"Физика за чашкой чая"

(Тема "Тепловые явления")

Этот урок я провожу в VIII классе, и он преследует такую цель: не только воспроизвести сумму полученных ранее знаний, которая предусмотрена программой по физике, но и научить видеть физи­ку в окружающих нас явлениях, прежде всего в тех, с которыми мы сталкиваемся ежедневно и на которые порой в нашей суетной жизни не обращаем внимания. Иными словами, этот нестандарт­ный урок направлен на развитие ученика: его умения разгляды­вать в наборе, казалось бы, случайных фактов физические явле­ния и действие законов физики.

Оборудование: электрический чай­ник или самовар, чашки с блюдцами и чайные ложки для всех, чайник для заварки, кувшин (пустой). Ис­пользуются также печенье и конфе­ты, сахарный песок.

Урок провожу в кабинете, где сто­лы можно переставить. Устанавли­ваю 2 спаренных стола; за каж­дый садится 3-4 человек, это — команда. На столах расставлена посу­да для чая, а в центре — блюдо с пе­ченьем и конфетами. На двери — кра­сочный плакат-приглашение (рис. 1).

На перемене до звонка на урок назначаю дежурного. Он обязан вскипятить воду, заварить чай; во время урока быстро "обслужить" соклассников, наполнив чашки чаем.

Ход урока

В начале урока — мое небольшое вступление: "Ребята! Я знаю, вы с удовольствием каждый день пьете чай, но уверена, что не мно­гие задумывались над сопровождающими этот процесс физически­ми явлениями. Попробуем сделать это вместе. Чаепитие- русская национальная традиция, которая, к сожалению, все больше и больше забывается ,но если мы хотим вернуть духовную культуру наших предков, необходимо в наш быт заново вводить и их национальные традиции.

Далее зачитываю правила:

группа учеников, сидящих за одним столом, называется командой;

на уроке нужно совмещать два дела: пить чай и отвечать на во­просы, задаваемые учителем;

каждый ученик должен стремиться набрать как можно больше баллов, которые даются за правильные ответы на вопросы и допол­нения. За каждый верный ответ — 1 балл; за правильное дополне­ние — тоже 1 балл; за оригинальный ответ — 2 балла;

ученик, набравший к концу урока 6-7 баллов, получает оценку "5"; набравший 3-4 балла — "4", 2 балла — "3";

первоочередное право ответа на вопрос имеют те ученики, к ко­торым обратился учитель или ведущий;

за подсказку, разговор и прочие нарушения хода урока вычитает­ся 1 балл.

Далее проводятся следующие конкурсы:

1.Чаепитие по всем законам физики.

• Перед вами электрический чайник. Как вы думаете, почему, ставя его кипятить, чайник закрывают крышкой?

{Ответ. Если чайник открыт, то часть молекул воды, имеющих большую кинетическую энергию, будет беспрепятственно улетать в пространство над чайником, унося с собой свою энергию; поэтому к чайнику нужно дольше подводить энергию извне, и он долго не за­кипает. Закрытый чайник закипит быстрее.)

• Проведу опыт: крышку горячего чайника охлажу, облив ее холодной водой из кувшина. Затем на три спички аккуратно поло­жу крышку так, чтобы она не прикасалась к чайнику. Через неко­торое время предлагаю вам потрогать крышку. Что вы ощутите? Почему? Чем можно заменить спички, чтобы получить такой же эффект?

{Ответ. Крышка будет теплая. Мы частично устранили один из способов теплопередачи: ведь у деревянных спичек малая тепло­проводность, поэтому тепло от чайника почти не будет передавать­ся крышке способом теплопроводности. Спички можно заменить лю­быми предметами из веществ, имеющих малую теплопроводность: кусочками веток, ватой, картоном, пробкой.)

• Какими будут мои ощущения, если я возьму крышку с горяче­го металлического чайника за пластмассовую ручку? Как вы их объ­ясните?

{Ответ. Пластмасса имеет малую теплопроводность, поэтому ру­ке не будет горячо.)

• Вода в чайнике уже закипела, из носика вырвалась наружу струя пара... Но ведь пар считается невидимым! Что же мы видим в действительности?

{Ответ. Пар невидим. Вырвавшись из носика чайника, он в про­хладном воздухе конденсируется, образуя мельчайшие капельки воды; вот их-то мы и видим.)

• Разливая чай, я случайно капнул из носика чайника на руку ки­пяток. Ощущение было почти такое, как если бы мне укололи руку иголкой. Почему?

