Особенности изучения тем «Внутренняя энергия», «Работа», «Количество теплоты» раздела «Термодинамика»

Тема: Особенности изучения тем «Внутренняя энергия», «Работа», «Количество теплоты» раздела «Термодинамика»

В 10 классе школьники при изучении раздела «Молекулярная физика» должны рассмотреть и изучить основные вопросы, касающиеся термодинамики. Термодинамика является подразделом молекулярной физики. Практически все школы занимаются по учебникам Мякишева, согласно данному учебнику вопросами термодинамики заканчивается изучение раздела «Молекулярная физика» в 10 классе. По учебнику Касьянова вопросы термодинамики рассматриваются в середине раздела «Молекулярная физика» .

Термодинамика включает в себя следующие вопросы:

ѕ Внутренняя энергия;

ѕ Понятие работы;

ѕ Количество теплоты;

ѕ Первый закон термодинамики и его применение к различным процессам;

ѕ Необратимость процессов в природе, второй закон термодинамики;

ѕ Тепловые двигатели, КПД.

Помимо изучения теоретического материала, большое значение надо уделять решению задач. Решение задач поможет учащимся не только отработать навык применения полученных знаний, но и поможет лучшему усвоению материала. В зависимости от того какой класс, с углубленным изучением физики или нет, будет меняться сложность и количество рассматриваемых задач.

Сейчас мы рассмотрим методику изучения тем «Внутренняя энергия», «Работа» и «Количество теплоты» .

Знание по данным темам понадобятся учащимся при дальнейшем изучении тем термодинамики («Первого начала термодинамики», «Тепловые двигатели»). На основе данных тем учащиеся без проблем смогут решить задачи из раздела «термодинамика» .

1. Особенности изучения тем.

Тема: «Внутренняя энергия» .

Цели урока:

Образовательные: сформулировать понятие внутренней энергии, вывести формулу для расчёта вн. эн, выяснить от изменения каких величин зависит вн. эн, рассмотреть способы изменения вн. эн и научиться применять полученные знания при решении задач.

Развивающие: развитие памяти и логического мышления; умения сравнивать, анализировать, вести наблюдения и самостоятельно делать выводы.

Воспитательные: воспитывать аккуратность и точность при выполнении упражнений, формирование культуры учебного труда; продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

На первом уроке вам необходимо будет обеспечить усвоение понятия внутренней энергии учащимися, и объяснить какими способами её возможно изменить.

В термодинамике под внутренней энергией тела понимается энергия, зависящая только от его внутреннего состояния и не связанная с движением относительно других тел. Внутренняя энергия тела однозначная функция состояния тела, которое определяется рядом параметров (давление, объем, температура). В каждом состоянии тело обладает лишь одним значением внутренней энергии.

Под внутренней энергией мы понимаем сумму энергии хаотического движения и взаимодействия молекул и энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих молекулы (энергия колебательного движения частиц, внутриядерная энергия и т. д.). Вн.эн. — сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия: U = E_k+E_p.

Изменение вн.эн. происходит либо при совершении работы, либо в процессе теплопередачи. При совершении работы, мера изменения вн.эн. — работа, при процессе теплопередачи — количество переданной теплоты. Обращайте внимание школьников на то, что совершение работы и процесс теплопередачи, неравноценные способы изменения вн.эн. Совершение работы может привести к изменению как механической, так и внутренней энергии. Теплопередача ведет к изменению лишь внутренней энергии. Вн.эн. — является однозначной функцией состояния.

Те знания школьников, которые у них уже имеются из средней школы, углубляются за счет применения понятия вн.эн. к идеальному газу. Для идеального газа вн.эн.: U=E_k+E_p; E_p=0; U= (для одноатомного газа). Из формулы мы видим что вн.эн. идеального газа зависит только от его температуры.

Стоит также записать формулы внутренней энергии для двухатомного газа и для произвольного газа:

U= И U= .

Изменение вн. эн для идеального газа определяется следующей формулой:

U=3/2 m/M RT или U=.

Далее целесообразно предоставить учащимся задачу для закрепления изученного понятия.

Например: В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при температуре 10^оС. Как измениться внутренняя энергия гелия, если его температура повыситься до 30 ^оС?

На следующем уроке рассматривается тема «Работа газа при изопроцессах» .

Цели урока:

Образовательные: сформулировать понятие работы в термодинамике, вывести формулу для расчёта работы, выяснить от изменения каких величин зависит работа, выяснить её геометрический смысл, научиться применять полученные знания при решении задач.

