Учебный проект по физике
«Путешествие по температурной шкале»

(http://festival.1september.ru/articles/504642)

«Тепло и холод – это две руки природы, которыми она делает почти всё».
Френсис Бекон, 1627г.

Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме): Физика – тема «Тепловые явления», интеграция с географией, биологией, историей, астрономией.

Возраст учащихся: 8 класс.

Тип проекта: Ролевой, поисковый.

Цель проекта: Формирование компетентности в сфере самостоятельной познавательной деятельности:

Тема исследования: Термометрия.

Продукты проекта: Восемь презентаций от исследовательских групп, выполненных в программе PowerPoint (работы связаны гиперссылками с общей презентацией, сделанной учителем); коллекция термометров; занимательные демонстрационные опыты.

Учебный класс делится на поисковые группы, каждая из которых получает индивидуальное задание.

Первая группа историков

Творческое название работы: «Прародитель современных термометров».

Проблемный вопрос: Какова история создания первого прибора для измерения температуры – термоскопа?

Задание: Воссоздать термоскоп, продемонстрировать его работу.

Древние учёные о температуре судили по непосредственному ощущению. Лишь в 1592 году Галилео Галилей сконструировал прибор для измерения температуры – термоскоп. Термоскоп – от греческих слов: «термо» – тепло «скопео» – смотрю. Термоскоп состоял из стеклянного шара с припаянной к нему стеклянной трубкой и стакана с водой.

Попробуем и мы создать термоскоп: нагреем стеклянную колбу, перевернём её, опустим в стакан с водой открытым концом. Термоскоп готов. По высоте столбика воды в горлышке колбы можно судить об изменениях температуры: при охлаждении воздуха в колбе столбик воды поднимается вверх, а при нагревании – опускается.

Итак:

Вся дальнейшая история создания термометра есть история совершенствования термоскопа. Воздух заменили подкрашенным спиртом, а позднее ртутью. Откачав из трубки воздух и запаяв открытый конец, исключили влияние атмосферного давления. Но основным усовершенствованием было создание шкалы.

Вторая группа историков

Творческое название работы: «Шкалы разные нужны, шкалы всякие важны».

Проблемный вопрос: Какие существуют шкалы для измерения температуры, и какова история их создания?

Фаренгейт Габриель Даниель (1686-1736), немецкий физик и стеклодув. Работал в Великобритании и Нидерландах. Изготовил спиртовой (1709) и ртутный (1714) термометры. Предложил температурную шкалу, которая носит его имя – шкала Фаренгейта – это температурная шкала, 1 градус которой (1°F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении. За одну из опорных точек своей шкалы (0°F) Фаренгейт принял самую низкую температуру, которую мог получить – температуру смеси воды, льда, нашатыря и соли. Второй точкой он выбрал температуру смеси воды и льда. А расстояние между ними разделил на 32 части. Температура человеческого тела по его шкале соответствовала 96°F, точка кипения воды 212°F. Шкалу Фаренгейта до сих пор применяют в Англии и США.

Реомюр Рене Антуан (1683-1757), французский естествоиспытатель, зоолог, иностранный почётный член Петербургской Академии Наук. В 1730 году предложил температурную шкалу, которая носит его имя – шкала Реомюра – это температурная шкала, один градус которой равен 1/80 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, т. е. 1°R = 5/4°С. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Цельсий Андерс (1701-1744), шведский астроном и физик. Предложил в1742 году температурную шкалу – шкала Цельсия – это температурная шкала, в которой 1 градус равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, но Цельсий принимал за ноль кипение воды, а за 100 градусов – таяние льда.

Известный шведский ботаник Карл Линней пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек. За 0°С он принял температуру плавления льда, а за 100°С температуру кипения воды. Таким образом, современная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.

Группа техников

Творческое название работы: «Современные приборы».

Проблемный вопрос: Существуют ли термометры без жидкости?

Задание: Собрать коллекцию термометров различного назначения.

Жидкостный термометр, прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости. В зависимости от температурной области применения жидкостные термометры заполняют этиловым спиртом (от -80 до +100°С) или ртутью (от -35 до +750°С). Первоначально термометры применялись лишь для метеорологических наблюдений. Позднее их стали употреблять для измерения температуры воздуха в жилых помещениях, в медицине, при химических исследованиях и т.д.

