Содержание
Тепловая энергия – это форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело. До начала XX века учеными не было доказано атомно-молекулярное строение тел. Более того, не все ученые поддерживали теорию о существовании атомов и молекул. Впервые видимое через микроскоп хаотическое перемещение очень малых частиц вещества под действием ударов молекул был открыто Робертом Броуном. Впоследствии оно было названо Броуновским движением.
Первоначально ученые не проявляли особого интереса к этому открытию. Поэтому не предпринимались какие-либо серьезные попытки объяснить его. Позднее выяснилось, что это движение свойственно частицам только органического происхождения.
Несмотря на кажущийся полный беспорядок, оказалось все же возможным описать математической зависимостью случайные перемещения броуновских частиц. Одновременно теорию этого явления разрабатывал Альберт Эйнштейн. А французский учёный Жана Батист Перрен изучал предположения Эйнштейна. Опыты Перрена помогли доказать существование атомов и молекул. Это доказательство принесло ему в 1926 году Нобелевскую премию по физике.
Благодаря следующим проектам мы изучим более подробно, что такое температура, как можно ее измерить и как разные температуры влияют на вещества.
Проект «Абсолютный ноль»
Вы когда-нибудь пробовали разогреть зефир с помощью микроволновой печи? По мере нагревания газов внутри зефира, молекулы начинают двигаться быстрее. Во время движения молекулы сталкиваются друг с другом и отдаляются. Когда газы накапливают больше энергии, им требуется больше пространства. Именно поэтому разбухает. Французский учёный Жак Шарль ещё в 1780-х годах нашел связь между изменением состояния газов и температурой. Он отметил, что если масса и давление остаются неизменными, объём газа будет увеличиваться по мере повышения температуры. Это свойство газов было названо Законом Шарля:
V1/T1=V2/T2.
Если газ расширяется по мере нагревания, логично предположить, что при охлаждении он сжимается. Что будет, если температура газа снизится настолько, что все частицы прекратят движение? Это также будет значить, что молекулы максимально приблизятся друг к другу, доводя объём газа до нуля. Практически это невозможно, однако учёные обдумывают это с теоретической точки зрения. Согласно их теории абсолютный ноль – это температура, при которой движение молекул прекращается полностью.
Несмотря на то, что снизить температуру газа до абсолютного нуля невозможно, вы можете провести эксперимент, который даст количественный показатель взаимосвязи между газами и объёмом. Если вы знаете показатели объёма и температуры, вы сможете всё рассчитать. А если вы всё рассчитаете, сможете предположить (вывести заключение, опираясь на полученную информацию) и понять, что представляет собой абсолютный ноль.
Цель – выяснить, как можно определить показатель абсолютного нуля.
Что нам понадобится:
- ведро;
- лёд;
- большая ложка;
- вода;
- защитные очки;
- колба Эрленмейера (125 мл);
- большой стакан (хотя бы 500 мл);
- резиновая пробка с отверстием для колбы 125 мм;
- короткая стеклянная палочка (5 – 10 см), диаметр которой соответствует диаметру отверстия в пробке;
- кольцевой штатив;
- зажим;
- нагревательная плита;
- пинцет, которым можно взять колбу 125 мл;
- термометр (по Цельсию);
- мерный цилиндр;
- ватман;
- линейка.
Все стеклянные материалы должны быть изготовлены из пирексного стекла, чтобы посуда не потрескалась при нагревании.
Ход эксперимента:
- Сделайте ледяную ванну: заполните ведро кусочками льда и добавьте холодной воды. Ведро должно быть заполнено на ¾.
- Время от времени помешивайте лёд с водой большой ложкой.
- Помести пробку с отверстием в сухую колбу 125 мл.
- Подготовьте ёмкость с горячей водой. Поместите на плиту стакан с водой (объёмом 500 мл).
- Поместите колбу 125 мл прямо, закрепите её. Большая часть колбы должна быть погружена в горячую воду.
