Вчимося розв’язувати фізичні задачі на теплові явища разом

Шановні друзі!

У восьмому класі ви продовжуєте навчатися розв’язувати фізичні задачі різних типів. Приклади та особливості розв’язування розрахункових задач наведено в підручнику у відповідних параграфах. Пропонуємо вам короткі поради щодо розв’язування якісних, експериментальних і графічних фізичних задач на теплові процеси, які важливі для ґрунтовного опанування курсу фізики восьмого класу.

Якісні фізичні задачі. Незважаючи на те, що такі задачі, як правило, не потребують використання формул і громіздких обчислень, для їх розв’язання надзвичайно важливо правильно вибудувати логічні міркування, що базуються на основних фізичних законах. Тому потрібно ґрунтовно та усвідомлено працювати з навчальним матеріалом, зокрема підручника.

Під час розв’язування якісних фізичних задач на теплові явища слід звернути увагу на їхні основні енергетичні характеристики (наприклад, кінетична енергія хаотичного руху мікрочастинок, потенціальна енергія взаємодії частинок речовини, внутрішня енергія тіла, температура тощо), а також на підпорядкованість теплових процесів закону збереження енергії.

Основними етапами під час розв’язування якісної задачі є:

1. Уважне читання умови задачі, з’ясування всіх термінів, які вона містить.
2. Аналіз умови та з’ясування фізичних явищ, що в ній описані, побудова схем та креслень.
3. Побудова ланцюжка логічних міркувань, підкріплених фізичними знаннями.
4. Аналіз пропонованої відповіді з погляду її фізичного змісту, відповідності умові задачі та практичному досвіду.

Наведемо приклад розв’язування якісної фізичної задачі.

Задача 1. У § 6 підручника наголошується, що під снігом посіви озимої пшениці надійно захищені від вимерзання. Поясніть, за яких умов сніговий покрив краще захищає посіви: взимку, при постійній температурі менше 0 °С, чи ранньою весною, коли можливе тимчасове підвищення температури навіть до додатних значень?

Розв’язок. Проаналізуємо умову задачі. У ній розглядаються теплові процеси, тому потрібно звернути увагу на особливості теплопередачі в першому та другому випадках. Теплоізоляційні властивості снігу пов’язані з його здатністю погано проводити тепло. Але це характерно лише для пухкого снігу, який постійно перебуває при температурі менше 0 °С. При цьому між кристаликами снігу міститься багато повітря, яке має невелику теплопровідність (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Структура пухкого снігу забезпечує його теплоізоляційні властивості

Рис. 10.5. При підвищенні температури сніг ущільнюється і його теплопровідність зростає

Якщо температура навколишнього повітря хоча б тимчасово буде вищою 0 °С (температура танення льоду), верхній шар буде танути, сніг ущільнюватиметься, повітряні прошарки зменшуватимуться і теплопровідність зростатиме (рис. 10.5).

Тобто пухкий сніг значно краще зберігає посіви від вимерзання, ніж щільний. Таким чином, озимина витримує значно більші морози під пухким снігом, ніж незначні під щільним.

Експериментальні фізичні задачі. Важливою особливістю розв’язування фізичних задач є використання лабораторного та демонстраційного (якщо задача розв’язується в шкільному фізичному кабінеті), а також найпростішого саморобного (домашній експеримент) обладнання.

У школі ви розв’язуєте експериментальні задачі під керівництвом учителя з дотриманням основних правил безпеки життєдіяльності. Наголосимо, що дотримання правил безпеки є основною умовою й домашнього експерименту. Бажано його виконувати за допомогою дорослих. Але у будь-якому разі необхідно пам’ятати, що не можна користуватися електричним струмом, окропом, газом, легкозаймистими та небезпечними речовинами. Експериментальні фізичні задачі, запропоновані вам у рубриці «Домашній експеримент», є безпечними за умови дотримання найпростіших правил безпеки життєдіяльності.

Так само, як і якісні, експериментальні фізичні задачі потребують ретельного вивчення та аналізу їхніх умов, знання основних фізичних законів і логічних міркувань. Але їхньою важливою особливістю є доцільність складання схеми та плану експерименту, його відтворення за допомогою найпростіших підручних засобів.

Тому експериментальні фізичні задачі виконуйте за схемою:

1. Ознайомлення та усвідомлення умов експериментальної задачі. Особливу увагу звертайте на додаткові умови (наприклад, нехтування втратами тепла на зовнішнє середовище).
2. Визначення фізичного явища та процесів, які описуються в експериментальній умові, з’ясування фізичного закону, що лежить у його основі.
3. Залежно від умови задачі: складання схеми та плану проведення експерименту, добір приладів, виконання експерименту й узагальнення отриманих результатів; або проведення теоретичних розрахунків та їх експериментальна перевірка.

