Одной из самых главных задач, решаемых при обучении физике, является формирование научного стиля мышления, мировоззрения и развитие творческих способностей у школьников. В этой связи в теории и методике обучения физике практикуму по решению физических задач (ПРФЗ) уделяется особое внимание. ПРФЗ в этом случае рассматривается не только как средство обучения, но и как средство интеллектуального развития учащихся. Решение задач выполняет побуждающие, развивающие познавательную деятельность функции методов обучения. ПРФЗ в физике относится к активным методам, в идеале способствующим усвоению системы знаний, позволяющим систематизировать знания на более высоком уровне -- на уровне синтеза знаний и различных сторон явления, осмысливать известные из курса физики факты в совокупности с новой информацией. Кроме того, решение задач является одним из основных критериев умения применять теоретические знания на практике. Таким образом, решение задач становится обязательным элементом учебного процесса при преподавании физики и занимает значительное место в школьном курсе физики.

К настоящему времени подготовлены соответствующие государственным стандартам задачники, их «решебники» и другие пособия [1-5]. В них приводятся условия задач, ответы и примеры решения типовых задач или краткие пояснения. Однако в этих задачниках по физике крайне трудно найти задачи систематизирующего характера, побуждающего учащихся к творческой работе. Авторы задачников, как нам представляется, в основном ограничиваются несколько идеализированными, модельными, «оторванными от жизни», задачами. Отметим, что при традиционной форме организации ПРФЗ решение стандартных задач у основной массы учащихся особых проблем не вызывает. Решение задачи сводится к подбору формул, уравнений по теме, получению рабочей формулы, собственного ответа и сравнению его с ответом из задачника. На этом решение задачи завершается. Однако полученные ответы и результаты практически не несут смысловую, развивающую нагрузку. Поэтому мы считаем, что возможности ПРФЗ используются в школе не в полной мере. И в этой связи, нам представляется, что, если привлечь дополнительную информацию и несколько видоизменить условия некоторых задач из школьных задачников, то эти задачи приобретают совершенно новый смысл. В процессе составления и модернизации известных, типовых задач большую роль может сыграть научно-популярная литература, информация из СМИ. При этом важно дать возможность учащимся самим попробовать составлять задачи, чтобы они участвовали в процессе формулирования содержания задачи, а при анализе решения физических задач тщательно анализировали ответ. Наилучший результат имеет место при работе учащихся по систематизации физических задач вокруг некоторой общей идеи.

В качестве иллюстрации приведем некоторые примеры задач из школьного курса физики «Основы термодинамики. Тепловые машины»: задачи на анализ работы тепловых машин и оценку их КПД. Завершением анализа задач данной темы является обобщенная формулировка алгоритма решения задач на тему «Тепловые машины» [6].

Задача № 1 Идеальная тепловая машина работает по циклу, изображенному на рисунке.

практикум физический задача школа

Как правило, такого типа задачи предлагаются учащимся при выполнении ЕГЭ (задания С) или во время Централизованного тестирования. Решим эту задачу подробно. Во-первых, уточним понятие идеальной тепловой машины. Очевидно, данная машина работает на идеальном газе. Т.к. задача составлена в соответствии с программой средней общеобразовательной школы (цитата взята из введения к пособию по тестированию учащихся), то в качестве модели идеального газа используем одноатомный идеальный газ с числом степеней свободы 3, и поэтому внутреннюю энергию идеального газа оценим по известной формуле

.

Во-вторых, заметим, что цикл соответствует тепловому двигателю, т.к. направление цикла по часовой стрелке и работа термодинамической системы -- газа положительная A0 > 0.

В-третьих, выясним, на каких участках замкнутого цикла теплота подводится, а где отводится. Анализ показывает, что тепло поглощается на участках 1-2 (Q12 = U12) и 2-3 (Q23 = U23 + А23). Общая работа оценивается как площадь прямоугольника со сторонами V= V1 и p= p1, т.е. A0 = S0 = p1*V1. Теперь можем оценить КПД двигателя по формуле (1) (это пункт а) будущего обобщенного алгоритма):

з = А0 / (Q12+ Q23) = S0 / (U12+U23 + А23) = 15,4%.

Далее можно предложить учащимся типовую задачу на оценку КПД теплового двигателя, работающего по прямому циклу Карно.

После решения задач на КПД тепловых двигателей (прямой цикл) формулируется первый пункт алгоритма и приводится схематическое изображение работы теплового двигателя (рис. 1 алгоритма).

