Урок-исследование: объяснение зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока на основе наблюдений за демонстрационными опытами сформулировать и объяснить зависимость температуры кипения воды от внешнего давления, используя не менее двух экспериментальных фактов и правильно применяя понятия «кипение», «давление насыщенного пара» и «внешнее давление».
- Сформировать представление о том, что кипение начинается при равенстве давления насыщенного пара жидкости внешнему давлению.
- Научить наблюдать физический эксперимент, фиксировать результаты в таблице и формулировать вывод по данным наблюдения.
- Развивать умение выдвигать гипотезы, сравнивать условия опытов, объяснять наблюдаемое явление на основе модели движения молекул.
- Воспитывать внимательность при проведении физического наблюдения, ответственное отношение к технике безопасности и уважение к аргументированному мнению одноклассников.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к объяснению повседневных явлений: работе скороварки, приготовлению пищи в горах и использованию вакуумного оборудования.
- Понимают ценность экспериментального способа познания природы и необходимость проверять предположения наблюдением.
- Осознают личную ответственность за соблюдение правил безопасности при работе с нагревательными приборами, горячей водой и стеклянной посудой.
- Проявляют готовность выслушивать мнение одноклассников и корректировать собственную гипотезу после анализа результатов опыта.
Метапредметные
- Фиксируют условия и результаты опытов в таблице наблюдений, выделяя независимую переменную — внешнее давление — и зависимую переменную — температуру кипения.
- Сравнивают результаты двух демонстраций, устанавливают причинно-следственную связь между изменением давления и изменением температуры кипения.
- Формулируют гипотезу, проверяют её экспериментальными данными и представляют вывод в устной форме.
- Работают с информацией на доске и экране, используют физические термины и аргументируют ответ на основе наблюдаемых фактов.
Предметные
- Знать, что кипение начинается при условии равенства давления насыщенного пара жидкости внешнему давлению.
- Уметь объяснять, почему при уменьшении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, а при увеличении внешнего давления повышается.
- Уметь описывать результаты демонстрационного опыта и отличать наблюдение от объяснения.
- Владеть способом формулировки вывода о зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осмысливают практическую значимость изучаемой зависимости для безопасного приготовления пищи и работы с нагревательными системами.
- Проявляют самостоятельность при выборе формулировки гипотезы и оценке её соответствия результатам эксперимента.
- Осознают значение точности наблюдений и соблюдения инструкций для получения достоверного результата.
- Формируют ответственное отношение к коллективной работе и правилам безопасного поведения на уроке физики.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную задачу: выяснить, как внешнее давление влияет на температуру кипения жидкости.
- Планируют наблюдение по предложенной последовательности: определить условия опыта, зафиксировать признаки кипения, сравнить результаты, сформулировать вывод.
- Осуществляют самоконтроль полноты записи результатов и правильности использования физических терминов.
- Оценивают собственный ответ по критериям: наличие факта наблюдения, объяснения и общего вывода; при необходимости исправляют формулировку.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки кипения: образование пузырьков пара во всём объёме жидкости и их всплытие.
- Строят простую физическую модель: кипение начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением.
- Сравнивают наблюдения при обычном и пониженном внешнем давлении, устанавливают направление изменения температуры кипения.
- Делают вывод по результатам опыта и используют его для объяснения бытовых и технических ситуаций.
Коммуникативные УУД
- Формулируют наблюдения полными предложениями и используют их при обсуждении в парах.
- Задают уточняющие вопросы о температуре, давлении и признаках кипения.
- Аргументируют вывод, ссылаясь на конкретные результаты демонстраций.
- Учитывают ответы одноклассников, сравнивают разные формулировки и совместно выбирают наиболее точный вывод.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить демонстрационную колбу с водой, термометр, нагреватель, штатив, пробку с трубкой, ручной вакуумный насос или демонстрационную вакуумную установку; проверить герметичность соединений.
- Подготовить вторую ёмкость с водой для сравнения и термометр с безопасным диапазоном измерений; заранее нагреть воду до температуры около 80–90 °C, не доводя её до кипения перед демонстрацией.
- Подготовить защитные очки для учителя, термостойкие перчатки, экран или защитный кожух для стеклянной колбы, устойчивый демонстрационный стол.
- Распечатать лист наблюдений по одному на каждого ученика: «Условия опыта», «Наблюдаемые признаки», «Температура», «Объяснение», «Вывод».