Развивающие: развитие памяти и логического мышления; умения сравнивать, анализировать, вести наблюдения и самостоятельно делать выводы.

Воспитательные: воспитывать аккуратность и точность при выполне-нии упражнений, формирование культуры учебного труда; продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

Урок стоит начать с повторения ранее изученного, обратиться к знаниям которые были получены в 7−9 классах.

Для начала необходимо вспомнить, как определяется работа в механике. Работа (в механике) — это произведением модулей силы и перемещения на косинус угла между направлениями силы и перемещения. Учащимся дается задача о вычислении работы в зависимости от изменения объема, на примере газа в цилиндре под поршнем.

При решении подобной задачи в общем виде должны быть получены формулы для расчёта работы при расширении и сжатии газа.

Затем переходите к рассмотрению работы при различных изопроцессах:

1. V= const; A=0. Работа не совершается, изменение объема не происходит.

2. P=const.

Работа газа численно равна площади прямоугольника.

3. При изотермическом процессе необходимо разделить общее изменение объема на малые части и вычислить элементарные работы, а затем их все сложить. То есть полученную фигуру разбиваем на части, ищем площадь каждой из частей, а потом всё складываем.

На уроке необходимо решить несколько задач по теме, чтобы ребята смогли усвоить изученную формулу. Задачи отбирать надо так, чтобы они не являлись повторением друг друга. В первой, например, ищем работу, во второй используя формулу работы — объем или температуру и т. п. Условие задачи может быть представлено на графике.

Примеры задач:

1. Воздух находится под давлением 3*10⁵Па и занимает объем 0,6 м³. Какая работа будет совершена при уменьшении его объема до 0,2 м³?

2. В цилиндре заключен кислород массой 1,6 кг при температуре 17 ^оС и давлении 4*10⁵ Па. До какой температуры нужно изобарно нагреть кислород, чтобы работа при расширению была равна 4*10⁴Дж?

3. Идеальный газ переходит из состояния (1) в состояние (4) так, как показано на рисунке. Вычислите работу, совершаемую газом.

Следующий урок «Количество теплоты» .

Цели урока:

Образовательные: выяснить, что такое количество теплоты, вспомнить и записать формулы для расчёта количества выделившейся теплоты при различных явлениях, научиться применять полученные знания при решении задач.

Развивающие: развитие памяти и логического мышления; умения сравнивать, анализировать, вести наблюдения и самостоятельно делать выводы.

Воспитательные: воспитывать аккуратность и точность при выполнении упражнений, формирование культуры учебного труда; продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

Учащиеся уже знакомы с понятием количества теплоты, поэтому на данном уроке его стоит лишь повторить.

Внутреннюю энергию газа можно изменить не только совершая работу, но и нагревая газ.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом либо теплопередачей.

При процессе теплообмена энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Обратного процесса происходить не может, следовательно, процесс теплообмена необратимый. Энергия, переданная системе или полученная системой при теплообмене, называется количеством теплоты.

Можно показать эксперименты демонстрирующие процесс теплообмена. Например: в колбу с холодной водой опускаем на дно марганцовку и нагреваем на спиртовке. Наблюдаем движение окрашенной воды.

Всем известно, что количество теплоты обозначается буквой Q и измеряется в Дж. Если система получает тепло — Q>0, если система отдает тепло — Q<0.

К тепловым явлениям относятся:

ѕ Нагревание и охлаждение;

ѕ Испарение и конденсация;

ѕ Кипение;

ѕ Плавление и кристаллизация.

Стоит вспомнить формулы для расчёта количества теплоты при различных процессах. Можно составить табличку:

Отдельное внимание надо уделить решению задач по данной теме. Начать стоит с простейших задач на применение готовой формулы. Далее следует разнообразить спектр решаемых задач, например, использовать задачи, где рассматриваются несколько тепловых явлений и решение требует применения ряда различных формул.

