Тепловые явления

Описание Экспериментов/Руководство для учителя
Демонстрационный набор
Тепловые явления
r ornelsen
EXPERIM ENTA
ИН СТИТУТ
fill;
новых
ТЕХНОЛОГИЙ
Тепловы е явления. Ком плект л абораторн ого оборудования.
Руководство для учителя. — М.: ИНТ. — 15 с.
Научн. ред. канд.пед.наук Н. Виноградова
Ком плект лабораторного оборудования позволяет исследовать
процессы нагревания, охлаждения, кипения, испарения и конденсации.
Учащиеся получают представление о физических явлениях и законах,
успешно осваивают простейшие лабораторные приборы и методики
проведения простых и наглядных опытов, знакомятся с устройством
и принципом действия термометра.
Руководство содержит описание методики проведения 13 экспе­
риментов и некоторые теоретические сведения из термодинамики.
© Heat and Thermometer: Manual. Cornelsen Experimenta
© Перевод на русский язык. Институт новых технологий (ИНТ)
Тепловые явления
Комрлект лабораторного оборудования
«Тепловые явления»
Заказ № 31799
Данны й комплект предназначен для использования учащ имися в возрасте 7 -1 0 лет
Содержание
Состав комплекта лабораторного оборудования
4
Эксперименты
Эксперимент 1. Нагревание и охлаждение воды
4
Эксперимент 2. Нагревание и охлаждение спирта
4
Эксперимент 3. Как работает термометр?
5
Эксперимент 4. Что такое термометр?
5
Эксперимент 5. Градуировка термометра. Шкала Цельсия
5
Эксперимент 6. Измерение температуры и считывание показаний термометра
7
Эксперимент 7. Переход жидкости в пар — испарение
7
Эксперимент 8. Испарение воды
8
Эксперимент 9. Охлаждение в результате испарения жидкостей
8
Эксперимент 10. Возможен ли обратный переход газа в жидкость?
8
Эксперимент 11 (демонстрационный). Что происходит,
9
когда пар остывает?
Эксперимент 12. Круговорот воды в природе
9
Эксперимент 13. Как объединяются частицы воды?
10
Общая информация и некоторые теоретические сведения
10
Рабочие бланки
13
3
Тепловые явления
4
Тепловые явления
5
Тепловые явления
Состав комплекта лабораторного оборудования
Позиция
Количество
Наименование
1
16
Трубка стеклянная, 1,5 м м х 220 мм
2
15
Пипетка
3
20
Свеча в металлическом держателе
4
15
Термометр неотградуированный
5
15
Термометр (от -3°С до 103°С)
6
1
Пульверизатор
7
1
Краситель пищевой, синий
7
1
Краситель пищевой, красный
7
1
Краситель пищевой, желтый
8
15
Контейнер термоизолирующий для
лабораторного стакана (калориметр)
9
15
Стакан лабораторный пластиковый, 100 мл
10
15
Колба стеклянная, 25 мл
11
15
Булавка английская, 40 мм
12
15
Прищепка красная
12
15
Прищепка синяя
12
15
Прищепка желтая
13
1
Кипятильник (300 Вт, 220 В)
14
1
Воронка пластиковая
15
1
Ершик
16
1
Стакан лабораторный, 250 мл, термостойкий
17
15
Контейнер пластиковый
18
15
Пробка резиновая с отверстием
19
15
Подставка
1
Модель термометра демонстрационная
Дополнительные элементы в наборе «Тепловые явления 2»
—
3
Термос (для переноса горячей воды
и кубиков льда в класс)
Примечание: при выполнении некоторых экспериментов с ипользованием
научного комплекта «Тепло» необходимо использованиеоткрытого огня или
погружного кипятильника в качестве теплового источника. Следовательно,
все эксперименты необходимо проводить с наибольшей осторожностью во
избежание получения ожогов.
Нагревательные элементы необходимо охладить перед тем, как оставить
их на хранение в наборе.
