Решение эксп задач по теме "Количество теплоты". 8-й класс

Разделы: Физика


Цель:

  • Актуализация опорных знаний по теме «Количество теплоты»;
  • Контроль и закрепление основных навыков экспериментальной работы;
  • Развитие познавательных умений и самостоятельности к творческому поиску при решении конкретных задач;
  • Развитие умений анализировать работу; умение сравнивать теоретические выводы и результат эксперимента.

Регламент: 1 урок.

Группы: 6-7 групп по 2-4 человека в каждой группе (в зависимости от числа учащихся в классе).

Пояснительная записка.

Структура урока

Этапы урока

Содержание работы

Время (мин.)

Методы и приемы

1. Вводный

Оргмомент

1-2

 

2. Повторение

Повторение основных понятий и формул по теме «Тепловые явления»

2-3

Фронтальный опрос

3. Основной этап

Выполнение экспериментальных заданий

20-25

Работа в парах

4. Контролирующий

Контроль знаний

В течение всего времени

Собеседование о ходе выполнения задания, вопросы по теории (индивидуально с каждым учеником поочередно)

5. Итоговый

Обсуждение результатов, выводы.

10-15

Рефлексия

  1. Класс разбивается на 6-7 групп по 2-4 человека.
  2. Каждая группа получает задание на 25 минут.
  3. На занятии каждая группа должна выполнить свое задание.
  4. Решение задачи оформляется на бланках с указанием необходимого оборудования, рисунка опыта, выводом уравнений и расчета искомого параметра.
  5. Учащимся дают лишь тексты экспериментальных заданий. В случае затруднений при выполнении работы дается подсказка, оценка за задание при этом снижается на балл.
  6. В конце урока группы учащихся докладывают о своих результатах, обсуждают их и делают выводы.
  7. Учитель подводит итоги, выставляет оценки.

Примечание: оцениваются не только совершенно верные ответы. Важно научиться искать ответы на вопросы или задачи. Поэтому оценка ставится за поиск решения и его обоснование.

Задание №1 – базового уровня, выдается ученикам слабым. Задание №7 – олимпиадного уровня, для сильных учеников.

Повторение основных понятий и формул по теме «Тепловые явления»

  • Количество теплоты
  • График зависимости температуры от количества переданной теплоты t(Q)
  • Удельная теплоемкость
  • Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении
  • Расчет количества теплоты при плавлении (кристаллизации), парообразовании (конденсации)
  • Уравнение теплового баланса

Выполнение экспериментальных заданий

Задание 1. Из какого материала сделан цилиндр?

Оборудование: Металлический цилиндр, стакан кипятка, стакан воды при  комнатной температуре 22°С, термометр.

Задание: Опустите предварительно нагретый в кипятке (t1 =100°С) металлический цилиндр массой m1 = 54г в стакан с водой комнатной температуры (t2=22°С) массой m2 = 200г. Измерив установившуюся в результате теплового равновесия температуру t, определите, из какого материала сделан цилиндр.

Подсказка: Подсчитайте количество теплоты, отданное цилиндром при охлаждении Q1 = c1m1(t–t1). Пренебрегая потерями теплоты, приравняйте его к количеству теплоты, полученному водой Q2 = c3m2(t-t2)

Решение: c1 = c2m2(t-t2)/m1(t1-t)=4200 Дж/кг°С∙ 0,2кг(t-22°С)/0,054кг∙(100°С-t)

c1≈ 900Дж/кг°С (алюминий)

Задание 2. Смешивание воды

Оборудование: вода комнатной температуры, кипяток, 2 стакана, мензурка, колба объемом 500см3, термометр.

Задание: Полный стакан воды (объемом 200см3) при комнатной температуре t1 = 22°С и половину стакана горячей воды при температуре t2 = 100°С переливают в тонкостенную колбу. Найдите температуру воды t в колбе с помощью расчета, проверить экспериментально. Совпали или нет результаты? Если нет, то выше или ниже оказалась температура, полученная экспериментально? Почему?

Подсказка: Подсчитайте количество теплоты, отданное кипятком при охлаждении до рассчитанной теоретически и полученной практически температуры. Какое количество теплоты оказалось больше? Почему?

