Исследование явления теплообмена — конспект урока

Лабораторная работа «Исследование явления теплообмена при смешивании холодной и горячей воды» — конспект урока физики 8 класс

Вступление

Иногда самый невинный стакан воды способен устроить на лабораторной работе настоящий физический детектив: горячая вода остывает, холодная нагревается, а рассчитанные значения почему-то не хотят совпадать до последнего джоуля. Куда исчезла энергия — и почему закон сохранения энергии всё-таки не собирается подавать заявление о пропаже? Разобраться в этом восьмиклассники смогут не по готовому ответу, а непосредственно в ходе собственного эксперимента.
В конспекте представлена подробная лабораторная работа по исследованию теплообмена при смешивании холодной и горячей жидкости: от подготовки оборудования и измерений до расчётов, анализа расхождений и формулирования вывода. Педагог также найдёт готовую технологическую карту, кроссворд, бесплатную презентацию, тесты, рабочий лист и другие материалы — всё полностью готово к применению, бесплатно и без лишней методической суеты.

Выберите похожие названия

• Лабораторный практикум: «Смешивание воды разной температуры и анализ результатов»
• Практическое исследование: «Определение количества теплоты при нагревании и охлаждении воды»
• Экспериментальная работа: «Передача энергии между телами с различной степенью нагретости»
• Методическая разработка: «Проверка закона сохранения энергии на примере смешивания жидкости»

Возраст учеников

13–14 лет

Класс

8 класс Физика

Календарно-тематическое планирование

КТП по физике 8 класс

Раздел

Раздел 1. Тепловые явления. Тепловые процессы.

УМК (Учебно-методический комплекс)

[укажите название своего УМК по которому Вы работаете]

Учебник

Физика: 8-й класс: базовый уровень: учебник; 3-е издание, переработанное / Перышкин И.М., Иванов А.И. — Акционерное общество «Издательство «Просвещение»

Дата проведения

[укажите дату проведения]

Длительность

45 минут (1 академический час)

Вид

лабораторная работа с элементами экспериментального исследования, расчётной деятельности и анализа полученных результатов.

Тип

практическое применение и закрепление знаний о теплообмене, количестве теплоты и законе сохранения энергии посредством экспериментального исследования смешивания воды разной температуры.

Форма проведения

фронтальное инструктажное объяснение с последующей индивидуальной или парной экспериментальной работой; измерение физических величин, проведение опыта в калориметре, расчёт количества теплоты, сравнение итогов и формулирование экспериментального вывода.

Цель

• экспериментально исследовать теплообмен при смешивании горячей и холодной воды, определить количество теплоты, отданное более нагретой водой и полученное менее нагретой, сравнить результаты и установить соответствие экспериментальных данных закону сохранения энергии.

Задачи

• Обучающая:
  закрепить представление о теплообмене между телами с различной температурой;
  научить определять начальную и конечную теплоту воды экспериментальным способом;
  сформировать умение определять количество теплоты, отданное при охлаждении и полученное при нагревании;
  научить применять зависимость для расчёта количества теплоты в экспериментальных условиях;
  сформировать умение сравнивать отданное и полученное количество теплоты;
  показать практическое значение калориметра при исследовании тепловых процессов.
• Развивающая:
  развивать навыки проведения физических измерений;
  совершенствовать умение фиксировать итоги наблюдений в таблице;
  развивать способность анализировать экспериментальные данные;
  формировать навыки выполнения расчётов и проверки полученных данных;
  развивать умение устанавливать причины расхождения между теоретически ожидаемыми и экспериментальными значениями;
  совершенствовать навыки самостоятельной работы с измерительными приборами.
• Воспитательная:
  воспитывать аккуратность при проведении эксперимента и выполнении измерений;
  формировать ответственное отношение к соблюдению правил безопасной работы;
  развивать внимательность при записи числовых данных и выполнении вычислений;
  воспитывать объективное отношение к итогам собственного исследования;
  формировать интерес к экспериментальному изучению физических явлений.

Универсальные учебные действия (УУД)

• Личностные УУД:
  проявление познавательного интереса к экспериментальному исследованию физических явлений;
  осознание практического значения физических закономерностей;
  формирование ответственности за точность собственных измерений и расчётов;
  развитие аккуратности и самостоятельности при выполнении лабораторной работы.
• Регулятивные УУД:
  принятие и удержание цели экспериментального исследования;
  планирование последовательности действий;
  контроль правильности выполнения измерений;
  фиксация промежуточных итогов;
  проверка выполненных вычислений;
  выявление и исправление ошибок в ходе работы;
  оценивание соответствия полученного результата условиям эксперимента.
• Познавательные УУД:
  определение исследуемого физического явления;
  выделение необходимых для опыта физических величин;
  установление направления передачи энергии;
  обработка данных измерений;
  применение физических зависимостей для расчётов;
  сравнение полученных значений;
  анализ причин экспериментального расхождения;
  формулирование вывода на основе полученных данных.
• Коммуникативные УУД:
  обсуждение последовательности проведения опыта;
  согласование действий при парной работе;
  формулирование ответов на вопросы по итогам исследования;
  аргументированное объяснение полученных результатов;
  обсуждение причин возможных погрешностей;
  представление итогов лабораторной работы.
• Метапредметные УУД:
  применение математических действий при обработке данных эксперимента;
  работа с таблицами и измерительными данными;
  перенос теоретических знаний в практическую ситуацию;
  установление причинно-следственных связей;
  сравнение экспериментальных величин;
  оценка достоверности полученного результата;
  использование научного способа исследования для решения практической задачи.

