Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет

Кафедра методики викладання фізики

Курсова робота на тему:

Організація і проведення підсумкового заняття з теми «Молекулярна фізика» у 10 класі з профільним вивченням фізики із використанням комп'ютерної презентації

Підготував

студент ФТФ

групи ФХ-41

Трубілко Іван Володимирович

Рівне 2009

План

Вступ

Розділ 1. Аналіз програми із фізики типової школи та програми профільного навчання фізики

1.1 Побудова шкільного курсу фізики

1.2 Аналіз навчальної програми із фізики

Розділ 2. Вивчення молекулярної фізики в 10 класі. Комп'ютерна презентація

2.1 Вивчення молекулярної фізики

2.2 Комбінований урок з використанням презентації

Розділ 3. Організація і проведення підсумкового заняття з розділу «молекулярна фізика» у 10 класі з профільним вивченням фізики із використанням комп'ютерної презентації

Висновки

Література

Вступ

Вивчення молекулярної фізики має величезне значення для формування наукових поглядів на сучасну природничу картину світу. Будова речовини і залежність від неї її властивостей - це питання, які пронизують весь курс фізики. Перехід від вивчення механіки до молекулярної фізики представляє собою принципово новий етап у пізнавальній діяльності учнів, у формуванні і розвитку їх фізичного світорозуміння, наукового світогляду. Нові якості в теплових явищах у порівнянні з механічними пояснюються двома факторами: дискретною структурою речовини і величезною кількістю взаємодіючих частинок (молекул, атомів, іонів). Тому для пояснення теплових явищ потрібно введення нових понять, які не розглядалися у механіці. Це насамперед температура, середня квадратична швидкість молекул, ідеальний газ, об`єм і тиск газу, внутрішня енергія, теплова рівновага, квазістатичний процес, напрямленість теплових процесів і перший закон термодинаміки. Ефективне формування відзначених понять можливе лише з використанням засобів унаочнення, а саме - комп'ютерної презентації. Одним із завдань вивчення молекулярної фізики в 10 класі є пояснення суті термодинамічного і статистичного методів і показ їхнього всезагального значення для всієї фізики. Застосування цих методів має глибоке методологічне і педагогічне значення. На основі термодинамічного методу всі теплові явища розглядають без аналізу мікрофізичних процесів, а на основі статистичного методу виводять загальні закони поведінки макротіл.

Об'єктом нашої роботи є підсумкове заняття з розділу молекулярна фізика у 10 класі з профільним вивченням фізики.

Предметом нашого дослідження є організація і проведення підсумкового заняття з молекулярної фізики.

Мета нашої роботи: підготувати підсумковий урок з фізики у 10 класі з використанням презентації.

Розділ 1. Зміст і структура курсу фізики

1.1 Побудова шкільного курсу фізики

Система фізичних знань, що вивчаються в школі, повинна забезпечувати формування фундаментальних наукових понять, засвоєння основних фізичних законів і теорій, розуміння методів фізики, забезпечувати розвиток мислення учнів. Шкільний курс фізики побудовано за двома логічно завершеними схемами, зміст яких узгоджується зі структурою середньої загальноосвітньої школи: в основній школі вивчається логічно завершений базовий курс фізики, який закладає основи фізичного знання; у старшій школі вивчення фізики відбувається залежно від обраного профілю навчання: на рівні стандарту, академічному або профільному. В основній школі фізику починають вивчати як окремий навчальний предмет, зміст якого і вимоги до його засвоєння залишаються єдиними для всіх учнів. Урахування пізнавальних інтересів учнів, розвиток їх творчих здібностей і формування схильності до навчання фізики здійснюється завдяки особистісно орієнтованому підходу, запровадженню факультативних курсів і проведенню індивідуальних занять.

У старшій школі загальноосвітня підготовка з фізики продовжується на засадах профільного навчання. Зміст фізичної освіти та вимоги до його засвоєння залежать від обраної навчальної програми: на рівні стандарту курс фізики обмежується обов'язковими результатами навчання, тобто мінімально необхідною сумою знань, які мають головним чином світоглядне спрямування; на академічному рівні закладаються базові знання з фізики, достатні для продовження навчання за напрямами, де потрібна відповідна підготовка з фізики; на рівні профільного навчання в учнів формуються фундаментальні знання з фізики, оскільки з їх удосконаленням учні здебільшого пов'язують своє майбутнє в професійному зростанні.

Програма профільного навчання фізики передбачає систематизоване вивчення основних фізичних теорій, формування світогляду і наукового стилю мислення учнів на основі фізичної картини світу, оволодіння методами наукового пізнання та усвідомлення фізичного знання на рівні, необхідному для подальшого його використання в професійній діяльності та продовженні фізичної освіти. Основними профілями навчання, де фізика вивчається на такому рівні, є фізичний, фізико-математичний і фізико-технологічний.

1.2 Аналіз навчальної програми із фізики

Вивчення фізики починається набагато раніше, ніж у шкільній програмі з'являється такий предмет як фізика. У 5 - 6 класах учні отримують фізичні знання головним чином завдяки дослідно-експериментальній діяльності на уроках природознавства, вивченню технологій, математики, під час екскурсій на природу; поповнюється їхній термінологічний апарат (швидкість, маса, температура, час, механічний рух, теплота, атом тощо).

Початкові уявлення про будову речовини учні отримують на першому етапі вивчення фізики - у сьомому класі, в якому розглядаються такі теми як «Початкові відомості про будову речовини», де вивчають агрегатні стани речовини, дифузію, розглядають стани речовини на основі молекулярно-кінетичних уявлень. Але більш детально починається розгляд теми про будову речовини та її властивості в старшій школі.

