Конкурс "Я иду на урок"

Измерение температуры. 10-й класс

В.А.ЗВЕРЕВ,
школа № 258, г. Санкт-Петербург

VAZ_258@mail.ru

Измерение температуры

Формирование представлений о фундаментальных физических понятиях, физико-математический профиль, 10-й класс

Структура предлагаемого урока строится на единстве трёх основных содержательных линий, дополняющих и развивающих друг друга: демонстрационного эксперимента, урока-лекции и элементов эвристической беседы в сопровождении компьютерной презентации «Измерение температуры» (см. рубрику «Дополнительные материалы» к № 6 на сайте газеты http://fiz.1september.ru). Эксперимент способствует углублению и закреплению теоретических знаний, развивает навыки его проведения, позволяет самостоятельно идти от абстрактного к конкретному. Кроме того, правильно поставленный эксперимент всегда поражает воображение ребят, оказывает на их эмоциональную сферу сильное влияние, создавая яркие и запоминающиеся образы. На данном уроке потенциал «живого» демонстрационного эксперимента значительно возрастает благодаря его сочетанию с компьютерным экспериментом и опытами, представленными в компьютерной презентации. Это позволяет реализовать сразу несколько дидактических форм эксперимента (создание проблемной ситуации, иллюстрирование, мысленный эксперимент) и обеспечивает высокую степень познавательной активности и самостоятельности учащихся, позволяет им глубоко вникнуть в суть наблюдаемых явлений и усвоить физические понятия.

Ход урока

I. Организационный этап (1 мин)

Учитель обспечивает психологический настрой.

II. Подготовка к восприятию нового учебного материала (4 мин)

Учитель сообщает тему и задачи урока и начинает эксперимент с нагреванием льда. Регистрация результатов визуальная, по цифровому термометру. Эксперимент продолжается около 10 мин, и учитель время от времени акцентирует на нём внимание учеников. Он даёт задание построить в тетрадях таблицу (по слайду 9 презентации) и просит заполнять её в ходе урока и потом дома, при выполнении домашнего задания. Одновременно учитель проводит фронтальную беседу, сопровождая её показом слайдов 1–9 презентации: чем горячее тело отличается от холодного? что такое температура? какую температуру принять за нулевую? что такое самая глубокая степень холода? какова максимальная температура в природе?

III. Проверка домашнего задания (5 мин )

Задание было направлено на повторение основных понятий, умозаключений, основополагающих знаний, умений, способов практической и мыслительной деятельности. Учитель выслушивает все вопросы и доводы. Два ученика у доски чертят заданный на дом график теплообмена, он понадобится при введении понятия «реперные точки».

IV. Изучение нового материала (30 мин)

а) Введение понятий «термометрическое тело», «реперная точка». Учитель объясняет понятие «термометрическое тело»: вещество, используемое в термометрах, физические параметры которого зависят от температуры, – и объясняет принцип действия и устройство разных термометров (слайды 10–17). Одновременно он обращает внимание учеников на ход эксперимента: нагревание льда до 0 °С, плавление при неизменной температуре, нагревание до кипения, кипение при постоянной температуре, которая необязательно равна 100 °С, т.к. атмосферное давление в этот день может отличаться от 760 мм.рт.ст. Дети обсуждают график теплообмена, участвуют в дискуссии о вводимых понятиях, об отдельных отрезках графика теплообмена (наклон, длина) и опорной точ ке кипения, чертят экспериментальный график в тетради, делают выводы.

б) История изобретения термометра. Температурные шкалы. Заслушиваются доклады учеников. Учитель иллюстрирует их слайдами 12–20 своей презентации и сопровождает комментариями, что стимулирует познавательный интерес и побуждает к работе с дополнительными источниками информации.

• Термоскоп Галилея. Первый прообраз термометра – термоскоп – в 1592 г. продемонстрировал на своих лекциях Г.Галилей. Термоскоп представлял собой стеклянную трубку, частично заполненную водой, с шариком на конце. Открытый конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой. При нагревании шарика давление воздуха в нём увеличивалось, и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот, уровень жидкости поднимался вверх. Таким образом, можно было судить о температуре. Первое применение термоскоп нашёл в медицине.

Однако показания термоскопа зависели и от атмосферного давления, что вносило ошибку – при повышении давления уровень жидкости тоже повышался. Впоследствии во Флоренции были изготовлены полностью запаянные термометры, показания которых не зависели от атмосферного давления. Вода была заменена спиртом, имеющим более высокую температуру замерзания. Чтобы показания различных термометров можно было сравнивать, необходимо было ввести температурную шкалу. Для этого надо было прежде всего установить постоянные точки с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве таких опо рных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды.

