Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Ноября 2012 в 15:16, реферат
«Жылу құбылыстары» атты бөлімге «Жылу берілу және жұмыс», «Заттың агрегат күшінің өзгеруі», «Жылу двигательдері» тақырыптары енеді. Жылу жөніндегі барлық материал VII класта жинақталған және оны «жұмыс», «энергия» ұғымдарын енгізгеннен кейін, оқушылардың заттың атом-молекулалық құрылысы жөніндегі алған білімдеріне сүйене отырып, оқып үйренеді. Бұл — жылу құбылыстарының мәнісін түсіндіру және жылулық қозғалыс, температура, ішкі энергия, жылу берілуі, жылу мөлшері, заттың меншікті жылу сыйымдылығы сияқты негізгі ұғымдарды қалыптастыру үшін қолайлы жағдайлар туғызады.
Сұйықтарда және қатты денелерде молекулалар мен атомдар тербелмелі қозғалыс жасайды, сондықтан олардың кинетикалық және потенциялық энергиясы болады.
Атомдар мен молекулалардың хаостық (жылулық) қозғалысының кинетикалық знергиясы, олардың өзара әсерлерінің потенциялық энергиясымен бірге, дененің ішкі энергиясының бip бөлгін құрайды және дененің берілген мезеттегі күйін сипаттайды.
Бұдан кейін оқушыларға денелердің ішкі энергиясының механикалық энергиядан айырмашылығын түсіндіру керек. Механикалық энергия дененің қозғалыс жылдамдығы мен массасына тәуелді, сондай-ақ сол дененің басқа денелерге қатысты орналасуына тәуелді. Ішкі энергия болса дененің бүтіндей қозғалыс жылдамдығына тәуелді болмайды. Ол денені құрайтын бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы мен олардың өзара орналасуымен анықталады.
Бұдан кейін оқушыларды дененің ішкі энергиясының өзгеру тәсілдерімен таныстырып, ол энергияның механикалық жұмыс жасалғанда (денеге немесе дененің өзі) және жылу берілуде өзгере алатынын көрсетеді. Бұған мынадай қарапайым әрі сонымен бірге сенімді тәжірибелер көмектеседі, оларда көмекші құбылыстар негізгі идеяны көмескілендірмейді. Бұл тәжірибелерде ішкі энергияның бөлігі ретінде тек молокулалардың ғана энергиясы қарастырылған. Потенциялық энергия туралы заттың агрегат күйлерінің өзгеруін қарастырғанда сөз еткен орынды.
1. Дилатометрдің колбасына (17-23-суреттерді қара) қолды тигізіп, түтіктегі боялған су тамшысының орын ауыстыруын байқайды. Құбылыс қыздырған кезде аузының ұлғаюынан болады деп түсіндіріледі.
Ауаның қызуы болса (оның температурасының артуы) оның молекулаларының тәртіпсіз (жылулық) қозғзлысы жылдамдығының артқандығын, демек, дененің ішкі энергиясының бір бөлігі болып табылатын олардың кинетикалық энергиясының артқандығын көрсетеді.
Бұл жағдайда ішкі энергия жылу берілу жолымен арттырылады. Егер колбаны, температурасы бөлме температурасынан төмен болып келген, суы бар ыдысқа қойса, түтіктегі су тамшысы төмен қарай орын ауыстырып, колбадағы ауаның температурасының төмендегенін көрсетеді, демек, молекулалардың тәртіпсіз қозғалысы жылдамдығының кемігені, олардың кинетикалық энергнясының кемігенін көрсетеді.
2. Штативке қысылған және манометрлік түтікпен немесе микроманометрмен қосылған баллонды (20-3-сурет) шұғамен ысқылап, манометр түтіктеріндегі сұйықтың деңгейінің өзгергенін байқайды. Құбылыс баллондағы ауаның ұлғаюымен түсіндіріледі, ұлғаю болса, ауа молекулаларының кинетикалық энергиясының артуы себебінен болады. Бұл тәжірибеде дененің (ауаның) ішкі энергиясының артуы механикалық жұмыс жасалу салдарынан болады.
3. Ауа шақпағы алынады. Ауа тез сығылғанда соншалықты күшті қызып, тіпті цилиндрдегі поршень астындағы эфир булары тұтанып кетеді. Эфир буларының өздігінен тұтану температурасы 1800С. Эфир буларының ішкі энергиясының ұлғаюы сығылу бойынша істелетін механикалық жұмыс нәтижесінен болады.
