Лабораторная работа «Изучение процесса теплообмена»
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: за 45 минут экспериментально исследовать теплообмен между телами с разной температурой, измерить начальную и конечную температуры, оформить результаты в таблице и сформулировать вывод о направлении и результате теплообмена.
- Сформировать умение безопасно собирать установку для наблюдения теплообмена между горячей и холодной водой и проводить измерения температуры.
- Научить фиксировать экспериментальные данные, сравнивать начальную и конечную температуры и объяснять результат на основе движения и взаимодействия частиц вещества.
- Развивать навыки планирования опыта, работы в паре, проверки измерений и аргументированного формулирования вывода.
- Воспитывать ответственное отношение к соблюдению правил безопасности и точности лабораторной работы.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к объяснению тепловых явлений через эксперимент.
- Осознают ценность точности, аккуратности и ответственности при работе с измерительными приборами.
- Понимают практическое значение теплообмена для быта, техники, энергетики и будущей профессиональной деятельности.
- Уважительно распределяют роли в паре и учитывают мнение партнёра при обсуждении результатов.
Метапредметные
- Планируют последовательность лабораторного опыта и распределяют время между его этапами.
- Извлекают информацию из инструкции, таблицы наблюдений и показаний термометра.
- Сравнивают экспериментальные данные, выявляют изменение температуры и формулируют причинно-следственный вывод.
- Представляют результат исследования в виде таблицы и краткого устного сообщения.
- Осуществляют взаимопроверку, обнаруживают возможные источники погрешности и предлагают способ улучшения опыта.
Предметные
- Знать, что теплообмен — процесс передачи внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому.
- Уметь измерять температуру воды лабораторным термометром с учётом цены деления и правил безопасности.
- Уметь описывать изменение температуры горячей и холодной воды после контакта.
- Уметь объяснять установление теплового равновесия и формулировать вывод о направлении теплообмена.
- Владеть навыком оформления результатов лабораторной работы в таблице наблюдений.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осознают личную ответственность за соблюдение правил безопасной работы с горячей водой и стеклянной посудой.
- Соотносят результат опыта с жизненными ситуациями: охлаждением напитка, нагреванием пищи, теплоизоляцией.
- Проявляют готовность доводить исследование до оформления вывода, даже если результат отличается от ожидаемого.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную цель и формулируют ожидаемый результат лабораторного опыта.
- Планируют действия по инструкции: подготовка установки, измерение, смешивание, повторное измерение, обработка данных.
- Контролируют правильность положения термометра, отсчёта показаний и записи единиц измерения.
- Сопоставляют полученный результат с гипотезой и корректируют объяснение при обнаружении ошибки.
- Оценивают качество своей работы по предложенным критериям.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки теплообмена и теплового равновесия.
- Моделируют передачу энергии стрелками от более нагретой воды к менее нагретой.
- Сравнивают начальные и конечные значения температуры и устанавливают их связь.
- Работают с инструкцией, таблицей измерений и простейшими количественными данными.
- Выдвигают гипотезу о конечной температуре смеси и проверяют её экспериментально.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре: оператор термометра, ответственный за посуду и запись; при необходимости меняются ролями.
- Обсуждают гипотезу и согласуют последовательность действий до начала опыта.
- Формулируют вопросы о причинах расхождения результатов и отвечают на вопросы партнёров.
- Представляют вывод, используя данные собственной пары, а не только общий результат класса.
- Корректно дают партнёру обратную связь по принципу «две сильные стороны и одно пожелание».
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую пару два стакана или калориметрических сосуда, мерный цилиндр, термометр, палочку для перемешивания, салфетку и поддон.
- Заранее приготовить горячую воду температурой примерно 50–60 °C и холодную воду комнатной температуры; не использовать кипяток.
- Распечатать инструкцию лабораторной работы и таблицу наблюдений по одной на каждого ученика, всего по числу учащихся.
- Распечатать карточки с ролями «измеритель», «оператор установки», «секретарь» — по одной на каждую пару.
- Подготовить карточки трёх уровней для обработки результатов: обязательный, повышающий и исследовательский — по одной на каждую пару.
- Вывести на доску или экран схему: «горячее тело → холодное тело → тепловое равновесие» и правила отсчёта температуры.
- Записать на доске формулировку проблемного вопроса: «Почему после смешивания горячая вода остывает, а холодная нагревается?»
- Подготовить секундомер или таймер на 3 минуты, маркеры, стикеры зелёного и жёлтого цвета.
