Строение и свойства вещества · урок 5 из 7

Тепловое расширение и сжатие

Физика · 8 класс · базовый уровень
ФРП «Физика» (базовый уровень), Москва – 2025 · строка R01 · PHY8-005

Паспорт: R01 «Строение и свойства вещества» (7 ч), урок 5/7, единица R01.8 «Тепловое расширение и сжатие». Тип урока — Н.
Хронометраж: цели и актуализация 6 мин (сл. 2–3) · проблема и новый материал 15 (сл. 4–9) · закрепление 18 (сл. 10–13, 15–17) · рефлексия 3 и ДЗ 2 (сл. 18). Слайд 14 «Дополнительно» можно пропустить.
Демонстрации к уроку: шар Гравезанда (шар и кольцо), колба с трубкой и подкрашенной водой, колба с изогнутой трубкой и стакан с водой, спиртовка.

R01.8

Цели урока

Сегодня вы научитесь

Наблюдать опыты

с расширением твёрдых тел, жидкостей и газов (REQ-1.9)

Объяснять явление

движением и расстоянием между частицами (REQ-1.6)

Узнавать его вокруг

рельсы, провода, мосты, термометр (REQ-1.3)

Сравнивать вещества

газы, жидкости и твёрдые тела по расширению (REQ-1.2)

REQ-1.9: «проводить опыты по наблюдению физических явлений или физических свойств тел: формулировать проверяемые предположения, собирать установку из предложенного оборудования, описывать ход опыта и формулировать выводы».
REQ-1.6: «объяснять физические процессы и свойства тел… строить объяснение из 1–2 логических шагов». REQ-1.3: «распознавать проявление изученных физических явлений в окружающем мире». REQ-1.2: «различать явления по описанию их характерных свойств и на основе опытов». Элемент кодификатора EL-6.5 «Тепловое расширение и сжатие».
Вид деятельности строки R01: «Наблюдение, проведение и объяснение опытов по наблюдению теплового расширения газов, жидкостей и твердых тел».

повторение: R01.4, R01.6

Вспомним

Как расположены и движутся частицы?

А что изменится, если вещество нагреть?

R01.8

Проблема

Зачем между рельсами оставляют зазор?

Вопрос классу: почему летом зазор меньше, чем зимой? Ответ «рельс удлинился» — уже гипотеза: при нагревании тела расширяются. Проверим опытами.
Факт для учителя: стальной рельс длиной 25 м при нагревании на 60 °C удлиняется примерно на 1,8 см. Сейчас чаще кладут длинные сварные плети, а напряжения в них учитывают при укладке.
Красная карточка открывается по щелчку: без зазора рельсам некуда удлиняться — путь выгибается («выброс пути»).

R01.8

Опыт 1 · твёрдое тело

Шар и кольцо

Твёрдые тела при нагревании расширяются, при охлаждении — сжимаются.

R01.8

Опыт 2 · жидкость

Колба с трубкой и подкрашенной водой

Колбу ставим в горячую воду — столбик в трубке поднимается.

Колбу охладили — столбик опускается.

Жидкости при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются.

R01.8

Опыт 3 · газ

Колба с воздухом и трубкой в воде

Газы при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются — даже от тепла ладоней.

Достаточно обхватить колбу ладонями: воздух расширяется, «лишний» выходит пузырьками. Охладить — смочить колбу холодной водой или убрать руки: воздух сжимается, вода втягивается в трубку.
Вопрос: почему для газа хватило тепла рук, а шар грели в пламени? (Газы расширяются намного сильнее — сл. 9.)
Связь с видом деятельности ФРП: «опыты, демонстрирующие зависимость давления воздуха от его объёма и нагревания или охлаждения» — подробно в 7 классе (давление) и на практикуме.

R01.8 · R01.1

Объяснение

Почему тела расширяются при нагревании?

t ↑ \Rightarrow v_{частиц} ↑ \Rightarrow d ↑ \Rightarrow V ↑

Логика в 2 шага (REQ-1.6): при нагревании частицы движутся быстрее (размах колебаний больше) → среднее расстояние d между ними растёт → объём тела растёт. При охлаждении — наоборот.
Главная ошибка: «молекулы при нагревании увеличиваются». Размер и число частиц не меняются — меняются только расстояния между ними. Значит, масса тела та же, а плотность ρ = m/V уменьшается.
Обозначения цепочки: t — температура, v — скорость частиц, d — расстояние между частицами, V — объём.

R01.8

Сравним

1 л вещества нагрели от 20 до 70 °C. Прирост объёма:

Δ V_{газа} > Δ V_{жидкости} > Δ V_{тв . тела}

Значения приближённые (воздух — при постоянном давлении): воздух ≈ 171 мл, спирт ≈ 55 мл, вода ≈ 21 мл, алюминий ≈ 3,5 мл, сталь ≈ 1,8 мл. Полоски открываются по щелчку — пусть класс сначала угадает порядок.
Почему так: в твёрдом теле частицы притягиваются сильнее всего и «держат» друг друга; в газе притяжение почти не мешает.
Разные жидкости (и разные металлы) расширяются по-разному — это используют в биметаллической пластине (сл. 11).

