拯救企鹅-第二课：传导、辐射和对流

2017-05-04 本文已影响18人紫外灾难

学习目标

热传递的三种方式。
工程师必须研究和理解这个问题以便解决它。

课程内容

向学生介绍热传递中传导、辐射和对流的概念。
为了让学生了解热传递，提供一系列与之有关的差异性事件示例：
a. 热量从温暖的物体向较冷的物体转移
b. 某些材料比其他材料导热更好
c. 某些材料反射或吸收辐射
d. 当流体（液体或气体）下沉或上升时对流发生。

课程目标

在本课结束时，学生将能够：

定义热传导为热能通过固体材料的传递。
解释热能从高温区域传递到低温区域。
表明一些材料导热性能更好，例如金属导热性能比木头好。
解释热能转移通过固体材料是由于振动的原子相互碰撞。
定义热辐射是通过空间辐射传递热能。
解释当黑色物体吸收辐射后，这种能量转化为热能。
证明浅色的或有光泽材料更易反射辐射。
表明一些材料反射辐射的能力更好。
定义热对流是热能在流体（气体或液体）中随着流体下沉或上升传递。（注：这是因为冷的流体比暖的流体密度大，它们会使温暖的流体上升。）

课程简述

回顾第一课的有关隔热的示范活动1（10分钟）
示范活动2-托盘（10分钟）
示范活动3-汤匙（15分钟）
示范活动4-黑屋顶房子（20分钟）
示范活动5-太空毯（5分钟）
在故事板上记录学习过程（10分钟）

背景

隔热材料：热传递速率较低的材料。
导热材料：热传递速率较高的材料。
传导：传导是热能通过直接接触从一种物质传递到另一种物质的方式。它可以是固体之间的直接接触，也可以是固体和流体之间的直接接触。当较高温度/振动剧烈的原子/分子与较低温度/振动不剧烈的原子/分子碰撞时，动能被转移，使后者升温并增加动能。“温暖”是指在原子层面上有多少动能。
对流：因为冷的流体比暖的流体密度大，流体（气体或液体）会下沉或上升。当这种情况发生时，较冷的流体推动暖流体上升，并获得热能。
辐射：辐射是以电磁波的形式传输能量的。可见光和红外光都是辐射传热的两种形式。

教师材料

1个塑料托盘
1个银托盘
2支鱼缸温度计条
1个纸板房
1个金属灯泡装箱
1个 60瓦灯泡

学生资料（每组）

2个企鹅形状的冰块
1个不锈钢勺（银或镀银的优先）
1个塑料勺
1卷纸巾
1个故事板（来自于第一课）
1盒彩色笔

课前准备

准备示范活动2的物料
a.将鱼缸温度计条贴到每个托盘的底部。确保每个温度计显示的是室温。
准备示范活动3的物料
在前一天晚上提前制作企鹅形状的冰块，以供学生在第二天的课堂中使用。在这个示范活动中，没有必要使用精确的固定量的水制作企鹅冰块。为每组学生准备两个企鹅冰块。
准备示范活动4和示范活动5的物料
a.使用纸板建造一个有屋顶的房子。
b.把屋顶涂成黑色。
c.在底部剪一个开口，这样你就可以很快冷却房子。
d.在阁楼的位置放置一个温度计，另一个放置在地板附近。
e.切一块聚酯薄膜太空毯，覆盖在屋顶，覆盖了所有的黑漆。
f.在板上绘制数据表（或使用Excel或交互式白板）
为每个学生准备一张测试卡（在27页），在本课结束时分发。

课程步骤

传递两个托盘（金属和塑料）。让所有的学生通过触摸感受托盘并问学生，“哪个托盘更冷？”认可所有的答案，不进行讨论。
让学生把鱼缸温度计条贴在每个托盘的背面。让学生看温度计条，并确认托盘处于相同的温度。
让学生参与讨论，问学生以下问题：
如果两个托盘的温度相同，你认为是什么让你觉得其中一个更冷？
这个托盘是用银（或不锈钢）做的。你认为这种材料会让我们昨天实验中的苏打水保持寒冷吗？为什么会或为什么不会？
让学生观看下面的YouTube视频。它表明当成年人被问到相同的问题时，会认为金属本身就是冷的。http://www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs
解释金属（包括银或不锈钢）不是隔热材料，它们的特性使之成为热的良导体性。热导体的作用和隔热材料正好相反，它加快了热量从一个温暖的地方传递一个较冷的地方的热传递速率。当你接触一个比你的体温更冷的金属物体时，热量会从你的手上转移，因此你觉得金属是冷的。
递给每组学生一个银（或不锈钢）勺子和一个塑料勺子，让学生把它放在脸颊上。然后问以下两个问题：

