Температура. Винахід термометра
Розділи: Фізика
Цілі:
- Освітні:
- сформувати поняття про температуру;
- актуалізувати знання учнів про вимірювання температури, одиниці виміру температури;
- охарактеризувати термометр, принцип дії та відмінні риси;
- виявити рівень підготовки учнів щодо визначення ціни розподілу термометра та розрахунку результату з урахуванням приладової абсолютної похибки;
- допомогти учням визначитися із планом проведення подальшої роботи.
Завдання: відтворити термоскоп, продемонструвати його роботу
План уроку:
1. Організаційний момент. Повідомлення теми та мети уроку. 2. Міні-опитування. 3. Історія винаходу термометрів 4. Про шкалу вимірювання температури 5. Створити термоскоп. 6. Робота з приладів. 7. Домашнє завдання.
1. тема уроку: «Температура. Винахід термометра»
Мета уроку: сформувати поняття про температуру; охарактеризувати термометр, принцип дії та відмінні риси.
2. Міні-опитування
- Як визначити середнє значення фізичної величини експерименту?
- Що таке температура? Що ми знаємо про температуру теоретично?
- Які необхідні прилади для вимірювання температури?
Проблемне питання: Яка історія створення термоскопа? Які температури можнаотримати у лабораторних умовах?
Теоретично теплових явищ температура – основна величина. Одиниці величин почали з'являтися з того моменту, коли у людини виникла потреба висловлювати щось кількісно. До винаходу такого повсякденного та простого для нашого повсякденного життя вимірювального приладу як термометр про тепловий стан люди могли судити лише за своїми безпосередніми відчуттями: тепло чи прохолодно, гаряче чи холодно.
Досвід 1: На столі знаходиться три посудини з водою: одна з гарячою водою, друга - з холодною і третя - з теплою. Помістіть ліву руку в посудину з гарячою водою, а праву в посудину з холодною. Через деякий час помістіть обидві руки в посудину з теплою водою. Опишіть свої почуття.
Температура, що колись оцінювалася суто топологічно за шкалою порядку (холодне – тепле – гаряче), можна пов'язати з різним ступенем нагрітості тіл.
 |
Мал. 1
 |
Мал. 2
Історія термодинаміки почалася, як у 1592 року Галілео Галілей (рис.1) створив перший прилад спостережень за змінами температури, назвавши його термоскопом.
У термоскопа Галілея не було шкали, він був невеликою скляною кулькою з припаяною скляною трубкою (рис.2). Кульку нагрівали, а кінець трубки опускали у воду. Коли кулька охолоджувалась, тиск у ньому зменшувався, і вода у трубці під дією атмосферного тиску піднімалася на певну висоту вгору. При потеплінні рівень води трубки опускався вниз. Недоліком приладу було те, що по ньому можна було судити лише відносного ступеня нагрівання або охолодження тіла.
Пізніше флорентійські вчені вдосконалили термоскоп Галілея, додавши до нього шкалунамистин і відкачав з кульки повітря (рис.3). У 17 столітті флорентійським ученим Торрічеллі повітряний термоскоп було перетворено на спиртовий. Прилад було перевернуто кулькою вниз, посудину з водою видалили, а трубку налили спирт (рис. 4). Дія приладу ґрунтувалася на розширенні спирту при нагріванні, тепер показання не залежали від атмосферного тиску. Це був один із перших рідинних термометрів.
Мал. 3
Мал. 4
На той момент показання приладів ще не узгоджувалися один з одним, оскільки жодної конкретної системи при градуюванні шкал не враховувалося. Щоб ввести шкалу, необхідно встановити постійні точки фіксованої температури.
Однак вимірювання температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру умовних одиницях – градусах. З того, що температура – це середня кінетична енергія молекул, ясно, що найбільше природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Замість Т ввести величину Q, щоб Q = 3/2 • k • T (де постійна Больцмана k пов'язує величину температури, що виражається в енергетичних одиницях, з температурою, вираженою в градусах).
4. Про шкалу вимірювання температури
Проблемне питання: Які існують шкали для вимірювання температури, і яка історія їх створення?
Мал. 5
В 1694 Карло Ренальдіні (рис. 5) запропонував прийняти в якості двох крайніх фіксованих точок термометра температуру танення льоду і температуру кипіння води. Запропонував поділ шкали термометра на 12 рівних частин та інший поділ, заснований на визначенні температури суміші води, близької до замерзання, з киплячою водою в різних відношеннях.
