學習目標
- 熱傳遞的三種方式。
- 工程師必須研究和理解這個問題以便解決它。
課程內(nèi)容
- 向學生介紹熱傳遞中傳導、輻射和對流的概念。
- 為了讓學生了解熱傳遞，提供一系列與之有關的差異性事件示例：
a. 熱量從溫暖的物體向較冷的物體轉移
b. 某些材料比其他材料導熱更好
c. 某些材料反射或吸收輻射
d. 當流體（液體或氣體）下沉或上升時對流發(fā)生。
課程目標
在本課結束時，學生將能夠：
- 定義熱傳導為熱能通過固體材料的傳遞。
- 解釋熱能從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。
- 表明一些材料導熱性能更好，例如金屬導熱性能比木頭好。
- 解釋熱能轉移通過固體材料是由于振動的原子相互碰撞。
- 定義熱輻射是通過空間輻射傳遞熱能。
- 解釋當黑色物體吸收輻射后，這種能量轉化為熱能。
- 證明淺色的或有光澤材料更易反射輻射。
- 表明一些材料反射輻射的能力更好。
- 定義熱對流是熱能在流體（氣體或液體）中隨著流體下沉或上升傳遞。（注：這是因為冷的流體比暖的流體密度大，它們會使溫暖的流體上升。）
課程簡述
- 回顧第一課的有關隔熱的示范活動1（10分鐘）
- 示范活動2-托盤（10分鐘）
- 示范活動3-湯匙（15分鐘）
- 示范活動4-黑屋頂房子（20分鐘）
- 示范活動5-太空毯（5分鐘）
- 在故事板上記錄學習過程（10分鐘）
背景
隔熱材料：熱傳遞速率較低的材料。
導熱材料：熱傳遞速率較高的材料。
傳導：傳導是熱能通過直接接觸從一種物質傳遞到另一種物質的方式。它可以是固體之間的直接接觸，也可以是固體和流體之間的直接接觸。當較高溫度/振動劇烈的原子/分子與較低溫度/振動不劇烈的原子/分子碰撞時，動能被轉移，使后者升溫并增加動能。“溫暖”是指在原子層面上有多少動能。
對流：因為冷的流體比暖的流體密度大，流體（氣體或液體）會下沉或上升。當這種情況發(fā)生時，較冷的流體推動暖流體上升，并獲得熱能。
輻射：輻射是以電磁波的形式傳輸能量的?？梢姽夂图t外光都是輻射傳熱的兩種形式。
教師材料
1個 塑料托盤
1個 銀托盤
2支 魚缸溫度計條
1個 紙板房
1個 金屬燈泡裝箱
1個 60瓦燈泡
學生資料（每組）
- 2個 企鵝形狀的冰塊
- 1個 不銹鋼勺（銀或鍍銀的優(yōu)先）
- 1個 塑料勺
- 1卷 紙巾
- 1個 故事板（來自于第一課）
- 1盒 彩色筆
課前準備
- 準備示范活動2的物料
a.將魚缸溫度計條貼到每個托盤的底部。確保每個溫度計顯示的是室溫。 - 準備示范活動3的物料
在前一天晚上提前制作企鵝形狀的冰塊，以供學生在第二天的課堂中使用。在這個示范活動中，沒有必要使用精確的固定量的水制作企鵝冰塊。為每組學生準備兩個企鵝冰塊。 - 準備示范活動4和示范活動5的物料
a.使用紙板建造一個有屋頂?shù)姆孔印?br> b.把屋頂涂成黑色。
c.在底部剪一個開口，這樣你就可以很快冷卻房子。
d.在閣樓的位置放置一個溫度計，另一個放置在地板附近。
e.切一塊聚酯薄膜太空毯，覆蓋在屋頂，覆蓋了所有的黑漆。
f.在板上繪制數(shù)據(jù)表（或使用Excel或交互式白板） - 為每個學生準備一張測試卡（在27頁），在本課結束時分發(fā)。
課程步驟