Питання організації та впровадження допрофільного та профільного навчання.

Виявлення інтересів і схильностей, здібностей школярів і формування практичного досвіду в різних сферах пізнавальної і професійної діяльності, орієнтованого на вибір профілю навчання в старшій школі сприяє впровадження допрофільного навчання.

Відповідно до Положення про загальноосвітній навчальний заклад кожна школа на основі типового навчального плану розробляє власний робочий навчальний план, у якому години варіативної складової розподіляє залежно від обраного напряму профілізації. З метою реалізації допрофільної підготовки в навчальних закладах (класах) з поглибленим вивченням фізики варто додатковий час, що відводиться на вивчення предмета, використовувати не на розширення теоретичного матеріалу курсу, а на спрямування навчального процесу щодо підвищення пізнавального інтересу до предмета, використовуючи прикладне значення фізики в технічній та гуманітарній сферах життя сучасної людини. Доцільно проводити всі лабораторні роботи в умовах класу, зосереджуючи увагу на різноманітних методах дослідження, намагатися створити атмосферу творчого пошуку розв'язку зазначеної проблеми, пояснення умов, що впливають на хід експерименту, межі та галузі застосування спостережуваного явища або визначеної фізичної величини. При розв'язуванні задач бажано звернути увагу школярів на етапи аналізу фізичної проблеми, з'ясування доцільності вибору певної моделі, достовірності результатів тощо. На таких уроках можливо не тільки відпрацьовувати навички використання знань у стандартних ситуаціях, а пропонувати учням посильні творчі завдання - самостійне планування та проведення досліджень, виготовлення пристроїв та приладів, задачі на розвиток креативного мислення тощо.

Важливу роль як у допрофільній підготовці учнів основної школи, так і для впровадження профільного навчання в старшій школі відіграє вивчення факультативних курсів та курсів за вибором, що створюються за рахунок годин варіативної складової навчальних планів загальноосвітніх навчальних закладів за умови наявності бажання учнів їх вивчати і створення належних умов для їх опанування.

Розділ 2. Вивчення молекулярної фізики в 10 класі. Комп'ютерна презентація

2.1 Вивчення молекулярної фізики

Початковим у вивченні розділу молекулярної фізики є основи молекулярно-кінетичної теорії та її експериментальне обгрунтування. Велике пізнавальне і виховне значення при цьому мають класичні і фундаментальні експерименти. До них відносяться досліди Релея по визначенню верхніх меж розмірів молекул, Перена по броунівському руху і розподілу частинок за висотою в полі сили тяжіння, Штерна по визначенні швидкості молекул. Найбільш істотна особливість теплових процесів в порівнянні з механічними - їх необоротність. Тому важливо показати якісну своєрідність теплових явищ в порівнянні з механічними, протиставляючи їх необоротність оборотності механічних процесів. При чому, за допомогою прикладів (явища дифузії, теплообміну, мимовільне розширення газу та ін.) варто звернути увагу учнів на те, що всі реальні процеси в природі необоротні. Наприклад, найбільш зручно можна пояснити необоротність теплових процесів з використанням досліду, в якому більш нагріте тіло опускають в калориметр з холодною водою. На основі першого закону термодинаміки учні можуть стверджувати, що кількість теплоти, якої набирають вода і калориметр, рівна кількості теплоти, яку віддасть більш нагріте тіло.

При вивченні молекулярної фізики учням необхідно знати:

1. фізичні поняття : тепловий рух частинок, маса і розміри молекул, ідеальний газ; ізотермічний, ізобарний, ізохорний і адіабатичний процеси; броунівський рух, температурна шкала Цельсія і Кельвіна, необоротність теплових процесів; насичена і ненасичена пара; вологість повітря; анізотропія кристалів; кристалічні і аморфні тіла; пружні і пластичні деформації.

2. Фізичні величини: температура, тиск газу, концентрація молекул, швидкість молекул, внутрішня енергія, кількість теплоти, робота газу.

3. Закони і формули: основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії; рівняння Менделеєва-Клапейрона; зв'язок між параметрами стану газу в ізопроцесах, перший закон термодинаміки.

4. Практичне застосування : використання кристалів та інших матеріалів в техніці, напрям теплообміну, теплові двигуни, і їх застосування на транспорті, в енергетиці і сільському господарстві; методи профілактики і боротьби із забрудненням навколишнього середовища.

Учні повинні уміти:

Ш Вирішувати завдання на розрахунок :

- кількості речовини та молярної маси, з використанням основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів, рівняння Менделеєва-Клапейрона;

- зв'язку середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул і температури, з використанням графіків, першого закону термодинаміки;

- роботи газу в ізобарному процесі, ККД теплових двигунів.

Ш Читати і будувати графіки залежності між основними параметрами стану газу; обчислювати роботу газу за допомогою графіка залежності тиску від об'єму.

Ш Користуватися психрометром, визначати експериментально модуль пружності матеріалу.

Ш Переводити температуру зі шкали Цельсія в шкалу Кельвіна і навпаки.

Ш Наводити приклади, що підтверджують основні положення МКТ в побуті, техніці, природі.

Ш Пояснювати: явища дифузії, броунівського руху, тиску газу, випаровування і конденсації, кипіння.

2.2 Комбінований урок з використанням презентації

Презентація «Основи молекулярно-кінетичної теорії» підготовлена для учнів 10 класів і може бути використана до уроку (всі слайди) для повторення раніше вивченого матеріалу. Використаний текстовий вміст в презентації поповнить наявний матеріал до тексту підручника. Відеоряд слайдів складе відповідний змісту уроку, дозволить більш ефективніше та зрозуміліше осмислити вивчений матеріал.

