Фоминова Елена Владимировна

Урок 7 физики по теме "Тепловое расширение и сжатие тел" в 8 классе.

Материал опубликован 5 August в группе

Учителя физики

1362

10410

Автор: Фоминова Е.В., учитель физики и информатики МБОУ СОШ № 23

МО Усть-Лабинский район хутора Братского Краснодарского края

Тепловое расширение и сжатие тел.

Цель урока: научиться объяснять явления теплового расширения на основе молекулярно‑кинетической теории и приводить примеры в технике и быту.

Задачи урока.

Образовательная: Экспериментально выявить зависимость размеров тел от температуры, изучить механизм расширения через модель теплового движения.

Развивающая: Развивать навыки выдвижения гипотез, анализа визуальной информации (ИКТ-модели) и умение работать в парах.

Воспитательная: Формировать ответственное отношение к инженерным решениям и понимание связи физики с безопасностью (мосты, ЛЭП, стоматология).

Планируемые результаты.

Личностные. Готовность к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению. Осознание ценности физических знаний для обеспечения безопасности в техносфере. Развитие навыков сотрудничества в паре при выполнении общего задания.

Метапредметные.

Познавательные: умение создавать и преобразовывать модели (игровая модель молекул), проводить сравнение и классификацию.

Регулятивные: умение самостоятельно определять цели обучения и планировать пути их достижения.

Коммуникативные: умение организовывать учебное взаимодействие в паре, аргументировать свою позицию.

Предметные:

Знать определение теплового расширения, физическую причину изменения объема при нагревании.

Уметь: Объяснять особенности расширения твердых тел, жидкостей и газов; приводить примеры теплового расширения в природе и технике.

Владеть: Навыками проведения простейших опытов по тепловому расширению.

Универсальные учебные действия (УУД)

Личностные УУД. Формирование познавательного интереса к изучению физики. Развитие критического мышления через анализ инженерных ошибок.

Регулятивные УУД. Целеполагание как постановка учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно, и того, что еще неизвестно. Самоконтроль процесса выполнения эксперимента.

Познавательные УУД. Построение логической цепи рассуждений: нагрев -> скорость молекул -> расстояние -> объем.

Коммуникативные УУД. Участие в коллективном обсуждении проблем. Смысловое чтение условий задач разного уровня сложности.

Тип урока: открытие нового

Оборудование и материалы:

Демонстрационное оборудование: прибор Гравезанда (шарик с кольцом), спиртовка, колба с узкой трубкой и подкрашенной водой, стеклянная трубка с каплей жидкости (для газа), емкость с горячей водой, металлическая линейка.

Лотки с оборудованием на парты: бутылки, воздушный шарик, стакан с горячей водой

Презентация к уроку.

Карточки-тест

Видео

Ход урока:

1. Организационный этап.

Цель этапа: создать эмоциональный настрой.

2. Актуализация знаний.

Цель этапа: повторить понятия смачивания, капиллярности, поверхностного натяжения.

Тест по теме «Смачивание и капиллярность. Поверхностное натяжение» в 4-х вариантах.

3. Вхождение в тему.

Учитель. Великий русский ученый М.В. Ломоносов говорил «Не познав природу, не станешь истинным человеком.

Поднимите руку, кто хоть раз видел, как рабочие пилят асфальт или делают швы в бетонной дорожке? А кто замечал зазоры между кусками рельсов? Сегодня на уроке мы раскроем эту инженерную хитрость и выясним: зачем нужны зазоры и распилы?

Кроссенс «Тепловое расширение тел»

Формат кроссенс тренирует наблюдательность и умение видеть общую физику в разных ситуациях.

Учитель. Что объединяет все эти картинки на слайде?

Рельс с заметным зазором на стыке.

Температурный шов моста.

Колба с трубкой: при нагревании уровень подкрашенной жидкости поднимается.

Треснувшая стеклянная кружка, в которую налили кипяток.

Крышка, поднятая паром.

Ученики дают ответы.

Учитель. Во всех случаях происходит одно и то же явление — изменение размеров или объёма тела из‑за температуры. Это и есть тепловое расширение.

Учитель. Тема нашего урока «Тепловое расширение и сжатие тел».

Вильгельм Гравезанд говорил: «Абстрактные законы природы нужно не только выводить математически, но и наглядно подтверждать на практике.

Проведем мини‑опыт с металлической линейкой.

Нужно приложить линейку к доске и обвести её контур. Затем нагреть линейку, быстро потерев её ладонями 10–15 секунд, либо опустив в горячую воду. Снова приложить к доске.

Вопрос: Совпадает ли длина? Почему?

