Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы 'Законы термодинамики' в средней школе

Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы 'Законы термодинамики' в средней школе

Использование компьютерных моделей при изучении темы «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ» в средней школе

Глава 1. Использование информационных технологий при обучении физике

В настоящее время существует множество методологических и организационных моделей информатизации учебного процесса, которые позволяют реализовать различные формы проведения занятий. Возможна индивидуальная и групповая форма работы учащихся с информационными и коммуникационными технологиями, а также общеклассная форма проведения занятий с применением иллюстративно-демонстрационных приложений, проецируемых на экран или интерактивную доску с помощью мультимедийного проектора.

Организация работы с программированными электронными учебниками, контролирующими программами и программами-практикумами возможна только в режиме обеспечения каждого участника группы персональным компьютером. Именно в этом случае достигается максимальная эффективность использования электронных ресурсов для целей интенсификации обучения и приобщения учащихся к информационным технологиям в ходе обучения физике.

При использовании локальной компьютерной сети открываются совсем новые пути индивидуализации обучения. Учитель может сочетать групповой и индивидуальный режимы работы. Так на уроке, посвященном закреплению материала, одна часть учащихся может выполнять тест по теме прямо на компьютере. Вторая часть при этом самостоятельно меняет режимы компьютерной симуляции и готовится к демонстрации этой компьютерной модели с рассказом о наблюдаемых явлениях и их закономерностях. В ходе их рассказа этот фрагмент уже демонстрируется на все мониторы в режиме отсутствия звукового сопровождения. Третья группа учащихся может собирать таблицу с объектами, в которой представлено использование данного физического явления на практике, и затем выступить перед учащимися, когда уже на все мониторы будет подаваться одно и то же изображение с собранной ими таблицей. Четвертая группа - несколько раз просмотрит видеофрагмент лабораторного эксперимента и попытается реализовать его на демонстрационном столе из блоков, приготовленных учителем.

В случае выбора общеклассной формы проведения занятий полезно использовать различные библиотеки электронных наглядных пособий и созданные на их основе презентации по теме урока. Информационные объекты, входящие в эти библиотеки можно классифицировать по следующим типам.

·              Видеофрагменты, представляющие собой снятые в школьной лаборатории физические эксперименты, занимательные опыты, современные игрушки (сувениры), в которых наблюдаются эффектные физические явления, и современные технические устройства, используемые в медицине. Видеофрагменты имеют звуковое сопровождение, в котором объясняются принципы действия устройства, излагается элементы содержания курса физики, связанные с происходящим на экране явлением. Возможна остановка фрагмента в ходе просмотра и повторный его просмотр.

Видеофрагменты полезно использовать при недостаточной укомплектованности кабинета физики средствами, позволяющими проводить демонстрационные опыты и эксперименты. Видеофрагменты по месту съемки могут быть разбиты на натурные и лабораторные.

Натурные видеосъемки демонстрируют использование физических принципов в работе современной техники. Такие видеофрагменты без сомнения украсят урок с передачей новой информации учащимся. Достаточно традиционно на уроках сначала рассматриваются теоретические принципы, в основе которых лежат лабораторные эксперименты, а затем применение этих принципов в технике. Такой ход изложения повторяет последовательность этапов реального познания мира физикой. Однако не следует забывать, что цель учителя поставить перед учеником интересную задачу, заинтересовать проблемой. Именно в этом случае урок оказывается эмоционально окрашенным, появляется мотивация к изучению нового материала и он лучше усваивается. Поэтому, интересный эпизод, снятый в реальной практике, можно поставить в начале урока, чтобы в течение урока ответить на вопрос, как же это происходит.

Лабораторные видеосъемки, в свою очередь, можно разделить по критериям отбора на классические, новые и занимательные.

Классические опыты описаны в методической литературе (свойства электромагнитных волн СВЧ-диапазона, притяжение свинцовых цилиндров, волны на пружине и т.д.), которые требуют высокой квалификации учителя, наличия соответствующего исправного оборудования. Ряд известных экспериментов требуют затемненного кабинета, длительной подготовки или проекционного оборудования (отражение свечи, поляризация света, полное внутреннее отражение), поэтому их также сложно показать в реальных условиях.

Среди новых экспериментов можно отметить опыты с использованием фотодатчиков, соединенных с компьютером (равноускоренное движение тележек на магнитной подушке по наклонной плоскости, период колебаний маятника). Кроме того, в современных программных продуктах имеются видеосъемки различных занимательных игрушек, которые особенно интересны для школьников. Среди них - классические демонстрации (китайский гусь, артезианский водолаз) и современная сувенирная продукция (тлеющий разряд).

Конечно, если имеется возможность показать реальный эксперимент, то это следует сделать. В этом случае видеофрагменты хороши для аттестационных целей, повторения, самостоятельной работы учащихся.

·              Звуковые фрагменты, являющиеся записанными в файл дикторскими комментариями к рассматриваемому физическому процессу или явлению. Их можно проиграть, остановить, перемотать вперед, перемотать назад, поставить на паузу.

·              Анимации, представляющие собой динамичные иллюстрации теоретических представлений, работы технических устройств или природных явлений. Некоторые из них является короткими фрагментами без звука, которые могут сопровождать рассказ учителя, другие анимации имеют звуковое сопровождение, согласованное с визуальными смысловыми акцентами, и может использоваться для самостоятельного просмотра учащимися с последующим обсуждением.

С помощью компьютерных анимаций можно показывать схемы процессов, объяснение протекания которых связано со знанием структуры вещества на атомно-молекулярном (давление газов, протекание тока, ядерные реакции) или планетарном уровне (образование ветров, магнитное поле Земли, солнечное затмение). Кроме того, их удобно использовать для демонстрации в динамике принципов действия технических устройств (насос, множительный аппарат, двигатель и т.д.), в которых невозможно увидеть процесс в ходе работы механизма. Третий тип анимаций призван облегчить введение абстрактных понятий, физических величин, которые связаны с изменением какого-либо параметра во времени (движение относительно разных систем отсчета, ускорение как изменение вектора скорости, правило буравчика и т.д.).

Например, анимация, включенная в состав библиотеки электронных наглядных пособий фирмы “1C” (рисунок 1), показывает аналогию между соединениями труб и электрических проводников, что позволяет наглядно продемонстрировать учащимся принципы распределения токов в электрических цепях с параллельным и последовательным соединениями проводников. Такая же гидродинамическая аналогия рассматривается в учебнике физики Касьянова В.А., что позволяет повысить степень информативности моделей учебника.

·              Компьютерные интерактивные модели, представляющие собой схемы, графики, имитации процессов и экспериментов, задания, игры, исходные параметры которых задаются пользователем, протекание процессов рассчитывается с использованием физических законов. Результат расчетов представляется в виде статичной или динамичной картины. На основе моделей можно вести изложение материала, составлять задания для тренинга по усвоению понятий и физических законов.

Например, в модели, разработанной фирмой “1С” и показанной на рисунке 2, визуально выделены цветом источники поля (два положительных заряда) и пробный заряд меньшего размера и меньший по модулю (можно изменять исходные параметры с помощью панели управления справа). Поле присутствует в виде стрелок постоянно, независимо от того, чему равен и где находится пробный заряд. Сила, действующая на заряд, проявляется, только если навести на него указатель мыши, что психологически подчеркивает, что это заряд, вносимый для обследования поля. При перетаскивании пробного заряда мышью вектор силы отслеживает направление и модуль напряженности поля. Можно снизить до нуля заряд одного источника поля и исследовать поле точечного заряда. Можно снизить до нуля и заряд второго источника, исчезнет поле, и независимо от модуля пробного заряда сила, действующая на него, останется равной нулю в любой точке пространства.

Такая модель помогает учителю уже во время ее описания правильно расставить психологические акценты при работе, в то же время имеется большой простор для дальнейшей самостоятельной работы учащихся с этой компьютерной моделью.