Презентація складається з 47 слайдів, які в доступній формі дають уявлення про будову речовини, основні положення МКТ, сприяють засвоєнню вивченого матеріалу з даного розділу. Структура презентації представлена у вигляді текстового матеріалу, фотографій, картинок, відеофрагментів. Таке поєднання інформації дозволяє привернути увагу учнів до вивченого матеріалу, зацікавити їх у його повторенні, узагальненні та засвоєнні; різноманітно і живо матеріал анімується з побутом.

Презентація виконує ілюстративну функцію, більш тренінгову (є слайди, що містять питання і відповіді до них).

Вибрана форма уроку цікава тим, що

1. по-перше, дозволяє в ненав'язливій формі об'єднати узагальнення матеріалу і перевірку знань;

2. по-друге, дозволяє урізноманітити форми і методи роботи на уроці: це робота з документом, з схемою, логічні завдання, робота з поняттями і хронологією.

Результатом застосування даної комп'ютерної презентації є хороше засвоєння теоретичного матеріалу даної теми, уміння застосовувати отримані знання на практиці, усвідомлення учнями необхідності вивчення молекулярних та теплових явищ, які очікують їх на кожному кроці.

Розділ 3. Організація і проведення підсумкового заняття з розділу «Молекулярна фізика» у 10 класі з профільним вивченням фізики із використанням комп'ютерної презентації

Підсумковий урок з молекулярної фізики у 10 класі проводиться за типовим планом-конспектом. Це є комбінований урок узагальнення раніше вивченого матеріалу з розділу молекулярної фізики із використанням комп'ютерної презентації, яка доповнює урок наочним матеріалом. Урок складається з узагальнення основних питань та положень МКТ, що супроводжується показом слайдів. Розпочинається урок з повторення вчителем основних положень МКТ, маси і розмірів молекул, постійної Авогадро, броунівського руху, ідеального газу, основних рівнянь, ізопроцесів, внутрішньої енергії тіл, та ін.; продовжується запитаннями вчителя до класу та відповідями учнів на них, переглядом в ході уроку слайдів.

Молекулярно-кінетична теорія - вчення про будову і властивості речовини, яке дає уявлення про існування атомів і молекул як найменших частинок хімічної речовини. В основі МКТ лежать три строго доведених за допомогою дослідів твердження (слайд№2):

1. Речовина складається з частинок - атомів і молекул, між якими існують проміжки;

2. Ці частинки знаходяться в хаотичному русі, на швидкість яких впливає температура;

3. Частинки взаємодіють одна з одною.

Те, що речовина дійсно складається з молекул, можна довести, визначивши їх розміри: краплина масла розпливається по поверхні води, утворюючи шар, товщина якого рівна діаметру молекули. Краплина об'ємом 1 мм³ не може розпливтися більше, ніж на 0,6 м²:



Існують також інші способи доказу існування молекул, але перераховувати їх немає необхідності - сучасні прилади (електронний мікроскоп, іонний проектор) дозволяють бачити окремі атоми і молекули.

Сили взаємодії молекул. а) взаємодія має електромагнітний характер; б) сили короткодіючі, виявляються на відстанях, рівних розмірам молекул; в) існує така відстань, коли сили тяжіння і відштовхування рівні ;

Якщо R > R₀, тоді переважають сили тяжіння, якщо R < R₀ - сили відштовхування. Дія сил молекулярного тяжіння виявляється в досліді зі свинцевими циліндрами, що злипаються після очищення їх поверхонь.(слайд № 5). Молекули і атоми в твердому тілі здійснюють безладні коливання відносно положення, в яких сили тяжіння і відштовхування з боку сусідніх атомів урівноважені. У рідині молекули не тільки коливаються біля положення рівноваги, але і здійснюють перескоки з одного положення рівноваги в сусіднє, ці перескоки молекул є причиною текучості рідини, її здатності приймати форму посудини. У газах зазвичай відстані між атомами і молекулами в середньому значно більші розмірів молекул; сили відштовхування на великих відстанях не діють, тому гази легко стискаються; практично відсутні між молекулами газу і сили тяжіння, тому гази володіють властивістю необмежено розширюватися.

Маса і розміри молекул. Постійна Авогадро.

Будь-яка речовина складається з частинок, тому кількість речовини () прийнято вважати пропорційною числу частинок. Одиницею кількості речовини є моль. Моль рівний кількості речовини системи, що містить стільки ж частинок, скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю.

Відношення числа молекул до кількості речовини називається постійною Авогадро:



Постійна Авогадро рівна . Вона показує, скільки атомів або молекул міститься в одному молі речовини.

Кількість речовини можна знайти як відношення числа атомів або молекул речовини до постійної Авогадро:

Молярною масою називається величина, рівна відношенню маси речовини до кількості речовини:

Молярну масу можна виразити через масу молекули:

Для визначення маси молекул потрібно розділити масу речовини на число молекул в ній:

Броунівський рух (слайди № 7,8,9).

Броунівський рух - тепловий рух частинок в рідині або газі. Англійський ботанік Роберт Броун (1773 - 1858) в 1827 році виявив безладний рух видимих в мікроскоп твердих частинок, що знаходяться в рідині. Це явище було назване броунівським рухом. Цей рух не припиняється; із збільшенням температури його інтенсивність росте. Броунівський рух - результат флуктуації тиску (помітного відхилення від середньої величини).