• Шкала Фаренгейта. Шкалу ввёл в 1714 г. Г.Фаренгейт. В качестве реперных точек он выбрал температуру таяния льда и температуру человеческой крови. Этот температурный интервал был разделён на 64 части. Нулевая точка была помещена ниже точки таяния льда на расстоянии, равном половине интервала лёд–кровь. В то время это была наиболее низкая из известных температур, получавшаяся при смешивании нашатыря и смеси вода–лёд. Таким образом, температура таяния льда имела значение 32 °F, а температура человеческой крови 96 °F. В дальнейшем он перешёл к ртутному термометру (первый был спиртовым), для которого в качестве опорной точки выбрал температуру кипения воды, что при сохранении прежней шкалы составило 212 °F.

• Шкала Реомюра. Введена в 1730 г. В качестве опорных точек выбраны температура таяния льда (0 °R) и температура кипения воды. Свой термометр Реомюр наполнил смесью спирт–вода, которая между двумя опорными точками расширялась на 8 %. За 1°R он принял температуру, соответствующую расширению жидкости на 1 промилле (тысячная доля), поэтому температура кипения воды получилась равной 80 °R.

• Шкала Цельсия. Введена в 1742 г. Цельсий предложил разделить интервал между точками таяния льда и кипения воды на 100 градусов. Он принял температуру точки таяния льда равной 100 °C, а точки кипения воды 0°C. Используемое в наше время обратное обозначение было введено позднее Штpёмеpом.

в) Ознакомление с жидкостными термометрами, оценка погрешности измерения.

• Жидкостный термометр. Действие наиболее употребительных термометров основано на том, что жидкости обычно расширяются при нагревании. В лабораторных и медицинских термометрах используется ртуть. В бытовых термометрах используются жидкости, которые дешевле и потенциально менее опасны, – окрашенный спирт или толуол. Жидкостный термометр может работать только в интервале температур, лежащих выше точки замерзания жидкости и существенно ниже её точки кипения. Для ртути этот интервал равен –38...260 °С. Обычный жидкостный термометр представляет собой очень «умный» прибор. Если бы он состоял просто из жидкости, находящейся в стеклянной капиллярной трубке, то изменение температуры было бы очень трудно зафиксировать. При нагревании жидкости расширяются, но изменение объёма при характерных изменениях температуры очень невелико. Для ртути оно составляет только 0,018% на градус по шкале Цельсия. Поэтом у на конце капиллярной трубки очень малого объёма делают полый шарик, в котором и заключают бoльшую часть объёма жидкости. При этом длина столбика увеличивается в 10 и более раз при изменении объёма жидкости всего на 2%.

Учитель организует работу со справочником (коэффициенты объёмного расширения) и со слайдами 19–20, выясняет, надо ли делить шкалу именно на равные части, т.е. обязательно ли считать термометрическую шкалу линейной? Просит заполнить таблицу, обсуждает с учащимися записи в таблице, оценивает погрешность измерения.

• Газовый термометр. Действие этого прибора для измерения температуры основано на зависимости давления или объёма газа от температуры. Заполненный гелием, азотом или водородом баллон, соединённый при помощи капилляра с манометром, помещают в среду, температуру которой хотят измерить. По измеренному изменению давления (объёма) газа, используя уравнение состояния, определяют температуру. С теоретической точки зрения газовый термометр обладает бесспорным преимуществом. В самом деле, и давление газа, и его температура пропорциональны одной и той же величине — средней кинетической энергии молекул газа. Поэтому связь между давлением и температурой газа оказывается наиболее фундаментальной. Именно поэтому показания газового термометра считаются образцовыми. В показания всех остальных термометров приходится вносить соответствующие поправки. Однако для практических целей газовый термометр очень громоздок и неудобен.

Коллективное обсуждение вопроса (слайды 22–28): почему лучшим термометрическим телом является газ? Обращаем внимание на точку пересечения графика с осью температур.

д) Ознакомление с электрическими и тепловыми термометрами (слайды 29–32).

• Термопары. Во многих веществах электрические свойства зависят от температуры. Это используется для измерения в термопарах. Если нагреть спай А двух разнородных проводников и охладить спай Б, то в цепи возникнет термоЭДС. Величина ЭДС пропорциональна разности температур. Обычно для термопар используются железо и константан (сплав меди с никелем). Таблица зависимости разности потенциалов для этой комбинации металлов от температуры приводится во многих справочниках.

Одно из достоинств термопар – маленький размер чувствительного элемента – спая, точки соединения тонких проволок. Проволоки можно заделать глубоко внутрь любого тела и дистанционно измерять температуру внутри объекта (например, в активной зоне ядерного реактора). Используя различные комбинации металлов, можно с помощью термопар измерять температуру в интервале от –269 °С до почти 2300 °С.

