置頂

物理與化學是很有趣的兩門學科,對我來說這兩類的學問幾乎就是許許多多有趣的遊戲。也許有人覺得物理與化學太專門或者太嚴肅,對這一點我想說得是:當你很喜歡這個遊戲的時候,你自然就會慢慢變得很專門,你也會很認真,甚至有時候會很嚴肅。
但是別忘了其中的樂趣,這些樂趣是吸引了許多人投入這個領域的極大誘因。 如果你喜歡這兩門學科那很好,請好好的玩它!如果你沒有那麼喜歡,那也無妨,你還是可以從中獲得一些樂趣。

2022年12月21日

2022熱學課程(上)

今年熱學的課程,跟以往有點不一樣,所以做一下記錄。課程從熱的傳播切入,再談熱與溫度的關係。中間「溫度越高,粒子振動越劇烈」作為主要的思考模型,貫串課程。

主要的概念順序是

1.溫度、溫度計、溫標

2.熱會從溫度高的地方往溫度低的地方流動,最後達成熱平衡。這是談熱傳播的方向

3.物質可以想像由許多粒子組合而成,溫度越高時,粒子振動越劇烈

4.熱的傳播:傳導、對流、輻射。這是談熱傳播的方式,並且用粒子振動的模型去解釋傳導與對流。以及像是保溫杯的應用。

5.高溫物體和低溫物體接觸時,溫度變化的曲線。用模型預測,然後實驗看曲線。

6.知道溫度的標準了,接下來談「熱」:1g的水上升攝氏1度,需要的熱稱為1卡。

7.用酒精燈加熱熱水,觀察加熱的曲線,計算過程中水吸熱了多少。

8.改變7.的條件,比較曲線的差異,談質量與物質種類會不會影響升溫曲線。用粒子振動模型去推論水量改變時,為何升溫曲線會改變。

9.撰寫實驗報告:(1)描述事實 (2)比較事實差異 (3) 提出(2)的原因和8.的推論是否相符,若不相符,可能的原因是什麼?

10. H= M S Δ T, 用這個公式把前面的內容彙整起來,並且練習一下

11.熱對物質的影響:三態變化、化學變化的吸熱與放熱

1.溫度、溫度計、溫標:

        溫度是為了表達客觀冷熱的指標,這個「冷熱」在這邊其實有一點討厭,因為我們後續會想把「熱」和「溫度高」兩個詞彙做出區分,但這邊好像不可避免的必須先混用起來。體感的冷熱,又不只和溫度高低有關,其實主要是身體產熱的速度和散熱的速度決定了身體當下感受的冷熱。不過這個太複雜了,就先不在課堂上講。這裡一開始切入,就還是很簡單的說:

(1)「溫度是表達冷熱的客觀指標」

(2) 只要可以隨著溫度高低變化而變化的,都可以拿來當做溫度計,例如:體積、顏色、密度都可以。體積的話,就是傳統溫度計;顏色的話,只要搜尋「貼片式溫度計」就可以找到很多;密度的話,就有「伽利略溫度計」



(3)以體積因為溫度高低造成物質熱脹冷縮的原理,藉由測量體積變化來知道溫度變化:
    
        A.用一支大試管裝水之後,插上一根細長的玻璃管來模擬溫度計。插上去之後,可以在玻璃管看到一個水位。
    
        B.問:這樣的裝置可以拿來測溫度了嗎?不行,我們不知道現在是幾度?
        「那我要怎麼知道現在幾度?」「拿溫度計!」
        
        C.溫度計拿來放在同一個地方測到攝氏20度。在玻璃管上畫一條線,並且標示20度:「這樣可以測溫度了嗎?」「不行,這樣只能測20度或高低於20度」

        D.「那要怎麼辦?」「一度一度測,每一度都畫上刻度就行了」

        「這樣可以,不過有點麻煩,如果體積膨脹的情況還蠻穩定(線性關係)的話,我們就不用那麼麻煩了,只要找兩個溫度畫兩個刻度,然後等分均分就可以了對吧」

        「對」

後面就是實作畫刻度就行了。

         「前面提到,要做一支新的溫度計,要拿另一支可以測溫度的溫度計來做對照,那......」

         「第一支溫度計怎麼辦?」

         「沒有其他溫度計可以做參照的話,就得拿自然界的現象做參照了,攝爾修斯以水的冰點和沸點做參照,你們想想,大家的沸點和冰點會不會不同?」

         「不會」(這邊略簡化討論)

        「所以我們就可以用水的冰點和沸點作為指標,切100等份,就可以變成第一支溫度計了」

溫度計的概念與實作就到這邊,華氏溫度認識一下就好,至於溫標轉換,完全不是這單元的重點。時間花很多,又會造成學生的困難和挫折,就直接跳過了。



2.「熱會從高溫往低溫傳遞」

3.物質可以想像由許多粒子組合而成,溫度越高時,粒子振動越劇烈

4.熱的傳播:傳導、對流、輻射。

5.高溫物體和低溫物體接觸時,溫度變化的曲線。用模型預測,然後實驗看曲線。

2.這個概念我今年直接講,明年好像可以調整一下順序。應該可以用3, 5, 2, 4的順序或是5, 3, 2, 4的順序。也就是可以先談溫度越高,粒子振動越劇烈,然後根據這個模型去預測並說明:把裝熱水的小燒杯放在裝冷水的大燒杯中,兩杯水的溫度變化會怎樣?

預測不太難,很直覺,但說明部分當然就比較挑戰一點,不過這就是建模需要的學習曲線。

「熱水的振動比較劇烈,碰到玻璃,也會讓玻璃的振動變劇烈,放到振動比較微弱的水中,就會讓振動用碰撞傳遞出去,於是熱水變冷,冷水變熱,最後達到熱平衡」

溫度曲線的部份,胡亂畫了幾個讓學生去選,學生選了第一個。


那就問:「選第一個,代表一開始熱水溫度下降的比較快,冷水溫度也上升的比較快,這樣合理嗎?可以用粒子碰撞來解釋嗎?」

「一開始熱水溫度最高,冷水溫度最低,粒子振動最劇烈去撞到最不劇烈的情況,振動下降和上升的情況就最明顯」

類似這樣的想法大概都有跑出來,好像還不錯,慢慢的在腦袋裡面都可以用粒子振動去想事情了。

傳導的部份,就也同時搞定了,對流部分,學生的地理課有學過高溫空氣密度變小向上造成對流,陸風海風等概念也都有了。在這邊只需要讓學生用「粒子振動變劇烈,會讓密度變小,造成流體往上流動,同時也就把高溫的物質帶到低溫的地方」這樣就行了。

至於輻射部分,就只能靠「相信我之術」了。熱可以從太陽傳遞到地球,中間是真空,顯然不會是傳導也不會是對流,就只能是那個不用靠介質就能傳遞能量的方式才能傳遞了。傳導對流輻射當然都有對應的實作來觀察。

傳導對流輻射,熱都會從高溫往低溫傳播。最後就歸納出 「熱會從高溫往低溫傳遞」

應用的部份,當然就是根據這些熱傳播的特性來幫助或阻隔,可以達到一些我們想要的效應。順道一提,一直要說保溫瓶「真空夾層可以防止熱因為熱的對流散失」實在是沒道理的說法,不知道這個說法是哪裡來的?



寫太多了,後半部待續好了






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