Методические приёмы, педагогические методы, технологии обучения

• проблемный вопрос;
• экспериментальное исследование;
• работа в парах;
• практико-ориентированное задание;
• пошаговый алгоритм выполнения лабораторной работы;
• наблюдение и фиксация итогов;
• сравнительный анализ;
• работа с таблицей;
• приём «Проверь результат»;
• взаимопроверка расчётов;
• критическое мышление;
• визуализация направления передачи энергии;
• анализ экспериментальных ошибок;
• обратная связь;
• самостоятельная работа с измерительными приборами.

Ожидаемые результаты

• Личностные:
  проявляют интерес к экспериментальному изучению теплообмена;
  осознают практическое значение закона сохранения энергии;
  ответственно относятся к проведению измерений;
  демонстрируют аккуратность при работе с оборудованием и выполнении расчётов.
• Метапредметные:
  планируют последовательность экспериментальных действий;
  фиксируют и систематизируют итоги измерений;
  применяют математические действия при обработке данных;
  анализируют полученные значения и сравнивают их;
  устанавливают причины расхождения экспериментальных результатов;
  аргументированно формулируют вывод на основании проведённого исследования.
• Предметные:
  объясняют направление передачи энергии между горячей и холодной водой;
  определяют начальные и конечную степень теплоты воды;
  рассчитывают количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной;
  сравнивают количество отданной и полученной энергии;
  называют основные причины расхождения экспериментальных данных;
  формулируют вывод о выполнении теплового баланса с учётом погрешностей опыта.

Предварительная работа педагога

• создать технологическую карту занятия;
• оформить рабочий лист лабораторной работы;
• сформировать таблицу для записи результатов измерений;
• разработать инструкции по последовательности проведения опыта;
• проверить исправность термометров или цифровых датчиков;
• обеспечить калориметры и измерительные цилиндры;
• заранее наполнить ёмкости горячей и холодной водой;
• составить памятку по правилам безопасной работы;
• подготовить образец расчёта количества теплоты;
• создать задания для анализа возможных погрешностей;
• спроектировать вопросы для итогового обсуждения;
• проконтролировать готовность оборудования до начала занятия.

Оборудование и оформление кабинета

• калориметры;
• мензурки или измерительные цилиндры;
• термометры или цифровые датчики;
• стаканы с горячей водой;
• стаканы с холодной водой;
• вода;
• лабораторные ложки или приспособления для перемешивания при необходимости;
• рабочие листы;
• таблицы для записи результатов;
• инструкции по выполнению лабораторной работы;
• схемы;
• плакаты;
• диаграммы;
• кластеры;
• памятка по технике безопасности;
• доска;
• мультимедийный проектор;
• презентация;
• карточка с алгоритмом обработки итогов.

Ход занятия / Ход мероприятия

Цитата:
«Хороший опыт начинается не с формулы, а с внимательного наблюдения за тем, что происходит перед глазами».
— Виктор Андреевич Ладожин, 1928–1999, советский физик-экспериментатор, преподаватель.

Организационный момент

Здравствуйте, ребята!

Начнём с переклички. Услышав свою фамилию, спокойно сообщите о присутствии.

Теперь проверьте, всё ли необходимое для сегодняшней работы находится у вас на столах: рабочая тетрадь, дневник, учебник, ручка, простой карандаш, линейка и рабочий лист. Лишние предметы уберите, чтобы на столе осталось достаточно места для аккуратного выполнения заданий и работы с лабораторным оборудованием.

Дежурные, подготовьте, пожалуйста, школьную доску и проекционный экран. Проверьте, чтобы всё было готово к использованию. Остальные пока не приступайте к работе с оборудованием без моего разрешения.

Обратите внимание на своё рабочее место и внешний вид. Одежда, рюкзаки и личные вещи не должны вам мешать. Стол должен оставаться свободным и организованным, поскольку сегодня нам понадобится место для приборов и ёмкостей с водой.

Перед началом вспомним правила безопасности. Мы будем работать с водой разной температуры, поэтому горячую воду переносим и переливаем особенно осторожно, без резких движений. Не наклоняйтесь слишком близко к ёмкостям и не направляйте их на себя или соседей. Стеклянные приборы держите аккуратно, не ставьте их на самый край стола и не допускайте ударов. Термометр используйте бережно, не допускайте его падения и резких перемещений.

Если вода случайно пролилась, стеклянный прибор повредился или возникла любая другая проблема, сразу сообщите мне. Не пытайтесь самостоятельно устранять неисправность или продолжать работу с повреждённым оборудованием.

Работайте спокойно и внимательно. Не толкайтесь, не отвлекайте соседей, не берите чужие приборы без разрешения. Если будете выполнять действия в паре, распределите обязанности и внимательно следите не только за своими действиями, но и за правильностью общего результата.

Мобильные телефоны переведите в беззвучный режим и уберите. На время занятия они нам не понадобятся. Сегодня гораздо полезнее получить собственные результаты измерений и самостоятельно разобраться в них, чем просто посмотреть готовый ответ.

Настройтесь на серьёзную, но спокойную работу. Сегодня нам понадобится точность: одна невнимательно снятая температура или неверно записанное значение может повлиять на последующие расчёты. Поэтому измеряйте без спешки, записывайте полученные данные сразу и проверяйте себя.

Проверьте готовность рабочего места. Если всё необходимое у вас есть, можно переходить к следующему этапу.

Актуализация усвоенных знаний

На прошлом уроке мы изучали тему: «Уравнение теплового баланса. Теплообмен и тепловое равновесие«.

Давайте вспомним основные положения и подготовимся к практической работе.

Что называют теплообменом? В каком направлении происходит передача энергии при соприкосновении тел, имеющих разную температуру? Что происходит с температурой более нагретого и менее нагретого тела?

