Внутренняя энергия тела не может являться постоянной величиной. Она может изменяться у любого тела. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится, т.к. увеличится средняя скорость движения молекул. Таким образом, увеличивается кинетическая энергия молекул тела. И, наоборот, при понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.
Можно сделать вывод: внутренняя энергия тела изменяется, если меняется скорость движения молекул. Попытаемся определить, каким методом можно увеличить или уменьшить скорость передвижения молекул. Рассмотрим следующий опыт. Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Затем обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в разные стороны. Спустя определенное время, эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Опыт демонстрирует, что внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: ведь он изменил свою температуру, при этом закипев.
Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубкой веревкой.
Как мы знаем, нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, говоря проще, при деформации. Во всех приведенных примерах, внутренняя энергия тела возрастает.
Таким образом, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.
Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
Рассмотрим еще один опыт.
В стеклянный сосуд, у которого толстые стенки и он закрыт пробкой, накачаем воздух через специально проделанное отверстие в ней.
Спустя некоторое время пробка вылетит из сосуда. В тот момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы сможем увидеть образование тумана. Следовательно, его образование обозначает, что воздух в сосуде стал холодным. Сжатый воздух, который находится в сосуде, при выталкивании пробки наружу совершает определенную работу. Данную работу он выполняет за счет своей внутренней энергии, которая при этом сокращается. Делать выводы об уменьшении внутренней энергии можно исходя из охлаждения воздуха в сосуде. Таким образом, внутреннюю энергию тела можно изменять путем совершения определенной работы.
Однако, внутреннюю энергию возможно изменить и иным способом, без совершения работы. Рассмотрим пример, вода в чайнике, который стоит на плите закипает. Воздух, а также другие предметы в помещении нагреваются от радиатора центрального направления. В подобных случаях, внутренняя энергия увеличивается, т.к. увеличивается температура тел. Но работа при этом не совершается. Значит, делаем вывод, изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.
Рассмотрим еще один пример.
В стакан с водой опустим металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды, больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Таким образом, энергия молекул воды будет определенным образом уменьшаться, тем временем как энергия частиц металла будет повышаться. Температуры воды понизится, а температуры спицы не спеша, 
будет увеличиваться. В дальнейшем, разница между температурой спицы и воды исчезнет. За счет этого опыта мы увидели изменение внутренней энергии различных тел. Делаем вывод: внутренняя энергия различных тел изменяется за счет теплопередачи.
Процесс преобразования внутренней энергии без совершения определенной работы над телом или самим телом называется теплопередачей.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
«Без сомнения, все наше знание начинается с опыта » (И.Кант, немецкий философ, 1724-1804 г.).
Урок-исследование
Подготовил: Карпова Н.О.,
учитель физики МОУ КСОШ №1
Конспект урока
Тема: «Способы изменения внутренней энергии тела»
Цели урока:
Образовательная – экспериментально исследовать способы изменения внутренней энергии тела.
Развивающая – развитие умения наблюдать и выдвигать гипотезы при решении поставленных вопросов, развитие способов мыслительной деятельности (анализ, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), развитие познавательного интереса учащихся, развитие навыков самостоятельной работы.
Воспитательная – формирование научного мировоззрения, воспитание устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям.
1.Организационный момент (3 мин.)
Уважаемые коллеги!
Нет, нет, я не оговорилась! Сегодня вы не учащиеся 8 класса, а мои коллеги – физики-экспериментаторы.
Процесс научного творчества состоит из звеньев:
ИСХОДНЫЕ ФАКТЫ
ГИПОТЕЗА
ЭКСПЕРИМЕНТ
ВЫВОД, СЛЕДСТВИЕ (Слайд 4).
Как я уже сказала, все это звенья процесса научного познания, и мы сегодня с вами в таком процессе поучаствуем. Гипотеза – это любое предположение, которое объясняет имеющиеся факты. Проверяя гипотезу на различных фактах, решая задачи, мы возводим ее в ранг закона. Именно такой метод используется в науке.
«Сперва собирать факты и только после этого связывать их мыслью»- советовал Аристотель. (Слайд 5). Что же, прислушаемся к его совету. И что бы приступить к исследованию, нужно иметь прочный запас знаний.
