Физика за чашкой чая

"Физика за чашкой чая."

Нетрадиционный урок обобщения и закрепления темы "Тепловые явления"

Тема урока: "Физика за чашкой чая"

Класс: 8

Тип и урока: урок закрепления и обобщения знаний

Форма урока: урок-игра

Цель: повторение темы "Тепловые явления", закрепление навыков применения полученных знаний в житейской практике, развитие наблюдательности и интереса к предмету.

Оборудование: электросамовар; заварочный чайник; стаканы с подстаканниками, карточки – задания, тесты, мультимедийная установка

План урока

Организационный момент. . Вступительное слово учителя. . Работа в группах. Опыты за чашкой чая.. Итог урока.. Рефлексия.

Ход урока

1. Организационный момент.

В классе расставляем столы и садятся учащиеся по группам. Столы можно накрыть скатертью, поставить чашки, а в центре – блюдо с конфетами и печением.

2. Вступительное слово учителя.

Учитель: Здравствуйте. Сегодня у нас необыкновенный урок. Речь пойдет о чая. Чай пьют во многих странах мира. Существуют свои национальные особенности чаепития, и даже чайные церемонии. Многие даже не подозревают, что чаю – этому самому популярному напитку в мире уже около 5 000 лет. История рождения чая уходит корнями в глубокую древность, овеяна старинными легендами и мифами.

В России чай появился в 1638 году, когда монгольский Алтын-хан прислал царю Михаилу Фёдоровичу 4 пуда чая в качестве подарка.

.

Наше сегодняшнее чаепитие тоже имеет свои особенности. Это чаепитие физическое! Мы постараемся совместить приятное с полезным и повторим за чаем особенности тепловых явлений. Какое отношение имеет физика к чаепитию, спросите вы? Ну что же, давайте попробуем разобраться вместе. Итак, приступаем к приготовлению чая.

Наливаем воду в чайник. Что такое кипение?

Какое количество воды надо налить в чайник, чтобы она при кипечении не выливалась? (При нагревании вода расширяется и выливается через край.)

Учитель: А пока чайник закипит, поработайте в группах и обсудите предложенные вопросы. Каждая команда в течение 5 минут записывает все физические явления, которые происходят во время нагревания воды и объясняет эти явления, а затем по очереди отвечают на вопросы.

Конкурс «Пока чайник закипает»

1. Какой чайник быстрее закипает: с открытой или закрытой чашкой?

Ответ. Быстрее закипит чайник с закрытой крышкой, так как из чайника с открытой крышкой в процессе нагревания будут уходить в воздух наиболее быстрые молекулы, унося с собой таким образом энергию и как бы эффективно охлаждая этим оставшуюся в чайнике воду (испарение сопровождается охлаждением). Нагревателю в данном случае «требуется» не только довести воду в чайнике до кипения, но и часть ее испарить в процессе нагревания. На это уходит больше энергии, а значит, и времени, чем при кипячении воды в закрытом чайнике, где вырвавшиеся из воды молекулы скоро образуют под крышкой насыщенный пар и, возвращаясь обратно в воду, отдают ей свою избыточную энергию.

1. Почему перед закипанием чайник шумит?

Ответ. В воде есть растворенный воздух, который при нагревании образует мелкие пузырьки. В этих пузырьках собирается водяной пар. Под действием архимедовой силы пувырьки всплывают, попадая при этом в еще не прогретые слои воды. Водяной пар в пузырьках конденсируется, пузырьки «схлопываются» или сильно сжимаются, и в жидкости распространяется звуковой импульс. Одновременное схлопывание большого числа таких пузырьков воспринимается как шум.

1. Что сильнее обжигает 100-градусный пар или кипяток?

Ответ. Ответ группы ГУ. Если, например, под крышкой чайника находится насыщенный 100-градусный водяной пар, и некоторая часть его массой m при открывании сконденсируется на руке, то выделится количество теплоты Q = mL + mc(100° - t^o_комн.) - Для того же теплового воздействия понадобится почти в 10 раз большая масса кипятка (при охлаждении кипятка количество выделившейся теплоты Q =mc(100^о — t^o_комн.). Таким образом, пар обжигает сильнее кипятка, главным образом, из-за выделяющегося при конденсации значительного тепла. Кроме того, при ожоге паром значительно большей оказывается площадь поражения.

