Конвекция излучение и теплопроводность: Ошибка 403

Содержание

Конвекция • 8 класс • Физика

Содержание

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. На данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Рисунок 1. Отличие конвекции от теплопроводности на опыте с водой в пробирке

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Рассмотрим физику данного явления. Будем использовать самый банальный пример — что будет происходить с водой, которую мы нагреваем в кастрюле на плите (рисунок 2) .

Рисунок 2. Конвекция в жидкости

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

{"questions":[{"content":"При конвекции[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["теплые слои поднимаются, а холодные опускаются","теплые слои опускаются, а холодные поднимаются","жидкость равномерно нагревается"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.

Рисунок 3. Наглядное движение окрашенных слоев жидкости

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Конвекция в газах

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

Рисунок 4. Конвекция в газах

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

{"questions":[{"content":"При конвекции нагретый слой воздуха[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["имеет меньшую плотность, чем холодный","имеет большую плотность, чем холодный","имеет такую же плотность, как и холодный"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,

Для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

Конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

Естественная (свободная)
Вынужденная

Рисунок 5. Виды конвекции

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем вентилятор или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).

Рисунок 6. Конвекция воздуха в комнате, обогреваемой батареей

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

{"questions":[{"content":"Чтобы происходила конвекция, жидкость или газ необходимо нагревать[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["снизу","сверху","равномерно по всему объему"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Рисунок 7. Конвекция в квартире

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Конвекция в природе

Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.

Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.

Рисунок 8. Циркуляция атмосферы

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.

Рисунок 9. Океанические течения

Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

Рисунок 10. Дневной и ночной бризы

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.

Конвекция. Излучение — Физика — Уроки

Тема «Конвекция. Излучение»

Цели урока: введение понятий конвекции и излучения как способов теплопередачи; раскрытие механизма передачи энергии в жидкостях и газах.

Задачи урока:

общеобразовательная: познакомить учеников с проявлениями видов теплопроводности в жидкостях, газах и вакууме; объяснить понятие явлений конвекции и излучения, их особенностей.

развивающая: продолжить формирование у обучающихся ключевых умений, имеющих универсальное значение для различных видов деятельности – выделение проблемы, принятие решения, поиска, анализа и обработки информации;

воспитательная: воспитывать коллективизм, творческое отношение к порученному делу.

Тип урока. Изучение нового материала.

Оборудование: теплоприемник, резиновая трубка, стакан с водой и электрическая лампочка, пробирка, жидкостный манометр, колба, бумажная вертушка;

мультимедийный проектор, презентация.

Демонстрации:

Движение вертушки над включенной лампой.
Нагревание марганца в колбе с водой.
Взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Актуализация знаний.

Самостоятельная работа по карточкам по теме «Теплопроводность» (Приложение 1)

III. Изучение нового материала.

Учитель. Эпиграфом к сегодняшнему уроку я взяла следующие слова: «Воду пруда нагревает зной сверху, а внизу – холодный слой». Йогешвара. Мы с вами продолжаем изучать виды теплопередачи. Сегодня познакомимся с конвекцией и излучением. Запишите тему урока.

Слайд 1

Вопрос: Какие способы изменения внутренней энергии тела вы знаете? (Заслушиваются ответы учеников)

Слайд 2

Итак, знакомимся еще с одним видом теплопередачи. Конвекция – (от лат. слова конвекцио – перенесение) – это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Слайд 3

Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная. Естественная конвекция – самопроизвольное охлаждение, нагревание, перемещение. Вынужденная конвекция – перемещение с помощью насоса, мешалки и т.п.

Слайд 4

Механизм конвекции в жидкостях. Жидкости и газы нагреваются снизу, так как у них плохая теплопроводность. У горячих слоёв жидкости (газа) плотность уменьшается, и они поднимаются вверх, уступая место более холодным. Возникает циркуляция («движение по кругу») слоёв.

Слайд 5

Механизм конвекции в газах. Теплый воздух имеет меньшую плотность и со стороны холодного воздуха на него действует сила Архимеда, направленная вертикально вверх.

Слайд 6

Конвекция учитывается при установке отопительных приборов: батареи располагаются у пола. В этом случае в комнате устанавливается устойчивое конвекционное движение воздуха.

В твердых телах конвекции нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью. Много проявлений конвекции можно обнаружить в природе и жизни человека. Конвекция также находит применение в технике.

В результате конвекции в атмосфере образуются ветры у моря — это дневные и ночные бризы. Дневной бриз — Холодный воздух понизу с моря перемещается к берегу. Ночной бриз — Холодный воздух понизу с берега перемещается к морю.

