Внеклассное мероприятие "Стакан чая и физика"
занимательные факты по физике (8 класс) на тему

Сценарий вечера «Стакан чая и физика»

Этот вечер занимательной науки, организуется в виде спектакля.

Действующие лица — учащиеся Саша, Наташа, Юра, Коля, Дима, Нина, Надя, Ира; ассистенты; ученики; ведущий.

Ведущий. Здравствуйте. Начинаем наш вечер. Мы назвали его «Стакан чая и физика», а можно было назвать «Давайте все объясним!» — все, что увидите, садясь традиционно выпить стакан чая. Итак, к столу. Мы начинаем.

Ведущий. У нас все готово. Можно приступать к чаепитию.

Саша. Но нет еще чая. Надо чайник накрыть крышкой, тогда вода скорее закипит.

Ведущий. Вы в этом уверены?

Саша. Вполне.

Ведущий. Вот мой первый вопрос: «Как, с точки зрения физики, объяснить, для чего мы накрываем чайник крышкой, когда кипятим в нем воду?».

[За столом оживление: обнаруживается несколько желающих ответить на этот вопрос.]

Ведущий. Наташа, пожалуйста.

Наташа. Накрывая чайник крышкой, мы сохраняем в нем то тепло, которое сообщает воде нагреватель, уменьшаем теплообмен.

Коля (поднимая крышку и заглядывая в чайник). Я вижу на дне и стенках сосуда пузырьки. Откуда они взялись?

Юра. А я слышу шум, исходящий от чайника. Почему он появился?

Ведущий. Вот еще два интересных вопроса. Кто ответит на них?

Ира. Пузырьки образуются из воздуха, растворенного в воде, а также «прилипшего» к внутренней поверхности чайника. При нагревании воздух расширяется и пузырьки увеличиваются.

Дима. А я знаю, почему шумит чайник. В пузырьках кроме воздуха находятся пары воды. Пузырьки растут и всплывают. Попав в верхние, более холодные слои воды, они охлаждаются и часть пара в них конденсируется в жидкость, размеры пузырьков сокращаются. Это попеременное увеличение и уменьшение объема пузырьков и создает шум. Когда вода вся прогреется, поднимающиеся пузырьки уже не будут от охлаждения уменьшаться в размерах, а начнут на поверхности воды лопаться. Шум прекратится, начнется «бульканье». Кстати, это бульканье еще не появилось?

Юра. Нет.

Надя. У меня возник такой вопрос: температура пара выше температуры кипящей воды? Ведь ожоги паром опаснее, чем кипятком.

Дима. Нет. Температура пара и кипящей жидкости равны. Но эта температура зависит от атмосферного давления.

Нина. Верно. Мы подготовили опыт, иллюстрирующий это явление.

[Наливает из чайника в круглодонную колбу нагретую воду и закрывает колбу пробкой.]. Видите: вода в колбе не кипит. Опрокинем колбу и охладим ее проточной водой, точнее, ту часть колбы, где находится пар. [Выполняет эти действия.] Мы видим, что вода вскипает. А почему? Часть пара конденсируется, давление над водой уменьшается и кипение наступает при меньшей температуре.

Ведущий. Спасибо за демонстрацию опыта и его объяснение. ,

Надя. Чайник скоро закипит. Я слышала, что во время кипения нагреватель будет работать, а температура воды подниматься не будет. Как-то трудно в это поверить.

Ведущий. Сейчас это докажем.

[Выходит Саша и проводит опыт: опускает в кипящую воду термометр и просит Надю каждые 30 с называть его показания.]

Ира. Вода в чайнике еще булькает, она закипела. Можно его отключить от сети?

Коля. Но тогда чай остынет.

Ведущий. Во-первых, это еще не чай, а кипяток. Во-вторых, кто знает, почему он будет остывать?

Юра. Часть тепла воды будет путем теплопроводности передаваться чайнику, а от него путем теплообмена — окружающему пространству. Если еще снять крышку, то вода будет остывать и из-за интенсивного испарения. Напомню, что испарение состоит в том, что с поверхности жидкости отрываются молекулы, обладающие определенным запасом энергии. При отрыве молекул затрачивается также энергия на разрыв молекулярных связей. Вся эта энергия изымается из жидкости и потому, если к жидкости не подводить тепло, она будет остывать.

Ведущий. Справедливость последнего утверждения можно доказать простым опытом.

[Надя достает из сумочки бутылочку с одеколоном и наливает из нее Саше на руку немного жидкости. Просит помахать рукой.]