Причина броунівського руху частинки полягає в тому, що удари молекул рідини об частинку не компенсують один одного.

Рис.1. Броунівський рух

Ідеальний газ

У розрідженого газу відстань між молекулами у багато разів перевищує їх розміри. В цьому випадку взаємодіями між молекулами нехтуємо, і кінетична енергія молекул набагато більша потенціальної енергії їх взаємодії.

Для пояснення властивостей речовини в газоподібному стані замість реального газу використовується його фізична модель - ідеальний газ. У цій моделі газу передбачаються наступні параметри:

1. відстань між молекулами трохи більша їх діаметра;

2. молекули - пружні кульки;

3. між молекулами не діють сили тяжіння;

4. при зіткненні молекул одна з одною та із стінками посудини діють сили відштовхування;

5. рухи молекул підкоряються законам механіки.

Основне рівняння МКТ ідеального газу.

Основне рівняння МКТ дозволяє обчислити тиск газу, якщо відомі маса молекули, середнє значення квадрата швидкості і концентрація молекул.

Тиск ідеального газу полягає в тому, що молекули при зіткненнях із стінками посудини взаємодіють з ними по законах механіки, як пружні тіла. При зіткненні молекули із стінкою посудини проекція швидкості v_x вектора швидкості на вісь OX, перпендикулярну стінці, змінює свій знак на протилежний, але залишається постійною по модулю. Тому в результаті зіткнень молекули із стінкою проекція її імпульсу на вісь OX змінюється від mv_1x= - mv_x до mv_2x = mv_x . Зміну імпульсу молекули при зіткненні її із стінкою викликає сила F₁, що діє на неї з боку стінки. Зміна імпульсу молекули рівна імпульсу цієї сили:

Під час зіткнення, згідно третього закону Ньютона, молекула діє на стінку з силою F₂ , рівною по модулю силі F₁ і направленою протилежно.

Молекул багато, і кожна передає стінці при зіткненні такий же імпульс. За секунду вони передають імпульс , де z - число зіткнень всіх молекул із стінкою, яке пропорційне концентрації молекул в газі, швидкості молекул і площі поверхні стінки: . До стінки рухається тільки половина молекул, решта рухаються у зворотній бік: . Тоді повний імпульс, переданий стінці за 1 секунду: . Згідно другого закону Ньютона зміна імпульсу тіла за одиницю часу рівна силі, що діє на нього: .

Враховуючи, що не всі молекули мають однакову швидкість, сила, що діє на стінку буде пропорційна середньому квадрату швидкостей. Оскільки молекули рухаються у всіх напрямках, середні значення квадратів проекцій швидкості рівні. Отже, середній квадрат проекції швидкості: ; . Тоді тиск газу на стінку посудини рівний:

- основне рівняння МКТ.

Позначивши середнє значення кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу: , отримаємо ·

Температура і її вимірювання.

Основне рівняння МКТ для ідеального газу встановлює зв'язок легко-вимірюваного макроскопічного параметру - тиску з такими мікроскопічними параметрами газу, як середня кінетична енергія і концентрація молекул. Але, вимірявши лише тиск, ми не можемо дізнатися ні середнє значення кінетичної енергії молекул окремо, ні їх концентрацію. Отже, для знаходження мікроскопічних параметрів газу потрібне вимірювання ще якоїсь фізичної величини, пов'язаної з середньою кінетичною енергією молекул. Такою величиною є температура.

Будь-яке макроскопічне тіло або група макроскопічних тіл за незмінних зовнішніх умов мимоволі переходить в стан теплової рівноваги. Теплова рівновага - це такий стан, при якому всі макроскопічні параметри як завгодно довго залишаються незмінними.

Температура характеризує стан теплової рівноваги системи тіл: всі тіла системи, що знаходяться один з одним в тепловій рівновазі, мають одну і ту ж температуру.

Для вимірювання температури можна скористатися зміною будь-якої макроскопічної величини залежно від температури: об'єму, тиску, електричного опору і т.д.

Найчастіше на практиці використовують залежність об'єму рідини (ртуті або спирту) від температури. При градуюванні термометра зазвичай за початок відліку (0) приймають температуру танучого льоду; другою постійною крапкою (100) вважають температуру кипіння води при нормальному атмосферному тиску (шкала Цельсія). Оскільки різні рідини розширюються при нагріванні неоднаково, то встановлена таким чином шкала в деякій мірі залежатиме від властивостей даної рідини. Звичайно, 0^о С і 100° С співпадатимуть у всіх термометрів, але 50° С співпадати не буде.

На відміну від рідин всі розріджені гази розширюються при нагріванні однаково і однаково міняють свій тиск при зміні температури. Тому у фізиці для встановлення раціональної температурної шкали використовують зміну тиску певної кількості розрідженого газу при постійному об'ємі або зміну об'єму газу при постійному тиску. Таку шкалу іноді називають ідеальною газовою шкалою температур.

При тепловій рівновазі середня кінетична енергія поступального руху молекул всіх газів однакова. Тиск прямо пропорційний середній кінетичній енергії поступального руху молекул: . При тепловій рівновазі, якщо тиск газу даної маси і його об'єм сталі, середня кінетична енергія молекул газу повинна мати строго визначене значення, як і температура. Оскільки , то , або .

Позначимо . Величина росте з підвищенням температури і ні від чого, окрім температури не залежить. Отже, її можна вважати природньою мірою температури.

Абсолютна температурна шкала.

