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:
¾ Внутренняя энергия;
¾ Понятие работы;
¾ Количество теплоты;
¾ Первый закон термодинамики и его
применение к различным процессам;
¾ Необратимость процессов в природе,
второй закон термодинамики;
¾ 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".
. 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
= Ek+Ep.
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=Ek+Ep;
Ep=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:
=
И U=
.
Изменение вн.эн для идеального газа определяется
следующей формулой:
=3/2 m/M
R
T
или U=
.
Далее целесообразно предоставить учащимся задачу
для закрепления изученного понятия.
Например: В стальном баллоне находится гелий
массой 0,5 кг при температуре 10оС. 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.
. 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:
. Воздух находится под давлением 3*105Па
и занимает объем 0,6 м3. Какая работа будет совершена при уменьшении
его объема до 0,2 м3?
. 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?
. 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:
¾ Нагревание и охлаждение;
¾ Испарение и конденсация;
¾ Кипение;
¾ Плавление и кристаллизация.
|
Процесс
|
Формула
|
|
Нагревание
или охлаждение
|
Q=cm(t2-t1)
|
c-удельная теплоемкость
вещества(Дж/ кг к), m- масса (кг) t2-t1 -изменение
температуры (К)
|
|
Кипение
или конденсация
|
Q=Lm
|
L- удельная теплота парообразования(Дж/
кг)
|
|
Плавление
или кристаллизация
|
Q=lm
|
l- удельная теплота
плавления вещества(Дж/ кг)
|
|
Сгорание
топлива
|
Q=qm
|
q- удельная теплота сгорания
топлива(Дж/ кг)
|
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:
. В калориметр с теплоемкостью 65 Дж/К
было налито 250 г масла при 12 оС. После опускания в масло медного
тела массой 500г при температуре 100оС установилась общая
температура 33 оС. Какова удельная теплоемкость масла. (2200 Дж/ К
кг)
. Сколько дров надо сжечь в печке с КПД
40 %, чтобы из снега, взятого при температуре 10оС, получить воду
при 20 оС? (22 кг)
. 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 = ?ΔE,
где ΔE
? изменение механической энергии тела
ΔE
= E2 ? E1; E2 = Ek2 (Ep2
= 0), а
E1 = Ep1 (Ek1 = 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 mм и массу воды в калориметре mв.
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 to.
Тогда уравнение теплового баланса имеет вид:
мmм(t2
? to) = cвmв(to
? t1) + cкmк(to
? t1),
где см, св, ск
? удельные теплоемкости металла, воды и калориметра соответственно, mк
? масса калориметра.