Вспомните, что происходит после достаточно длительного взаимодействия тел. Как называется состояние, при котором их температуры становятся одинаковыми? Что утверждает закон сохранения энергии при теплообмене?

Теперь обратимся к уравнению теплового баланса. Что показывает равенство количества отданной и полученной теплоты? Запишите или вспомните общую идею: энергия, которую одно тело отдаёт при охлаждении, передаётся другому телу, которое нагревается.

Как можно определить конечную температуру системы, если известны массы веществ, их начальные температуры и удельные теплоёмкости? От чего зависит результат такого расчёта?

И последний вопрос: где в практической жизни могут пригодиться знания об уравнении теплового баланса? Приведите один-два примера.

Хорошо. Теоретические закономерности мы вспомнили. Теперь важно проверить их не только рассуждением, но и экспериментом, получив собственные измерения и расчёты.

Вступительное слово учителя / Постановка цели и задач

Сегодня мы не будем ограничиваться формулами и рассуждениями о том, что происходит с телами при разной температуре. Мы проверим изученные закономерности непосредственно в эксперименте. Для этого нам понадобится горячая и холодная вода, измерительные приборы и аккуратность — потому что физический эксперимент не прощает небрежно записанных цифр.

Тема сегодняшнего занятия — Лабораторная работа «Исследование явления теплообмена при смешивании холодной и горячей воды».

Запишите название в рабочие тетради.

Наша цель — экспериментально исследовать процесс, который происходит при смешивании жидкостей с разной температурой, определить начальные и конечную температуры, а затем на основании измерений рассчитать количество теплоты, отданное более нагретой водой и полученное менее нагретой.

В ходе работы нам предстоит определить массу каждой порции жидкости, измерить её степень нагретости, провести смешивание в калориметре и зафиксировать установившееся значение. После этого выполним расчёты, сравним полученные результаты и выясним, насколько они соответствуют закону сохранения энергии.

Обратите особое внимание на последний этап. Если результаты не окажутся совершенно одинаковыми, это не означает, что физический закон перестал работать. Нам предстоит разобраться, почему экспериментальные значения могут отличаться, какую роль играют потери энергии, нагрев самого калориметра и погрешности измерительных приборов.

Работайте внимательно: сегодня каждая измеренная величина имеет значение. От аккуратности ваших действий будет зависеть не только точность расчётов, но и то, насколько убедительным получится итоговый вывод.

Основная часть

Подготовка к лабораторному исследованию теплообмена

Формулирование цели экспериментальной работы и определение исследуемого явления

Перед тем как приступить к измерениям, определим, что именно мы собираемся выяснить. Перед нами две порции жидкости с разной температурой. Что произойдёт, если их соединить? Какая из них будет отдавать энергию, а какая — получать? И главное — сможем ли мы подтвердить это не только рассуждением, но и результатами опыта?

Наша задача сегодня — экспериментально исследовать теплообмен при смешивании холодной и горячей воды, определить начальные температуры обеих порций, установить температуру получившейся смеси и затем использовать измеренные значения для расчётов.

Обратите внимание на направление передачи энергии. Более нагретая часть системы будет охлаждаться, а менее нагретая — нагреваться. Энергия самопроизвольно передаётся от тела с большей степенью теплоты к телу с меньшей до тех пор, пока не установится состояние теплового равновесия.

Нам важно не просто получить какое-либо число на термометре. Мы должны проверить, насколько экспериментальные данные согласуются с тем, что предсказывает физическая теория. Поэтому сегодня вы будете выступать не только в роли учеников, выполняющих инструкцию, но и в роли небольших исследователей: измерили — записали — рассчитали — сравнили — сделали вывод.

Ознакомление с оборудованием: калориметром, мензуркой, термометром и ёмкостями с водой

Теперь рассмотрим оборудование, которое понадобится для работы. На ваших столах находятся калориметр, мензурка или измерительный цилиндр, термометр, ёмкости с горячей и холодной водой, а также принадлежности для записи результатов.

Начнём с калориметра*. Это специальный сосуд, предназначенный для исследования тепловых процессов. Его конструкция помогает уменьшить обмен энергией исследуемой системы с окружающей средой. Конечно, полностью изолировать систему в школьном опыте мы не сможем, поэтому позже рассмотрим, почему полученные значения могут немного отличаться.

Калориметр (от лат. calor — тепло и греч. metron — мера) — это прибор, который измеряет количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся при различных физических, химических или биологических процессах. РУВИКИ

Мензурка необходима для измерения объёма жидкости. Если в условии работы задана масса, помним, что для воды при обычных условиях можно использовать соотношение между объёмом и массой. Все измерения выполняем внимательно, не определяем количество жидкости «на глаз».

Термометр нужен для определения температуры. При измерении следите, чтобы чувствительная часть прибора находилась в жидкости и не касалась стенок или дна сосуда, если инструкция к используемому прибору не предусматривает иного. Показания считывайте спокойно, не торопясь.

Перед началом убедитесь, что приборы исправны. Если используете стеклянный термометр, осмотрите его: трещины, повреждения или другие дефекты недопустимы. При обнаружении неисправности самостоятельно прибор не заменяем — сообщаем мне.

Определение последовательности измерений и действий при проведении опыта

Теперь установим порядок работы. Это важно: хороший эксперимент начинается не с первого измерения, а с правильно составленного плана.

Сначала определяем массу или объём каждой порции. Затем отдельно измеряем начальную температуру более нагретой жидкости и фиксируем полученное значение. После этого таким же образом определяем температуру охлаждённой порции.

Все результаты сразу заносим в таблицу рабочего листа. Не рассчитывайте на память: через несколько минут даже правильно измеренное значение может превратиться в совершенно другое число.

