Особенности явления выясняют с помощью опытов, описание которых приведено в книге С. А. Хорошавина «Физический эксперимент в средней школе. 6—7 классы» (М.: Просвещение, 1988.— С. 70).
Затем переходят к раскрытию трудного для понимания учащихся понятия о том, что тела с темной поверхностью при равной температуре не только лучше поглощают энергию и сильнее нагревают, но и лучше излучают ее, чем тела, имеющие светлую поверхность. Для этого ставят опыт с сосудом 1 (рис. 20.7), одна стенка которого покрыта черной, а другая белой краской. В сосуд наливают кипяток и рядом помещают два теплоприемника 2 и 3, присоединенные к различным коленам манометра или, что лучше, концам горизонтальной трубки 4, в которую помещен столбик жидкости 5. Через некоторое время столбик жидкости начнет перемещаться в результате большого повышения давления в теплоприемнике, расположенном у зачерненной стенки сосуда, показывая тем самым, что зачерненная поверхность путем излучения передает больше энергии, чем светлая поверхность.
Полезно также поставить опыт с двумя сосудами, один из которых выкрашен белой, а другой черной краской. В сосуды наливают кипяток и вставляют термометры, по которым через некоторое время будет видно, что вода в черном сосуде остывает быстрее.
Типичными задачами по данному вопросу темы являются следующие:
Все знают, как «пышет жаром» от раскаленной железной печки, от углей или электроплитки. Докажите, что в этом случае человек ощущает тепло, которое передается прежде всего излучением.
Один ученик сказал, что летом ходить в белой одежде прохладнее, поскольку она лучше отражает лучи и меньше нагревается. Другой возразил ему, сказав, что прохладнее в черной одежде, так как она лучше излучает энергию. Кто из них прав?
4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
Процесс совершения механической работы и процесс теплопередачи имеют общий признак — изменяют внутреннюю энергию тела. Меру изменения внутренней энергии путем совершения механической работы назвали просто работой, а меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи — количеством теплоты.
До определения единицы количества теплоты следует вспомнить с учащимися о физической величине — механической работе и ее расчете. Механическая работа прямо пропорциональна силе и длине пути.
Аналогично количество теплоты как мера изменения внутренней энергии тоже зависит от нескольких физических величин. Напоминают о том, что внутренняя энергия определяется скоростью теплового движения частиц, из которых состоит тело, следовательно, количество теплоты как мера изменения внутренней энергии связано с температурой тела. Если температура тела возросла, это означает, что тело получило некоторое количество теплоты, если температура тела понизилась — оно отдало некоторое количество теплоты.
Таким образом, можно сказать, что количество теплоты зависит от изменения температуры тела. Количество теплоты зависит также от второй физической величины — массы тела. В самом деле, на спиртовке за определенное время мы сможем вскипятить воду в пробирке, чего не сделаем в чайнике. Объясняется это тем, что количество теплоты за промежуток времени t будет достаточным для нагревания до 100 °С воды в пробирке и недостаточным для нагревания до температуры кипения воды в чайнике. Количества теплоты, необходимые для кипячения воды в пробирке и чайнике, будут различными; как показывает опыт, чем больше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.
То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела.
Обобщая оба случая, можно говорить о том, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разности температур в начале и в конце теплообмена.
Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ. Единицами внутренней энергии служат джоуль, килоджоуль. Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введены раньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицы для измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока еще применяются при расчетах.
Затем дают определение калории. Калория — количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 °С, т. е. калория есть мера приращения внутренней энергии 1 г воды при повышении температуры на 1 °С: 1 кал =4,19 Дж. В дальнейшем расчеты внутренней энергии следует выполнять в джоулях.
5. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
Изучение предыдущего материала подготовило учащихся к пониманию того, что изменение теплового состояния тела при теплопередаче зависит и от рода вещества. Эту зависимость характеризуют особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества.
Для перехода к понятию об удельной теплоемкости проводят ряд опытов.
Цилиндры из разных веществ одинаковой массы (равенство масс цилиндров показать взвешиванием на весах) и одинакового д аметра нагревают в кипящей воде и опускают на пластинку из парафина (рис. 20.8). Расплавив парафин, цилиндры погружаются в него на различную глубину. Из опыта делают вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, при охлаждении и при нагревании на одно и то же число градусов отдают и требуют разное количество теплоты.
