Температура та її вимірювання (урок з фізики)

Форми роботи: групова, індивідуальна.

Обладнання: мультимедійний проектор, слайди за темою «Температура та її вимірювання», термометри, пристрій для демонстрації газових законів.

Міжпредметні зв’язки: математика, історія, хімія.

Хід заняття

І. Активізація знань

1. Які основні положення молекулярно-кінетичної теорії?

2. Як ви вважаєте, що відбувається з поведінкою молекул тіла, якщо його підігрівати або охолоджувати?

3. А яка фізична величина пов’язана з нагріванням та охолодженням тіла?

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

(постановка проблеми, мотивація теми уроку)

Сьогодні продовжимо вивчати властивості речовин, з якими вже познайомилися на попередніх заняттях. У мені в руці знаходиться пристрій яким ми користуємося дуже часто в нашому житті(викладач тримає в руці термометр). Як називається цей пристрій і для чого його використовують? (вислуховуються пропозиції студентів та підсумовується сказане) Так, ми сьогодні будемо знайомитися з таким фізичним поняттям як «температура» та розглянемо методи її вимірювання та пристрої якими користуються для цього.

Тема заняття: Температура та її вимірювання.

Температура - це досить важлива характеристика термодинамічної системи. Вона визначає ступінь нагрітості тіл і є мірою інтенсивності теплового руху. Температура виражає стан внутрішнього руху рівноважної системи незалежно від кількості частинок в них.

Але перш ніж розглядати температуру з молекулярно-кінетичних уявлень давайте розглянемо значення температури для життя людини та методи її вимірювання.

На минулому занятті ми поділили студентів на 5 творчих груп. Кожна група отримала завдання до теми нашого сьогоднішнього заняття. Дослідивши ці питання кожна група мала підготувати творчі роботи, які сьогодні нам презентують. (Всі студенти слухають доповіді, записують основне та за необхідності задають запитання доповідачу)

Завдання для творчих робіт:

1. Температура в житті людини та тварин (І група)

2. Історія винайдення термометра (ІІ група)

3. Температурна шкала, різні підходи до вимірювання температури (ІІІ група)

4. Класифікація приладів для вимірювання температури різними методами (ІVгрупа)

5. Молекулярно-кінетичні уявлення про температуру (V група)

(Відбувається заслуховування доповідей та їх обговорення)

І група.

Температура в житті людини та тварин

Температура впливає на протікання життєвих процесів в організмі й на його фізіологічну активність. Фізико-хімічною основою цього впливу є зміна швидкості протікання хімічних реакцій, завдяки яким відбуваються ентропічні перетворення всіх видів енергії в теплову.

Можливість процесів життєдіяльності обмежена вузьким діапазоном температури внутрішнього середовища, у якому можуть відбуватися основні ферментативні реакції. Для людини зниження температури тіла нижче 25°С й її збільшення вище 43°С, як правило, смертельно. Особливо чутливі до змін температури нервові клітини.

Пір'я з пухом, вовна, шар підшкірного жиру - майже всі тварини холодних країв мають певний захист від морозу. Деякі гризуни, землерийки й кролики виробляють при похолоданні особливу речовину, яка дає багато енергії, бо насичена мітохондріями - мікроскопічними пристроями в клітинах, єдине завдання яких – перетворювати їжу в тепло.

У 19 столітті англійські фізик Благден і Чентрі проводили на собі досліди по визначенню найбільшої температури повітря, яку може витримати людина. Вони проводили цілі години в натопленій печі хлібопекарні. Виявилось, що при поступовому нагріванні на сухому повітрі людина здатна витримати не тільки температуру кипіння води, але і багато вище -160 ⁰С. Температури тіл деяких здорових тварин: температура тіла коня 38 ⁰С, температура тіла корови 38,5 ⁰С, температура тіла качки 41,5 ⁰С. Зміна температури тіла живого організму дозволяє судити про його стан і почати лікування випадків захворювання.

ІІ група.