При нагревании частицы вещества (линейки) начинают двигаться быстрее, расстояния между ними увеличиваются — и тело становится чуть длиннее. Это и есть тепловое расширение твёрдых тел.

4. Постановка проблемы и открытие нового знания.

Цель этапа: экспериментально доказать расширение твердых тел, жидкостей и газов; смоделировать процесс.

Учитель. Проблема: Почему размеры тел меняются при нагревании и как это учитывать?

Цель: Научиться объяснять явления теплового расширения на основе молекулярно‑кинетической теории и приводить примеры в технике и быту.

Учитель. Знаете ли вы, что Эйфелева башня летом становится выше почти на 15 сантиметров? Как вы думаете, французы достраивают её каждый июнь или это магия?

Ученики выдвигают предположения.

Железный стержень длиной 300 м удлиняется на 3 мм при нагревании его на один градус. Приблизительно на столько же должна возрастать и высота Эйфелевой башни при повышении температуры на 1°. В теплую солнечную погоду железный материал башни может нагреться в Париже градусов до +40, между тем как в холодный, дождливый день температура его падает до +10°. а зимою до 0°, даже до -10°

Вопрос. Если в стеклянный стакан налить кипяток, то стакан может треснуть. Почему?

Дело здесь в неравномерном нагреве. Когда мы наливаем кипяток, внутренняя поверхность стакана сразу нагревается, а внешняя сохраняет комнатную температуру. Стекло – вещество хрупкое из – за неравномерного расширения стекла, может не выдержать и лопнуть.

Учитель. Знаете ли вы, что Кусок медной проволоки длиной 10 метров при нагреве на 30°C удлиняется примерно на 0,05–0,07 метра, то есть на 5–7 сантиметров. Длина проволоки увеличится летом примерно на 0,5–0,7%. Медная телефонная проволока удлиняется от теплоты в 1,5 раза больше, чем стальная.

«Занимательная физика» Я. Перельман Задача «Безнаказанное хищение»

«На линии Ленинград — Москва каждую зиму пропадает совершенно бесследно несколько сотен метров дорогой телефонной и телеграфной проволоки, и никто этим не обеспокоен, хотя виновник исчезновения хорошо известен. Конечно, и вы знаете его: похититель этот …»

Вопросы:

1. Кто виновник исчезновения?

2. О каком физическом явлении идет речь?

3. Сказывается ли это на работе телефонной связи?

4. Если каждую зиму будет исчезать 500 метров медной проволоки, то, за какое время провод исчезнет совсем?

5. Почему провисают провода?

Провода линии электропередачи провисают. Это сделано специально, так как при морозах в зимний период они будут сокращаться. И если их натянуть очень сильно, возможны разрывы электросети.

Медная телефонная проволока удлиняется от теплоты в 1,5 раза больше, чем сталь. Но здесь уже нет никаких пустых промежутков, и потому мы без всяких оговорок можем утверждать, что телефонная линия Ленинград — Москва зимой метров на 500 короче, нежели летом. Мороз безнаказанно каждую зиму похищает чуть не полкилометра проволоки, не внося, впрочем, никакого расстройства в работу телефона или телеграфа и аккуратно возвращая похищенное при наступлении теплого времени.

Учитель. Но, когда такое сжатие от холода происходит не с проводами, а с мостами, последствия бывают подчас весьма ощутимы. Вот что сообщали в декабре 1927 года газеты о подобном случае: «Необычайные для Франции морозы, стоящие в течение нескольких дней, послужили причиной серьезного повреждения моста через Сену, в самом центре Парижа. Железный остов моста от мороза сжался, отчего вздулись и затем рассыпались кубики на покрывающей его мостовой. Проезд по мосту временно закрыт».

В июле 2018 года в городе Сиракьюс (США) произошел обвал железнодорожного моста. Причиной обвала инженеры назвали тепловое расширение бетона и стали, вызванное самым жарким за 107 лет июлем в городе. В ходе этого происшествия обвалились две бетонные плиты, каждая из которых была 14 метров в длину и 2 метра в высоту, а также каждая весила около 30 тонн.

Учитель. Проектируя стальной мост через реку в городе нельзя не учитывать перепада температур в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров. Для того, чтобы мост не разрушился детали мостов ставят на специальные катки.

Чтобы понять почему это происходит надо заглянуть внутрь вещества. Как вы уже знаете, все вещества состоят из молекул. В твердых телах частицы находятся очень близко друг к другу. Между ними большие силы взаимодействия. При нагревании тела увеличивается амплитуда колебания частиц и расстояние между ними, это приводит к увеличению размеров всего тела.

Тепловое расширение — физическое явление, которое заключается в изменении размеров тел при повышении температуры.

Оно бывает двух типов:

линейное, связанное с изменением длины и ширины;

объемное, при котором изменяется объем тела.

