7. Методика изучения архимедовой силы и условия плавания тел в курсе физики 7 класса.

Архимедова сила – выталкивающая сила, действующая на тело погруженное в жидкость или газ. Рассмотрим силы, действующие на тело высотой h и площадью основания S, погруженное в жидкость. Силы давления жидкости на боковые грани тела уравновешиваются, а сила давления снизу больше силы давления сверху, поэтому тело выталкивается из жидкости с силой Архимеда равной разнице этих сил.

Закон Архимеда: сила, выталкивающая погруженное в жидкость (газ) тело, равно весу жидкости (газа), вытесненной телом:F_A=mg=ρ_жgV_T. Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу, поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме. Архимедова сила возникает из-за того, что гидростатическое давление на разных глубинах неодинаково.

Молекулярно-кинетической теорией называется учение, ко­торое объясняет тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел движением и взаимодействием ато­мов, молекул и ионов, из которых состоят тела. В основе молеку­лярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения:

1. Вещество состоит из частиц — молекул, атомов и ионов, в состав которых входят более мелкие элементарные частицы.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом — притяг. и отталк.

Эти основные положения подтверждаются экспериментально и теоретически.

Плавлением называется процесс перехода вещества из твер­дого агрегатного состояния в жидкое. Все кристаллические тела плавятся при определенной температуре. Температура, при кото­рой вещество плавится, называется температурой плавления. Например, лед плавится при температуре 0°С, а медь — при 1085°С.

Чтобы началось плавление, тело должно нагреться до температуры плавления. При нагревании вещество «забирает» из окру­жающей среды некоторое количество теплоты, которое расходуется на увеличение скорости движения молекул (или атомов} кристаллического тела. Но в кристаллах молекулы (или атомы) расположены в строгом порядке и колеблются около своих положений равновесия, следовательно, с повышением температуры увеличивается средняя кинетическая энергия молекул кристал­ла. Когда же тело нагреется до температуры плавления, порядок расположения частиц в кристалле нарушится, частицы смогут более свободно двигаться, слабее притягиваться друг к другу и тем самым вещество будет переходить из твердого состояния в жид­кое. Произойдет разрушение кристаллической решетки. Но этот процесс происходит постепенно, и требуется дополнительная энергия, которую тело берет также из окружающего воздуха. Вот почему процесс плавления происходит при неизменной темпера­туре и с поглощением энергии. Для превращения в жидкость при температуре плавления различным кристаллическим веществам одинаковой массы тре­буется различное количество теплоты, которое характеризуется удельной теплотой плавления.

Удельная теплота плавления — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для пре­вращения 1кг кристаллического вещества при температуре плав­ления в жидкость той же температуры. Обозначается удельная теплота плавления —λ, единица измерения — 1 Дж/кг. Эта физическая величина для каждого вещества определена опытным путем. Количество теплоты, необходимое для плавления тела массой т, равно: Q=λm.

\8. Методика изучения внутренней энергии в теме «Тепловые явления» курса физики 8 класса.

При изучении данной темы учащиеся знакомятся с рядом понятий: теплота, количество теплоты, теплоемкость, теплопередача, конвекция и т.д. при изучении данной темы используется политехнический материал, изучается двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, паровое отопление.

Внутренняя энергия – это одно из фундаментальных понятий в физике. К формированию этого понятия можно подойти различными путями, например, авторы учебника формирование этого понятия начинают с опыта о кажущемся нарушении закона сохранения энергии при соударении неупругих тел. Опыт: шар падает на спальную плиту. Непонятно, до удара, шар и стальная плита обладали внутренней энергией. Второй способ: используется идея о том, что работа представляет собой меру изменчивости или превращения энергии. Если тело способно совершить работу, то оно обладает энергией. Здесь можно предложить опыт с картофелем пистолетом (колба закрывается картофельной пробкой и помещается под колпак воздушного насоса, откачав воздух, пробка вылетает). Возникает вопрос: Обладал ли воздух в колбе энергией? (Да).

Далее дают определение: Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело называется внутренней энергией.