- Подготовить карточки с одним исследовательским заданием на каждого ученика или одну карточку на парту.
- Вывесить на доске схему: «Кипение начинается, когда давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению» и заготовку таблицы сравнения опытов.
- Подготовить слайд или плакат с правилами безопасности: не трогать приборы без разрешения, не наклоняться над колбой, не направлять отверстия трубок на людей, не использовать повреждённое стекло.
- Проверить исправность нагревателя, насоса, термометров и наличие устойчивого электропитания; убрать с демонстрационного стола лишние предметы.
- Подготовить таймер на 2–3 минуты для этапов наблюдения и цветные стикеры для фиксации гипотезы учащихся.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент, мотивация и техника безопасности (4 мин)
Цель этапа: организовать внимание класса, вызвать интерес к проблеме и обеспечить безопасное наблюдение за демонстрационными опытами.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране фотографии кипящей воды в обычной кастрюле, скороварки и приготовления пищи в высокогорье: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем не просто слушать объяснение, а проведём небольшое исследование. Посмотрите на изображения и подумайте: почему в одних условиях жидкость может закипеть при другой температуре? Запишите первый вариант ответа одним предложением." | Рассматривают изображения, индивидуально записывают предположение: «Температура кипения может зависеть от условий» или «В горах вода кипит при более низкой температуре». |
2 мин | Учитель показывает закрытую демонстрационную установку и объявляет правила: "Все опыты выполняю я, а вы наблюдаете, фиксируете данные и задаёте вопросы. Нельзя подходить к столу, касаться нагревателя, колбы, трубок и насоса без разрешения. Не наклоняйтесь над сосудом и не направляйте отверстия трубок на себя или соседа. Если заметили трещину, резкое движение прибора или пролив жидкости, сразу поднимите руку и сообщите мне." | Повторяют ключевые правила, отвечают на вопрос учителя: «Почему нельзя касаться колбы?» — «Она может быть горячей и хрупкой». |
1 мин | Учитель раздаёт листы наблюдений: "Сегодня важны не только ответы, но и точные записи. В каждой строке отмечайте условие опыта, признаки кипения и показание термометра. Если вы не уверены, записывайте именно то, что видите, не подменяя наблюдение объяснением." | Получают листы наблюдений, записывают дату и тему исследования, готовят ручки и термометры не трогают. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы договорились работать как исследователи: сначала внимательно наблюдать, затем объяснять. Сейчас проверим, что уже знаем о кипении, чтобы точно определить, какое затруднение нам предстоит решить."
Этап 2. Актуализация знаний и постановка исследовательского вопроса (6 мин)
Цель этапа: актуализировать признаки кипения и понятие внешнего давления, выявить необходимость нового объяснения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель задаёт вопросы эвристической беседы: "Что называют кипением? Чем кипение отличается от испарения? Где образуются пузырьки при кипении? Что происходит с пузырьками пара по мере их подъёма?" После ответов учитель фиксирует на доске слова «весь объём», «пузырьки пара», «всплытие». | Отвечают: «Кипение — парообразование по всему объёму жидкости»; «Испарение происходит с поверхности»; «Пузырьки образуются внутри жидкости и поднимаются вверх». |
2 мин | Учитель показывает термометр и спрашивает: "При какой температуре кипит вода в обычных условиях? Можно ли считать эту температуру неизменной для любых условий? От чего, по-вашему, зависит момент начала кипения?" Учитель принимает разные гипотезы без немедленной оценки. | Формулируют предположения: «Вода кипит при 100 °C»; «Температура зависит от состава жидкости»; «Возможно, она зависит от давления». |
2 мин | Учитель записывает на доске исследовательский вопрос: «Как изменение внешнего давления влияет на температуру кипения жидкости?» и обращается к классу: "Сегодня нам нужно не угадать ответ, а получить его из наблюдений. Какие величины мы будем сравнивать? Что оставим одинаковым?" | Называют сравниваемые величины: внешнее давление и температуру кипения; предлагают оставить одной и той же жидкость — воду, а также наблюдать одинаковый признак кипения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили признаки кипения и увидели, что привычная температура 100 °C относится к определённым условиям. Теперь поставим гипотезу и проверим её двумя демонстрациями."