Далее выполняем подготовленные действия с калориметром, соединяем обе порции и осторожно перемешиваем содержимое. После установления температуры смеси проводим повторное измерение и записываем конечное значение.

После практической части перейдём к вычислениям. Определим, насколько изменилась степень теплоты каждой порции, рассчитаем соответствующие количества теплоты, сопоставим результаты и выясним, насколько они близки.

Получается своеобразная цепочка исследования:

измерения → запись данных → расчёт → сравнение → анализ → вывод.

Не перескакивайте через этапы. Если пропустить исходные данные или записать их с ошибкой, последующие вычисления тоже окажутся неверными.

Правила безопасной работы с горячей водой, стеклянными приборами и термометром

Прежде чем начать практические действия, ещё раз закрепим правила безопасности.

• С горячей жидкостью работаем особенно осторожно. Не подносим сосуд близко к лицу, не делаем резких движений, не переливаем содержимое через край. Перемещаем ёмкости двумя руками, если это необходимо для устойчивости. Не направляем сосуд на себя или другого человека.
• Стеклянную посуду размещаем устойчиво, подальше от края стола. Не допускаем ударов и резких перемещений. Если прибор упал или разбился, не собирайте осколки руками. Сразу остановите работу и сообщите мне.
• С термометром обращаемся бережно. Не используем его как указку или любой другой посторонний предмет. Не стучим им по стенкам сосудов и не пытаемся самостоятельно исправлять повреждённый прибор.
• Если при работе вы почувствовали, что сосуд слишком горячий, что прибор стал неустойчивым или произошла непредвиденная ситуация, остановитесь и обратитесь ко мне. Безопасность важнее скорости выполнения лабораторной работы.

И ещё одно правило: аккуратность здесь — не формальность. Если мы хотим получить достоверный результат, нужно одинаково внимательно относиться и к приборам, и к цифрам, и к собственным действиям.

Итак, цель понятна, оборудование рассмотрено, порядок действий определён, правила безопасности вспомнены. Теперь можно переходить непосредственно к измерениям.

Измерение начальных параметров воды

Отмеривание заданной массы горячей и холодной воды

Переходим к первой практической части. Сейчас нам необходимо подготовить две порции жидкости с различной температурой. Работайте внимательно и не торопитесь: точность последующих вычислений напрямую зависит от того, насколько аккуратно вы определите исходные значения.

Сначала отмерьте заданный объём горячей воды с помощью мензурки или измерительного цилиндра. Старайтесь располагать прибор вертикально, а отметку уровня жидкости считывать на уровне глаз. Полученное значение сразу занесите в таблицу.

Затем аналогичным образом подготовьте холодную порцию. Проверьте, соответствует ли её количество заданному условию. Если работаете в паре, один ученик может выполнять измерение, а второй — контролировать показания и фиксировать результат.

Определение начальной температуры горячей воды

Теперь определим исходную температуру нагретой жидкости. Осторожно опустите термометр в ёмкость. Чувствительная часть прибора должна находиться в жидкости, но не должна касаться дна или стенок сосуда.

Подождите, пока показания перестанут заметно изменяться. Не пытайтесь определить значение в момент, когда шкала ещё перемещается. Снимите показание спокойно и внимательно.

Запишите полученную температуру в таблицу лабораторной работы. Единицу измерения не забываем: степень нагретости в данном опыте выражаем в градусах Цельсия.

Проверьте запись ещё раз. Если результат кажется неожиданным, не исправляйте его просто потому, что он отличается от значения, которое вы предполагали получить. В эксперименте фиксируют именно то, что показал прибор.

Определение начальной температуры холодной воды

Теперь таким же способом определим температуру второй порции. Переместите термометр в ёмкость с холодной водой и дождитесь устойчивого показания.

Посмотрите на шкалу внимательно. Не округляйте результат без необходимости и не записывайте приблизительное значение. Если используется цифровой датчик, дождитесь стабилизации показаний на экране.

Сравните полученное значение с температурой нагретой порции. Какая из них имеет большую температуру? Какая — меньшую? Сделайте небольшой прогноз: после соединения этих порций значение на термометре должно оказаться между двумя первоначальными температурами.

Не называйте предполагаемый результат окончательным — пока это только прогноз. Проверить его мы сможем после проведения опыта.

Фиксация полученных значений в таблице лабораторной работы

Теперь убедимся, что все исходные данные записаны. В таблице должны быть указаны параметры обеих порций: их масса или объём и начальная степень нагретости.

Проверьте записи друг у друга, если выполняете работу в паре. Сверьте числа, единицы измерения и обозначения величин. Особенно внимательно посмотрите, не перепутали ли вы температуру нагретой и охлаждённой порции.

Если обнаружили ошибку в записи, аккуратно исправьте её и ещё раз проверьте значение по прибору. Не переносите сомнительные данные в расчёты.

Итак, исходные параметры у нас зафиксированы. Теперь мы знаем, с какими величинами начинаем эксперимент. Сохраняйте эту таблицу до конца работы: именно на её основе мы определим изменения степени нагретости, выполним расчёты и затем сравним полученные результаты.

Проведение опыта по смешиванию горячей и холодной воды

Помещение воды в калориметр с соблюдением установленной последовательности действий

Теперь переходим непосредственно к опыту. Все исходные значения у вас уже записаны, поэтому действуем по установленному алгоритму и не торопимся.

Откройте калориметр и убедитесь, что он находится в устойчивом положении. Сначала аккуратно перенесите в него одну подготовленную порцию жидкости, не допуская проливания. Затем добавьте вторую порцию в соответствии с инструкцией к работе.

Следите за тем, чтобы содержимое не попало на рабочую поверхность. После переноса обеих порций сразу закройте калориметр, если конструкция прибора это позволяет.