- Кипятите воду 5 минут. Пустая колба должна быть погружена в воду. Это нужно для того, чтобы газ внутри колбы достиг температуры кипящей воды.
- Запишите температуру кипящей воды (она должна быть такой же, как и температура газа в колбе). Постарайтесь измерить максимально точно, до 0.1 градуса Цельсия. Чем точнее будут измерения, тем лучше вы сможете определить абсолютный ноль.
- Пока стакан находится в горячей воде, осторожно вставьте короткий стеклянный стержень через отверстие пробки.
- При помощи пинцета аккуратно извлеките ёмкость из горячей воды.
- Переверните колбу Эрленмейера, поместите её внутрь ёмкости со льдом.
- Убедитесь, что колба находится под водой. Затем извлеките стеклянный стержень из пробки.
- Продолжайте удерживать ёмкость в ледяной воде 6-7 минут. Время от времени помешивайте воду со льдом. Вода начнёт проходить внутрь колбы. Почему?
- Поднимите перевёрнутую колбу, пока уровень воды внутри и снаружи не станет одинаковым. Это нужно для того, чтобы уравнять атмосферное давление и давление внутри ёмкости. Единственный показатель, который будет отличаться во время проведения данного эксперимента, – это температура.
- Измерьте температуру воды в ведре со льдом.
- Вставьте стеклянную палочку через отверстие пробки снова. Извлеките колбу из воды и поставьте прямо.
- При помощи мерного цилиндра измерьте объём воды в колбе. Постарайтесь получить максимально точные результаты.
- Наполните ёмкость до того уровня, на котором была пробка.
- При помощи мерного цилиндра измерьте общий объём колбы.
- Извлеките объём воды, которая попала в колбу, от общего объёма колбы. Полученное число соответствует объёму газа внутри колбы после охлаждения.
Ваша таблица данных должны выглядеть приблизительно так:
| Данные | Температура, по Цельсию | Объём, мл |
| 1 | (запишите температуру кипящей воды) | (общий объём колбы) |
| 2 | (запишите температуру воды со льдом) | (общий объём колбы минус объём воды, которая попала внутрь) |
- Постройте график, где температура будет обозначена на оси x. Температура может варьироваться от -300 до 150 градусов Цельсия. Объём в мл будет указан на оси y. Показатели объёма могут варьировать от 150 мл до 0 мл.
- Укажите два показателя.
- При помощи линейки нарисуйте прямую линию между ними.
- Выровняйте линейку по той линии, которую вы начали чертить. Проведите пунктирную линию, которая будет продолжением сплошной линии. Пунктирная линия должна достигнуть оси x (отметки 0).
- Определите температуру на том участке, где пунктирная линия пересекла ось X. Этот показатель будет соответствовать абсолютному нулю.
Вывод:
Ожидаемый показатель абсолютного нуля – это -273.15 C. Если вы получили показатель от -250 C до -300, учитывайте ограничения вашего оборудования и бумаги для графиков. Почему? После того, как вы охладили колбу в ледяной воде, движение молекул газа внутри замедлилось. Молекулы газа начали занимать меньше пространства, поэтому в колбу смогла проникнуть вода. Закон Шарля говорит о том, что по мере снижения температуры уменьшается объём.
Ещё одно важное понятие, связанное с газами, давлением и температурой, описано в законе Гей-Люссака. Давление фиксированной массы газа при постоянной температуре меняется прямо пропорционально температуре. Уравнение этого взаимодействия выглядит следующим образом:
P1/T1=P2/T2,
Вы должны помнить, что давление газа – это сила, воздействующая на поверхность. Один из ярких примеров этого феномена: при нагревании в микроволновой печи из пластиковой бутылки вылетает крышка. Температура повышается, но объём газа остаётся прежним (из-за крышки). Следовательно, при повышении температуры вылетает пробка.