{Ответ. Молекулы кипящей воды имеют большую скорость дви­жения, поэтому мгновенно пробивают верхнюю часть кожи и прони­кают в ткани мышц, вызывая ощущение боли.)

• Какую температуру имеет кипящая вода в чайнике? {Ответ. ~ 100°С.)

• Всегда ли кипит вода при 100 °С?

{Ответ. Все зависит от давления над поверхностью воды: чем меньше давление, тем температура кипения меньше. В горах вода кипит при 90°С, а в котельных — при 200°С.)

• Каким простым способом можно повысить температуру кипе­ния воды в чайнике?

{Ответ. Увеличить давление над поверхностью воды. Для этого надо плотно закрыть чайник крышкой, сверху положить груз, в но­сик вставить пробку.)

• В каких кухонных приборах применяется этот способ — увели­чение давления над кипящей жидкостью? Для каких целей?

(Ответ. В скороварках. Увеличение давления вызывает повы­шение температуры кипения. Жидкость прогревается до темпе­ратуры выше 100°С. При этом пища проваривается быстрее и лучше.)

• А что такое кипение?

(Ответ. Кипение — это процесс интенсивного испарения жидко­сти при определенной температуре, сопровождающийся быстрым образованием и ростом пузырьков пара, прорывающихся через по­верхность жидкости наружу и лопающихся там.)

• Обратите внимание на заварочный чайник. В его крышке сдела­на небольшая дырочка. Зачем?

(Ответ. В чайник наливают горячую воду; она испаряется. Если в крышке чайника нет дырочки, то между крышкой и слоем воды скапливается пар и образуется повышенное давление, под влияни­ем которого вода будет выливаться из носика.)

2.Эксперимент за чайным столом

• Я прошу налить мне горячий чай в стакан, но предупреждаю, что он толстостенный. Какая опасность поджидает вас и меня? По­чему?

(Ответ. Стакан может лопнуть; внутренние стенки, соприкасаю­щиеся с горячей жидкостью, сразу же расширятся, в то время как внешние еще не успеют прогреться и сохраняют свои размеры; от этого стекло деформируется и происходит его разрушение.)

• Как надо поступить, наливая кипяток, чтобы толстостенный стакан не лопнул?

(Ответ. Необходимо в стакан опустить металлическую ложечку: она примет часть тепла, температура воды станет меньше, тепловое расширение внутренних стенок будет тоже меньше; деформация не окажется столь сильной.)

[Дежурный наливает из чайника каждому учащемуся кипящий чай.]

• А для чего у чашек сделаны ручки?

(Ответ. Ручка позволяет брать горячую чашку, не обжигая при этом пальцы. Она менее горяча, чем чашка, так как соприкасается с ней всего двумя точками, т.е. слабо связана с источником тепла.)

• Некоторые мужчины пьют чай из стаканов, вставленных в метал­лические подстаканники. Влияет ли подстаканник на качество чая?

(Ответ. Металлический подстаканник охлаждает чай, так как сам быстро нагревается: ведь металл имеет малую удельную тепло­емкость и большую теплопроводность.)

• Чтобы подстаканник быстрее охлаждал чай, из какого матери­ала нужно его изготовить?

(Ответ. Из такого, у которого теплопроводность возможно боль­ше, а удельная теплоемкость возможно меньше; например из сереб­ра, золота.)

• Вы, наверное, наблюдали, как старые люди в деревнях пьют чай: наливают его в блюдце и дуют, держа блюдце на кончиках пальцев. Объясните, почему они так делают.

(Ответ. У чая, налитого в блюдце, большая поверхность сопри­косновения с воздухом, поэтому интенсивно идут теплообмен и ис­парение — чай быстро остывает. Когда дуют на поверхность чая, процесс испарения ускоряется, а это тоже понижает температуру жидкости. Площадь соприкосновения кончиков пальцев и блюдечка очень мала, поэтому рука не так сильно чувствует большую темпе­ратуру блюдца.)

• А сейчас проделаем следующее. Положите в чашку ложку са­харного песка и налейте заварку; затем осторожно влейте кипяток. Не мешайте чай. Теперь попробуйте его. Почему чай не сладкий?

(Ответ. Чтобы весь чай стал сладким, нужно время, в течение которого молекулы жидкости и сахара сами собой перемешаются, т.е. произойдет диффузия. В данном случае это не успело совер­шиться, и мы процессу не помогали помешиванием ложечкой. По­этому в верхней части чашки чай совсем не сладкий.)

