Зависимость испарения от размера свободной поверхности жидкости можно показать так. На весах уравновешивают пробирку и кристаллизатор с легко испаряющейся жидкостью, например с эфиром. Наблюдают, как постепенно поднимается та чашка весов, на которой установлен сосуд с большей свободной поверхностью жидкости.
На примерах и опытах нужно также показать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости. Учащиеся хорошо знают, что в ветреную погоду белье, вывешенное для просушки, высыхает быстрее, чем в тихую; быстрее просыхает пол после влажной уборки, если открыть окна в квартире. Продемонстрировать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости можно с помощью следующего опыта. На колбы, соединенные с манометром, кладут одинаковые фланелевые тряпочки, смоченные спиртом. На одну из колб направляют воздушный поток от вентилятора и по показаниям манометра сразу обнаруживают, что испарение резко возрастает.
Зависимость скорости испарения от рода вещества испаряющейся жидкости можно показать так. Заготавливают лист чистой бумаги с названиями исследуемых жидкостей (эфир, спирт, вода, масло). На лист с помощью кисточек, смоченных различными жидкостями, наносят несколько полосок. Затем края листа смачивают водой (как клеем) и накладывают на оконное стекло в физическом кабинете. При дневном освещении места, смоченные жидкостями, хорошо видны в проходящем свете. В вечернее время лист бумаги укрепляют в штативе и используют подсвет. Сначала исчезает пятно от эфира, затем от спирта, воды и, наконец, останется одна масляная полоска.
При изучении данных вопросов возможна и иная последовательность: сначала предлагают учащимся на основе молекулярно-кине-тических представлений предсказать, как будет зависеть скорость испарения жидкости от температуры, размера свободной поверхности жидкости и ветра, а затем проверить предположения опытом. Таким путем целесообразно изучать материал в более подготовленных классах.
Испарение твердого тела лучше показать, пользуясь искусственным льдом, если предоставляется такая возможность. Медленно и не так наглядно идет испарение нафталина и снега. Поэтому наблюдение за их испарением можно дать в качестве домашнего задания всему классу.
Полезно давать учащимся на дом творческие задачи по физике, например:
На раскаленную пластинку, плиту или сковородку пустите капли воды и пронаблюдайте за скоростью испарения этих капель. Объясните, почему при очень высокой температуре пластинки капля на ее поверхности держится неожиданно долго не испарясь.
Объясняют это тем, что «пары поддерживают каплю в воздухе.
Слой пара, поддерживающий каплю во взвешенном состоянии, изолирует ее от металла, и она долго не испаряется».
В качестве примеров использования законов испарения можно указать на разбрызгивание воды в горячих цехах для охлаждения воздуха, на использование сушильных камер, где ускорения процесса испарения жидкостей (из овощей, семян, древесных пород) достигают повышением температуры и вентиляцией нагретого воздуха.
Дают некоторые сведения о роли испарения в природе.
Всего с поверхности Земли за год испаряется в среднем 518 600 км3 воды. Этого количества воды достаточно, чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем большим, чем 1 м. Столько же в течение года выпадает осадков.
10. КИПЕНИЕ
Кипение — это особый вид парообразования, отличный от испарения. Поэтому при изучении кипения обращают внимание на внешние признаки явления, на постоянство температуры кипения.
Демонстрируют кипение воды в колбе и объясняют его. Описание внешней картины явления связывают с выявлением следующего: на стенках сосуда образуется много мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается, и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются. Процесс всплывания и разрушения на поверхности жидкости пузырьков, заполненных воздухом с паром, и характеризует кипение. Вводят понятие температуры кипения.
С целью увеличения наглядности образования пузырьков пара внутри жидкости можно кипятить жидкость, предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образование крупных пузырей пара с воздухом.
При выполнении лабораторной работы по теме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезно сравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина или льда.
Понимание особенностей кипения будет более полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять, что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различие между ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.
В качестве домашнего задания всему классу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать и как кипит вода в открытом сосуде.
В учебнике и в программе не рассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления, но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.
Зависимость точки кипения от давления целесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную на одну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробирку резиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжает нагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей и вновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколом насоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения при уменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемой холодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшения давления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершение темы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодонную колбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.
