Формирование у учащихся понятия "температура" в школьном курсе физики

Коэффициент линейного расширения зависит от температуры, причем по-разному в различных температурных интервалах. Кроме того, в зависимости от свойств тел, используемых для измерения температуры, получают различные шкалы. Делают вывод о необходимости стандартного термометра и стандартной температурной шкалы.

2) Вводят понятия абсолютной температуры и абсолютной шкалы температур. При индуктивном изучении газовых законов понятие абсолютной температуры в ряде учебных пособий вводят после изучения закона Гей-Люссака или закона Шарля путем экстраполирования этих законов «а область низких температур. Графики соответствующих зависимостей продолжают до пересечения с осью абсцисс, объем или давление приравнивают нулю и показывают, что температура при этом оказывается равной -- 273,15 °С. Эту температуру принимают за абсолютный нуль, а шкалу, по которой нулевая температура соответствует абсолютному нулю, называют абсолютной.

Следует отметить, что такой подход к введению абсолютной температуры нельзя считать строгим, поскольку модель идеального газа имеет определенные границы применимости и при температурах, близких к абсолютному нулю, понятие идеального газа, теряет смысл.

В связи с этим при индуктивном изучении газовых законов целесообразно после закона Бойля-Мариотта ввести закон Шарля, а затем уже закон Гей-Люссака.

После рассмотрения зависимости давления идеального газа от температуры можно поставить вопрос о создании такого термометра, в котором за термометрическое тело был бы принят идеальный газ. Это удобно, так как для идеального газа давление строго пропорционально температуре.

Преобразуя формулу закона Шарля:

и положив, что 273,15 + t = T, рассматривают построение абсолютной шкалы температур и измерение температуры с помощью газового термометра.

Абсолютный нуль -- это такая температура, при которой молекулы совершают только нулевые колебания. Им соответствует минимальная энергия, которая не может быть отнята у тела, т. е. при абсолютном нуле тело не может отдавать энергию.

В школьном курсе физики учащимся ничего не говорят о термодинамической шкале температур. С одной стороны, это невозможно сделать, поскольку вопрос этот непростой и может быть понят лишь после изучения второго закона термодинамики и теоремы Карно, а этот материал в школе не изучают.

С другой стороны, в школе различие между газовой и термодинамической шкалами можно и не делать, так как они совпадают. Поэтому учащимся можно лишь сказать, что на основе принципов термдинамики была сконструирована абсолютная термодинамическая шкала, которая совпала с газовой, В плане обобщения знаний десятиклассников о температурных шкалах полезно их сравнить.

3) Статистическое толкование понятия температуры.

Можно выделить четыре подхода к объяснению статистического смысла понятия температуры.

А) Связь между температурой и средней кинетической энергией поступательного движения молекул вводят как определение понятия температуры¹. В частности, предлагают определить абсолютную температуру как физическую величину, пропорциональную средней кинетической энергии молекул, и в соответствии с законами классической молекулярной теории записать:

Этот подход прост и доступен учащимся.

Определяя температуру как величину, пропорциональную средней кинетической энергии молекул, следует иметь в виду, что такое определение ограничивается рамками классической теории, в квантовой статистике, где не выполняется теорема Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы, это определение нельзя считать приемлемым. Поэтому приведенное определение температуры не является полным и не может быть принято в качестве основного.

Кроме того, приведенное определение понятия температуры не содержит непосредственного указания на способ ее измерения.

Нельзя доказать, что термометр измеряет величину. Однако, основываясь на сформулированном определении, можно указать косвенный метод измерения температуры. Уже известно, что средняя кинетическая энергия молекул идеального газа связана с его давлением по формуле

Учитывая, что

т. е. давление идеального газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. Отсюда следует, что о температуре можно судить по значению давления. Прибор, служащий для этой цели, называют газовым термометром.

Б) В пособии по молекулярной физике для вузов рассматривается переход двух тел к состоянию теплового равновесия. С одной стороны, этот переход характеризуется тем, что молекулы соприкасающихся тел сталкиваются между собой, при этом молекулы более нагретого тела передают часть своей энергии молекулам менее нагретого тела. Это происходит до тех пор, пока энергии не сравняются. С другой стороны, при контакте температура более нагретого тела уменьшается, а менее нагретого увеличивается до тех пор, пока они не сравняются. Таким образом, средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и температура одинаково характеризуют процесс перехода к тепловому равновесию: средняя кинетическая энергия микроскопически, а температура макроскопически.