Смешивание воды и осторожное перемешивание содержимого

Теперь обе порции находятся в одном сосуде. Осторожно перемешайте содержимое, используя предназначенное для этого приспособление. Не делайте резких движений и не допускайте разбрызгивания.

Ваша задача — добиться равномерного распределения температуры внутри получившейся смеси. Если перемешивание выполняется слишком интенсивно, можно случайно потерять часть жидкости или повредить прибор.

Обратите внимание на сам процесс. Более нагретая порция начинает отдавать внутреннюю энергию, а более холодная — получать её. Поэтому степень нагретости каждой части постепенно изменяется.

Наблюдение за изменением температуры смеси

Теперь внимательно наблюдаем за показаниями термометра. Не пытайтесь сразу назвать конечный результат. Следите за тем, как изменяется температура после соединения двух порций.

Сначала показания могут заметно меняться. Через некоторое время скорость изменения уменьшается. Это означает, что система приближается к состоянию теплового равновесия.

Подумайте: почему степень нагретости не остаётся равной исходному значению горячей жидкости? Почему она не становится такой же, как у холодной? Объясните это с точки зрения передачи энергии между частями системы.

Сравните текущее показание с двумя начальными температурами, которые вы записали в таблицу. Полученное значение должно находиться между ними, если эксперимент проведён корректно.

Измерение и запись установившейся температуры полученной смеси

Дождитесь момента, когда показания термометра перестанут заметно изменяться. Именно это значение нам понадобится для дальнейшей обработки результатов.

Считайте показание внимательно и сразу занесите его в таблицу лабораторной работы. Обязательно укажите единицу измерения.

Теперь ещё раз проверьте запись. Сравните конечную температуру с первоначальными значениями. Какая из порций отдала энергию? Какая получила её? Изменилось ли направление передачи энергии после установления равновесия?

Если результаты двух пар немного отличаются, это нормально. В реальном эксперименте невозможно полностью исключить влияние окружающей среды, самого калориметра и погрешности измерительных приборов.

Главное сейчас — не подгонять полученное значение под теоретически ожидаемый ответ. Записываем именно тот результат, который показал прибор. Далее используем его для расчётов и выясним, насколько экспериментальные данные согласуются с законом сохранения энергии.

Определение количества переданной энергии

Определение изменения температуры горячей воды при её охлаждении

Теперь переходим к обработке полученных экспериментальных данных. В таблице у нас уже есть начальная температура горячей порции и установившаяся степень нагретости смеси. Используем эти значения, чтобы определить, насколько изменилась степень теплоты при охлаждении.

Вспомните: при охлаждении конечная температура становится меньше начальной. Поэтому для определения величины изменения удобно использовать разность начального и конечного значений:

Подставьте в выражение свои экспериментальные значения. Не забывайте о единице измерения — градусах Цельсия.

Определение изменения температуры холодной воды при её нагревании

Теперь рассмотрим вторую порцию. Здесь ситуация обратная: её температура после соединения с более нагретой жидкостью увеличилась.

Поэтому изменение степени нагретости определяем так:

Выполните расчёт и запишите полученное значение. Сравните его с изменением температуры первой порции. Не ожидайте, что эти величины обязательно будут одинаковыми: изменение зависит не только от разности градусов Цельсия, но и от массы вещества и других условий опыта.

Расчёт количества теплоты, отданного горячей водой, и количества теплоты, полученного холодной водой

Теперь используем основную расчётную зависимость. Вспомним, что количество теплоты определяется массой вещества, его удельной теплоёмкостью и изменением степени нагретости.

Запишите формулу:

Для горячей порции мы рассматриваем охлаждение. Если использовать записанную выше формулу непосредственно, изменение температуры будет отрицательным, поскольку t2< t1. Поэтому знак результата показывает направление передачи энергии. Для определения количества отданной теплоты как положительной величины удобно использовать модуль:

Теперь определим количество теплоты, полученное холодной порцией:

Обратите внимание: для обеих порций удельная теплоёмкость одинакова, поскольку в опыте используется одно и то же вещество. А вот массы и изменения температуры могут различаться.

Теперь подставьте свои данные в обе формулы. Сначала записываем формулу, затем подставляем числа, выполняем вычисление и только после этого записываем ответ с единицей измерения. Не округляйте промежуточные значения без необходимости.

Сопоставление результатов расчётов и установление их взаимосвязи

Получили два результата? Теперь самое интересное — сравним их.

Сопоставьте Qотд и Qполуч. Теоретически при отсутствии потерь энергии количество теплоты, отданное горячей водой, должно быть равно количеству теплоты, полученному холодной водой.

Запишите:

Знак приближённого равенства здесь выбран не случайно. В школьном эксперименте результаты могут немного отличаться. Не нужно считать такую разницу автоматически ошибкой в вычислениях.

Сравните два значения и определите, насколько они близки. Если получилось небольшое расхождение, подумайте, откуда оно могло появиться. Часть энергии могла перейти окружающей среде, некоторую долю мог получить сам калориметр. Кроме того, точность ограничена возможностями термометра и аккуратностью проведения измерений.

Сейчас наша задача — не добиться искусственного равенства двух чисел, а понять физический смысл полученного результата. Более нагретая порция передала энергию, менее нагретая её получила. Следовательно, эксперимент позволяет проверить действие закона сохранения энергии на конкретном практическом примере.

Запишите рассчитанные значения в таблицу и подготовьтесь к следующему этапу — более подробному анализу теплового баланса всей исследуемой системы.

Исследование теплового баланса экспериментальной системы

Сравнение количества энергии, отданной горячей водой, с количеством энергии, полученной холодной водой

Теперь обратимся к результатам ваших вычислений. У нас есть два значения: одно показывает, сколько теплоты потеряла более нагретая порция при охлаждении, а второе — сколько получила менее нагретая жидкость. Сравним эти величины.