1. Чайник закипает. Приготовим сосуды для чая. Какова форма сосудов? Почему удобна для чаепития пиала? Когда вошли в обиход стаканы и хороши ли серебро и алюминий в качестве материала для подстаканников?

Ответ. Сосуды и старинные чашки для чая имеют форму, подобную пиале, с большим зеркалом поверхности, т. е. форма пиалы такова, что верхний слой, налитой в нее жидкости благодаря большой площади свободной поверхности жидкости, остывает быстрее, чем слои у дна, и его можно пить, не обжигаясь. (Известно, что чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше скорость ее испарения, а при испарении поверхность жидкости покидают в первую очередь молекулы с большей энергией, и верхний слой жидкости в пиале остывает поэтому быстрее.) В то же время нижний слой, до которого черед дойдет позже, долго остается горячим.

Стаканы вошли в обиход в XIX в. в связи с дороговизной фарфоровых чашек. Серебро и алюминий обладают хорошей теплопроводностью и с этой точки зрения неудобны, так как быстро нагреваются от чая и быстро отдают тепло в окружающую среду.

1. Пришла пора заваривать чай. Какие правила заварки чая вы знаете, какие физические явления происходят при заварке и после, когда в чай добавляют сахар?

Ответ. Существует несколько общепринятых правил. Так, например:

1) воду для чая надо снимать с огня в тот момент, когда она закипит «белым ключом», т. е. совершенно побелеет от массы бегущих со дна пузырьков, но еще не успеет забурлить. В передержанном на огне кипятке разрушается чайный букет;

2) известно также, что вкус чая зависит от температуры, при которой он заварен. Чем выше температура в момент заварки, тем чай вкуснее, его букет более полный, поэтому перед заваркой чайник один-два раза ополаскивают кипятком. Однако перегревать его не надо, - от этого чай горчит;

3) лучше использовать чайник из фарфора, а не из металла. Фарфоровый чайник обладает меньшей теплопроводностью, поэтому остывает медленнее и лучше сохраняет тепло;

4) черного чая следует брать полную (с верхом) чайную ложку, т. е. 2-3 г на два стакана кипятка. Всыпав чай, в чайник наливают кипяток, закрывают крышкой и укутывают сверху полотняной салфеткой или помещают на него куклу-грелку так, чтобы она закрыла отверстия на крышке и носике (это нужно в основном не для тепла - чай преть не должен, - а для уменьшения утечки с паром ароматических веществ). Наполнять чайник можно сразу доверху. Заваривать чай надо вдали от продуктов со специфическим запахом - рыбы, сырого мяса, сала и т. д. (они могут испортить чайный аромат в результате диффузии легколетучих специфически пахнущих веществ);

5) настаивать чай (черный) следует 4-5 мин. Все ароматические вещества и экстракты переходят за это время в настой. Здесь мы вновь встречаемся с явлением диффузии, но в жидкости (окрашивание кипятка и приобретение им специфического вкуса), а также с явлением диффузии в газах (ощущается запах чая). Дол- то настаивать чай не следует в него попадают и вредные вещества (например, алкалоид гуанин), ухудшается вкус, теряется аромат.

Люди пьют чай в зависимости от национальных традиций и личных вкусов по-разному: с лимоном, грейпфрутом, молоком, медом, вареньем, сиропом, ягодами, сахаром, корицей и т. д. Здесь мы опять встречаемся с явлением диффузии чай приобретает вкус того компонента, который в него добавляется.

Конкурс «Опыт»

1. Показывают опыт с блюдцем, стаканом, кипятком. (В блюдце наливаем кипяток и ставим туда стакан вверх дном. Вода из блюдца поднимается в стакан. Объясните явление)

Ответ.

