Жылу құбылыстары

VІІ КЛАСС

ЖЫЛУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ

«Жылу құбылыстары» атты бөлімге «Жылу берілу және жұмыс», «Заттың агрегат күшінің өзгеруі», «Жылу двигательдері» тақырыптары енеді. Жылу жөніндегі барлық материал VII класта жинақталған және оны «жұмыс», «энергия» ұғымдарын енгізгеннен кейін, оқушылардың заттың атом-молекулалық құрылысы жөніндегі алған білімдеріне сүйене отырып, оқып үйренеді.

Бұл — жылу құбылыстарының мәнісін түсіндіру және жылулық қозғалыс, температура, ішкі энергия, жылу берілуі, жылу мөлшері, заттың меншікті жылу сыйымдылығы сияқты негізгі ұғымдарды қалыптастыру үшін қолайлы жағдайлар туғызады.

Осы тақырыпта айқын болмаса да оқушылар термодинамикалық бірінші заңымен және белгілі бір дәрежеде екінші заңымен де танысады.

 

ЖЫЛУ БЕРІЛУІ  ЖӘНЕ ЖҰМЫС

Жылу берілуі және жұмыс — бұл энергияның берілу процестері. Айырмашылығы — жылудың дененің ішкі энергиясының өзгеруінің микрофизикалық процесі болып табылатындығында. Жұмыс болса, энергия өзгеруінің макрофизикалық процесі болып келеді және дененің біртұтас дене ретіндегі орын ауыстыруымен байланысты.

Жылу алмасудың мөлшерлік сипаттамасын немесе дененің ішкі энергиясы өзгеруінің өлшеуішін жылу мөлшері деп атайды.

«Жылу алмасу» және «жылу берілуі» терминдерінің мәндері бір, олар дененің ішкі энергиясының өзгеру процестерін көрсетеді. Ішкі энергияның жұмыс жасамастан өзгеру тәсілін белгілеу үшін «жылу берілуі» терминін, ал ішкі энергияның өзгеру өлшеуішін белгілеу үшін—«жылу мөлшері» терминін қолданған дұрысырақ.

«Жылу берілуі және жұмыс» тақырыбын оқып үйренуге кірісе отырып, оқушылар қыздырғанда денелердің ұлғаятындығы жөнінде, температура, жұмыс пен механикалық энергия жөнінде элементар түсінік алады, Бұл мағлұматтарды берілген тақырыпты оқып үйренгенде пайдаланып, қорытындылап және әрі қарай дамыту қажет. Бұл тұста оқушылар өздері үшін бірқатар жана ұғымдарды біліп алулары, ең алдымен ішкі энергия жөнінде ұғым алулары, жылу мөлшерін есептеп үйренулері, соның ішінде отын жанғанда бөлініп шыққан жылу мөлшерін есептеп үйренулері, қыздырғыш қондырғының, тиімділігін анықтап үйренулері керек.

Ескірген терминологияға байланысты да белгілі бір методикалық қиыншылықтар туады. Негізгі терминдер — жылу, жылу мөлшері, жылу сыйымдылығы, жылу берілуі, жылу алмасу — жылу деп ерекше материалық ортаны түсініп келген кезде, жылутегі түсінігі болған кезеңде пайда болған. Жылудың табиғатықа осы кездегі көзқарас бойынша мұндай терминология оқушылардың осы терминдер мен ұғымдардың физикалық мәнісін дұрыс түсінуін қиындатады. Алайда басқаша терминология қазірше жоқ.

Оқушыларда көптеген күрделі де абстрактілі ұғымдарды қалыптастырумен байланысты, тақырыптарды оқып үйренудегі қиыншылықтарды жеңу үшін, демонстрациялық және лабораториялық физикалық экспериментті кең түрде пaйдалaнy, есеп шығарту және өмірден, тұрмыстан, табиғат пен өндірістен алынған мысалдарды пайдалану керек.

Тақырыпты  сабақ-сабаққа  бөліп жоспарлау  үлгісі

1 - сабақ. Молекулалардың хаостық қозғалысы. Денелердің температурасы.

2 - сабақ. Ішкі энергия.  Денелердің ішкі энергиясын өзгертудің екі тәсілі: жұмыс және жылу берілу.

3 - сабақ. Жылу өткізгіштік.

4 - сабақ.   Конвекция.

5 - сабақ.  Сәуле шығару.

6 - сабақ.  Жылу мөлшері. Жылу мөлшерінің бірліктері.

7-сaбақ. Меншікті жылу сыйымдылық. Денені қыздыру үшін жұмсалатын немесе ол суығанда  бөлініп  шығатын жылу мөлшерін есептеу.

