Измерение температуры при помощи жидкостного термометра и датчика температуры
Цели и задачи
- Цель: изучить устройство и принцип действия жидкостного термометра и цифрового датчика, сравнив их эффективность и инерционность в ходе физического эксперимента.
- Образовательная задача: выяснить физические основы работы приборов (тепловое расширение и изменение сопротивления), освоить методику считывания показаний и настройки оборудования.
- Развивающая задача: развить навыки проведения сравнительного анализа, фиксации данных с учетом погрешности и расчета производных величин (скорость изменения температуры).
- Воспитательная задача: формировать культуру безопасного обращения с лабораторным стеклом и электроникой, аккуратность при ведении протокола исследования.
Планируемые результаты
Личностные
- Формирование познавательного интереса к исследовательской деятельности.
- Развитие навыков сотрудничества в группе и ответственности за общий результат.
- Осознание важности точности измерений в науке и повседневной жизни.
Метапредметные
- Умение планировать и проводить эксперимент по заданной инструкции.
- Навык сравнения объектов по заданным характеристикам (инерционность, способ считывания).
- Способность представлять данные в виде таблиц и формулировать аргументированные выводы.
Предметные
- Знание принципа теплового расширения жидкостей и его применения в технике.
- Умение измерять температуру жидкостным термометром с учетом цены деления и датчиком с точностью до 0,1°C.
- Владение формулой расчета среднего значения температуры и скорости изменения показаний.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Смыслообразование (понимание связи между физическим явлением и работой прибора).
- Самоопределение в роли исследователя (лаборант, секретарь, аналитик).
Регулятивные УУД
- Целеполагание как постановка учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно, и того, что еще неизвестно.
- Контроль в форме сличения способа действия и его результата с заданным эталоном.
Познавательные УУД
- Поиск и выделение необходимой информации из текста и показаний приборов.
- Построение логической цепи рассуждений при объяснении физических эффектов.
Коммуникативные УУД
- Умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами исследования.
- Управление поведением партнера — контроль, коррекция, оценка его действий.
Подготовка учителя к уроку
- Проверить целостность колб 15 жидкостных спиртовых термометров.
- Зарядить и подключить к ПО 15 цифровых датчиков температуры (набор «Архимед» или аналог).
- Подготовить термосы с горячей водой (около 60°C) и емкости с водой комнатной температуры.
- Распечатать карточки четырех цветов для деления на группы (по количеству учеников).
- Подготовить 15 комплектов «стакан + салфетка + секундомер».
- Вывести на экран таблицу «Характеристики приборов» и «Лестницу успеха».
- Распечатать памятки по ТБ при работе с горячей водой и стеклом.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: создание рабочей атмосферы, формирование исследовательских групп и настрой на активную деятельность.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | "Здравствуйте, коллеги-исследователи! Проверьте, всё ли готово к нашему эксперименту? На столах должны быть термометры, датчики, стаканы и салфетки. Давайте применим приём 'Шифровка ТРУД': Т — тетради, Р — ручки, У — учебники, Д — дневники. Покажите готовность!" | Проверяют наличие оборудования, демонстрируют учебные принадлежности. Настраиваются на рабочий лад. |
1 мин | "Сегодня мы работаем в командах. Возьмите карточку любого цвета. Синие объединяются в первую группу, красные — во вторую и так далее. Распределите роли: Лаборант работает с приборами, Секретарь пишет, Аналитик сравнивает, Спикер защищает выводы." | Выбирают карточки, пересаживаются в группы по 4 человека, распределяют обязанности внутри команды. |
1 мин | "Как вы думаете, почему в современной науке мы используем и старые добрые термометры, и цифровые датчики? Может ли один быть точнее другого? Сегодня мы станем экспертами, которые проверят это на практике. Помните: в физике результат — это не просто цифра, а ответ на вопрос природы!" | Высказывают предположения: «Датчики быстрее», «Термометры надежнее, не разрядятся». Формулируют интерес к теме. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Группы сформированы, цели намечены. Прежде чем приступить к измерениям, нам нужно вспомнить теорию, на которой основана работа наших инструментов."
Этап 2. Актуализация знаний (7 мин)
Цель этапа: активизировать знания учащихся о физических принципах работы термометра и подготовить их к исследованию.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | "Проведем блиц-опрос. Вопрос первый: Что такое тепловое равновесие? Вопрос второй: Какое явление лежит в основе работы жидкостного термометра? Вопрос третий: Как изменится объем жидкости в термометре при нагревании и почему?" | Отвечают: «Состояние, когда температуры тел равны», «Тепловое расширение», «Объем увеличится, так как частицы движутся быстрее и расстояние между ними растет». |
4 мин | "Решим логическую задачу 'Эффект опускания столбика'. При погружении термометра в горячую воду столбик сначала на долю секунды опускается вниз, а уже потом начинает расти. Почему? Подсказка: что нагревается первым — стекло или жидкость?" | Обсуждают в группах. Спикеры отвечают: «Сначала расширяется стеклянная колба, её объём растёт, поэтому уровень падает. Затем тепло доходит до жидкости, и она расширяется сильнее стекла». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Запись в тетрадях
- Тепловое равновесие: T_тела = T_среды.
- Тепловое расширение: ΔV > 0 при ΔT > 0.
- Инерционность — время достижения равновесия.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы разобрались с теорией расширения. Теперь давайте посмотрим, как работают наши приборы в сравнении. Переходим к аналитическому этапу."
