Виды теплопередачи. Теплопроводность

Цели:  Образовательные: 1. Изучить   сущность   явлений   теплопередачи,   раскрыть   сущность   признаков   таких   явлений,   как теплопроводность, конвекция, излучение. 2. Сравнить условия протекания таких явлений, как теплопроводность, конвекция, излучение. 3. Систематизировать физические понятия на частно­системном уровне Развивающие: 1. 2. Воспитательные: 1. Формирование физической картины мира Развитие логического мышления: сравнение, абстрагирование, систематизация, классификация. Развитие эмпирического мышления Дидактические ­ создать условия для проведения физического эксперимента с последующей обработкой результатов, используя информационные технологии.        Демонстрации:  №1. Демонстрация нагрева второго конца стержня при нагревании первого за счет теплопроводности. Сравнение теплопроводности разных металлов №2. Конвекция в газе №3. Теплопередача за счет излучения №4 Теплообмен между слоями жидкости        План урока: 1 Организационный момент 2 Изучение нового материала 3 Закрепление изученного материала 4 Подведение итогов              Оборудование:  Измерительная система Научные развлечения, компьютер, мультимедийный проектор, слайдовая презентация, бланки       Учебно­методическое и программное обеспечение урока: Ход урока 1. Организационный момент Запишите тему урока «Теплопередача. Виды теплопередачи». 2. Изучение нового материала. Каждое   тело   имеет   вполне   определенную   структуру,   оно   состоит   из   частиц,   которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом. Кинетическая энергия всех молекул, из которых   состоит   тело,   и   потенциальная   энергия   их   взаимодействия   составляют   внутреннюю энергию   тела.   Она   зависит   от   температуры   тела,   агрегатного   состояния   вещества   и   других факторов. Внутренняя энергия не является какой­то постоянной величиной. У одного и того же тела   она   может   изменяться.   Одним   из   способов   изменения   внутренней   энергии   является теплопередача. Теплопередача в свою очередь может осуществляться тремя способами. А вот что это за способы нам предстоит с вами выяснить в ходе урока. Учитель:   С   таким   явлением   как   теплопередача   мы   встречаемся   в   повседневной   жизни. Простой пример: у меня на столе лежат два предмета – ножницы и карандаш. Попробуйте их на ощупь и скажите, какой из предметов холоднее? Ученики: ножницы Учитель: Но почему? Они имеют одинаковую температуру, т.к. давно находятся в классе.  Ученик: (версий выдвигается много, но чаще неверные). Учитель:   Второй   вопрос   к   вам:   почему   красиво   оформленные   радиаторы   отопления   не помещают в комнате у потолка? Ученик: (на этот вопрос 1­2 учащихся дают верный ответ). Учитель:  Почему в жаркий солнечный летний день мы надеваем легкую, и светлую одежду, закрываем голову светлой шляпой, панамой и т.д.? Ученик: (версий тоже много, но редко ­ правильная). Учитель:  Чтобы ответить правильно на эти и другие интересные вопросы превратимся на время урока в исследователей и обратимся к опытам. Итак, уважаемые коллеги, теперь вы неучащиеся  8  класса, а мои коллеги физики, исследователи  видов теплопередачи. Именно этой проблеме посвящена наша с вами работа. Австрийский физик П.Эренфест, выступая перед молодыми исследователями, сказал: "Ради бога, не бойтесь говорить глупости! Лучше 99 раз сказать ерунду, чтобы один раз что­нибудь выскочило!" Демонстрация опыта №1 Учитель:  Рассмотрим первый  вид теплопередачи ­  теплопроводность. Предлагаю провести опыт,   с   помощью   которого   мы   рассмотрим   процесс   теплопроводности   на   примере   передачи внутренней энергии от одной части металлических стержней к другим. Во всех опытах мы будем использовать датчики температур. Прикрепим к датчикам металлические стержни: один из меди, второй – из стали. Один из концов стержней опускается в горячую воду, а изменение внутренней энергии   другого   конца   стержней   непосредственно   регистрируется   с   помощью   датчика температуры.   