Тепловое движение. Температура.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Урок № 1. Тема: Тепловое движение. Температура.

Цель урока:

Дать понятие теплового движения молекулы. Ввести понятие темпера­туры. Познакомить учащихся с основными характеристиками тепловых процессов, с тепловым движением как особом виде движения.

Ход урока

Повторение

• Как называются частицы, из которых состоят вещества?

• Какие наблюдения свидетельствуют, что размеры молекул малы?

• Какие явления показывают, что вещества состоят из частиц, раз­деленных промежутками?

• Как изменяется объем тела при уменьшении или увеличении рас­стояния между частицами?

• Что такое диффузия?

• Одинаково ли быстро протекает диффузия в газах, жидкостях и в твердых телах?

• Почему твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы?

• Какие явления указывают на то, что молекулы не только притя­гиваются друг к другу, но и отталкиваются?

• Что вы знаете о молекулах одного и того же вещества?

• Какие три состояния вещества вы знаете?

• Имеются ли различия между молекулами льда, воды, водяного пара?

• Как расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердые тела?

Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Определение тепловых явлений.

2. Измерение температуры. Термометр.

3. Тепловое движение.

1. Определение тепловых явлений

В окружающем мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел.

Словами «холодный», «теплый», «горячий» указывают на различную степень нагретости тела и говорят о различной температуре. Для объектив­ности измерений температуры были созданы различного рода термометры.

Нетрудно убедиться, что при повышении температуры газа возрастает его давление на стенки сосуда.

Проводится демонстрация: химическая пробирка, закрытая пробкой с индикатором давления, стакан с теплой водой. Пробирка опускается в ста­кан с теплой водой, давление на индикаторе повышается.

1. Измерение температуры. Термометр.

Опыт показывает, что в основном все твердые тела и жидкости расши­ряются при повышении температуры. Таким образом, явление теплового рас­ширения тел тоже может быть использовано для измерения температуры.

В повседневной деятельности мы часто встречаемся с понятиями «хо­лодно», «горячо». Однако ощущение тепла и холода является субъектив­ным фактором. В субъективности теплового ощущения учащиеся могут убедиться на следующих опытах:

а) на столе устанавливают три сосуда с водой: один с горячей водой, второй - с холодной и третий - с теплой. Предлагают одному желающему ученику поместить левую руку в сосуд с горячей водой, а правую - в сосуд с холодной. Через некоторое время предлагают ученику обе руки опустить в сосуд с теплой водой. Ученик сообщает, что теперь правая рука чувствует тепло, а левая - холод, хотя обе руки находятся в одной и той же воде;

б) учитель предлагает учащимся левой рукой дотронуться до деревян­ного предмета (например, стол, стул), а правой - до металлического. Хотя предметы находятся в классе при одной и той же температуре, левая рука ощущает тепло, правая - холод.

Вывод: с помощью ощущений судить о температуре невозможно.

Первый прибор для объективной оценки температуры был изобретен Гали­леем в 1592 г. Термоскоп Галилея был очень чувствителен к изменению тем­пературы. Газовые термометры используются в науке в качестве образцового прибора, по которому градуируются все остальные термометры.

Самое широкое применение на практике приобрели жидкостные термо­метры, в которых для регистрации температуры используется тепловое расширение жидкости. Чаще всего для этих целей используют ртуть или подкрашенный спирт.

Демонстрируются два термометра, обращают внимание на устройство медицинского термометра, и на диапазон температур.

Формулируются пра­вила, обеспечивающие сохранность термометра и правильность измерений.

• Определить, в каких диапазонах температур можно производить из­мерения с помощью данного термометра.

• Определить цену деления шкалы и определить, с какой точностью можно измерить температуру с помощью данного термометра.

Совершенствованием термометров занимались много ученых. Каждый из них создавал свою шкалу. Некоторые из этих шкал широко распростра­нялись, другие, наоборот, быстро забылись.

В настоящее время в большинстве стран для научных и практических целей используется Международная практическая температурная шкала, которую предложил использовать А. Цельсий (1701 - 1744). За нуль принимается температура плавления льда при нормальном ат­мосферном давлении (101,325 Па). Температуре кипения дистиллирован­ной воды при нормальном атмосферном давлении приписывается значение 100 градусов. Шкала делится на 100 равных частей - градусов, каждый гра­дус можно вновь поделить на равные доли.