Этап 3. Изучение нового материала: Сравнительный анализ (10 мин)
Цель этапа: выявить различия между аналоговым и цифровым методами измерения через командную работу с информацией.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | "Посмотрите на доску. Здесь представлены два уравнения. Для жидкостного термометра: V = V0(1 + βΔt). Для датчика: R = R0(1 + αΔt). Датчик не расширяется, он меняет электрическое сопротивление. Как вы думаете, какой прибор среагирует быстрее?" | Рассматривают формулы. Выдвигают гипотезу: «Датчик среагирует быстрее, так как электроны движутся мгновенно, а жидкости нужно время на прогрев». |
7 мин | "Каждая группа получает карточку с описанием принципа работы. Заполните сравнительную таблицу в тетрадях по четырем характеристикам: явление, способ считывания, инерционность, источник питания. Сравните результаты с эталоном на экране." | Работают с текстом карточек, заполняют таблицу. Фиксируют: жидкостный — расширение, визуально, высокая инерционность; датчик — сопротивление, дисплей, низкая инерционность. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь мы знаем, чем они отличаются 'на бумаге'. Пришло время проверить наши знания в деле. Приступаем к эксперименту!"
Этап 4. Практическая работа (15 мин)
Цель этапа: сравнить точность и инерционность приборов при измерении температуры воды.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | "Инструктаж по ТБ: Стеклянные термометры хрупкие, работаем аккуратно, не используем их для перемешивания воды! Вода в стаканах горячая, не допускайте попадания на кожу. Лаборанты, получите оборудование. Секретари, приготовьте таблицы." | Слушают инструктаж, получают лотки с оборудованием. Подготавливают рабочее место. |
8 мин | "Задание: 1) Измерьте температуру в стакане №1 (комнатная) и стакане №2 (горячая) обоими приборами. 2) Засеките время Δt в секундах, за которое показания перестанут меняться. Заполните таблицу наблюдений. Я прохожу по рядам и контролирую процесс." | Одновременно погружают приборы в воду. Секундомером замеряют время стабилизации. Секретари вносят данные: t (°C) и Δt (с) для каждого прибора. |
5 мин | "Анализируем результаты. Рассчитайте среднюю скорость изменения температуры для каждого прибора по формуле: v_T = ΔT / Δt. Где ΔT — разность температур между стаканами. Сравните, у кого v_T выше?" | Проводят расчеты. Делают вывод: «У датчика v_T больше, так как Δt меньше. Значит, он обладает меньшей инерционностью и быстрее реагирует на изменения». |
Эталон решения
Если датчик показал изменение температуры на 40°C за 10 секунд, то: v_T = 40°C / 10 с = 4°C/с. Для жидкостного термометра Δt обычно составляет 30-40 секунд, значит v_T ≈ 1°C/с.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Эксперимент завершен. Вы увидели разницу в скорости отклика своими глазами. Давайте обобщим наши открытия."
Этап 5. Подведение итогов и Рефлексия (5 мин)
Цель этапа: систематизировать полученные данные и оценить эффективность работы в группах.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | "Вывожу на экран сводную таблицу. В каких случаях показания приборов разошлись? Можем ли мы считать датчик более точным прибором? Какие факторы могли повлиять на результат? Запишите краткий вывод в тетрадь." | Сравнивают данные групп. Отвечают: «Показания разошлись на 0,3-0,5 градуса. Датчик точнее, так как у него нет ошибки параллакса при считывании и выше чувствительность». |
2 мин | "Применим приём 'Лестница успеха'. Отметьте себя на одной из трёх ступеней: 1 — было трудно, 2 — понял принцип, но нужна помощь, 3 — могу объяснить разницу в работе приборов сам. Сдайте листы самооценки." | Рисуют лестницу в тетради или на листочке, ставят галочку. Озвучивают свой вклад: «Я сегодня был отличным лаборантом, не разбил термометр и всё замерил». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы убедились, что физический эксперимент требует не только точности приборов, но и внимательности исследователя. Спасибо за работу!"
Этап 6. Домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: закрепить связь теории и практики, предоставив выбор творческого или расчетного задания.
Уровень сложности | Задания | Описание |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Комикс по безопасности | Создать комикс из 4-6 кадров: действия при разбитии ртутного термометра (проветривание, сбор, вызов помощи). |
Средний (повышающий) | Проект 'Термометр будущего' | Нарисовать эскиз бесконтактного прибора или прибора на новых материалах. Указать физический принцип. |
Продвинутый (дополнительный) | Расчетная задача | Рассчитать, на сколько делений поднимется столбик, если ΔV = V0 * β * Δt. Данные взять из учебника (стр. 120). |
Контрольные вопросы перед выходом: «Почему нельзя использовать спиртовой термометр для измерения температуры, которая меняется каждую миллисекунду?»; «В чем главное преимущество датчика при удаленных измерениях?»
Критерии оценивания практической работы
- «5» — измерения проведены верно, таблица заполнена полностью, рассчитана скорость v_T, сформулирован вывод об инерционности.
- «4» — измерения проведены, но допущены ошибки в расчетах или не полностью заполнены характеристики приборов в таблице.
- «3» — работа выполнена частично, отсутствует вывод или нарушены правила техники безопасности в ходе эксперимента.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какое измерение было самым сложным и почему? | Выявление затруднений в работе с цифровым оборудованием или шкалой. |
Как знание об инерционности поможет вам в быту? | Осознание практической значимости (например, сколько ждать при измерении температуры тела). |
Что бы вы изменили в работе своей группы? | Анализ коммуникативных навыков и распределения ролей. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы заложили фундамент понимания тепловых явлений через инструменты познания. Мы увидели, что за каждой цифрой на экране датчика стоит сложный физический процесс изменения сопротивления, а за движением спирта — танец расширяющихся молекул. Если вы сегодня почувствовали азарт исследователя — значит, урок прошел не зря. На следующем занятии мы узнаем, как теплота передается от одного тела к другому. До встречи!"