Урок "Мой дом. Физическое чаепитие"
план-конспект урока по физике (8 класс) на тему

                            ТЕМА «МОЙ ДОМ И ФИЗИКА В НЕМ»        

                             УРОК «ФИЗИКА и ЧАЕПИТИЕ» ДЛЯ 8 классов

                                                                                      23 марта 2018г.

                                                                            МОГИЛЬНИЦКАЯ С.Ю.

                                                                   Учитель физики ГБОУ школа 1574

У каждого человека есть место, где он чувствует себя в безопасности. Для меня такое место – мой дом, теплый и уютный. И сегодня я приглашаю вас на домашнее чаепитие.

Чай пьют во многих странах мира. Существуют свои национальные особенности чаепития, и даже чайные церемонии. Многие даже не подозревают, что чаю – этому самому популярному напитку в мире уже около 5 000 лет.

Теперь даже трудно себе представить, что 5 тысячелетий назад такой привычный и домашний напиток, как чай, являлся строго дозированным... лекарством. А мудрецы создали философию чая: они верили, что чай помогает глубже проникнуть во внутренний мир человека.   Европа попробовала напиток лишь в 16 веке.

В России чай появился в 1638 году, когда монгольский Алтын-хан прислал царю Михаилу Фёдоровичу чай в качестве подарка.

А   главенствующее положение в России чай занимает с 19 века,  подкрепленный целой армией сияющих самоваров, горами баранок и литрами домашнего варенья. 

Чай пьют по-разному: на ходу, убегая на работу или учебу, или в буфете аэропорта, в ожидании летной погоды. Пьют в поездах – из скучного стакана. Пьют из металлической крышки термоса. Пьют, поскольку сухой кусок  в горло не лезет, пьют, чтобы убить время, пьют, так как врачи говорят, что чай обладает полезными свойствами.

Но все это не чаепитие, а привычная часть утренней или вечерней трапезы. Чаепитие – другое. Чаепитие – дружеская беседа за столом, старинный домашний обычай, ритуал, добрая традиция многих народов, в том числе и нашего русского народа.

Я тоже пришла к выводу, что пора остановиться в нашей безумной учебной гонке и присесть, присесть за чашкой чая. При этом можно продолжать учиться. Что я готова сделать. А вы? 

   Наше сегодняшнее чаепитие тоже имеет свои особенности. Это чаепитие физическое!. Какое отношение имеет физика к чаепитию, спросите вы? Ну что же, давайте попробуем разобраться вместе. Итак, мы на кухне и  приступаем к приготовлению чая.

 1.На моей кухне газовая плита. Включим газ, но спичку не зажжем и сразу почувствуем неприятный запах, скорей выключим конфорку. А ведь природный газ – это вещество  без запаха. Представьте, что могло случиться, если мы открыли конфорку и никакого запаха не почувствовали, а газ заполнял бы кухню. Последствия могли быть ужасные. Чтобы этого не произошло прежде, чем газ поступает в трубопровод, его смешивают с веществом неприятного запаха, который мы сразу чувствуем. С каким явлением мы встретились? ( диффузия)

 2.Теперь можно зажечь спичку о коробок. При трении о коробок температура серы на спичке увеличивается до ее воспламенения. Мы наблюдаем с вами закон природы – превращение механической энергии во внутреннюю энергию.

3. А если плита и чайник электрические? Электрический ток оказывает тепловое действие и электрическая энергия превращается во внутреннюю.

 Нальем в чайник холодную воду из  крана и поставим его на конфорку.

4.А почему чайник нужно ставить на конфорку, а не под нее? Ну конечно вода в чайнике в таком случае не нагреется. Почему?  Так ведь в результате конвекции теплые слои воды, нагретые от подводимого тепла, расширяются и под действием силы Архимеда поднимаются вверх, а их место занимают холодные слои воды, которые в свою очередь после нагревания также поднимутся вверх. Так и перемещаются порции воды, постепенно прогреваясь до тех пор пока вода не нагреется равномерно.

5.Ой, забыла закрыть чайник крышкой. Стоп. А разве это обязательно? Конечно. Если чайник открыт, то часть молекул воды, имеющих большую кинетическую энергию, будет беспрепятственно улетать в пространство над чайником, унося с собой свою энергию; поэтому к чайнику нужно дольше подводить энергию извне, и он долго не закипает. Закрытый чайник закипит быстрее. Уменьшим теплообмен с окружающей средой – закроем чайник крышкой.

6.Удивительно, на блестящей стороне чайника образовались капельки, точно указывающие, сколько воды налито. Говорят чайник «запотел». Мы с вами наблюдаем образование росы (Водяной пар, соприкасаясь с холодной стенкой чайника конденсируется, т.е. переходит из газообразного состояния в жидкое).