8 - сабақ. Лабораториялық жұмыс: «Суды  араластырып жылу мөлшерін салыстыру».

9 - сабақ. Лабораториялық жұмыс: «Қатты дененің меншікті жылу сыйымдылығын анықтау».

10 - сабақ.   Жылу мөлшерін есептеуге есептер шығару.

11 - сабақ. Отын энергиясы. Отынның жану жылуы.

12 - сабақ. Механикалық және жылу процестерінде  энергияның сақталу және айналу заңы.

13 – сабақ.  Тақырып бойынша бақылау жұмысы.

 

1. МОЛЕКУЛАЛАРДЫҢ ХАОСТЫҚ (ЖЫЛУЛЫҚ) ҚОЗҒАЛЫСЫ. ДЕНЕЛЕРДІҢ ТЕМПЕРАТУРАСЫ

Тақырыпты оқып үйренуге кіріскенде, оқушылармен молекула-кинетикалық теориялардың негізгі ережелерін қайталап жәнe айқындап алу қажет, өйткені бүкіл бөлімді оқығанда соларға сүйенуге тура келеді. Қайталау кезінде газ тәрізді, сұйық және қатты денелерді құрайтын бөлшектердің қозғалыс ерекшелігіне тоқталу қажет. Оқушылар микробөлшектердің (молекулалардың) үздіксіз қозғалыста болатынын естеріне түсіреді. Мысалы, газ молекулалары түзу сызық бойымен қозғала-ды да, басқа молекулалармен соғыла отырып, өзінің қозғалыс бағыты мен жылдамдығыш өзгертеді және келесі соғылуға дейін өзінің қозғалысын қайтадан әрі қарай жалғастырады. молекулалардың қозғалысы — тәртіпсіз қозғалыс. Мұндай қозғалыс жылу қозғалысы деген атау алды.

Сондай-ақ оқушылардың  естеріне бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы дененің температурасымен байланысты екенін салады: бөлшектер неғұрлым шапшаң қозғалса, дене соғұрлым көбірек қызған болады.

Жылу қозғалысы жөніндегі ұғымға сүйеніп. Температура ұғымын анықтай түсуге көшеді.

Температураның ғылыми анықтамасы жылулық тепе-теңдік ұғымын енгізуді, температуралардың эмпирикалық шкаласын тағайындауға, термометрлік денені және температуралық белгіні таңдап алуды талап етеді. Бұл ұғымдар тек ІХ класта ғана енгізіледі. VII класта оқушылар температура ұғымын «дененің қыздырылу дәрежесі» ретінде қабылдаса сұйықтық термометрлердің жұмыс істеу принципі мен олармен температураны өлшеп үйренсе болғаны.

Өмір тәжірибесі мен табиғат тану курсынан оқушыларға әр түрлі денелер түрліше дәрежеде қыздырыла алатындығы белгілі. Мысалы, ыдыстағы су суық жылы немесе ыстық бола алуы мүмкін. Жылу мен суықты сезіп-білу белгілі дәрежеде субъективті болып табылады. Жылулықты сезіп-білудің субъективтігіне оқушылар мынадай тәжірмбе арқылы көз жеткізе алады. Демонстрациялық үстелге ішінде суы бар үш ыдыс орналастырылады: центріне ішінде бөлме температурасындағы суы бар ыдыс, сол жаққа — ішінде ысытылған суы бар ыдыс, оң жаққа — су құбырынан құйылған суы бар ыдыс (оның температурасы бөлме температурасынан төмен). Бір оқушыны шақырып алып, сол қолын ысытылған суы бар ыдысқа матырып, ал оң қолын суық су құйылған ыдысқа матыруды ұсынады. Біраз уақыттан кейін оқушыға екі қолын да температурасы бөлме температурасындай ыдыстағы суға матыруды ұсынады. Оқушыдан: «Енді не сездің?»—деп сұрайды. Екі қолы да бір температурадағы суға матырылып тұрса да, оқушы оң қолы жылулықты, ал сол қолы — суықты сезгенін айтады. Дененің жылулық күйі, оның температурасы жөнінде дәл пікір айтуға мүмкіндік беретін арнайы приборларды пайдалану қажеттігі жөнінде қорытынды жасалады. Проблема туады: дененің қаншалықты қызғандығын айқын көрсететіндей қасиетін немесе сондай белгісін табу керек. Қыздырғанда денелердің ұлғаюы осындай белгі бола алады. Неғұрлым дене көбірек қызған болса, соғұрлым оның көлемі үлкен болады, соғұрлым молекулалар мен атомдардың тәртіпсіз қозғалысы қауырттырақ интенсивтірек) болады.