На   экране   будет   изображаться   график   зависимости   температуры   от   времени, внимательно наблюдайте за изменением графика на экране. (идет опыт) Учитель: Заметьте, что со временем температура повышается, отсюда следует, что внутренняя энергия передается от более нагретого конца стержня к менее нагретому. Выясним, как это происходит. Мы говорили, что частицы хаотически движутся. Очевидно, что в той части  стержня,  который  расположен  в воде,  скорость  колебательного  движения  частиц увеличивается. Поскольку частицы взаимодействуют, то увеличивается скорость соседних частиц, следовательно,   начинает   повышаться   температура   следующей   части   стержня.   Т.о.   происходит передача энергии от более нагретой части к менее нагретой. Учитель:  Вещества разные. Одинаково ли они передают тепло? На графике мы видим две кривые роста температуры, соответствующие двум различным материалам.  Учитель: Попробуйте предположить, какая кривая соответствует нагреву медного стержня. Ученик: верхняя. Учитель:   верно,   нижняя   –   стального.   Это   показывает,   что   медь   нагревается   быстрее,   чем сталь. Следовательно, теплопроводность у различных металлов неодинакова. Итак, дадим определение теплопроводности. Теплопроводность ­ это вид теплопередачи, при   котором   энергия   передается   частицами,   имеющими   большую   энергию,   частицам, имеющим меньшую энергию (от нагретой части тела к холодной). слайд Результат опыта позволяет сформулировать особенности этого вида теплопередачи. Особенности: 1) при теплопроводности не происходит переноса вещества от одной части тела к другой; 2) разные вещества имеют разную теплопроводность (у металлов – хорошая (искл. Ртуть и расплавленные металлы); у жидкостей – мала; у газов – почти нет; самая низкая – вакуум – безвоздушное пространство).  Учитель:  Давайте   ответим   на   вопрос,   прозвучавший   в   начале   урока.   Почему   на   ощупь ножницы холоднее, чем карандаш?  Идет обсуждение вопроса и делается вывод.  Ученик: теплопроводность металла больше, он быстрее забирает тепло от руки, поэтому мы ощущаем прохладу.  Учитель: рассмотрим второй вид теплообмена ­ конвекция.  Демонстрация опыта №2 Учитель   располагает   руку   сначала   выше   датчика,   а   затем   ниже   датчика.   На   экране вычерчивается   в   реальном   времени   график   изменения   температуры   со   временем:   она   не изменяется,   когда   датчик   под   рукой   (в   промежутке   времени   от   0   до   18,   6   с   t   =   26,0°С),   и повышается от 26,0 °С до 26,5 °С, когда датчик над рукой (в промежутке от 18,6 до 35 с). Первый результат для учащихся ожидаемый (воздух – плохой проводник тепла), второй – нет (тепло всё­ таки проходит). Учитель:  Между   рукой   и   датчиком   в   обоих   случаях   находится   воздух.   Воздух   плохой теплопроводник, но когда рука сверху – датчик не нагревается, а когда рука снизу – нагревается.Почему? Очевидно, что существует поток нагретого воздуха, поднимающийся над рукой. Это явление   можно   объяснить   таким   образом.   Воздух,   соприкасаясь   с   рукой,   нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.  Учитель: Так что же такое конвекция? Ученик:  Конвекция   –   это   вид   теплообмена,   при   котором   тепло   переносится   самими струями   газа   или   жидкости.  Конвекция   от   латинского   слова   «конвекцио»   и   означает перенесение. Учитель: запишите в тетрадь. слайд Учитель: Различают два вида конвекции: естественную (свободную) и вынужденную. Мы с вами наблюдали естественную конвекцию. Вынужденная конвекция – это например, охлаждение комнаты с помощью вентилятора. Особенности:  1) само вещество переносится; 2) существует только в жидкостях и газах, ее нет в твердых телах. Учитель: Мы с вами подошли к ответу на второй вопрос: “Почему красиво оформленные радиаторы отопления не помещают в комнате у потолка?”  Ученик:   Нагревание   воздуха   в   комнате   происходит   в   результате   конвекции,   а   чтобы   она происходила, нагревать нужно снизу, значит, радиаторы отопления должны быть внизу, под окном, т.