В настоящее время используются термометры, действие которых основано на других физических явлениях. Это позволило увеличить точность измерений и расширить область применения приборов.

Электронный термометр более точен, чем обычный комнатный или уличный. Он с точностью до десятых долей показывает температуру и в помещении, и на улице.

Термометр сопротивления – прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении электрического сопротивления металлов и полупроводников с температурой.

Газовый термометр, прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема газа от температуры. Заполненный гелием, азотом или водородом баллон, соединенный при помощи капилляра с манометром, помещают в среду, температуру которой измеряют.

Группа экспериментаторов

Творческое название работы: «Опыт – критерий истины».

Проблемный вопрос: Какие температуры можно получить в лабораторных условиях?

Задание: Провести опыты с водой в условиях школьной лаборатории, получить самую высокую и самую низкую температуру. Заснять ход опытов на цифровую камеру, оформить результаты в виде презентации. Поставить занимательные демонстрационные опыты.

Исследование кипения воды показало, что 100°С – температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Температура кипения повышалась с ростом внешнего давления, так при атмосферном давлении выше нормального температура кипения чистой воды составила 101°С, а при атмосферном давлении ниже нормального – 96°С. Однако добавление в воду соли увеличило температура кипения до 108°С.

На вопрос – можно ли вскипятить воду кипятком – был получен ответ – нет. Был поставлен и проведён опыт по кипячению воды снегом.

Температура смеси снега и соли составила минус 18°С. Проведён опыт «Примораживание алюминиевого стаканчика к столу».

Группа биологов

Творческое название работы: «Биология в мире температур».

Проблемный вопрос: Каковы особенности медицинского термометра и с чем это связано? Каковы температуры живых существ?

Задание: Взять интервью у школьного доктора:

Это интересно: В 19 веке английские физики Благден и Чентри проводили на себе опыты по определению наибольшей температуры воздуха, которую может выдержать человек. Они проводили целые часы в натопленной печи хлебопекарни. Оказалось, что при постепенном нагревании в сухом воздухе человек способен выдержать не только температуру кипения воды, но и много выше – 160°С.

Температуры тел некоторых животных: Температура тела лошади 38°С, температура тела коровы 38,5°С, температура тела утки 41,5°С.

Температура тела живого организма позволяет судить о его состоянии и во время начать лечение в случае заболевания.

Группа географов

Творческое название работы: «География температур».

Проблемный вопрос: Где находится самое холодное и самое жаркое место на Земле?

Задание: Рассмотреть планету Земля с точки зрения температуры.

Земную кору сменяет мантия. Её толщина около 3000 км, а температура примерно равна 2000-2500°С. Мантия состоит из раскалённых горных пород, которые в отдельных её частях начинают плавиться до полужидкого состояния. Расплавленные горные породы из мантии прорываются на поверхность в виде лавы при извержениях вулканов. На глубине 10 км температура достигает 180°С.

Самый холодный материк – Антарктида, а самый жаркий – Африка, так в Триполи была зарегистрирована температура +58°С. Это на 1,30 выше максимальной температуры Долины Смерти.

Антарктида – самая большая в мире холодная пустыня площадью 14 млн. кв. км. Её покрывают 90% всех льдов суши. Максимальная толщина льда – 4800 м. В ледниках сосредоточено около 70% мировых запасов пресной воды. Этот самый изолированный материк не имеет коренного населения. Никто ещё не жил здесь дольше 18 месяцев. Температура воздуха у земной поверхности -88,3°С наблюдалась в августе 1960 г. на советской антарктической станции «Восток» в 1922 г. Судя по климатическая карте России, в Краснодарском крае температура воздуха летом достигает +43°С, а в Якутии в Оймяконе зимой температура опускается до -77°С.

Группа астрономов

Творческое название работы: «Лёд и пламень космоса».

Проблемный вопрос: Каковы температуры космических объектов?

Космос (греч. kosmos), синоним астрономического определения Вселенной; часто выделяют ближний космос, исследуемый при помощи искусственных спутников Земли, космических аппаратов и межпланетных станций, и дальний космос – мир звёзд и галактик.

Температура на поверхности Луны, в освещенной её части +17°С, а в тени температура –130°С.

