Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение

Поурочные разработки по Физике 8 класс к УМК А.В. Перышкина - 2017 год

Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение - ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Тип урока: урок открытия нового знания.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития исследовательских навыков, развития критического мышления, педагогики сотрудничества.

Цели: сформировать знания о трех видах теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучении; научить объяснять различные тепловые явления на основе молекулярно-кинетической теории.

Формируемые УУД: предметные: научиться объяснять физический смысл конвекции, излучения, теплопроводности; использовать полученные знания в повседневной жизни; метапредметные: планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками; выделять и осознавать то, что уже усвоено и что еще подлежит усвоению; оценивать качество и уровень усвоения материала; составлять план и последовательность действий; корректировать изученные способы действий и алгоритмы; ставить и формулировать проблемы; формулировать гипотезу опыта; усвоить алгоритм деятельности; анализировать и оценивать полученные результаты; искать и выделять необходимую информацию, используя таблицу; личностные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками и учителем; развитие интеллектуальных способностей учащихся.

Приборы и материалы: штативы, медный и железный стержни, воск, кнопки или гвоздики, спиртовки, деревянный цилиндр, обернутый в бумагу, закрепленную металлическими кнопками, лампа накаливания с отражателем, бумажная вертушка, пробирка с водой, кристаллы медного купороса, излучатель, теплоприемник, U-образный жидкостный манометр, электронное приложение к учебнику.

Ход урока

I. Организационный момент

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит опрос-беседу по вопросам и заданиям учебника, ученики подводят итоги экспериментальной работы.)

III. Изучение нового материала

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Изменение внутренней энергии посредством теплообмена может производиться по-разному. Различают три вида теплообмена (рис. 1).

(Ученики систематизируют материал темы в таблице “Виды теплопередачи”, заполнение которой продолжат на следующем уроке.)

Виды теплопередачи

Теплопроводность — такой тип теплообмена, при котором тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул. Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

- Проведем опыт, который показывает, что тепло по разным материалам перемещается с разной скоростью (рис. 2).

Демонстрация 1. Возьмем два стержня одинаковой геометрии из меди и железа. На равных расстояниях по длине стержней укрепим кнопки на воске и свободные концы стержней начнем нагревать от спиртовки. Первыми начнут падать кнопки с медного стержня.

Вывод. Тепло быстрее перемещается по медному стержню.

— Рассмотрим другой опыт.

Демонстрация 2. На деревянный цилиндр наколем ряд кнопок и обернем его одним слоем бумаги. При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелки происходит неравномерное обугливание бумаги.

— Почему бумага, прилегающая к кнопкам, обуглилась меньше?

Рассмотрим физическое содержание процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности состоит в том, что само вещество не перемещается. Чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами больше, — плохие проводники тепла. К ним относятся различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теплопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками много воздуха. Именно наличие меха позволяет животным переносить зимнюю стужу.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационные ролики 10 “Толщина теплоизоляционных материалов” и 11 “Сравнительная толщина стен” из электронного приложения к учебнику.)

Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Демонстрация 3. Включим лампу накаливания с отражателем и поместим над лампой бумажную вертушку. Вертушка начала вращаться. Холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, поэтому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жидкость.

Демонстрация 4. Нагреем пробирку с водой, на дно которой опущены кристаллики медного купороса. Появились голубые “змейки”, которые поднимаются вверх.

Жидкость можно нагреть сверху, но это длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности. Система отопления помещений основана именно на перемещении конвекционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемешивание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Главным отличием конвекции от теплопроводности является то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не переносится.

Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело является источником излучения. Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Если провести опыт с излучателем (или любым нагретым телом) и теплоприемником, мы можем убедиться в том, что от излучателя лучистая энергия попадает на теплоприемник, и нагретый в колене манометра воздух увеличивает свое давление.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 16 “Опыт с теплоприемником” из электронного приложения к учебнику.)

Если темную мембрану теплоприемника заменить на зеркальную, то степень поглощения лучистой энергии станет заметно меньше, что видно по малому перепаду уровней жидкости в коленах манометра.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отдают в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной температуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

IV. Закрепление изученного материала

(Учитель проводит опрос-беседу.)

— Какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность? Приведите примеры.

— Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

— Почему конвекция невозможна в твердых телах?

— Почему тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем тела со светлой поверхностью? Приведите примеры.

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, продолжив фразы.)

1. Мне больше всего удалось.

2. Для меня было открытием, что.

3. Сегодня я научился.

4. Мне было трудно.

5. Мне было интересно.

6. Я почувствовал, что.

7. Я понял, что.

8. Своей работой на уроке я доволен (не доволен), потому что.

Домашнее задание

1. § 4—6 учебника, выполнить упражнения 3—5.

2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 956, 960, 970, 979.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос”, “Виды теплопередачи в быту”, “Теплопередача в атмосфере”, “Учет и использование видов теплопередачи в сельском хозяйстве”.

Дополнительный материал

Конвекция

С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов в виде очень плотной жидкой массы. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера. Самый верхний слой литосферы — земная кора.

Литосфера состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности мантии. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в различных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещение литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов.

Там, где плиты расходятся, возникают океанские впадины. В других местах, где плиты сталкиваются, образуются горные массивы. Скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно и плиты сдвигаются на 2—3 см в год. Однако за геологические эпохи плиты могут перемещаться на сотни и тысячи километров.

Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни и тысячи раз больше, чем у изоляторов? Дело, очевидно, в структуре металлов, в особенностях металлической связи. Если бы теплопроводность металлов определялась только колебаниями частиц в узлах кристаллической решетки, то она бы не отличалась от теплопроводности изоляторов. Но в металлах есть еще множество свободных электронов — электронный газ, который и обеспечивает их высокую теплопроводность.

В участке металла с высокой температурой часть электронов приобретает большую кинетическую энергию. Так как масса электронов очень мала, то они легко проскакивают десятки промежутков между ионами. Говорят, что у электронов большая длина свободного пробега. Сталкиваясь с ионами, находящимися в более холодных слоях металла, электроны передают им избыток своей энергии, что приводит к повышению температуры этих слоев.

Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше теплопроводность. Именно поэтому у чистых металлов в кристаллической решетке которых дефектов относительно мало, теплопроводность велика. У сплавов дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше, соответственно меньше и теплопроводность.