Зависимость температуры кипения от давления объясняют тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости. Поэтому при повышении давления жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.
В качестве технической установки, демонстрирующей зависимость точки кипения от повышения давления, используют котел Папина. При объяснении устройства котла необходимо подчеркнуть роль приспособления для регулировки давления пара. Оно не только выполняет функции предохранительного устройства, но и обеспечивает кипение воды в котле при определенной температуре.
11. КОНДЕНСАЦИЯ
После изучения парообразования логично поставить вопрос о противоположном процессе — конденсации пара.
Вновь проводят кипячение воды в колбе и наблюдают образование пара. Ставят на пути струи пара холодный предмет, например лист железа, и наблюдают появление на его нижней поверхности капелек воды.
Далее следует показать конденсацию паров, находящихся в воздухе. С этой целью наливают эфир в пробирку или стакан и продувают воздух, пока на стенках пробирки или стакана не появятся капельки воды.
Наблюдаемые явления используют для объяснения круговорота воды в природе, образования тумана, выпадения росы.
Проще продемонстрировать наличие теплоты конденсации, чем парообразования, поэтому изложение вопроса начинают с демонстрации следующего опыта. Конец резиновой трубки, присоединенной к колбе с кипящей водой, опускают в стакан с холодной водой. Пар, попадая в стакан, охлаждается и конденсируется, о чем свидетельствует повышение уровня воды в стакане. Нагревание воды в стакане обнаруживают с помощью термометра. Налив в стакан столько же кипятка, сколько сконденсировалось пара, мы получим значительно меньшее повышение температуры.
Рассказывают о проявлении этого явления в природе и использовании в технике. Обращают внимание на данные таблицы зависимости удельной теплоты парообразования от температуры. Эти сведения окажутся полезными при изучении темы «Тепловые двигатели». В заключение решают задачи. Приемы решения задач на парообразование и конденсацию аналогичны решению задач на нахождение теплоты плавления. Теплоту парообразования выражают формулой Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования.
В качестве примера использования энергии, выделяющейся при конденсации пара, рассматривают систему парового отопления.
12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Тема «Тепловые двигатели» имеет ярко выраженную политехническую направленность, которая позволяет учителю тесно связать многие теоретические вопросы с их практическим применением в жизни. Вместе с тем, как показывает опыт, имеется опасность и такого изучения, когда физическое содержание процессов, происходящих в тепловых двигателях, отодвигается на второй план и подменяется описанием технических деталей. Основной же задачей при изучении данной темы является расширение представлений учащихся о превращении энергии молекул (кинетической и потенциальной) в механическую энергию тела и механической энергии во внутреннюю в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.
Таким образом, первая часть задачи состоит в изучении физических основ работы тепловых двигателей. Вторая часть задачи охватывает изучение конструктивных особенностей тепловых двигателей.
В VIII классе программой предусмотрено изучение устройства в действии поршневых двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин.
Изучение материала должно показать учащимся, что пар или газ может совершать работу только тогда, когда он не находится в тепловом или механическом равновесии с окружающей средой.
Процесс преобразования внутренней энергии газа, пара в механическую может быть осуществлен с помощью различных двигателей: поршневых и роторных. В паровом двигателе внутренняя энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую посредством расширения пара, в двигателях внутреннего сгорания это преобразование происходит посредством расширения нагретого газа. Непременным условием работы любого теплового двигателя является наличие нагревателя (разности температур), рабочего тела, холодильника и тела, механическая энергия которого увеличивается. Важной характеристикой при оценке экономичности тепловых двигателей является КПД.
Общее для всех поршневых двигателей не только наличие цилиндра и поршня, т. е. конструктивное сходство, но и то, что в них термодинамический процесс не разделен в пространстве, а только лишь во времени, тогда как в турбинах, реактивных двигателях термодинамический процесс разделен и в пространстве, и во времени. Эти соображения дают основание изучать тепловые двигатели в два этапа: вначале поршневые двигатели, как более простые в термодинамическом отношении, а затем турбины.
13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В начале темы «Тепловые явления» речь шла в основном об изменении внутренней энергии путем теплообмена. Теперь следует подробно рассмотреть вопрос об изменении внутренней энергии посредством совершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловых двигателях.