Начинаем собирать факты.
2.Фронтальный опрос (5 мин)
Какую энергию называют внутренней энергией тела?
Изменяется ли внутренняя энергия при деформации тела. Почему?
Изменяется ли внутренняя энергия тела при изменении температуры тела?
Изменяется ли внутренняя энергия тела при подъеме его над Землей?
Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды? Почему?
Рис 1. В одинаковых сосудах находится газ равной массы, но разной температуры. В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Какая часть внутренней энергии – энергия движения частиц или энергия их взаимодействия – играет главную роль при сравнении.
Рис 2. В двух одинаковых сосудах при одной и той же температуре заключены равные массы газа. В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Почему?
Из баллона откачивают воздух. Как будет меняться при этом внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха. Почему?
3. Проверка домашнего задания (5 мин)
На столах у вас лежат тесты (приложение 1). Я прошу вас из предложенных ответов на вопросы выбрать, на ваш взгляд, правильный. Вооружитесь карандашами, не забудьте подписать работы!
4. Изучение новой темы (3 мин)
Предмет нашего исследования для науки не нов. Он уже, конечно же, подвергался изучению.
И сейчас мы вместе с вами получим тему для нашей сегодняшней работы.
Перед вами кроссворд. Ключевые слова кроссворда дадут название нашей научной работы. (Слайд 6).
По вертикали
От этой величины зависит температура вещества.
Пример теплового явления.
Изменение формы или размеров тела.
На каком явлении основана работа термометра.
Единица измерения внутренней энергии.
Физическая величина, равная произведению силы на путь.
Джоуль, Ньютон – кто это?
По горизонтали
Шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу для измерения температуры.
Самопроизвольное перемешивание веществ.
Прибор для измерения температуры.
Кем был изобретен первый жидкостный термометр.
Как называется энергия движения и взаимодействия молекул.
Как называется величина, характеризующая тепловое состояние тел.
Где на Земле температура воздуха достигает -88 градусов по Цельсию.
Другое название медицинского термометра.
Как в физике называют различные изменения в природе. (Слайд 7)
Тема урока: «Способы изменения внутренней энергии тела». (Слайд 8)
3.1.Актуализация знаний (5 мин)
Переходим к следующему звену – выдвижению гипотез.
Изменится ли внутренняя энергия шара, если переместить его относительно стола?
Изменится ли внутренняя энергия шара, если поднять его над столом?
Как можно отогреть озябшие руки, не используя нагретых предметов или теплых перчаток?
А можем ли мы какими- либо способами еще изменить внутреннюю энергию тела?
(Учащиеся выдвигают гипотезы, учитель записывает их на доску:
Нагревание, охлаждение;
Разгибание, сгибание;
Сжатие, растяжение;
Наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов говорил: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением». (Слайд 9). Поэтому подвергнем экспериментальной проверке все наши гипотезы.
Сейчас работаем в группах. В каждой необходимо выбрать руководителя, лаборанта, экспериментатора и теоретика. Перед вами экспериментальные задания. После выполнения и обсуждения экспериментатор расскажет нам, как проводился эксперимент, что наблюдалось, а теоретик предложит объяснение.
Работа в группах (15 мин).
Работа по группам (экспериментальные задания).
Задание 1.
Теплоприемник соедините с манометрической трубкой. Потрите сукном теплоприемник. Объясните наблюдаемое явление. За счет чего происходит изменение внутренней энергии.
Задание 2.
Коснитесь руками стенок колбы, пронаблюдайте за перемещением капли воды в трубке. Объясните явление. Поместите колбу в снег. Что происходит с каплей воды в трубке? Объясните явление. Как изменяется внутренняя энергия? За счет чего?
Задание 3.
Возьмите проволочку, несколько раз согните и разогните ее. Возьмите спицу с пробкой, переместите несколько раз пробку по спице. Что происходит с температурой тел? Каково изменение внутренней энергии? Сделайте вывод о способе изменения внутренней энергии тела.
Задание 4.
На наковальню поместили кусок меди. Ударьте 5 раз по куску меди. Возьмите проволочку, несколько раз согните и разогните ее. Что происходит с температурой тел? Каково изменение внутренней энергии? Сделайте вывод о способе изменения внутренней энергии тела.