Следовательно, эти величины связаны между собой:

Это уравнение сравнивают с эмпирическим уравнением Менделеева - Клапейрона

RT.

Можно записать

откуда

В) Понятие температуры как меры средней кинетической энергии поступательного движения молекул может быть введено как следствие основного уравнения кинетической теории газов

Можно основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов сравнить с экспериментальным законом Шарля р = аТ .

При таком подходе комбинируют теоретический и эмпирический законы (причем во втором уже используется понятие абсолютной температуры).

Г) Ряд авторов предлагают вводить понятие абсолютной температуры при рассмотрении различных газов в состоянии теплового равновесия. В частности, три сосуда известных объемов, заполненные различными газами, помещают в термостат с тающим льдом. Давление газа измеряют с помощью манометра. Далее, используя положение о том, что чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура газа, делают предположение: при тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул всех газов одинаковы и согласно основному уравнению молекулярно-кинетической теории газов для всех газов в состоянии теплового равновесия отношение произведения давления газа (p) на его объем (V) к числу молекул (N) одинаково. Это отношение обозначают через , т. е.

Утверждают, что экспериментальная проверка подтверждает сделанное предположение, которое справедливо для не слишком высоких давлений.

Величина не зависит ни от объема газа, ни от его давления, ни от числа частиц в сосуде, а зависит от температуры, поэтому ее можно рассматривать как меру температуры, т. е.

=kT.

Сравнив получают kT.

Очевидно, правомерен любой подход к введению связи температуры со средней кинетической энергией молекул; при его выборе следует учитывать общую последовательность изложения учебного материала и познавательные возможности учащихся.

Важно подчеркнуть, что кинетическая энергия Е_k -- среднестатистический параметр, он характеризует совокупность молекул, температура Т также относится к совокупности молекул, поэтому нельзя говорить о температуре одной молекулы. И наконец, целесообразно обратить внимание на то, что формула связывает микроскопические параметры состояния системы с макроскопическими; в ней четко выражена взаимосвязь двух подходов: статистического и феноменологического к описанию свойств термодинамических систем.

2.2 Анализ понятия "температура"

Понятие "температура" - фундаментальное понятие не только физики, но и естествознания в целом. Оно весьма сложно и очень ярко отражает многогранность физических понятий. Дело в том, что температура представляет собой макроскопический параметр состояния системы, физический смысл которого может быть раскрыт лишь на основе молекулярно-кинетических представлений. Своим существованием температура (как параметр состояния) обязана статистическим закономерностям; господствующие над молекулярными явлениями законы статистики обусловили особый вид равновесия, а факт существования состояния термодинамического равновесия позволяет ввести понятие температуры.

Несмотря на то что с тепловыми явлениями люди познакомились еще в древности и даже античные ученые пытались их изучать, вплоть до ХУП1 в. не были установлены основные понятия и количественные соотношения этого раздела физики. Исторически понятие температуры возникло из ощущений. Словами «горячо», «холодно», «тепло» и т. п. люди пользовались для обозначения различной степени нагретости тел. Однако такое определение понятия температуры физического смысла не имеет и не дает способа измерения.

Научное содержание понятия температуры опирается на постулат о тепловом равновесии системы («всякая система в отсутствие внешних воздействий с течением времени приходит в состояние теплового равновесия и сама по себе выйти из него не может») и на свойства теплового равновесия.

Эти свойства следующие:

1) если два тела находятся в тепловом равновесии с одним и тем же третьим телом, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом (транзитивность теплового равновесия);

2) существует такая физическая величина, значения которой во всех точках равновесной системы одинаковы; эту величину, характеризующую тепловое равновесие, называют температурой;

3) при равновесии возможно одно-единственное распределение энергии системы по ее частям; при увеличении энергии системы растут энергии ее частей.

В связи с этим температуру можно определить как функцию, характеризующую состояние равновесной системы, увеличивающуюся с ростом внутренней энергии системы. Статистический подход углубляет понятие температуры. С точки зрения молекулярных представлений температура - мера средней кинетической энергии молекул идеального газа. Связующим звеном между термодинамическим подходом и статистическим является постулат: распределение, которое осуществляется наибольшим числом микросостояний, соответствует равновесному состоянию.