Історія винайдення термометра

Першим хто намагався виміряти температуру був Галілео Галілей. До вивчення теплових явищ він підійшов з позиції механічної природи тепла. Термометри, які робив Галілей (близько 1592 р.), складалися зі скляної кулі, наповненої повітрям; від нижньої частини кулі відходила трубка, частково заповнена водою, що закінчувалася в посудині, також наповненою водою. Висота стовпчика залежала як від температури, так і від атмосферного тиску, і вимірювати таким термометром більш-менш точно було неможливо. В ці часи сама ідея, що повітря може давити на землю, здавалося досить дикою. Тому термометр Галілея вимірював досить невизначену величину, але навіть такий термометр дозволяв порівнювати температуру різних тіл в один і той же час й у тому ж самому місці.

Уже тоді за допомогою ще недосконалого термометра лікар й анатом Санкторіус із Падуанського університету почав вимірювати температуру людського тіла. Для цього він сам, не знаючи про Галілея, побудував схожий термометр.

Історія термометра багато чим зобов'язана діячу 18 століття - Отто фон Геріке. Він побудував гарний термометр, який складався з латунної кулі, заповненої повітрям, і вигнутої у формі букви U трубки зі спиртом. На його термометрі в середині шкали стояла крапка, біля якої покажчик зупинявся при перших заморозках, - цю крапку й вибрав Гаріке за початок шкали. Ясно що такий вибір був умовний, але все-таки Гаріке зробив перший крок.

Згадаємо ще й роботу Ньютона «Про шкалу ступенів тепла й холоду», опубліковану в 1701 р., у якій описана 12-ти градусна шкала. Нуль він помістив там же, де поміщаємо його зараз і ми, - у крапці замерзання води, а 12 градусів відповідали температурі здорової людини.

Перший сучасний термометр був описаний в 1724 р. Даніелем Фаренгейтом, склодувом із Голландії. Різні термометри Фаренгейта можна було звіряти один з одним, порівнюючи їхні покази в різних «опорних» точках шкали. Тому вони прославилися своєю точністю. Така шкала використовується в Англії й США.

Сучасна шкала Цельсія була запропонована в 1742 р. Шведському фізикові не подобалося негативні температури, і він вважав потрібним перевернути стару шкалу й помістити ноль у точку кипіння води, а 100 градусів – у точку її замерзання. Але «перевернена шкала» не стала популярною й була вже незабаром «перевернена» назад.

ІІ група.

Температурна шкала

Якщо прийняти як основу інтервал температур між реперними точками плавлення льоду і кипіння води, позначивши їх відповідно 0 і 100, у межах цих температур виміряти об'ємне розширення якої-небудь робочої речовини, наприклад ртуті, що перебуває у вузькій циліндричній скляній посудині, і розділити на 100 рівних частин зміну висоти її стовпа, то в результаті буде побудована так називана температурна шкала.

Користуючись другим законом термодинаміки, англійський фізик Кельвін в 1848 р. запропонував дуже точну і рівномірну, яка не залежить від властивостей робочої речовини, шкалу. Вона отримала назву термодинамічної температурної шкали (шкали Кельвіна). Остання заснована на рівнянні термодинаміки для оборотного процесу (циклу Карно).

Термодинамічна температурна шкала починається з абсолютного нуля і у цей час є основною. Одиниці термодинамічної температури позначаються знаком К (кельвін), а умовне значення її буквою Т.

На Генеральній конференції по мірах і вагам Міжнародний комітет прийняв нову практичну температурну шкалу 1968 р. (МПТШ-68), градуси якої позначаються знаком °С (градус Цельсія), а умовне значення температури - буквою I. Для цієї шкали градус Цельсія дорівнює градусу Кельвіна.

Крім Міжнародної практичної температурної шкали існує ще шкала Фаренгейта, запропонована в 1715 р. Шкала побудована шляхом поділу інтервалу між реперними точками плавлення льоду і кипіння води на 180 рівних частин (градусів), позначених знаком °Ф. По цій шкалі точка плавлення льоду дорівнює 32, а кипіння води 212°Ф.

Для перерахування температури, вираженої в Кельвінах або градусах Фаренгейта, у градуси Цельсія користуються рівнянням

і⁰С = Т К-273,15 = 0,556 (п°Ф - 32), (4.1)

де п — число градусів по шкалі Фаренгейта.

ІV група.

Класифікація приладів для вимірювання температури

Прилади для вимірювання температури розділяються залежно від властивостей речовин що в них використовуються і поділяються на наступні групи з діапазоном показань:

Термометри розширення (-190…+6500С) засновані на властивості тіл змінювати під дією температури свій об’єм.