Жылулық ұлғаюға негізделген термометрдің жұмыс принципін 20-1-суретте кескінделген прибормен жасалатын тәжірибемен түсіндірген ыңғайлы. Колбаны ыстық суы бар ыдыстың ішіне қойып жылытып, колбадағы су неғұрлым көбірек ысытылса, соғұрлым судың түтік ішіндегі деңгейі жоғарырақ болады. Егер колбадағы сұйықтың температурасы айналадағы ортаның температурасындай болса, онда бағанның биіктігіне қарап, сол ортаның (ауаның, судың) температурасы жөніңде сөз етуге болады. Сонымен, тәжірибеде пайдаланылған приборға ұқсас прибор термометр бола алады.

       _{20-1-сурет}

Бірақ температураны ондай прибормен оны градуирлегеннен кейін ғана өлшеуге болады. Термометрді алдымен су мен мұздың қоспасына батырып, сонан coң қайнап тұрған су буына батырып, оны қалайша градуирлеуге болатынын сабақта оқушыларға демонстрациялап көрсету керек. Егер кабинетте Главуч-техпромның демонстрациялық термометрі бар болса, алдын ала шкаланы ақ қағаз жолағымен жауып қойып, сол термометрді пайдаланып, демонстрациялап көрсеткен жақсы.

Термометрдің өзінің, температурасы өлшенетін, айналадағы ортамен (ауамен немссе басқа ортамен) жылулық тепе-теңдікке жетуінің маңыздылығын атап көрсету қажет.

Сабақта лабораториялық және медициналық термометрлерді қарастырған жөн.

Оқушыларды температураны өлшеудің мынадай ережелерімен таныстыру қажет: әр термометр белгілі бір шектердегі температураларды ғана өлшеу үшін арналған, егер өлшенетін температура берілген термометр үшін тағайындалған шекті мәндерден жоғары немесе төмен болып шығатын болса, термометрді пайдалануға болмайды; термометр бойынша есептеуді ол ортаның температурасын қабылдап алатын біршама уақыт өткеннен кейін бастау керек; температураны өлшегенде термометр (медициналық термометрден басқасы) температурасы өлшенетін ортадан шығарылмауы тиіс, бақылаушының көзі, термометр толтырылған, сұйықтың бағанының жоғарғы ұшының деңгейніде болуы тиіс.

Табиғат пен техникада  кездесетін температуралардың кейбір мәндерін айтқан пайдалы. Әр түрлі сүтқоректілердің қалыпты температуралары 35-тен 40,5° С-қа денін болады; дені сау адамның температурасы 36—37°С; құстардың температурасы 39,5—44°С, Жер бетінде ауаның ең жоғарғы температурасы (58⁰С) Триполиде тіркелген, ал ең төменгі температурасы—88⁰,3С Антарктидада.

      20-2-сурет

Газ толтырылған   лампының   вольфрам  қылы токпен  2525°С-қа дейін  қыздыртылады, ал  Күн бетінің температурасы 6000° С-қа жуық.

Демонстрациялық тәжірнбелерде сұйықтық термометрмен бірге электр термометрді де қолдануға болады, өйткені Главучтехпром шығаратын демонстрацииялық термометрдің елеулі кемшілігі бap: оның жылу сыйымдылығы едәуір үлкен үлкен және жылулық инерциясы бар (өлшеу уақыты 1—1,5 мин, сұйықтың көлемі 200 см³-ден кем емес).

Өнеркәсіп мектепке арнап  электр термометр шығарады, оның датчигі, демонстрациялық гальванометрі бар өлшеу көпіріне қосылатын, термистор    болып  табылады. Электр термометрді оқушылардың күшімен де жасауға болады.

VII класс оқушылары электр термометрде пайдаланылатын физикалық құбылыстармен таныс болмағандықтан, мұғалім оларға приборды градуирлеу принципін түсіндірсе болғаны жәнe, мысалы, судың температурасын электр және сұйықтық термометрлермен өлшей отырып, осындай прибормен денелердің температураларын өлшеу мүмкін екендігіне оқушылардың көздерін жеткізсе болғаны.

Термометр шкалалары  бойынша бастап санауға оқушыларды төселдіру үшін, әр түрлі шкалалар жиынтығы бар, демонстрациялық модельмен (20-2-сурет) класпен түгелдей жаттығулар өткізген пайдалы.