R01.8

Закрепление · в жизни и технике

Как учитывают тепловое расширение

Провода летом провисают сильнее

Трубы делают с изгибами-компенсаторами

Мост одним концом ставят на катки

Толстый стакан лопается от кипятка

Для каждой карточки — вопрос «почему?», затем ответ. Провода: летом длиннее — провисают; зимой короче — если натянуть летом туго, зимой могут оборваться.
Трубы теплотрасс: изгиб-компенсатор («петля») пружинит, когда труба удлиняется от горячей воды. Мосты: одну опору делают подвижной (катки), чтобы пролёт мог удлиняться.
Стакан: внутренний слой нагревается и расширяется раньше наружного — стекло трескается. Поэтому кипяток наливают в тонкостенную посуду или прогревают стакан постепенно.

R01.8

Закрепление · приборы

Термометр и биметаллическая пластина

Жидкость в резервуаре расширяется — столбик в узкой трубке поднимается.

Жидкостный термометр — прибор из перечня ФРП («распознавать… по схемам и схематичным рисункам: жидкостный термометр»). Заполняют спиртом (окрашен) или ртутью. Подробно о температуре — тема R02 (PHY8-008).
Биметаллическая пластина — две склёпанные полоски разных металлов. Латунь расширяется сильнее стали, поэтому при нагревании пластина изгибается в сторону стали и размыкает контакт. Так работают терморегулятор утюга, чайника, обогревателя.
Вопрос: куда изогнётся пластина при охлаждении ниже начальной температуры? (В сторону латуни — латунь укорачивается сильнее.)

R01.8 · практическая работа

Закрепление · исследование

Длина столбика жидкости и температура

t, °C	l, мм
0	40
20	52
40	64
60	76
80	88

Гипотеза: l растёт линейно — точки на одной прямой.

Это практическая работа из ФРП (EL-6.17): «Проверка гипотезы линейной зависимости длины столбика жидкости в термометрической трубке от температуры». Данные — модельные.
Вопросы: на сколько удлиняется столбик при нагревании на 20 °C? (на 12 мм — везде одинаково, значит, зависимость линейная). Длина при 50 °C? (70 мм — по графику). При какой температуре l = 82 мм? (70 °C.)
Типичная ошибка: читать масштаб по клеткам, а не по подписям осей. Цена деления сетки: 10 °C и 10 мм.

R01.8 · практическая работа

Практическая работа

Наблюдение теплового расширения

Оборудование

шар и кольцо, спиртовка
колба с трубкой, подкрашенная вода
колба с изогнутой трубкой, стакан с водой
сосуд с горячей водой

Горячий шар и сосуд с кипятком руками не брать. Спиртовку гасить колпачком.

Опыт	Что наблюдаем	Вывод
шар нагрели	не проходит в кольцо	объём твёрдого тела увеличился
колбу с водой нагрели	столбик в трубке поднялся	объём жидкости увеличился
колбу с воздухом нагрели	пузырьки из трубки	объём газа увеличился
все тела охладили	всё наоборот	тела сжимаются

Работа в парах (8–10 мин), если оборудование есть; иначе — заполнение таблицы по демонстрациям сл. 5–7. Ученики заполняют столбцы «Что наблюдаем» и «Вывод» сами, затем открываем ответы по щелчку.
Порядок: 1) сформулировать предположение («при нагревании объём увеличится»); 2) собрать установку; 3) нагреть, наблюдать; 4) охладить, наблюдать; 5) записать вывод (REQ-1.9).
ТБ (REQ-1.13): волосы убрать, спиртовку не переносить зажжённой, не зажигать одну от другой.

R01.8 · дополнительно

Дополнительно

Вода — исключение: от 0 до 4 °C она сжимается

Можно пропустить. При нагревании от 0 до 4 °C объём воды уменьшается, дальше — растёт; наибольшая плотность воды — при 4 °C. График схематичный: объём меняется на сотые доли процента.
Следствие: зимой у дна водоёма собирается самая плотная вода (4 °C), лёд и холодная вода остаются сверху — водоём не промерзает до дна, рыбы зимуют.
Не путать с замерзанием: бутылка с водой лопается на морозе из-за превращения воды в лёд (лёд занимает больший объём), а не из-за теплового сжатия.

R01.8

Осторожно

Типичные ошибки

Утверждение	Неверно	Верно
при нагревании молекулы…	увеличиваются	движутся быстрее, расстояния между ними растут
масса нагретого тела	увеличилась	не изменилась; объём больше, плотность меньше
расширяются сильнее всего	твёрдые тела	газы; слабее всего — твёрдые
при охлаждении	объём не меняется	тела сжимаются (кроме воды от 4 до 0 °C)

R01.8

Закрепление

Ответьте и объясните

1базаКак меняются масса, объём и плотность тела при нагревании?