Дальнейшая задача состоит в том. Чтобы ознакомить учащихся со способами измерения внутренней энергии. Для этого проводится ряд опытов: нитью натирают цилиндр и резиновая пробка вылетает; в сосуд наливают немного воды, накачивают в него воздух, пробка вылетает и в сосуде наблюдается пар; в шарообразную колбу с изогнутым концом, в трубку наливается вода (капелька) держа колбу в руках капелька будет перемещаться по трубке. На основе опытов приходим к выводу, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: теплообмен и совершение работы.

Далее дают определение: Процесс изменения внутренней энергии при котором над телом совершается работа, а энергия передается от одних частиц к другим называют теплопередачей.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводность. Из жизненного опыта ученикам известен процесс передачи энергии от одного тела другому. Однако, они не подставляют себе различия тел по теплопроводности. Поэтому необходимо рассмотреть этот вопрос, используя опыт: берут стальную и медную проволоки, на равных расстояниях приклеивают парафином (пластилином) спички. Из опыта дел вывод: разные тела обладают разной теплопроводностью. При изучении вопроса можно сделать проблемную ситуацию: в картонной коробке кипятят воду.

Полезно также подчеркнуть, что при теплопроводности происходит перенос энергии, связанной с хаотическим движением микрочастиц, само же вещество не переносится. Для закрепления материала решают качественные задачи.

Конвекция. При изучении конвекции можно предложить следующие опыты: U образная трубка с перегородкой в верхней части, заполняется водой, выше уровня перегородки, затем с одного конца внизу нагревается (в трубки помещаются марганцовка, в одну трубку к низу, в другую сверху…); в трубку с двух сторон вставляют пробки с термометрами и начинают ее нагревать (термометр, находящийся выше покажет большую температуру). При конвекции происходит перенос вещества.

Для закрепления материала авторы учебника рассматривают образование дневных и ночных бризов, а в технике – образование тяги в дымоходе, конвекция в водяном отоплении.

Излучение. Излучение, как вид переноса, связано с излучением и поглощением частицами вещества электромагнитных волн и поэтому не может быть объяснено обстоятельно 8-классникам, поэтому при ознакомлении учащихся с этим видом теплопередачи, следует проводить широко экспериментально. Здесь можно поставить проблемный опыт. Капля жидкости в трубке термоскопа перемещается вправо, указывая на расширение воздуха в термоскопе от нагревания. Формулируют проблему: "Почему капля в термоскопе перемещается и тогда, когда нагреватель расположен на одном и том же уровне с термоскопом?". Подчеркивается, что в данном случае тепло передается от нагретого тела с помощью невидимых глазом лучей – тепловых лучей. Здесь же подчеркивается, что при излучении наличие среды необязательно, перенос энергии может происходить и в вакууме (передача энергии от Солнца к Земле).

Количество теплоты. Единицы количества теплоты. Процесс совершения механической работы и процесс теплопередачи имеют общий признак – изменяют внутреннюю энергию тела.

Меру изменения внутренней энергии путем совершения работы назвали количеством работы, а меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи назвали количеством теплоты.

Далее выясняют от чего зависит количество теплоты Q полученное или отданное телом. Для расчета количества теплоты необходимо ввести понятие удельной теплоемкости. Необходимо выяснить с учащимися, что количество теплоты, полученное (отданное) телом при теплопередаче зависит от рода вещества. Эту зависимость характеризую. Особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества. Это можно проверить, проводя следующий эксперимент: используют прибор Тиндаля и замечают, что алюминиевый цилиндр погружается больше в парафин, затем железный и медный. Делают вывод: тела из разных веществ, но одной массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на одну температуру разное количество теплоты.

После этого вводим понятие удельной теплоемкости. Для закрепления необходимо работать с таблицей удельных теплоемкостей, ставя следующие вопросы: 1. Что означает, что удельная теплоемкость воды 4200 Дж/ кг К? 2. Найдите вещество для которого теплоемкость наибольшая и т.п.

Введя понятие удельной теплоемкости, можно рассчитать количество теплоты необходимое для нагрева тела массой 1 кг на температуру для случая m вещества: . Далее изучается испарение, кипение, находят количество теплоты необходимое для плавления, для парообразования и т.д. Необходимо расплавить лед, испарить воду.

AB – процесс нагревания Q₁=mc_л(T-T₁); BC – плавление Q₂=λm; CD – нагревание Q₃=mc_H2O(T₂-T_o); DE – парообразование Q₂=μm.