Проект «Броуновское движение»
Вы когда-нибудь замечали, что если смешать тёмную жидкость со светлой, цвет жидкости поменяется и приобретет средний оттенок? Диффузия – это пассивный процесс распространения частиц вещества с высокой концентрацией и их смешивания с частицами другого вещества (с низкой концентрацией). Проникновение одного вещества в другое происходит до тех пор, пока все их частицы не распределятся равномерно. Диффузия называется пассивным процессом, потому что для этого не требуется энергии извне. Этот опыт объяснит нам, как связана диффузия и Броуновское движение.
Так что такое Броуновское движение в физике? Даже, несмотря на то, что мы не можем видеть, как это происходит, все атомы вибрируют (и чем выше температура, тем быстрее и интенсивнее эти колебания). Так как вибрирующие атомы в жидкости или газах находятся близко друг к другу, они ударяются и сталкиваются. Через время легко заметить, что газы и жидкости в одном контейнере смешиваются. Скорость диффузии зависит от того, насколько быстро или медленно проходит процесс.
Согласно физике за 7 класс броуновское движение – это беспорядочное перемещение частиц жидкости или газа. Во время проведения этого эксперимента мы рассмотрим, как происходит диффузия горячих и холодных однородных смесей.
Однородная смесь состоит из равномерно распределённых материалов. Используя пищевой краситель в качестве материала, который можно растворить, мы понаблюдаем за процессом диффузии, а также обратим внимание на скорость смешивания веществ в горячей и холодной воде. Затем изучим, как форма контейнера влияет на движение частиц.
Цель – выяснить, как на диффузию влияет высокая и низкая температура, а также почему форма контейнера имеет значение.
Что нам понадобится:
- пищевой краситель (красный и синий);
- 2 прозрачных стакана одинаковой формы и размера;
- 2 прозрачных ёмкости разной формы (узкая и широкая), предпочтительнее одинакового размера.
Ход эксперимента:
- На первом этапе мы определим разницу температуры. Для этого в один стакан налейте горячей воды, а во второй – холодной.
- Добавьте 1-2 капли красного пищевого красителя в горячую воду и 1-2 капли синего красителя – в стакан с холодной водой.
- Подождите. Понаблюдайте за тем, как вещества будут растворяться.
- Должно быть, вы заметили, что красный краситель растворился в горячей воде намного быстрее, чем синий в холодной. Это связано с тем, что при более высокой температуре частицы движутся быстрее и интенсивнее. В горячей среде молекулы воды чаще и сильнее сталкивались с молекулами красителя, благодаря чему он распространился значительно быстрее, образуя однородную смесь.
- На втором этапе мы проведем процедуру с контейнерами разной формы. Для этого заполните оба контейнера водой одинаковой температуры.
- Добавьте по одной капле красителя в каждый контейнер. Сравните скорость диффузии.
- В узкой ёмкости диффузия происходила медленнее. Это связано с тем, что при таких условиях меньше молекул способны контактировать друг с другом. Следовательно, они реже сталкиваются и процесс растворения требует больше времени.
Вывод:
Температура и форма контейнеров влияет на скорость диффузии во время обоих этапов эксперимента. В тёплой воде частицы двигаются интенсивнее, поэтому красный краситель распространился быстрее. Во втором этапе узкий контейнер замедлил процесс диффузии. В физике это объясняется эффектом Броуновского движения (механизма, на котором основывается диффузия).
Проект «Как сделать термометр»
Такой измеритель температуры как термометр играет большую роль в нашей жизни. Он сообщает нам важную информацию, благодаря которой мы понимаем, что лучше надеть на выходные. Есть две самые известные разновидности температурной шкалы: Фаренгейт (F сокращённо) и Цельсий (C сокращённо). В России используют шкалу измерения температуры в градусах Цельсия, а например, в США многие люди используют измерение температуры в градусах по Фаренгейту. Одно и то же число в двух разных термометрах означает совершенное разные температурные показатели. Например, комфортная комнатная температура в градусах Цельсия – 22. Но если тот же показатель относится к шкале Фаренгейта, это значит, что температура воздуха очень низкая (приблизительно -5 градусов Цельсия).