Задание 5.
Сделайте около 50 интенсивных ударов молотком по железному предмету.
Проверьте на ощупь изменение температуры металла и молотка. Объясните явление.
Задание 6.
Положите монету на кусок деревянной доски и энергично потрите ее,
прижимая к поверхности в течение нескольких минут. Объясните.
После выступлений учащихся учитель делает вывод.
Значит, увеличить внутреннюю энергию тела можно двумя способами: совершая над телом работу и за счет теплопередачи. (Слайд 10, 11)
Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. На рисунке показано, как это происходило (Слайд 12).
Необходимо сверлить дощечку заостренной палочкой. Тогда при определенной сноровке за 1 секунду можно увеличить температуру на 20 градусов по Цельсию, и, что бы палочка загорелась, необходимо всего 12,5 секунд (температура воспламенения спички 250 градусов по Цельсию).
Многие люди и сейчас добывают огонь трением. Это спички (Слайд 13, 14).
А теперь послушаем, как давно были изобретены спички. (Сообщения учащихся).
Закрепление изученного (4 мин).
Переходим к следующему звену научного познания: следствию.
Почему, если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки?
При обработке детали напильником и деталь, и напильник нагреваются. Почему?
Почему метеорит, пролетая через атмосферу Земли, раскаляется?
Почему мука из под жерновов выходит горячей?
Молоток будет нагреваться, когда им отбивают косу и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.
8 Домашнее задание (3 мин).
Мы вместе прошли трудный путь от гипотез, догадок к подлинно научной теории. Все цели нашего исследования достигнуты. Запишем домашнее задание: написать сочинение на тему: «Способы изменения внутренней энергии тела».
7. Рефлексия и итог урока (2 мин)
В организации нашего исследования мы использовали все этапы научного творчества, показали себя хорошими наблюдательными экспериментаторами, способными не только подмечать вокруг себя новое и интересное, но и самостоятельно проводить научное исследование.
Большое спасибо, уважаемые коллеги за совместную работу. Очень надеюсь, что это не последнее наше научное исследование.
Используемая литература:
Э.М. Браверман «Урок физики в современной школе», М., «Просвещение», 1993 г..
Э.М. Браверман «Вечера по физике в средней школе», М., «Просвещение», 1969 г..
Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов «Физический эксперимент в средней школе», М., «Просвещение», 1989 г..
Интернет-ресурсы.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:
- При совершении механической работы. а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела. б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии. в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.
- Существует еще способ изменения энергии тела, не связанный с работой сил. Так, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.
Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).
Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии. б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие. в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 153-154.
Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул. Cледовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул. Попытаемся выяснить, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул.
Для этого проделаем следующий опыт. Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 4). Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьем веревкой и начнем быстро двигать ее то в одну сторону, то в другую. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел.Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки веревкой.Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, т. е. при деформации. Внутренняя энергия тела во всех приведенных примерах увеличивается. Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается. Проделаем следующий опыт. В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней (рис. 5). Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счет своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде.Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления. Внутренняя энергия в этих случаях увеличивается, так как повышается температура тел. Но при этом работа не совершается. Значит, изменение внутренней энергии может происходить не только в результате совершения работы.
Внутреннюю энергию тел можно изменить путем теплопередачи. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. Когда температуры тел выравняются, теплопередача прекращается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей. Теплопередача в свою очередь может осуществляться тремя способами: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением.
1. Скорость движения молекул любого тела связана с его температурой. Можно ли считать тепловым движение какой-либо одной молекулы тела?
Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество, значит движение молекул можно считать тепловым.
2. а) Изменяется ли внутренняя энергия при деформации тела? при изменении температуры тела? при подъеме тела над землей?
б) При деформации тела изменилось только взаимное расположение молекул. Изменилась ли при этом температура тела?
а) при деформации тела — да; при изменении температуры — да; при подъеме тела — нет; б) температура тела изменится, так как происходит взаимодействие между молекулами.
3. а) Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды? Почему?
б) Вода и водяной пар, имея равную температуру, например 100 °С, отличаются расположением молекул. Одинакова ли внутренняя энергия пара и воды? Почему?