·              Фотографии природных явлений, бытовых приборов и приспособлений, экспериментальных установок, технических объектов, портреты ученых. Они призваны проиллюстрировать экспериментальную базу, на которой строятся физические представления и многочисленные технические применения физических явлений, открытых в лаборатории.

·              Рисунки, которые являются статичными иллюстрациями к текстам сопровождаемых учебников и представляют собой схемы приборов, экспериментальных установок, электрических цепей, образное представление физических величин, символьное изображение протекающих процессов, модельных представлений об их протекании, а также графики зависимостей физических величин от времени, расстояния и т.п., диаграммы, иллюстрирующие взаимосвязь различных физических параметров объектов.

Например, на рисунке 3 представлены схема работы домкрата и фотография гидравлический подъемника. Такое совмещение крайне важно для выработки навыков условного обозначения устройства приборов на чертежах и наоборот чтения чертежей и сопоставления их с реальными устройствами.

·              Текстовые фрагменты, представляющие собой определения физических понятий, величин, явлений, формулировки законов и границ их применимости, описания важнейших технических устройств, упоминающихся в школьных учебниках.

·              Обобщающие таблицы, являющиеся сводом основных понятий и законов, изученных в данной теме. Обобщающие таблицы могут содержать разнообразную информацию: текстовую, графическую, символьную и т.д.

Кроме программной составляющей информатизации учебного процесса при обучении физике немаловажной является роль компьютерного оборудования, которое может быть использовано при проведении таких занятий. При этом спектр современных технических средств, поддерживающих информационные и коммуникационные технологии, достаточно обширен и может быть определен следующими основными компонентами.

·              Компьютер - универсальное устройство обработки информации; основная конфигурация современного компьютера обеспечивает учащемуся широкие мультимедийные возможности.

·              Ноутбук - компьютер, легко переносимый в портфеле, который, вместе с легким мультимедийным проектором может обеспечить аудиовизуальную поддержку выступления учителя, использоваться для подготовки учителем занятия в любом помещении школы или дома.

·              Принтер - позволяет фиксировать на бумаге информацию, найденную и созданную учащимися или учителем.

·              Мультимедийный проектор, подсоединяемый к компьютеру, видеомагнитофону или телевизору - технологический элемент новой грамотности, радикально повышает уровень наглядности в работе учителя, дает возможность для учащихся представлять результаты своей работы всему классу.

·              Интерактивная доска - сенсорный экран, подсоединенный к компьютеру, изображение с которого передает на доску проектор. Достаточно только прикоснуться к поверхности доски, чтобы начать работу на компьютере. Специальное программное обеспечение позволяет работать с текстами и объектами, аудио- и видеоматериалами, Internet-ресурсами, делать записи от руки прямо поверх открытых документов и сохранять информацию. Интерактивная доска предоставляет уникальные возможности для работы и творчества учителя и ученика.

·              Устройства для записи или ввода визуальной и звуковой информации (сканер, цифровой фотоаппарат, цифровая видеокамера) - дают возможность непосредственно включать в учебный процесс информационные образы окружающего мира.

·              Устройства вывода звуковой информации - наушники для индивидуальной работы со звуковой информацией и громкоговорители с оконечным усилителем для озвучивания всего класса. В комплект с наушниками часто входит индивидуальный микрофон для ввода речи учащегося.

·              Устройства регистрации данных (датчики с интерфейсами) - существенно расширяют область физических экспериментов, предоставляют возможность для компьютерной обработки данных.

·              Устройства, обеспечивающие создание локальной компьютерной сети (концентратор, сетевые платы, сервер) - позволяют более эффективно использовать имеющиеся информационные и технические ресурсы, обеспечивают общий доступ к сети Internet.

·              Телекоммуникационный блок (модем) - дает доступ к российским и мировым информационным ресурсам, позволяет вести дистанционное обучение, вести переписку с другими школами.

·              Мультимедийный лингафонный комплект - предоставляет целый ряд преимуществ и новых возможностей по сравнению с обычным компьютерным классом, оснащенным локальной сетью. Основной возможностью такого компьютерного класса является звуковая и видеосвязь учителя с каждым учащимся в отдельности или группой учащихся, а также речевая и видеосвязь учащихся, объединенных в группу между собой.

В зависимости от целей, возлагаемых учителем для проведения урока, и от формы самого занятия возможно использование различных конфигураций перечисленного оборудования. Ниже представлены некоторые варианты использования технических средств информационных и коммуникационных технологий при различной оснащенности учебного процесса.

·              Автономный компьютерный класс и принтер - такая конфигурация оборудования может быть использована учителем при индивидуальной работе с учениками (демонстрация того или иного информационного объекта, показ презентации, проектная деятельность, проведение тренингов, тестов, игровых упражнений на закрепление приобретенных знаний), использование принтера будет полезно при подготовке раздаточного иллюстративного материала и распечатке домашнего задания.

·              Компьютер и мультимедийный проектор (для усиления учебного эффекта возможно использование интерактивной доски) - учитель может демонстрировать на экране информационные объекты, обеспечивая тем самым предоставление развернутой комбинированной информации с помощью средств мультимедиа. Удобным является использование такой конфигурации при объяснении новой темы или обсуждении пройденного материала, а также при организации устного опроса учащихся или при проведении коллективного тестирования класса по созданным учителем материалам теста.

·              Компьютерный класс, оснащенный локальной сетью и сканером, имеющий общий доступ в Internet - в процессе работы учитель может предоставлять доступ ученикам к файлам презентаций, информационным ресурсам школьного сервера и сети Internet по изучаемой теме. Использование сканера и различных информационных ресурсов незаменимо при проведении проектной деятельности учащихся. Кроме того, при такой конфигурации оборудования появляются практически неограниченные возможности для информатизации и интенсификации учебного процесса, а именно, учащиеся могут самостоятельно и под руководством учителя проводить исследования, закреплять полученные знания, решать задачи и выполнять упражнения.

·              Автономный компьютерный класс, оснащенный мультимедийным лингафонным комплектом - такая конфигурация оборудования значительно расширяет мультимедийные ресурсы обычного компьютерного класса. Возможны следующее варианты работы.

Вариант 1. Учитель делает объявление в классе или что-либо рассказывает и его речь транслируется на головные телефоны всех учащихся, а также по громкоговорящей связи. При этом возможна передача изображения экрана преподавателя на мониторы учащихся. Применение такого варианта полезно при изложении нового материала с использованием компьютера или демонстрации работы различных обучающих программ.

Вариант 2. Учитель, работая с учащимся, ведет речевую связь с ним и видит содержимое его экрана на своем мониторе, а также может управлять его клавиатурой и манипулятором, используя свою клавиатуру и манипулятор. Данная возможность позволяет учителю индивидуально работать с учащимся, не покидая своего рабочего места.

Вариант 3. Учитель работает с группой учащихся. Отличается от варианта 1 тем, что не происходит трансляция по громкоговорящей связи и работа ведется не со всеми учащимися, а с определенной группой. Такая схема построения учебного процесса позволяет реализовать дифференцированный подход к обучению.

Вариант 4. Учащийся что-либо рассказывает группе учащихся с демонстрацией содержимого своего экрана на мониторы рабочей группы, что создает эффект разбиения класса на несколько виртуальных аудиторий. Преподаватель может подключаться к каждой из виртуальных аудиторий и контролировать ход работы учащихся.

Вариант 5. Проведение компьютерного тестирования знаний. При этом учитель имеет возможность непосредственно контролировать ход работы всего класса или отдельных групп, переключаясь последовательно на мониторы различных учащихся.

.2 Новые информационные технологии в обучении

Концепция современного образования ставит перед школой ряд проблем, решение которых, зачастую, невозможно без повсеместного внедрения новых информационных и компьютерных технологий в обучение.