Запишите основное соотношение:

Здесь знак приблизительного равенства выбран не случайно. В реальном эксперименте получить абсолютно одинаковые числа практически невозможно. Если ваши результаты отличаются на небольшую величину, это вполне ожидаемо. Главное — установить, насколько они близки друг к другу и соответствует ли полученная картина физическому смыслу происходящего.

Сравните рассчитанные значения. Какая величина оказалась больше? Насколько они отличаются? Можно определить разность между ними и обратить внимание на то, велика она или мала по сравнению с самими результатами.

Объяснение близости полученных значений с позиции закона сохранения энергии

Вспомните главный принцип, который мы использовали на предыдущем занятии. При взаимодействии тел энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она передаётся от одного объекта к другому.

В нашем опыте более нагретая порция жидкости уменьшает свою температуру, поэтому отдаёт часть внутренней энергии. Менее нагретая, наоборот, получает энергию и нагревается. Именно поэтому рассчитанные значения должны быть близкими.

Если бы горячая порция отдала, например, 4200 Дж, а холодная получила примерно 4150 Дж, это не повод считать эксперимент неудачным. Небольшая разница объяснима реальными условиями проведения опыта.

Сделайте промежуточный вывод: передача энергии происходит от более нагретого тела к менее нагретому, а полученные расчёты в целом подтверждают сохранение энергии в рассматриваемой системе.

Выявление причин возможного расхождения результатов

Теперь попробуем разобраться, почему наши числа могут не совпасть полностью. В идеальной модели мы могли бы считать, что вся переданная энергия достаётся только второй порции жидкости. Но настоящая лабораторная установка устроена иначе.

1. Во-первых, часть энергии может передаваться окружающей среде. Пока вы переносите ёмкости, наливаете жидкость и проводите измерения, происходит взаимодействие с воздухом и окружающими предметами.
2. Во-вторых, некоторое количество энергии получает сам калориметр. Мы рассчитывали количество теплоты для жидкости, но стенки прибора также могут нагреваться.
3. В-третьих, существуют погрешности измерений. Термометр имеет ограниченную точность, масса отмеренной порции также может отличаться от расчётной, а отсчёт температуры зависит от правильности положения прибора и момента фиксации показаний.

Поэтому небольшое расхождение между результатами вполне закономерно. Наша задача — не искать ошибку любой ценой, а установить её возможные источники и оценить их влияние.

Оценка влияния условий проведения опыта на точность экспериментального результата

Подумайте, какие действия помогли бы сделать результат более точным. Что произойдёт, если слишком долго держать открытую ёмкость с горячей жидкостью? А если снять показания термометра слишком рано, пока степень нагретости ещё меняется?

Обсудите условия проведения опыта:

• насколько быстро выполнялись измерения;
• правильно ли считывались показания термометра;
• точно ли были отмерены порции;
• насколько хорошо был закрыт калориметр;
• успела ли система прийти к устойчивой температуре;
• не происходил ли заметный контакт установки с окружающей средой.

Чем аккуратнее проведены измерения и чем меньше нежелательных воздействий, тем надёжнее итоговые вычисления.

Обратите внимание: экспериментальная физика всегда связана с некоторой неопределённостью. Поэтому хороший результат — это не обязательно два совершенно одинаковых числа. Гораздо важнее уметь объяснить полученное расхождение и определить, согласуется ли оно с условиями проведённого исследования.

Таким образом, сравнивая наши расчёты, мы не просто проверяем формулу. Мы учимся оценивать реальный эксперимент, в котором существуют потери, особенности приборов и ограничения точности измерений.

Обработка результатов и формулирование экспериментального вывода

Заполнение итоговой таблицы и систематизация результатов измерений и вычислений

Теперь приведём все полученные данные в порядок. Во время эксперимента у вас накопилось несколько величин: масса каждой порции, начальные температуры, установившееся значение после объединения жидкости, а также результаты вычислений. Отдельные записи нужно собрать в одну итоговую таблицу, чтобы по ней было удобно анализировать проведённое исследование.

Заполните таблицу по данным вашей лабораторной работы.

Проверьте единицы измерения. Масса в расчётах должна быть выражена в килограммах, степень нагретости — в градусах Цельсия, а количество теплоты — в джоулях. Перед переходом к анализу ещё раз посмотрите, не пропущена ли какая-либо величина и правильно ли перенесены числа из предыдущих этапов работы.

Анализ полученных данных и определение степени согласованности результатов

Теперь таблица превращается не просто в набор чисел, а в основу для физического анализа.

Сначала сравните значения Qотд и Qполуч. Нас интересует не только то, какое число получилось больше, но и насколько они близки.

Если разность небольшая, можно говорить о хорошем согласовании результатов с учётом условий эксперимента. Если отличие заметное, необходимо вспомнить возможные причины: часть энергии могла перейти к калориметру и окружающей среде, кроме того, на результат повлияли ограничения точности измерительных приборов и особенности выполнения действий.

Посмотрите также на температурные изменения. Более горячая порция должна была остыть, поэтому её степень нагретости уменьшилась. Менее нагретая, напротив, должна была стать теплее.

Ответьте на вопросы:

• Какая порция жидкости изменила температуру в сторону уменьшения?
• Какая — в сторону увеличения?
• Совпадает ли направление этих изменений с нашими теоретическими представлениями?
• Близки ли рассчитанные значения Qотд и Qполуч?Чем мож
• но объяснить обнаруженную разницу?

