Лабораторная работа № 1 «Сравнение количества теплоты при теплообмене»
ОПБП перед работой. Экспериментальная проверка теплового баланса при смешивании тёплой и прохладной воды: измерение температур и объёмов, расчёт Qотд и Qпол, анализ расхождения с идеальной моделью.
Конспект урока
Сегодня формула превращается в проверяемую гипотезу. Мы смешаем две порции воды, измерим температуры, вычислим количество теплоты и выясним, насколько реальный опыт согласуется с идеальным тепловым балансом.
Постановочная учебная иллюстрация: цвета различают порции, но не являются показаниями температуры.
Исследовательский вопрос
Горячая вода охлаждается и отдаёт энергию, холодная нагревается и получает её. В идеальной теплоизолированной системе ожидаем
Цель работы: сравнить количество теплоты, отданное тёплой водой, с количеством теплоты, полученным прохладной водой, и объяснить возможное расхождение.
До опыта сделай два прогноза:
- конечная температура будет лежать между начальными температурами и ;
- при реальном измерении значения и могут оказаться близкими, но не обязаны совпасть до последнего джоуля.
Что понадобится
Калориметр уменьшает теплообмен со средой; он не делает систему идеально изолированной.
- калориметр с крышкой и отверстием для термометра;
- две мензурки или два мерных цилиндра;
- лабораторный термометр;
- отдельная палочка для перемешивания;
- тёплая и прохладная вода;
- устойчивый поддон и салфетка;
- рабочая таблица и калькулятор.
Для школьного расчёта используем
и приближение для воды
Поэтому воды принимаем за .
Безопасность перед действием
- Вода в ученическом опыте должна быть тёплой, не обжигающей; рекомендуемая температура не выше .
- Тёплую воду группам наливает учитель. Ученики не работают с чайником.
- Все сосуды стоят на поддоне и не перемещаются по кабинету без разрешения.
- Термометр держат за верхнюю часть, не используют как мешалку и не упирают в стенку или дно.
- Воду переливают медленно. При проливе прекращают работу и сообщают учителю.
Роли в группе
Распределите четыре роли: координатор безопасности, измеритель объёма, измеритель температуры, вычислитель-секретарь. Каждый участник заполняет собственную таблицу и формулирует вывод.
Протокол измерения
- Отмерь объём прохладной воды в мензурке и перелей воду в калориметр.
- Дождись устойчивого показания и запиши .
- Получи у учителя тёплую воду, измерь и непосредственно перед смешиванием запиши .
- Проверь прогноз: .
- Медленно перелей тёплую воду в калориметр.
- Сделай отдельной палочкой пять аккуратных движений, убери палочку и установи крышку.
- Вставь термометр через отверстие крышки и сразу запиши первое установившееся показание на уровне глаз; не жди дальнейшего охлаждения.
На иллюстрации показан порядок действия. Реальные значения берут только с приборов своей группы.
Таблица наблюдений
| Величина | Тёплая вода | Прохладная вода | Смесь |
|---|---|---|---|
| Объём, мл | — | ||
| Масса, кг | — | ||
| Начальная температура, °C | — | ||
| Конечная температура, °C | — | — |
Сначала заполни таблицу измерениями, затем переведи массу из граммов в килограммы.
Расчёт количества теплоты
Тёплая вода охлаждается от до , поэтому
Прохладная вода нагревается от до , поэтому
Обе разности температур положительны. Результаты записывают в джоулях.
Для сравнения удобно найти абсолютную разность
и относительное расхождение по отношению к отданной энергии:
Разобранный пример: модельный набор данных
Если опыт выполнить сейчас невозможно, проанализируй данные:
| Величина | Тёплая вода | Прохладная вода |
|---|---|---|
| Масса | ||
| Начальная температура | ||
| Температура смеси |
Для тёплой воды:
Для прохладной воды:
Тогда
Куда делась разность
Цветовой градиент лишь напоминает о дополнительных участниках; он не показывает измеренный поток энергии.
Разность не означает, что энергия исчезла. Идеальная двухучастная модель учитывала только две порции воды. Реальный баланс шире:
В знаковой записи, где означает получение энергии участником, а — отдачу, расширенный баланс имеет вид
Калориметр, термометр и воздух участвуют в теплообмене. Термометр может как получить, так и отдать энергию — это зависит от его температуры перед погружением. Ещё один неучтённый обмен происходит во время переливания. Показания приборов имеют конечную точность, а температура смеси меняется, пока мы её считываем.