Сегодня на уроке физики необходимо при минимальном количестве учебных часов дать достаточное количество информации, чтобы гарантировалась полнота усвоения главного. Профилизация средней школы тоже требует активного внедрения новых форм и методов обучения. С этой целью представляется эффективным использование достижений компьютерных технологий в процессе обучения.

Анкетирование, проведенное с учащимися 11 классов, показало, что значительная часть учащихся 9-11 классов испытывают затруднения и теряют интерес к предмету, не реализуют свой творческий потенциал в полной мере.

Причины, которые ведут к потере интереса к освоению новых знаний при традиционном подходе к преподаванию:

применение традиционного обучения рассчитанного на увеличение информационного потока при ограниченном времени, не позволяющего полностью раскрыть учащимся свой творческий потенциал;

не в полной мере применяются элементы исследования, как важнейшего компонента при обучении физике, в лабораторных и практических работах: в виду недостаточности оборудования или упрощённости самой экспериментальной модели, затрат большого количества времени учащимися на расчет искомых величин и погрешностей измерений, невозможности многократного повторения эксперимента при различных параметрах и т.д.;

формальный подход к решению физических задач (решение их только на бумаге и невозможность проверки полученного результата на практике);

слабая оснащенность демонстрационным оборудованием из-за недостаточного финансирования;

невозможность показа некоторых физических экспериментов в условиях школы, в виду их дорогой стоимости или высокой опасности и т.д.

Актуальность проекта обусловлена:

. Необходимостью ликвидировать разрыв между современным уровнем преподавания физики в школе и дидактическим потенциалом технологий информационного общества.

. Потребностью создания программно-методического обеспечения для обучения школьников физике с применением ИКТ.

Для современной системы обучения физике характерны следующие противоречия:

. Между дидактическим потенциалом технологий информационного общества и сложившимся уровнем преподавания физики в школе.

. Между образовательными потребностями информационного общества и отсутствием необходимого программно-методического обеспечения для обучения школьников.

Указанные выше противоречия позволяют в сложившейся системе сформулировать проблему проекта, которая состоит в обосновании и конструировании нового эффективного подхода к обучению физике на базе НИТ (ИКТ).

2. Реализация информационных технологий на уроках физики

Тема проекта: «Новые информационные технологии в преподавании физики».

Объект исследования: Процесс обучения физике в 7-11 классах.

Цель проекта: внедрение новых информационных технологий в преподавание физики как средство повышения познавательной деятельности учащихся (создание модели обучающей среды с применением ИКТ).

Обучающая среда представляет собой действующую модель усвоения науки и культуры, помогающая в обучении общества. Одна из главных характеристик обучающей среды - это ее естественность, натуральность. Она представляет собой своеобразный сплав отдельных компонентов, обеспечивающих в целом обучающий эффект. Обучающая среда, разработанная с применением образовательных информационных технологий, позволит создать систему обучения физике, которая не только обобщит, конкретизирует, систематизирует знания по физике, но и повысит мотивацию учащихся к изучению этой дисциплины.

Наиболее значимые цели конструирования учебного процесса с применением образовательных информационных технологий состоят в повышении мотивации учащихся, в автоматизации учебного процесса, развитии рефлексии, творческой мысли учащихся и др.

Достижение поставленной цели предполагается через решение следующих задач:

. Развитие личности обучающегося, подготовка его к самостоятельной продуктивной деятельности в условиях современного информационного общества: развитие мышления, эстетическое воспитание, формирование умений принимать правильное решение или предлагать варианты в сложной ситуации, развитие умений осуществлять экспериментально-исследовательскую деятельность.

. Реализация социального заказа, обусловленного информатизацией современного общества.

. Интенсификация образовательного процесса во всех уровнях системы непрерывного образования:

повышение эффективности и качества образовательного процесса за счет реализации возможностей информационно-коммуникационных технологий (ИКТ);

активизация познавательной деятельности с использованием ИКТ;

углубление межпредметных связей за счет использования ИКТ;

реализация идей открытого образования на основе использования сетевых технологий.

Ресурсы проекта: наличие кабинета, оборудованного компьютером, проектором, компьютерная измерительная лаборатория, доступ в Интернет.

Идея проекта заключается в следующем:

Эффективность обучения физике и качество знаний учащихся будет выше, если конструирование обучающей среды будет опираться на систему обучения физике с применением ИКТ.

Ожидаемый результат.

Модель дает для участников проекта:

преподавателю - возможность спроектировать обучающую среду; возможность реализовать принципиально новые формы и методы обучения; дополнительные возможности для поддержания и направления развития личности обучаемого; творческий поиск и организации совместной деятельности учащихся и учителей; разработка и выбор наилучших вариантов учебных программ; использование интеллектуальных форм труда;

учащимся - доступ к нетрадиционным источникам информации; повышение эффективности самостоятельной работы; появляются совершенно новые возможности для творчества, обретения и закрепления различных профессиональных навыков;

родителям - возможность участвовать в процессе обучения начиная от контроля уровня успеваемости, заканчивая участием в совместных проектах.

Сроки исполнения проекта:

этап

Разработать модель применения компьютера, интерактивной доски как универсального технического средства. Проведение уроков-презентаций по отдельным темам.

этап

Разработать модель использования компьютерных моделей на уроке, работы с компьютерной лабораторией.

Системное использование цифровых образовательных ресурсов. Создание сайта, где будет представлена вся информация о проекте.

этап

Разработать модель использования Интернет-ресурсов: выполнение виртуальных исследований по изучению физического явления, создание проектов. Применение телекоммуникации на уроке. Организация дистанционного обучения.

Основное содержание проекта

. Применение компьютера на уроках в качестве универсального технического средства обучения.

Традиционные аудиовизуальные средства обучения могут быть с успехом заменены компьютером, экраном и мультимедийным проектором. Современное программное обеспечение позволяет продемонстрировать на уроке большое количество наглядного материала: рисунки, схемы, таблицы, тексты (формулировки законов, формулы и т.д.), видеозаписи, анимации, физические модели. Учитель сам может скомплектовать из объектов электронного ресурса презентацию, которая будет демонстрироваться по ходу урока. В зависимости от типа урока информационное содержание слайдов будет меняться.

Например, на уроке изучения нового материала целесообразно продемонстрировать видеозапись опыта (в том случае, если демонстрация реального опыта занимает много времени, мелкие детали эксперимента не улавливаются учениками и в том случае, если опыт невозможен), затем продемонстрировать анимацию или компьютерную модель процесса (позволяет рассмотреть особенности явления, неоднократно повторять процесс, усложнять его). На этапе закрепления новых знаний можно провести игру (принцип игры: на экране возникает вопрос по изученной теме - следует ответ учащегося - возникает на слайде правильный ответ, сопровождающийся тематическим рисунком или фотографией). В конце урока динамично можно повторить основные этапы урока, демонстрируя отдельные информационные слайды.

Подобные (традиционные по сути) уроки позволяют отказаться учителю от привычных инструментов в работе мела и доски, сделать урок ярче, поддержать интерес учащихся к предмету.

Промежуточные результаты сегодня - это:

. Использование компьютера, проектора и интерактивной доски.

. Подготовка презентации к урокам.

. Тестирование учащихся.

. Использование компьютерных моделей на уроках физики

Компьютерная модель позволяет управлять поведением объектов на экране компьютера, изменяя величины числовых параметров, заложенных в основу соответствующей математической модели. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом эксперимента наблюдать в динамическом режиме построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Можно выделить следующие виды заданий для учащихся к компьютерным моделям:

компьютерные эксперименты;

экспериментальные задачи (то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент);

расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой (учащимся предлагается 2 - 3 задачи, которые вначале необходимо решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив компьютерный эксперимент. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров);

задачи с недостающими данными (при решении таких задач учащийся должен разобраться, какого именно параметра не хватает для решения задачи и самостоятельно выбрать его величину);

творческие задания (в рамках данного задания учащемуся предлагается составить одну или несколько задач, самостоятельно решить их (в классе или дома), а затем, используя компьютерную модель, проверить правильность полученных результатов);

исследовательские задания (задание, в ходе выполнения которого ученикам необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности);

проблемные задания (с помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с использованием компьютерной модели).