Наведемо приклад експериментальної задачі.

Задача 2. Візьміть два порожні однакові металеві контейнери (бляшанки) для чаю або кави, один із яких має темну поверхню, а другий світлу. Налийте в них однакову кількість гарячої води з-під крана, попередньо вимірявши її температуру, та поставте на теплоізоляційну підставку для посуду (рис. 10.6).

Через декілька хвилин виміряйте температуру в кожному контейнері. За допомогою електронного термометра це можна зробити майже одночасно. Порівняйте виміряні значення. Поясніть різницю температур у контейнерах.

Виконання експериментального завдання та обґрунтування результатів. Готуючи експеримент, звертаємо увагу на те, що потрібно використовувати два однакові порожні контейнери (бляшанки) з різним кольором поверхні. У кожний з них заливаємо обережно однакову кількість гарячої води та залишаємо на декілька хвилин. Швидко вимірюємо температуру в кожній із посудин. Помітимо, що в посудині з поверхнею темного кольору температура нижча, ніж у посудині світлого кольору.

Рис. 10.6. Однакову кількість гарячої води з-під крана наливають у контейнери та вимірюють температуру

Для пояснення результату експерименту проаналізуємо умови задачі та визначимо початкові умови й особливості перебігу фізичних процесів. Вода заливається в однакові (об’єм, матеріал) контейнери, які відрізняються тільки кольором поверхні. Початкова температура води, що заливається, а також її маса теж однакові. Тобто внутрішня енергія води в обох посудинах на початку експерименту однакова. Через певний час температура води в посудинах знижується, отже, зменшується її внутрішня енергія. Між контейнерами із водою та навколишнім середовищем відбувається процес теплообміну. Поміркуємо, який вид теплообміну спостерігається. Посудини з гарячою водою контактують лише з теплоізоляційною підставкою та повітрям, що мають низьку теплопровідність. Тому в цьому експерименті відбувається такий вид теплообміну, як теплове випромінювання, зумовлене перетворенням внутрішньої енергії в теплове випромінювання. Охолоджуючись, посудина з водою випромінює теплову енергію.

Як вам відомо, темні поверхні випромінюють енергії більше, ніж тіла з білими (сріблястими) поверхнями. Таким чином, внутрішня енергія посудини з чорною поверхнею зменшуватиметься швидше. Тобто температура води в ній буде нижчою, ніж у посудині зі світлою поверхнею.

Графічні задачі. У таких задачах об’єктом дослідження є графіки залежностей фізичних величин. Аналіз графіків дає можливість визначати кількісні співвідношення між фізичними величинами та складати формули.

Для розв’язування графічної фізичної задачі виконують такі дії:

1. Аналізують умову задачі та звертають увагу на те, залежність між якими фізичними величинами показує графік.
2. Вивчають графік, з’ясовують характер залежностей між фізичними величинами на кожному з відрізків.
3. Користуючись масштабом і графіком визначають невідомі величини.
4. Аналізують отримані результати та роблять висновки відповідно до запитань задачі.

Графічна задача може передбачати також побудову графіків залежностей між фізичними величинами за умовою задачі або табличними даними. У такому разі креслять осі координат, обирають масштаб, складають (або беруть із довідників) таблиці, наносять на координатну площину відповідні точки та з’єднують їх лініями.

Задача 3. Проаналізуйте графік плавлення певної речовини (рис. 10.7). Охарактеризуйте особливості теплових процесів на ділянках АБ, БВ, ВГ. Визначте речовину, тепловий стан якої характеризує цей графік.

Рис. 10.7. Графік залежності температури речовини від часу

Розв’язок. Графік відображає залежність температури речовини від часу. Охарактеризуємо особливості теплового процесу на кожному з відрізків.

1. Враховуючи початкову температуру речовини (-44 °С), можемо зробити висновок, що вона перебувала у твердому стані. На ділянці АБ температура речовини збільшується, отже, вона нагрівається.
2. На ділянці БВ температура речовини стала, тобто відбувається її плавлення.
3. На ділянці ВГ температура речовини збільшується, а відповідно, речовина нагрівається.
4. Плавлення речовини відбувається при температурі -39 °С. За табл. 10.1 визначаємо, що ця речовина — ртуть.

Зміст