Саша. Чувствую сильное охлаждение кожи руки.

Надя.Чтобы в этом убедить всех , у нас приготовлена специальная демонстрационная установка.. [Ставит на стол круглодонную колбу, покрытую слоем марли с U-образным жидкостным манометром открытого типа.] Обращаю ваше внимание, что подкрашенная жидкость в коленах манометра находится на одном уровне. А теперь я налью немного одеколона на колбу. Вы увидите: уровни жидкости в коленах манометра стали разные. Давление в колбе резко уменьшилось. Произошло это из-за понижения температуры газа в колбе вследствие интенсивного испарения одеколона.

Ира. У нас на кухне стоит кувшин с водой, из которого мы всегда наливаем чайник. Если и при комнатной температуре бывает испарение воды, то почему оно происходит?

Юра. Испаряются (вылетают из жидкости) те молекулы, которые имеют большую энергию. Но таких молекул немного. Испарение идет неинтенсивно.

Надя. У меня сомнение: вот чайник закипел, из его носика выходит пар, я его вижу. Но пар — это же газ, а газы невидимы. Что же я вижу?

Дима. Туман. Это капельки воды, конденсированные на пылинках воздуха или заряженных частицах.

Ира. Вода в нашем чайнике закипела. Все это видят: из носика идет туман. Температура воды в чайнике 100 °С. Давайте заваривать чай и пить его.

Все сидящие за столом (хором). Давайте пить чай! (Пауза.) Но температура воды в чайнике не 100 °С!

Ира Как?

Ведущий. Да, температура кипящей воды может быть больше или меньше 100 СС. Причину этого мы уже называли. А теперь давайте узнаем по барометру, чему равно сегодня атмосферное давление, и определим, какую температуру имеет наша кипящая вода.

Коля (встает, подходит к барометру). Атмосферное давление сегодня 757 мм рт. ст. [Смотрит в таблицу «Зависимость температуры кипения воды от барометрического давления» и говорит...] При таком давлении температура кипения воды 99,89 °С.

Наташа. Интересно: если бы мы налили в чайник то же количество воды, но не сырой, а кипяченой, закипела бы она скорее, если условия нагревания были бы одинаковы?

Нина. Скорее закипит кипяченая. Она ведь однажды уже кипела, ей легче вторично закипеть.

Ведущий. Ваш ответ основывается на «памяти» кипевшей воды; этот термин сейчас широко употребляется. Есть другие мнения?

Саша. Думаю, что скорее закипела бы сырая вода, но почему?

Дима. Сырая вода закипит скорее, чем кипяченая, это связано с тем, что она содержит растворенный воздух, который при кипячении из нее удаляется. В кипяченой воде пузырьков воздуха мало и они мелкие; в них давление определяется только давлением пара; испарение с вогнутой поверхности пузырьков затруднено, вероятность поднятия таких пузырьков со дна сосуда мала (подъем будет только тогда, когда давление насыщенного пара в пузырьке станет равным внешнему давлению на поверхность жидкости, т. е. атмосферному). Поэтому кипяченая вода закипает позже сырой.

Ведущий. Думаю, что мы выяснили ряд интересных вопросов, связанных с кипением и парообразованием. Между тем вода в чайнике давно кипит. Перейдем к чаепитию.

Нина. Но для этого, прежде всего, нужно заварить чай. Хорошо известно, что вкус чая зависит от того, правильно ли он заварен.

Саша. А что значит правильно заварить чай?

Нина. Это значит заварить так, чтобы вкусовые вещества, входящие в состав чайного листа, в возможно большем количестве перешли в воду. Известно, что вкус чая зависит от температуры, при которой он заварен. Чем выше температура в момент заварки, тем чай вкуснее.

Дима. У меня в связи с этим возникает такой вопрос: в каком чайнике — металлическом или фарфоровом — лучше это делать?

Наташа. Разрешите, я отвечу. Я считаю, что лучше заварить чай в металлическом чайнике. Когда мы будем наливать туда кипяток, чайник быстро нагреется, так как удельная теплоемкость металла небольшая, поэтому чай будет завариваться при высокой температуре.

Саша. Наташа ты не учла, что металлический чайник, обладая большой теплопроводностью, будет быстро отдавать тепло окружающей среде и вода в нем станет быстро остывать. Фарфоровый чайник медленнее нагревается, но зато и остывает медленнее, поэтому он хорошо сохраняет тепло. По-моему, его и лучше брать.