哪个勺子感觉更凉？
你认为哪个勺子能让冰块保持冷却？
教师注意：这两个勺子都是常温的，但学生们可能认为银（或不锈钢）勺子更冷。当提出第二个问题时，许多人会预测，银（或不锈钢）勺子将保持冰块冷却，因为他们觉得银（或不锈钢）勺子更冷。

给每组学生两个企鹅形冰块。在每个勺子里放一个冰块，让学生轮流拿着手中的勺子三分钟。提供卫生纸擦拭桌面。

塑料勺子和金属勺子中的企鹅冰块
对学生所观察到的现象进行课堂讨论。向学生提问：

哪个勺子中的冰融化得更快？
为什么你认为银（或不锈钢）勺子使冰融化得更快？
是什么导致冰融化？
企鹅形状的冰块在金属表面不易融化还是在塑料表面不易融化？为什么？
教师注意：金属勺子摸上去感觉较冷，因为它是热的良导体。金属吸收学生的手中的热量，从而让他们的感觉到冷。从手到勺子的传导反过来加热勺子到融化冰的点。

清理勺子，冰块和纸巾。让学生在故事板上写下热传导的定义和并绘制一个勺子的图形，用箭头表示热量传递的方向。向学生提问：

如果你有世界上最强大的显微镜，当你观察热量从你的手传递到冰块时，你会看到什么？
如果热不是一种物质或流体，它是什么？
传导：传导是热能直接从一种物质传递到另一种物质的方式。
学生绘制的示例

让六个学生在教室的前面站成一排来演示传导。告诉学生，在队伍一端的学生是热的（也许是一个穿着红色衬衫的学生），并告诉另一端的学生，她是冷的（也许是一个穿着蓝色衬衫的学生）。让那个代表热的学生开始摇晃，告诉其他学生，如果他们旁边有人在摇晃，他们也要开始摇晃。最终所有的学生都会颤抖。
问学生以下问题：

在这个模型中学生代表什么？
关于热传递这个模型告诉了我们什么？
教师注意：这个示范让学生模拟了热是如何传导的。学生代表原子或分子。该模型表明，热通过固体材料传递的原因是原子（或分子）振动和并碰撞彼此。

向学生展示纸板屋。将温度计插入阁楼位置和一楼位置。给他们看温度计，并让学生记录下阁楼和地板的温度。
将车间灯放在纸板屋的屋顶上方大约12 - 18英寸的地方，放置过程中不要打开灯。
打开商店的灯，让它照在黑色的屋顶上。30秒钟后测量屋顶的温度。然后，问学生以下内容：

是什么导致屋顶的温度增加？
当你在室外穿黑色衣服时，你是否感觉到热？
在冬季，你是希望家里的屋顶是黑色还是白色？
教师注意：黑色的物体之所以容易变热是因为黑色是“黑”的，因为它们吸收了大部分照射到它上面的光，所以光不会反射回你的眼睛！深色吸收更多可见光谱。浅色是“浅”的，因为它们容易反射光线。它们反射了更多的可见光谱。红色的东西只反射红光，吸收可见光中的其他颜色。黑色的东西吸收可见光中的所有颜色，所有的光能，并把光能转化成热能。

让房子中的空气流通（打开底部，把房子翻转过来）。然后，在房屋的顶上铺一块聚酯薄膜太空毯。向学生说明你要打开灯了，并让学生预测由于放置了聚酯薄膜太空毯，屋顶的温度会发生什么变化。

铺有聚脂薄膜太空毯房屋模型.png
打开灯，30秒后测量屋顶的温度。问学生以下内容：

为什么当放置了太空毯后，屋顶没有之前那么烫了？
为什么太空毯上的聚酯薄膜是闪光的？
如果聚酯薄膜能反射光线，那如何解释屋顶保持凉爽？
如果我们使用浅色的布料覆盖在屋顶上，结果会一样吗？
教师注意：聚酯薄膜是含有铝的塑料。聚酯薄膜的表面闪烁光泽，因为它能反射光线。它反射光线的能力减慢了辐射能（热能）向屋顶的传递，因此屋顶保持凉爽。白布应该有类似的效果。如果你有时间，试试看！

让学生志愿者把他们的手放在灯下。然后用太空毯挡住光线，并让学生向全班同学描述他们的感受。你也可以使用白布，看看学生是否感觉有什么不同。然后问学生：

从灯中射出的光发生了什么？

让学生在故事板上的另一个范围内，画出他们所观察到的现象。
介绍热传递的第二种方法，辐射。告诉学生，黑色的屋顶吸收了光源发出的辐射，但聚脂薄膜太空毯会反射辐射，把辐射阻拦在房屋外。一种说明这个现象的方式是，让穿着不同颜色衬衫的学生来到教室的前面。向学生扔纸球，告诉学生你扔的是假想的光粒子。告诉穿深色衬衫的学生接住假想的光粒子，穿浅色衬衫的学生打飞假想的光粒子，向学生提问：