6
Тепловые явления
Эксперименты
Эксперимент 1
Нагревание и охлаждение воды (рис.1)
Заполните колбу подкрашенной водой до краев и закройте
резиновой пробкой со вставленной в нее стеклянной
трубкой. Отметьте уровень, до которого поднимется вода
в трубке, синей пластиковой прищепкой. Затем устано­
вите заполненную водой колбу на подставке и нагрейте
с помощью свечи в металлическом держателе. По мере
нагревания уровень воды в трубке повышается вследст­
вие увеличения объема. Новый уровень отметьте красной
прищепкой.
Для охлаждения колбы поместите ее в пластиковый ста­
кан, заполненный холодной водой, возможно, с кубиками
льда.
Материалы: стеклянная трубка (1) — 1 шт.; прищепка
красная (12) — 1 шт.; прищепка синяя (12) — 1 шт.; свеча в
металлическом держателе (3) — 1 шт.; пищевой краситель
(7); колба (10) — 1 шт.; пластиковый стакан (9) — 1 шт.;
подставка (19) — 1 шт.; пробка резиновая (18) — 1 шт.
I
Рис.1
Дополнительно: термос, заполненный холодной водой или
кубиками льда.
Эксперимент 2
Нагревание и охлаждение спирта (рис.2)
Заполните колбу подкраш енным спиртом до краев и
закройте резиновой пробкой со вставленной в нее стек­
лянной трубкой.
Осторожно! Поскольку спирт легко воспламеняется,
нельзя использовать для его нагревания свечи.
Поместите колбу со спиртом в калориметр, наполненный
горячей водой. Спирт расш иряется, и его уровень в
стеклянной трубке повышается. При охлаждении уровень
спирта снова понижается.
Можно продемонстрировать, что спирт при нагревании
расширяется больше, чем вода.
Материалы: стеклянная трубка (1) — 1 шт.; изолирующий
контейнер (8) — 1 шт.; колба (10) — 1 шт.; пластиковый
стакан (9) — 1 шт.; пробка резиновая (18) — 1 шт.; пищевой
краситель (7).
Дополнительно: термос с горячей водой (70°С) — 1 шт.;
термос с холодной водой или кубиками льда — 1 шт.;
спирт.
7
Тепловые явления
Эксперимент 3
Как работает термометр?
Неотградуированный термометр поочередно опускают
в стаканы, наполненные водой различной температуры
(рис.З). Принцип действия термометра продемонстрирован
в экспериментах! и 2: при нагревании спиртвтермометре
расш иряется, а при охлаждении — сжимается.
Материалы: термометр неотградуированный (4) — 1 шт.;
пластиковые стаканы (9) — 2 шт.
Дополнительно: терм ос с горячей водой — 1 шт.;
термос с холодной водой (около 0°С) — 1 шт.
Эксперимент 4
Рис.З
Что такое термометр? (рис.4)
З аполните стаканы водой различной тем пературы :
приблизительно 55°С, 25°С и смесью холодной воды и льда.
Пощупайте воду рукой. Вода при 25°С ощущается холодной,
если рука до этого была в горячей воде. Однако, если вы
сначала опускаете руку в холодную воду, а затем в воду с
температурой 25°С, то вода кажется теплой. Термометр
при измерении температуры будет всегда указывать одну
и ту же темпера туру воды, независимо от того, куда он был
опущен до того — в горячую или холодную воду. Поэтому
термометры используются для точных и объективных
измерений температуры.
Материалы: термометр (от -3°С до 103°С) (5) — 1 шт.;
пластиковые стаканы (9) — 3 шт.; термоизолирующ ие
контейнеры для стаканов (8) — 3 шт.
Дополнительно: терм ос с горячей водой — 1 шт.;
термос с холодной ледяной водой — 1 шт.
Рис.4
Эксперим ент 5
Градуировка термометра. Шкала Цельсия
Шкала Цельсия отградуирована по двум специфическим
температурам — точке плавления льда (СТО) и точке кипе­
ния воды (100°С). На неотградуированном термометре эти
две точки могут быть определены следующим образом:
преподаватель заполняет стеклянны й терм остойкий
стакан водой. С помощью кипятильника вода доводится
до кипения (рис.5). (Никогда не включайте кипятильник
без воды!)