Решение: Вода комнатной температуры получает   Q1 = cm(t-t1), кипяток отдает Q2 = cm/2∙(t-t2). При расчете температуры t предполагаем, что система тепло изолирована, (t-t1) + (t-t2)/2 = 0; t = (t2+2t1)/3=48°С. Экспериментально измеренная температура должна оказаться меньше 48°С. Кипяток отдает по результатам расчетов 21,84 кДж теплоты. Практически - больше. Часть теплоты, отдаваемая горячей водой, тратится на нагревание стакана и окружающего воздуха.

Задание 3. Термометр

Оборудование: теплая вода, термометр, мензурка с ц.д. 1см3.

Задание: Для измерения температуры теплой воды, имеющей массу m1 = 5г, в нее погрузили термометр, который показал t. Измерив t, рассчитайте, какова действительная температура t1 воды. Теплоемкость термометра С = 1,9Дж/°С, перед погружением в воду он показывал температуру помещения t2 = 22°С. Почему она отличается от экспериментально измеренной? (Удельная теплоемкость воды c1= 4200 Дж/кг°С)

Подсказка: Теплоемкость термометра – количество теплоты, которое нужно для нагревания термометра на 1°С: С=сm. Подсчитайте количество теплоты, полученное термометром, и приравняйте  к количеству теплоты, отданному теплой водой при охлаждении.

Решение Теплая вода отдает Q1 = c1m1(tt1), термометр принимает Q2= C(tt2) теплоты.

Уравнение теплового баланса: Q1 - Q2 = 0;  c1m1(t1t) - C(tt2) = 0; отсюда t1= t + C(tt2)/c1m1= t + 1,6°С.

Часть теплоты, отдаваемая теплой водой, тратится на нагревание термометра.

Задание 4. Измерение температуры

Оборудование: 2 одинаковых термометра, 2 мензурки, банка с теплой водой объемом 500см3.

Задание: Дважды измерьте температуру теплой воды, имея в своем распоряжении одинаковые термометры и мензурки. Первый раз налейте в мензурку из литровой банки с теплой водой 20г воды, а второй  500г. Показания термометров запишите как  t1 и  t2. Объясните, почему термометры имеют разные показания температуры воды. Какой термометр более точно определяет температуру воды? Как по показаниям термометров определить температуру воды и каково ее значение? Температура воздуха в классе t3 = 22°C.

Подсказка: 1 эксперимент: теплая вода отдает Q1= c1m1(t1t0); термометр получает Q= С(t1- t3). Уравнение теплового баланса: С(t1- t3) = c1m1(t0t1). Аналогичное уравнение для 2-го случая имеет вид: С(t2- t3) = c1m2(t0t2).  Решите систему уравнений.

Решение. Термометры имеют разные показания, так как часть теплоты, отдаваемая теплой водой, тратится на нагревание термометра.
Решим систему уравнений теплового балансадля 1 и 2 случая:

С(t1- t3) = c1m1(t0t1)           (1)

С(t2- t3) = c1m2(t0t2).          (2)

Поделим (1) на (2): (t1t3)/(t2t3) = m1(t0t1)/ m2(t0t2)

Решая это уравнение, найдем, что t0 = (t2m2(t1t3) – t1m1(t2t3))/(m2(t1t3) – m1(t2t3))

t0 = (24t1t222t1 550t2)/(25t1t2 572). Это ближе кt2, чем к t1.

При большей массе воды термометр более точно определяет температуру воды: чем больше масса, тем меньше будет изменение температуры воды в процессе измерения.

Задание 5. Лед

Оборудование: стакан (лучше алюминиевый), вода при 0°С, 3 кубика льда при 0°С, секундомер

Задание: В алюминиевом стаканчике находится вода с плавающими в ней 3 кубиками льда. Масса воды со льдом 200г. Стаканчик поставили в миску с горячей водой и начали измерять температуру воды в стакане через каждую минуту. Удельная теплоемкость воды 4200Дж/кг°С, удельная теплота плавления льда 3,3∙105Дж/кг. Какова была масса кубика льда? Теплоемкостью стаканчика пренебречь.

Подсказка: Скорость теплоотдачи остается в течении всего процесса неизменна. Q1/τ1= Q2/τ2

где Q1 - количество теплоты, затраченное на плавление льда, τ1- время плавления льда;  где Q2 - количество теплоты, затраченное на нагревание воды, τ2 - время нагревания воды.

