美国科学教材：第5课温度和密度.doc

物质科学教师用书 第五课 温度和密度
第五课 温度和密度
探索 3
课时 2-3课
概念 物体的热胀冷缩
热胀冷缩能用来测量温度
物质的密度随着温度的改变而改变
教学目标
使用实验室温度计并讨论其工作原理
制作一只温度计,标明刻度
用纸做好的温度计测量温度
将温度计中的”运动”与热胀冷缩相联系
比较液体和气体的膨胀程度的不同
观察固体的热膨胀
讨论密度随着压力的变化而变化
概论
学生虽然已经明确固体、液体、气体的密度，但在测量密度时，他们并未将温度和压力等外部因素计算在内。在这节课中，学生将研究温度对物质体积的作用，通过制作一支简单的水温度计并标明温度计上的刻度，他们将观察到水的热膨胀。学生可以用同样的仪器来研究空气的膨胀。学生可以通过观察热在金属条上的作用，找到由于温度使得物质的密度发生了变化从而固体发生了膨胀这种现象，其后，来研究固体的膨胀。
背景知识
大多数温度计靠气体、液体或固体的热胀冷缩来测量温度的。比如在本课中所用的液体实验室温度计就是利用了酒精热胀冷缩的原理。伽利略，曾因发明温度计（确切地说是1596年的测温计）而受表彰，在他的测温计中他用了气体，而这种设计与学生将要制作的温度计是相似的。
通常比起液体和气体来说，固体不易膨胀，它们通常合并成一个混合金属条作成一个温度计。两种膨胀率不同的金属绑在一起，作成一个细长金属条。这个金属条通常被捆成一圈，一头接在指示器上。在温度变化的时候，金属条就会弯曲。这种温度计通常用于家用电器中（如一些空调中的自动调温器）
现代数字温度计中通常有一个温差电偶。这个温差电偶用于测量由于温度变化两种不同金属在连接点上产生的电力。电压随着温度的变化而变化。
如果在状态上没有变化，物质的体积的变化几乎直接与温度成正比，这也是温度计上的刻度成正比的原因。这种现象使得这节课中制作温度计刻度的工作变的简单，两个以知的温度就能供给学生足够的信息来制作温度计的刻度。
各种物质的膨胀率是不同的。当非数字的玻璃包含有色酒精的温度计（也如所提供的）受热时，玻璃和酒精都会膨胀，但由于酒精膨胀速度比玻璃的快，所以酒精就会上升。
在这节课中，学生讨论热在物质上的作用并设计一个温度计，学生经常会混淆温度和热两个概念，所以确定他们是否能区分这两个概念就非常重要。
热是一种能从热的地方转移到较冷的地方。温度是对组成一种物质的粒子的动能的计量方式。例如，把一个温度计置于热水盆中，热能从热水传向温度计，温度计上的读数就会上升。当温度计中粒子的动能与热水中粒子的动能相同时，它们的温度就会是一样的。当温度计与热水中的热能达到均衡时，便没有能量交换发生。
被传到温度计的热能数量取决于温度计的质量,制作材料,以及粒子原来的活动能力(即其原来的温度读数).例如，一个读数为25度的较小的温度计与物质达到均衡时所需要被传导的热能比同样制材同等温度的较大的温度计所需的热能要少。虽然温度最终大致相同，但被转移的热能是不同的（也可能在读数上有一点不同，这取决与温度计和被测量物体的相对体积）
另一个区别热量和温度的方法就是去想象一壶烧开的水，很少有人愿意把手放入一壶烧开的水中，然而，一滴烧开的水可以防在一个人的手中而不会产生太大的影响，因为这滴水质量小，它所含的总的热能比一壶滚水所含的热能小，因此，它对人皮肤产生的危害就小。
学生的错误概念
温度和热量不同之初使学生在理解上有困难，甚至产生错误。
学生也许会错误地混淆“热量”和“温度”这两个名称，认为温度是物体热量的结果。
学生也许会错误地认为温度计测量热量，因此，他们会相信热量用摄氏而不是用焦耳计算。（温度计测量的温度是物体内粒子的平均动能）
学生也许回错误地认为“热量”是比人体温度高的温度，（热能实际指的是能量从一个物体转移到另一个物体）
学生也许会错误地认为热能是有液体特性的物质，能是从一个地方流到另一个地方的物质。
学生也许会错误认为“寒冷”能进入一个物体。例如，他们假设冰水中的寒冷会进入温度计，使温度计的液体下降。（事实上，热能只会冲“热”到“冷”）
学生也许会错误地认为液体在温度计中上升是因为热的物质（就是象热气球中的热空气）上升。（读数时倒转温度计也许会消除这个错误概念）
第五课所需材料
对老师 1 打火机
2燃烧器
3两种金属组成的金属片
每个学生
1份学生作业纸5.1：制作一个温度计
1份学生作业纸5.2：用气体代替液体
1份学生作业纸5.3：加热金属条
1份学生作业纸5：第五课家作——控制膨胀
每对学生
1个酒精温度计
1个20╳150mm的试管
1个250ml有100ml有色水的烧杯
1个felt-tip marker
1把尺
对32人的整个班级
2个透明的塑料冰水盒
2壶（60度~70度）的热水
2个圆形试管架
2个方形试管架
4个温度计
准备
1 加20滴有色水至4升水中，使之充分溶解
2 保证冰水保持10度以下
3 把方试管架放在冰水盒中，各放一只温度计于其中
4 把圆试管架放在2个60度~70度的热水中，各放一支温度计于其中
开始
1． 每组找一个同学把仪器方入托盘中并根据清单检查物品
2． 让学生成对工作
3． 简单的复习应该如何使用温度计（参见安全贴士）
4． 给学生3~5分钟时间检查酒精温度计并讨论在《学生指导》中第二步和第三步中的问题
5． 根据下列问题讨论
A 温度计测量的是什么?(如果学生的答案是“温度”，则问他们其定义。这种程度的答案可接受“物体的热度”。
B 温度计中大多数液体在哪？
C 测量温度时，温度计中哪个部分被放入被量的物体或介质中？
D 温度计测量范围及测量单位是什么？
E 30℃~40℃与90℃~100℃之间的范围有差别吗？（学生认为距离是一样的，必须告诉他们设计温度计时这点很重要）
G 把温度计水泡放在手中时会发生什么？
会达到什么温度？
H 当室温低于体温，当手握住水泡，液体会上升，为什么？（让学生给出自己的答案，也许其中包含膨胀，但在这课中此时并不给出明确的答案）
I 当你放开水泡握住温度计另一头时会发生什么？（学生会发现温度下降）
J 你现在测量的是什么的温度？（由于水泡在空中，所以测量的是空气的温度）
注意： 用过医用温度计的学生会想实验室温度计的温度在放开手之后温度仍会上升。让学生明白实验室温度计测量的是所接触的物体表面或之中的温度。一旦接触停止，读数就会改变。告诉学生用实验室温度计，他们必须在温度计接触被测量物质时记下读数。