Рахуватимемо величину , вимірювану в енергетичних одиницях, прямо-пропорційною температурі , що виражається в градусах: , де - коефіцієнт пропорційності. Коефіцієнт , на честь австрійського фізика Л. Больцмана називається постійною Больцмана.

Отже . Температура, що визначається за цією формулою, не може бути негативною. Найменшим можливим значенням температури є 0, якщо тиск або об'єм рівні нулю.

Граничну температуру, при якій тиск ідеального газу перетворюється в нуль при фіксованому об'ємі або об'єм ідеального газу наближається до нуля при незмінному тиску, називають абсолютним нулем температури.

Англійський учений У. Кельвін ввів абсолютну шкалу температур. Нульова температура за шкалою Кельвіна відповідає абсолютному нулю, а кожна одиниця температури за цією шкалою рівна градусу за шкалою Цельсія. Одиниця абсолютної температури в СІ називається Кельвіном.

. Отже, абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії руху молекул.

·

Швидкість молекул газу.

Знаючи абсолютну температуру, можна знайти середню кінетичну енергію молекул газу, а, отже, і середній квадрат їх швидкості:

Квадратний корінь з цієї величини називається середньою квадратичною швидкістю: . Досліди за визначенням швидкостей молекул довели справедливість цієї формули. Один з дослідів був запропонований О. Штерном в 1920 році.( слайди № 12,13)

Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделеєва-Клапейрона). Універсальна газова постійна.

На основі залежності тиску газу від концентрації його молекул і температури можна отримати рівняння, що зв'язує всі три макроскопічні параметри: тиск, об'єм і температуру - які характеризують стан даної маси достатньо розрідженого газу. Це рівняння називають рівнянням стану ідеального газу (слайди № 15,16):

, де - універсальна газова постійна.

для даної маси газу, отже

- рівняння Клапейрона.

Ізотермічний, ізохорний та ізобарний процеси ( слайд № 17)

Кількісні залежності між двома параметрами газу при фіксованому значенні третього параметра називають газовими законами, а процеси, що протікають при незмінному значенні одного з параметрів - ізопроцессамі.

Ізотермічний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійній температурі.

, при

Для газу даної маси добуток тиску газу на його об'єм залишається сталим при незмінній температурі - закон Бойля-Маріота. (слайди № 19 - 22).

Ізохорний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійному об'ємі.

, при

Для газу даної маси відношення тиску газу до його температури залишається сталим при незмінному об'ємі. - закон Шарля. (слайди № 28 - 32).

Ізобарний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійному тиску.

, при

Для газу даної маси відношення об'єму газу до його температури залишається сталим при незмінному тиску. - закон Гей-Люсака. (слайди № 23 - 27).

Внутрішня енергія.

Внутрішня енергія макроскопічного тіла рівна сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) щодо центрів мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною (але не з молекулами інших тіл).

При будь-яких процесах в ізольованій термодинамічній системі внутрішня енергія залишається незмінною.

Внутрішня енергія ідеального газу.

Для обчислення внутрішньої енергії ідеального одноатомного газу масою потрібно помножити середню кінетичну енергію одного атома на число атомів . Враховуючи, що , отримаємо значення внутрішньої енергії ідеального газу:

.

Якщо ідеальний газ складається зі складніших молекул, ніж одноатомних, то його внутрішня енергія рівна сумі поступального і обертального руху молекул.

Для двоатомного газу :

Для багатоатомного газу:

У реальних газів, рідин і твердих тіл середня потенціальна енергія взаємодії молекул не рівна нулю. Для газів вона набагато менша середньої кінетичної енергії молекул, а для твердих тіл і рідин вона рівна з нею. Середня потенціальна енергія взаємодії молекул залежить від об'єму речовини, оскільки при зміні об'єму міняється середня відстань між молекулами. Отже, внутрішня енергія в термодинаміці в загальному випадку разом з температурою залежить і від об'єму.

Кількість теплоти.

Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи називається теплообміном або теплопередачею. Теплообмін відбувається між тілами, що мають різну температуру. При встановленні контакту між тілами з різними температурами відбувається передача частини внутрішньої енергії від тіла з вищою температурою до тіла, у якого температура нижча. Енергія, передана тілу в результаті теплообміну, називається кількістю теплоти.

Питома теплоємність речовини.

Якщо процес теплопередачі не супроводжується роботою, то на підставі першого закону термодинаміки кількість теплоти рівна зміні внутрішньої енергії тіла: .

Середня енергія хаотичного поступального руху молекул пропорційна абсолютній температурі. Зміна внутрішньої енергії тіла рівна алгебраїчній сумі змін енергій всіх атомів або молекул, число яких пропорційне масі тіла, тому зміна внутрішньої енергії а, отже, кількості теплоти пропорційна масі і зміні температури:

Коефіцієнт пропорційності в цьому рівнянні називається питомою теплоємністю речовини. Питома теплоємність показує, яка кількість теплоти необхідна для нагрівання 1 кг речовини на 1 К.

Робота в термодинаміці.

У механіці робота визначається як добуток модулів сили і переміщення та косинуса кута між ними. Робота здійснюється при дії сили на рухоме тіло і рівна зміні його кінетичної енергії.

У термодинаміці рух тіла як цілого не розглядається, мова йде про переміщення частин макроскопічного тіла відносно одна одної. В результаті міняється об'єм тіла, а його швидкість залишається рівною нулю. Робота в термодинаміці визначається так само, як і в механіці, але рівна зміні не кінетичної енергії тіла, а його внутрішньої енергії.

При здійсненні роботи (стисненні або розширенні) змінюється внутрішня енергія газу. Причина цього полягає в наступному: при пружних зіткненнях молекул газу з рухомим поршнем змінюється їх кінетична енергія.

