ΦΥΣΙΚΗ Β΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Α. Η εξίσωση της θερμιδομετρίας (Ε.Α.3)
Β. Μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα (Ε.Α.6)
Γ. Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία (Ε.Α.7)

Επισημάνσεις

1. Τα πειράματα της θερμότητας με τα μέσα που διαθέτουν τα σχολεία ( λύχνος υγραερίου ως πηγή θέρμανσης, τρίποδο, πλέγμα και γυάλινα σκεύη) κρύβουν σημαντικούς κινδύνους και δεν ενδείκνυται η χρήση τους από τους μαθητές, αλλά ΜΟΝΟ από τον καθηγητή ως πειραμάτων επίδειξης.

2. Η διαδικασία των μετρήσεων είναι χρονοβόρα και μονότονη.

3. Η επεξεργασία των μετρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων από τους μαθητές αποτελεί το σημαντικότερο τμήμα της εργαστηριακής άσκησης και σ’ αυτό πρέπει να εστιαστεί η προσπάθεια.

ΠΡΟΤΑΣΗ

Ορισμένα πειράματα εντάσσονται στην παρουσίαση του μαθήματος και εξελίσσονται παράλληλα με αυτό.
Ο καθηγητής έχει ετοιμάσει το πείραμα και αναθέτει σε δύο μαθητές τη λήψη των μετρήσεων και την καταγραφή τους στον πίνακα ενώ οι υπόλοιποι μαθητές καταγράφουν σε δικό τους πίνακα ( φωτοαντίγραφο από το φύλλο εργασίας του εργαστηριακού οδηγού , ή άλλο πίνακα) το σύνολο των μετρήσεων στο τέλος του πειράματος και προχωρούν στην κατασκευή της σχετικής γραφικής παράστασης.

Α. Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑΣ

ΣΤΟΧΟΣ: Απόδειξη του νόμου της θερμιδομετρίας

Κατά την παρουσίαση της ενότητας 2.3 του βιβλίου « Πώς μετράμε τη θερμότητα;» μπορούμε να εκτελέσουμε το 10 πείραμα της Ε.Α.3 για να βρούμε τη σχέση της προσφερόμενης θερμότητας (Q) με τη μεταβολή της θερμοκρασίας (ΔΘ) Αν υπάρχει χρόνος εκτελούμε και το 20 πείραμα για τη σχέση Qam.

1ο ΠΕΙΡΑΜΑ

ΟΡΓΑΝΑ: Ορθοστάτης 60cm με λαβίδα – θερμόμετρο- ποτήρι βρασμού 200~ 400ml-λύχνος υγραερίου- τρίποδο θέρμανσης- πλέγμα- γυάλινο σωληνάκι για ανάδευση- χρονόμετρο ή ρολόι

ΥΛΙΚΑ: νερό

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

a. Βάζω στο ποτήρι ~200ml ( δηλαδή 200gr) νερό και το τοποθετώ πάνω στο πλέγμα. Στηρίζω στη λαβίδα το θερμόμετρο και ρυθμίζω το ύψος του στον ορθοστάτη ώστε το θερμομετρικό του στοιχείο να βρίσκεται περίπου στο μέσο της ποσότητας του νερού στο ποτήρι.

b. Ανάβω το λύχνο, με ήπια φλόγα, και όταν υπάρχει αισθητή αύξηση της θερμοκρασίας στο νερό αρχίζω τις μετρήσεις σε σταθερά χρονικά διαστήματα π.χ. 1min και καταγράφω τα αποτελέσματα σε πίνακα t-Θ:

c. Υπολογίζω τα ΔΘ (Θ-Θο) και κατασκευάζω το διάγραμμα t-ΔΘ για να ελέγξω τη σχέση QaΔΘ

Ανάλογη διαδικασία εφαρμόζω για 400ml (400gr) νερού, με την ίδια παροχή του λύχνου και την ίδια αρχική θερμοκρασία μέτρησης για να ελέγξω τη σχέση Qam.

Β. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ – ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

Στόχοι: Να διαπιστωθεί ότι:

Α) Η θερμότητα μεταφέρεται από το θερμότερο σώμα στο λιγότερο θερμό

Β) Η μεταφορά θερμότητας συνοδεύεται από μείωση θερμοκρασίας του θερμότερου και αύξησηθερμοκρασίας του λιγότερο θερμού, μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες (θερμική ισορροπία).