Промежуточные результаты сегодня - это:

. Создана база компьютерных моделей по определенным темам.

. Модели используются на уроках.

. Использование компьютерной измерительной лаборатории

Лаборатория служит для проведения демонстрационного и ученического эксперимента. Такой комплекс «L-микро» с широкими измерительными возможностями предлагает «Росучприбор». Он состоит из компьютерного измерительного блока, системы датчиков и дополнительного оборудования. Компьютер выступает в качестве универсального измерительного прибора. Информация может подаваться на компьютер с двух датчиков одновременно, она автоматически обрабатывается и результат демонстрируется на экране в виде цифровой информации или уже готового графика. Компьютерная измерительная лаборатория позволяет на современном уровне организовать исследовательскую деятельность учащихся.

. Цифровые образовательные ресурсы

Готовые программные продукты позволяют существенно сократить время на подготовку к уроку. Они содержат хорошего качества наглядно-иллюстративный материал к учебникам, справочную информацию, дополнительный материал, расширяющий кругозор учащихся или более углубленный материал.

Также я использую программные продукты, которые содержат интерактивные практические работы, действующие модели, таблицы, рисунки, графики. Они позволяют наглядно объяснить явления, процессы, а также продемонстрировать опыты.

На уроках активно используются электронно-образовательные ресурсы «Отрытая физика 2.6», «Физика, 7-11 классы» Физикон, «Физика, 7-11 кл. Библиотека наглядных пособий», «Уроки физики Кирилла и Мефодия», «Электронные уроки и тесты «Физика в школе», «Виртуальная физическая лаборатория», «1С:Репетитор. Физика+Варианты ЕГЭ» и другие. Ресурсы программ используются на этапе подготовки и проведения уроков физики, а также для самостоятельной работы учащихся во внеурочное время. Мультимедийные комплексы содержат электронные учебники, видеофрагменты, интерактивные модели, лабораторные работы, упражнения, задачи и тесты, позволяют включать их содержание в любой этап урока: в объяснение нового материала, в этапы актуализации знаний, в постановку исследования, в этап самостоятельной работы с последующей проверкой.

Данные программы также предназначены для уроков практикумов, которые применяются для решения задач с последующей проверкой на компьютерной модели, что стимулирует самостоятельную деятельность учащихся.

Интерактивные лабораторные работы позволяют в полном объеме выполнить практическую часть учебной программы, особенно в тех случаях, когда опыт нельзя провести по объективным причинам в лабораторных условиях.

Однако следует отметить, что все перечисленные формы проведения практических занятий с использованием ИКТ первоначально требуют четко отработанной технологии, в том числе постановки учебных задач и организации учебной деятельности учащихся.

. Использование Интернет - ресурсов

Большие возможности в моей практике дает применение Интернет-ресурсов, которые позволяют на качественно новом уровне проводить различные формы учебных занятий.

• Интернет - учебная, справочная информация

• Интернет - ЕГЭ

• Интернет - практикумы, урок

• Интернет - профильная, довузовская подготовка

• Интернет - олимпиады, конкурсы

Для организации первоначального знакомства учащихся с ресурсами Интернета учитель может предложить список разных электронных адресов с составленной специально для учащихся краткой аннотацией.

Такой список может находиться на специальном стенде в кабинете. Полезно и самих учащихся постепенно подключить к работе по составлению небольших аннотаций, тематически соответствующих изучаемому на уроках материалу.

Приведем примеры таких аннотаций при изучении физики.

. #"563140.files/image004.jpg">

PRO. ФИЗИКА ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ.

ВИРТУАЛЬНЫЙ НАСТАВНИК. ФИЗИКА 10-11 КЛАСС.

Продукт "Виртуальный наставник. ФИЗИКА 10-11 класс" представляет собой интерактивный тренажёр для закрепления теоретического учебного материала, с помощью решения задач различной сложности.

СТУДЕНТУ И ШКОЛЬНИКУ- ФИЗИКА 11 КЛАСС. ОБУЧАЮЩИЙ ВИДЕОКУРС.

Мультимедийный учебник "TeachPro Физика 11 класс" разработан в соответствии с действующей Программой общеобразовательных учреждений, рекомендованной Ученым советом Института общего среднего образования Российской Академии образования, и содержит полный учебный курс за одиннадцатый класс общеобразовательной школы в объеме 30 лекций и 38 типовых задач.<#"563140.files/image008.jpg">

Мультимедийная обучающая программа «1С:Репетитор.Физика» содержит изложение всего школьного курса физики (механика, молекулярная физики, электричество и магнетизм, электромагнитные волны и оптика, теория относительности и квантовая физика)

Глава 6. Методические особенности темы «Законы термодинамики. Тепловые двигатели» с применением компьютерных технологий

обучение физика компьютерный информационный

Раздел школьного курса физики "Термодинамика и молекулярная физика" ставит своей целью воспитание физического мышления учащихся на основе ознакомления с методами теоретического исследования, применяемыми физикой. Общеизвестно, что метод преподавания того или иного раздела может считаться обоснованным, если он при прочих равных условиях не противоречит методу исследования, применяемому в науке. Это утверждение - один из принципов, на основе которого строится логика построения и изложения учебного материала.

В данном курсе на примере термодинамики и молекулярной физики учащиеся знакомятся с двумя методами построения физической теории - с методом принципов и методом модельных гипотез. Термодинамика служит образцом применения метода принципов, молекулярно-кинетическая теория строится на основе гипотез, задающих модель молекулярной системы. Изучение этих взаимно дополняющих теорий в одном курсе способствует глубокому пониманию как самих теорий, так и закономерностей теплового движения.

Опытные наблюдения, на которые опирается изложение термодинамики, кажутся очевидными и хорошо известны из практического опыта и повседневной жизни. А. Эйнштейн так выразил свое отношение к термодинамике: "Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее посылки, чем различнее явления, между которыми она устанавливает связь, чем обширнее область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня термодинамика. Она - единственная физическая теория универсального содержания, относительно которой я убежден, что в пределах применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута".

Термодинамика, как и любая теория, состоит из двух частей. Первую часть составляют основные понятия, первое и второе начала, а также ряд опытных данных (уравнение состояния). Понятия, принципы и используемые опытные данные составляют основание термодинамики как теоретической системы. Вторая часть этой теории представляет собой систему логических и математических выводов о свойствах изучаемых тел, систему следствий, вытекающих из основных принципов.

Исходя из структуры рассматриваемой теории, прежде всего, следует строго и полно определить такие понятия как термодинамическая система, параметры состояния, равновесное состояние, уравнение состояния и процесс. Должны быть уточнены условия, позволяющие графическое изображение процесса. Имеет смысл ввести представление о квазистатическом процессе, процессе релаксации и времени релаксации. Следует определить понятие циклического процесса.

Отметим, что, вводя представление о термодинамической системе, одновременно нужно определить понятие "внешние тела", как тела, не включенные в систему, выделенную для исследования. Без этого не может быть применено первое начало: работа и количество теплоты оцениваются на границах системы, поскольку определяются энергией, переходящей через границу. Важно для дальнейшего рассмотрения ввести понятие изолированной системы.

Хорошо известно, что наибольшую трудность в рассматриваемом разделе вызывает введение понятия температуры. Поэтому имеет смысл вводить это понятие постепенно, последовательно раскрывая его содержание.