Коля. Для того чтобы внутренние стенки заварочного чайника имели более высокую температуру в момент заварки, рекомендуется перед засыпкой чая один или два раза ополоснуть чайник кипятком. Тогда меньше тепла от воды «уйдет» на его прогрев.

Ведущий. Давайте испытаем предложенный Ниной принцип заварки чая, дополнив его Сашиной и Колиной рекомендациями. Нина хозяйничай, пожалуйста.

[Нина заваривает чай в фарфоровом чайнике

Ведущий (продолжает). У нас есть кипяток, заваренный чай, стаканы. Обращаю внимание: стаканы толстостенные. Теперь надо выполнить еще одну существенную операцию: каждому налить чай в стакан.

Ира. Ребята! Слышите: нас предупреждают о стаканах. Я чувствую: это связано с новыми вопросами по физике. А если стаканы были бы тонкостенными?

Юра. Тогда бы нас поджидали неприятности при разливе чая с меньшей вероятностью.

Ира. Но почему?

Юра. Ты слышала о таком важном свойстве стекла, как термостойкость? Она определяет способность стекла выдержать заданный интервал температур, не разрушаясь, не трескаясь. Термостойкость зависит от ряда физических величин: теплопроводности, толщины стекла, коэффициента его линейного расширения. Чем тоньше стекло и меньше коэффициент его линейного расширения, тем больше термостойкость. Например, термостойкость кварца значительно (почти в 20 раз) превосходит термостойкость обычного стекла; это связано с тем, что коэффициент линейного расширения кварца в 18 — 20 раз меньше, чем у стекла.

Нина. Поскольку термостойкость толстого стекла меньше, чем тонкого, я действую так: опускаю ложечку в свой пустой стакан. И он готов к разливу чая.

Наташа. Я все поняла и следую твоему примеру (опускает в стакан свою ложку). Ложечка металлическая, она обладает большой теплопроводностью и будет забирать часть тепла, когда мы нальем кипяток; стекло толстостенного стакана от этого будет нагреваться медленно, и стакан не лопнет.

Коля. Эта мера предосторожности достаточна для того, чтобы стакан не треснул?

Юра. Да, но все же желательно наливать чай медленно. Наружная поверхность стенки стакана успеет при этом прогреться и деформации ее не произойдет.

Коля. Что раньше наливать — заварку или кипяток?

Саша. Мне кажется безразлично, если их температуры одинаковы.

Дима. Это верно, но на практике всегда температура заварки меньше, и поэтому безопаснее раньше налить заварку, а уже потом — кипяток.

Надя. Когда я смотрела на чистый кипяток, дно стакана мне казалось приподнятым, а часть ложечки, погруженной в воду,— укороченной. Почему? Или мне это почудилось?

Ведущий. Это не иллюзия; эффект объясняется преломлением света.

[Ребята кладут ложечками сахар в чай, помешивают его.]

Ведущий. Я вижу, что все довольно активно занялись одной и той же операцией. Это необходимо или делается машинально?

Ира. Мы положили сахар в чай, чтобы тот имел сладкий вкус. Сахар растворяется в жидкости. Молекулы сахара при этом вследствие своего хаотического движения и диффузии распределяются по всему объему чая. При помешивании кроме диффузии происходит перемешивание слоев жидкости, что убыстряет процесс.

Нина. А я вот что скажу. Мне наполнили стакан чаем до краев, так, чтоб нельзя было долить ни одной капли. Между тем я осторожно сыпала сахар, и чай не переливался через край. Почему? В чем дело? Как поместился сахар в полный стакан?

Ведущий. Какой интересный вопрос!

Коля. Я хочу ответить Нине. Когда она всыпала сахар, то он растворился и его молекулы разместились между молекулами воды; при этом образовался раствор; молекулы сахара, заняв промежутки между молекулами воды, как бы уплотнили вещество.

Ведущий. Все! Пьем чай! Осторожно: он горячий!

Саша. Я дую на него.

Наташа. Я наливаю чай в блюдце.

Надя. Зачем они это делают?

Коля. Мы дуем на чай, чтобы повысить, скорость испарения, удаляя от поверхности жидкости молекулы пара. Когда чай наливаем в блюдце, увеличиваем площадь испарения; процесс испарения идет в большем масштабе и быстрее.

Нина. Опять физика! А чай вкусный, и мы его с удовольствием пьем. [Все пьют чай с наслаждением.]

Ведущий. (обращаясь к зрителям). На этом мы наш вечер завершим. Будем рады, если он и вам понравился.