- 傳遞兩個托盤（金屬和塑料）。讓所有的學生通過觸摸感受托盤并問學生，“哪個托盤更冷？”認可所有的答案，不進行討論。
- 讓學生把魚缸溫度計條貼在每個托盤的背面。讓學生看溫度計條，并確認托盤處于相同的溫度。
- 讓學生參與討論，問學生以下問題：
?如果兩個托盤的溫度相同，你認為是什么讓你覺得其中一個更冷？
?這個托盤是用銀（或不銹鋼）做的。你認為這種材料會讓我們昨天實驗中的蘇打水保持寒冷嗎？為什么會或為什么不會？ - 讓學生觀看下面的YouTube視頻。它表明當成年人被問到相同的問題時，會認為金屬本身就是冷的。http://www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs
- 解釋金屬（包括銀或不銹鋼）不是隔熱材料，它們的特性使之成為熱的良導體性。熱導體的作用和隔熱材料正好相反，它加快了熱量從一個溫暖的地方傳遞一個較冷的地方的熱傳遞速率。當你接觸一個比你的體溫更冷的金屬物體時，熱量會從你的手上轉移，因此你覺得金屬是冷的。
- 遞給每組學生一個銀（或不銹鋼）勺子和一個塑料勺子，讓學生把它放在臉頰上。然后問以下兩個問題：
- 哪個勺子感覺更涼？
- 你認為哪個勺子能讓冰塊保持冷卻？
教師注意：這兩個勺子都是常溫的，但學生們可能認為銀（或不銹鋼）勺子更冷。當提出第二個問題時，許多人會預測，銀（或不銹鋼）勺子將保持冰塊冷卻，因為他們覺得銀（或不銹鋼）勺子更冷。
-
給每組學生兩個企鵝形冰塊。在每個勺子里放一個冰塊，讓學生輪流拿著手中的勺子三分鐘。提供衛(wèi)生紙擦拭桌面。
塑料勺子和金屬勺子中的企鵝冰塊 - 對學生所觀察到的現(xiàn)象進行課堂討論。向學生提問：
- 哪個勺子中的冰融化得更快？
- 為什么你認為銀（或不銹鋼）勺子使冰融化得更快？
- 是什么導致冰融化？
- 企鵝形狀的冰塊在金屬表面不易融化還是在塑料表面不易融化？為什么？
教師注意：金屬勺子摸上去感覺較冷，因為它是熱的良導體。金屬吸收學生的手中的熱量，從而讓他們的感覺到冷。從手到勺子的傳導反過來加熱勺子到融化冰的點。
- 清理勺子，冰塊和紙巾。讓學生在故事板上寫下熱傳導的定義和并繪制一個勺子的圖形，用箭頭表示熱量傳遞的方向。向學生提問：
- 如果你有世界上最強大的顯微鏡，當你觀察熱量從你的手傳遞到冰塊時，你會看到什么？
- 如果熱不是一種物質或流體，它是什么？
傳導：傳導是熱能直接從一種物質傳遞到另一種物質的方式。
學生繪制的示例
讓六個學生在教室的前面站成一排來演示傳導。告訴學生，在隊伍一端的學生是熱的（也許是一個穿著紅色襯衫的學生），并告訴另一端的學生，她是冷的（也許是一個穿著藍色襯衫的學生）。讓那個代表熱的學生開始搖晃，告訴其他學生，如果他們旁邊有人在搖晃，他們也要開始搖晃。最終所有的學生都會顫抖。
問學生以下問題：
- 在這個模型中學生代表什么？
- 關于熱傳遞這個模型告訴了我們什么？
教師注意：這個示范讓學生模擬了熱是如何傳導的。學生代表原子或分子。該模型表明，熱通過固體材料傳遞的原因是原子（或分子）振動和并碰撞彼此。
- 向學生展示紙板屋。將溫度計插入閣樓位置和一樓位置。給他們看溫度計，并讓學生記錄下閣樓和地板的溫度。
- 將車間燈放在紙板屋的屋頂上方大約12 - 18英寸的地方，放置過程中不要打開燈。
- 打開商店的燈，讓它照在黑色的屋頂上。30秒鐘后測量屋頂?shù)臏囟?。然后，問學生以下內(nèi)容：