На первом этапе следует обобщить наблюдаемые в окружающем мире явления, свидетельствующие о существовании более или менее нагретых тел, о том, что более нагретые тела при контакте с менее нагретыми охлаждаются, а менее нагретые, напротив, нагреваются, причем существенно, что этот процесс не зависит от внешних параметров, например, от объема. Особенно важно подчеркнуть, что с течением времени между телами, состояние которых характеризуется разной степенью нагретости, устанавливается равновесие, которое без изменения внешних условий может сохраняться неограниченно долго.

Опыт свидетельствует, что если два тела порознь находятся в равновесии с третьим телом, то они находятся в равновесии и между собой. Обобщая все опытные наблюдения, можно придти к заключению, что состояние системы определяется не только внешними условиями, но и внутренним свойством системы, которое проявляется как степень ее нагретости. Это свойство и принято называть температурой. На этом первом этапе особо важно подчеркнуть, что температура вводится как параметр, определяющий состояние системы.

Следующий шаг в усвоении понятия температуры должен быть связан с ее экспериментальным определением и описанием приборов, которые позволяют это сделать.

Поучительно в связи с этим вспомнить высказывание Томсона, который утверждал, что "если вы можете измерить и выразить в числах то, о чем говорите, - вы знаете это; но если вы не можете измерить, если не можете выразить числами, - ваши знания скудны и недостаточны".

Рассматривая основы термометрии, прежде всего, следует подчеркнуть, что температура является величиной интенсивной и измерить ее путем сравнения с эталоном, как другие физические величины, невозможно.

Далее нужно ознакомить учащихся с принципом построения температурных шкал, свойствами термометрического вещества, отмечая при этом, что измерение температуры основано на учете изменения ряда свойств термометрического вещества при нагревании. При построении термометра предполагается, что объем термометрического вещества, например, ртути или газа, изменяется пропорционально температуре. Проверить это невозможно, но это предположение используется при построении всех температурных шкал, как и условие, при котором двум определенным состояниям термометрического вещества приписывается определенное значение температуры.

Совершенно необходимо обратить внимание учащихся на правила измерения температуры. Прежде всего, следует объяснить, что термометр при измерениях показывает свою собственную температуру, совпадающую с температурой тела, с которым он находится в тепловом равновесии, поэтому не надо торопиться с отсчетом показаний термометра, а выждать, чтобы наступило тепловое равновесие.

Ознакомив учащихся с понятием температуры как внутреннего параметра состояния системы и способами ее измерения, можно вскрыть и молекулярно-кинетическое содержание понятия температуры.

Пользуясь молекулярно-кинетическими представлениями, можно дать наглядное толкование теплового равновесия. Если привести в соприкосновение два газа с различными значениями средней кинетической энергии молекул, то молекулы, движущиеся с большими скоростями, сталкиваясь с молекулами другого газа, будут их ускорять, сами при этом замедляясь. При этом происходит передача внутренней энергии газа с большим значением средней кинетической энергии молекул к газу с меньшим значением этой величины. Наконец, наступает такой момент, когда средние кинетические энергии молекул обоих газов выравниваются. Это и есть состояние теплового равновесия, при котором переход внутренней энергии от одного газа к другому прекращается, хотя столкновения беспорядочно движущихся молекул будут продолжаться. Следует особо подчеркнуть, что, строго говоря, понятие температуры применимо лишь для систем, находящихся в состоянии теплового равновесия.

Очень важно разъяснить учащимся, что понятие температуры не имеет смысла для одной молекулы, а может быть введено лишь для систем, состоящих из множества молекул, поскольку условием теплового равновесия, то есть равенства температур, является равенство средних скоростей, а не скоростей отдельных молекул. Подводя итог, еще раз следует подчеркнуть, что температура - термодинамический параметр, который в рамках молекулярно- кинетической теории может быть выражен через микроскопические параметры состояния системы - среднее значение энергии хаотического теплового движения ее молекул.

При рассмотрении первого начала термодинамики важной методической задачей является раскрытие физического содержания термодинамических понятий - внутренняя энергия, работа, количество теплоты.

С точки зрения молекулярной теории внутренняя энергия представляет собой энергию всех частиц, составляющих систему, то есть в нее входит кинетическая и потенциальная энергия всех структурных элементов системы. Во внутреннюю энергию не входит кинетическая энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы во внешнем силовом поле.

Следует обратить внимание учащихся, что при изучении каких-либо процессов, происходящих в системе, нас интересует не полный запас внутренней энергии, а лишь ее изменение. В тепловых процессах, протекающих при температурах среднего интервала, под изменением внутренней энергии следует понимать изменение кинетической и потенциальной энергии молекул, поскольку остальные составляющие внутренней энергии не изменяются.

Очень важно ввести и термодинамическое понятие внутренней энергии, вытекающее из принципа эквивалентности теплоты и работы. При этом следует особо подчеркнуть, что принцип эквивалентности соблюдается только для круговых стационарных процессов, в результате которых система возвращается в первоначальное состояние. При этом состояние системы в процессе взаимодействия с внешними телами не изменяется.

Важно уяснить, что в каждом состоянии система обладает вполне определенным запасом внутренней энергии, который определяется параметрами данного состояния и не зависит от того пути, по которому система пришла в это состояние. Таким образом, внутренняя энергия - однозначная функция состояния системы. Естественно, что если система совершила круговой процесс, то ее конечное состояние совпадает с начальным. Очевидно, что изменение внутренней энергии системы в таком процессе равно нулю.

После введения понятия внутренней энергии следует записать выражение внутренней энергии для идеального газа.

Макроскопическая система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, может изменять свое состояние только в результате внешних воздействий. Важно, чтобы учащиеся уяснили, что с макроскопической точки зрения существуют два принципиально различных способа изменения состояния системы: 1) путем совершения работы над системой или самой системой и 2) путем теплообмена между рассматриваемой системой и другими внешними телами.

Первый способ всегда связан с макроскопическими перемещениями действующих на систему внешних тел. Второй способ изменения состояния системы не связан с изменением относительного расположения системы и взаимодействующих с ней внешних тел, а следовательно, не связан с совершением работы. В этом случае в результате контакта двух различно нагретых тел изменение состояния теплового движения происходит вследствие соударений частиц на границе соприкосновения, при этом никаких макроскопических перемещений не происходит. Два рассмотренных способа сводятся к работе и теплообмену, которые представляют собой две единственно возможные формы передачи энергии.

Рассматривая понятие работы, на конкретных физических примерах следует показать учащимся, что процесс совершения работы есть процесс перехода энергии из одного вида в другой и методически построить изложение материала с учетом следующих моментов:

) работа является мерой энергии, перешедшей из одного вида в другой;

) работа зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое, то есть является функцией процесса;

) элементарная работа измеряется величиной РV. Для учащихся с усиленной математической подготовкой полную работу можно представить в виде ;

) для вычисления работы необходимо знать уравнение процесса;

) в координатах Р, V работа изображается площадью под кривой процесса;

) при замкнутом процессе работа не равна нулю, несмотря на то, что система вернулась в исходное состояние.

Особое внимание следует обратить на введение понятия "количество теплоты". Если одно тело имеет более высокую температуру, чем другое, то первое будет передавать часть своей внутренней энергии второму путем молекулярных столкновений. Предположим, что работа при этом не совершается. В этом случае принято говорить, что первое тело передало второму некоторое количество теплоты. Очевидно, что количество теплоты в данном случае равно уменьшению внутренней энергии первого тела или увеличению внутренней энергии второго тела. Количество теплоты при теплообмене тела с окружающей средой характеризует количество энергии, передаваемое тепловым способом. Понятно, что количество теплоты зависит от условий, в которых происходит теплопередача, последнее означает, что количество теплоты является функцией процесса.

