Энергия топлива. Физический эксперимент
ОПБП перед работой. Исследование передачи энергии топлива: расход парафина, расчёт Qтопл и Qводы, модельная доля нагрева воды, безопасный анализ путей энергии и улучшение установки.
Конспект урока
Топливо выделяет энергию, но не вся она попадает в выбранное нами тело. В этом уроке мы сопоставим энергию сгоревшего парафина с увеличением внутренней энергии воды, найдём модельную долю передачи и выясним, какие пути энергии не попали в первый расчёт.
Иллюстрация показывает исходные измерения. Числовые значения берём из учебного набора данных ниже.
Исследовательский вопрос
До опыта масса свечи равна , температура воды — . После опыта масса свечи равна , а температура воды — .
Ответь качественно, пока не вычисляя: вся ли энергия сгоревшего топлива увеличила внутреннюю энергию воды? Назови хотя бы два других возможных получателя энергии.
Наша цель — найти:
- массу сгоревшего топлива ;
- энергию, выделившуюся при сгорании, ;
- энергию, полученную водой, ;
- модельную долю ;
- физическое объяснение оставшейся части.
Что известно
| Величина | Показание | Значение в СИ |
|---|---|---|
| Масса свечи до | ||
| Масса свечи после | ||
| Масса воды | ||
| Температура воды до | ||
| Температура воды после | ||
| Удельная теплота сгорания парафина |
Для воды используем
Два энергетических счёта
Энергия, выделившаяся при полном сгорании массы топлива :
Здесь — удельная теплота сгорания. Она показывает, сколько энергии выделяется при полном сгорании топлива. Это не температура и не мощность.
Увеличение внутренней энергии воды:
где
Перед подстановкой обе массы должны быть в килограммах.
Безопасный режим урока
Основной универсальный сценарий — работа по готовому набору данных. Он не требует огня, горячей воды или нагретых сосудов и полностью сохраняет расчётную и исследовательскую цель.
Открытое пламя допустимо только в демонстрации учителя, если это разрешено локальными правилами и есть защитный экран, огнестойкий поддон, очки, проветривание и гаситель.
Ученики не зажигают свечу, не гасят её, не подходят к установке и не работают с горячим сосудом. Если отсутствует хотя бы одно условие безопасности, класс использует только модельные данные.
Честное сравнение
Если проверяют улучшение установки, меняют только одну деталь. Остальные условия сохраняют: массу воды, тип и расход топлива, расстояние от пламени до сосуда, начальную температуру и способ считывания.
Слева установка открыта, справа добавлены крышка, экран и негорючая изоляция. Для настоящего честного теста эти улучшения проверяют по одному, а не все сразу.
Шаг 1. Расход топлива
Сначала выполни самостоятельно:
Подставь и . Запиши результат сначала в граммах, затем в килограммах. Не открывай следующий расчёт, пока не получишь собственный ответ.
После проверки:
Шаг 2. Энергия топлива
Подставим расход топлива в формулу:
Проверка порядка величины: очень большое значение умножается на очень малую массу, поэтому результат имеет порядок десятков тысяч джоулей, а не миллионов.
Шаг 3. Энергия воды
Сначала найди изменение температуры:
Теперь вычисли:
Обрати внимание: в этой формуле используется масса воды, а не масса свечи.
Шаг 4. Какая доля дошла до воды
Назовём модельной долей отношение энергии, полученной водой, к энергии сгоревшего топлива:
Подстановка даёт
Это не табличное свойство парафина и не универсальная характеристика любой установки. Это оценка для данных и условий нашей модели.
Куда направилась остальная энергия
Ширины ветвей на иллюстрации объясняют идею распределения, но не являются измеренной диаграммой.
Около увеличили внутреннюю энергию воды. Значит, примерно оценки не учтены нагревом воды. Эта разность не является измеренной долей одного получателя. Возможные причины:
- металлический сосуд, штатив и поддон;
- окружающий воздух;
- предметы вокруг через тепловое излучение;
- продукты сгорания;
- кроме того, на результат влияют неполное сгорание и неопределённость измерений.