Пар в стакане над кипятком постепенно охлаждается и конденсируется, давление внутри стакана падает, а атмосферное давление загоняет воду в стакан

1. Ученик кипятит воду в бумажной коробочке. Почему коробка не горит?

Ответ.

Пока вода кипит, температура бумаги не поднимается выше 100 ⁰С, а бумага при такой температуре ещё не загорается. Кипящая вода отнимает у неё лишнее тепло.

1. Ученик проводит опыт с чаинками. Как движутся чаинки при размешивании ложкой и почему?

Ответ.

Пока мы мешаем чай ложкой, мы поддерживаем вращение жидкости. Но если вынуть ложку из стакана, то вследствие трения между отдельными слоями жидкости и трения о стенки стакана жидкость постепенно останавливается. При этом внутри жидкости возникают вихревые потоки, направление которых показано на рисунке. Их происхождение связано с неодинаковым торможением жидкости у дна стакана и вблизи свободной поверхности. На глубине вследствие большего трения о дно стакана жидкость тормозит сильнее, чем у поверхности, поэтому у частичек жидкости, находящихся на одинаковом расстояниях от оси вращения, оказываются разные скорости- чем ближе к дну стакана, тем меньше. Попадая в вихревые потоки, чаинки постепенно собираются в центре на дне стакана.

1. Ученик проводит опыт со стеклянной банкой. Поместим стеклянную банку над носиком кипящего чайника. Банка запотевает и через некоторое время нагревается. Объясните наблюдаемое явление. Где оно применяется?

Ответ.

На внутренней поверхности банки появляются мелкие капельки воды из-за конденсации пара на более холодном, чем чайник, стекле. Банка нагревается потому, что при конденсации пара выделяется энергия. Конденсация водяного пара используется в конденсаторах паровых установок, опреснителях воды, дистилляторах и др. А нагревание, которым сопровождается конденсация, применяется в быту для стерилизации банок.

1. Ученик проводит опыт с двумя термометрами: шарик первого погружен в чашку с водой, а шарик второго расположен над водой, но остаётся влажным, так как обёрнут марлей, конец которой погружен в ту же чашку.) Почему второй термометр показывает более низкую температуру?

Ответ.

Благодаря рыхлому плетению марля имеет большую наружную поверхность, что способствует усиленному испарению воды. При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие большей скоростью и энергией, следовательно, происходит уменьшение внутренней энергии оставшейся в марле жидкости, а при уменьшении внутренней энергии жидкости понижается температура. Вследствие охлаждения марлевого чехла охладится и шарик термометра, и спирт или ртуть в нем. При этом спирт или ртуть в нем сожмётся и займёт меньший объём. Следовательно, термометр с мокрым марлевым чехлом, расположенный над водой, покажет более низкую температуру.

Сегодня на уроке, совмещая приятное с полезным, мы применили свои знания к немного необычным и в тоже время самым обычным ситуациям. Мы обсудили явления, над которыми раньше не очень – то и задумывались.

Будет хорошо, если вы в дальнейшем станете обращать внимание на окружающие явления и сможете объяснить их с точки зрения физики.

Вопросы викторины.

Шайба скользит по горизонтальной ледовой площадке. Как при этом изменяется кинетическая энергия шайбы? Внутренняя энергия?

Решение. Вследствие трения о лед скорость шайбы уменьшается, поэтому уменьшается и ее кинетическая энергия. Другим следствием трения является нагревание шайбы, т. е. увеличение скорости (и кинетической энергии) беспорядочного движения молекул. Внутренняя энергия шайбы при этом увеличивается. Можно сказать, что вследствие трения кинетическая энергии шайбы превращается в кинетическую энергию беспорядочного движения молекул (шайбы, льда и окружающего воздуха).

При забивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже забит, нескольких ударов достаточно, чтобы сильно разогреть ее. Объясните этот эффект. Решение. При каждом ударе совершается некоторая работа и гвоздь получает энергию. При забивании гвоздя эта энергия расходуется на преодоление сил сопротивления волокон дерева и сил трения (в конечном счете эта энергия переходит во внутреннюю, что приводит к нагреванию всего гвоздя и окружающих слоев де- рева). Когда же гвоздь уже забит, передаваемая ему энергия пере- ходит в основном во внутреннюю энергию шляпки гвоздя. 16.3. Спичка загорается при трении ее о коробок. Она вспыхивает и при внесении ее в пламя свечи. В чем сходство и различие причин, приведших к воспламенению спички в обоих случаях?