Очень важно предостеречь учащихся от ошибки смешивать понятия количества теплоты и энергии хаотического теплового движения, составляющей часть внутренней энергии. Нельзя говорить о количестве теплоты, содержащемся в теле, а можно говорить только о количестве теплоты в процессе теплопередачи. Следует обратить внимание учащихся на то, что в общем случае количество теплоты не представляет собой меру приращения или убыли внутренней энергии. Это определение относится лишь к случаю, когда передача внутренней энергии не сопровождается совершением работы.

После рассмотрения основных понятий и экспериментальных результатов Джоуля и Майера, приведших к установлению принципа эквивалентности, следует сформулировать первое начало термодинамики как универсальный закон сохранения и превращения энергии, подчеркивая при этом не только его опытный характер, но и образец глубокого теоретического обобщения. Современная наука принимает принцип сохранения и превращения энергии как всеобщий, выполняющийся абсолютно строго для всех изолированных систем.

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что при описании процессов, происходящих в термодинамических системах с использованием первого начала термодинамики, следует определиться с правилом знаков. Это дело договоренности. Но целесообразно пользоваться общепринятым правилом: работа считается положительной, если она совершается системой, и отрицательной, если она совершается над системой. Количество теплоты положительно, если система получает его в процессе теплопередачи, и отрицательно, если оно передается внешним телам.

С целью более полного усвоения учащимися первого закона термодинамики можно предложить выполнить задания, представленные в приложении 1.

На схеме кружком изображена система, направленная внутри кружка стрелка указывает изменение внутренней энергии в ходе процесса (стрелка, направленная вверх, означает, что внутренняя энергия системы увеличивается; стрелка, направленная вниз, свидетельствует об убывании энергии). Стрелки, идущие к кружку или от кружка, символизируют соответственно приток или отдачу тепла и работу, совершаемую самой системой или над ней. Выбрав положительное направление стрелок (горизонтальное - слева направо, вертикальное - снизу вверх), следует определить знаки и А (стрелка у слева направо для , справа налево для ; аналогично и для А). Длина стрелок изображает модуль соответствующих величин. Символическое представление скалярных величин , U и А не дает оснований приписывать им векторный характер.

Для последующего описания изопроцессов в идеальном газе с использованием первого начала термодинамики следует ввести понятие теплоемкости, показать, что эта характеристика системы зависит от условий процесса, ввести понятие изобарной, изохорной теплоемкости, установить соотношение между ними, вскрыть физический смысл универсальной газовой постоянной. Имеет смысл обратить внимание учащихся на соотношение между молярной и удельной теплоемкостями.

Многолетняя педагогическая практика убеждает, что результаты применения первого начала термодинамики к описанию простейших процессов в идеальном газе целесообразно представить в виде таблицы (приложение 2), содержащей следующие графы:

) название и условия протекания процесса;

) уравнение процесса;

) графическое представление процесса;

) значение всех величин, входящих в первое начало термодинамики применительно к рассматриваемому процессу;

) значение теплоемкости в данном процессе;

) значение показателя политропы.

Составление такой таблицы может быть поручено самим учащимся в процессе подготовки к занятию по данной теме. Последующее использование этой таблицы значительно облегчит решение конкретных физических задач на практических занятиях. Безусловно, что контроль над правильностью и самостоятельностью составления таблицы по-прежнему остается делом преподавателя.

В методической литературе неоднократно поднимался вопрос о необходимости ознакомления учащихся со вторым законом термодинамики, без которого нельзя дать физическое обоснование работы любого теплового двигателя. Поэтому целесообразно ознакомить учащихся с основными идеями и доступными для них формулировками этого закона. В специализированных школах физико-математического профиля имеет смысл ввести и понятие энтропии. Изучение второго закона термодинамики тем более важно, что он имеет глубокое мировоззренческое и политехническое содержание, демонстрируя тесную связь науки и производства.

Проверенная на опыте методика изложения второго начала термодинамики рекомендует рассмотрение этого раздела во взаимосвязи с вопросами теории тепловых машин.

Рассматривая работу тепловых машин, следует сформулировать основные принципы ее работы.

1.       Тепловая машина должна быть периодически действующим устройством, следовательно, рабочее тело машины должно совершать замкнутый процесс (цикл).

2.       Машина должна совершать за цикл положительную работу. Исходя из этих утверждений, нужно рассмотреть принципиальное с физической точки зрения устройство теплового двигателя, включающего нагреватель, холодильник и рабочее тело. Далее следует ввести понятие КПД тепловой машины. При этом важно заметить, что довольно часто невозможность достижения КПД, равного 100%, учащиеся связывают с трением, излучением, теплопроводностью и др., которые, конечно, снижают значения КПД тепловых машин, но не играют столь принципиальной роли как необходимость присутствия холодильника как составной части любого теплового двигателя.

Используемое обычно графическое толкование необходимости присутствия холодильника (расширяться газ должен нагретым, а сжиматься холодным) наглядно, но не совсем убедительно, поскольку газ можно охладить и без холодильника (например, путем адиабатического расширения).

Вывод о принципиальном ограничении КПД тепловых двигателей может быть получен лишь на основании второго начала термодинамики.

Дело в том, что в процессе работы тепловой машины неупорядоченное тепловое движение (при контакте рабочего тела с нагревателем) преобразуется в упорядоченное в виде макроскопической работы, совершаемой тепловым двигателем. Природа запрещает переход неупорядоченного теплового движения в упорядоченное. За возможность такого перехода она требует плату в виде тепла, передаваемого холодильнику. Процессы, ведущие к беспорядку, идут сами собой, напротив, установление порядка всегда требует усилий.

Если в вашей комнате вещи не знают своего места, и вы размещаете их, не соблюдая никаких правил, то в вашей комнате всегда беспорядок. Чтобы навести в такой ситуации порядок, вам потребуется приложить некоторые усилия - отвести каждой вещи свое место и размещать вещи только согласно отведенному месту. Ваши усилия - плата за установление порядка.

Так и в мире молекул, только там все сложнее, потому что молекул очень много и они все беспорядочно движутся (представьте себе, каких усилий требовало бы наведение порядка в комнате, если бы все вещи в ней двигались).

Теплота, передаваемая рабочим телом холодильнику, это своего рода компенсация за возможный переход от беспорядочного хаотического движения в упорядоченное, которое имеет место при совершении механической работы, ради которой и были созданы тепловые машины.

Изложение второго начала термодинамики в курсе физики средней школы целесообразно начать с обобщения наблюдаемых явлений, например, основываясь на общеизвестном факте о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. При этом следует пояснить смысл выражения "самопроизвольный переход". Под самопроизвольным переходом понимается такой переход, который совершается без вмешательства внешних тел. По завершении такого перехода не должно произойти каких-либо изменений во внешних телах.

Далее следует привести формулировку второго начала термодинамики, предложенную Клаузиусом.

Анализируя работу тепловых двигателей, целесообразно рассмотреть и формулировку, данную Томсоном, утверждающую, что невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет внутренней энергии, отнимаемой от какого-либо тела путем теплообмена.

У учащихся может возникнуть недоумение по поводу того факта, что один и тот же закон имеет несколько формулировок. В связи с этим возникает необходимость в введении представления об обратимых и необратимых процессах, рассмотрении конкретных примеров тех и других и установлении связи между ними.

Далее следует перейти к рассмотрению цикла Карно. Анализ цикла Карно и относящейся к нему теоремы Карно делает возможным решение ряда задач. С помощью цикла Карно находится теоретический предел максимально возможного значения КПД тепловой машины, работающей в заданном интервале температур, доказывается теорема о независимости КПД тепловой машины от рабочего вещества и, наконец, с помощью цикла Карно может быть введено понятие энтропии.