- 是什么導致屋頂?shù)臏囟仍黾樱?/li>
- 當你在室外穿黑色衣服時，你是否感覺到熱？
- 在冬季，你是希望家里的屋頂是黑色還是白色？
教師注意：黑色的物體之所以容易變熱是因為黑色是“黑”的，因為它們吸收了大部分照射到它上面的光，所以光不會反射回你的眼睛！深色吸收更多可見光譜。淺色是“淺”的，因為它們?nèi)菀追瓷涔饩€。它們反射了更多的可見光譜。紅色的東西只反射紅光，吸收可見光中的其他顏色。黑色的東西吸收可見光中的所有顏色，所有的光能，并把光能轉化成熱能。
-
讓房子中的空氣流通（打開底部，把房子翻轉過來）。然后，在房屋的頂上鋪一塊聚酯薄膜太空毯。向學生說明你要打開燈了，并讓學生預測由于放置了聚酯薄膜太空毯，屋頂?shù)臏囟葧l(fā)生什么變化。
鋪有聚脂薄膜太空毯房屋模型.png - 打開燈，30秒后測量屋頂?shù)臏囟?。問學生以下內(nèi)容：
- 為什么當放置了太空毯后，屋頂沒有之前那么燙了？
- 為什么太空毯上的聚酯薄膜是閃光的？
- 如果聚酯薄膜能反射光線，那如何解釋屋頂保持涼爽？
- 如果我們使用淺色的布料覆蓋在屋頂上，結果會一樣嗎？
教師注意：聚酯薄膜是含有鋁的塑料。聚酯薄膜的表面閃爍光澤，因為它能反射光線。它反射光線的能力減慢了輻射能（熱能）向屋頂?shù)膫鬟f，因此屋頂保持涼爽。白布應該有類似的效果。如果你有時間，試試看！
- 讓學生志愿者把他們的手放在燈下。然后用太空毯擋住光線，并讓學生向全班同學描述他們的感受。你也可以使用白布，看看學生是否感覺有什么不同。然后問學生：
- 從燈中射出的光發(fā)生了什么？
- 讓學生在故事板上的另一個范圍內(nèi)，畫出他們所觀察到的現(xiàn)象。
- 介紹熱傳遞的第二種方法，輻射。告訴學生，黑色的屋頂吸收了光源發(fā)出的輻射，但聚脂薄膜太空毯會反射輻射，把輻射阻攔在房屋外。一種說明這個現(xiàn)象的方式是，讓穿著不同顏色襯衫的學生來到教室的前面。向學生扔紙球，告訴學生你扔的是假想的光粒子。告訴穿深色襯衫的學生接住假想的光粒子，穿淺色襯衫的學生打飛假想的光粒子，向學生提問：
- 為什么深顏色的物體在陽光下會變得很熱？例如深色的汽車、停車場、屋頂？
- 為什么淺顏色的物體在陽光下會保持涼爽？例如淺色的汽車、停車場、屋頂？
- 你認為這是為什么？
- 當設計一個新房屋時，建筑師如何利用這個信息？
- 問學生以下問題：
- 地球如何得到熱量？
- 太陽發(fā)出的熱量是怎樣到達地球的？
- 地球會反射來自太陽的輻射嗎？
- 地球上的哪部分能反映最多的輻射？（雪、水、冰、云）
教師注意：地球從太陽得到熱量。它是通過輻射從太陽傳輸?shù)?。云、雪和水都能有效地反射太陽輻射?/em>
- 當屋頂冷卻下來后，讓學生在故事板上寫下輻射的定義，并繪制帶有聚脂薄膜太空毯的房屋，用箭頭表示輻射是如何被反射的。
輻射：輻射是以電磁波的形式傳輸能量的。可見光和紅外光這兩種輻射方式都可以傳遞熱量。X射線和γ射線和微波是其他形式的電磁輻射，但它們不是由燈泡產(chǎn)生的（太陽可以產(chǎn)生它們）！ - 把紙板屋的屋頂拿下來。使空氣流通，釋放里邊的熱空氣。使用數(shù)字溫度計，測量并在數(shù)據(jù)表上記錄在閣樓位置的空氣和一樓位置的空氣的初始溫度，展示給所有學生看。