7.А чайник какого цвета нужно взять, чтобы вода в нем нагрелась быстрее? Ну конечно темного, потому что темные поверхности поглощают энергию излучения больше, чем светлые, но и остывать такой чайник будет также быстрее светлого. Поэтому при покупке чайника решите для себя первостепенный вопрос, чего вы хотите больше: чтобы вода в чайнике быстрее закипела или быстрее остыла. Излучение

8.Чайник с водой нагревается, и мы начинаем слышать характерный шум сначала не громкий, но постепенно усиливающийся, говорят «чайник закипел». Но это не так, вода еще в чайнике не кипит. Во время нагревания у дна и с боков начинают образовываться маленькие пузырьки, внутри которых содержится насыщенный пар. Эти пузырьки отрываются, благодаря силе Архимеда, но,  не дойдя еще до поверхности воды, исчезают. Ведь вода это плохой проводник тепла у дна чайника температура воды выше, чем у поверхности. Оторвавшиеся пузырьки, поднимаясь, попадают в более холодную воду, уменьшаются в размере и резко захлопываются.  Движение множества пузырьков и вызывает шум воды. Когда вода прогрелась, то пузырьки увеличиваются в объеме и достигают поверхности воды, мы слышим бурление, вот теперь вода закипела. Из носика чайника вырывается пар, мы его видим благодаря явлению, которое называется конденсация. Вырвавшись из носика чайника, водяной пар  в прохладном воздухе конденсируется, образуя мельчайшие капельки воды; вот их-то мы и видим.

8.А что это у меня крышка чайника подпрыгивает? А как же ей не подпрыгивать, если внутри чайника образовалось большое количество пара, который, обладая большой внутренней энергией, совершает за счет нее  механическую работу. Вот здорово! У меня получилась небольшая тепловая машина, в которой внутренняя энергия преобразуется в механическую.

9.Раньше чай у меня закипал быстрее, нежели сегодня, не могу понять,  почему.  Ну, конечно, в чайнике образовалась накипь, на нагревание которой затрачивается дополнительное количество теплоты. Как я сразу об этом не догадалась.

10.Какую температуру имеет кипящая вода в чайнике? Всегда ли кипит вода при 100 °С?  Конечно, нет. Все зависит от давления над поверхностью воды: чем меньше давление, тем температура кипения меньше. В горах вода кипит при 90°С, а в котельных — при 200°С.) Тогда каким простым способом можно повысить температуру кипения воды в чайнике? Увеличить давление над поверхностью воды. Для этого надо плотно закрыть чайник крышкой, сверху положить груз, в носик вставить пробку.

11.А в каких кухонных приборах применяется этот способ — увеличение давления над кипящей жидкостью? Для каких целей? Я читала, что  скороварках. Увеличение давления вызывает повышение температуры кипения. Жидкость прогревается до температуры выше 100°С. При этом пища проваривается быстрее и лучше.

12.Осторожно. Хотя температура пара равна температуре кипятка 100°С, но хозяйки знают, что ожег паром гораздо болезненнее, чем кипятком. А почему? Дело в том, что пар обладает большей внутренней энергией, чем 100°С градусная вода. Чем больше энергии, которой обладает пар, тем больше тепла выделится при его конденсации и охлаждении. Можно, наконец, снять чайник с плиты за ручку, не боясь обжечься, ведь ручка выполнена из материала обладающего плохой теплопроводностью и она не нагрелась, что не скажешь о металлическом чайнике.

13.Обратите внимание на заварочный чайник. В его крышке сделана небольшая дырочка. Зачем? В чайник наливают горячую воду; она испаряется. Если в крышке чайника нет дырочки, то между крышкой и слоем воды скапливается пар и образуется повышенное давление, под влиянием которого вода будет выливаться из носика. Вот поэтому и сделали дырочку, хоть мала она, но очень необходима.

 14. Возьмем  стакан и  фарфоровую чашку. Стакан мы поставим в подстаканник, т.к. стекло хоть и плохой проводник тепла, но когда  прогреется,  будет иметь температуру горячего чая и нам не удержать стакан в руках. Интересно, чтобы подстаканник быстрее охлаждал чай, из какого материала нужно его изготовить? Я думаю, что из такого, у которого теплопроводность возможно больше, а удельная теплоемкость возможно меньше; например из серебра, золота. Золотой подстаканник – это здорово, но очень дорого, поэтому остановимся на серебряном, в крайнем случае на алюминиевом.

15.Прежде, чем наливать воду, не забудьте положить металлическую ложку, тогда стакан не лопнет, ведь металл обладает хорошей теплопроводностью и забирает часть тепла. А вот если ложки нет, то при наливании кипятка внутренняя сторона стакана  при нагревании расширится, а внешняя из-за плохой теплопроводности не успевает, ведь стеклу нужно время, чтобы прогреться. Возникает механическое напряжение в стекле и стакан может треснуть.  Фарфоровая чашка плохой проводник тепла она не нагревается, да и механического напряжения не возникает, сравните, на сколько, тоньше чашка граненого стакана.