3.Ряд интересных и необычных наблюдений

• А теперь... Кто хочет стать экспертом с завязанными глазами? Выразившему желание надеваю на глаза повязку и предлагаю при помощи пальца определить, из какого материала изготовлены лож­ки, одинаковые по массе, которые я одновременно опускаю в чашку с кипятком, и обосновать свое заключение.

(Ответ. Источником информации служит быстрота нагрева­ния ложек: она разная. Та, что нагрелась сильнее, сделана из ма­териала с большой теплопроводностью, например алюминия — 207 Вт/ (м • К) при 100°С. Материал же второй ложки обладает меньшей теплопроводностью; это может быть, например, желе­зо— 67,5 Вт/ (м -К).

• Я делаю из ложки лодочку и даю ей возможность плавать на по­верхности чая, если положу ее ручку на край чашки. Капаю не­сколько капель чая в ложечку — она сразу же тонет. Почему?

(Ответ. Увеличивается сила тяжести ложечки, а объем ее оста­ется прежним; также прежним остается и выталкивающая сила. Ее теперь недостаточно, чтобы удержать более тяжелую ложку на по­верхности чая.)

• Я налью себе в чистый стакан немного кипятка. Пронаблюдай­те, что произойдет. Почему?

(Ответ. Стенки стакана запотели: кипящая вода испарялась, пар ее, соприкасаясь с холодными стенками стакана, конденсировался на них, образуя туман.)

• Одни любят чай горячий, а другие — теплый. Рассудите двух друзей — любителей первого напитка. Один говорит: я обожаю горя­чий чай, поэтому, налив жидкость, не спешу класть в него сахар; ес­ли его положить через 5 мин, то чай будет горячее, чем в том случае, если сахар положить сразу. Второй возражает: ты не прав; если са­хар опустить сразу, объем воды будет больше (она не успеет частич­но испариться), а чем больше воды, тем она медленнее остывает. Кто из них прав?

(Ответ. Прав первый, так как при растворении сахара темпера­тура жидкости понижается, а чем она ниже — меньше отличается от комнатной, тем медленнее идет теплообмен, и чай остывает тоже медленнее.)

• До какой температуры остынет горячий чай, если оставить чашку с ним в комнате до утра?

(Ответ. До температуры воздуха в помещении.)

• Что необходимо сделать, чтобы чай в чашке как можно дольше оставался горячим?

(Ответ. Уменьшить теплопроводность и теплообмен. Для этого можно поставить чашку на подставку, которая плохо проводит теп­ло, например деревянную. Желательно поместить ее в другую чашку, большую, сделав подобие калориметра. Можно завернуть ее в "шубу". Сверху чашку лучше накрыть, например, пластинкой из пе­нопласта.)

• А сейчас — вопрос о печенье. Печенье легко разломить, но не­возможно соединить куски. Почему?

(Ответ. Когда печенье ломаем, то нарушаем молекулярные свя­зи. При соединении не удается сблизить куски на такое расстояние, чтобы начали проявляться силы молекулярного притяжения.)

4 .Нефизический конкурс.

Было бы глупо и неинтересно смотреть на все,в том числе и на чай,самовар ,чаепитие глазами физика.Давайте займемся несколько иным- лирикой,покажем,что для физиков лирика посильна.Командам предлагаеся вспомнить пословицы и поговорки,связанные чаепитием и истолковать их физический смысл.

5.Кто больше пьет?

Сейчас можно подвести результат еще одного конкурса,который мы не объявляли,но за выполнением которого внимательно следила.Этот конкурс назывался «Кто больше пьет?»

Завершая занятие, говорю: "Наш урок-чаепитие подходит к кон­цу. Дома подсчитайте количество теплоты, необходимое для нагре­вания вашего чайника от комнатной температуры до кипения. Не за­будьте предварительно узнать вместимость чайника, его массу, а также из чего он изготовлен; как узнать — решите сами.

Определите стоимость электроэнергии, которую вы затратили на нагревание воды в этом чайнике.

Сегодня на уроке, совмещая приятное с полезным, мы применили свои знания к немного необычным, но в то же время самым обычным ситуациям. Будет очень хорошо, если каждый будет чаще задумы­ваться над окружающими явлениями и постарается объяснить их с точки зрения физики.

А теперь подведем итоги, выставим оценки...".