4. Төске кішкене бір кесек мыс қояды, оның астына алдын ала бір парақ қағаз салып қояды (жылу изоляциясы). Балғамен мысты 8—10 рет ұрып, оны алады да, микроманометрмен немесе боялған спирт толтырылған манометрмен жалғасқан термоскопқа қояды. Манометрдегі спирт деңгейлерінің айырмасы сол кезде 1,6—2 см-ге жетеді, мұны сонғы жақтағы партада отырғандар да байқай алады. Горизонталь орналасқан түтікпен жасалған тәжірибеде нәтиже бұдан да анығырақ көрінеді.
Тәжірибелер мен күнделікті өмірден алынған мысалдарды талдауға сүйеніп, оқушылар дененің ішкі энергиясын айналадағы денелермен жылу берілу (жылу алмасу) жолымен және механикалық жұмыс жасау (үйкеліс, соққы, сығу) жолымен өзгертуге болады деген қорытындыға келеді.
Оқушылармен нәтижелері, дененің ішкі энергиясының кемуі болатын, қарама-қарсы процестерді де қарастыру керек. Мысалы, қызған үтіктің айналадағы ауамен жылу алмасу кезінде оның ішкі энергиясы кемиді, ол жөнінде уақыт өтуімен үтіктің температурасының төмендеуіне қарап сөз етуге болады. Мұндай құбылыс бастапқы температурасы айналадағы денелердің температурасынан жоғары болып келетін денелердің бәрінде болады.
Механикалық жұмыс жасау нәтижесінде дененің ішкі энергиясының кемуін мынадай тәжірибемен көрсетуге болады.
Екі бунақты ауызы бар үлкен бөтелке немесе сүт бөтелкесін алып, оған бір шай қасық су құяды. Бөтелкенің аузын шыны түтік өткізілген тығынмен тығындайды. Түтікті, резеңке шлангының көмегімен ауа айдап кіргізуге арналған, Комовский насосының патрубогымен қосады. Бөтелкеге ауаны айдап енгізгенде, оның қысымы ақырында тығын атып шығатындай дәрежеге жетеді. Сол кезде бөтелкенің қабырғасында су тамшылары пайда болады, бұл ондағы ауа мен будың температурасының төмендегендігінің кепілі болып табылады. Егер бөтелкеге түтіндеп тұрған шырпыны енгізсе, тұман тамшыларының пайда балуы күшейе түседі.
Осы тәжірибені демонстрациялап кәрсеткен кезде сақтық шаралары көздедуі тиіс: тығын бөтелкенің аузынан біршама оңай атып шығуы үшін, оны сулау керек.
Сипатталған тәжірибелерде болып өтетін процестер молекула-кинетикалық түсініктер негізінде мұқият талдауды талап етеді.
Үнемі тәртіпсіз қозғалыста бола отырып, ыдыс ішіндегі ауа мен су буының молекулалары оның қабырғаларын атқылайды. Неғұрлым газ температурасы жоғары болса, соғұрлым молекулалар шапшаң қозғалады. Егер ауасы бар ыдыстық бір қабырғасы жылжымалы болса (тәжірибелерде тығын), онда ол молекулалардың соққысынан қозғалады. Мұнда молекулалардың энергиясы механикалық жұмысқа (үйкеліс күшті жеңуге, тығынды көтеруге) жұмсалады. Нәтижесінде ауаның (және ондағы будың) ішкі энергиясы кемиді.
Демек, оқушылар мынадай қорытындыға келеді: дененің ішкі энергиясы берілген уақытта дененің айналадағы денелермен жылу алмасуында және механикалық жұмыс жасағанда өзгере алады (артады немесе кемиді).
Алған білімдерін пысықтау үшін, оқушылар бірнеше сұрақтарға жауап қайырады:
1. Арнайы жылулық қорғанышымен жабдықталмаған Жердің жасанды спутниктері мен метеориттер өз қозғалысының ақырында жер атмосферасының тығыз қабаттарына енгенде неліктен жанып кетеді?
2. Диірмен тастарынан шыққан ұн ыстық болады, пештен шыққан нан да ыстық болады. Ұн мен нанның температурасының жоғарылау себептерін атаңдар. Осы денелердің ішкі энергиясы өзгерді мe және неліктен өзгерді?
3. Температурасы 00С болатын дененің ішкі энергиясы бола ма? (27, 1-жұмысты да қара.)