Το πείραμα μπορεί να ενταχθεί στη διδασκαλία της ενότητας 2.4 « θερμοκρασία, θερμότητα και μικρόκοσμος».

ΟΡΓΑΝΑ:

Ορθοστάτης 60cm με οριζόντια ράβδο και δύο ορειχάλκινους δακτύλιους- 2 θερμόμετρα- δοχείο θερμιδομέτρου- δοχείο αλουμινίου από τη «σειρά 3 μεταλλικών δοχείων»- λύχνος θέρμανσης- τρίποδο- πλέγμα- ποτήρι 400ml.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

a. Στο δοχείο του θερμιδομέτρου ρίχνω 200ml νερό της βρύσης.

b. Τοποθετώ το μεταλλικό δοχείο αλουμινίου μέσα στο θερμιδόμετρο.

c. Θερμαίνω στο ποτήρι 200ml νερό μέχρι τους 80οC και το ρίχνω στο δοχείο αλουμινίου.

d. Αναρτώ τα θερμόμετρα από οριζόντια ράβδο και τα κατεβάζω μέσα στα δύο υγρά.

e. Παίρνω ταυτόχρονα μετρήσεις θερμοκρασιών κρύου και ζεστού νερού ανά 1~2 min και τις καταγράφωστον πίνακα:

f. Κάνω γραφική παράσταση t-Θ1/Θ2 και σχολιάζω τις μεταβολές.

Μπορεί να προσδιοριστεί ( από τις γραφικές παραστάσεις ) το σημείο θερμικής ισορροπίας;

Συμφωνεί αυτό με το νόμο της θερμιδομετρίας και τις αρχικές θερμοκρασίες; ( λαμβάνοντας υπόψη ότι έχουμε ίσες μάζες κρύου και ζεστού νερού).

Γ. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

Στόχος: Να διαπιστωθεί ότι όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός ενέργειας που ακτινοβολεί.

Παρατήρηση: Στο πείραμα 2 ( εκτελέστηκε στο ΕΚΦΕ) που περιγράφεται στη σελίδα 46 του εργαστηριακού οδηγού δεν παρατηρήθηκε αισθητή διαφορά θερμοκρασίας στα 2 δοχεία ( λόγω διαφορετικής επιφάνειας). Έχει σημασία και η ίδια ή όχι ακρίβεια των 2 θερμομέτρων.

Εναλλακτικά μπορούμε να ελέγξουμε τη διαφορετική συμπεριφορά των επιφανειών (στιλπνή και μαύρη) στην απορρόφηση ακτινοβολίας ως εξής:

Χρησιμοποιούμε τα δύο μεταλλικά δοχεία ( με στιλπνή και μαύρη επιφάνεια) με ίση ποσότητα νερού της βρύσης (π.χ. 100ml) και μεταξύ τους ( σε ίσες αποστάσεις) παρεμβάλλουμε ένα ισχυρό λαμπτήρα πυρακτώσεως (π.χ.200W). Η άνοδος θερμοκρασίας στο μαύρο δοχείο είναι σημαντικά ανώτερη, σε μερικά λεπτά.

Το πείραμα μπορεί να ενταχθεί στη διδασκαλία της ενότητας 2.10, «θερμότητα και ακτινοβολία».

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

a. Σε ένα μεταλλικό δοχείο ( της «σειράς 3 μεταλλικών δοχείων») ρίχνω 200ml ζεστού νερού (~ 80οC) και με ένα θερμόμετρο, που έχω αναρτήσει από ορθοστάτη, παρακολουθώ τη μεταβολή της θερμοκρασίας του με το χρόνο, παίρνοντας μετρήσεις ανά 2min.

b. Για να μειώσω τις άλλες θερμικές απώλειες τοποθετώ το δοχείο επάνω σε φύλλο φελιζόλ και το κλείνω από πάνω με ένα καπάκι από το ίδιο υλικό.

c. Κατασκευάζω τη γραφική παράσταση και ελέγχω την κλίση της καμπύλης στην αρχή και το τέλος του πειράματος για να ελέγξω την ορθότητα του στόχου.