16.Интересно, а  для чего у чашек сделаны ручки? Ну конечно,  ручка позволяет брать горячую чашку, не обжигая при этом пальцы. Она менее горяча, чем чашка, так как соприкасается с ней всего двумя точками, т.е. слабо связана с источником тепла.

17.Разливая чай, я все же случайно капнул из носика чайника на руку кипяток. Ощущение было почти такое, как если бы мне укололи руку иголкой. Почему?  Молекулы кипящей воды имеют большую скорость движения, поэтому мгновенно пробивают верхнюю часть кожи и проникают в ткани мышц, вызывая ощущение боли. Очень неприятно!

18.Теперь надо приготовить чай.  Для этого положим пакетик с чаем в чашку с водой и наблюдаем, окрашивание воды: происходит  диффузия. Причем завариваем в горячей воде, а не в холодной,  потому что скорость диффузии зависит от температуры, чем выше температура тела, тем быстрее движутся молекулы, из которых состоят все вещества. Положим в чашку кусочек сахара, наблюдаем его растворение  - это опять диффузия.    

Приятного аппетита.

19. Вернемся к чаю. Захотели, чтобы быстрее растворился сахар, надо помешать чай ложкой. Осуществим искусственную конвекцию, приложим усилие, чтобы слои жидкости перемешались.

20. А хотите, чтобы чай быстрее остыл, то подуйте на него или налейте в блюдце. Скорость испарения, а мы наблюдаем именно это явление, зависит от ветра (перемещения воздушных масс) и площади поверхности. Если мы подуем на поверхность чая, то вероятность того, что молекулы, которые покинули жидкость, вернутся в нее обратно, уменьшится. Если чай налит в блюдце, то площадь поверхности больше и процесс испарения увеличивается, потому что больше быстрых молекул смогут вырваться с поверхности жидкости. При испарении вещество охлаждается, т.к. вылетают «быстрые» молекулы, которые имеют большую кинетическую энергию.  Так и наш чай в блюдце охлаждается.

А если держать блюдце только кончиками пальцев, то площадь соприкосновения кончиков пальцев и блюдечка очень мала, поэтому рука не так сильно чувствует большую температуру блюдца.

Смеркалось; на столе, блистая,

Шипел вечерний  самовар,

Китайский чайник нагревая;

Под ним клубился лёгкий пар.

Разлитый Ольгиной рукою

По чашкам тёмною струёю

Уже душистый чай бежал,

И сливки мальчик подавал.

А.С. Пушкин.

21.А я люблю чай с молоком. А вы знаете, почему молоко опускается на дно стакана, когда его подливают в чай? Потому, что плотность молока больше плотности чая.

               22.До какой температуры остынет горячий чай, если оставить чашку с ним в комнате до утра? До температуры воздуха в помещении.

А чтобы чай в чашке как можно дольше оставался горячим, нужно уменьшить теплопроводность и теплообмен. Для этого можно поставить чашку на подставку, которая плохо проводит тепло, например деревянную. Желательно поместить ее в другую чашку, большую, сделав подобие калориметра. Можно завернуть ее в "шубу". Сверху чашку лучше накрыть, например, пластинкой из пенопласта. Нет, это уже слишком. Укутаю просто махровым полотенцем.

23.Как все – таки уютно сидеть на кухне за чашкой чая со свежеприготовленным пирогом или с печеньем. А почему яблочный пирог долго остаётся горячим? Оказывается, в яблоках имеется много влаги, а жидкость имеет большую теплоёмкость. Ну чего ждать? Пора резать яблочный пирог. 

24Почему нож перед употреблением рекомендуется намочить?

Чтобы,  будучи влажным, он легко скользил и не цеплялся за стенки свежего пирога. Короче, вода играет роль смазки, уменьшая силу трения.      25. Что-то,  однако,  плохо режется пирог?  Так ведь нож – то тупой? Надо его подточить. При затачивании ножа площадь лезвия уменьшается, давление увеличивается, и поэтому даже при малом усилии пирог разрезать будет нетрудно.

26.А кстати, печенье легко разломить, но невозможно соединить куски. Почему? Когда печенье ломаем, то нарушаем молекулярные связи. При соединении не удается сблизить куски на такое расстояние, чтобы начали проявляться силы молекулярного притяжения.

