2.5. Урок 5. Конвекція

 

Тип уроку: урок формування нових знань із дослідницькою та практичною діяльністю.

Основна ідея уроку. Конвекція — це спосіб теплопередачі, який відбувається внаслідок переміщення потоків рідини або газу. Нерівномірне нагрівання спричиняє різницю густини, через що виникає рух речовини й переноситься внутрішня енергія.

1. Результати навчання у фокусі уроку

Група результатів	Результат, який формуємо
1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження	Спостерігає за рухом рідини під час нагрівання; висуває припущення про причини виникнення конвективних потоків; формулює висновки за результатами досліду.
2. Опрацювання, систематизація та використання інформації фізичного змісту	Читає та інтерпретує схеми конвекції; пояснює напрямки руху нагрітої й охолодженої рідини або газу; порівнює способи теплопередачі.
3. Усвідомлення закономірностей природи та застосування фізичних знань	Пояснює виникнення конвекції через зміну густини речовини під час нагрівання й охолодження; застосовує знання для пояснення природних явищ і роботи технічних пристроїв.
4. Розвиток наукового мислення, відповідальної поведінки та усвідомлення значення фізики для суспільства	Пояснює значення конвекції в опаленні, вентиляції та природних процесах; дотримується правил безпеки під час дослідів; усвідомлює роль конвекції в перенесенні енергії в довкіллі.

Очікувані результати: учень/учениця пояснює поняття конвекції, описує механізм її виникнення, розрізняє конвекцію й теплопровідність, наводить приклади конвекції в природі та техніці, інтерпретує схему конвективних потоків.

2. Хід уроку

І. Актуалізація знань — 3 хв

Учитель пропонує пригадати:

• Що таке теплопровідність?

• Чи переноситься речовина як ціле під час теплопровідності?

• Чому нагрітий металевий стрижень передає енергію від гарячого кінця до холоднішого?

Проблемне запитання: чи може теплота передаватися в рідині або газі не лише від частинки до частинки, а й завдяки руху самої речовини?

ІІ. Створення проблемної ситуації — 5 хв

Учитель демонструє зображення або відео нагрівання води в прозорій посудині. Учні спостерігають за рухом води або барвника.

livephysics.com

Запитання до учнів:

1. Чому вода біля нагрівника починає рухатися вгору?

2. Чому холодніша вода переміщується вниз?

3. Чи переноситься енергія разом із водою, яка рухається?

Учні висувають припущення. Учитель підводить їх до думки, що в рідинах і газах теплопередача може відбуватися завдяки переміщенню самої речовини.

ІІІ. Формування поняття конвекції — 10 хв

1. Що таке конвекція?

Конвекція — це вид теплопередачі, за якого внутрішня енергія переноситься потоками рідини або газу.

На відміну від теплопровідності, під час конвекції відбувається переміщення самої речовини.

2. Як виникають конвективні потоки?

Коли рідину або газ нагрівають знизу:

1. Нижні шари отримують енергію та нагріваються.

2. За незмінного тиску нагріта речовина зазвичай розширюється, а її густина зменшується.

3. Менш густі шари під дією виштовхувальної сили піднімаються.

4. Холодніша й густіша речовина опускається та займає їхнє місце.

5. Виникає циркуляція, яка переносить енергію.

animyjob.com

Важливе уточнення: під час нагрівання більшості рідин і газів їхня густина зменшується, але це не універсальне правило для всіх умов. Наприклад, вода має особливі властивості поблизу температури замерзання.

3. Де відбувається конвекція?

• У рідинах — наприклад, під час нагрівання води в каструлі.

• У газах — наприклад, під час руху теплого повітря в кімнаті.

У твердих тілах конвекція не відбувається, оскільки їхні частинки не можуть вільно переміщатися потоками крізь усе тіло.

IV. Дослідницька діяльність — 10 хв

Дослід «Спостерігаємо конвекцію у воді»

teachoo.com

Обладнання: прозора посудина з водою, харчовий барвник або безпечний індикатор руху води, нагрівальний пристрій. Дослід проводить учитель.

Хід досліду

1. Учитель демонструє посудину з водою та невеликою кількістю барвника.

2. Воду обережно нагрівають знизу.

3. Учні спостерігають за рухом забарвлених потоків.

4. За можливості учні замальовують напрямки руху води стрілками.

Запитання для спостереження:

• У якій частині посудини вода нагрівається першою?