- Проверить целостность термометров, отсутствие острых краёв и устойчивость посуды; подготовить контейнер для использованной воды.
- Подготовить проектор или интерактивную доску для демонстрации таблицы данных и общего обсуждения результатов.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу и вызвать интерес к исследованию реального теплового явления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране два сосуда с горячей и холодной водой: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем не просто повторять определение теплообмена, а проверим его экспериментом. Посмотрите на два сосуда: в одном вода горячая, в другом холодная. Как изменятся их температуры, если мы соединим эти образцы? Сначала каждый сформулируйте предположение, не подглядывая к соседу." | Индивидуально записывают гипотезу: «горячая вода остынет, холодная нагреется» или предлагают другой вариант и кратко объясняют его. |
2 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Обсудите с партнёром, какое тело будет отдавать энергию и какое получать. Назовите не только направление изменения температуры, но и предполагаемый результат после установления равновесия. Помните: мы проверяем гипотезу опытом, а не угадываем правильный ответ." | 30 секунд обдумывают ответ, около минуты обсуждают в паре, затем несколько пар сообщают: «Горячая вода отдаёт энергию, холодная получает; температуры сблизятся». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Гипотезы сформулированы. Сейчас проверим их измерениями и выясним, как именно протекает теплообмен."
Этап 2. Актуализация знаний и техника безопасности (6 мин)
Цель этапа: восстановить опорные знания о температуре и теплообмене и предупредить опасные действия при выполнении опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит эвристическую беседу: "Что показывает температура? В каком направлении передаётся внутренняя энергия при контакте тел? Когда теплообмен прекращается? Посмотрите на схему на доске и дополните её словами: более нагретое тело, менее нагретое тело, тепловое равновесие." | Отвечают: «Температура характеризует степень нагретости тела»; «энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому»; «теплообмен прекращается при одинаковой температуре». Дополняют схему стрелкой. |
3 мин | Учитель показывает термометр и проговаривает правила: "Термометр держим за верхнюю часть, не прижимаем к стенке сосуда и не кладём на дно. Отсчёт проводим после установления показаний, глаза находятся на уровне жидкости в термометре. Горячую воду берём только по команде учителя, сосуд ставим на поддон, при проливе сразу сообщаем мне. Назовите два действия, которые могут привести к ошибке или травме." | Называют: «нельзя брать горячую посуду без разрешения», «нельзя ударять термометром о стенки», «нельзя оставлять воду на столе». В парах выбирают роли и повторяют правило отсчёта. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили направление передачи энергии и договорились о безопасных измерениях. Теперь определим цель опыта и спланируем его выполнение."
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 3. Постановка проблемы и планирование опыта (5 мин)
Цель этапа: перевести учебную проблему в конкретный план лабораторного исследования.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель обращается к классу: "Проблемный вопрос урока звучит так: почему горячая вода остывает, а холодная нагревается? Чтобы ответить научно, нам нужны начальные и конечные температуры. Сформулируйте цель лабораторной работы одним предложением, используя глаголы «измерить», «сравнить», «сделать вывод»." | Формулируют цель: «Измерить начальные и конечные температуры воды, сравнить их и сделать вывод о направлении теплообмена». |
3 мин | Учитель показывает на экране последовательность действий: "Сначала измеряем температуру горячей и холодной воды отдельно. Затем соединяем одинаковые объёмы воды, осторожно перемешиваем и снова измеряем температуру через три минуты. Запишите этот план и заранее предположите, какая температура получится после смешивания. Почему она, вероятно, окажется между начальными значениями?" | Записывают план из четырёх шагов, рассчитывают, что конечная температура будет между начальной температурой горячей и холодной воды, объясняют: «часть энергии перейдёт от горячей воды к холодной». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "План составлен, роли распределены, гипотеза записана. Переходим к главной части — самостоятельному проведению опыта по инструкции."