У 1714 Д. Г. Фаренгейт (рис.6) виготовив ртутний термометр. На шкалі Фаренгейта точка танення льоду дорівнює +32°F, а точка кипіння води +212°F (при нормальному атмосферному тиску). При цьому один градус Фаренгейта дорівнює 1/180 різниці цих температур. Нуль на цій шкалі визначається за температурою замерзання суміші води, льоду та нашатирю, а за 100 °F прийнято нормальну температуру людського тіла (проте Фаренгейт помилився в останньому вимірі: нормальна температура людського тіла становить 97,9 °F). За однією з версій за 100 градусів температурної шкали Фаренгейт прийняв температуру тіла своєї дружини, яка в момент вимірювання температури була хвора на лихоманку - саме цим і обумовлено зміщення стоградусної точки на 2,1 ° F, а не похибкою самого вимірювання.
Термометром Фаренгейта користувалися в англомовних країнах до 70-х років 20 століття, а США користуються і досі. Нуль градусів Цельсія – це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 9/5 градусів Цельсія.
Ще одну шкалу було запропоновано французьким ученим Р.А.Реомюром (рис.7) 1730 року. Він робив досліди зі спиртовим термометром і дійшов висновку, що шкала може бути побудована відповідно до теплового розширення спирту. Прийнявши за 0° температуру танення льоду, а за 80° температуру кипіння води за нормального атмосферного тиску. Одиниця – градус Реомюра (°R), 1°R дорівнює 1/80 частини температурного інтервалу між опорними точками – температурою танення льоду (0°R) та кипіння води (80°R): 1°R = 1,25 °C.
М. В. Ломоносовим (рис.9) було запропоновано рідинний термометр, що має шкалу зі 150 поділами від точки плавлення льоду до точки кипіння води.
До кінця 18 століттякількість різних температурних шкал значно побільшало. За даними "Пілометрії" Ламберта на той момент їх налічувалося 19.
Температурні шкали, про які йшлося вище, відрізняє те, що точку відліку для них було обрано довільно. У 1848 році англійським вченим лордом Кельвіном (рис.10) була запропонована абсолютна термодинамічна шкала. Одночасно Кельвін обґрунтував поняття абсолютного нуля, позначивши їм температуру, за якої припиняється тепловий рух молекул. За Цельсієм це – 273,15 °З, тобто. один кельвін (позначення K) дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води. Початок шкали (0 К) збігається з абсолютним нулем. Перерахунок у градуси Цельсія: ° С = K - 273,15
Абсолютний нуль температур – температура, за якої припиняється тепловий рух молекул. Абсолютний нуль температури, початок відліку температури за термодинамічною температурною шкалою – шкалою Кельвіна. Термометр (грецьк. терме – тепло, метрео – вимірюваю) – прилад для вимірювання температури: повітря, води, ґрунту, тіла людини та інших фізичних тіл. Термометри застосовуються в метеорології, гідрології, медицині та інших науках та галузях господарства. На сьогоднішній день використовуються термометри зі шкалою Цельсія, Фаренгейта (у США), а також зі шкалою Кельвіна у наукових дослідженнях.
| Перерахунок температури між основними шкалами | |||
| в\з | Кельвін | Цельсій | Фаренгейт |
| Кельвін (K) | = K | = З + 273 | = (F + 459) / 1,8 |
| Цельсій (°C) | = K? 273 | = C | = (F? 32) / 1,8 |
| Фаренгейт (°F) | = K · 1,8? 459 | = C · 1,8 + 32 | = F |
В даний частемпературу вимірюють за допомогою приладів, дія яких ґрунтується на різних термометричних властивостях рідин, газів та твердих тіл.
Досвід 2: Нагріємо скляну колбу, перевернемо її, опустимо у склянку з водою відкритим кінцем. Термоскоп готовий. По висоті стовпчика води в шийці колби можна судити про зміни температури: при охолодженні повітря в колбі стовпчик води піднімається нагору, а при нагріванні – опускається. За допомогою термоскопа можна побачити зміну температури, але її не можна виміряти. Показання залежить від атмосферного тиску. Прилад не має шкали
Проблемне питання: Як удосконалити термоскоп? (Повітря замінити підфарбованим спиртом або ртуттю; відкачати з трубки повітря і запаяти відкритий кінець, тобто виключити вплив атмосферного тиску; створити шкалу.)
6. Робота з приладів:
«Вимірювання температури тіла»
- Визначте ціну поділу термометра;
- Розрахуйте абсолютну приладову похибку термометра;
- Приведіть тіло до теплового контакту з термометром;
- Термометр повинен мати масу значно меншу за масу тіла;
- Відрахуйте показання термометра після теплової рівноваги;
- Визначте показ термометра з урахуванням похибки.
Проблемне питання: Що відбувається з точки зору молекулярно - кінетичної теорії? (Температура характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи; різниця температур вказує на напрямок теплообміну між тілами; при хаотичних ударах молекул середня кінетична енергія молекул вирівнюється і при тепловій рівновазі стає однаковою.)
7. Домашнє завдання: § 66,67, завдання на стор.5-6
Проблемнийпитання: Чи існують термометри без рідини?
Учитель: На це питання ви повинні дати відповідь на наступний урок.
Презентація на цю тему виконана у програмі Power Point.