6． 讨论所需要的反应时间，问学生为什么温度计不能马上工作？
注意 避免使用“均衡”这个名称。这也许在册来年感病人体温时有用。需要一定
时间来读数。

安全贴士
学生不能摇晃温度计。实验室温度计并不需要像温度计那样“摇下”读数，并且摇晃有增加打破的可能。
学生必须把温度计放在安全的地方，不能让其满桌乱滚
学生必须轻拿轻放温度计

探索 5.1 制作一个温度计
过程：
1 给学生5分钟用托盘中的一套一起简单设计一个他们自己温度计，学生必须把他们的设计画在学生答案纸5.1上，鼓励他们用尺标注他们的圆
2 抽取几组并让其中的每组中一个成员到黑板前画出他们的简单设计图或画在幻灯片上，每个学生都必须大致说明他们的温度计怎样制成的.只需有2~3个学生得出图片5.1中的设计思路。
3 讨论温度计所需的刻度范围，问学生怎样才能得到摄氏度的比例。
4 在讨论《学生指导》第四步中的测定刻度之前，尽力教学生自己得到这一程序。
5 让学生制作他们的温度计并为此测定刻度（《学生指导》中步骤3~4）
6 让学生用自己的温度计来帮助回答学生作业本5.1中4~10题。
7 把学生作业本中7~10题的答案作为全班讨论的问题和所须强调的答案。
·体积随温度的增加而增加（引入“膨胀”概念）
·质量不随温度的变化而变化（不论温度如何，温度计中液体质量不变）
·大的液泡反应较慢但更为精确。

图片

图片说明 图5.1 讨论过后,学生就能设计出这样的温度计
探索5.2 用液体代替气体
过程：
1． 学生更新设计温度计使之用气体替代液体，在学生作业本5.2画出设计图。
2． 让学生向全班描述他们的设计并讨论其可行性，主要的设计问题在于如何防止液泡内气体逸走及如何计量试管中气体的上升，将学生的思路引至图5.2或5.3所示的设计中。
3． 让学生制作气体温度计，他们发现当他们试着的量刻度时短水注有巨大的位移，在热水盆或冷水盆中，水都可能从试管一端喷出。
4． 让学生回答学生作业本5.2第二步和第三步中的问题
5． 让学生拆除温度计
短水柱
用手堵住一端

