Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Енергію можна передавати конвекцією, тепловим випромінюванням або теплопровідністю.
Що більша теплопровідність матеріалу, то краще цей матеріал проводить теплоту. Проте тепловий потік уздовж стрижня залежить додатково і від його розмірів.
Ці зв'язки учні опановують за допомогою цього досліду.
Інша інформація для вчителя (1/5)
Попередні знання
Учні мають вміти поводитися з бутановим пальником.
Принцип
U-подібний металевий стрижень одним боком занурений у воду, що кипить, іншим - у холодну. За нагріванням холодної води можна дістати якісні та кількісні висновки про вплив матеріалу, довжини й діаметра стрижня на тепловий потік.
Інша інформація для вчителя (2/5)
Навчальна мета
Учні мають опанувати вплив матеріалу, довжини й діаметра стрижня на тепловий потік.
За допомогою додаткових завдань можна перекинути місток до коефіцієнта теплопровідності.
Завдання
Дослідіть теплопровідність у металах залежно від матеріалу і від розмірів стрижня.
Для цього покладіть металевий стрижень між двома стаканами з гарячою і холодною водою й виміряйте зміну температури в холодній воді.
Інша інформація для вчителя (3/5)
Додаткова інформація
Оскільки виконання досліду забирає багато часу, вимірювання варто розподілити між групами: утворюють щонайменше чотири робочі групи. Кожна робоча група виконує дослід лише з одним стрижнем, а для опрацювання результатів зводять докупи результати всіх груп.
Щодо складання та виконання:
- Хімічний стакан і металевий стакан треба розмістити так, щоб металевий стрижень легко можна було покласти на обидва, коли вода кипить. Під час нагрівання води стрижень там ще не лежить!
- Знімаючи покази температури, слід оцінювати й проміжні значення до 0,5 °C; у металевому стакані треба регулярно перемішувати.
- Для цього досліду радимо термометр із поділкою 1/10 градуса, бо доводиться опрацьовувати дуже малі різниці температур (див. перелік обладнання).
Інша інформація для вчителя (4/5)
Щодо додаткових завдань:
Додаткові завдання дають кількісне підтвердження формули для теплового потоку. Обчислення питомої теплопровідності при цьому не роблять, бо результати з наведених нижче причин мають великі похибки.
Тепловий потік крізь металевий стрижень залежить від його довжини, площі поперечного перерізу і різниці температур на обох боках стрижня. Коефіцієнтом пропорційності є питома теплопровідність λ матеріалу.
Тут = тепловий потік крізь стрижень, = температура води, що кипить, = температура холодної води, = довжина стрижня, = площа поперечного перерізу стрижня, = діаметр стрижня
Залежність теплового потоку від d2 і від 1/l можна переконливо показати за результатами вимірювань учнів. За стрижень для порівняння щоразу беруть мідний стрижень із d0 = 5 мм і b0 = 175 мм.
Інша інформація для вчителя (5/5)
Щодо додаткових завдань:
Залежність теплового потоку від і від можна переконливо показати за результатами вимірювань учнів. За стрижень для порівняння щоразу беруть мідний стрижень із = 5 мм і = 175 мм.
Табличні значення питомої теплопровідності:
Мідь: 384 Дж/(м·°C)
Алюміній: 220 Дж/(м·°C)
Відхилення визначеного з вимірювання значення від табличного відносно велике, бо стрижень дуже тонкий порівняно зі своєю довжиною і тому багато теплоти віддає довкіллю. Проте порівняння стрижнів за однакових умов досліду вдається доволі добре: питома теплопровідність алюмінію лише трохи більша за половину теплопровідності міді. Такий самий результат дає й вимірювання.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Каструля з ручками з твердого пластику
Коли влітку торкаємося скляної шибки після того, як на неї світило сонце, вона хоч і тепла, але аж ніяк не гаряча. Інакше з металевою пластиною чи мідною трубою (наприклад, ринвою). Якщо торкнутися їх після дня на сонці, у найгіршому разі дістанемо опік.
Напевно, ти теж мав на плиті каструлю, у якої ручки нагрілися, тоді як в іншої ручки лишалися холодними.