Этап 3. Гипотеза и план исследования (4 мин)
Цель этапа: сформулировать проверяемую гипотезу и определить последовательность наблюдений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Сначала 30 секунд каждый подумайте самостоятельно: если внешнее давление уменьшить, температура кипения повысится, понизится или не изменится? Затем обсудите решение с соседом и обязательно объясните его одним аргументом. После этого несколько пар озвучат гипотезы." | Индивидуально выбирают вариант, затем обсуждают его в парах и формулируют гипотезу: «При уменьшении давления температура кипения понизится» или «При уменьшении давления кипение начнётся раньше». |
2 мин | Учитель записывает рабочую гипотезу и план на доске: "Сначала рассмотрим кипение воды при обычном давлении. Затем создадим над водой пониженное давление и сравним температуру и внешний вид жидкости. В конце объясним результат с помощью давления насыщенного пара. Запишите этот план в лист наблюдений." | Записывают план исследования, отмечают, что наблюдать будут температуру, появление и характер движения пузырьков, а также условия опыта. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Гипотеза сформулирована, а критерии наблюдения определены. Первый опыт даст нам исходную точку — кипение воды при обычном внешнем давлении."
Этап 4. Демонстрационный опыт 1: кипение воды при обычном давлении (7 мин)
Цель этапа: зафиксировать исходные условия кипения воды и установить связь между температурой и наблюдаемыми признаками кипения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает установку: "Перед вами колба с водой, термометр и нагреватель. Внешнее давление примерно равно атмосферному. Я буду нагревать воду, а вы отмечайте изменения: сначала появление отдельных пузырьков, затем движение пузырьков по всему объёму и, наконец, устойчивое кипение. Не записывайте объяснение вместо наблюдения." | Рассматривают установку, записывают исходные условия: вода, открытая система, внешнее давление близко к атмосферному; наблюдают появление пузырьков у дна. |
3 мин | Учитель медленно нагревает воду и спрашивает: "Что изменилось? Где появляются пузырьки? Поднимаются ли они до поверхности? Как меняется показание термометра? Когда мы можем назвать процесс кипением?" Учитель показывает термометр классу и фиксирует показание около 100 °C с учётом погрешности прибора. | Отмечают в листе наблюдений: пузырьки образуются во всём объёме, поднимаются и достигают поверхности; при устойчивом кипении температура близка к 100 °C при обычном давлении. Отвечают: «Процесс стал кипением, когда пузырьки начали образовываться по всему объёму и выходить на поверхность». |
2 мин | Учитель организует краткое обсуждение: "Сейчас не делаем общий вывод о всех возможных условиях. Запишите только результат первого опыта: при внешнем давлении, близком к атмосферному, вода кипит примерно при 100 °C. Какие данные нам понадобятся для сравнения во втором опыте?" | Записывают результат первого опыта и называют необходимые данные: значение внешнего давления, температуру начала устойчивого кипения и признаки кипения. |
Запись в тетрадях
Опыт 1. При внешнем давлении, близком к атмосферному, вода кипит при температуре около 100 °C. Признак кипения — образование пузырьков пара во всём объёме жидкости и их выход на поверхность.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы получили исходное значение и описали признаки кипения. Теперь изменим только внешнее давление, оставив воду той же жидкостью, и проверим, изменится ли температура кипения."