Измерение температуры возможно благодаря транзитивности теплового равновесия. Сложность измерения температуры заключается в том, что она является интенсивным параметром, т. е. не обладает свойством аддитивности, поэтому ее нельзя сравнивать с эталоном. Для измерения используют зависимость свойства тела (объема, длины, давления) от температуры.

Исторически впервые для измерения температуры было использовано тепловое расширение. Первый прибор для измерения температуры (термоскоп) был сконструирован Г. Галилеем в 1597 г. Прибор был весьма несовершенным, но позволял судить о повышении и понижении температуры. С тех пор учеными предпринимались неоднократные попытки усовершенствовать термоскоп Г. Галилея. Однако все изготовленные термометры не имели общепринятой шкалы и каждый показывал свою температуру. В 1740 г, голландский стеклодув Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с двумя строго фиксированными точками шкалы'.

Изобретение термометра имело огромное значение для науки, поскольку оно привело к возможности количественного изучения тепловых явлений. Кроме того, было введено в употребление понятие температуры. Однако следует отметить, что использование в термометре тепловых свойств тел приводит к получению нескольких различных эмпирических шкал, так как делают допущение: объем термометрического тела изменяется линейно с изменением температуры. В действительности же коэффициент объемного расширения зависит от температуры. Кроме того, выбор реперных точек, приписанные им значения температур, а также число градусов, на которое делился температурный интервал, были произвольными. Следовательно, возникает необходимость в конструировании такого термометра, свойства термометрического тела которого зависели бы от температуры по строгому закону в достаточно большой области температур. Таким термометром является газовый термометр, а в качестве термометрического тела в нем выбирают идеальный газ. Об изменении температуры судят по изменению давления - газа при постоянном объеме. Для идеального газа строго выполняется соотношение:

.

Если поместить баллон газового термометра сначала в кипящую воду, а затем в тающий лед и измерить давления, то их отношение окажется равным 1,3661 (т. е. == 1,3661); полагают, что разность между температурой кипения воды и температурой таяния льда равна 100; за градус принимают этого интервала, т. е.

Т-Т₀=100, или Т=Т₀+100;

0,3661*Т₀=100; Т₀=273,15К.

Таким образом, по газовой шкале температура таяния льда составляет 273,15 К, а температура кипения воды 373,15 К. Нуль газовой шкалы соответствует температуре -273,15 °С; его называют абсолютным нулем температур.

Абсолютному нулю температур соответствует такое состояние системы, при котором она не может отдать энергию никакой другой системе, так как у нее нет более низких уровней, на которые она могла бы перейти, отдав энергию. При абсолютном нуле система совершает нулевые колебания, которым соответствует нулевая энергия. Этот вопрос подробно рассматривают в курсе квантовой механики.

Температура, равная абсолютному нулю, не достижима. В настоящее время удалось получить температуру на 0,00001 К выше абсолютного нуля.

Газовый термометр неудобен в обращении, но является эталоном для градуировки термометров, употребляемых на практике. Однако нельзя сконструировать газовый термометр, который работал бы в широком интервале температур, так как нет газа, который можно было бы с достаточной степенью точности считать идеальным в таком интервале.

Температурную шкалу, не зависящую от термометрического тела, можно построить на основе положений термодинамики. Исходя из второго закона термодинамики, показывают, что коэффициент полезного действия обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и выражается формулой:

где T₁-- температура нагревателя, T₂ -- температура холодильника.

Это равенство носит название теоремы Карно. С другой стороны:

где Q₁ -- количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ -- количество теплоты, отданное холодильнику.

Следовательно,

Это равенство служит основанием для введения шкалы температур: измеряя количество теплоты, можно определить температуру и построить шкалу. Соответствующая температурная шкала названа абсолютной термодинамической шкалой или шкалой Кельвина.

За начало отсчета температуры по этой шкале принят абсолютный нуль - это такая температура, которую должен иметь холодильник, чтобы коэффициент полезного действия обратимого цикла Карно был равен единице. Для определения единицы измерения по этой шкале принято допущение: температуры кипения воды и таяния льда при нормальном давлении различаются на 100. Одна сотая этого интервала - кельвин (К).