Каждая группа учащихся помещ ает неотградуирован­
ный термометр в кипящую воду и ждет, пока уровень
жидкости в термометре не прекратит повышаться. Эта
точка отмечается красным прищ епкой. Затем ученики
заполняют пластиковый стакан холодной водой с кубиками
льда, опускаю т туда термометр и ждут, пока жидкость
Рис.5
8
Тепловые явления
в нем не остановится (рис.6). Эта точка должна быть
отмечена синей прищепкой. Сравните полученные отмет­
ки с термометром, имеющим шкалу Цельсия со 100 рав­
ными делениями между двумя отмеченными точками (от
0°С до 100‘С).
Материалы: неотградуированный термометр (4) — 1шт.;
градуированный термометр (от -3°С от 103°С) (5 )— 1 шт.;
красная прищепка (12) — 1 шт.; синяя прищепка (12) — 1 шт.;
термостойкий стеклянный стакан (16) — 1 шт.; пластиковый
стакан (9) — 1 шт.; кипятильник (13) — 1 шт.
Дополнительно: терм ос с горячей водой — 1 шт.;
термос со смесью холодной воды и льда — 1 шт.
Эксперимент 6
Измерение температуры и считывание
показаний термометра
Т е р м о м е тр м ож но и с п о л ь зо в а ть для и зм е р е н и я
температуры, например в классной комнате, холодной и
теплой воды, горячего чая, лампы после того, как свет был
включен в течение нескольких минут, и т.д.
Рис.6
У
.. V f 1
Для упраж нения в чтении показаний терм ом етра
воспользуйтесь р и с .4 на странице 7 этого р уко ­
водства.
Материалы: термометр от -3°С до +103°С (5) — 1 шт.
ь
Эксперимент 7
Переход жидкости в пар — испарение
Закройте колбу резиновой пробкой, переверните ее и
установите на подставке. С помощью пипетки капните
на середину дна колбы одеколон или спирт (р и с.7).
Пронаблюдайте, как капля становится все меньше и
меньше, пока совсем не исчезнет. Жидкость испарилась.
Она перешла в газообразноле состояние. Газ состоит
из крошечных частиц, невидимых для невооруженного
глаза. Однако если жидкость имела запах, то его можно
почувствовать, даже после того, как жидкость испарится
полностью, например, если это одеколон или спирт.
Материалы: пипетка (2) — 1 шт.; колба (10) — 1 шт.;
подставка (19) — 1 шт.; пробка резиновая (18) — 1 шт.
Дополнительно: одеколон или спирт.
Рис.7
Тепловые явления
Эксперимент 8
Испарение воды
Колба располагается так же, как в эксперименте 7, но
теперь на подставку капают воду (рис.8). В этом случае
капля воды через некоторое время тоже испаряется,
хотя это происходит медленнее, чем в эксперименте 7 со
спиртом или одеколоном. Каждая жидкость испаряется с
своей скоростью.
Материалы: пипетка (2) — 1 шт.; колба (10) — 1 шт.;
подставка (19) — 1 шт.; пробка резиновая (18) — 1 шт.
Дополнительно: небольшое количество воды.
Примеры наблюдения в повседневной жизни
Сохнет выстиранное белье, исчезает дождевая вода на
окне стоящего автомобиля — капли постепенно становятся
меньше и меньше, пока окно полностью не высыхает (с окна
движущегося автомобиля капли частично испаряются, а
частично уносятся воздухом), испаряется вода в аквариуме
(ее нужно время от времени добавлять).
Рис.8
Эксперимент 9
Охлаждение в результате испарения
жидкостей
С помощ ью терм ом етра определите тем пературу в
комнате и температуру метилового спирта (огнеопасный!),
налитого в пластиковый стакан (рис.9).