Обчислимо роботу газу при розширенні. Газ діє на поршень з силою , де - тиск газу, а - площа поверхні поршня. При розширенні газу поршень зміщується у напрямі сили на малу відстань . Якщо відстань мала, то тиск газу можна вважати постійним. Робота газу рівна:

,

де - зміна об'єму газу.

В процесі розширення газ здійснює позитивну роботу, оскільки напрям сили і переміщення співпадають, при цьому газ віддає енергію навколишнім тілам.

Робота, що здійснюється зовнішніми тілами над газом, відрізняється від роботи газу тільки знаком , оскільки сила , що діє на газ, протилежна силі , з якою газ діє на поршень, і рівна їй по модулю (третій закон Ньютона), а переміщення залишається тим же . Тому робота зовнішніх сил рівна:

.

Перший закон термодинаміки.

Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії, поширеним на теплових явищах. Закон збереження енергії: енергія в природі не виникає ні з чого і не зникає: кількість енергії незмінна, вона тільки переходить з однієї форми в іншу.

У термодинаміці розглядаються тіла, положення центру тяжіння яких практично не міняється. Механічна енергія таких тіл залишається постійною, а змінюватися може лише внутрішня енергія.

Внутрішня енергія може змінюватися двома способами: теплопередачею і здійсненням роботи. У загальному випадку внутрішня енергія змінюється як за рахунок теплопередачі, так і за рахунок здійснення роботи. Перший закон термодинаміки формулюється саме для таких загальних випадків:

Зміна внутрішньої енергії системи під час переходу її з одного стану в інший рівна сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі:



Якщо система ізольована, то над нею не здійснюється робота і вона не обмінюється теплотою з навколишніми тілами. Згідно першого закону термодинаміки внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною.

Враховуючи, що , перший закон термодинаміки можна записати так:

Кількість теплоти, передана системі, йде на зміну її внутрішньої енергії і на здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.

Другий закон термодинаміки: неможливо перевести теплоту від холоднішої системи до більш гарячої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.

Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

При ізохорному процесі об'єм газу не міняється і тому робота газу рівна нулю. Зміна внутрішньої енергії рівна кількості переданої теплоти:

При ізотермічному процесі внутрішня енергія ідеального газу не міняється. Вся передана газу кількість теплоти йде на здійснення роботи:

.

При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде на зміну його внутрішньої енергії і на здійснення роботи при постійному тиску.

Адіабатний процес.

Адіабатний процес - процес в теплоізольованій системі. Отже, зміна внутрішньої енергії при адіабатному процесі відбувається тільки за рахунок здійснення роботи:

Оскільки робота зовнішніх сил при стисненні позитивна, внутрішня енергія газу при адіабатному стисненні збільшується, а його температура підвищується.

При адіабатному розширенні газ здійснює роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії, тому температура газу при адіабатному розширенні знижується.

Принцип дії теплових двигунів.

Тепловим двигуном називається двигун, який виконує механічну роботу за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива. Деякі види теплових двигунів:

- парова машина;

- парова турбіна;

- двигун внутрішнього згорання;

- реактивний двигун.

Фізичні основи роботи всіх теплових двигунів однакові. Тепловий двигун складається з трьох основних частин: нагрівача, робочого тіла, холодильника.

Процес роботи теплового двигуна: робоче тіло приводять в контакт з нагрівачем ( - висока), тому робоче тіло отримує від нагрівача . За рахунок цієї кількості теплоти робоче тіло здійснює механічну роботу. Потім робоче тіло приводять в контакт з холодильником ( - низька), тому робоче тіло віддає тепло холодильнику. Таким чином повертається в початковий стан. Тепер робоче тіло приводять в контакт з нагрівачем і все відбувається спочатку. Отже, теплова машина - періодичної дії, тобто в цій машині тіло здійснює замкнутий процес - цикл. За кожен цикл робоче тіло здійснює роботу

.

, або .

ККД прийнято виражати у відсотках: .

ККД теплового двигуна і його максимальне значення.

На початку XIX століття французький інженер Сади Карно досліджував шляхи підвищення ККД теплових двигунів. Він придумав цикл, який повинен здійснювати ідеальний газ в деякій тепловій машині, такий, що при цьому виходить максимально можливий ККД. Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат.

Ідеальний газ приводять в контакт з нагрівачем і надають йому можливість розширюватися ізотермічно, тобто при температурі нагрівача. Коли газ, що розширився, перейде в стан 2, його теплоізолюють від нагрівача і дають йому можливість розширюватися адіабатично, тобто газ здійснює роботу за рахунок спаду його внутрішньої енергії. Розширюючись адіабатично газ охолоджується до тих пір, поки його температура не буде рівна температурі холодильника. Тепер газ приводять в контакт з холодильником - стискають ізотермічно. Газ віддає холодильнику . Газ переходить в стан 4. Потім газ теплоізолюють від холодильника і стискають адіабатично. При цьому температура газу збільшується і досягає температури нагрівача. Процес повторюється спочатку.

- формула для розрахунку ККД ідеальної теплової машини, що працює по циклу Карно з ідеальним газом.