Этап 5. Демонстрационный опыт 2: кипение воды при пониженном давлении (9 мин)
Цель этапа: наблюдать кипение воды при пониженном внешнем давлении и сравнить температуру процесса с результатом первого опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель прекращает нагрев, убеждается, что установка остыла до безопасного состояния, закрывает колбу пробкой с трубкой и объясняет: "Внутри колбы находится тёплая вода. Сейчас я буду откачивать часть воздуха над поверхностью жидкости. Вода остаётся той же, но давление над ней уменьшается. Следите за двумя признаками: начнётся ли кипение и что покажет термометр." | Записывают в листе наблюдений: изменяемая величина — давление над водой; вода и начальная температура остаются прежними. Делают прогноз: «Кипение начнётся при меньшей температуре». |
3 мин | Учитель осторожно работает насосом и показывает колбу: "Посмотрите на воду. При откачивании воздуха пузырьки появляются и начинают расти. Это не обычное испарение только с поверхности: пузырьки образуются внутри объёма и поднимаются. Считываем температуру в момент устойчивого кипения. Она ниже 100 °C; точное значение зависит от установки и степени разрежения." | Наблюдают появление пузырьков и кипение воды при пониженном показании термометра, например около 60–80 °C. Записывают фактическое показание прибора, не заменяя его заранее известным числом. |
2 мин | Учитель прекращает откачивание и возвращает давление к атмосферному: "Теперь впустим воздух и посмотрим, что произойдёт. Почему кипение ослабевает или прекращается? Сравните этот момент с первой демонстрацией." | Наблюдают ослабление или прекращение кипения, фиксируют: при увеличении давления температура воды остаётся ниже 100 °C и кипение прекращается либо становится менее интенсивным. |
2 мин | Учитель задаёт вопросы наблюдателям: "Какое условие изменилось между опытами? Как изменилась температура кипения? Что произошло с кипением после возвращения атмосферного давления?" | Отвечают: «Изменилось внешнее давление»; «При пониженном давлении вода кипит при более низкой температуре»; «При увеличении давления кипение ослабло или прекратилось». |
Эталон объяснения наблюдаемого явления
Внутри жидкости постоянно образуется пар. Кипение начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению: $p_{н.п.}=p_{внешн.}$. При понижении внешнего давления равенство достигается при меньшей температуре, поэтому вода начинает кипеть раньше. При повышении внешнего давления требуется большая температура, чтобы давление насыщенного пара достигло внешнего давления; температура кипения повышается.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Второй опыт подтвердил нашу гипотезу: изменение внешнего давления изменило температуру кипения. Но физический вывод должен объяснять не только что произошло, но и почему. Сейчас построим это объяснение с помощью модели давления пара."
Этап 6. Обсуждение результатов и первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: перевести результаты наблюдений в физическую закономерность и закрепить причинное объяснение.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель выводит на доску таблицу сравнения и предлагает заполнить её вместе: "Сравним опыты по четырём позициям: жидкость, внешнее давление, температура кипения и вывод. Я буду принимать только ответы, которые опираются на запись наблюдений." Учитель корректирует формулировки и выделяет стрелками направление изменения. | Заполняют таблицу: вода; давление близко к атмосферному — температура около 100 °C; пониженное давление — температура ниже 100 °C; при уменьшении внешнего давления температура кипения уменьшается. |
2 мин | Учитель проводит приём «Толстые и тонкие вопросы»: "Тонкий вопрос: при каком давлении в первом опыте кипела вода? Толстый вопрос: почему при пониженном давлении кипение начинается при меньшей температуре? Ещё один вопрос: что произойдёт с температурой кипения в герметичной скороварке, если давление внутри выше атмосферного?" | Отвечают: «При давлении, близком к атмосферному»; «При меньшем давлении равенство с давлением насыщенного пара достигается при меньшей температуре»; «В скороварке температура кипения повышается». |
2 мин | Учитель предлагает сформулировать общий вывод: "Составьте предложение по шаблону: «Если внешнее давление ..., то температура кипения ..., потому что ...». Сначала проговорите его соседу, затем две пары озвучат варианты." | Формулируют вывод: «Если внешнее давление уменьшается, температура кипения жидкости понижается, потому что давление насыщенного пара достигает внешнего давления при меньшей температуре». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы сравнили два опыта и связали наблюдение с условием кипения. Теперь каждый самостоятельно проверит, может ли применить закономерность к новым ситуациям и отличить верное объяснение от ошибочного."