Показания термометра, вынутого из спирта, ниже, чем
реальная температура спирта из-за испарения спирта
на термометре. Этот эффект охлаждения можно также
почувствовать, смочив спиртом палец.
Материалы: термометр (от -3°С до 103°С) (5) — 1 шт.;
пластиковый стакан (9) — 1 шт.
Дополнительно: спирт.
Эксперимент 10
Рис.9
Возможен ли обратный переход газа
в жидкость?
Налейте немного горячей воды (с температурой около
70°С) в колбу. Закройте колбу резиновой пробкой (рис. 10).
Стекло колбы запотеет. Испарившаяся вода оседает на
стекле колбы. Из газообразного состояния она снова
першла в жидкое (явление конденсации).
Материалы: колба (10) — 1 шт.; пробка резиновая (18) —
1 шт.
Дополнительно: термос или стеклянный стакан с очень
горячей водой.
Рис.10
10
Тепловые явления
Эксперимент 11 (демонстрационный)
Что происходит, когда пар остывает?
Заполните терм остойкий стеклянный стакан водой и
доведите воду до кипения с помощью кипятильника.
Затем подержите пластиковый контейнер, заполненный
ледяными кубиками, над паром. Вода при этом должна
кипеть (рис.11).
М ногочисленны е частицы (молекулы ) вылетают из
воды, образуя пар. Водяной пар оседает на прохладной
поверхности контейнера — конденсируется.
Материалы: кипятильник (13) — 1 шт.; контейнер плас­
тиковый (17) — 1 шт.; термостойкий стеклянный стакан
(16) — 1 шт.
Дополнительно: термос с кубиками льда.
Эксперимент 12
Рис. 11
Круговорот воды в природе (рис. 12)
Вода испаряется всюду: невидим ые частицы воды
поднимаются с моря, с полей и лесов. Испарившаяся вода
конденсируется в более холодном воздухе в виде тумана
и облаков. Когда воздух становится еще более холодным
или ветер перемещает эти облака в холодные регионы,
частицы воды соединяются, формируются большие капли,
которые под действием своего веса падают вниз: идет
дождь. Водный цикл за в ер ш ен . Д ож девы е капли
испаряются, невидимые частицы воды поднимаются
вверх и т.д.
11
Тепловые явления
Эксперимент 13
Как объединяются частицы воды?
Заполните пульверизатор водой (рис. 13). Распылите воду
на окно или классную доску с расстояния приблизительно
30 см. Крошечные частицы из пульверизатора образуют в
воздухе едва видимое водное облако, но на поверхности,
на которую они оседают, объединяются в большие капли.
Материалы: пульверизатор (6) — 1 шт.
Дополнительно: небольшое количество воды.
Общая информация и некоторые
теоретические сведения
Теплота и тер м о м е тр
При нагревании твердых тел, ж идкостей или газов
их объем, как правило, увеличивается. Например,
при нагревании на 1 градус Цельсия 1 литра воды и 1
литра ртути их объем увеличивается на 0,2 мл (0,2 см3),
1 литра спирта — на 1,1 мл (1,1 см 3). При охлаждении
объем снова уменьшается. Однако, если охлаждается
вода (при нормальном давлении), ее объем уменьшается
только до тех пор, пока температура не достигает 4°С
(Цельсия). При дальнейшем охлаждении до 0°С объем
воды вновь увеличивается. Когда вода при 0°С переходит
в лед, происходит резкое увеличение объема. Этим вода
отличается от многих других веществ, объем которых
уменьшается при охлаждении.
Т ем п ер атуру изм еряю т с помощью терм ом етров.
Жидкостные термометры состоят из заполненного ж ид­
костью сосуда (шарика), соединенного с очень узкой
трубкой. При повышении температуры жидкость расши­
ряется. Уровень жидкости в трубке всегда можно отсчи­
тать по градуированной шкале. Термометры обычно
заполняются спиртом или ртутью.