Задачи могут быть следующие:

1. В калориметр с теплоемкостью 65 Дж/К было налито 250 г масла при 12 ^оС. После опускания в масло медного тела массой 500 г при температуре 100^оС установилась общая температура 33 ^оС. Какова удельная теплоемкость масла. (2200 Дж/ К кг)

2. Сколько дров надо сжечь в печке с КПД 40%, чтобы из снега, взятого при температуре 10^оС, получить воду при 20 ^оС? (22 кг)

3. Бытовой газовый водонагреватель проточного типа имеет полезную мощность 21 кВт и КПД 80%. Сколько времени будет наполняться ванна вместимостью 200л водой, нагретой в нагревателе на 24 ^оС, и каков расход газа (в литрах) за это время? При сгорании 1 м³ природного газа выделяется 36МДж. (16 мин, 120 л) Следующий урок лучше посвятить решению задач по пройденному материалу (внутренняя энергия, работа, количество теплоты).

Работу на данном уроке можно организовать различными способами. Например, коллективное решение задач с выходом учащихся к доске, индивидуальная работа по карточкам (задачи можно подбирать дифференцировано по уровням сложности и в зависимости от способностей каждого ученика), работы в группах или парах, самостоятельная работа по вариантам и т. д. На одном уроке можно группировать различные способы. Можно также провести самостоятельное решение задачи, а затем позволить ученикам проверить друг у друга тетради и поставить оценки (в этом случае вы должны предусмотреть способ проверки, чтобы ребята не допустили ошибок и не поставили завышенные отметки). В ходе урока должны быть решены задачи различных уровней сложности, чтобы каждый учащийся знал, что есть задачи, которые ему по силам, которые он сможет решить. Если класс «сильный» (физ-мат. направленности) то можно сделать один урок решения экспериментальных задач.

Задачи могут быть следующие:

1) Определить количество теплоты, выделяющееся при скольжении тела по наклонной плоскости без начальной скорости.

?Оборудование: наклонная плоскость, тело известной массы, линейка, секундомер.

?Решение:

Количество теплоты, выделяющееся при соскальзывании тела с наклонной плоскости, будет равно

Q = ?ДE,

где ДE? изменение механической энергии тела ДE = E₂? E₁; E₂ = E_k2 (E_p2 = 0), а E₁ = E_p1 (E_k1 = 0).

Таким образом,

Q = mgh? mv₂²/2,

где h? высота наклонной плоскости (измеряется линейкой), скорость тела у основания наклонной плоскости v = at.

?Длина плоскости l = at²/2, отсюда l = v₂t/2, т. е.

v₂ = 2l/t. (2)

?Длину l наклонной плоскости измеряем линейкой, а время движения тела по ней? секундомером. Подставляя значения скорости из формулы (2) в формулу (1), окончательно получим:

Q = m (gh? 2l²/t²).

2) Определить удельную теплоемкость металла.

?Оборудование: металлический брусок, нагреватель, весы, термометр, сосуд для воды, нить, штатив.

?Решение: С помощью весов определим массу металла m_м и массу воды в калориметре m_в. Затем измерим термометром температуру воды в калориметре t₁. Обвязав брусок нитью, и прикрепив другой ее конец к штативу, опустим брусок в сосуд с водой. Поставим сосуд на нагреватель и нагреем воду (а вместе с ней и брусок) до температуры t₂ (80? 90 °С). Значение температуры t₂ снова определяем термометром. После этого быстро вынимаем брусок из сосуда с водой и помещаем в калориметр. Пусть установившаяся температура в нем равна t_o. Тогда уравнение теплового баланса имеет вид:

c_мm_м(t₂? t_o) = c_вm_в(t_o? t₁) + c_кm_к(t_o? t₁),

где с_м, с_в, с_к? удельные теплоемкости металла, воды и калориметра соответственно, m_к? масса калориметра.

?Решая уравнение, получим:

c_м = (c_вm_в + c_кm_к)(t_o? t₁)/(m_м(t₂? t_o)).

Подобные задачи могут быть даны учащимся без комментариев к решению, то есть просто условие задачи и оборудование, при этом способ решения учащиеся должны предложить самостоятельно. Решение задачи можно также оформить в виде комментариев к задаче, тем самым подсказывая решение ребятам.

Кстати, об уравнении теплового баланса многие учителя не рассказывают. Данное уравнение изучается в классах с углубленным изучением физики, либо на факультативных занятиях.

3.Занимательная физика.

На уроках можно использовать занимательные задачи из сборников Я. И. Перельмна. Их можно применять в качестве мотивационных или для общего развития и формировании познавательного интереса к физике.

Пример: физика урок задача эксперимент КОГДА ОКТЯБРЬСКАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА ДЛИННЕЕ — ЛЕТОМ ИЛИ ЗИМОЙ?