 

2. ДЕНЕЛЕРДІҢ ІШКІ ЭНЕРГИЯСЫ ЖӘНЕ ОНЫ ӨЗГЕРТУ ТӘСІЛДЕРІ

Физиканың қазіргі кездегі курстарында, мысалы, Б.М.Яворский т.б. оқулығында «ішкі энергия» ұғымының мазмұны былайша ашылып көрсетіледі: «Қозғалыс сипатына және денені құрап тұрған бөлшектердің өзара әсеріке байланысты ішкі энергияны мынадай құрамды бөліктерге ажыратуға болады:

а) молекулалардың хаостық (ілгерілемелі және айналмалы) қозғалысының кинетикалық энергиясына;

б)   молекулааралық өзара әсер күштері себепті болатын потенциялық энергиясына;

в) атомдар мен молекулалардың тербелмелі  қозғалысының кинетикалық және потенциялық энергиясына;

г) атомдар мен иондардың электрондық қабықшаларының знергиясына, сондай-ақ ядро ішіндегі энергияға».

VII класта оқушылар молекулалардың хаостық қозғалысының энергиясы (молекула-кинетикалық) және молекулалардың өзара әсер энергиясы (молекула-потенциялық) дененің ішкі экергиясының бір бөлігі болып табылатындығын игеріп алса болғаны. Ғылыми тұрғыдан алғанда да бұлай болуы заңды өйткені мектепте оқып үйренілетін жылу құбылыстары орташа температуралық диапозонда өтеді, мұнда денелердің ішкі энергиясының өзгеруі негізінен молекулалардың кинетикалық және потенциялық энергияларының өзгеруіне байланысты.

Таныстыру көлемінде, сондай-ақ VII класқа арналған оқулықтағыдай ішкі энергияға сондай-ақ атомдық энергия да жатады, ол жөнінде оқушылар электрді оқып үйрену кезінде ұғым ал алады.

Ішкі энергия ұғымы мен оның өзгеру тәсілдерін қалыптастыруға кіріскенде, оқушылардың механикалық энергия мен дененің ішкі құрылысы жөнінде не білетіндерін естеріне түсіруді ұсыну керек.

Мұнда оқушылардың мынадай мәселелерді ұғынуларын анықтаудың маңызы бар: «Қандай жағдайда денелердің энергиясы бар делінеді?» «Механикалық энергияның қандай түрлері бар?», «Қандай денелердің, кинетикалық энергиясы бар және ол неге байланысты?», «Денелердің потенциялық энергиясы неге байланысты?» Бұл сұрақтар оқушыларға ішкі энергияны оқып үйренуде оны механикалық энергиямен шатастырмауға көмектеседі.

Ішкі энергия ұғымын түрліше әдістермен қалыптастыруға болады. Бірінші әдісте, серпімсіз денелер — қорғасын шар мен қорғасын пластинка соқтығысқанда, энергияның сақталу заңының «бұзылатыны» сияқты көрінетіндік идеясы негіз етіп алынады, екінші әдісте — жұмыс энергияның өзгеру, айналу процесінде жасалады және жұмыс эпергияның осы өзгеруінің немесе айналуының өлшеуіші болып келеді, деген ой негіз етіп алынған. Басқаша айтқанда, егер дене жұмыс жасап тұрса немесе жұмыс жасайтын болса, онда оның энергиясы болғаны.

Бірінші әдіс онша назар аударарлық емес» өйткені онда ақтығында өзара әсер етуші денелердің (қорғасын шар мен пластинканың) ішкі энергиясы құлап түсіп келе жатқан қорғасын шардың потенциялық энергиясы кему есебінен артады. Бұл денелердің соқтығысқанға дейін ішкі энергиясы болды ма деген мәселеге келсек, ол ашық қалады. Сондықтан алғашқы тәжірибелер денелердің ішкі энергияларының оларды қыздыруға және олармен жұмыс жасағанға дейін болуын иллюстрациялап көрсетулері тиіс. Мұндай демонстрацнялар қатарына ауа насосының қалпағының астына орналастырылған картоптан жасалған пистолетпен орындалатын тәжірибені жатқызуға болады (17-22-суреттерді қара). Қалпағының астындағы ауа сиретілгенде картоп тығын пробиркадан атып шығады. Қорытынды жасалады: жұмыс жасаған пробирка ішіндегі ауа, олай болса, оның энергиясы болғаны. Механикалық энергиядан айырып, бұл эмергияны дененің ішкі энергиясы деп атайды. Бұл — денені құрап тұрған бөлшектердің қозғалыс және өзара әсерлесу знергиясы. Денені құрайтын микробөлшектер (молекулалар, атомдар) бір-бірімен өзара әсерлеседі (тартылады және тебіледі), олай болса, олардың потенциялық знергиясы болады.