• Резистивные термометры. Обычно сопротивление металлов растёт с повышением температуры. Этот эффект хорошо воспроизводится и используется во многих точных термометрах. Небольшая проволочная спираль из платины позволяет измерять температуру от –258 °С до 900 °С.

• Термисторы. Термисторами называется целый класс полупроводников, у которых зависимость сопротивления от температуры противоположна этой зависимости для металлов – электрическое сопротивление резко падает с ростом температуры. Термисторы, которые обычно представляют собой оксиды металлов, могут изготавливаться в форме крошечных шариков. Они гораздо более чувствительны, чем термопары или платиновые термометры, но не столь стабильны в течение длительных промежутков времени. Термисторы используются в медицинских термометрах с электрическим считыванием показаний.

• Биметаллические пластины. Термометры в большинстве бытовых холодильников и многие уличные термометры представляют собой две соединённые вместе пластины из разных металлов, подобранных таким образом, что одна из них при повышении температуры расширяется гораздо больше другой. При этом биметаллическая полоска изгибается. Широко применяются биметаллические пластины в терморегуляторах утюгов.

Обсуждение (слайды 33–36): как медицинский термометр «запоминает» максимальную температуру? как измерить температуру в активной зоне ядерного реактора? для чего надо измерять эту температуру?

е) Ознакомление с оптическими термометрами.

• Пирометры. В технике для измерения температуры широко применяются пирометры «с исчезающей нитью». Меняя ток в цепи лампы, добиваются исчезновения нити на фоне поверхности раскалённого тела. По шкале реостата определяют температуру. Опытные мастера безошибочно определяют температуру нагретого металла по его цвету.

Учащиеся обсуждают слайды 27–36, заполняют таблицу, отвечают на вопросы: как измерить температуру звёзд? есть ли температура у космоса? как измерить температуру комарика? как измерить температуру в плавильной печи? Наблюдают за процессом нагревания льда и кипения воды, и по возможности заполняют таблицу.

д) Погрешность измерения. Надо ли делить шкалу на равные части? Линейна ли термометрическая шкала? Как медицинский термометр «запоминает» максимальную температуру? Как измерить температуру комарика? Как измерить температуру в активной зоне ядерного реактора? Каков механизм «усиления» в жидкостных термометрах? Этот блок вопросов позволяет усвоить понятие «погрешность измерения» и прийти к выводу, что за всей очевидностью внешних, наблюдаемых явлений существуют «побочные» явления, которые влияют на точность измерения (например, расширение материала, из которого изготовлена колба, нелинейность расширения жидкости и др.). Учащиеся актуализируют знания, необходимые в данной ситуации, учатся предусматривать обстоятельства, скрытые от глаз наблюдателя, и добиваться решения задачи наиболее рациональным способом. Учитель обобщает и дополняет, отвечает на вопросы, анализирует типичные ошибки в ответах и в таблицах, корректирует их.

V. Итоги урока (5 мин)

В целом весь ход этого урока направлен на подготовку следующего урока «Абсолютная температура», поэтому особый акцент делается на объяснении того факта, что температура любых газов одинакова в состоянии теплового равновесия, а график давления пересекает ось температур в точке –273 °С (график к концу урока уже нарисован). На дом: доделать полностью таблицу, которую в течение всего урока заполняли, и обдумать вопросы:

• При увеличении температуры объём стеклянной трубки увеличивается. Становится ли при этом внутренний объём трубки больше? меньше? Как это влияет на показания термометра? Какова структура материи при максимальных температурах? Какова структура материи при минимальных температурах? Есть ли температура у космоса? Какой макроскопический параметр одинаков у всех тел в состоянии теплового равновесия? Имеется ли какой-нибудь одинаковый микроскопический параметр у этих тел? Являются ли точки плавления льда и кипения воды идеальными опорными точками?

Литература

Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика-10. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2006.

Поль Р.В. Механика, акустика, учение о теплоте. – М.: Наука, 1971.

Спасский Б.И. Физика в её развитии. – М.: Просвещение, 1979.

Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений: т. 1. – М.: Наука, 1986.

Шамало Т.Н. Учебный эксперимент в процессе формирования физических понятий. – М.: Просвещение, 1986.

Сайты: http://tolks.ru/?to=2&what=view_word&file_id=12883&from=base• http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/08/popup/gas_term.htm• http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/08/082.htm•

http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/08/popup/gas_term.htm

http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/08/082.htm

http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/08/popup/scales.htm.

Семинар директоров Колпинского района. На переднем плане – заведующая РОНО Ирина Павловна Христова, директор Центра повышении квалификации специалистов