- 打開紙板屋上方的燈。邀請兩名學生志愿者每間隔30秒的時間，大聲地讀出閣樓和地板的溫度，然后在由第三位學生志愿者在數(shù)據(jù)表上記錄結果，測量時間為三到五分鐘。
- 向學生提問：“為什么閣樓位置變得這么熱？”“
教師注意：閣樓越來越熱，是因為黑色屋頂吸收光源中的紅外線和可見光。這種輻射被轉化為屋頂上的熱能。閣樓里的空氣變熱是因為紙板的熱傳導。熱的屋頂通過熱傳導將熱能傳遞給了它內(nèi)部的空氣。
一些學生可能會說熱空氣正在上升。下一個示范活動將解決這一現(xiàn)象（對流），但重要的是學生認識到，在這種情況下，熱空氣上升并不會導致閣樓變熱。提醒學生，在開始實驗之前，房子里所有的空氣（一樓和閣樓的空氣）都是相同的溫度。能量從光源轉移到黑色的屋頂，熱能通過屋頂傳遞到閣樓的空氣。熱空氣不會下降使房子的一樓變熱，因為熱空氣的密度比冷空氣小。 - 告訴學生，“在第1課中我們討論隔熱，指的是防止閣樓的熱傳遞。閣樓防止了什么類型的傳熱傳遞？“
- 告訴學生你將要把房屋顛倒過來。讓學生預測閣樓和一樓的溫度會怎樣。
- 把房子翻過來。然后，讓學生志愿者們在每30秒的間隔內(nèi)，大聲地讀出閣樓位置下降的溫度和一樓位置上升的溫度，直到閣樓和一樓的溫度達相同。問學生以下問題：
- 閣樓和一樓位置空氣的溫度發(fā)生了什么？
- 為什么溫度會這樣變化？
- 告訴學生，熱傳遞的傳遞方向取決于熱和冷的位置。在房子里，閣樓里的熱空氣在上升，因為一樓的冷空氣正在下沉，把熱氣往上推。告訴學生這叫做對流。
教師注意：下面是關于對流學生的兩個重要誤解。務必在此時解決它們。
“熱會上升的錯覺”-學生經(jīng)常會說熱會上升。為了解決這個誤解，提醒學生，熱不是物質。解釋熱空氣是可以上升的，而熱是熱能的轉移。熱能轉移可以發(fā)生在任何方向（從熱的區(qū)域到冷的區(qū)域）。熱空氣不會上升，除非它被下沉的冷空氣推上去（或替換掉）。
“冷轉移誤解”-學生可能認為，因為冷空氣下沉，“冷”就被轉移了。提醒他們，冷的物體可以移動，但冷本身不能移動，是熱能在轉移。 - 解釋傳導是熱傳遞的一種方式，輻射是另一種方式，對流是第三種熱傳遞的方式。
- 讓學生在故事板上寫下熱對流的定義和并繪制一個被翻轉過來的房屋，用箭頭表示熱量傳遞的方向。
對流：當流體（氣體或液體）由于密度不同而上升和下降時發(fā)生對流。較熱的流體比冷的流體密度小，因為較熱的流體中的粒子更分散。
總結
- 熱傳遞有三種方式，分別是傳導、對流和輻射。
- 在銀勺/托盤示范活動中我們看到的是傳導現(xiàn)象。熱從我們溫暖的手上直接傳遞到熱的良導體上（金屬托盤或金屬勺）。
- 在聚脂薄膜太空毯示范活動中我們看到的是輻射現(xiàn)象。輻射是以電磁輻射的形式傳遞能量的。
- 在翻轉的房子示例活動中我們看到的是對流現(xiàn)象。由于冷空氣的下沉，熱空氣上升，是重力使冷空氣下沉。
- 將下面的測試卡傳遞給學生，并讓學生回答問題。鼓勵他們用圖畫加文字的形式說明他們的答案。使用此測試卡作為形成性評估的依據(jù)（不要根據(jù)測試卡將學生“分級”，只是根據(jù)它得到反饋）。
測試卡
用文字和圖畫回答下列問題。
測試卡
上面提到的十二個問題通常沒有一個正確的答案。有時一個現(xiàn)象中涉及了多種傳熱方式。使用測試卡作為形成性評估，以確定學生目前的理解水平。
