Цели урока:
ввести первый закон
термодинамики как закон сохранения энергии
термодинамической системы, раскрыть его
физическое содержание при рассмотрении
конкретных процессов, продолжить формирование
умений описывать тепловые процессы физическими
величинами и законами, ввести понятие об
адиабатном процессе, сформировать умения
использовать первый закон термодинамики для
описания газовых процессов;
Оборудование к уроку: на каждом столе пробирка с холодной водой, термометр, бумага, теплоприёмник, жидкостной манометр, бланки с заданиями, мультимедийный проектор, ноутбук, экран, таблица.
План урока
| Этапы урока | Время, мин. | Приёмы и методы |
| 1. Оргмомент | 1 | |
| 2. Проверка д/з | 6 | письменный опрос (тест) |
| 3. Фронтальный опыт | 7 | работа в парах |
| 4. Изучение новой темы | 20 | рассказ, демонстрации, видео, записи в тетрадях, диалог |
| 5. Закрепление материала | 6 | решение качественных задач, диалог |
| 6. Рефлексия | 3 | ответы на вопросы |
| 7. Д/з | 2 |
Ход урока
Организационный этап (обеспечить готовность учащихся к уроку, готовность рабочего места и необходимого для урока оборудования).
Проверка д/з. Мы изучаем основы термодинамики и для того, чтобы приступить к изучению первого закона термодинамики, необходимо полученные знания закрепить. Для этого выполним задание №1
Задание № 1
Фамилия, имя______________________________
Вариант 1
Броуновское движение - это:
А) тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц; Б) хаотическое движение взвешенных в жидкости частиц; В) упорядоченное движение молекул жидкости; Г) упорядоченное движение взвешенных в жидкости частиц.
2. Какая из приведённых ниже формул позволяет рассчитать среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул газа:
А) p=nkT; Б) E=3/2kT; В) p=1/3m0nv2
3. Как изменится давление идеального газа при увеличении абсолютной температуры в 2 раза и объёма в 2 раза? (масса газа не изменяется)
А) увеличится в 4 раза; Б) уменьшится в 4 раза; В) не изменится; Г) увеличится в 2 раза.
4. Процесс изменения термодинамической системы при постоянном давлении называют:
А) изотермическим; Б) изохорным; В) изобарным.
5. Какое выражение соответствует закону Бойля-Мариотта:
А) V/T=const; Б) pV=const; В) p/T=const; Г) pT=const.
6. На рисунке график зависимости p(V), m=const. Какой процесс изменения газа изображён на рисунке?
А) изотермическое расширение; Б) изобарное расширение; В) изобарное сжатие; Г) изохорное нагревание.
ОЦЕНКА____________
Фамилия, имя______________________________
Вариант 2
Какое из следующих положений противоречит основам МКТ:
А) вещество состоит из молекул; Б) молекулы вещества движутся беспорядочно; В) все молекулы взаимодействуют друг с другом; Г) все молекулы вещества имеют одинаковые скорости.
2. Какая из приведённых ниже формул позволяет вычислить число частиц:
А) N=
; Б) v=m/M; В)
p=nkT.
3. Как изменится давление идеального газа, если число молекул газа и его объём увеличится в 2 раза, а температуру оставить неизменной?
А) увеличится в 2 раза; Б) уменьшится в 2 раза; В) увеличится в 4 раза; Г) не изменится.
4. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа равна:
А) 
; Б) 
; В) 
; Г) 
.
5. Газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, называется:
А) реальным; Б) абсолютным; В) идеальным; Г) свободным.
6. На рисунке график зависимости p(Т), m=const. Какой процесс изменения газа изображён на рисунке?
А) изохорное нагревание; Б) изохорное охлаждение; В) изотермическое сжатие; Г) изобарное расширение.
ОЦЕНКА___________
Осуществляется взаимоконтроль в парах.