С точки зрения методики очень важно при рассмотрении цикла Карно подчеркнуть оптимальность этого цикла в смысле его экономичности. Замечательная особенность этого цикла состоит в том, что он позволяет получить максимально возможную работу за счет теплоты, взятой от нагревателя. Следует отметить, что сама по себе машина Карно есть лишь абстракция, предназначенная для целей исследования, однако доказанная на основе этой модели теорема Карно сыграла ведущую роль в разработке научных основ теплоэнергетики.

Используя в качестве примера приведенное в теоретической части курса доказательство теоремы Карно, можно предложить учащимся в порядке упражнения провести другие варианты доказательства этой теоремы.

Со вторым началом термодинамики и теоремой Карно неразрывно связан способ введения энтропии, а также вопрос о границах применимости термодинамики и обсуждение идеи Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной.

Трудно дать методические рекомендации по поводу введения энтропии в школьном курсе, следуя которым можно сделать понимание этой функции состояния более ясным. Сложность понимания энтропии связана с невозможностью ее непосредственного восприятия и отсутствием прибора, который бы измерял энтропию, как, например, измеряют температуру.

Термодинамика, в силу феноменологического характера, не может вскрыть физический смысл энтропии. Эту задачу решает статистическая физика.

По-видимому, наиболее доступным вариантом введения энтропии в школьном курсе является тот, который рассмотрен в теоретической части курса и следует из обобщения утверждений теоремы Карно для произвольного цикла.

Вводя понятие энтропии, следует проводить аналогию с введением понятия внутренней энергии при формулировке первого начала термодинамики. Введению энтропии должно предшествовать введение понятия приведенной теплоты. Далее следует отметить, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое приведенная теплота не зависит от пути перехода, а сумма проведенных количеств теплоты системы, совершающей круговой процесс, равна нулю. Это значит, что приведенная теплота равна изменению некоторого свойства системы, которое и было названо энтропией.

В школьной аудитории вывод о возрастании энтропии при необратимых процессах проще всего сделать при рассмотрении конкретного необратимого процесса. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя различно нагретыми телами с температурами и (пусть ). Более нагретое тело отдает количество теплоты -, менее нагретое получает количество теплоты +. Изменение энтропии более нагретого тела равно , менее нагретого . Изменение энтропии системы в целом равно алгебраической сумме изменений энтропии каждого тела:

.

В результате теплообмена между различно нагретыми телами энтропия системы возрастает (, то есть ). Таким образом, энтропия вводится вторым началом. В формулировке А. Зоммерфельда оно звучит так: "Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом порции теплоты, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных процессах энтропия замкнутой системы возрастает".

Итак, термодинамика вводит энтропию формально, не вскрывая ее физического смысла и не устанавливая связи с внутренними молекулярными свойствами системы. Только статистическая физика, изучая тепловые явления на основе представлений о свойствах молекул и закономерностях их движения, вскрывает физический смысл энтропии и природу необратимости, устанавливая связь между энтропией и термодинамической вероятностью.

Наиболее доступным вариантом введения понятия термодинамической вероятности, по-видимому, является рассмотрение конкретного примера о распределении молекул газа по частям сосуда. Этот пример должен убедить учащихся в том, что равномерное распределение молекул реализуется наибольшим числом способов. На основании рассмотренного примера следует сделать вывод, что термодинамическая вероятность состояния - это число способов (число микросостояний), с помощью которых можно реализовать данное макросостояние.

Термодинамика утверждает, что любая система, будучи предоставлена сама себе, приходит в состояние равновесия, в котором энтропия системы достигает своего максимального значения. Физически это означает, что в состоянии равновесия система обладает максимально возможным числом микросостояний, с помощью которых реализуется данное макросостояние. Таким образом, равновесное состояние системы является наиболее вероятным.

Освещение проблемы необратимости в молекулярно-кинетической теории основано на использовании статистического метода, применимого для описания поведения системы многих частиц. Решение проблемы необратимости было предложено Больцманом на основе расчета вероятности состояний. Проведенные расчеты показали, что процессы, обратные теплопроводности, диффузии, свободному расширению газа оказываются не абсолютно невозможными, но чрезвычайно маловероятными. При этом очень важно подчеркнуть, что статистические закономерности проявляются лишь в массовых событиях для систем, содержащих очень большое число частиц.

В заключение следует отметить еще одно важное обстоятельство, а именно, правомерность применения законов термодинамики к Вселенной в целом. Оказывается, что рассматривать Вселенную как термодинамическую систему нельзя, поскольку она расширяется и вследствие этого не находится в стационарном состоянии. Кроме того, одним из признаков термодинамической системы является аддитивность некоторых ее характеристик, например, энергии. Исследования последнего времени показали, что этим признаком Вселенная не обладает.

Хорошо известно, что глубокому усвоению теоретического материала способствует решение конкретных задач по изучаемому разделу курса. Поэтому уместно дать методические рекомендации, которыми следует руководствоваться при решении задач по термодинамике.

1.       Записать выражение первого закона термодинамики в общем виде.

2.       Учитывая условия протекания процесса, заданные в условии задачи, перейти к конкретному выражению первого начала для данного процесса.

.        Пользуясь составленной заранее таблицей, записать выражение всех величин, входящих в уравнение первого закона термодинамики для конкретного процесса.

.        Определиться со значением теплоемкости с учетом заданных условий процесса. При этом следует помнить, что теплоемкость может быть выражена через универсальную газовую постоянную R, величину или число степеней свободы молекул, если речь идет о газе.

.        Определяя работу в ходе процесса, следует иметь в виду, что она может быть найдена графически как площадь под кривой процесса в координатах PV. Если график процесса представлен в других координатах, его нужно перестроить в координатах PV.

.        Поскольку внутренняя энергия идеального газа есть функция только температуры, то для вычисления изменения внутренней энергии необходимо определить конечную температуру газа или ее выражение через другие параметры состояния.

.        Далее, используя уравнение состояния или уравнение заданного процесса, следует установить связь между начальными и конечными параметрами состояния системы, через которые выражены величины, входящие в первое начало.

.        В задачах на вычисление теплоемкости следует записать определение этой величины, из первого начала с учетом условий процесса найти количество теплоты, подведенной к системе, а далее, пользуясь уравнением процесса или уравнением состояния, найти изменение температуры и определить значение теплоемкости.

.        Нередко приходится решать и обратную задачу - по зависимости теплоемкости от параметров состояния найти уравнение процесса, которому соответствует заданное изменение теплоемкости. Решение задач этого типа можно проводить с учащимися, владеющими некоторыми навыками интегрирования элементарных функций.

.        Для определения КПД цикла тепловых машин следует внимательно проанализировать все стадии процесса для того, чтобы определить, на каких участках цикла рабочее тело получает тепло, а на каких - отдает.

.        Далее, вновь пользуясь первым началом термодинамики с учетом условий процесса, рассчитать соответствующие количества теплоты и, используя определение КПД, найти его значение.

Приложение 1

Укажите изменение внутренней энергии системы.

Условные обозначения:

- теплота подводится к системе,

- теплота отводится от системы,

- система совершает работу,

- работа над системой совершается внешними силами,

- внутренняя энергия системы увеличивается,

- внутренняя энергия системы уменьшается.

Длина стрелочек количественно характеризует величины , A и U.

Укажите изменение внутренней энергии системы при указанных на рисунке способах ее взаимодействия с окружающей средой.

Укажите возможные варианты энергетического обмена системы с окружающей средой, при котором происходит указанное изменение внутренней энергии.