Температурная шкала очень интересна сама по себе. Однако гораздо интереснее изучить, как работает термометр при изменении температуры. Ключевой компонент – это жидкость, которая движется внутри тонкой трубки и показывает смену температуры. Что заставляет её двигаться вверх или вниз? Как учёные поняли, какую именно жидкость следует поместить внутрь?
Благодаря этому проекту вы сможете понять, как сделать термометр. Вы также изучите, какие разновидности жидкости подходят для термометра больше всего. Во время эксперимента будет использоваться три разновидности жидкости.
Цель – исследовать, каким образом термометр измеряет температуру.
Что нам понадобится:
- холодильник;
- хотя бы 3 маленьких, одинаковых по размеру стеклянных бутылки или банки с металлическими крышками (хорошо подойдут баночки для детского питания);
- взрослый помощник;
- маленький гвоздь;
- молоток;
- соломинки для питья – чем более узкие трубочки, тем лучше (хорошо подойдут короткие трубочки для коктейлей, лучше всего выбирать прозрачные соломинки – вы сможете рассмотреть цветную жидкость внутри);
- клейкая лента;
- водостойкий маркер;
- формовочная глина или клеевой пистолет;
- вода;
- медицинский (изопропиловый) спирт;
- пищевой краситель;
- ложка;
- горячая вода – немного более горячая, чем вода для душа (по желанию);
- термостойкая ёмкость или мерный стакан (по желанию).
Ход эксперимента:
- Поместите ёмкости с медицинским спиртом и водой в холодильник.
- Используя клейкую ленту и водостойкий маркер промаркируйте три контейнера. В первом должна быть вода, во втором – медицинский спирт, а в третьем – спирт и вода. Виды жидкости для термометра – это ваши переменные. Как вы считаете, почему всё остальное в термометрах должно быть одинаковым?
- Уберите крышку с каждой стеклянной банки.
- Попросите кого-то из взрослых сделать маленькие отверстия в каждой крышке (при помощи гвоздя и молотка). Диаметр отверстий должен соответствовать диаметру трубочки.
- Осторожно вставьте трубочки через отверстия. Они должны плотно прилегать, но не сдавливаться. Трубочки должны выступать над крышкой хотя бы на 2 см. Длина трубочки над крышкой может отличаться в зависимости от длины самой трубочки и размера контейнера.
- Используйте формовочную глину или клеевой пистолет, чтобы герметично запечатать отверстие в крышке вокруг трубочки. Если через отверстие будет поступать воздух, вам термометр не будет работать. Как вы думаете, почему?
- В контейнер с ярлыком «вода» налейте охлаждённой воды.
- Добавьте пару капель пищевого красителя. Размешайте.
- Отрегулируйте крышку таким образом, чтобы нижняя часть трубочки погрузилась в воду хотя бы на 1 см. Низ трубочки не должен касаться дна банки.
- Плотно закрутите крышку. Убедитесь, что глина по-прежнему прочно запечатывает отверстие. Банка должна быть плотно закрыта и не пропускать воздух. Как вы думаете, почему это имеет такое значение?
- Запишите, насколько высоко поднялась жидкость внутри трубочки. Поместите термометр назад в холодильник.
- Повторите шаги 6-11, используя охлаждённый спирт вместо воды.
- Запишите, на какой линии остановилась жидкость внутри соломинки. Поместите термометр в холодильник.
- Смешайте воду и спирт в равных количествах. Количество будет зависеть от размера контейнера.
- Повторите шаги 6-11, используя смесь воды и спирта.
- Запишите результаты. Снова поместите термометр в холодильник.
- Теперь поместите термометры в тёплое место. Каждую минуту на протяжении 10 минут наблюдайте за уровнем жидкости внутри трубочки (если вы не замечаете никаких изменений, проверьте, насколько качественно запечатаны отверстия в крышках вокруг трубочек). Если вы не замечаете движения жидкости, попробуйте создать более значительные температурные перепады, поместив термометр в контейнер с горячей водой.