Что улучшает опыт
- измерять начальные температуры непосредственно перед смешиванием;
- закрывать калориметр крышкой;
- переливать быстро, но без брызг;
- аккуратно перемешивать отдельной палочкой;
- не касаться термометром стенки и дна;
- считывать шкалу на уровне глаз;
- повторить опыт и сравнить результаты групп.
Улучшение метода не «подгоняет» ответ. Оно уменьшает влияние неучтённых процессов.
Как написать вывод
Хороший вывод содержит четыре части:
- что измеряли;
- какие значения и получили;
- насколько они различаются;
- какими физическими причинами объясняется разность.
Шаблон: «В опыте тёплая вода отдала примерно … Дж, а прохладная получила примерно … Дж. Значения близки / заметно различаются. Разность объясняется теплоёмкостью калориметра и термометра, теплообменом со средой и неопределённостью измерений. Закон сохранения энергии не нарушается; двухучастная модель требует уточнения».
Частые ошибки
| Ошибка | Исправление |
|---|---|
| Масса подставлена в граммах | Переведи в килограммы: . |
| Для тёплой воды записано | В модульной записи используй . |
| Термометром перемешивают воду | Используй отдельную палочку. |
| Шкалу читают сверху или снизу | Глаз должен быть на уровне столбика. |
| Разность названа исчезнувшей энергией | Назови неучтённых участников теплообмена. |
| Вывод повторяет только формулу | Сошлись на собственные данные и объясни расхождение. |
Самостоятельная практика
A. Проверка диапазона. Начальные температуры равны и . Какое показание смеси невозможно без внешнего источника: , или ?
B. Расчёт. воды охладились от до . Сколько энергии отдала вода?
C. Анализ. В группе получили и . Найди и назови две возможные причины разности.
D. Проектирование. Какое одно изменение протокола сильнее всего уменьшит теплообмен смеси с воздухом: увеличить время переливания, закрыть калориметр крышкой или держать термометр у стенки?
Проверь себя
- Почему конечная температура должна лежать между начальными?
- Зачем измерять температуру тёплой воды непосредственно перед смешиванием?
- Почему нельзя перемешивать термометром?
- Что физически означает ?
- Почему в реальном опыте и не обязаны совпасть точно?
- Какой вывод подтверждает закон сохранения энергии, если значения различаются?
Сначала выполни задания самостоятельно, затем открой ответы.
Ответы
- Без внешнего источника тёплая вода охлаждается, а прохладная нагревается до общей промежуточной температуры.
- Во время ожидания и переливания вода уже обменивается энергией со средой.
- Термометр можно повредить, а касание стенки и дна искажает показание; нужна отдельная палочка.
- Энергию, переданную тёплой водой при её охлаждении.
- В теплообмене участвуют также калориметр, термометр и среда; термометр может получать или отдавать энергию, а измерения имеют конечную точность.
- Расширенный баланс учитывает всех участников, поэтому энергия не исчезает, а двухучастная модель уточняется.
A. Невозможно : это выше обеих начальных температур.
B.
C.
Например, часть энергии получила стенка калориметра и часть ушла в окружающий воздух.
D. Закрыть калориметр крышкой.
Короткий итог
- Реальная лабораторная работа начинается с прогноза и безопасного протокола.
- Объём воды переводят в массу, массу — в килограммы.
- Для тёплой воды вычисляют , для прохладной — .
- Близость значений поддерживает модель теплового баланса.
- Расхождение требует назвать калориметр, термометр, среду и неопределённость измерений.
- Закон сохранения энергии проверяют не совпадением последних цифр, а полным учётом участников процесса.
10 вопросов по теме «Тест: Лабораторная работа № 1 «Сравнение количества теплоты при теплообмене»». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.
Открыть отдельноВопрос 1 из 10
ТренировкаБез отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.
Скачать и открыть
Материалы урока
3 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Фронтальная лабораторная работа: прогноз температуры смеси, безопасный протокол, измерение объёмов и температур, расчёт Qотд и Qпол, анализ расхождения опыта с идеальной моделью.
Презентация · MediaSchool
Фронтальная лабораторная работа по сравнению количества теплоты: оборудование, локальная техника безопасности, групповые роли, рабочий лист, расчёты, анализ расхождения и ключи.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
От сообщества
Материалы сообщества0
Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.
Поделитесь первым материалом
Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!