а) нет, внутренняя энергия горячей воды больше, так как температура выше, соответственно молекулы движутся быстрее и чаще взаимодействуют;
б) внутренняя энергия воды больше, так как молекулы расположены ближе друг к другу и, соответственно, чаще взаимодействуют.
4. В одинаковых сосудах находится газ равной массы, но раз-ной температуры (рис. 1). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Какая часть внутренней энергии - энергия движения частиц или энергия их взаимодействия - играет главную роль при сравнении?
В сосуде 2 газ обладает большей внутренней энергией, так как температура в нем в 2 раза выше. Главную роль при сравнении в данном случае играет энергия движения частиц.
5. Увеличивается ли внутренняя энергия тел в следующих случаях:
а) при трении корпуса движущегося самолета о воздух;
б) при обработке заготовки на токарном станке;
в) при соприкосновении холодного воздуха с нагретым предметом?
Внутренняя энергия тел увеличивается в случае а) и б), так как в обоих случаях над телом совершается работа. В случае в) внутренняя энергия предмета не увеличивается.
6. В двух одинаковых сосудах при одной и той же температуре заключены равные массы газа (рис. 2). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Почему?
В сосуде I газ обладает большей внутренней энергией, так как молекулы расположены ближе друг к другу, следовательно, взаимодействие между ними происходит чаще.
7. а) Если в сугроб вылить в одном месте ведро теплой воды, а в другом - стакан кипятку, то в каком случае растает больше снега и почему?
б) Из баллона откачивают воздух. Как будет меняться при этом внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха? Почему?
а) там, где вылили 1 ведро, так как площадь взаимодействия со снегом больше,
б) внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха будет уменьшаться, так как уменьшается взаимодействие молекул.
8. Почему иногда крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает, а иногда - нет?
При кипении часть воды переходит в пар и собирается в верхней части чайника, давление пара увеличивается, и крышка чайника подпрыгивает. Если же вода в чайнике налита так, что отверстие носика незакрыто, то пар выходит через носик чайника и крышка не прыгает.
9. Как можно отогреть озябшие руки, не используя нагретых предметов или теплых перчаток?
Трением ладошек друг о друга, так как в результате этого внутренняя энергия ладошек увеличивается
10. Почему после сильного шторма вода в море становится теплее?
После сильного шторма вода в море становится теплее, т.к. во время шторма происходило трение между слоями воды, увеличивалась их внутренняя энергия, и, соответственно, температура.
11. Для резки стали используют фрикционную пилу (диск без зубьев). Вращаясь с большой скоростью, такой диск режет металл. Объясните этот процесс.
При вращении с большой скоростью между диском и металлом возникает большая сила трения, увеличивается внутренняя энергия, и, соответственно, температура, поэтому в месте соприкосновения с диском металл плавится и таким образом разрезается.
12. Почему при вхождении в плотные слои атмосферы большинство метеоритов сгорает?
Скорость метеоритов, входящих в плотные слои атмосферы, настолько велика, что при трении о слои атмосферы метеориты нагреваются так сильно, что начинают оплавляться, гореть и испаряться
13. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при нагревании воды в кастрюле; б) при сжатии и расширении воздуха; в) при таянии льда; г) при сжатии и растяжении резины.
а) за счет теплопередачи; б) при сжатии внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над системой; при расширении работу совершает сама система — внутренняя энергия уменьшается; в) при таянии льда внутренняя энергия увеличивается за счет излучения или теплопроводности; г) при сжатии или растяжении резины внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над телом.
14. В каком месте водопада температура воды выше?
Температура воды выше в нижней части водопада. Так как по закону сохранения энергии потенциальная энергия падающей воды преобразуется в кинетическую и внутреннюю, соответственно внутренняя энергия увеличивается, значит увеличивается и температура воды.
15. а) Почему выскакивают искры при ударе кремня о сталь? б) Почему от вращающегося точильного камня летят искры, если прижать к нему кусок стали?
а) При ударе кремня о сталь выскакивают искры, т.к. между ними возникает сила трения, температура увеличивается, разогретые мелкие частички кремния разлетаются, образуя искры,
б) Если прижать к вращающемуся точильному камню кусок стали, то между ними возникнет большая сила трения, температура увеличится, и разогретые мелкие частицы стали разлетаются, образуя искры.