Расширение рабочего тела — самый важный процесс в работе любого теплового двигателя. Поэтому данное обстоятельство нельзя упускать из виду при объяснении работы тепловых двигателей.
С помощью демонстраций нужно показать учащимся, что газ, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, может совершить работу расширения за счет изменения своей внутренней энергии. Опыт может быть проведен на следующей установке.
В стеклянный цилиндр с отверстием на стенке около днища помещают картонный поршень. Отверстие в стеклянном цилиндре со стенками не тоньше 2,5—3 мм протачивают точильным корундовым кругом. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом или протирают стенки цилиндра тампоном, смоченным бензином. Убирают пульверизатор и подносят пламя спички к отверстию цилиндра. Смесь воспламеняется, и поршень (картонный) выбрасывается из стеклянного цилиндра.
В данном опыте тепловое неравновесное состояние газа по отношению к окружающей среде было создано за счет химической энергии топлива.Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием карбюраторный) действительно является тепловым двигателем (в термодинамическом смысле слова), так как он самостоятельно, непрерывно превращает внутреннюю энергию топлива в механическую посредством тепловых процессов. Паровая турбина, взятая изолированно, не является тепловым двигателем, а представляет собой механизм, преобразующий энергию рабочего тела в механическую. Роль теплового двигателя выполняет вся паровая установка.
Используя модель (рис. 20.11), рассказывают об устройстве и действии четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.Обращают внимание учащихся на наличие в двигателе внутреннего сгорания нагревателя (цилиндр), рабочего тела (газообразные продукты сгорания), тела, механическая энергия которого увеличивается (поршень).
При объяснении устройства и действия двигателя внутреннего сгорания следует использовать также плакаты, кинофильмы и зарисовки на доске. В фильмотеках имеется кинофрагмент «Четырехтактный двигатель». Натурные и мультипликационные кадры в нем знакомят с принципом действия двигателя внутреннего сгорания, с его внешним видом. В кинофрагменте демонстрируется четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Положение клапанов показано крупным планом. При наличии времени полезно продемонстрировать кинокольцовку «Работа четырехцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя». В ней показываются процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.
Учащиеся должны уметь выполнять схематические рисунки четырех тактов двигателя и объяснять происходящие при этом в двигателе внутреннего сгорания процессы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учащиеся в процессе изучения физики должны научиться пользоваться определенными приборами и устройствами. Уметь определять опытным путем физические величины, решать основные типы задач (вычислительные, качественные, экспериментальные, графические и др.). Решение задач является составной частью процесса обучения физики. В связи с этим задачи решаются на учебных занятиях по физике в различных формах и на всех этапах усвоения знаний. Овладевать общеучебными умениями (уметь работать с учебной литературой, выделять главное, делать выводы, ставить опыты, вычислять и др.); мыслительные операциями (анализ, синтез, абстрагирование, обобщение и др.); приемами умственной деятельности(сравнение, классификация, определение и др.)
Все элементы физических знаний могут быть усвоены учащимися на различных уровнях(различение, запоминание, понимание, применение знаний в знакомой и в новой ситуация). Учащиеся должны знать систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах, тепловые двигатели.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.В. Перышкин, Н.А. Родина, Х.Д. Рошовская // Преподавание физики в 6-7 классах средней школы. Пособие для учителя- Москва “Просвещение” 1985.-188-211 с.
2. С.Е. Каменецкий, Л.А. Иванов // Методика преподавания физики в средней школе. Частные вопросы – Москва “Просвещение” 1987.-189-208 с.
3. В.А. Кондаков // Строение и свойства вещества. Пособие для учителя – Издательство “Просвещение” Москва 1970.-136 -148 с.
4. А.В. Усова // Методика преподавания физики в 7-8 классах средней школы. Пособие для учителя – Москва “Просвещение” 1990.- 293-300 с.
5. Б.М. Якорский, А.А Пинский // Основы физики – Наука, Москва, 1972 т.2 с. 73-97.
6. Л.А.Исаченкова, Ю.Д.Лещинский//Учебное пособие для 8 класса-Минск”Народная освета”2005.