Многих учащихся часто интересует вопрос: как работает домашний холодильник? В ходе обсуждения качественной задачи о работе холодильной установки из [3] выясняется назначение морозильной камеры, радиатора, электродвигателя, насоса. Оценивается температурный режим в холодильной машине: температура радиатора всегда выше, чем окружающей среды. Устанавливается, что для работы холодильной машины внешние силы (в данном случае электродвигатель с насосом) должны совершать положительную работу над термодинамической системой A?>0, а работа самой системы A отрицательная, т.е. цикл должен идти в обратном направлении. После этого вместе рисуем схематическое изображение работы холодильника (рис. 2 алгоритма), вводим понятие холодильного коэффициента, записываем формулу его оценки и формулируем пункты в) и г) будущего алгоритма. После этого решаем задачу.

Задача 2. Идеальная холодильная машина работает в интервале температур от t1=15 до t2= -- 100C. Работа за цикл равна 20 кДж. Вычислить холодильный коэффициент, количество теплоты, отданного теплоприемнику Q1 и отнятого от охлаждаемого тела Q2.

КПД холодильной машины (точнее холодильный коэффициент) определяется в общем случае по формуле о = Q2 / A? = Q2 / (Q1-Q2) (3). Если считать, что цикл соответствует идеальной холодильной машине (т.е. обратному циклу Карно), то о = Т2 / (Т1 -Т2) = (1- з) / з (4), где Т1-- температура окружения (более нагретого тела) и Т2-- температура холодного тела, откуда отбирается тепло, -- КПД прямого цикла Карно. Тогда из формулы (3) и (4) получим ответ: =10,5; Q2 = 210 кДж и Q2 = 230 кДж, т.е. из морозильной камеры отбираем 210 кДж теплоты и 230 кДж отдаем окружающей среде. При этом платим за 20 кДж электроэнергию.

Задача 3. Идеальная машина, работающая по обратному циклу Карно, забирает тепло из воды, имеющей начальную температуру 00С, и передает его кипятильнику с водой, имеющему температуру 1000С. Сколько воды превращается в пар при образовании 1 кг льда? (Ответ: 0,2 кг).

После подробного анализа работы холодильника и решения задач 2 и 3 есть надежда, что учащиеся сами поймут принципы работ кондиционера (не путать с вентилятором!) и теплового насоса. В случае кондиционера холодильная камера (морозильник) устанавливается в жилом помещении, а радиатор -- наружу. (Следует отметить, что по оценкам специалистов, в США на кондиционирование воздуха в летнее время расходуется столько же электроэнергии, сколько на все нужды потребляется в Китае -- стране с населением 1300 млн. Конечно, во многих районах США летом очень жарко и влажно. Вопрос: не стоит ли для экономии энергии на лето переезжать в другие места, где не так жарко?)

Для закрепления темы можно предложить учащимся вопрос: станет ли в комнате летом прохладнее, если держать дверь домашнего холодильника открытым? Обычно этот вопрос вызывает в классе жаркие споры.

Интересную дискуссию вызывает на уроке проблема обогрева квартиры электрическими нагревателями и возможности использования для этого теплового насоса. Вероятнее всего, после анализа работы холодильных машин, кондиционеров, в классе найдутся ребята, которые сформулируют принцип работы тепловых насосов. Для этого морозильную камеру холодильной машины необходимо установить снаружи, а радиатор -- в жилом помещении. Тогда естественно у кондиционера эти элементы надо просто поменять местами. Одновременно с этим появляется простая идея -- создать универсальный прибор: кондиционер -- тепловой насос, который летом работает как кондиционер, а зимой как тепловой насос.

В конце обсуждения вводится понятие КПД теплового насоса

з? = Q1 / A? = Q1 / (Q1-Q2),

а для идеального цикла Карно з? = Т1 / (Т1-Т2) = 1 / з > 1. Таким образом, в качестве обогревателей квартир выгоднее использовать тепловые насосы, нежели простые электронагреватели, у которых КПД 100%! Далее формулируется пункт д) общего алгоритма.

Задача 4. Электрическая плитка мощностью 1 кВт поддерживает в комнате температуру 17С при температуре наружного воздуха -12С. Какая минимальная мощность потребовалась бы для этого при динамическом отоплении с помощью теплового насоса?

