Методика изучения темы «Основы термодинамики»

Термодинамика — это раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состояние термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Начало термодинамики как науки было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня …» (1824 г.), в которой он писал: «Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, ибо она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством…».

На изучение темы «Основы термодинамики» в курсе физики X класса отведено 14 часов. Основными понятиями, которые необходимо усвоить учащимся относятся внутренняя энергия и способы ее изменения, количество теплоты, уравнение теплового баланса, работа в термодинамике, необратимость тепловых процессов, принцип действия тепловых двигателей и их коэффициент полезного действия (КПД).

Отметим, что процесс формирования у учащихся понятий является сложным по своему протеканию и, как отмечает известный ученый в области методики преподавания физики А. В. Усова, имеет определенные закономерности. Перечислим их:

Формирование понятий — процесс продолжительный по времени. Учащиеся постепенно усваивают его содержание, объем, связи и отношения данного понятия с другими.

Первоначально идет процесс формирования отдельных понятий, понятий отдельной темы, а затем в процессе дальнейшего изучения физики складывается система понятий.

Успешность формирования понятий зависит от того, осуществляется ли связь изучаемого понятия с другими, ранее известными учащимся.

Усвоение понятий данной науки происходит успешнее, если осуществляется их связь с этими понятиями в других науках, например в физике и химии.

Следует помнить, что усвоение новых понятий будет происходить более эффективно, если это будет связано с углублением сущности ранее изученных понятий {Л.В. Усова. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения. М.: Педагогика, 1986).

При этом следует отметить, что такой литературы, особенно по методике преподавания конкретных учебных предметов, в частности физики, практически сегодня нет. Учитель, особенно начинающий педагогическую деятельность, испытывает большие затруднения при подготовке к урокам.

В теме «Основы термодинамики» получают дальнейшее развитие энергетические представления, происходит обобщение закона сохранения энергии для тепловых процессов, изучается первый закон термодинамики и рассматривается его применение к анализу изопроцессов в газах.

К числу важнейших законов, изучаемых в этой теме, относится первый закон термодинамики, а также ознакомление со вторым законом термодинамики и адиабатным процессом. Изучение одного из основных принципов термодинамики (первое начало термодинамики) имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение.

Программой по физике, к сожалению, не предусмотрено изучение второго закона термодинамики, что обедняет курс физики, так как тепловые процессы в природе целесообразно объяснять на основе этого закона. Его включение и объяснение на качественном уровне только бы помогло глубже и полнее раскрыть происходящие термодинамические процессы.

Учащимся полезно дать возможность проследить путь развития учения о теплоте в историческом аспекте. Прежде чем использовать внутреннюю энергию, необходимо было разобраться в тепловых процессах, открыть законы, описывающие их.

Встал вопрос о введении количественных характеристик, описывающих тепловые явления и процессы, составить представления о природе теплоты и только после этого приниматься за конструирование тепловых машин, преобразующих внутреннюю энергию в механическую. Лишь после того, как была создана термометрия, выработаны некоторые представления о природе теплоты, появилась возможность научного подхода к решению основной проблемы.

Полезно учащимся предложить доклады и сообщения по данной теме, так как она имеет достаточно интересную и познавательную историю. Несмотря на то что на раннем этапе развития человечества теплота не представляла энергетической ценности, вопрос о ее природе не был безразличным для древних философов.

На рубеже XVII—XVIII вв. вопрос о природе теплоты вновь был поставлен на повестку дня, когда развивающаяся промышленность потребовала создания нового типа двигателя. В это время господствовала теория теплорода. Опыты, проведенные в 1798—1799 гг. Б. Румфордом и Г. Дэви, нанесли сокрушительный удар по теории теплорода. Для учащихся достаточно интересным будет рассказ о том, как проводились эти опыты и какой вклад в развитие науки они внесли.

Учащимся полезно знать, что в России первая паровая машина была построена в 1765 г. уральским изобретателем И. И. Ползуновым. Принимая во внимание этот факт, следует предложить учащимся сделать сообщение по жизни и творчеству И. И. Ползунова. Таким образом, будет реализован обучение физики с учетом краеведческого и исторического материала. Полезно сделать сообщение о работах С. Карно, Б. Клапейрона, Р. Клаузиуса, У. Томсона (лорда Кельвина).

