Условие
Ребёнок потирает ладони, и они становятся тёплыми. В той же комнате он кладёт холодную ложку в горячий чай, и ложка тоже нагревается. В обоих случаях выросла внутренняя энергия, но способы разные. Определи, в каком случае сработал каждый способ, и объясни, чем они принципиально различаются.
Что известно и что ищем
- В первом опыте тело (ладони) движется и деформируется, во втором тело лежит неподвижно в горячей среде.
- Ищем два способа изменения внутренней энергии и признак, по которому их различают.
- Дополнительно нужно объяснить, почему говорят «теплота», а не «тепло».
Ход решения
- Шаг 1. Разбираем первый опыт. Ладони трутся друг о друга: мы совершаем работу над телом. Механическая энергия движения переходит во внутреннюю, и температура растёт.
- Шаг 2. Разбираем второй опыт. Ложка не движется, работы над ней никто не совершает. Энергия переходит от более нагретого тела (чая) к менее нагретому (ложке) сама собой — это теплопередача.
- Шаг 3. Формулируем различие. В первом случае внутренняя энергия меняется за счёт работы, то есть за счёт движения самого тела. Во втором случае энергия переходит от тела к телу без всякой работы: её переносят частицы, потоки или лучи.
- Шаг 4. Уточняем слова. Энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче, называется количеством теплоты. А внутренняя энергия — это то, что у тела уже есть, энергия движения и взаимодействия его частиц. Поэтому фраза «ложка получила теплоту» верна, а «ложка отдала тепло» — неточна.
- Шаг 5. Проверяем себя обратным примером: термос с горячей водой остывает не мгновенно, а медленно. Работу никто не совершает, значит, действует теплопередача, и её можно замедлить теплоизоляцией. Если бы внутренняя энергия менялась только работой, термос не был бы нужен.
Проверь себя
- Ответ: в первом опыте внутренняя энергия изменилась за счёт работы, во втором — за счёт теплопередачи.
- Проверка вывода: оба способа приводят к одному и тому же — росту температуры, но причины разные: в одном энергия приходит из механического движения, в другом переходит от нагретого тела.
- Ловушка: считать, что «работая, тело не получает теплоту». Оба способа могут действовать одновременно: сжатый и нагретый газ охлаждается и работой, и теплопередачей.
Как объяснить ребёнку
«Внутреннюю энергию можно пополнить двумя путями. Первый — поработать самому: потереть, сжать, ударить, и частицы разгонятся. Второй — приложить тело к чему-то горячему: тогда энергия перейдёт сама, без работы. В первом случае энергию тратим мы, во втором она просто перетекает от горячего к холодному».
Тема для отчёта родителю
«Способы изменения внутренней энергии: работа и теплопередача».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.