• У якому напрямку рухається нагріта вода?

• Як рухається холодніша вода?

• Що переносить енергію в цьому досліді?

Очікуваний висновок: під час нагрівання виникає рух води, пов’язаний із різницею густини її шарів. Разом із потоками води переноситься внутрішня енергія.

Правила безпеки: не використовувати відкрите полум’я без належного обладнання та контролю вчителя. Не торкатися нагрітої посудини, не нахилятися над нею. Якщо немає умов для безпечного досліду, використати відеодемонстрацію.

V. Конвекція в природі й техніці — 7 хв

Учитель пропонує розглянути приклади та пояснити їх за допомогою фізичних знань.

1. Рух повітря в атмосфері

Повітря біля нагрітої земної поверхні нагрівається та за відповідних умов піднімається. Холодніше повітря переміщується вниз або надходить на його місце. Так виникають конвективні рухи атмосфери.

2. Опалення приміщення

Повітря біля радіатора нагрівається, стає менш густим і піднімається. Охолоджене повітря опускається, утворюючи циркуляцію.

3. Нагрівання води

Під час нагрівання води знизу тепліші шари піднімаються, а холодніші опускаються. Завдяки руху рідини енергія поширюється по всій посудині.

Завдання для учнів: поясніть, чому в кімнаті з радіаторним опаленням важливо не перешкоджати вільному руху повітря навколо радіатора.

Очікувана відповідь: предмети, які закривають радіатор, можуть перешкоджати циркуляції повітря й зменшувати ефективність конвективного передавання теплоти.

VI. Закріплення знань — 7 хв

Учні виконують завдання усно або письмово.

Завдання 1. Визначте спосіб теплопередачі.

Ситуація	Спосіб теплопередачі
Нагрівається металевий стрижень, один кінець якого перебуває біля джерела тепла	Теплопровідність
Тепла вода піднімається в посудині, яку нагрівають знизу	Конвекція
Тепле повітря піднімається від радіатора	Конвекція
Енергія від Сонця надходить до Землі	Випромінювання

Завдання 2. Знайдіть помилку.

Учень стверджує: «Під час конвекції енергія передається без переміщення речовини».

Поясніть, чому це твердження неправильне.

Очікувана відповідь: під час конвекції енергія переноситься потоками рідини або газу, тобто речовина переміщується.

Завдання 3. Запитання підвищеного рівня.

Чому під час нагрівання води знизу виникає циркуляція, а під час нагрівання посудини зверху конвективні потоки можуть бути значно слабшими?

Очікувана відповідь: за нагрівання знизу тепліша, менш густа вода піднімається, а холодніша опускається, утворюючи циркуляцію. За нагрівання зверху тепліша вода залишається над холоднішою, тому стійке розташування шарів може перешкоджати виникненню інтенсивної природної конвекції.

VII. Підсумок уроку — 3 хв

Учитель пропонує учням завершити речення:

• «Конвекція — це…»

• «Нагріта вода піднімається, тому що…»

• «На відміну від теплопровідності, під час конвекції…»

• «Приклад конвекції в природі — …»

Перехід до наступної теми.

Учитель ставить запитання:

«Сонце нагріває Землю, хоча між ними майже порожній космічний простір. Якщо для конвекції потрібні потоки речовини, а для теплопровідності — взаємодія частинок, то як енергія долає простір між Сонцем і Землею?»

Це запитання підводить до наступного уроку — «Випромінювання».

3. Домашнє завдання

Обов’язкове:

1. Опрацювати матеріал підручника про конвекцію.

2. Навести три приклади конвекції в природі або побуті.

3. Намалювати схему конвективних потоків у посудині з водою, яку нагрівають знизу. Позначити стрілками напрямок руху теплої та холодної води.

Творче завдання на вибір: пояснити, чому під час провітрювання кімнати рух повітря залежить від розташування вікна, дверей і джерел тепла.

4. Логічний зв’язок із наступним уроком

Конвекція	Випромінювання
Відбувається в рідинах і газах.	Не потребує матеріального середовища.
Енергія переноситься потоками речовини.	Енергія переноситься електромагнітними хвилями.
Приклад: рух повітря біля радіатора.	Приклад: надходження енергії від Сонця до Землі.
Ключове запитання: як енергія переноситься рухом речовини?	Ключове запитання: як енергія передається через вакуум?

Робота у середовищі online Test Pad

Презентація "Робота в середовищі "online Test Pad"