Поскольку сокращение часов на изучение физики произошло, то, безусловно, за собой это повлекло и сокращение бюджета времени на рассмотрение вопросов по истории науки. И в тоже время, представляется, что, вряд ли, мы имеем право на то, чтобы забывать историю, которая может научить многому. Хотя бы тот факт, что современный человек не представляет себе жизнь без тепловых двигателей, которым всего лишь чуть более 200 лет. На смену пришли электрические двигатели, но полностью они не вытеснили и тепловые. Знание истории науки поможет учащимся более глубоко и основательно проникнуть в суть тепловых явлений и процессов. Без знания истории не может быть будущего науки, ее перспективного развития.

Важный вопрос темы — вопрос о принципах действия тепловых двигателей, рассмотрение которого позволяет показать применение законов термодинамики в конкретных технических устройствах и тем самым ознакомить учащихся с физическими основами теплоэнергетики. Еще С. Карно писал: «Изучение этих машин чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико и их распространение растет с каждым днем».

Изложение вопросов о тепловых машинах должно познакомить учащихся с научными основами и принципами их действия, с физическими закономерностями преобразования энергии с помощью этих машин и обосновать дальнейшие направления их совершенствования.

Трудности в усвоении учащимися теоретических основ работы тепловых машин обусловлены нс только сложностью материала, который отличается абстрактностью, но и несовершенством методики изложения этого материала.

В школьном курсе физики отсутствует изучение второго закона термодинамики, а нужно учителю вводить понятие холодильника, чтобы объяснить принцип действия тепловой машины. Без знания этого закона практически невозможно обосновать его необходимость.

Следует отметить, что значительные сложности и трудности испытывают учащиеся при решении задач на составление уравнения теплового баланса, использование первого начала термодинамики.

Огромная роль решения задач в процессе обучения физике обусловлена тем, что важнейшей целью обучения физике является овладение учащимися методами решения различных задач, с одной стороны, а с другой, полноценное достижение всей целей обучения физике возможно лишь с помощью решения учащимися системы учебных физических задач. Решение задач по физике выступает и как цель, и как средство обучения.

Задача — сложная дидактическая система, где в единстве, взаимосвязи, взаимозависимости и взаимодействии представлены компоненты (заданная и решающая системы), каждая из которых в свою очередь состоит из находящихся в такой же динамической зависимости элементов: предмета, условия и требования задачи, с одной стороны, методов, способов и средств ее решения — с другой.

Учебная задача, как правило, представляет собой определенную модель реально существующей системы. Физическая задача может быть описана как некоторая математическая модель, с одной стороны, а с другой — она может быть сложной системой, построенной на физико-биологической иерархии. В учебном процессе по физике для решения используются и те, и другие модели задач.

В учебном процессе по физике имеет место использование простых и сложных задач, задач по конкретным темам и разделам, комплексных задач и задач межпредметного содержания, задач, требующих алгоритмических и эвристических предписаний для получения конечного результата.

Задачи по физике выполняют различные функции в процессе обучения физике. И от того, какие цели ставит учитель при использовании задач на уроке, зависит и подбор задач. Важно отметить, что сокращение часов на изучение физики привело к тому, что учащиеся стали решать задач меньше. Это не относится к классам и школам с углубленным изучением математики и физики. Это «беда» обычной общеобразовательной школы.

Проблема обучения учащихся решению задач неоднократно обсуждалась в методике преподавания физики. Издано огромное количество различных руководств, защищено большое количество кандидатских и докторских диссертаций и, тем не менее, решать задачи по физике учащиеся не стали лучше. Представляется, что одной из причин является недостаточная разработка методики обучения решению физических задач.

Заканчивая изучение темы целесообразно провести конференцию по теме: «Тепловые двигатели на службе человека». Проведение такой конференции дает возможность показать роль тепловых машин в развитии энергетики и народного хозяйства страны.