2базаКакие из явлений — тепловое расширение: а) ртуть в термометре поднялась; б) сахар растворился в чае; в) мяч на солнце стал туже?

3базаПочему провода линий электропередачи натягивают не туго?

4повыш.Стальной шарик еле проходит в латунное кольцо. Пройдёт ли он, если нагреть только кольцо? Только шарик?

5практикаПочему тугую металлическую крышку стеклянной банки легче открыть после горячей воды?

6практикаПо графику сл. 12: какова длина столбика при 30 °C? При какой температуре она 94 мм?

Ответы: 1) масса не меняется, объём увеличивается, плотность уменьшается. 2) а и в — тепловое расширение (жидкость, газ); б — диффузия/растворение. 3) Зимой провода укорачиваются: туго натянутые могли бы оборваться или сломать опоры.
4) Нагрели кольцо — отверстие увеличится, шарик пройдёт свободно. Нагрели шарик — застрянет. (Кольцо расширяется целиком, отверстие тоже растёт — как фотография в увеличении.) 5) Металл крышки расширяется сильнее стекла — крышка «отходит».
6) l = 40 + 0,6 · 30 = 58 мм; 94 мм — при 90 °C (94 − 40 = 54; 54 : 0,6 = 90). Задания 1–3 — все; 4–6 — по готовности или в ДЗ.

R01.8 · ОГЭ

В формате ОГЭ

ОГЭ, линия 19: качественная задача

19Стеклянная пробка застряла в горлышке флакона. Чтобы её вынуть, горлышко осторожно нагревают. Почему после этого пробку легче вынуть?

Ответ поясните.

Ответ:

Объяснение:

Ответ: пробку легче вынуть. Объяснение: горлышко нагревается раньше пробки и расширяется, отверстие увеличивается; пробка ещё холодная, её размер почти не изменился — появляется зазор.
Критерии (как в ОГЭ, 2 балла): 2 — верный ответ и достаточное объяснение без ошибок; 1 — верный ответ, но объяснение неполное или с одной неточностью; 0 — только ответ без объяснения или неверный ответ.
Ловушка: «пробка сожмётся от нагревания». Нагревать надо быстро и только горлышко: если прогреется и пробка, она тоже расширится.

рефлексия · ДЗ

Итог урока

Проверьте себя и потренируйтесь

Ответьте одной фразой

Что происходит с телами при нагревании и охлаждении?
Почему? Что меняется — размер частиц или расстояния?
Кто расширяется сильнее всего?

Домашнее задание

Найдите дома 2 примера учёта теплового расширения, объясните их
Почему нельзя ставить на огонь закрытую банку с водой?
* Опыт: надуйте шарик, подержите в морозилке 10 мин. Что с ним стало?
Тренажёр:
reknow.ru/8/physics/8_physics_agregatnye.htm

Паспорт соответствия · скрытый слайд

PHY8-005 · Тепловое расширение и сжатие

Поле	Значение
ФРП	«Физика» (базовый уровень), 7–9 кл., Москва – 2025 · 8 класс, раздел «Тепловые явления»
Строка, урок	R01 «1.1 Строение и свойства вещества», 7 ч · урок 5/7 · тип Н (новый материал)
Единицы → слайды	R01.8 «Тепловое расширение и сжатие» → 2, 4–18 · повторение R01.4, R01.6 (модели состояний, свойства) → 3 · R01.1 (положения МКТ) → 8
Результаты	REQ-1.2 (различать явления по опытам) → 5–7, 9, 16 · REQ-1.3 (распознавать в окружающем мире) → 4, 10, 16 · REQ-1.6 (объяснять, 1–2 логических шага) → 8, 10, 11, 15–17 · REQ-1.9 (опыты по наблюдению) → 5–7, 13 · REQ-1.11 (зависимость, таблица и график) → 12 · REQ-1.13 (ТБ) → 13 · REQ-1.14 (принцип действия приборов) → 11
Элементы	EL-6.5 «Тепловое расширение и сжатие» → 4–17 · EL-6.17 (практические работы: опыты по наблюдению теплового расширения; проверка гипотезы линейной зависимости длины столбика жидкости от температуры) → 12, 13
ОГЭ	линия 19 (качественная задача) → 17 · линия 3 (распознавание явлений) → 16 (задание 2) · линия 14 (график) → 12, 16 (задание 6)
Вне урока	температура и её связь со скоростью частиц — R02 (PHY8-008); коэффициент линейного расширения и формулы — не включены (вне ФРП 8 кл.); давление газа при нагревании — практикум; конвекция — R02; аномалия воды — сл. 14 «Дополнительно»
Проверки	автопроверка: pending · методист: pending