Ці відмінності ґрунтуються на різній теплопровідності речовин, яку докладніше досліджують у наступному досліді.
Завдання
Дослідіть теплопровідність у металах залежно від матеріалу і від розмірів стрижня.
Для цього покладіть металевий стрижень між двома стаканами з гарячою і холодною водою й виміряйте зміну температури в холодній воді.
Схема досліду
Обладнання
Складання (1/3)
Склади установку відповідно до рисунків, у порядку зліва направо.
Складання (2/3)
- Наповни хімічний стакан 200 мл води і додай дві кульки для кипіння.
- Розмісти кільце із затискачем і блискучий стакан з універсальним затискачем так, щоб між ними можна було покласти металевий стрижень, яким виконуватимеш вимірювання (пор. рис. праворуч).
Складання (3/3)
Закріпи термометр так, щоб його вимірювальне вістря було приблизно на 1 см над дном стакана.
Виконання
- Нагрій воду до кипіння, а тоді трохи зменш полум'я. Запиши матеріал, товщину d і довжину b досліджуваного металевого стрижня в таблицю 1 у протоколі.
- Наповни металевий стакан 20 мл води (точно відміряй мірним циліндром і піпеткою!) (пор. рис. праворуч), виміряй температуру води в стакані й запиши її в таблицю 1 приt = 0 хв.
- Опусти металевий стрижень одним коліном у воду, що кипить, іншим - у стакан із холодною водою і запусти секундомір. Регулярно перемішуй воду в стакані.
- Щохвилини вимірюй і записуй температуру води в стакані й заверши вимірювання через 12 хв.
Протокол
Завдання 1
Занеси до таблиці свої виміряні значення температури води для відповідних моментів часу.
Прийнято такі позначення: діаметр , довжина
- Cu (мідь, =5 мм, =175 мм)
- Al (алюміній, =5 мм, =175 мм)
- Cu (мідь, =3 мм, =175 мм)
- Cu (мідь, =5 мм, =120 мм)
Cu
Al
Cu
Cu
Cu
Al
Cu
Cu
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
в хв
в хв
0
2
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
1
Таблицю продовжено на наступній сторінці.
Завдання 2
в хв
3
4
5
6
7
Cu
Al
Cu
Cu
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
в хв
8
9
10
11
12
Cu
Al
Cu
Cu
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
T в °C
Завдання 3
Нанеси всі виміряні значення на діаграму «час - температура».
Питання
Завдання 4
Якою є зміна температури у проміжку між = 2 хв і = 12 хв?
\Delta T в °C
Матеріал
в мм
в мм
Cu
5
175
\Delta T в °C
Al
5
175
\Delta T в °C
Cu
3
175
\Delta T в °C
Cu
5
120
Питання
Завдання 5
Перетягни слова у правильні поля! І ____, і ____ стрижня впливають на тепловий потік крізь стрижень. Що ____ діаметр стрижня, то ____ тепловий потік. Що ____ довжина стрижня, то ____ тепловий потік.
Завдання 6
Додаткові завдання
Отже, справджується . Доповни цим таблицю (усі значення з індексом 0 стосуються стрижня для порівняння! Значення беруть із таблиці із запитання 2.).
l_0/l
\Delta T в °C
\Delta T/\Delta T_0
(d/d_0)^2
Матеріал
в мм
в мм
в мм
Cu
5
175
260
l_0/l
\Delta T в °C
\Delta T/\Delta T_0
(d/d_0)^2
Al
5
175
260
l_0/l
\Delta T в °C
\Delta T/\Delta T_0
(d/d_0)^2
Cu
3
175
260
l_0/l
\Delta T в °C
\Delta T/\Delta T_0
(d/d_0)^2
Cu
5
120
205
Завдання 7
Додаткові завдання
Вирази зв'язок між тепловим потоком (кількістю теплоти за одиницю часу) і розмірами стрижня у вигляді пропорційності.
Який вплив має різниця температур між обома кінцями стрижня на тепловий потік крізь стрижень? (За потреби виконай відповідний дослід: замість води, що кипить, потримай стрижень одним боком прямо в полум'ї, а потім виміряй підвищення температури холодної води. Обережно! Стрижень тоді стає дуже гарячим!)