На вопрос: «Какой длины Октябрьская железная дорога?» — кто-то ответил: — Шестьсот сорок километров в среднем; летом метров на триста длиннее, чем зимой. Неожиданный ответ этот не так нелеп, как может показаться. Если длиной железной дороги называть длину сплошного рельсового пути, то он и в самом деле должен быть летом длиннее, чем зимой. Не забудем, что от нагревания рельсы удлиняются — на каждый градус Цельсия более чем на одну 100 000-ю своей длины. В знойные летние дни температура рельса может доходить до 30 — 40° и выше; иногда рельс нагревается солнцем так сильно, что обжигает руку. В зимние морозы рельсы охлаждаются до — 25° и ниже. Если остановиться на разнице в 55° между летней и зимней температурой, то, умножив общую длину пути 640 км на 0,1 и на 55, получим около 1/3 км. Выходит, что и в самом деле рельсовый путь между Москвой и Ленинградом летом на треть километра, т. е. примерно метров на триста, длиннее, нежели зимой.

Изменяется здесь, конечно, не длина дороги, а только сумма длин всех рельсов. Это не одно и то же, потому что рельсы железнодорожного пути не примыкают друг к другу вплотную: между их стыками оставляются небольшие промежутки — запас для свободного удлинения рельсов при нагревании [Зазор этот, при длине рельсов 8 м, должен иметь при 0° размер 6 мм. Для полного закрытия такого зазора нужно повышение температуры рельса до 65 °C. При укладке трамвайных рельсов нельзя, по техническим условиям, оставлять зазоров. Эго обычно не вызывает искривления рельсов, так как вследствие погружения их в почву температурные колебания не так велики, да и самый способ скрепления рельсов препятствует боковому их искривлению. Однако в очень сильный зной трамвайные рельсы все же искривляются, как наглядно показывает прилагаемый рис. 73, исполненный с фотографии.]. Наше вычисление показывает, что сумма длин всех рельсов увеличивается за счет общей длины этих пустых промежутков; общее удлинение в летние знойные дни достигает 300 м по сравнению с величиной ее в сильный мороз. Итак, железная часть Октябрьской дороги действительно летом на 300 м длиннее, нежели зимой.

Рис. Изгибание трамвайных рельсов вследствие сильного нагревания.

То же случается иногда и с рельсами железнодорожного пути. Дело в том, что на уклонах подвижной состав поезда при движении увлекает рельсы за собой (иной раз даже вместе со шпалами), в итоге на таких участках пути зазоры нередко исчезают, и рельсы прилегают друг к другу концами вплотную.

ГРЕЕТ ЛИ ШУБА?

Что сказали бы вы, если бы вас стали уверять, будто шуба нисколько не греет? Вы подумали бы, конечно, что с вами шутят. А если бы вам стали доказывать это утверждение на ряде опытов? Проделайте, например, такой опыт. Заметьте, сколько показывает термометр, и закутайте его в шубу. Через несколько часов выньте. Вы убедитесь, что он не нагрелся даже и на четверть градуса: сколько показывал раньше, столько показывает и теперь. Вот и доказательство, что шуба не греет. Вы могли бы заподозрить, что шубы даже холодят. Возьмите два пузыря со льдом; один закутайте в шубу, другой оставьте в комнате незакрытым. Когда лед во втором пузыре растает, разверните шубу: вы увидите, что здесь он почти и не начинал таять. Значит, шуба не только не согрела льда, но как будто даже холодила его, замедляя таяние! Что можно возразить? Как опровергнуть эти доводы? Никак. Шубы действительно не греют, если под словом «греть» разуметь сообщение теплоты. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источниками теплоты. Но шуба в этом смысле слова нисколько не греет. Она своего тепла не дает, а только мешает теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником тепла, будет чувствовать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не порождает собственного тепла, и его температура не изменится от того, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохраняет свою низкую температуру, потому что шуба — весьма плохой проводник теплоты — замедляет доступ к нему тепла извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю; будучи, подобно всем порошкообразным телам, плохим проводником тепла, он мешает теплу уходить из покрытой им почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли нас шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

ЛЕД, НЕ ТАЮЩИЙ В КИПЯТКЕ Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лед легче воды), придавите его свинцовой пулей, медным грузиком и т. п.; при этом, однако, вода должна иметь свободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовой лампочке так, чтобы пламя лизало лишь верхнюю часть пробирки (рис). Вскоре вода начинает кипеть, выделяя клубы пара. Но странная вещь: лед на дне пробирки не тает! Мы имеем перед собой словно маленькое чудо: лед, не тающий в кипящей воде…

Рис. Вода в верхней части кипит, между тем лед внизу не тает.