Решение Т.к. теплота, отдаваемая окружающей средой в единицу времени неизменна,   

λ3m1/τ1= cmt/τ2; m1= cm1/τ2

m1=(4200Дж/кг°С∙0,2кг∙∆1)/(3∙330000Дж/кг∙τ2) ≈ 12г

Задание 6. Снежок

Оборудование: мокрый снег, калориметр, вода комнатной температуры  22°С, калориметр, термометр

Задание: В калориметр с 100г воды при t0= 22°С опустите 25г мокрого снега. После плавления снега температура воды в калориметре стала равной t. Измерив t, определите, сколько воды содержалось в снегу. (Потерями теплоты пренебречь.)

Подсказка: Если снег мокрый, значит его температура 0°С и у воды, содержащейся в нем, тоже 0°С. Пусть m1– масса воды в калориметре, m2 – масса мокрого снега (снега и воды), m – масса снега в мокром снежке. Снег получает при плавлении Q1 = λm. При нагревании воды, получившейся при таянии снежка, поглощается Q2 = сm2(t-t0). Вода в калориметре отдала Q3 = сm1(t-t0). Составьте уравнение теплового баланса.

Решение. Уравнение теплового баланса: λm + сm2t = сm1(t0-t); m = с(m1(t0-t) - m2t)/λ

m = 28-1,6t (г); искомая масса: m2 – m = 1,6t3 (г)

Задание 7.* Второй цилиндр

Оборудование: 2 одинаковых металлических цилиндра, стакан кипятка, стакан воды при комнатной температуре 22°С, термометр.

Задание: После опускания в воду, имеющую температуру tв = 22°С, металлического цилиндра, нагретого до tц=  100°С, через некоторое время установилась общая температура t1. Какой станет температура воды t2, если, не вынимая первого тела, в неё опустить ещё одно такое же тело, нагретое до 100°С?

Подсказка: После опускания 1 цилиндра: вода получает Q1= c1m1(t1– tв); цилиндр отдает  Q= С(t1tц).

Уравнение теплового баланса: С(tц– t1) = c1m1(t1 – tв)                (1)

Аналогичное уравнение для 2-го цилиндра имеет вид: С(tцt22)=c1m1(t2t1)+ С(t2t1) (2)

Выразив из (1) С/c1m1и подставив в уравнение  (2) найдите t2.

Решение. Уравнение теплового баланса для 1 цилиндра: С(tцt1) = c1m1(t1tв).

Следовательно, С/c1m1= (t1tв)/ (tцt1)= (t1-22)/(100-t1)

Для 2-го цилиндра С(tц – t2) = c1m1(t2 – t1)+ С(t2 – t1)

С(tц – 2t2+ t1)= c1m1(t2 – t1)

С/c1m1= (t2 – t1)/(tц –2t2+ t1)

(t1-22)/(100-t1) =  (t2t1)/(100 –2t2+ t1)

Решая это уравнение, найдем  t2= (178t1-2200)/(100+t1)

Контроль знаний

В процессе выполнения задания учитель консультирует, при необходимости дает подсказки. По мере завершения работы задаются вопросы по теории (индивидуально с каждым учеником поочередно), проверяются результаты.

Обсуждение результатов, выводы.

Каждая группа докладывает о полученных результатах.

В результате выстраивается логическая цепочка:

  • Измеряя температуру воды и погруженного в нее тела, с помощью уравнения теплового баланса можно определить теплоемкость тела (если пренебречь потерями теплоты)
  • Рассчитанная с помощью уравнения теплового баланса температура не совсем точная, так как часть теплоты, отдаваемая горячим телом, тратится на нагревание стакана и окружающего воздуха.
  • Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы получаем температуру теплового равновесия. Она тем ближе к первоначальной температуре тела, чем больше масса тела.
  • Можно построить график процесса плавления и последующего нагревания, и по данному графику рассчитать, например, массу тела.
  • Можно с помощью уравнения теплового баланса (если пренебречь потерями теплоты) рассчитать, сколько в мокром снежке воды, а сколько снега
  • Не зная ни массы, ни теплоемкости тела, можно (последовательно опуская в воду одно тело за другим) предсказать получившуюся температуру.

Письменный отчет о своей работе учащиеся сдают на проверку, но оценки выставляются коллегиально после ответов на вопросы учащихся.

31.08.2018