В два внутренних стакана калориметра наливают по 0,1 кг воды при комнатной температуре и помещают в них термометры. В третий сосуд кладут кусок железа, наливают воду, масса которой равна массе куска железа, и нагревают до 100 °С. Затем кусок железа переносят в один из стаканов калориметра, а горячую воду выливают в другой. О повышении температуры воды в калориметрах судят по показаниям термометров.
3. Для сравнения теплоемкости жидкостей можно поставить следующий опыт. В один стакан наливают 0,1 кг воды, в другой — 0,1 кг керосина и опускают в них нагретые в горячей воде одинаковые по массе тела. Термометры покажут, что температура керосина увеличится быстрее, чем температура воды.
Данные опыты можно использовать при расчете количества теплоты, полученного водой, и количества теплоты, отданного при остывании на 1 °С телом массой 1 г (кг). После этого дают определение теплоемкости как количества теплоты, необходимого для изменения температуры тела на 1 °С, удельной теплоемкости — как количества теплоты, необходимого для изменения температуры 1 г (кг) вещества на 1 °С. Вновь подчеркивают физический смысл термина «количество теплоты» или дают другое определение: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1 г (кг) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 °С. Далее рассматривают с учащимися таблицу удельных теплоем-костей и выясняют, что означает, например, запись:
Значение различной теплоемкости в технике и природе поясняют рядом примеров.
1. Большая по сравнению с другими веществами удельная теплоемкость воды делает ее удобной для применения в водяном отоплении и в системе охлаждения двигателей. (Вследствие большой удельной теплоемкости воды даже при незначительном изменении ее температуры выделяется или поглощается большее количество теплоты.)
2.Климат островов гораздо умереннее и ровнее, чем климат больших материков, вследствие большой теплоемкости окружающих водных масс.
Расчет количества теплоты, полученного телом при нагревании или отданного при охлаждении, производят сначала арифметически, исходя из определения удельной теплоемкости.
В завершение, когда учащиеся окончательно уяснят смысл удельной теплоемкости и зависимость количества теплоты от удельной теплоемкости, массы тела и разности температур, вводят формулу Q = cm(t-t0). По данной формуле решают в основном прямые задачи, т. е. определяют значение Q. Задачи, в которых надо найти по данной зависимости с, т и особенно t или t0, трудны для учащихся VIII класса. Поэтому на ряде примеров учащимся следует разъяснить, как из данного уравнения можно найти то или иное неизвестное.
Для закрепления полученных знаний, а главное для приобретения умений и навыков производить калориметрические измерения и расчеты проводят лабораторную работу «Сравнение количеств теплоты при смешении воды». В этой работе учащиеся, как показывают наблюдения, часто допускают следующие ошибки: при измерении температуры термометр вынимают из сосуда с водой; вынимают из кожуха внутренний сосуд калориметра и работают только с ним; взвешивают внутренний сосуд вместе с внешним. Поэтому перед проведением работы необходимо провести беседу, которая бы помогла учащимся провести все измерения правильно.
Данная работа является первой попыткой подвести учащихся к пониманию закона сохранения энергии в тепловых процессах, поэтому в дальнейшем при изучении этого закона следует еще раз проанализировать результаты, метод проведения работы и установить, почему количество энергии, полученной нагревающимся телом, несколько меньше количества энергии, выделенной остывающим телом.
6. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
В данной теме расширяется понятие энергии. Вначале напоминают учащимся некоторые сведения из химии. Они сводятся к тому, что при горении происходит соединение элементов с кислородом и образование новых веществ, новых молекул. Так, например, при горении метана образуются углекислый газ и вода:
СН4 + 202 = СО + + 2Н20.
Горение, связанное с разрушением одних молекул и образованием других, сопровождается выделением некоторого количества теплоты. В данном случае изменение внутренней энергии произошло не посредством теплообмена и не путем совершения работы телом или над телом, а в результате термохимических явлен происходящих с топливом. При этом энергия движения молекул продуктов сгорания, а следовательно, и их температура будет больше, чем у молекул топлива.
Повышение температуры при сгорании топлива и увеличение кинетической энергии молекул продуктов сгорания, а затем передача окружающим телам некоторого количества теплоты объясняется изменением внутренней энергии тела.
Для конкретизации и закрепления введенных понятий можно также поставить следующий опыт.
В стеклянный цилиндр с отверстием в стенке около дна помещают свободно входящий картонный поршень. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом. Убирают подальше пульверизатор, подносят пламя спички к отверстию цилиндра и наблюдают, как поршень выбрасывается вверх. Учащимся объясняют, что при горении кинетическая энергия молекул увеличивается. В целом же внутренняя энергия топлива уменьшается, так как совершается работа по поднятию поршня.