Вывод:
Измеритель температуры, изготовленный на основе спирта, будет показывать самые быстрые результаты, а движение жидкости внутри трубочки будет более заметным. Измеритель температуры, изготовленный на основе воды, покажет самые медленные результаты, а движение жидкости будет едва заметным. Термометр, сделанный на основе сочетания воды со спиртом, покажет средние результаты. Ваши результаты могут отличаться, поскольку сохранить герметичность довольно сложно. Почему? Как работают термометры? По мере того, как воздух вокруг термометра становится теплее, жидкость внутри термометра расширяется и начинает двигаться по трубке. Если же воздух охлаждается, жидкость в термометре сжимается и опускается вниз по трубке. При расширении жидкость идёт вверх по трубке, потому что это единственный путь, куда она может продвинуться. Она не может вытеснить воздух из банки, поскольку все отверстия тщательно запечатаны.
Так почему же спирт работает лучше всего? Когда происходит нагревание воды, она очень медленно расширяется или сжимается по сравнению со спиртом. То же самое наблюдается при охлаждении. Вода может поглощать или терять много энергии, не очень меняясь при этом. Именно поэтому вода является замечательной средой обитания множества организмов. Но по этой же причине она не подходит для термометра.
Теперь вы знаете, как сделать термометр своими руками в домашних условиях. Вы можете расширить исследование и попробовать другие жидкости, например, масло или жидкое мыло. Также выясните, почему раньше для градусников использовалась ртуть, но со временем во многих странах её применение запретили.
Проект «Градус Цельсия и градус Фаренгейта»
Градус Цельсия – это широко распространённая единица температуры. Андерс Цельсий создал первую шкалу для измерения температуры в 1742 году. Посмотрите, как работает шкала градусов Цельсия и Фаренгейта, также узнайте об их соотношении.
Во время этого эксперимента мы будем измерять температуру при помощи термометров. Все слышали термины «Цельсий» и «Фаренгейт», но что они означают и какой измеритель температуры используется для их определения? Исследуйте и назовите наблюдаемые явления.
Что нам понадобится:
- пароварка;
- ледяная вода;
- ложка или палочка для размешивания;
- прихватка для горячей посуды;
- плита или нагревательная поверхность;
- термометр, который показывает градусы Цельсия и Фаренгейта;
- часы с секундной стрелкой или секундомер;
- бумага;
- карандаш;
- лист ватмана.
Ход эксперимента:
- Эксперимент должен проводиться исключительно под присмотром взрослых.
- На левой стороне листа напишите числа от 0 до 30 (в столбик). Затем сделайте две колонки, предназначенные для обозначения температуры в градусах Цельсия и Фаренгейта.
- На дно пароварки налейте воды. Между поверхностью воды на дне и верхней ёмкостью пароварки должно быть расстояние около 2-3 см.
- Установите верхнюю ёмкость пароварки и заполните её на ¾ льдом. Затем добавьте воду, чтобы она покрывала лёд. Оставьте на пару минут, а затем помешивайте, пока вода не станет очень холодной. Поставьте на печь или нагревательную поверхность (пока не включайте).
- Поместите термометр в воду. Через 30 секунд извлеките его и посмотрите температуру в градусах Цельсия и Фаренгейта. Поместите его снова в воду. Внесите полученные данные в таблицу.
- Включите плиту или нагревательную поверхность на средний уровень. Будьте осторожны! Используйте прихватку каждый раз, когда будете прикасаться к горячей посуде или брать термометр.
- Проверяйте температуру каждые 60 секунд до тех пор, пока вода не будет кипеть хотя бы 3 минуты. Записывайте градусы Цельсия и Фаренгейта каждый раз.
- Возьмите лист ватмана, составьте график ваших наблюдений. На оси x будут отмечены минуты, а на оси y – градусы Цельсия. Обратите внимание, на каком пункте температура начала постепенно повышаться, а на каком снова понижаться. Эту кривую Андерс Цельсий поделил на 100 равных сегментов и создал первую шкалу градусов Цельсия для измерения температуры.
Вывод:
Вы провели опыт по измерению температуры воды. Расскажите, в чем отличие между измерениями по Цельсию и по Фаренгейту.