Из формулы КПД для идеального обратного цикла Карно з? = Q1 / A? = = Т1 / (Т1-Т2) с учетом Q1 / A? = Р / Р? найдем ответ: Р? = 100 Вт, т.е. выигрыш семьи при отоплении квартиры в 10 раз!

Почему же тогда тепловые насосы не находят применение? В самом деле, жителям России тепловые насосы не известны. А то же время в США, Японии, Швеции тепловые насосы широко используются для отопления жилых и административных зданий. Теплонасосные коммунальное теплоснабжение Швеции составляет около 50%, а в США приближается к 40%. Тепловой насос -- необходимый компонент современной наукоемкой индустрии, признак технической культуры страны. Отставание России в этой области объясняется как технологическим отставанием, отсутствием заказчика, высокой себестоимостью и сложностью производства и работы тепловых насосов в сравнении с простыми электронагревателями, так и (это даже самая главная причина) огромными энергетическими ресурсами страны и относительной дешевизной энергии для населения. Сравни: электроплитка и довольно сложное устройство, сравнимое с холодильником, которые используются для обогрева квартиры. У нас в настоящее время очень большие проблемы в области энергоемких технологий и энергосбережения.

Обобщенный алгоритм решения задач на тепловые машины [6]:

перевести цикл, соответствующий тепловой машине, в диаграмму (p, V);

установить направление обхода цикла и тип машины; оценить соответствующие циклу величины поглощенного и отданного ТДС количества теплоты и общую работу;

оценить КПД тепловой машины, соответствующей циклу:

а) если цикл соответствует тепловому двигателю (обход по часовой стрелке), то КПД этого типа машины

з = АПОЛ / Q1 = (Q1-Q2) / Q1 (1),

где -- АПОЛ -- полезная положительная работа за цикл, Q1 и Q2 -- теплота, полученная от нагревателя и отданная холодильнику соответственно;

б) если цикл соответствует идеальной тепловой машине (т.е. прямому циклу Карно),

то з = (T1-T2) / T1 (2),

где T1 и T2 -- температуры нагревателя и холодильника соответственно;

Рис 1. Схематическое изображение работы теплового двигателя

в) если цикл соответствует холодильной машине или кондиционеру (обход против часовой стрелки), то КПД такой машины (точнее холодильный коэффициент) определяется по формуле

о = Q2 / A? = Q2 / (Q1-Q2) (3),

где A? -- совершенная над термодинамической системой работа внешних сил, Q1 и Q2 -- теплота отданная радиатором холодильника нагревателю и полученная от холодильника (морозильной камеры) соответственно;

г) если цикл соответствует идеальной холодильной машине (т.е. обратному циклу Карно), то

о = Т2 / (Т1 -Т2) = (1- з) / з (4),

где Т1 -- температура окружения (более нагретого тела ) и Т2 -- температура холодного тела, откуда отбирается тепло, -- КПД прямого цикла Карно;

д) если обратный цикл соответствует так называемому тепловому насосу, то КПД теплового насоса з? = Q1 / A? = Q1 / (Q1-Q2), для идеального цикла Карно

з? = Т1 / (Т1-Т2) = 1 / з > 1 (5).

Рис. 2. Схематическое изображение работы холодильной машины и кондиционера

Заметим, что данный алгоритм следует сформулировать вместе с учащимися в конце урока, после решения, предлагая им непривычные (нетрадиционные) задачи.

Литература

1. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 классы. -- М.: Дрофа, 2001.

2. Шабунин С.А., Панов Н.А. Домашняя работа по физике за 10-11 классы, к «Сборнику задач по физике для 10-11 классов. Рымкевич А.П.. -- М.: Экзамен, 2003.

3. Сборник задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Сост. Г.Н.Степанова. -- М.: Просвещение, 2000.

4. Панов Н.А., Саввин А.Д., Тимофеев А.В. Домашняя работа по физике за 10-11 классы, к «Сборнику задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Сост. Г.Н.Степанова. -- М.: Экзамен, 2002.

5. Баканина Л.П., Белонучкин В.Е., Козел С.М. Сборник задач по физике: Учеб. пособие для углубл. изуч. Физики в 10-11 кл. общеобразоват. учреждений /Под ред. С.М.Козела. -- М.: Просвещение, 1995.

6. Зиятдинов Ш.Г. Газовые законы. Основы термодинамики. Нетрадиционные систематизирующие задачи // «Физика». Приложение к газете «Первое сентября», № 35, 1998.

Размещено на Allbest.ru