СЛАЙД 1
Ответы
Вариант 1 |
Вариант 2 |
| 1. А | 1. Г |
| 2. Б | 2. А |
| 3. В | 3. Г |
| 4. В | 4. В |
| 5. Б | 5. В |
| 6. В | 6. Б |
СЛАЙД 2
Критерии оценки
За каждый правильный ответ - 1балл; за неправильный ответ - 0баллов.
"5" - 6 баллов (за каждый вопрос 1балл);
"4" - 5 балла;
"3" - 4 балла;
"2" - 3 балла.
А теперь выполним задание №2.
3. Фронтальный опыт "Изменение внутренней энергии тела при совершении работы"
Приборы и материалы: пробирка химическая, термометр лабораторный, цилиндр измерительный с холодной водой, лист бумаги.
Порядок выполнения работы
Налейте в пробирку 10мл воды и измерьте её температуру.
Закройте пробирку пробкой (или большим пальцем если нет пробки) и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течение 40 секунд (время засеките по секундомеру в часах или мобильном).
Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.
Ответьте на вопросы: а) как изменилась внутренняя энергия воды во время опыта? б) каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в опыте? в) зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта? г) что можно сказать о зависимости изменения внутренней энергии тела от совершённой работы?
4. Изучение новой темы
К середине 19 века многочисленные опыты показали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно.
Закон сохранения энергии:
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. (Падает, например, молот на кусок свинца и свинец нагревается - потенциальная энергия молота переходит в кинетическую, затем механическая энергия превратилась во внутреннюю энергия тела). Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.
В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остаётся постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела. Первый закон термодинамики был открыт в середине 19 века немецким учёным врачом Майером (1814-1878), английским учёным Д. Джоулем(1818 - 1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого учёного Г Гельмгольца (1821-1894).
Нагревание тела может происходить без сообщения ему какого-либо количества теплоты, а только за счет совершения работы, что мы и наблюдали в проделанном опыте. Либо за счёт теплообмена с окружающими телами.
Опыт. Изменение состояния термодинамической системы "теплоприёмник - газ" путём теплопередачи.
В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счёт совершения работы, так и за счёт передачи теплоты.
Первый закон термодинамики: Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты переданного системе:
U=Q+A.
Если система изолирована (замкнутая) то есть
над ней не совершается работа (А=0) и она не
обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0).
То в этом случае согласно первому закону
термодинамики U=0 (U1
= U2). Внутренняя энергия изолированной
системы остаётся неизменной (сохраняется).
Учитывая, что A/ = - А, получим Q=A/ + U
Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Невозможность создания вечного двигателя -
устройства, способного совершать неограниченное
количество работы без затрат топлива или
каких-либо других материалов. Если к системе не
поступает теплота (Q=0), то работа A/ согласно
первому началу термодинамики Q=A/ + U может быть совершена
только за счёт убыли внутренней энергии: A/
= - U. После того как
запас энергии окажется исчерпанным, двигатель
перестанет работать.