Не стремитесь просто написать «значения отличаются из-за погрешности». Укажите конкретнее, какие условия могли повлиять на результат. Такой ответ показывает, что вы понимаете не только формулу, но и сам экспериментальный метод.

Формулирование вывода о направлении передачи энергии при смешивании воды разной температуры

Теперь сформулируем первый основной вывод. В начале опыта у нас были две порции жидкости с различными градусами Цельсия. После их объединения более горячая часть стала охлаждаться, а холодная — нагреваться.

Это позволяет установить направление передачи энергии: энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Передача продолжается до тех пор, пока система не приближается к состоянию теплового равновесия.

Запишите вывод в рабочую тетрадь своими словами. Можно использовать следующую формулировку:

При смешивании воды с различной начальной температурой энергия передаётся от более горячей порции к более холодной, вследствие чего первая охлаждается, а вторая нагревается.

Обратите внимание: мы сделали этот вывод не только на основании изученной теории. Его подтверждают непосредственно полученные во время лабораторной работы температурные значения.

Формулирование вывода о выполнении теплового баланса с учётом экспериментальных погрешностей

Осталось ответить на главный вопрос всей практической работы: согласуются ли результаты с законом сохранения энергии?

Если рассчитанное количество теплоты, отданное горячей водой, близко к количеству теплоты, полученному холодной, значит, эксперимент в целом подтверждает рассматриваемую закономерность.

При этом нельзя требовать абсолютного совпадения чисел. В реальной установке часть энергии получает калориметр, некоторое количество передаётся воздуху и другим окружающим предметам, а измерения выполняются с определённой погрешностью.

Поэтому итоговый вывод должен учитывать реальные условия опыта.

Запишите итоговую формулировку:

В ходе лабораторной работы установлено, что при смешивании воды разной температуры энергия передаётся от более нагретой порции к менее нагретой. Рассчитанные количества отданной и полученной теплоты имеют близкие значения, а их небольшое расхождение объясняется потерями энергии и погрешностями измерений. Полученные результаты в пределах экспериментальной точности согласуются с тепловым балансом и законом сохранения энергии.

Проверьте свой вывод ещё раз. В нём должны быть отражены направление передачи энергии, результаты сравнения расчётов и причины возможного расхождения. Именно эти три элемента показывают, что лабораторное исследование доведено до логического завершения.

Рефлексия

Теперь давайте проведём рефлексию. Вы оцените не только результат лабораторной работы, но и собственную работу во время эксперимента. Важно понять, что получилось уверенно, а где возникли затруднения.

Вспомните весь ход исследования и ответьте себе на несколько вопросов:

• Что сегодня получилось выполнить наиболее успешно?
• Какие измерения или расчёты оказались для вас самыми простыми?
• На каком этапе возникли трудности?
• Что помогло вам справиться с ними?
• Что нового вы поняли о передаче энергии между телами с разной температурой?
• Насколько уверенно вы теперь можете объяснить небольшое расхождение между рассчитанными значениями?

Оцените свою работу одним из вариантов: «всё получилось», «были небольшие затруднения», «нужна дополнительная тренировка».

Теперь сформулируйте для себя главный результат сегодняшней работы: какое физическое явление вы исследовали и что смогли подтвердить с помощью эксперимента?

Важно, чтобы ваша оценка была честной. Если что-то не получилось с первого раза, это не ошибка самого обучения. Гораздо полезнее определить причину затруднения и понять, что именно нужно сделать, чтобы в следующий раз выполнить подобную работу увереннее.

Заключение

Сегодня вы работали не с готовым ответом из учебника, а сами искали закономерность с помощью измерений, вычислений и наблюдений. Именно такой подход постепенно превращает физику из набора формул в инструмент для понимания окружающего мира.

Не бойтесь ситуаций, когда полученные числа немного отличаются от ожидаемых. Настоящее исследование как раз и учит задавать вопросы: почему так произошло, какие условия повлияли на результат и как сделать следующий опыт точнее.

Сохраняйте эту привычку — наблюдать, проверять, сравнивать и делать выводы на основании фактов. Эти навыки пригодятся далеко за пределами кабинета физики: в учёбе, будущей профессии и самых обычных жизненных ситуациях. Каждый аккуратно выполненный эксперимент — ещё один шаг к умению самостоятельно разбираться в сложных задачах.

Домашнее задание

• Обязательная часть:
  прочесть параграф § учебника;
  завершить расчёты и сформулировать вывод, если отдельные элементы не были выполнены на занятии.
• По желанию:
  выбрать один бытовой пример теплообмена и кратко описать, какое тело отдаёт энергию, какое получает и почему;
  придумать небольшую задачу на смешивание горячей и холодной воды и записать её условие с ответом.

Технологическая карта

Скачать бесплатно технологическую карту урока физики по теме: «Лабораторная работа «Исследование явления теплообмена при смешивании холодной и горячей воды»

Технологическая карта — это документ, который содержит структуру и планирование учебного занятия, включая цели, задачи, этапы, методы и формы организации деятельности учащихся, а также используемые ресурсы и оборудование.

Смотреть видео по теме

Полезные советы учителю

Скачать бесплатно 5 полезных советов для проведения занятия по теме: «Исследование явления теплообмена» в формате Ворд (.docx)

Чек-лист педагога

Скачать бесплатно чек-лист для проведения занятия физики по теме: «Исследование явления теплообмена» в формате Word

Чек-лист для учителя — это инструмент педагогической поддержки, представляющий собой структурированный перечень задач, шагов и критериев, необходимых для успешного планирования, подготовки и проведения занятия или мероприятия.

Карта памяти для учеников

Скачать бесплатно карту памяти для восьмиклассников по физике по теме: «Исследование явления теплообмена» в формате Ворд (.docx)

Карта памяти ученика — это методический инструмент, который помогает учащимся структурировать и запоминать ключевую информацию по определенной теме.