- система получает теплоту

- система отдает теплоту

- система совершает работу

- работа совершается над системой

Приложение 2

Применение I-го начала к описанию изопроцессов в идеальном газе

В разделе «Молекулярная физика. Основы термодинамики» рассматриваются различные тепловые процессы на основе использования молекулярно-кинетического и термодинамического методов, что позволяет показать учащимся не только взаимосвязь этих методов при объяснении свойств вещества в различных агрегатных состояниях, но и особенности каждого из них. При изучении атомно-молекулярного учения о строении вещества важно углубить представления учащихся о дискретном строении материи (вещества), доказать непрерывность движения и взаимодействия частиц вещества. При использовании термодинамического подхода к описанию тепловых процессов необходимо дать анализ процессов, идущих с выделением или поглощением энергии. Ознакомление с законом сохранения энергии - первым законом термодинамики - позволяет показать, что внутренняя энергия тела является функцией его состояния, а изменение внутренней энергии происходит при совершении работы или при теплообмене. При этом изменение внутренней энергии тела равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного этому телу.

Изучение данного раздела важно как в прикладном, так и в экологическом аспекте. В прикладном аспекте наиболее ценным является объяснение принципа действия тепловых машин, которые в современной теплоэнергетике занимают исключительное место: 80-85% вырабатываемой энергии в мире в настоящее время получают, применяя эти машины. Следует обратить внимание учащихся на то, что работа тепловых двигателей основана на использовании необратимого превращения энергии топлива. Тепловые двигатели непрерывного действия работают циклически, экономичность их работы оценивается КПД. В экологическом аспекте важно показать влияние работы тепловых двигателей на окружающую среду: атмосферу, гидросферу, литосферу, биосферу; обсудить вопрос о влиянии на здоровье человека работы тепловых двигателей.

Заключение

Среди множества способов повышения эффективности урока, использование информационных технологий на сегодня занимает одно из ведущих мест. Безусловно, будущее - за информационными технологиями. С их помощью уже сегодня можно решать множество дидактических, организационных и методических проблем.

Конструирование обучающей среды с использованием ИКТ - есть формирование физической культуры учащихся в её формах (учебная дисциплина - дополнительное образование - внеклассные мероприятия), где управление конструированием рассматривается как процесс создания среды, адекватной изменениям социума.

Модель учебного процесса, в которой используются возможности новых информационных технологий, позволяет эффективно организовать индивидуальную и коллективную работу преподавателя и учащегося, а также интегрировать различные формы и стратегии освоения знаний по предмету, направленные на развитие самостоятельной познавательной учебной деятельности. Она представляет собой своеобразный, уникальный для данной среды сплав отдельных, педагогических и др. компонентов, обеспечивающих в целом обучающий эффект, повышающий мотивацию учащихся к изучению дисциплины и их творческую активность.

Учитывая загруженность современного учителя, можно порекомендовать воспользоваться мультимедийными новинками рынка. Сегодня их особенно много и, что самое приятное, увеличиваются их технические и дидактические возможности.

Применение компьютерных технологий не изменяет сроки обучения, а зачастую применение электронных образовательных программ на уроке требует больше времени, но дает возможность учителю более глубоко осветить тот или иной теоретический вопрос. При этом применение мультимедийных курсов помогает учащимся вникнуть более детально в те физические процессы и явления, изучить важные теоретические вопросы, которые не могли бы быть изучены без использования интерактивных моделей.

Наибольшая эффективность использования компьютера на уроке достигается в следующих случаях:

использование мультимедийных курсов при изучении тем, явлений, которые наиболее полно и детально освещаются только в электронных образовательных программах, которые невозможно изучать в реальном эксперименте;

более полная визуализация объектов и явлений по сравнению с печатными средствами обучения.

использование возможности варьировать временные масштабы событий, прерывать действие компьютерной модели, эксперимента и использование возможности их повторения;

автоматизация процесса контроля уровня знаний и умений учащихся;

решение и анализ интерактивных задач, требующих аналитического и графического решения с использованием манипуляционно-графического интерфейса;

тестирование и коррекция результатов учебной деятельности;

использование программных сред, виртуальных лабораторий для организации творческой, учебно-поисковой деятельности учащихся.

Разумеется, педагогическая эффективность использования программных сред зависит не только от самих электронных средств, но и от подготовки учителей для работы с ними, от наличия оборудования в школе.

Список литературы

1.       Методика факультативных занятий по физики: Пособие для учителей / О.Ф. Кабардин, С.И.Кабардина, В.А.Орлов; М.: Просвещение, 1991.

2.       Методика преподавания физики./ Пособие для учителей / Кабардин О.Ф., Кабардина С.И.; М.: Просвещение, 1990.

.        Физика 10 класс. / Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., М.: Просвещение, 1991.

.        Учебное пособие для десятых классов школ и классов с углубленным изучением физики. 10 класс/А. А. Пинский, М.: Просвещение, 1991.

.        Физика, 10 класс./ Пёрышкин А.В., М.: Просвещение, 1991.

.        Физика, 8 класс./ Родина Н. А., Гутник Е. М., М.: Просвещение, 1992.

.        Физика, 8 класс./ Хижняков А. С., Синявина А. А.; Бершадский М. Е., М.: Просвещение, 1990.

.        Физики, 8-9 класс./ Балашов М. М., М.: Просвещение, 1991.

.        Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Просвещение, 1989.

.        «Вестник образования»; /№12 декабрь/2002.

.        «Вестник образования»; /№6 июнь/2001.

.        Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7 - 11 класс / Ю.И.Дик, В.А.Коровин - второе издание, исправленное. М.: Дрофа, 2001.

.        Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7 - 11 класс / Н.И.Шахмаева, Д.Ш.Шоднев - второе издание, исправленное. М. : Дрофа, 2001.

.        Факультативный курс физики: 9 класс. Учебное пособие для учащихся. / Кабардин О.Ф., Шефер Н.И. - третье издание, переработанное. М.: Просвещение, 1986.

.        Методика решения задач по физики. / В.К.Коврушин, Из-во ЛГУ, 1972.

.        Преподавание физики в 9 классе средней школы. Пособие для учителей / Орехов В.П., Корж Э.Д.- третье издание, переработанное. М.: «Просвещение», 1990.

.        Экзаменационные задачи по физике для поступающих а вузы / В.В.Можаев, В.И.Чивилев, А.А.Шеронов. - 4-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002.

.        Cборник задач по физике: для 9-11 кл. общеобразоват. учреждений/Г.Н.Степанова - 2-е изд.- М.:Рольф, 1997.

.        Физика: Для школьников в старших классах и поступающих в вузы: Учеб. пособие.- 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2001.

.        Задачи по элементарной физики. С.В.Ащеулов, В.А.Барышев. Учебное пособие. Л. Изд-во Ленинград, 1975.

.        В.А.Балаш. Задачи по физике и методы их решения. Изд-е 2-е, переработанное, М., Просвещение, 1967.

.        И.В.Савельев. Курс физики: Учебник в 3-х томах, Т1: Механика. Молекулярная физика.- М.: Наука. Гл. ред. физ-мат.лит, 1989.

.        Сборник задач по элементарной физике. Пособие для самообразования. Б.Б.Буховцев, В.Д.Кривченко, Г.Я.Мякишев, И.М.Сараев. - 5-е изд.- М.: Наука, Гл. ред. физ-мат.лит, 1987.

.        А.Г.Гладина. Термодинамика и молекулярная физика. Пособие для учащихся. М., Просвещение, 1997.

.        Пособие для самообразования. Б.Б.Буховцев, В.Д.Кривченко, Г.Я.Мякишев, И.М.Сараев.- 5-е изд., - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат.лит, 1987.

.        Физический эксперимент в средней школе: Механика. Молекулярная физика. Электродинамика., - М.: Просвещение, 1989.

.        Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Уч. пособие для студ. вузов/ Под ред. Е.С. Полат. - М.: Академия, 2001.

.        Педагогика: Учебное пособие/ Под. ред. Л.П. Крившенко. - М.:ТК Велби: изд-во Проспект, 2004.

.        Кондратьева А.С., Лаптев В.В. Физика и компьютер. - Л.: Изд - во ЛГУ, 1990.

.        Ершов А. П. Программирование - вторая грамотность.- Новосибирск,1981.