Нельзя говорить, что в системе содержится определённое количество теплоты или работы. Как работа, так и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в результате того или иного процесса, и выражаются эти величины в джоулях. Откройте 207-ую страницу учебника и рассмотрите рисунки 165,166. Внутренняя энергия системы может изменится одинаково как за счет совершения системой работы, так и за счёт передачи окружающим телам какого-либо количества теплоты. Например, нагретый воздух в цилиндре может уменьшить свою энергию остывая, без совершения работы (рис 165). Но может потерять точно такое же количество энергии, перемещая поршень, без отдачи теплоты окружающим телам. Для этого стенки цилиндра и поршень должны быть теплонепроницаемыми (рис 166)
СЛАЙДЫ
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
| Название процесса | График изопроцесса в координатах р, V. Работа газа, количество теплоты | Запись закона и физический смысл |
|
Изотермическое расширение A/>0, Q>0 V |
Q = A/
Всё переданное газу тепло идёт на совершение им же работы. |
| Изотермическое сжатие A/<0, Q<0 V |
- Q = - A/ А = - Q
При совершении работы внешними силами газ отдаёт тепло окружающей среде. |
|
 |
Изобарное нагревание (расширение) A/>0, Q>0 V |
A/ = p1(V2 - V1) = p1?V
Q=A/ + ?U
Подводимое к газу тепло идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы |
| Изобарное охлаждение (сжатие) A/<0, Q<0 V |
U= - A/ - Q
Внутренняя энергия уменьшается за счёт того, что над газом совершается работа и газ отдаёт тепло окружающей среде |
|
 |
Изохорное нагревание Q>0, A/ = 0 V |
U= Q
Внутренняя энергия газа увеличивается за счёт подводимого тепла |
| Изохорное охлаждение Q<0, A/ = 0 V |
U= - Q
Внутренняя энергия уменьшается за счёт того, что газ отдаёт тепло окружающей среде |
|
| Адиабатное расширение (охлаждение) A/>0 |
U= - A/
Внутренняя энергия газа уменьшается за счёт того, что сам газ совершает работу. Газ охлаждается. |
|
| Адиабатное сжатие (нагревание) A/<0 |
U= A
Внутренняя энергия газа увеличивается только за счёт работы внешних сил |
Далее смотрим видеофильм "адиабатное расширение и сжатие".
5. Закрепление материала
Задача №1
Определите процессы, в которых участвует термодинамическая система идеальный газ, и прочитайте уравнение первого закона термодинамики для каждого случая?
а)
Ответ: происходит теплопередача, и над
газом совершается работа, то есть изменяется
объём, давление, температура, внутренняя энергия
газа: U=Q+A.
б)
Ответ: газу сообщается количество теплоты,
следовательно газ совершает работу, то есть
объём газа увеличивается; в зависимости от
значений Q и А происходит изменение внутренней
энергии: U=Q-A.
в)
Ответ: газ нагревается, внутренняя энергия
увеличивается, давление увеличивается, объём
остаётся прежним: U=Q.
г)
Ответ: газ охлаждается, и над ним
совершается работа, то есть возможно изменение
внутренней энергии: U=А
- Q.
д)
Ответ: газ охлаждается, температура его уменьшается, внутренняя энергия тоже уменьшается: ?U= - Q.
е)
Ответ: система остаётся в равновесном
состоянии: U=0.
Задача №2
Устно с фронтальным обсуждением может быть рассмотрен пример решения задач из учебника (см. с. 221-222).
Задача №3
Вопросы для коллективного решения:
1. Можно ли считать человека термодинамической системой? (да)
2. В каких процессах обычно участвует система? (теплообмен с окружающими системами, работа при действии человека на другие системы)
3. За счёт чего поддерживается постоянная температура (внутренняя энергия) человека? (за счёт поступления энергии от других систем в форме пищи)
4. Как записать первый закон термодинамики для
системы "человек"? (U=Qпищи
- Qтеплообмена - A).
6. Подведение итогов. Рефлексия
Сегодня на уроке мы изучили первый закон термодинамики, раскрыли его физическое содержание при рассмотрении конкретных процессов, изучили новый изопроцесс - адиабатный, научились использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов. На следующем уроке мы будем решать задачи на применение первого закона термодинамики к различным процессам.
Чтобы понять, на сколько интересен и полезен материал, который мы изучали на уроке, выполните задание №2
Задание 2
Оцените сегодняшний урок: 0 - нет, 1 - да.
- Вам было интересно на уроке?________
- Вы узнали что-то новое?_____________
- Был ли доступен изучавшийся материал?_______
- Вы его поняли?_________
- Готовы ли вы работать над материалом на следующих уроках?_________
Количество баллов________
7. Д/з
81,82
Литература
- Физика: Учеб. для 10 кл. образоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. - 12изд. - М. : Просвещение, 2004. - 336 с.
- Физика в 10 классе: Модели уроков: Кн. для учителя / Ю. А. Сауров. - М. : Просвещение, 2005. - 256 с.