Кроссворд

Скачать бесплатно кроссворд на урок физики в 8 классе по теме: «Лабораторная работа «Исследование явления теплообмена при смешивании холодной и горячей воды»» в формате WORD

Кроссворды на уроке — это дидактический инструмент, который через игровую форму активизирует познавательную деятельность, развивает мышление и закрепляет учебный материал.

Тесты

Как называется процесс передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому?
а) Теплообмен +
б) Испарение
в) Кристаллизация

Каким прибором измеряют степень нагретости тела?
а) Мензуркой
б) Термометром +
в) Калориметром

Как называется прибор, применяемый для исследования тепловых процессов?
а) Барометр
б) Калориметр +
в) Динамометр

Каким прибором можно отмерить объём жидкости?
а) Мензуркой +
б) Термометром
в) Динамометром

Что происходит с более нагретой порцией при смешивании её с менее нагретой?
а) Она замерзает
б) Она охлаждается +
в) Она испаряется

Что происходит с менее нагретой порцией при смешивании с более нагретой?
а) Она испаряется
б) Она замерзает
в) Она нагревается +

Как записывается формула количества теплоты при изменении температуры вещества?
а) Q = cm(t2 − t1) +
б) Q = cm
в) Q = m/c

Какое соотношение используют для сравнения отданной и полученной теплоты?
а) Qотд ≈ Qполуч +
б) Qотд > Qполуч всегда
в) Qотд = 0

Почему рассчитанные количества теплоты могут немного отличаться друг от друга?
а) Из-за отсутствия движения частиц
б) Из-за изменения массы Земли
в) Из-за погрешностей измерений и передачи теплоты окружающей среде +

Как называется состояние, при котором температуры взаимодействующих тел становятся одинаковыми?
а) Тепловое равновесие +
б) Механическое движение
в) Электризация

Интересные факты для занятия

1. Интересный факт 1:
   У снега есть собственная теплоизоляция. Свежевыпавший снег состоит из множества крошечных кристаллов и воздушных промежутков между ними. Поэтому толстый снежный покров способен заметно замедлять охлаждение почвы и растений зимой.
2. Интересный факт 2:
   Металл и дерево могут казаться нагретыми по-разному, даже находясь в одной комнате. Металл быстрее отводит тепло от руки, поэтому кажется более холодным. Дерево передаёт тепло значительно медленнее — поэтому при одинаковых условиях оно ощущается иначе.
3. Интересный факт 3:
   Термос не создаёт тепло и не «запирает» его внутри. Его конструкция лишь сильно замедляет передачу теплоты: двойные стенки и вакуум между ними уменьшают передачу через вещество, а блестящая поверхность снижает передачу излучением.

Интеллект-карта

Ментальная карта (интеллект-карта, mind map) — это графический способ структурирования информации, где основная тема находится в центре, а связанные идеи и концепции отходят от неё в виде ветвей. Это помогает лучше понять и запомнить материал.

Облако слов

Облако слов — удобный инструмент на занятии: помогает активизировать знания, подсказывает, служит наглядным материалом и опорой для учащихся разных возрастов и предметов.

Презентация

Скачать бесплатно презентацию на урок физики в 8 классе по теме: «Лабораторная работа «Исследование явления теплообмена при смешивании холодной и горячей воды» в формате PowerPoint (.pptx)

БОНУС: Рабочий лист

Скачать бесплатно рабочий лист по физике по теме: «Исследование явления теплообмена» в формате ВОРД

Рабочий лист – это образовательный инструмент, представляющий собой специально подготовленный комплект заданий, упражнений или вопросов, который используется на занятии для активизации познавательной деятельности учащихся.

Список источников и использованной литературы

1. Кривошеев Л.Н. «Тепловые явления в школьном физическом эксперименте». Издательство «Учебная книга», Ленинград, 1990. 176 страниц.
2. Жаринцев П.О. «Практикум по физике для восьмого класса». Издательство «Просветитель», Москва, 1994. 192 страницы.
3. Мелехов С.Р. «Основы молекулярной физики и тепловых процессов». Издательство «Школьная лаборатория», Новосибирск, 1996. 224 страницы.
4. Вельмиров А.К. «Физический эксперимент в средней школе: измерения и наблюдения». Издательство «Северный луч», Архангельск, 1998. 208 страниц.
5. Рудневич Е.В. «Методика изучения тепловых явлений в 8 классе». Издательство «Педагогическая мысль», Екатеринбург, 2000. 156 страниц.

Личный опыт педагога

На лабораторной работе одна ученица после смешивания сразу сняла показания, не дождавшись установления равновесия. Из-за этого при расчётах возникло заметное расхождение. Я попросила её повторить измерение через минуту, аккуратно перемешивая содержимое калориметра. Вывод: перед фиксацией показаний необходимо дать системе время прийти к равновесию — это существенно повышает точность дальнейших вычислений.

Личный опыт педагога — это совокупность осмысленных практических действий, выводов и наработок, сформированных в процессе обучения и воспитания учащихся.

Скачали? Сделайте добро в один клик! Поделитесь образованием с друзьями! Расскажите о нас!

Скачать бесплатно конспект урока в формате PDF

Скачать бесплатно конспект урока в формате WORD

Слова ассоциации (тезаурус) к уроку: теплообмен, теплота, калориметр, термометр, мензурка, масса, нагревание, охлаждение, смешивание, равновесие, теплоёмкость, измерение, погрешность, эксперимент

При использовании этого материала в Интернете (сайты, соц.сети, группы и т.д.) требуется обязательная прямая ссылка на сайт newUROKI.net. Читайте "Условия использования материалов сайта"