Для искусственных спутников и космических кораблей, перегрев которых происходит в основном за счёт излучения, характерна резкая смена температуры обшивки – во время прохождения в тени Земли она опускается до –100°С, а при выходе из тени возрастает до +120°С. Чтобы поддерживать в кабине космонавтов постоянную температуру (от 10°С до 22°С), двойную оболочку корабля заполняют газом – азотом.

На поверхности у Солнца температура достигает 6 тысяч градусов. В недрах Солнца температура согласно расчётам около 15 миллионов градусов. Температура пятен составляет около 3700 градусов.

Как ближайшая к Солнцу планета, Меркурий получает от центрального светила в 10 раз больше энергии, чем Земля. Большая продолжительность дня и ночи приводит к тому, что температуры на «дневной» и на «ночной» сторонах поверхности Меркурия могут изменяться примерно от 320°С до -120°С. Но уже на глубине нескольких десятков сантиметров значительных колебаний температуры нет, что является следствием весьма низкой теплопроводности пород. Температура на поверхности Венеры (на уровне среднего радиуса планеты) – около 500°С, это больше чем на Меркурии, потому что у Венеры плотная атмосфера, которая удерживает тепло. Суровы и температурные условия на Марсе. Вблизи полудня на экваторе температура достигает 10-30°С. К вечеру она падает до -60°С и даже до -100°С. Средняя температура на Марсе -70°С, на Юпитере -130°С, на Сатурне -170°С, на Уране -190°С, на Нептуне -200°С. Температура на Плутоне, до которой свет от Солнца идёт более пяти часов, низка – её среднее значение порядка -230°С.

Температуры большинства звёзд заключены в пределах от 3000 до 30000 градусов. Горячие, голубоватые звёзды имеют температуру около 30000 градусов. У многих звёзд встречаются температуры около 100000 градусов. У холодных – красных звёзд – поверхностные слои нагреты примерно до 2-3 тысячи градусов. Но в центре звёзд температура достигает более десяти миллионов градусов.

Группа Физиков-теоретиков

Творческое название работы: «Стремление к абсолютному».

Проблемные вопросы: Что такое абсолютный нуль температур? Достижим ли он? Что такое криотехнологии? Существует ли верхний предел температуры?

Что мы знаем о температуре теоретически? Температура – мера средней кинетической энергии движения молекул.

Что будет если скорость молекул уменьшать? Температура будет уменьшаться.

Абсолютный нуль температур – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный нуль температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале – шкале Кельвина. Абсолютный нуль расположен на 273,16°С ниже температуры замерзания воды, для которой принято значение 0°С.

Температуры кипения некоторых жидких газов: кислород минус 183°С, азот минус 196°С, водород минус 253°С, гелий минус 269°С.

Физика сверхнизких температур называется криогенной физикой. Основные проблемы, решаемые криогенной физикой: сжижение газов (азота, кислорода, гелия и др.), их хранение и транспортировка в жидком состоянии; конструирование холодильных машин, создающих и поддерживающих температуру ниже 120 К (-153°С); охлаждение до криогенных температур электротехнических устройств, электронных приборов, биологических объектов; разработка аппаратуры и оборудования для проведения научных исследований при криогенных температурах.

Применение криогенных температур в ряде областей науки и техники привело к возникновению целых самостоятельных направлений, например криоэлектроники, криобиологии.

Достижим ли абсолютный нуль? Американские исследователи работали с парами натрия, температура которых была лишь на миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. Достичь же абсолютный нуль температур (-273,16°С), согласно законам физики, невозможно.

Подведение итогов

Проект заканчивается обсуждением следующих вопросов:

На заключительном этапе разработки продуктами деятельности учащихся должны стать доклады и презентации, отвечающие на все представленные вопросы. Итоговая проверка результатов деятельности строится в форме конференции, на которой ученики полностью ответят на все вопросы темы и представят результаты своей работы.


____________________________________________________________________________

Литература, рекомендуемая учащимся для работы:

  1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.:Просвещение,1987.
  2. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. – М.: Просвещение, 1996.
  3. Колтун М. Мир физики. – М.: Детская литература, 1995.
  4. Райт М. Что, как и почему? Удивительный мир техники. – М.: Астель АСТ, 2001.
  5. Сёмке А.И. Занимательные материалы к урокам физики 8 класс. – М.: НЦ ЭНАС, 2006.
  6. Материалы, представленные в разделе «Советуем почитать».

По материалам интернет-страницы http://festival.1september.ru/articles/504642

Сохранить для печати