Этап 4. Выполнение лабораторного опыта (12 мин)
Цель этапа: получить экспериментальные данные о передаче энергии между водой с разной температурой.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт оборудование и инструкции: "Проверьте, что на столе есть два сосуда, термометр, мерный цилиндр и таблица. Налейте в первый сосуд 50 мл горячей воды, во второй — 50 мл холодной. Не начинайте одновременно: сначала поднимите руку, я проверю устойчивость посуды. Измерьте температуру каждой порции и запишите значение с единицей измерения." | Оператор установки отмеряет воду, измеритель погружает термометр, секретарь записывает значения $t_1$ и $t_2$ в таблицу. Пара сообщает учителю о готовности. |
4 мин | Учитель контролирует работу и напоминает: "Сравните ваши значения до смешивания. Какая вода имеет большую внутреннюю энергию при одинаковой массе? Теперь аккуратно перелейте холодную воду к горячей, накройте сосуд или используйте калориметр и перемешивайте палочкой без резких движений. Зафиксируйте время начала смешивания." | Сравнивают температуры, отвечают: «более горячая вода». Осторожно смешивают равные объёмы, запускают таймер и перемешивают по инструкции. |
3 мин | Учитель говорит: "Через три минуты осторожно измерьте температуру смеси. Термометр не вынимайте сразу: дождитесь устойчивого показания. Секретарь записывает результат, а второй участник проверяет запись по показанию прибора. Если значения отличаются, повторите отсчёт и укажите причину возможного расхождения." | Через три минуты измеряют конечную температуру $t_3$, сверяют показание и запись, при необходимости повторяют измерение. Отмечают, какая вода охладилась, а какая нагрелась. |
2 мин | Учитель просит привести рабочее место в порядок: "Остановите опыт, слейте воду только в предназначенный сосуд, вытрите поддон и положите термометр на салфетку. Проверьте, заполнены ли все графы таблицы: объём, начальная температура, конечная температура, наблюдение." | Убирают оборудование, проверяют таблицу, дописывают единицы измерения и краткое наблюдение: «температуры воды сблизились». |
Запись в тетрадях
Записать: «Тема лабораторной работы. Цель. Оборудование. Таблица измерений: $V_1$, $V_2$, $t_1$, $t_2$, $t_3$. Наблюдение: горячая вода остыла, холодная вода нагрелась; температура смеси стала промежуточной».
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Измерения получены, теперь недостаточно просто назвать числа. Нужно сравнить их, объяснить изменения и проверить, подтверждает ли опыт нашу гипотезу."
Этап 5. Обработка результатов и первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: связать наблюдаемые изменения температуры с направлением передачи внутренней энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель выводит на экран шаблон анализа: "Сравните $t_1$ и $t_3$, затем $t_2$ и $t_3$. В какой воде температура уменьшилась? В какой увеличилась? Проведите стрелку от источника энергии к получателю. Используйте полные предложения, а не отдельные слова." | В парах сравнивают значения, записывают: «температура горячей воды уменьшилась», «температура холодной воды увеличилась», рисуют стрелку от горячей воды к холодной. |
2 мин | Учитель задаёт толстые вопросы: "Почему конечная температура не сохранилась равной температуре горячей воды? Почему она не стала равной температуре холодной воды? Что показывает промежуточное значение температуры смеси?" | Формулируют ответы: «энергия передалась холодной воде»; «горячая вода не передала всю энергию мгновенно»; «промежуточная температура показывает установление теплового равновесия». |
2 мин | Учитель организует приём «Светофор»: "Покажите зелёную карточку, если можете объяснить направление теплообмена, жёлтую — если нужна подсказка, красную — если остался существенный вопрос. После сигнала сформулируйте общий вывод лабораторной работы." | Показывают карточку, задают уточняющие вопросы, записывают вывод: «При контакте тел с разной температурой энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому до установления теплового равновесия». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Эксперимент подтвердил, что теплообмен имеет определённое направление. Сейчас каждый проверит, умеет ли самостоятельно читать данные и объяснять результат."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (8 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание результатов опыта и способность аргументировать вывод по данным.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт индивидуальные карточки: "Выполните задания самостоятельно. Даны результаты пары: горячая вода имела температуру $70\ ^\circ\mathrm{C}$, холодная — $20\ ^\circ\mathrm{C}$, после смешивания температура стала $43\ ^\circ\mathrm{C}$. Запишите, какая вода отдала энергию, какая получила; укажите, как изменилась температура каждой воды; объясните, почему результат оказался между начальными значениями." | Индивидуально отвечают: «горячая вода отдала энергию», «холодная получила энергию», «температура горячей воды уменьшилась, холодной увеличилась», «энергия передавалась до теплового равновесия». |
3 мин | Учитель показывает эталон на доске: "Проверьте каждое утверждение по критериям: указано направление передачи энергии, описано изменение обеих температур, названо тепловое равновесие. Исправьте только те места, где есть ошибка, и поставьте себе отметку по работе." | Сверяют ответы с эталоном, исправляют формулировки, оценивают работу: «выполнено полностью», «нужно уточнить объяснение» или «нужна помощь в понимании результата». |
Эталон решения
Горячая вода имела $70\ ^\circ\mathrm{C}$, холодная — $20\ ^\circ\mathrm{C}$. После смешивания температура стала $43\ ^\circ\mathrm{C}$. Так как $70>43$, горячая вода остыла и отдала часть внутренней энергии. Так как $20<43$, холодная вода нагрелась и получила энергию. Значение $43\ ^\circ\mathrm{C}$ находится между начальными температурами, поэтому результат согласуется с направлением теплообмена от более нагретой воды к менее нагретой до установления теплового равновесия.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы проверили не только память, но и умение использовать экспериментальные данные. Осталось оценить качество работы, назвать трудности и связать опыт с бытовыми примерами."
