Учебные занятия

Как мы получали «теплород»

Часов на изучение физики в школе отпускают всё меньше и меньше! Только восемь ребят из трёх десятых классов выбрали наш профиль. Неужели этот предмет скоро станет в школе совсем не нужным? И будет только естествознание? Как заинтересовать девочек и мальчиков?

Воспользовавшись растущим спросом на углублённое изучение английского языка и информационных технологий, мы с учителем английского языка О.А.Чинарёвой создали спецкурс для 8–9-го классов, объединив физику, информатику и английский язык. В рамках этого курса учащиеся находят неадаптированные научно-технические тексты на английском языке (в основном из электронной версии энциклопедии – Википедии), сразу же записывают их на SMART-доске, переводят на русский и, используя возможность смены изображения с сохранением предыдущего слайда, проверяют правильность перевода и самостоятельно исправляют свои ошибки^*. В ходе работы можно с помощью SMART-доски получить из интернета исчерпывающую информацию по любому возникающему вопросу и сохранить её для последующего обсуждения. Завершается работа тестовым упражнением на проверку понимания представленного в проекте материала, составленным учителем. Интерактивная клавиатура SMART-доски позволяет ребёнку независимо от почерка красиво представить исследовательский проект. Приведу ход занятия по теме «Закон сохранения энергии».

• Первоисточник на английском языке [www.rumford.com/Rumford.html]

Inventor. In England his scientific career prospered. While serving in the Government Colonial Office his scientific study and experiments, particularly with gunpowder, were so successful that he was elected in 1779, at the age of 26, to the prestigious Royal Society. In 1783, through the intercession of Prince Maximilian (whom he met while traveling in Strasbourg, France), he was invited by the Elector of Bavaria to accept a high post as a military/civilian advisor.

With the blessing of his English sponsors, Sir Benjamin accepted and was made Major-General of Calvary and Privy Councelor of state, Bavaria. Thompson then turned his talents to sound reform <... и т.д.>

Перевод. В Англии у него была успешная научная карьера. Во время службы в государственном колониальном офисе его научные исследования и эксперимент, особенно с порохом, были такими успешными, что в 1779 г., 26 лет отроду, он был избран в престижное королевское общество. В 1783 г. при содействии принца Максимилиана (которого он встретил во время путешествия в Страсбург, Франция), он был приглашён на высокий руководящий пост.

Сэр Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) принял это предложение и был назначен министром внутренних дел Баварии. Он направил свои таланты на успешное проведение реформы, не оставляя занятия наукой. Основные усилия были направлены на подтверждение гипотезы о том, что причина нагревания – совершение механической работы (трение). Для проверки гипотезы пушечный ствол помещался в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей мюнхенского цейхгауза. Спустя 2,5 ч вода в бочке закипела! (Этот эксперимент мы продемонстрировали в виде мультипликационного фильма. – С.З.) <...>

Факт нагревания тел при соударениях или трении друг о друга послужил причиной того, что теплоту издавна считали как-то связанной с движением. Количественные доказательства эквивалентности различных видов энергии принадлежат немецкому физику Роберту Майеру и английскому физику Джеймсу Джоулю, который в 1837–1847 гг. проделал множество разно­образных экспериментов по превращению различных форм энергии – механической, электрической,  химической – в тепловую энергию.

В одном из своих первых исследований он использовал прибор, варианты которого схематически изображёны ниже. В сосуде с водой вращаются лопасти А, приводимые в движение грузом Р, подвешенным на перекинутом через блок В шнуре. При опускании груза лопасти вращаются, проходя сквозь отверстия в перегородках С, и, увлекая воду, вызывают трение одних слоёв воды о другие. Вода и сосуд нагреваются; никаких других изменений ни вода, ни остальные части прибора не испытывают. Сила тяжести совершает работу, равную Рh. В начале и в конце опыта все части прибора – груз, лопасти, вода – находятся в покое, так что кинетическая энергия всех этих тел в итоге не изменяется, а вся совершённая работа вызывает только нагревание воды, лопастей и других частей прибора. Это позволяет подсчитать, какую работу нужно затратить, чтобы повысить температуру одного грамма воды на 1 °С. При этом Джоуль учитывал, что кроме воды нагреваются также лопасти и сосуд.

Джоуль менял количество воды, вес грузов и высоту их поднятия, моменты действующих сил и т.д., всегда получая один и тот же результат: для нагревания 1 г воды на 1 °С надо произвести работу, говоря современным языком, 4,2 Дж.

Кроме этого опыта и сам Джоуль, и другие исследователи выполнили много других: нагревание газа за счёт работы, совершённой при сжатии; разогревание трущихся друг о друга металлических дисков за счёт работы сил трения; нагревание воды, в которую была погружена медная спираль с током или обмотка электрогенератора.

• The mechanical equivalent of heat [http://en.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule]

Joule wrote in his 1845 paper: ... the mechanical power exerted in turning a magneto-electric machine is converted into the heat evolved by the passage of the currents of induction through its coils; and, on the other hand, that the motive power of the electro-magnetic engine is obtained at the expense of the heat due to the chemical reactions of the battery by which it is worked <...>.

Перевод. ...механическая энергия вращения магнито-электрической машины превращается в тепло в результате протекания индукционных токов через её обмотки, а с другой стороны, можно сообщить магнитоэлектрической машине механическую энергию  за счёт  тепла, выделяющегося при химических реакциях в источнике питания.

<...> «Джоуль, скорее всего, хотел сказать, что теплота, выделяемая током, вызывается ударами частиц электрического флюида о частицы проводника. Поэтому, если увеличивается сила тока, увеличивается скорость частиц электрического флюида, и удары получаются более сильными, а также более частыми вследствие увеличения количества электрического флюида, проходящего за данный промежуток времени через сечение проводника» (www.aviacosmofond.ru/demo/ph/mkt/t2/indeх).

Результаты этих исследований подтвердили, что в любом случае, с любым проводником, при любом токе выделяемое тепло пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

• Воспроизведение исторического опыта и его математическое обоснование.

Выводы

• Вывод Джоуля (в современных терминах): «При различных явлениях, в которых совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты».

• Оказывается, и в современных условиях можно доказать справедливость закона сохранения энергии.

• Информация, полученная из источников на русском и английском языках, помогла показать справедливость закона сохранения энергии.

• Это мы и доказали экспериментально!

Безуглый Пётр воспроизводит аналог одного из исторических экспериментов и приводит его математическое обоснование

 

Тестовое упражнение:

• На SMART-доске воспроизводятся портреты учёных, занимавшихся в разное время понятием энергия и тут же на английском языке приводятся фразы, касающиеся их деятельности. Необходимо их перевести и соотнести портреты и описания.

 

Литература

1. 1С: Репетитор. Физика.
2. Виртуальная библиотека. Кирилл и Мефодий.
3. Энциклопедия для детей «Аванта+»: Физика.
4. www.rumford.com/Rumford.html
5. en.wikipedia.org/wiki/
6. www.Royalsociety.org
7. www.portalplanetasedna.com.ar/ideasog.htm
8. www.unc.edu
9. www.geocities.com/bioelectronichemistry/joule.htm
10. www.scienceworld.wolfram.com
11. www.britannica.com
12. www.msu.edu

---

^* Наша задача состояла в обучении детей не дословному техническому переводу, а пониманию информации, необходимой для проведения практического эксперимента, и духа исторической эпохи, в которой жили учёные. На SMART-доске можно сделать перевод скрытым изображением, а потом щелчком по доске или компьютерной мышке на перевод ученика наложить опорный перевод (учительский, из энциклопедии и пр.), слова-помощники и т.д.