Этап 7. Самостоятельное исследовательское задание с самопроверкой (5 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание зависимости температуры кипения от внешнего давления и умение применять её к реальному контексту.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточку с заданием: "В герметичной скороварке давление выше атмосферного, а в высокогорье давление ниже атмосферного. Расположите температуру кипения воды в порядке возрастания для трёх условий: высокогорье, обычные условия, скороварка. Объясните порядок двумя предложениями и используйте выражение «давление насыщенного пара»." | Индивидуально записывают порядок: высокогорье — обычные условия — скороварка. Объясняют: «При меньшем внешнем давлении вода кипит при меньшей температуре, а при большем — при большей». |
2 мин | Учитель показывает эталон на доске: "Проверьте три элемента ответа: верный порядок, направление зависимости и объяснение через равенство давления насыщенного пара внешнему давлению. Если один элемент пропущен, исправьте ответ другим цветом." | Сверяют работу с эталоном, подчёркивают физические термины и вносят исправления. |
Эталон решения
В высокогорье внешнее давление меньше атмосферного, поэтому вода закипает при меньшей температуре. В обычных условиях температура кипения воды близка к 100 °C. В скороварке внешнее давление больше атмосферного, поэтому для выполнения условия $p_{н.п.}=p_{внешн.}$ требуется более высокая температура. Порядок возрастания температуры кипения: высокогорье, обычные условия, скороварка.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы применили закономерность не к повторению опыта, а к новым условиям. Осталось зафиксировать главный вывод урока, оценить собственное понимание и определить, что нужно повторить дома."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: осмыслить результат исследования, выявить затруднения и сообщить дифференцированное домашнее задание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает заполнить «Билет на выход»: "Запишите три коротких ответа: 1) от чего зависит температура кипения жидкости; 2) что произойдёт с ней при уменьшении внешнего давления; 3) какое наблюдение сегодня подтвердило ваш ответ. В конце поставьте рядом с выводом знак: зелёный — могу объяснить сам, жёлтый — нужна тренировка, красный — нужна помощь." | Письменно отвечают на три вопроса, отмечают уровень уверенности и сдают билет учителю. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите один из трёх уровней. При выполнении обязательно используйте общий вывод и объясняйте направление изменения температуры, а не только называйте его." | Записывают выбранный уровень домашнего задания и задают уточняющие вопросы. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы установили зависимость экспериментально: при уменьшении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, а при увеличении — повышается. Важно помнить, что кипение связано не с одной фиксированной температурой, а с равенством давления насыщенного пара и внешнего давления."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — в листе наблюдений полно описаны оба опыта, корректно указаны условия и результаты, сформулирован вывод о зависимости температуры кипения от давления, приведено объяснение через равенство давления насыщенного пара внешнему давлению.
- «4» — результаты обоих опытов указаны верно, направление зависимости сформулировано правильно, но объяснение неполное или допущена одна неточность в описании признаков кипения.
- «3» — зафиксирован хотя бы один результат опыта и в целом указано, что при уменьшении давления температура кипения понижается, однако отсутствует или существенно неполно физическое объяснение.
- Ниже «3» — наблюдения не зафиксированы либо вывод противоречит результатам эксперимента; требуется повторное объяснение с опорой на таблицу наблюдений.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что изменилось между первым и вторым опытом? | Проверка понимания выделенной независимой переменной — внешнего давления. |
Почему вода при пониженном давлении закипела при меньшей температуре? | Выявление понимания условия кипения и связи с давлением насыщенного пара. |
Какое наблюдение сегодня было самым убедительным? | Оценка способности опираться на экспериментальный факт, а не на догадку. |
Что в объяснении зависимости осталось непонятным? | Выявление индивидуальных точек затруднения для последующей коррекции. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы доказали опытами, что температура кипения жидкости не является постоянной для любых условий. При уменьшении внешнего давления жидкость закипает при более низкой температуре, а при увеличении давления температура кипения повышается. Типичная ошибка — считать, что вода всегда кипит ровно при 100 °C, не учитывая давление. На следующем уроке мы продолжим применять это объяснение к тепловым двигателям, скороварке и условиям кипения жидкостей в природе и технике.»
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Ответить письменно на 4 вопроса по материалу урока: что называют кипением; при каком условии оно начинается; как изменяется температура кипения при уменьшении давления; почему в горах вода кипит при более низкой температуре. Каждый ответ — 1–2 полных предложения. | Закрепляет основные понятия и проверяет правильность направления зависимости; при проверке обратить внимание на употребление терминов «внешнее давление» и «давление насыщенного пара». |
Средний (повышающий) | Решить 3 качественные задачи: объяснить работу скороварки; предсказать изменение температуры кипения при увеличении давления над жидкостью; сравнить кипение воды в обычных условиях и на большой высоте. Для каждой задачи записать условие, рассуждение и вывод. | Развивает применение закономерности в реальном контексте; при проверке смотреть, связывает ли ученик ответ с условием $p_{н.п.}=p_{внешн.}$. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить мини-сообщение объёмом 8–10 предложений или схему «Давление и температура кипения» с двумя примерами из техники или природы. Включить наблюдение, объяснение на молекулярном уровне и общий вывод. | Развивает исследовательское и креативное мышление; при проверке оценить точность причинно-следственной связи и самостоятельность выбранных примеров. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какой признак отличает кипение от испарения? Что происходит с температурой кипения при уменьшении внешнего давления? Как записать условие начала кипения через давление насыщенного пара?»