Шкала Кельвина, или термодинамическая шкала, совпадает со шкалой газового термометра. Это связано с тем, что, используя первый закон термодинамики и термодинамическое понятие температуры, с одной стороны, и основное уравнение кинетической теории газов и «кинетическое» понятие температуры - с другой, приходят к одному и тому же уравнению P=const T при V=const.

В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам в качестве реперной точки термодинамической' шкалы определила температуру тройной точки воды. Это температура, при которой лед, вода и их насыщенный пар находятся в равновесии друг с другом. Выбор такой точки удобен тем, что есть лишь одно-единственное значение давления и температуры, при котором вода может одновременно существовать в трех состояниях. Тройная точка легко воспроизводима, ее температура равна 273,16 К точно. По шкале Цельсия эта температура соответствует 0,01 °С.

При таком выборе реперной точки новая термодинамическая шкала максимально приближена к шкале Кельвина. За единицу измерения температуры по новой шкале принят 1 К. Кельвин - температурного интервала между температурой тройной точки воды и абсолютным нулем. Разница между температурой какого-либо состояния по этой шкале и по шкале Цельсия составляет 273,15.

2.3 Содержание понятия «температура» в современной физике

Температура (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

В физике к понятию температуры приходят через понятие теплового равновесия. Пусть два тела, например горячая и холодная вода, имеют разную температуру. Если эти два тела привести в соприкосновение, то опыт показывает, что одно тело при этом будет нагреваться, а другое - охлаждаться, пока не прекратятся всякие видимые изменения. Тогда горят, что эти два тела находятся в тепловом равновесии и имеют одинаковым температуры. Тепловое равновесие, как показывает опыт, устанавливается не только в случае соприкосновении двух, но и в случаи соприкосновении нескольких тел.

Закон теплового равновесия - важный закон природы, открытый с помощью термометра, которым пользовались в науки и практике задолго до того, как был выяснен физический смысл понятия температуры. Этот закон позволяет дать макроскопическое определение температуры, как величины, одинаковой у всех частей изолированной системы, находящейся в состоянии теплового равновесия (Максвелловское определение температуры). Именно в этом состоит основное свойство температуры.

Весь вывод понятия температуры можно представить в виде схемы:

Формирование понятия температуры осуществляется на протяжении почти всего курса изучения физики в средней школе. Основные этапы этого процесса представлены в виде таблицы:

В процессе формирования понятия учащиеся знакомятся с различными видами температур, шкалами температур (Цельсия, Кельвина, Фаренгейта, Реомюра) и приборами с помощью которых измеряется температура.

Виды температур:

Термометры:

1. Жидкостный термометр (ртуть: температуры от -38 ⁰С до 261 ⁰С; глицерин: от -50 ⁰С до 100 ⁰С).

Жидкостные термометры: а -- комнатный термометр с наружной шкалой; б -- лабораторный термометр с вложенной шкалой, имеющий на шкале точку 0°С

2. Термопара (температуры от -269 ⁰ С до 2300 ⁰С

3. Термисторы: сопротивление зависит от температуры

4. Газовый термометр

2.4 Требования к усвоению понятия «температура» учащимися к моменту окончания школы

1. Знание определения температуры.

2. Знание основных видов температур (абсолютная, плавление, кипение, критическая точка).

3. Знание Физических процессов с которыми связаны данные виды температур (процесс кипения, плавления, переход сверхпроводящего состояния в нормальный). 4. Знание связей понятий «температура» с другими понятиями и формул выражающих эту связь. 5. Знание единиц измерения температуры и умение пользоваться температурными шкалами (шкалы Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра). 6. Умение применять понятие температуры при решении задача практического характера (влажность, изопроцессы, средняя кинетическая энергия).

2.5 Контроль за качеством усвоения учащимися понятия «температура»

Примеры и методы контроля за усвоением понятий учащимися должны удовлетворять ряду дидактических требований: Они должны проверять усвоение учащимися содержание понятия (его существенные признаки), его объём, связи и отношения с другими понятиями. Они должны предусматривать выявление типичных ошибок. Они должны быть оперативными с точки зрения затрат времени учащихся.