3. ЖЫЛУДЫҢ БЕРІЛУ ТӘСІЛДЕРІ
Бұл мәселенің мазмұны негізінде оқушыларды термодинамикалық екінші заңы туралы жылудың азырақ қызған денеден көбірек қызған денеге өздігімен өтуінің мүмкін еместігінің тұжырымы ретінде түсінуге келтіреді. Жылудың берілуі әрқашан белгілі бір бағытта жүретінін оқушылар ұғынып алулары тиіс: температурасы неғұрлым жоғары денеден температурасы неғұрлым төмен денелерге беріледі.
Жылудың берілу механизмін түсіндірген кезде оқушылардың молекула-кинетикалық теориясы жөніндегі білетін мағлұматтарына сүйенеді.
Жылу өткізгіштік. Баяндауды проблемалық тәжірибе жасаудан бастайды. Ағаш цилиндрге бірқатар кнопқа бастырады да, оны бір қабат қағазбен орайды (20-4-сурет). Цилиндрді жанарғының жалынына аз уақыт ұстап тұрса, қағаз бір қалыпты қарайып күйіп кетпейді. Сұрақ қойылады: «Қағаздың кнопкаларға тиіп тұрған жерлері азырақ қарайып күйетіндігі неліктен?» Оқушылардың жауаптарын және олардың түсініктерін жинақтай келе, қатты дененің бір бөлігінен екінші бөлігіне жылу берілу фактісін тағайындайды және оны түсіндіреді. Қыздырған кезде денені құрайтын молекулалар қозғалысының жылдамдығы артады.
Бұл қозғалыс көршілес молекулаларға беріледі, нәтижеде бұл молекулалардың жылдамдығы, демек, дененің осы бөлігінің температурасы артады. Сондай-ақ оқулықта келтірілген тәжірибе де әсерлі.
Содан кейін жақсы жылу өткізгіштер — металдар және нашар жылу өткізгіштер (изоляторлар) — ағаш, шыны жөнінде ұғым енгізіледі. Заттардың — шыны мен темір, темір мен мыс жылу өткізгіштігінің әр түрлі екеңдігін парафинмен немесе балауызбен стерженьге желімделген шегелерді қыздырған кезде ажыратып алу жөнінен істелген тәжірибемен көрнекі түрде демонстрациялап көрсетеді.
Техникада, тұрмыста және мектептік физикалық приборларда денелердің жылуды түрліше өткізетіндік қасиеттерінің пайдаланылуы қарастырылады. Мысалы ауаның нашар жылу өткізгіштігін мектептік прибор—калориметр құрылысында пайдаланады.
Калориметрдің құрылысы мен қызметін оны пайдаланып тәжірибе жасап түсіндіру қажет.
Бірқатар есеп шығарған байдалы. Мұнда мынадай мазмұнды есептер ұсынылуы мүмкін.
1. Ұзындығы 5—6 см шегені қолдарына алып, оның ұшын шырпы жалынына ұстаңдap. Тәжірибеге сүйеніп, ағаш пен темірдің жылу өткізгіштігін салыстырыңдар. Шеге, әсіресе шырпы сөнгеннен кейін қолға ыстық болып сезілетіні неліктен болатынын түсіндіріңдер.
2. Әр түрлі тереңдіктерде температураның тәуліктік өзгерісінің төменде берілген таблицасын қарастырыңдар және онда берілген мағлұматтарды түсіндіріңдер.
Топырақ қабаттарының тереңдігі |
Максимумға жету уақыты |
Минимумға жету уақыты |
Топырақ бетінде 20 см тереңдікте 40 см тереңдікте |
13,2 сағ 18,2 сағ 23,7 сағ |
2,4 сағ 8,1 сағ 12,8 сағ |
3. Малақайды солтүстікте суықтан сақтанып, ал оңтүстікте (Туркменстанда) — ыстықтан сақтанып киеді. Осының дұрыстығын түсіндіріңдер.
Оқушыларға кейбір қатты, сұйық және газ тәріздес денелердің жылу өткізгіштігінің салыстырмалы мағлұматтарын айтып берген пайдалы. Мысалы, темір, еменге қарағанда, жылуды 163 есе жақсырақ және суға қарағанда, 100 есе жақсырақ, су — ауаға қарағанда, 27 есе жақсырақ өткізеді.