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: осмыслить результат лабораторной работы, оценить собственный вклад и определить направление дальнейшего изучения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт стикеры и предлагает приём «Одноминутная запись»: "За одну минуту допишите три фразы: «Сегодня я установил…», «Самым важным измерением было…», «Чтобы получить более точный результат, я бы…». Не переписывайте определение, сформулируйте собственное понимание." | Записывают три фразы: например, «энергия переходит от горячего тела к холодному», «важно точно измерить начальную температуру», «нужно уменьшить потери тепла и повторить измерение». |
2 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите базовый, средний или продвинутый уровень. Перед выходом ответьте на контрольные вопросы: в каком направлении идёт теплообмен? Что происходит с температурами тел? Когда теплообмен прекращается?" Учитель собирает стикеры и таблицы. | Отвечают: «от более нагретого тела к менее нагретому»; «температура горячего уменьшается, холодного увеличивается»; «при установлении теплового равновесия». Выбирают уровень домашнего задания и записывают его. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — полностью выполнен опыт, заполнены все графы таблицы, корректно записаны единицы измерения, верно определено направление теплообмена и сформулирован вывод о тепловом равновесии; правила безопасности соблюдены.
- «4» — опыт выполнен и вывод в целом верен, но допущена одна неточность в записи показания, оформлении таблицы или объяснении причины изменения температуры.
- «3» — получены основные измерения, однако таблица заполнена неполностью или вывод сформулирован с помощью учителя; направление теплообмена определено верно.
- Ниже отметки «3» — отсутствуют необходимые измерения, нарушены правила безопасности или не установлена связь между результатами опыта и явлением теплообмена.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы установили о направлении теплообмена? | Проверка осознания основного предметного вывода урока. |
Какое измерение было наиболее важным и почему? | Выявление понимания роли начальной и конечной температуры в эксперименте. |
Что могло повлиять на точность вашего результата? | Формирование навыка анализа погрешностей и критической оценки опыта. |
Какое действие вы сможете выполнить самостоятельно на следующей лабораторной работе? | Оценка самостоятельности и регулятивных УУД ученика. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы доказали опытом, что теплообмен происходит от более нагретого тела к менее нагретому, пока не установится тепловое равновесие. Важно не только получить число на термометре, но и объяснить, почему оно получилось именно таким. Типичная ошибка — перепутать направление движения вещества с направлением передачи энергии: вода может смешиваться, а энергия передаётся от горячей части к холодной. На следующем уроке мы продолжим изучать способы передачи тепла и сравним теплообмен, теплопроводность, конвекцию и излучение."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Оформить отчёт по лабораторной работе: цель, оборудование, таблица собственных измерений, наблюдение и вывод о направлении теплообмена. Дополнительно привести два бытовых примера теплообмена. | Закрепляет структуру экспериментального отчёта и умение переносить понятие на жизненные ситуации; при проверке обратить внимание на точность данных и формулировку вывода. |
Средний (повышающий) | Решить 3 качественные задачи: объяснить охлаждение горячего напитка, нагревание металлической ложки в супе и установление температуры смеси. В каждом ответе указать источник и получателя энергии. | Развивает применение понятия теплообмена и умение аргументировать ответ причинно-следственной цепочкой. |
Продвинутый (дополнительный) | Спроектировать мини-исследование: сравнить скорость остывания воды в открытом и накрытом сосудах или в сосудах из разных материалов. Записать гипотезу, оборудование, 3–4 измерения температуры и предполагаемый вывод. | Формирует навыки планирования исследования, работы с переменными и анализа экспериментальных данных. |
Контрольные вопросы перед выходом: «От какого тела к какому передаётся энергия при теплообмене? Как по показаниям термометра определить, что горячее тело отдало энергию? Что называют тепловым равновесием?»