为什么深颜色的物体在阳光下会变得很热？例如深色的汽车、停车场、屋顶？
为什么浅颜色的物体在阳光下会保持凉爽？例如浅色的汽车、停车场、屋顶？
你认为这是为什么？
当设计一个新房屋时，建筑师如何利用这个信息？

问学生以下问题：

地球如何得到热量？
太阳发出的热量是怎样到达地球的？
地球会反射来自太阳的辐射吗？
地球上的哪部分能反映最多的辐射？（雪、水、冰、云）
教师注意：地球从太阳得到热量。它是通过辐射从太阳传输的。云、雪和水都能有效地反射太阳辐射。

当屋顶冷却下来后，让学生在故事板上写下辐射的定义，并绘制带有聚脂薄膜太空毯的房屋，用箭头表示辐射是如何被反射的。
辐射：辐射是以电磁波的形式传输能量的。可见光和红外光这两种辐射方式都可以传递热量。X射线和γ射线和微波是其他形式的电磁辐射，但它们不是由灯泡产生的（太阳可以产生它们）！
把纸板屋的屋顶拿下来。使空气流通，释放里边的热空气。使用数字温度计，测量并在数据表上记录在阁楼位置的空气和一楼位置的空气的初始温度，展示给所有学生看。
打开纸板屋上方的灯。邀请两名学生志愿者每间隔30秒的时间，大声地读出阁楼和地板的温度，然后在由第三位学生志愿者在数据表上记录结果，测量时间为三到五分钟。
向学生提问：“为什么阁楼位置变得这么热？”“
教师注意：阁楼越来越热，是因为黑色屋顶吸收光源中的红外线和可见光。这种辐射被转化为屋顶上的热能。阁楼里的空气变热是因为纸板的热传导。热的屋顶通过热传导将热能传递给了它内部的空气。
一些学生可能会说热空气正在上升。下一个示范活动将解决这一现象（对流），但重要的是学生认识到，在这种情况下，热空气上升并不会导致阁楼变热。提醒学生，在开始实验之前，房子里所有的空气（一楼和阁楼的空气）都是相同的温度。能量从光源转移到黑色的屋顶，热能通过屋顶传递到阁楼的空气。热空气不会下降使房子的一楼变热，因为热空气的密度比冷空气小。
告诉学生，“在第1课中我们讨论隔热，指的是防止阁楼的热传递。阁楼防止了什么类型的传热传递？“
告诉学生你将要把房屋颠倒过来。让学生预测阁楼和一楼的温度会怎样。
把房子翻过来。然后，让学生志愿者们在每30秒的间隔内，大声地读出阁楼位置下降的温度和一楼位置上升的温度，直到阁楼和一楼的温度达相同。问学生以下问题：

阁楼和一楼位置空气的温度发生了什么？
为什么温度会这样变化？

告诉学生，热传递的传递方向取决于热和冷的位置。在房子里，阁楼里的热空气在上升，因为一楼的冷空气正在下沉，把热气往上推。告诉学生这叫做对流。
教师注意：下面是关于对流学生的两个重要误解。务必在此时解决它们。
“热会上升的错觉”-学生经常会说热会上升。为了解决这个误解，提醒学生，热不是物质。解释热空气是可以上升的，而热是热能的转移。热能转移可以发生在任何方向（从热的区域到冷的区域）。热空气不会上升，除非它被下沉的冷空气推上去（或替换掉）。
“冷转移误解”-学生可能认为，因为冷空气下沉，“冷”就被转移了。提醒他们，冷的物体可以移动，但冷本身不能移动，是热能在转移。
解释传导是热传递的一种方式，辐射是另一种方式，对流是第三种热传递的方式。
让学生在故事板上写下热对流的定义和并绘制一个被翻转过来的房屋，用箭头表示热量传递的方向。
对流：当流体（气体或液体）由于密度不同而上升和下降时发生对流。较热的流体比冷的流体密度小，因为较热的流体中的粒子更分散。

总结

热传递有三种方式，分别是传导、对流和辐射。
在银勺/托盘示范活动中我们看到的是传导现象。热从我们温暖的手上直接传递到热的良导体上（金属托盘或金属勺）。
在聚脂薄膜太空毯示范活动中我们看到的是辐射现象。辐射是以电磁辐射的形式传递能量的。
在翻转的房子示例活动中我们看到的是对流现象。由于冷空气的下沉，热空气上升，是重力使冷空气下沉。
将下面的测试卡传递给学生，并让学生回答问题。鼓励他们用图画加文字的形式说明他们的答案。使用此测试卡作为形成性评估的依据（不要根据测试卡将学生“分级”，只是根据它得到反馈）。

测试卡

用文字和图画回答下列问题。

测试卡

上面提到的十二个问题通常没有一个正确的答案。有时一个现象中涉及了多种传热方式。使用测试卡作为形成性评估，以确定学生目前的理解水平。