В статье рассматривается возможность модификации лабораторной работы по проверке выполнения закона сохранения энергии в процессе теплопередачи, даны рекомендации по выполнения работы учащимися 8 класса на уроках физики.
Ключевые слова: тепловые явления, теплопередача, количество теплоты, калориметрия, удельная теплоёмкость.
При изучении курса физики в 8 классе учебным планом предусмотрено выполнение учащимися лабораторных работ, в том числе и по разделу «Тепловые явления». Для экспериментальной проверки выполнения закона сохранения энергии выполняется лабораторная работа по сравнению количества теплоты, отданное горячей водой, и количества теплоты, полученное холодной водой при их смешивании. Алгоритм выполнения лабораторной работы включает в себя следующее:
- В калориметр наливают 100 г горячей воды, а в стакан — столько же холодной воды.
- С помощью термометра измеряют температуры холодной и горячей воды.
- Смешивают в калориметре горячую воду с холодной водой, осторожно помешивают термометром полученную смесь и измерить ее температуру.
- По результатам эксперимента определяют количество теплоты, отданное горячей водой при остывании до температуры смеси, и количество теплоты, полученное холодной водой при ее нагревании до этой температуры.
- Сравнивают количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой и делают вывод о выполнении закона сохранения энергии в процессе теплопередачи.
Данный алгоритм приведен в различных учебно-методических комплектах (УМК) и учебных пособиях [1–9].
Было проведено несколько параллельных опытов по представленному алгоритму. При этом использовался калориметр, предназначенный для проведения школьных опытов по физике, термометр с ценой деления 1С и весы, позволяющие производить взвешивание с точностью до 0,1 г. Результаты проведенных опытов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты определения количеств теплоты, при точности измерении температуры 1 С и массы тел 0,1 г
|
Номер опыта |
Количество теплоты, отданное горячей водой Q 1 , Дж |
Количество теплоты, полученное холодной водой Q 2 , Дж |
Количество теплоты, отданное металлическим стаканом калориметра Q 3 , Дж |
|
1 |
12348 |
12818 |
850 |
|
2 |
14288 |
14708 |
820 |
|
3 |
13167 |
13801 |
835 |
|
4 |
13113 |
14060 |
896 |
|
5 |
12466 |
13150 |
850 |
Сравнивая количества теплоты Q 1 и Q 2 (см. табл. 1), можно прийти к парадоксальному выводу о нарушении закона сохранения энергии, так как холодная вода получает количества теплоты больше, чем отдаёт ей горячая вода. Поэтому в рамках данной работы были рассмотрены следующие возможные причины получения данных результатов:
1) Невысокая точность определения массы тел и температуры;
2) Наличие систематической погрешности при выполнении лабораторной работы.
Используя методы обработки результатов эксперимента, изложенные в работе [10], при имеющемся уровне точности измерения температуры и массы тел относительные недостоверности определения температуры и массы тел соответственно составляют (приближённо) 0,02 и 0,01, что при вычислении количества теплоты даёт отклонение порядка 360 Дж. Однако расхождение между теплотами Q 1 и Q 2 превышает указанную величину.
С целью повышения точности измерений, проводимых в ходе выполнения лабораторной работы, были использованы технические весы, обеспечивающие точность взвешивания 0,01 г и температурный датчик из комплекта цифровой лаборатории «Архимед», обеспечивающий точность измерения температуры тел 0,1 С. Использование указанного оборудование должно способствовать снижению отклонения при определение теплот до значения 30 Дж. Результаты проведённых опытов с использованием измерительных приборов повышенной точности приведены в таблице 2. В ходе проведённых опытов было выявлено, что масса калориметра с горячей водой (температура воды около 85 С) не остаётся постоянной во времени из-за её испарения, поэтому в части проведенных опытах (см. табл. 2 опыты 1–5) масса горячей воды определялась до измерения температуры, а в другой части — после измерения температуры (см. табл. 2 опыты 6–10).
Таблица 2
Результаты определения количеств теплоты, при точности измерении температуры 0,1 С и массы тел 0,01 г
|
Номер опыта |
Количество теплоты, отданное горячей водой Q 1 , Дж |
Количество теплоты, полученное холодной водой Q 2 , Дж |
Количество теплоты, отданное металлическим стаканом калориметра Q 3 , Дж |
|
1 |
13201 |
13246 |
908 |
|
2 |
13406 |
13414 |
920 |
|
3 |
14188 |
14055 |
872 |
|
4 |
12163 |
12028 |
847 |
|
5 |
11455 |
11542 |
802 |
|
6 |
14276 |
13611 |
938 |
|
7 |
13065 |
12542 |
896 |
|
8 |
12468 |
12316 |
853 |
|
9 |
13586 |
12922 |
941 |
|
10 |
13301 |
12843 |
926 |
Используя весы специального класса точности (точность определения массы 0,001 г) было установлено, что скорость испарения с поверхности границы раздела фаз в калориметре составляет величину 13 мг/с при температуре воды 85 С и 3 мг/с при температуре воды 60 С. Таким образом можно сделать вывод, что для снижения потерь массы горячей воды в ходе проведения лабораторной работы лучше использовать горячую воду с температурой около 60 С.