Решение. В обоих случаях увеличивается внутренняя энергия головки спички, но в первом случае это происходит за счет механической работы, а во втором

в процессе теплопередачи.

Когда автомобиль больше расходует горючего: при езде без остановки или с остановками?

Решение. При остановке кинетическая энергия автомобиля превращается во внутреннюю энергию тормозных колодок и др. Чтобы каждый раз после остановки приобрести необходимую скорость (а, значит, и кинетическую энергию), в двигателе должно быть израсходовано дополнительно некоторое количество горючего.

Со дна озера всплывает пузырек воздуха За счет чего Решение. Потенциальная энергия пузырька увеличивается за счет уменьшения потенциальной энергии воды (часть воды такого же объема, что и объем пузырька, опускается вниз), При этом внутренняя энергия газа в пузырьке не меняется, так как расширение газа можно считать процессом, происходящим при неизменной температуре.

увеличивается его потенциальная энергия?

Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках кататься невозможно?

Решение. При скольжении по льду внутренняя энергия конь ков и льда увеличивается, в результате чего между коньком и льдом образуется водяная прослойка, уменьшающая силу трения. При сильном же морозе скольжение коньков значительно ухудшается, а при очень сильном морозе лед для коньков становится подобным стеклу.

Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах?

Решение. Хорошая теплопроводность металла способствует охлаждению газов в трубе, в результате чего их плотность увеличивается, и разница в давлениях в трубе и вне ее уменьшается, что и вызывает ухудшение тяги в трубе.

Можно ли вскипятить воду во всей кастрюле с помощью маленького мощного электронагревателя, расположенного в верхних слоях воды? Ответ объясните.

Решение. Верхние слои воды быстро нагреются до кипения, поскольку в этих слоях вследствие конвекции происходит интенсивная теплопередача. А передача тепла к нижним слоям воды будет происходить только вследствие теплопроводности (ведь горячая вода, имеющая меньшую плотность, чем холодная, не будет опускаться вниз). Теплопроводность же воды не велика. Поэтому нижние слои воды будут оставаться холодны- ми даже тогда, когда верхние уже нагреются до кипения.

Для чего нужны двойные оконные рамы? Станет ли в помещении теплее зимой, если промежуток между рамами значительно увеличить?

Решение. Двойные рамы позволяют уменьшить теплообмен между помещением и наружным воздухом (тепловые потери). При этом в качестве теплоизолирующего материала используется слой воздуха между рамами. Теплопроводность воздуха мала, поэтому поток тепла через слой неподвижного воздуха тоже мал. Если же в слое воздуха возникнут конвекционные потоки, потери тепла намного возрастут: воздух между рамами будет подниматься вблизи внутреннего стекла, получая от него тепло, и «стекать» вниз вдоль наружного стекла, охлаждаясь при этом. Пока промежуток между рамами невелик, трение встречных потоков воздуха мешает конвекционных потоков. Если промежуток между рамами значительно увеличить, конвекционные потоки могут привести к заметному увеличению тепловых потерь.

Почему не падают облака?

Решение. Облака поддерживаются восходящими конвекционными потоками воздуха (даже в неподвижном воздухе крохотные капельки воды или кристаллики льда, из которых состоят облака, падали бы очень медленно, поэтому облака могут подолгу находиться на одной и той же высоте, “падая” относительно поднимающихся слоев воздуха).

Рефлексия: А теперь мне хотелось бы узнать, с каким настроением вы пойдете на  следующий урок. У вас на столах две чашечки: красная, синяя. Поднимите красную - те ребята, которым был интересен и понятен материал урока. Синею поднимите те ребята, кто не очень доволен уроком

В конце урока каждая группа подводит итоги и оценивают степень участия каждого. Самостоятельно оценивают знания товарищей.