Проект «Температура кипения, плавления и замораживания жидкости»
Температура плавления – это температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот.
Температура кипения – это температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением.
Нас окружают жидкости разных типов: вода, масло, уксус, газированная вода, сок. Все эти жидкости имеют разный вид, запах, вкус. Как отличаются точки плавления, замерзания и кипения? Что является причиной этих отличий?
Цель – выяснить, чем отличаются точки плавления, замерзания и кипения жидкостей, а также причины таких процессов. На основе этого проекта можно провести в 8 классе опыт по физике с водой разной температуры.
Что нам понадобится:
- столько разных жидкостей, сколько вы сможете найти, например: вода, сок, газированная вода, разные виды масла (канола, кукурузное, кокосовое, оливковое), воск, уксус, шоколад и т.д.;
- кухонный термометр;
- маленькая кастрюля, которую можно подогревать на плите;
- морозильник;
- блокнот;
- карандаш.
Ход эксперимента:
- Обязательно проводите эксперимент под присмотром взрослых. Запишите свои наблюдения относительно каждого вещества при комнатной температуре? В каком состоянии оно пребывает: жидком или твёрдом?
- Определите точку замерзания жидкостей, поместив их в морозильник с термометром внутри. Проверяйте каждые 10 минут. Смотрите, произошло ли замораживание этих жидкостей. Записывайте показатели температуры.
- Измерьте температуру плавления каждого вещества. Те вещества, которые при комнатной температуре были твёрдыми, медленно подогрейте в пароварке (для этих целей прекрасно подойдёт миска, расположенная над кастрюлей с водой на дне). Обязательно подготовьте термометр, чтобы измерить температуру, когда вещество перейдёт в жидкое состояние. Определите точку плавления каждого вещества.
- Подогрейте каждую субстанцию в кастрюле, пока она не дойдёт до кипения. Какова температура кипения жидкостей? Измеряйте температуру термометром.
- Запишите полученные результаты, составьте таблицу для сравнения всех жидкостей. Запишите самую высокую и самую низкую точку замерзания, плавления и кипения.
Вывод:
На одном ли уровне находятся самые низкие и самые высокие точки замерзания, плавления и кипения? Изменяется ли при кипении температура жидкости?
Проект «Действие температуры на тепловую энергию»
Этот проект можно провести в 8 классе для демонстрации физики теплового движения.
Этот опыт докажет, что воздух при нагревании расширяется, а при охлаждении – сжимается.
Что нам понадобится:
- воздушный шарик;
- стеклянная бутылка;
- вода;
- морозильник.
Ход эксперимента:
- На протяжении 5 минут охлаждайте воздушный шарик и бутылку в морозильной камере.
- Налейте в миску горячую, но не кипящую воду.
- Прикрепите воздушный шарик к горлышку бутылки. Убедитесь, что из шарика был выпущен весь воздух. Поместите бутылку в горячую воду.
- Воздух внутри бутылки начнёт расширяться и выходить в шарик. После того, как шарик увеличится, переместите бутылку в миску с ледяной водой. Понаблюдайте, как шарик будет сдуваться.
- Разработайте устройство, в котором можно будет применить эти принципы расширения и сжатия. Придумайте практическое применение для такого устройства. Например, для поднятия камня. Разработайте устройство, внутри которого будет циркулировать горячая, а затем холодная вода. Шарик будет попеременно расширяться и сжиматься, но бутылка останется неподвижной.
Вывод:
Вам удалось придумать какое-либо практичное устройство? Можете ли вы придумать устройство, которое приводит термальную энергию в движение? Можете ли вы придумать способ преобразования термальной энергии в электрическую? Изучите принципы работы двигателя внутреннего сгорания и турбинных генераторов.
Заключение
Благодаря проведенным проектам мы выучили много новых определений, связанных со строением тел и влиянием на них разных температур. Вы можете продолжить исследования и, например, выяснить, можно ли определить степень нагрева тела по окраске.
Загрузка...