短水柱

图5.2 一种制作简单空气温度计的方法 图5.3 空气温度计的另一种设计
探索5.3 加热金属条
过程：
1. 传递一根双金属材料的金属条。叫学生们仔细靠近他看。要求他们注意金属条的两边（学生应该能识别这根金属条是由2种不同的金属制成的）
2. 要求每小组讨论当金属条加热时，他们预测会发生什么，在他们讨论之后，学生们应该在学生练习5.3上用语言或图表来记录他们的预测。
3. 把金属条的一面放在火上烧。冷却后，再烧另一面。当你在加热，冷却，再加热金属条时，让学生们回答步骤2和4的问题。（学生们可能解释金属条弯曲是因为当它变热时，它更容易有伸缩性。因此，他们观察时注意金属条只在一方向弯曲，不管重力。当它冷却时，它又恢复原样。）鼓励学生使用“热胀”“冷缩”
4. 与学生们一起讨论当金属条弯曲时，它的密度变化情况。
反思：
1用学生们对“你所做的活动的反思”这一问题的答案来总结他们在本课中所学内容。
A.强调物质通常在加热时体积增大。
B.比较气体，液体，固体的扩张，把“热胀”“冷缩”与密度变化联系起来。
C.让学生们解释为什么在测密度时要强调温度的重要性。
D.讨论“热胀”“冷缩”的实用性，你可以让学生阅读“横跨阿拉斯加的输油管道”“面对自然的挑战”（学生用书第52-55）和学生练习5“热胀的工程”（学生可以在课后阅读）把阅读内容作为讨论的基础。
家作：
1. 让学生阅读“通过度数测量温度”（学生用书第44-45），了解温度计的发明。
2. 让学生阅读学生练习5“热胀的工程”和回答后面的问题。
拓展：
科学
1. 让学生们阅读学生用书第46-47页“只装满热空气”,并回答相关问题。
２．让学生们阅读学生用书第４８－５１页，并回答相关问题。作者揭示了密度变化和温度之间的联系；对流；固体液体和气体的压强。
数学
３．提供不同温度下某一物质的体积数据。让学生在图上一一标出。
社会学习
４．让学生阅读学生用书第５２－５５页“跨越阿拉斯加的输油管”“面对自然的挑战”。作者说明了热胀冷缩原理减轻了美国对石油进口的依赖性。
评价
１． 把你对学生在使用温度计时观察到的，学生在“序言”中的问题和讨论合并起来，作为你对学生温度计的工作原理知识的初步了解。
２． 学生通过导读“反思”步骤１A和1B问题的答案会给学生温度计的原理，温度的变化使液柱升高或降低有一个初步印象。
３． “反思”步骤1C和1D的答案可被用来估计学生是否能把体积变化与物质密度变化相联系。
学生练习5.1
制作一个温度计
1．设计一个你的温度计（记得用尺并标明刻度）

2．记录水盆中的温度。
冷水中的温度是—
热水中的温度是—
两个温度的差距是—
４． 温度计上两个刻度间的距离是多少？

５． 你的温度计上室温是多少？实验室的温度计上室温又是多少？

６． 与实验室的温度计与你的温度计相比误差多少？

７． 你的温度计对温度变化的反应有多快？与实验室的温度计变化一样，更快，还是更慢？

８． 当温度升高时，你的温度计里的水的体积如何变化？

９． 当温度升高时，你认为你的温度计里的水的质量如何变化？

10。如果你把温度计里的灯柱尺寸变小,你的温度计的精确度和灵敏度会受到何种影响?

11．为了使你的温度计更灵敏,更精确,你该如何改进你的设计?

学生练习5.2
用空气代替液体
1. 设计一个装满空气的温度计.

2. 当你标定刻度时,你碰到了什么问题?

3. 与液体温度计相比,气体温度计的灵敏度如何?

学生练习5.3
加热金属条
1. 当金属条被加热时,你认为会发生什么变化?

2. 当金属条被加热时,你观察到了什么现象?

3. 当金属条冷却后又有什么变化?

4. 当金属条的另一面被加热时,你观察到了什么现象?你认为金属条为什么会发生这种现象?

学生练习5“热胀的工程”
第5课的家庭作业
1． 一位学生操作下列实验。看图并预测在图3和4中会发生什么。把你的答案写在图下。

1冷球正好通过圆环 2.球被加热 3.当你想把热球通过 4.球再冷却时让球通过圆环时，又会如何?
圆环时,会发生什么?
2. 热胀与冷缩会给工程师们带来问题.看下列例子,用热胀与冷缩来回答问题.
为什么工程师们把高压线挂起来使他们在热天是松弛的?

为什么这座桥一边用圆形支撑?

在这座桥面上的沟有何目的?

撬在铁轨上的螺母为什么在圆形洞里的?在铁轨的连接处为什么会有空隙?

3. 不用液体和气体,用固体设计一个温度计.探索5.3会给你一些怎样设计的想法.
把你的设计画出来.

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