Манометричні термометри (-160…+6000С) працюють за принципом зміни тиску рідини, газу або пари з рідиною в замкнутому об’ємі при нагріванні або охолодженні цих речовин.

Термометри опору (-200…+6500С) засновані на властивості металевих провідників змінювати залежно від нагрівання їхній електричний опір.

Термоелектричні термометри (-50…+18000С) побудовані на властивості різнорідних металів і сплавів утворювати в парі (спаї) термоелектрорушійну силу, що залежить від температури спаю.

Пірометри (-30…+60000С) працюють за принципом вимірювання випромінюваної нагрітими тілами енергії, що залежить від температури цих тіл.

V група.

Молекулярно-кінетичні уявлення про температуру

Відповідно до основного рівняння МКТ тиск прямо пропорційний середній кінетичній енергії поступального руху молекул:

З іншого боку, експериментальна залежність має вигляд

р = р_оαT.

Прирівнюючи обидва ці рівняння, дістаємо:

Звідси маємо:

або

Множник k, що виражає співвідношення між одиницею енергії й одиницею температури, називається сталою Больцмана. 10^-23

Таким чином, абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу.

Чим вища температура, тим швидше рухаються молекули. У разі наближення температури до абсолютного нуля енергія теплового руху молекул також наближається до нуля.

Основне рівняння МКТ газів можна тепер записати в такому вигляді:

Тобто тиск ідеального газу залежить від концентрації молекул і від абсолютної температури.

ІІІ Рефлексія знань.

Студенти відповідають по черзі, за бажанням. кожна відповідь оцінюється. (Перед початком доповідей студентам були поставлені проблемні питання, на які зараз і потрібно відповісти).

1. Що таке температура?

2. Обґрунтуйте необхідність вимірювання температури.

3. Як називається прилад для вимірювання температури?

4. Хто сконструював перший термометр?

5. Які види термометрів ви знаєте?

6. Перерахуйте відомі вам шкали для вимірювання температур.

7. Яким рівнянням пов’язана середня кінетична енергія руху молекул та абсолютна температура?

8. Яким рівнянням пов’язана абсолютна температура та тиск ідеального газу?

ІV Контроль за вивченням нового матеріалу.

Студентам роздаються тестові завдання на розв’язання яких відводиться 3 хвилини.

1. Яка температура тіла здорової людини, якщо її виразити в Кельвінах?

А) -273 К;

Б) 0 К;

В) 309,6 К;

Г) 373 К.

2. Яке фізичне явище використовується в сучасних рідинних термометрах?

А) збільшення об’єму нагрітої речовини;

Б) збільшення об’єму охолодженої речовини;

В) збільшення кількості нагрітої речовини;

Г) збільшення кількості охолодженої речовини.

3. Що таке температура?

А) температура – це теплота;

Б) це міра середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул;

В) це висота стовпчика в термометрі;

Г) це хаотичний рух молекул тіла.

4. Якщо пусту скляну пляшку занурити відкритим кінцем у рідину та охолодити її, то деяка кількість рідини підніметься у пляшку. Чому це відбувається

А) зменшується густина повітря у пляшці;

Б) зростає тиск, який чинить рідина;

В) маса охолодженого повітря зменшилася;

Г) об’єм охолодженого повітря зменшилася.

5. Середня кінетична енергія поступального руху молекул газу при температурі 300 К дорівнює…

А) 4,1х10^-21 Дж;

Б) 6,2х10^-21 Дж;

В) не можна розрахувати якщо невідомо який це газ;

Г) 3,8 кДж.

6. При збільшенні температури від 20⁰С до 80⁰С середня кінетична енергія поступального руху молекул газу збільшується…

А) в 2 рази;

Б) в 1,4 рази;

В) в 4 рази;

Г) в 1,2 рази.

V. Підсумки.

Студенти здійснюють взаємоперевірку тесту. Викладач виставляє оцінки за заняття з урахуванням оцінок за тест.

VІ. Домашнє завдання.

Вчити § 34. Відповісти на запитання1-7

*Запитання 8-11

Підготувати реферати на тему:

1. Життя та діяльність Жозефа Луі Гей-Люссака

2. Життя та діяльність Роберта Бойля

3. Життя та діяльність Олександра Сезаря Шарля

4. Життя та діяльність Едма Маріотта