Поэтому для реальной открытой установки нельзя безоговорочно писать . Вода — только один получатель энергии, а опирается на допущение о полном сгорании. Значение следует считать приблизительной модельной оценкой: цена деления весов заметна по сравнению с расходом .
Как улучшить установку
Бытовое применение той же идеи: крышка и изоляция уменьшают некоторые пути нежелательной передачи энергии.
| Изменение | Какой путь уменьшается |
|---|---|
| Крышка | Обмен с воздухом и испарение |
| Боковой экран | Унос нагретого воздуха |
| Негорючая теплоизоляция | Нагрев окружающих предметов |
Улучшение не создаёт энергию. Оно уменьшает конкретный нежелательный путь. Для проверки меняют только одно условие и сохраняют остальные.
Частые ошибки
| Ошибка | Исправление |
|---|---|
| В формулу подставляют | . |
| Умножают на массу свечи до опыта | Нужен расход . |
| В используют массу топлива | Нужна масса воды . |
| Пишут, что энергия исчезла | Назови сосуд, воздух, излучение и продукты. |
| Считают свойством парафина | Это модельная доля для данных и установки. |
| Яркость пламени принимают за значение | берут из таблицы; яркость его не измеряет. |
Самостоятельная практика
A. Перевод единиц. Масса топлива уменьшилась на . Запиши расход в килограммах.
B. Энергия топлива. Для топлива с расход составил . Найди .
C. Энергия воды. воды нагрелись от до . Найди .
D. Доля. В опыте , а . Какова модельная доля?
E. Проектирование. Выбери одно улучшение установки, назови уменьшаемый путь энергии и три величины, которые надо сохранить для честного сравнения.
Проверь себя
- Чем отличается от ?
- Почему для топлива нужна разность масс, а не начальная масса свечи?
- Почему в реальной установке больше ?
- Что именно означают найденные ?
- Почему нельзя одновременно добавить крышку, экран и изоляцию, если нужно проверить влияние только крышки?
- Какой безопасный режим используется, если локальные правила не разрешают открытый огонь?
- Почему найденные нельзя считать точным значением, если цена деления весов равна ?
Сначала реши задания и ответь на вопросы самостоятельно. Затем открой ответы.
Ответы
- — энергия на единицу массы топлива, единица ; — количество переданной или выделившейся энергии, единица .
- Энергию выделила только сгоревшая часть, поэтому .
- Вода — не единственный получатель: нагреваются сосуд, установка и воздух, энергия передаётся излучением и уносится продуктами.
- Примерно такая доля энергии топлива увеличила внутреннюю энергию воды в данных условиях модели.
- Иначе изменятся сразу несколько факторов и нельзя будет связать результат с одной причиной.
- Работа по готовому набору данных без огня и горячих предметов.
- Расход получен как разность двух показаний, каждое считывают с конечной точностью; кроме того, расчёт предполагает полное сгорание и не измеряет все пути энергии. Поэтому результат округляют и называют модельной оценкой.
A.
B.
C.
D.
E. Например, добавить крышку, чтобы уменьшить обмен с воздухом и испарение; сохранить массу воды, расход или тип топлива и расстояние до сосуда. Дополнительно сохраняют начальную температуру и способ измерения.
Короткий итог
- Расход топлива находят как и переводят в килограммы.
- Энергия топлива равна .
- Энергия воды равна .
- В модельном наборе вода получила из , то есть около .
- Около оценки энергии топлива не учтены нагревом воды; разность включает передачу установке и среде, а также отклонения от допущений модели и погрешности.
- Улучшение связывают с конкретным путём энергии и проверяют, изменяя только одно условие.
10 вопросов по теме «Тест: Энергия топлива. Физический эксперимент». 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
4 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Исследовательский практикум: расход топлива, два энергетических расчёта, модельная доля нагрева воды, безопасные режимы, пути передачи энергии и честно проверяемое улучшение установки.
Презентация · MediaSchool
Энергия топлива: основной безопасный сценарий по данным, опциональная демонстрация учителя, два энергетических расчёта, модель путей, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
Дополнительные материалы
1 материал· для учеников
Создать комплект с ответами и пошаговыми решениями
Другое
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!