Содержание методов и приёмов контроля должно быть таково, чтобы проверка результатов работ учащихся не потребовала больших затрат времени от учителя, то есть они должны быть оперативными также с точки зрения затрат времени учителя. Они должны быть разнообразными по своей форме, вызывать интерес у учащихся как формой предъявления (выражения) заданий, так и по своему построение и содержанию.

Несмотря на элементарность содержания (поскольку они предъявляются в самом начале формировании понятий), содержание проверочных (диагностирующих) работ должно быть интересным для учащихся, требовать от них анализа, синтеза, сравнения, сопоставления, а не только воспроизводящей деятельности памяти.

На этом этапе не следует спешить с решением количественных задач. Во всяком случае, они не должны являться единственным способом проверки качества усвоения понятия на начальном этапе его формирования.

2.6 Некоторые из возможных приёмов проверки усвоения учащимися понятия «температура»

1. Задание по перечислению существенных признаков понятия, отличающих его от других данного рода.

Пример. Задание: указать существенные признаки кипения, отличающие его от испарения.

2. Составление таблиц по сравнению признаков нового понятия с признаками ранее усвоенных понятий.

Пример. Задание: сравнить свойства твёрдых, жидких и газообразных тел с изменением температуры.

3. Задания по установлению вида связи данного понятия с другими, ранее сформированными.

Пример. Задание: ученикам предлагается указать недостающий третий вид температур и общее родовое понятие.

4. Графики, по которым учащимся предлагается рассмотрение процесса, зависимости температуры от времени.

5. При формировании понятия температура полезно давать задания, имеющие целью проверить, как усвоили учащиеся связь данной величины с другими величинами, как они поняли от чего зависит данная величина. Например квадратичная скорость молекул водяного пара в летний день при температуре +30оС больше, чем в зимний день при температуре 30оС?

6. Экспериментальные задачи. Успех их решения зависит от усвоения связей и отношений между понятиями. Например в 7 классе можно, наблюдая кипение жидкости, рассмотреть усвоение учащимися архимедовой силы, давления жидкости на дно и стенки сосуда, зависимость объёма жидкости от температуры.

7. Специальные приёмы необходимы для проверки усвоения учащимися определений понятий. А по определению, данному учеником или выбранному из числа предложенных, можно судить о качестве усвоения понятия. Например, тестовые задания по темам.

8. Задание на выявление существенных признаков понятия и на ограничение понятий. Например:

а) Воздух представляет смесь газов: азота, кислорода и др.

Одинаковы ли средние модули скоростей молекул этих газов при одной и той же температуре?

б) Одинаковы ли средние кинетические энергии поступательного движения молекул при одной и той же температуре?

Можно ли говорить о температуре одной или нескольких молекул? Ответ обоснуйте.

9. Задания, целью которых является выявление усвоения факторов, от которых зависит та или иная величина, например:

Заключение

Учащиеся в процессе изучения физики должны научиться пользоваться определенными приборами и устройствами. Уметь определять опытным путем физические величины, решать основные типы задач (вычислительные, качественные, экспериментальные, графические и др.). Решение задач является составной частью процесса обучения физики. В связи с этим задачи решаются на учебных занятиях по физике в различных формах и на всех этапах усвоения знаний. Овладевать общеучебными умениями (уметь работать с учебной литературой, выделять главное, делать выводы, ставить опыты, вычислять и др.); мыслительные операциями (анализ, синтез, абстрагирование, обобщение и др.); приемами умственной деятельности(сравнение, классификация, определение и др.)

Все элементы физических знаний могут быть усвоены учащимися на различных уровнях(различение, запоминание, понимание, применение знаний в знакомой и в новой ситуация). Учащиеся должны знать систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах, тепловые двигатели.

Литература

1. Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский//Учебное пособие для 8 класса-Минск” Народная освета”2005.

2. Анциферов Л.И. //Практикум по методике преподавания физики.- М.: Просвещение, 1984. -255 с.

3. Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. / С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, Т.И. Носова и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого. - М.: Издательский центр «Академия», 2000. - 384 с.

4. Бугаев А.И. //Методика преподавания физики в средней школе.- М.: Просвещение, 1981.-288 с.

5. Сеть Интернет.

Размещено на Allbest.ru