Карно показав, що ККД будь-якої іншої теплової машини (тобто з іншим робочим тілом або що працює по іншому циклу) буде менше, ніж ККД циклу Карно. На практиці не використовують машини, що працюють по циклу Карно, але формула (1) дозволяє визначити максимальний ККД при заданих температурах нагрівача і холодильника:

Очевидно, що для збільшення ККД потрібно знижувати температуру холодильника і підвищувати температуру нагрівача. Знижувати температуру холодильника штучно невигідно, оскільки це вимагає додаткових витрат енергії. Підвищувати температуру нагрівача можна теж до певної межі, оскільки різні матеріали володіють різною тепломіцністю при високих температурах. Проте формула Карно показала, що існують невикористані резерви підвищення ККД, оскільки практичний ККД дуже сильно відрізняється від ККД циклу Карно.

Випаровування і конденсація, насичена і ненасичена пара.

Нерівномірний розподіл кінетичної енергії теплового руху молекул приводить до того, що при будь-якій температурі кінетична енергія деяких молекул рідини або твердого тіла може перевищувати потенціальну енергію їх зв'язку з рештою молекул. Випаровування - процес, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають молекули, кінетична енергія яких перевищує потенціальну енергію взаємодії молекул. Випаровування супроводжується охолоджуванням рідини, оскільки рідину покидають молекули, що мають велику кінетичну енергію, і внутрішня енергія рідини знижується. Молекули, що вилетіли, починають безладно рухатися в тепловому русі газу; вони можуть або назавжди віддалитися від поверхні рідини, або знову повернутися в рідину. Такий процес називається конденсацією.

Випаровування рідини в закритій посудині при незмінній температурі приводить до поступового збільшення концентрації молекул речовини, що випаровується, в газоподібному стані. Через деякий час після початку процесу випаровування концентрація речовини в газоподібному стані досягає такого значення, при якому число молекул, що повертаються в рідину в одиницю часу, стає рівним числу молекул, що покидають поверхню рідини за той же час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування і конденсації речовини.( слайди № 35 - 44).

Речовина в газоподібному стані, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченою парою. Пара, що знаходиться при тиску нижче тиску насиченої пари називається ненасиченою. ( слайд № 45).

При стисненні насиченої пари концентрація молекул пари збільшується, рівновага між процесами випаровування і конденсації порушується і частина пари перетворюється на рідину. При розширенні насиченої пари концентрація її молекул зменшується і частина рідини перетворюється в пару. Таким чином, концентрація насиченої пари залишається постійною незалежно від об'єму. Оскільки тиск газу пропорційний концентрації і температурі (), тиск насиченої пари при постійній температурі не залежить від об'єму.

Інтенсивність процесу випаровування збільшується із зростанням температури рідини. Тому динамічна рівновага між випаровуванням і конденсацією при підвищенні температури встановлюється при великих концентраціях молекул газу.

Тиск ідеального газу при постійній концентрації молекул зростає прямо пропорційно абсолютній температурі. Оскільки в насиченій парі при зростанні температури концентрація молекул збільшується, тиск насиченої пари з підвищенням температури зростає швидше, ніж тиск ідеального газу з постійною концентрацією молекул. Тобто тиск насиченої пари росте не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул пари.

Головна відмінність в поведінці ідеального газу і насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари.

Залежність температури кипіння рідини від тиску.

При збільшенні температури інтенсивність випаровування рідини збільшується, і при деякій температурі рідина починає кипіти. При кипінні у всьому об'ємі рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, і спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається постійною.

У рідині завжди присутні розчинені гази, які виділяються на дні і стінках посудини. Пара рідини, що знаходиться всередині бульбашок, є насиченою. Із збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією виштовхувальної сили вони спливають на поверхню.

Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску на її поверхню. Бульбашка пари може рости, коли тиск насиченої пари всередині неї трохи перевищує тиск в рідині, який складається з тиску повітря над поверхнею рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини.

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках стає рівним тиску в рідині. Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння.

При збільшенні температури рідини збільшується тиск насиченої пари і одночасно росте його щільність. Щільність рідини, що знаходиться в рівновазі зі своєю парою, навпаки, зменшується внаслідок розширення рідини при нагріванні.

Критична температура - температура, при якій зникають відмінності у фізичних властивостях між рідиною і її насиченою парою.

При температурах, вищих за критичну, речовина не перетворюється на рідину ні за якого тиску.

Вологість повітря.

Атмосферним повітрям є суміш різних газів і водяної пари. Кожен з газів вносить свій внесок до сумарного тиску, створюваного повітрям на тіла, що знаходяться у ньому.

Тиск, який створювала б водяна пара, за відсутності решти газів, називають парціальним тиском водяної пари.

Відносною вологістю повітря називають відношення парціального тиску водяної пари, що міститься в повітрі при даній температурі, до тиску насиченої пари при тій же температурі, виражених у відсотках:

Оскільки тиск насиченої пари тим менший, чим менша температура, то при охолодженні повітря водяна пара, що знаходиться в ній, при деякій температурі стає насиченою. Температура , при якій водяна пара, що знаходиться в повітрі, стає насиченою, називається точкою роси.

По точці роси можна знайти тиск водяної пари в повітрі. Вона рівна тиску насиченої пари при температурі, рівній точці роси. По значеннях тиску пари в повітрі і тиску насиченої пари при даній температурі можна визначити відносну вологість повітря.

Кристалічні і аморфні тіла.

Аморфними називаються тіла, фізичні властивості яких однакові по всіх напрямах. Аморфні тіла є ізотропними - у них немає строгого порядку в розташуванні атомів. Прикладами аморфних тіл можуть служити шматки затверділої смоли, янтар, скло.

Тверді тіла, в яких атоми або молекули розташовані впорядковано і утворюють внутрішню структуру, що періодично повторюється, називають кристалами. Фізичні властивості кристалічних тіл неоднакові в різних напрямах, але співпадають в паралельних напрямах. Ця властивість кристалів називається анізотропією.