Разгадка кроется в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной; она кипит только вверху. У нас не «лед в кипятке», а «лед под кипятком». Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить лишь в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

4.Демонстрационные эксперименты.

Не забывайте показывать на уроках ребятам различные опыты. Демонстрационные эксперименты можно проводить вначале урока, в целях мотивации изучению какой-то конкретной темы.

А) Изменение внутренней энергии.

Латунную трубку укрепляют в муфте штатива. На стеклянную трубку, пропущенную через резиновую пробку, надевают резиновую трубку. Пробкой закрывают латунную трубку, а свободный конец резиновой трубки надевают на колено манометра. К латунной трубке на короткое время снизу подносят горящую спиртовку или спичку и наблюдают расширение газа в трубке при нагревании. По поднятию жидкости в манометре делают вывод об изменении кинетической энергии молекул газа и совершении газом работы. Сняв со штатива трубку, опускают её в стакан с водой для охлаждения, а затем вновь укрепляют в лапке штатива. На трубку набрасывают петю шнура и нагревают её трением шнура о поверхность. Вновь наблюдают расширение газа. Делают вывод об изменении внутренней энергии газа путем совершения работы.

Б) Теплопроводность твердых тел. Жидкостей и газов.

На алюминиевый (латунный) и стеклянный (пластмассовый) стержни приклейте пластилином или парафином спички. Затем стержни опустите в стакан с горячей водой и наблюдайте, как спички начинаю падать с алюминиевого стержня. Сделайте выводы.

Для демонстрации плохой теплопроводности воды в пробирку на? наливают воды. Держа пробирку в руках под небольшим углом над пламенем спиртовки. Нагрейте воду у открытого конца. Покажите, что воды здесь быстро закипает, однако внизу большого нагрева не ощущается.

В) Конвекция жидкостей и газов.

Для демонстрации конвекции в жидкости возьмите стеклянную колбу. Наполните её водой до? её объема. Бросьте на дно кристаллик марганцовокислого калия. Нагревайте колбу снизу и наблюдайте конвекционные потоки подкрашенной воды.

Для демонстрации конвекции газа изготавливается бумажная змейка, которая вращается в потоке восходящего горячего воздуха идущего от спиртовки или электроплитки.

Г) Нагревание излучением.

В качестве излучающего тела берется электроплитка. К плитке сбоку подносят теплоприемник темной стороной и наблюдают за показаниями манометра в течение 1−2 минут. Затем поворачивают теплоприемник блестящей поверхностью к электроплитке, расположенной на том же расстоянии от теплоприемника, и в течение того же времени следят за показаниями манометра. Делаются выводы.

Если в школе у вас нет необходимого оборудования для проведения экспериментов, можно воспользоваться интерактивной анимацией и видеороликом с необходимым опытом. Анимации и видеоролики можно найти в сети Интернет большинство находится в свободном доступе и доступно для скачивания.

5.Сегодня на занятии мы рассмотрели основные моменты изучения некоторых тел раздела «термодинамика». Вам были представлены некоторые примеры демонстрационных экспериментов, которые могут применяться на уроках, так же рассмотрены несколько задач по изучаемой нами теме. Необходимые материалы и указания к урокам вы сможете найти в различных методичках, пособиях и задачниках по физики. При использовании информации из сети Интернет (сайты учителей, отдельные статьи и т. п.) необходимо внимательно её изучать и сопоставлять с тем, что пишут в учебниках и энциклопедиях, временами она может быть недостоверной или искажённой.

Используемые источники

1) http://school-collection.edu.ru/ - электронный ресурс: Единая коллекция ЦОР.

2) http://www.naukamira.ru/ - электронный ресурс: Наука мира, образовательный портал Тихомолова Е.А.

3) Каменецкий С. Е. Теория и методик обучения физики в школе. Частные вопросы. 2000 год, 384 с.

4) Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. Матвеева З. Н., Лукашова М. А., 1997 год. 172 с.

5) Физика 10 кл. Касьянов В. А., 2003 год, 416 с.

6) Физика 10 кл. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н., 2008, 386 с.

7) Физика 10 кл. Поурочные планы к учебникам Мякишева, Громова, Касьянова, 2007 год, 397 с.