Слайд 7

Демонстрации.

Включим лампу накаливания с отражателем и поместим над лампой бумажную вертушку. Вертушка начинает вращаться. Холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается. (Плотность горячего воздуха меньше, чем холодного, поэтому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплого воздуха поднимаются вверх, а на их место опускается холодный воздух)
Нагреем пробирку с водой, на дно которой опущены кристаллики марганцовки. Появились малиновые «змейки», которые поднимаются вверх.

Вопрос. Какие особенности вы увидели? (Ученики делают выводы)

Учитель. Запишите особенности в тетрадь.

При конвекции в жидкостях или газах:

1) само вещество переносится;

2) существует только в жидкостях и газах, ее нет в твердых телах;

3) чтобы она происходила, нагревать нужно снизу.

Учитель: Вам хорошо известно, что основным источником тела на Земле является Солнце. Земля находится от Солнца на расстоянии 15*10⁷ км. Все это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество. В вакууме перенос энергии путем теплопроводности почти невозможен. Не может происходить он и за счет конвекции. Следовательно, существует еще одни вид теплопередачи.

Демонстрация.

Включенная электрическая плитка, к которой сбоку подносится теплоприемник, соединенный с жидкостным манометром.

Учитель: Что наблюдаем? Почему изменился уровень воды в манометре? (Воздух в теплоприемнике нагрелся, расширился, в этом колене манометра жидкость опустилась, а в другом поднялась.)

Каким способом нагрелся воздух в теплоприемнике? (Между ним и плиткой есть воздух, а у него очень маленькая теплопроводность, следовательно, теплопроводность отсутствует. Конвекции тоже нет, т.к. теплоприемник не над плиткой, а рядом с ней.)

Учитель: Это действительно новый вид теплообмена — излучение (лучистый теплообмен). Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн.

Любое нагретое тело является источником излучения. Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Слайд 8

Не задумывались ли вы над вопросом: как передается солнечное тепло на Землю? Ведь в космическом пространстве нет ни твердых, ни жидких, ни газообразных тел. Следовательно, космическое пространство не может передавать тепло Солнца на Землю ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Дело в том, что тепло от Солнца к Земле передается также как сигнал с радиостанции приемнику, — электромагнитными волнами.

Слайд 9

Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

Слайд 10

Около 50% энергии излучаемой Солнцем является лучистой энергией, эта энергия — источник жизни на Земле. Излучение происходит по всем направлениям.

Слайд 11

Излучение применяется для сушки и нагрева материалов, в приборах ночного видения (бинокли, оптические прицелы), для создания систем самонаведения на цель бомб, снарядов и ракет

Слайд 12

Количество излучённой или поглощённой энергии зависит от площади поверхности тела

Слайд 13

Демонстрация. Взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

При нагревании темной поверхности в стакане с водой быстрее появляются пузырьки воздуха, чем при нагревании светлой поверхности.

Учитель. Запишите особенности излучения в тетрадь:

излучают все нагретые тела (твердые, жидкие, газообразные),
происходит в вакууме,
зависит от цвета поверхностей: темная поверхность лучше излучает и поглощает тепло, светлая – наоборот; тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой.

IV. Закрепление материала.

Почему отопительные батареи в комнате устанавливают у пола, а форточки для проветривания помещают в верхней части окна?
Почему подвал – самое холодное место в доме?

Слайд 14

В каком чайнике быстрее согреется вода? В каком из этих чайников она дольше останется горячей?
Что произойдёт через некоторое время? Как изменятся показания термометра? Почему?

Слайд 15

V. Подведение итогов. Домашнее задание

§ 5-6, упражнение 2,3, Л № 972-976, 984-987,

Задание: в бумажной коробочке вскипятить воду над пламенем свечи. (Опыт выполняйте вместе с родителями).

VI. Список использованной литературы:

Волков В.А. Универсальные поурочные разработки по физике: 8 класс. –М.: ВАКО:, 2010
Громовцева О.И. Контрольные и самостоятельные работы по физике. 8 класс: к учебнику А.В. Перышкина «Физика. 8 класс».-М.: «Экзамен», 2017
Гутник Е.М. Физика. 8 класс: тематическое и поурочное планирование к учебнику А.В. Перышкина «Физика. 8 класс». –М.: Дрофа, 2005
Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2014.
Сарахман И.Д. Виды теплопередачи http://www.myshared.ru/slide/1218283/
Соболева А.И.Виды теплопередачи http://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2013/12/11/urok-8-klass-konvektsiya-izlucheniehttp://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2013/12/11/urok-8-klass-konvektsiya-izluchenie