Анізотропія механічних, теплових, електричних і оптичних властивостей кристалів пояснюється тим, що при впорядкованому розташуванні атомів, молекул або іонів сили взаємодії між ними і міжатомні відстані виявляються неоднаковими у різних напрямах.

Кристалічні тіла діляться на монокристали і полікристали. Монокристали іноді володіють геометрично правильною формою, але головна ознака монокристала - внутрішня структура, що періодично повторюється, у всьому його об'ємі. Полікристалічним тілом є сукупність зрощених один з одним хаотично орієнтованих маленьких кристалів - кристалітів. Кожен маленький монокристал полікристалічного тіла анізотропний, але полікристалічне тіло ізотропне.

Механічні властивості твердих тіл.

Розглянемо механічні властивості твердого тіла на прикладі деформації розтягування. У будь-якому перетині деформованого тіла діють сили пружності, що перешкоджають розриву цього тіла на частини. Механічною напругою називають відношення модуля сили пружності до площі поперечного перерізу тіла:

При малих деформаціях напруга прямо пропорційна відносному видовженню . Ця залежність називається законом Гука:

,

де - модуль Юнга.



Позначимо , тоді

Закон Гука виконується тільки при невеликих деформаціях, а отже, при напрузі, що не перевищує деякої межі. Максимальна напруга , при якій ще виконується закон Гука називають межею пропорційності.

Якщо збільшувати навантаження, то деформація стає нелінійною, напруга перестає бути прямо-пропорційною відносному видовженню. Проте при невеликих нелінійних деформаціях після зняття навантаження форма і розміри тіла практично відновлюються. Максимальну напругу, при якій ще не виникають помітні залишкові деформації (відносна залишкова деформація не перевищує 0,1%), називають межею пружності .

Якщо зовнішнє навантаження таке, що напруга в матеріалі перевищує межу пружності, то після зняття навантаження тіло залишається деформованим. При деякому значенні напруги, видовження зростає практично без збільшення навантаження. Це явище називається текучістю матеріалу. Далі із збільшенням деформації крива напруги починає трохи зростати і досягає максимуму. Потім напруга різко спадає і тіло руйнується. Розрив відбувається після того, як напруга досягає максимального значення, так званого межею міцності.

Даний теоретичний матеріал є основою для проведення підсумкового уроку з розділу МКТ. Після чого вчитель робить підсумок уроку, виставляє оцінки.

Необхідні ресурси до уроку: комп'ютер, мультимедійний проектор, програма PowerPoint, презентація.

фізика навчання презентація молекулярний

Висновки

Мета нашої роботи - організація і проведення підсумкового заняття з розділу «молекулярна фізика» у 10 класі з профільним вивченням фізики із використанням комп'ютерної презентації. На нашу думку, нам вдалося здійснити мету, яку ми поставили перед собою: підготовлено підсумковий урок з використанням презентації. Була представлена структура проведення даного уроку, який включає в себе повторення основних питань теми. Весь матеріал закріплюється учнями також і за допомогою показу слайдів, які відображають певні питання.

У першому розділі нами було проведено аналіз програми із фізики типової школи та програми профільного навчання фізики. Було з'ясовано, що програма із фізики типової школи відрізняється від програми з фізики у класах з профільним навчанням. В середній школі повністю не вивчаються деякі питання, а саме : теплове розширення тіл та необоротність теплових процесів, на відміну від класів з поглибленим вивченням фізики. Тому в таких класах на вивчення даного розділу відводиться більше годин.

У другому розділі ми розглянули структуру вивчення молекулярної фізики у 10 класі, визначили основні вимоги до учнів під час вивчення даної теми. Нами було розглянуто важливість застосування на уроках фізики комп'ютерної презентації. За допомогою показу слайдів учні краще підсумовуюють та засвоюють вивчений матеріал.

У третьому розділі ми підготовили теоретичний матеріал, необхідний для проведення підсумкового уроку з розділу МКТ. Урок складається з узагальнення основних питань та положень МКТ, що супроводжується презентацією. Розпочинається урок з повторення вчителем основних положень МКТ, маси і розмірів молекул, постійної Авогадро, броунівського руху, ідеального газу, основних рівнянь, ізопроцесів, внутрішньої енергії тіл, та ін.; продовжується запитаннями вчителя до класу та відповідями учнів на них, переглядом в ході уроку слайдів.

Література

7-12 класи. Фізика.Астрономія. Програми для загальноосвітніх навчальних закладів.- Київ :Ірпінь,2005.

Ковалёв П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. - Ростов: Университетское, 1975.

Ахматов А.С. Молекулярная физика. - М., 1963.

Покровский А.А., Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационные опыты по молекулярной физике и теплоте. - М., 1960.

Павлов В.И. Механика, молекулярная физика. М., 1955.

Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. М.: Просвещение, 1970.

Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. - М.: Просвещение, 1976.

Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 1992.

Гончаренко С.У. Методика навчання фізики. Молекулярна фізика. - К.: Освіта, 1986. - 208 с.

Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. - К.: Высшая школа, 1995. - 430 с.

Курс фізики. Г.Ф. Бушок, Г.Ф. Півень. - К.:Вища школа, 1987.

Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1982. - 846 с.

А. В. Перышкин « Физика», учебник, Дрофа, 2002 г.

Учебник “Физика - 10” Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский: М. “Просвещение” 2003.

Преподавание физики, пособие для учителя, В.П.Орехов, . Москва. Просвещение,1986г.

Размещено на Allbest.ru

...