27.А еще одна традиция передалась нам от предков: пить чай с баранками. На каком физическом явлении основана привычка размачивать баранки? (смачивание и несмачивание поверхности водой; капиллярные явления)

28. Возьмите шоколад и поделите его на ( пары) между собой. А на сколько человек можно вообще поделить этот кусок шоколада?( На много, пока ни останется неделимая частица). Значит, шоколад и все вещества состоят из частиц- молекул.

29. На столе лежат салфетки. Вытрите руки салфеткой, салфетки лежат на столе.

Почему не вытираете салфетками из фольги? Целлофана? ( Не смачиваются салфетки эти водой- силы притяжения молекул воды и тела больше сил притяжения молекул воды и фольги). Итак, молекулы притягиваются и отталкиваются- взаимодействуют.

30.Свежеиспеченный хлеб весит больше, чем тот же, но остывший. Почему? Часть влаги испаряется, вес хлеба становится меньше.

Чашка  чая был горяча, а теперь остыла. Теплота вышла из него и рассеялась кругом. Вы и не подозреваете, какой могучий богатырь вышел вместе с теплотой из этого чая. Он невидим, этот богатырь, но о его могуществе вам может рассказать несложный расчет.

В нашем стакане было примерно четверть килограмма горячей воды, значит, при остывании на каждый градус она теряла четверть калории. А так как чай остыл со 100оС до 20оС  (от температуры кипения до комнатной), т. е. на 80оС,  то всего чай потерял 1/4×80=20 калорий. Энергия стакана кипятка могла бы поднять автомобиль на высоту многоэтажного дома.

Двадцатью калориями можно сделать очень много, если превратить всю эту теплоту в механическую работу. Одна калория, превращаясь полностью в работу, могла бы поднять груз в 1 кг на высоту 427 м, округляя — на 430 м. Значит, та теплота, которая вышла из нашего чая (20 калорий), могла бы поднять на 430 м 20 кг, или на 1 м огромный груз — 8600 кг. Такую же работу совершает молотобоец, делая 400 ударов, или огромный 5-тонный паровой молот, падающий с высоты человеческого роста. Разве не богатырская мощь скрывается в стакане горячего чая?

Вот еще более поразительное сопоставление. Та же самая энергия заключается в 20 ружейных пулях, летящих со скоростью 700 м в секунду. Залп из 20 винтовок — вот мощность, скрытая в стакане горячего чая!

Можно было бы заставить этого богатыря выполнять другую работу, например, светить в электрической лампочке. Тогда он сможет в течение целого часа посылать вам свет 25-ваттной лампочки. Это тоже очень почтенная работа.

Не так-то просто, однако, заставить этого богатыря работать нам на пользу. Теплоту вообще трудно превратить в механическую работу; человеческой изобретательности удается пока заставить теплоту выполнять только часть — меньшую часть — той механической работы, на которую она способна.

Законы   физики   существуют   не   только   на   страницах   учебников.   Они   стерегут   нас   на   каждом   шагу:  на   прогулке,  в   троллейбусе,   в   поезде,   за   любой   работой,   развлечением, едой.   Не   всякий,   однако,   склонен   задумываться   над    тем,   что   его   постоянно   окружает,   что   совершается    перед    его    глазами.  И я попыталась ответить на вопросы, которые могут  возникнуть у каждого во время завтрака, обеда или ужина  за чайным столом.

Мы с вами провели несколько минут дома. Даже при небольшой экскурсии по кухне мы встретились с вами с проявлением многих физических явлений. А пока мы достигли главного –  мы  взглянули на окружающий  мир по – новому, теперь мы уверены, что многому в этом мире можно дать научное объяснение. Важно знать и понимать этот мир, он откроет нам свои тайны. А наша задача узнать их.

                Используемая литература.

http://nsportal.ru/ap/ap/drugoe/russkiy-chayvozvrashchenie-domoy

http://festival.1september.ru/articles/550784/

http://www.physics.uni-altai.ru/Metodist/?issue=3&article=6

http://www.partheart.ru/konservatizm-i-novizna/

http://topreferat.znate.ru/docs/index-13253.html

http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fnsportal.ru%2Fshkola%2Ffizika%2Flibrary%2Ffizika-na-kukhne

http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fwww.ostrovskazok.ru%2Ffizika-dlya-malishey%2Fnastoyaschaya-fizika-dlya-sovremennich-malishey-i-ich-roditeley-pochemu-zhelezo-chol

http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fgardenweb.ru%2Fbytovye-elektronagrevatelnye-ustroistva

http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fru.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25D0%259C%25D0%25BE%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BA%25D1%2583%25D0%25BB%25D1%258F%25D1%2580%25D0%25BD%25D0%25B0%25D1%258F_%25D0%25BA%25D1%2583%25D1%2585%25D0%25BD%25D1%258F

http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fnsportal.ru%2Fap%2Fnauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo%2Flibrary%2Ffizika-na-kukhne