Тепловым расширение принято считать способность тел к расширению, когда они нагреваются. Это означает, что при повышении температуры изменяются их линейные и объемные размеры. Когда происходит охлаждение тела, процесс будет обратным – объем уменьшается.

Чем выше температура, тем больше скорость частиц и тем больше пространство, занимаемое частицами.

Учитель. Одним из первых продемонстрировал объемное тепловое расширение твердых тел на рубеже XVII-XVIII веков нидерландский философ, физик и математик, Вильгельм Якоб Гравезанд. В своем эксперименте он использовал металлический шар, установку можно увидеть в коллекции Политехнического музея. Изначально холодный шар свободно помещался в кольцо. При нагревании он увеличивался в размерах и уже не мог пройти.

Это явление находит практическое применение в различных областях. Например, его учитывают при проектировании мостов, чтобы избежать деформаций при изменении температуры.

Опыт:

1. Размеры металлического шара при комнатной температуре меньше, чем диаметр кольца, поэтому шар легко проходит через кольцо.

2. Шар нагревается. Тепло заставляет молекулы металла колебаться сильнее. В результате шар увеличивается в размере.

3. После нагревания шар не проходит через кольцо. Из-за теплового расширения его объем увеличился.

Вопрос. Почему меняются размеры твердых тел под воздействием температуры?

Металлический шар при комнатной температуре. Молекулы расположены близко друг к другу. Их колебания минимальны.

Нагретый шар. Колебания молекул усиливаются, поэтому расстояние между ними увеличиваются. Степень расширения зависит от свойств материала.

Эксперименты:

1. Тепловое расширение жидкости

Суть: жидкости тоже расширяются при нагревании.

Ход эксперимента: возьмите колбу с подкрашенной водой, закройте её резиновой пробкой, в которую вставлена тонкая стеклянная трубка. При нагревании колбы (поднести к ней руки) уровень подкрашенной жидкости в трубке поднимется.

«Парадокс воды»

У воды есть особенность. В диапазоне от 0 до 4 °C при нагревании её объём не увеличивается, а уменьшается (плотность растёт). Поэтому в этом опыте при нагревании от 0 до 4 °C уровень воды в трубке сначала опустится, а уже потом, при дальнейшем нагревании, поднимется.

2. Тепловое расширение газа

Суть: воздух при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Ход эксперимента: возьмите пластиковую бутылку и наденьте на горлышко воздушный шарик. Если бутылку слегка подогреть (например, подержать в руках или над тёплой поверхностью), шарик начнёт надуваться — воздух внутри расширяется.

5. Первичное закрепление.

Цель этапа: применить знания для решения задач разного уровня сложности.

Вопросы:

1. Рельсы искривлены. В каком случае это могло произойти?

2. Зачем один конец моста закрепляют неподвижно, а другой устанавливают на стальные катки?

3. С какой целью спицы литых колес часто делают не прямые, а изогнутые?

Основная причина, по которой спицы литых колёс часто делают изогнутыми, — снижение внутренних механических напряжений, которые возникают в процессе литья и охлаждения детали

4. «Чудо» жрецов – масло само подливается в жертвенное пламя. Почему?

Под жертвенником был скрыт резервуар с маслом, а в фигурах жрецов — система трубок. Когда на жертвеннике разжигали огонь, воздух внутри пустотелого жертвенника нагревался и, расширяясь, начинал давить на масло в нижнем резервуаре. Это давление вытесняло масло по трубкам прямо в пламя. Со стороны это выглядело как чудесное самоподливание масла.

5. «Чудо» жрецов – после разведения огня в жертвеннике двери храма открываются. Почему?

Жертвенник делали полой, герметичной конструкцией. Когда жрец разжигал огонь внутри него, воздух нагревался и расширялся.

Секрет описал древнегреческий инженер Герон Александрийский — он задокументировал эту систему в трактате «Пневматика»

6. Почему стоматологи запрещают чередовать очень горячую пищу с ледяной? Что происходит с эмалью зубов?

Эмаль расширяется и сжимается слишком быстро, могут появиться микротрещины.

7. Почему плотно закрытую банку легче открыть, если подержать крышку под горячей водой?

8. Как тепловое расширение разрушает горы?

Днем камни нагреваются, ночью остывают. В жаркий день скалы наиболее сильно прогреваются снаружи, оставаясь холодными внутри; они расширяются неодинаково и поэтому трескаются.

Рефлексия.

Цель этапа: подвести итоги, провести самооценку.

Учитель. Альберт Эйнштейн говорил: «Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие». Ребята, сегодня на уроке мы узнали, как температура управляет размерами всего мира.

Давайте подведем итог.