Теплопроводность. Изучение явлений переноса теплоты лучше начинать не с рассказа о них и объяснения учителя, а с наблюдений опытов и постановки перед учащимися проблемы: чем объясняются результаты этих опытов? Нужно при каждом удобном случае предоставлять учащимся возможность находить объяснения физических явлений самостоятельно, а не получать на все вопросы готовые ответы. Задача учителя при этом заключается в постановке проблемы, по возможности незаметной помощи в процессе поиска решения проблемы и заключительном подведении итогов обсуждения с введением определений понятий и четкой формулировкой основных выводов. Различие способности разных материалов передавать теплоту можно наблюдать в опыте с нагреванием стержней из меди, алюминия и стали, к которым прикреплены пластилиновыми шариками гвозди или палочки. При одинаковом нагревании стержней с одного конца повышение температуры вдоль стержней происходит с разной скоростью. Это видно по неодновременному отпаданию пластилиновых шариков от разных стержней. Когда учащиеся объяснят отпадание шариков пластилина от стержней их нагреванием, задается вопрос о механизме теплопередачи. Ожидаемый правильный ответ — в этом опыте теплопередача происходит в результате непосредственного взаимодействия атомов или молекул твердого тела при их беспорядочном тепловом движении. Далее можно подготовить основание для различения явлений теплопроводности и конвекции следующим вопросом: а не перемещаются ли в этом процессе быстрые атомы тела от мест с высокой температурой в места с низкой температурой? Когда это предположение будет отвергнуто, можно определить явление теплопроводности как процесс переноса теплоты от горячего тела к холодному или внутри одного тела от частей тела с высокой температурой к частям тела с низкой температурой без перемещения вещества. Конвекция. Явление конвекции желательно продемонстрировать и в газах, и в жидкостях. Конвекцию в газах можно продемонстрировать с помощью самодельной бумажной спирали на нити. Учитель может пояснить способ изготовления бумажной спирали и ее применения для обнаружения конвекционных потоков. Это облегчит выполнение экспериментального задания 32.2. Прибор для демонстрации явления конвекции в жидкости состоит из замкнутой стеклянной трубки в форме квадрата с открытым вертикальным участком трубки. Прибор заполняется водой и закрепляется в штативе. Затем в вертикальную трубку бросают несколько кристалликов марганцовки. Марганцовка растворяется, и постепенно вследствие диффузии происходит распространение окраски. После установки пламени спиртовки под прибором наблюдается быстрое распространение окраски по всему квадрату. Можно заметить, как в месте нагревания более теплая и потому менее плотная вода поднимается вверх, а на ее место поступает более плотная холодная вода из нижней горизонтальной трубки. Перемещение нагретого вещества конвекцией быстро переносит тепло от нагревателя на большие расстояния. После объяснения наблюдаемых явлений самопроизвольного перемещения жидкостей и газов при существовании разности температур в веществе нужно обратить внимание учащихся на важные результаты такого перемещения — быстрый перенос теплоты на большие расстояния от нагревателя и быстрое выравнивание температур внутри сосуда с жидкостью или внутри закрытого помещения, заполненного газом. После этого можно повторить вопрос, который был задан при рассмотрении явления теплопроводности: а не перемещаются ли в процессе конвекции быстрые атомы жидкости или газа от мест с высокой температурой в места с низкой температурой? Теперь мы на этот же вопрос должны получить положительный ответ. Так выясняется главное отличие явления конвекции от явления теплопроводности — конвекция есть процесс переноса теплоты перемещением нагретого вещества. Теплопередача излучением. Ознакомление со способностью тел изменять свою внутреннюю энергию без совершения работы и без непосредственного контакта с другими телами можно осуществить в опытах с теплоприемником. Прибор, называемый теплоприемником, — это небольшая цилиндрическая коробка с тонкими металлическими стенками и пластмассовой ручкой. Одна сторона коробки окрашена черной краской, другая — белой. Коробка соединяется резиновой трубкой с манометром. При приближении теплоприемника с черной стороной к горячему телу манометр показывает повышение давления воздуха в коробке (рис. 72). Это значит, что стенка теплоприемника поглощает излучение, нагревается и нагревает находящийся в коробке воздух. В результате нагревания давление воздуха повышается. При повороте теплоприемника белой стороной к тому же горячему телу изменение давления оказывается очень малым (рис. 73). Следовательно, черная поверхность поглощает излучение значительно лучше, чем белая.
Рис. 72 Рис. 73
Обнаружив повышение давления воздуха в коробке теплоприемника вблизи горячего тела, можно предложить учащимся самостоятельно объяснить наблюдаемое явление. Если будет высказано предположение о передаче тепла от горячего тела коробке теплоприемника теплопроводностью, то надо дать возможность другим учащимся опровергнуть эту гипотезу. Лучший путь опровержения этой гипотезы — экспериментальный. Поставим между горячим телом и теплоприемником металлическую пластину. Эта пластина обладает лучшей теплопроводностью, чем воздух, а передача тепла после ее внесения прекращается. Следовательно, она осуществлялась не теплопроводностью. Предположение о переносе тепла конвекцией можно также опровергнуть опытом. Для этого помещаем большую пластину, расположенную горизонтально под теплоприемником и препятствующую конвективному движению воздуха. Опыт показывает, что такая пластина не влияет на передачу энергии от горячего тела теплоприемнику. Результаты выполненных экспериментов дают основания для вывода о том, что, кроме теплопроводности и конвекции, энергия от одного тела другому может передаваться без участия частиц вещества. Энергия может излучаться и переноситься электромагнитными волнами. Электромагнитными волнами являются такие излучения, как свет, радиоволны, рентгеновские лучи. Способность тела излучать и поглощать электромагнитные излучения зависит от свойств поверхности тела. Экспериментальное задание 32.2 по изучению процессов теплопередачи не требует специального оборудования и может быть предложено в качестве домашнего задания. Процессы теплопередачи в природе и в повседневной жизни. На втором развороте этого параграфа учебника даны примеры конвекции в природе и в повседневной жизни. Учитель может выбрать для обсуждения те, которые ему кажутся наиболее интересными и доступными для учащихся. При желании и возможности эти и другие примеры могут быть рассмотрены на отдельном уроке при предварительном распределении между учащимися тем коротких сообщений. Темы для выступлений учащихся могут быть такими: Теплопроводность в повседневной жизни. Конвекция в атмосфере Земли. Конвекция в недрах Земли и движение материков. Конвекция воздуха в квартире. Конвекция воздуха в холодильнике. Теплопередача излучением.