В тем п ературн ой ш кале Цельсия за точки отсчета
приняты точка замерзания воды (0°С) и точка кипения
воды (100°С). В тем пературной ш кале Ф аренгейта
точка замерзания воды отмечена как + 32Т и точка кипения
воды — как + 2 1 2 Т (рис. 14). Температуру в градусах
Фаренгейта измеряют в Англии и Северной Америке.
М едицинский терм ом етр: в то время как наружный и
комнатный термометры и термометр для ванны всегда
показы ваю т температуру среды, в которой они нахо­
дятся, медицинский термометр — это так называемый
максимальный термометр. Другим и словами, жидкость
(ртуть), дойдя до м аксимального уровня (соответст­
вующего данной температуре), остается на этом уровне.
Это достигается посредством сужения капилляра между
основным сосудом и трубкой (рис. 15). Поскольку ртуть
12
расширяется, она способна пройти через это сужение,
но при охлаждении движущей силы недостаточно, чтобы
преодолеть сопротивление. Это позволяет зафиксировать
измеряемую температуру. Только встряхивая медицин­
ский термометр, можно вернуть ртуть в сосуд.
Некоторые значения температуры в градусах
Цельсия (°С):
6000
поверхность Солнца
2500
нить в лампе
1535
плавление железа
1063
плавление золота
от 950 до 1200
пламя газовой горелки
800
пламя спички
357
кипение ртути
327
плавление свинца
270
электрическая сварка железа
220
прокат железа
100
кипение воды
78
кипение спирта
70
самая высокая температура воздуха,
зафиксированная на Земле
от 36 до 37
0
температура тела здорового человека
замерзание воды
-3 9
затвердевание ртути
-8 2
самая низкая температура воздуха,
зафиксированная на Земле
-1 8 0
сжижение воздуха
-2 7 3
самая низкая возможная температура
(абсолютный нуль)
И спарение (парообразование)
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное
называется парообразованием.
Парообразование происходит при испарении
и кипении.
Испарение — процесс, в котором жидкость испаряется
при температуре ниже точки кипения. В этом случае в
газообразное состояние переходит только жидкость с
поверхности.
При кипении процесс испарения происходит по всему
объему жидкости. Например в воде, нагретой до 10СГС,
образуются пузырьки пара, и поскольку пар легче воды,
пузырьки поднимаются к поверхности. Вода кипит.
Тепловые явления
Конденсация
Процесс, обратный испарению, то есть переход вещества
из га з о о б р а зн о го состояния в ж идкое, называется
конденсацией.
Маленькие невидимые капельки жидкости, составляющие
пар над кипящей водой, при охлаждении превращаются в
облако или туман.
Дополнительны й набор «Тепло»
Изолированные емкости с широким горлышком,
3 шт.
Предназначены для хранения горячей и холодной воды, а также
кубиков льда в целях проведения экспериментов, связанных с
использованием термометра и измерением температуры.
Поставляется в комплекте с контейнером для хранения и крыш ­
кой.
Объем каждой емкости: 1 литр
14
Тепловые явления
11111
6 0 -: чбО
30i ЬЗО
50
Й50
40 ч Н о
30^ Н о
50 :
Н
50
50
201 Ь20
40-
40
3 0 i чЗО
20ч Н о
40
440
40
j-40
ю н ИО
30^ П о
204 Н о
10ч и о
304
Н
о
30ч Н о
о] ho
20ч ; 20
10ч Н о
ОН И
20ч
4
20
2 0 ч 420
10ч И о
10ч И о
ОЛ г 0
ЮН и о
Оч И
10ч И О
20
Ио
20 ч ч20
3 0 3 1 30
Ю4
4 0 1 -40
20 |[-20
30 = ^30
40
20
© *
© *
© *
Inn
ю -1
Ио
п - :Л
с.
© *5
20
h20
30
Но
10
)
© *
\ 20
140
9°°
°С
40 _
Ч г?
о
°
°с
°С
5 0 - г 50
11111
°с
г 60
°с
40-
2%
°с
60
9 °
°с
40
mil
З а п и ш и те тем п ературу, которую показы ваю т терм ом етры
о
Юч И °
Оч г °
®<-
Ю
4
20