е. в самом холодном месте комнаты. Учитель: Рассмотрим новый вид теплопередачи ­ излучение. Демонстрация опыта №3 Учитель:  Прикрепим к одному из датчиков черную пленку, к другому – белую. Они будут использоваться в качестве приемников излучения. Включаем лампу и наблюдаем, что происходит. А   теперь   выключим   лампу.   Проанализируем   характер   изменения   температуры   для   разных датчиков. Напоминаю, что датчики регистрируют нагрев пленки, облучаемой лампой накаливания. Ученик: увеличение температуры зависит от цвета пленки. Учитель:  Обратите   внимание   на   характер   остывания   разных   датчиков:   черный   остывает быстрее,   даже   при   одинаковой   температуре   тел,   о   чем   можно   судить   по   наклону   кривых остывания отсчитываемых от температуры, равной максимальной температуре белой пленки. Итак, энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между датчиками и лампой   находится   воздух,   а   он   плохой   теплопроводник.   Конвекция   также   не   наблюдалась, поскольку лампа находится рядом, а не под датчиками. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения. Излучение ­ это вид теплопередачи, осуществляемый путем излучения более нагретым телом, распространения излучения и его поглощения менее нагретым телом. Особенности:  1) излучают все нагретые тела (твердые, жидкие, газообразные), 2) происходит в вакууме, 3) зависит от цвета поверхностей (темная поверхность лучше излучает и поглощает тепло, светлая ­ наоборот). Теперь мы с вами можем ответить на вопрос, поставленный в начале урока:  “Почему в жаркий солнечный летний день мы надеваем легкую и светлую одежду, закрываем голову светлой шляпой, панамой и т.д.?” Ученик: Одежда светлого цвета меньше нагревается в жаркий солнечный летний день, и нам не так жарко. Учитель: Итак, подведем итоги проделанных опытов. Какие виды теплопередачи существуют? Назовите особенности теплопроводности (конвекции, излучения). Теперь попытаемся систематизировать наши знания (схема).Внутренняя энергия Теплопередача Теплопроводность Конвекция Излучение 3. Закрепление изученного материала. Демонстрация № 4 4. Подведение итогов работы на уроке:  Знаю и могу объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Вопрос Что такое конвекция? Что такое  теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между  конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого  вида теплопередачи,  как излучение. А в заключении я хочу сказать, что физик видит то, что видят все: предметы, явления, он, так же как и все восхищается красотой мира, но за этой красотой ему открывается еще одна: красота закономерностей в бесконечном разнообразии вещей и событий. И сегодня мы с вами приоткрыли лишь маленькую дверь в этот огромный мир, мир глазами физика. 1. Температура тела человека больше 20 градусов. Теплообмен между человеком и водой намного   интенсивнее,   т.к.   теплопроводность   воды   больше   теплопроводности   воздуха. Поэтому в воде с температурой 20 градусов холоднее, чем на воздухе с температурой 16. 2. Воздух охлаждается  способом конвекции. Поступающий  из форточки холодный воздух опускается вниз, и постепенно вытесняя теплый, заполняет комнату. 3. Явление   естественной   конвекции   основано   на   изменении   плотности   в   зависимости   от температуры   газа,   а   значит   и   веса   различных   его   слоев.   Поскольку   тела   находятся   в состоянии невесомости, свободной конвекцией невозможно пользоваться.Вопрос Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как излучение. Вопрос Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как излучение. Вопрос Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как излучение. Вопрос Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как излучение. Вопрос Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как излучение. Вопрос Что такое конвекция? Что такое теплопроводность? Что такое излучение? В чём различие между конвекцией и  теплопроводностью? Пример теплопередачи путем конвекции. Особенности такого вида теплопередачи, как Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаю Знаю и могу  объяснить другому Знаю, но надо  подучить Не знаюизлучение.