Анализ результатов, приведенных в таблице 2, показывает, что в ряде случаев имеет место превышение количества теплоты Q 2 , полученное холодной водой, над количеством теплоты Q 1 , отданное горячей водой. Учитывая, что в процессе теплообмена также участвуют внутренний металлический стакан калориметра и термометр, то уравнение теплового баланса должно быть записано следующим образом:
Q 1 + Q 3 + Q 4 = Q 2 + Q пот ,
где Q 3 — количество теплоты, отданное металлическим стаканом калориметра; Q 4 — количество теплоты, отданное термометром; Q пот — количество теплоты, переданное окружающей среде.
Из представленных в уравнении теплового баланса величин в ходе лабораторной работы может быть определена величина Q 3 , для чего необходимо знать массу и удельную теплоёмкость материал внутреннего металлического стакана. В конструкции используемого в данной работе калориметра использовался металлический стакан, изготовленный из алюминия. Величину Q 4 оценить без проведения дополнительных испытаний не представляется возможным, так как отсутствуют данные о марке стекла и составе термометрической жидкости, не содержащей ртути. Поэтому величиной Q 4 было принято решение пренебречь. Таким образом, при выполнении лабораторной работы целесообразно будет сравнивать величину Q 1 + Q 3 с величиной Q 2 , а их разность будет соответствовать количеству теплоты, переданной окружающей среде при выполнении опыта. Анализируя данные, приведённые в таблицах 1 и 2, можно сделать вывод, что выбранный подход к выполнению лабораторной работы является методически более правильным, и у учащихся не будет создаваться ложное впечатление о нарушении закона сохранении энергии.
Учитывая вышеизложенное был разработан следующий алгоритм проведения лабораторной работы:
- Определить массу внутреннего калориметрического стакана.
- В химический стакан налить около 100 г холодной воды (комнатной температурой), массу воды определить взвешиванием. Определить температуру холодной воды с помощью термометра.
- В калориметр налить около 100 г горячей воды (температурой около 60 С), массу воды определить взвешиванием. Определить температуру горячей воды с помощью термометра.
- Не вынимая термометра из калориметра, смешать в калориметре горячую воду с холодной водой, осторожно перемешать термометром полученную смесь и измерить ее температуру.
- По результатам эксперимента определить количество теплот Q 1 и Q 3 , отданные горячей водой и металлическим стаканом калориметра при остывании их до температуры смеси, и количество теплоты Q 2 , полученное холодной водой при ее нагревании до этой температуры.
- Используя величины Q 1 , Q 2 и Q 3 определить, какое количество теплоты было передано окружающей среде в процессе теплопередачи.
Используя представленный алгоритм, были проведены несколько определений количества теплот Q 1 , Q 2 и Q 3 с использованием стандартного лабораторного оборудования, результаты измерение представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты определения количеств теплоты, при использовании нового алгоритма проведения лабораторной работы
|
Номер опыта |
Количество теплоты, отданное горячей водой Q 1 , Дж |
Количество теплоты, полученное холодной водой Q 2 , Дж |
Количество теплоты, отданное металлическим стаканом калориметра Q 3 , Дж |
Количество теплоты, переданное окружающей среде Q пот, Дж |
|
1 |
6151 |
6426 |
440 |
165 |
|
2 |
5724 |
5998 |
440 |
167 |
|
3 |
6384 |
6615 |
486 |
255 |
Таким образом, новый алгоритм проведения лабораторной работы по сравнению количества теплоты, отданное горячей водой, и количества теплоты, полученное холодной водой при их смешивании позволяет получать результаты, объяснимые с точки зрения закона сохранения энергии.
Литература:
- Знаменский П. А. Лабораторные занятия по физике в средней школе. Часть вторая. Работы по молекулярной физике и теплоте, по электричеству и оптике. — Л.: Учпедгиз, 1955.
- Перышкин А. В., Родина Н. А. Физика: учебник для седьмого класса. — М.: Просвещение, 1968.
- Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 6–7 классов средней школы / под ред. И. К. Кикоина. — М.: Просвещение, 1979.
- Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 6–7 классов. — М.: Просвещение, 1986.
- Перышкин А. В., Роднина Н. А. Физика: учебник для 8 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1989.
- Физика. Тетрадь-практикум. 8 класс: пособие для учащихся общеобразоват. учреждений / под ред. Ю. А. Панебратцева. — М.: Просвещение, 2010.
- Перышкин А. В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2019.
- Перышкин А. В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Экзамен, 2022.
- Перышкин И. М., Иванов А. И. Физика. 8 класс. Учебник. Базовый уровень. — М.: Просвещение, 2023.
- Основы аналитической химии. Задачи и вопросы: учеб. Пособие для вузов / под ред. Ю. А. Зотова. — М.: Высш. шк., 2002.