Конвекция. Баяндауды, 20-5-суретте көрсетілгендей суы бар шыны түтікті спирт шамының жалынына орналастырып тәжірибе жасаудан бастауға болады. Мұнда бір термометрдің көрсетулері (суретте сол жақтағы) өзгеріссіз дерлік қалады, ал eкішісінікі (суретте оң жақтағы) тез жоғарылап береді. Мынадай сұрақ қойылады: «Бір жағдайда судың жылу беруі жақсы, ал екіншісінде нашар болатыны неліктен?»
Әңгіме өткізген кезде қыздырғанда су ұлғаятын болғандықтан, оның тығыздығы кемитіндігі (мысалы, 100°С-тағы 1 м3 судың массасы оның 0°С-тағы массасынан 42 кг кем болатынын айтуға болады) және сондықтан архимед күшінің әсерінен судың қызған ең жеңілірек қабаттары жоғары көтерілетіндігі анықталады.
Құбылыстың мәнін, мысалы, май шаммен ішінде суы бар, түбіне конвекциялық ағындарды бояйтын марганецті қышқыл калийдің кішкене кристалы салынған, колбаны қыздырып айқындаған жөн.
Газдардағы жылу өткізгіштік пен конвекцияны демонстрациялап көрсету үшін, 20-5-суретте көрсетілгенге ұқсас, ауаны түтік ішінде қыздырып тәжірибе жасауға болады.
Сонан соң қағаз зырылдауық пен түтіннің көмегімен қыздырғыштардың үстіңгі жағында ауа ағындарының шығып пайда болуын көрсетеді. Мысалы 1000С-тағы 1 м3 ауаның массасы 0°С-тағы 1,4 есе кіші болатынын оқушыларға айтуға болады, сондықтан, сұйықтардағыдай, конвекция Архимед күшінің әсерінен болады.
Табиғаттағы конвекция мысалдары ретінде күндіз және түнде самал желдің пайда болуын, ал техникада — түтін жолдарындағы тарту күшінің, сумен жылытуда — конвекциялық, іштен жану двигательдерінің сумен суытылуын алуға болады.
Күрделі емес тәжірибелер, сондай-ақ жылу өткізгіштік пен конвекцияны бақылауды оқушылардың өздеріне үйде орындату керек. Мәселені баяндауды бірқатар сапалық есептер берумен аяқтаған жөн.
Сәуле шығару және сәуле жұту. Әңгіме өткізу кезінде жылудың қатты қызған, жарық шығаратын денелерден сәуле шығару арқылы берілуі мүмкін екендігі айқындалады. Жердегі жарық пен жылудың басты көздері бізден жырақта (150 млн. км) тұратын Күн екенін оқушылар біледі.
Алайда оқушылардың көпшілігі, кез келген қызған денелер шығаратын, көзге көрінбейтін жылулық сәулелер болатынын білмейді. Құбылыстың мәнісін тәжірибенің көмегімен айқындайды. Бір қабырғасы ақпен, ал екшшісі қара бояумен боялған термоскоп немесе жылу қабылдағышы бар микроманометр алады да, оны өте қызған гирдің жанына қояды. Колбаны гирдің арт жағына қойылған айнамен жиналған жылу сәулелері конусының ішіне орналастырып жасаған тәжірибе одан да айқынырақ болады (20-6-сурет). Түтік ішінде сұйық бағанының орын ауыстыруы қыздырған кезде ауаның ұлғаюын көрсетеді. Гирдің жылу сәулелерін шығаратынын колба тұрған жерге демонстрациялық термометрдің баллонын орналастырып та байқауға болады. Сұрақ туады: «Колбадағы ауа қалайша қызды?» Қызған гирден термоскопқа жылу өткізгіштік арқылы да, конвекция арқылы да жылу берілмейді. Оқушыларға бұл жағдайда жылу қызған денеден көзге көрінбейтін жылу сәулелері арқылы берілгендігі айтылады.
Суыған термоскоптың ақ бояумен боялған жағын пірге қаратып қойып, тәжірибені қайталанды да, ақ беттің, қара бетке қарағанда, сәулелерді нашар жұтатындығын байқайды. Бұл тәжірибе үшін арнайы приборды — термоқабылдағышты қолдануға болады, мұның бір қабырғасы қара, ал екіншісі жарқырап тұрады. Жылу қабылдағыш сұйықтық манометрге немесе сезгіштігін арттыру үшін ішінде бір тамшы сұйығы бар, горизонталь орнатылған шыны түтікке жалғастырылады.