7.    (Б: ПВЗ) Як краще всього продемонструвати конвекцію рідин та газів?
8.    (Б: ПВЗ) Поясніть на основі молекулярно-кінетичної теорії, чому не підвищується теи-пература під час плавлення і кристалізації тіл.
9.    (Б: ПВЗ) Як продемонструвати конвекційний потік газу у тіньовій проекції?
10.    (А: ПВЗ) У якому випадку зміна показів рідинного манометра відбувається швидше, якщо теплопередавач та теплоприймач повернуті один до одного блискучими поверх-нями чи коли – чорними поверхнями?
11.    (Б: ПВЗ) Як можна продемонструвати залежність інтенсивності випроміню-вання від стану поверхні тіла, що випромінює?
12.    (Б: ПВЗ) Як вводиться поняття питомої теплоємності тіла?
13.    (Б: ПВЗ) Як експериментально вводиться поняття теплоти згоряння палива?
14.    (Б: ПВЗ) Які проводяться демонстрації для підтвердження закону збереження енергії в механічних та теплових процесах?
15.    (Б: ПВЗ) Поясніть, на якому фізичному явищі заснований стародавній спосіб добу-вання вогню тертям.