Во Франции (и до революции в России) применялась шкала Реомюра, предложенная французским естествоиспытателем Р. Реомюром в 1730 г. В Англии и США до сих пор используется шкала Фаренгейта. Кипение воды по шкале Реомюра равно 80° R, по шкале Фаренгейта F. Такой произ­вольный выбор нуля температур существенно усложняет теоретические выводы, приводит к громоздким формулам и ненужным вычислениям. У. Томсон в 1848 г. (получивший впоследствии за научные заслуги ти­тул лорда Кельвина) предложил ввести новую шкалу температур, которая называется абсолютной. Нулевой уровень -С - шкала Кельвина.

Важно отметить, что любое измерение температуры требует времени. Время необходимо для того, чтобы термометр мог войти в состояние теп­лового равновесия с телом, температуру которого мы измеряем.

Фактически термометр показывает собственную температуру, которая в состоянии теплового равновесия равна температуре тела.

Некоторые из температур, встречающиеся в природе и технике, можно найти в таблице:

1. Тепловое движение

Учащимся уже известно, что диффузия при более высокой темпера­туре происходит быстрее. Для доказательства этого факта можно проде­монстрировать опыт: опустить два кристаллика медного купороса в стакан с холодной и горячей водой. Во втором стакане скорость диффузии будет выше. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. Наблюдение за явлением диффузии позволило установить: скорость движения частиц вещества зависит от температуры.

Теплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная, разница меж­ду ними лишь в скорости движения молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют те­пловым движением. В тепловом движении участвуют все молекулы тела.

Вывод: температура - это физическая характеристика состояния веще­ства, определяемая средней кинетической энергией хаотичного движения частиц вещества. С ростом температуры растет их средняя кинетическая энергия.

Важнейшим понятием тепловых явлений является тепловое движение.

Опр. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называ­ется тепловым движением.

Необходимо обратить внимание учеников на то, что тепловое дви­жение отличается от механического тем, что в нем участвуют очень много частиц и каждая движется беспорядочно.

Тепловое движение никогда не прекращается. Оно может лишь менять интенсивность. Траектория одной молекулы - ломаная линия. Чем больше частиц в веществе, тем более замысловатую форму имеет траектория от­дельной частицы. Элементарный фрагмент такой ломаной - длина свобод­ного пробега от соударения до соударения одной частицы с другой.

Закрепление изученного материала

• Как меняется давление газа при изменении его температуры (при постоянном объеме)?

• Как меняются размеры твердых тел и жидкостей при изменении их температуры?

• Что мы понимаем под температурой вещества?

• Сформулируйте правила измерения температуры воды, воздуха.

• Какие температурные шкалы вам известны?

• Какие точки приняты в качестве основных на шкале Цельсия?

Задача. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему же на ощупь ножницы кажутся холоднее?

Ответ. Будем считать, что температура воздуха в комнате (и всех тел) меньше температуры тела человека. При контакте руки человека с другими телами происходит теплопередача в виде теп­лопроводности. Тепло переходит от более нагретого тела (руки че­ловека) к менее нагретому (ножницам или карандашу). Теплопро­водность металла выше теплопроводности дерева. Поэтому тепло, сообщенное рукой человека металлу в местах контакта руки и ножниц, распространяется вглубь металла быстрее, нежели в слу­чае контакта руки человека и дерева (материал карандаша). «Ско­рость отнятия тепла» в случае контакта руки человека с металлом выше. Поэтому ножницы кажутся на ощупь холоднее. При равен­стве температур руки человека, ножниц и карандаша оба тела на ощупь кажутся одинаково «горячими». В случае, если температура ножниц и карандаша выше температуры тела человека, ощущения человека будут обратными: более «холодным» будет казаться ка­рандаш.

Домашнее задание: §1 учебника; вопросы и задания к параграфу;

Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 915, 916.

Экспериментальное задание (для желающих). В стакан с холодной водой осторожно долить горячей воды. Измерить температуру воды у дна стакана, в середине и у поверхности. Какой можно сделать вы­вод? Как правильно измерять температуру жидкости?