Урок физики «Применение первого закона термодинамики к решению задач»

Тема урока «Применение первого закона термодинамики к решению задач»

Цель урока: организация самостоятельно-познавательной деятельности учащихся при решении задач.

Задачи урока:

• продолжить освоение следующих понятий: первый закон термодинамики, применение первого закона термодинамики к изопроцессам на уровне воспроизведения, применения по образцу и творческого применения; продолжить формирование научного, теоретического мировоззрения;

• создать условия для развития навыков логического мышления, умений анализировать и систематизировать знания, делать вывод при решении задач на применение первого закона термодинамики; развивать память, воображение, концентрацию внимания, наблюдательность;

• способствовать формированию научного мировоззрения, умений критически оценивать результаты собственной работы и достижений своих одноклассников, содействовать грамотному планированию своей работы.

Ход урока

1. Организационный момент слайд 1

Учитель: Здравствуйте, те, кто весел сегодня,

Здравствуйте, те, кто грустит,

Здравствуйте, те, кто общается с радостью,

Здравствуйте, те, кто молчит.

Учитель: Улыбнитесь друг другу, улыбнитесь мне. Улыбка - легко читаемое любым человеком послание «Всё будет хорошо». Улыбка помогает создать хорошее настроение. Давайте же сохраним это настроение до конца занятия. (Приём «Настроение» (рефлексия на начало урока))

Девиз урока

Незнающие пусть научаться, а знающие пусть вспомнят еще раз.

Античный афоризм

Учитель:

А вы знаете, что бывают серебристые облака? слайд 2 - 4

В вышине порою ночной,

Освещаясь Луною слегка,

Проплывают, как свет над землей,

Серебристые облака.

…

Вот они перламутрово светятся,

И мерцают в высокой дали,

И глядят на нас свысока,

Серебристые облака.

Сергей Аржанников

(Приём «Удивляй», направленный на активизацию мыслительной деятельности и привлечение интереса к теме урока).

Сегодня на уроке мы узнаем, какое отношение имеют облака к I закону термодинамики. Тема урока: «Применение первого закона термодинамики к решению задач» слайд 5

2. Актуализация опорных знаний.

Учитель. Сначала мы вместе восхитимся вашими глубокими знаниями - а для этого нужно выполнить первое задание - вспомнить формулы.

Учитель:

Не изучишь теплоту,

Напишешь формулу не ту.

А когда всё повторишь,

То и задачу ты решишь!

Повторение формул, изученных по теме. К доске вызывается ученик для выполнения задания. Необходимо собрать формулы, перечисленные на карточке. «Облако формул». Учащийся должен заселить пустующее «Облако формул» формулами, беря буквенные значения с «Облака величин».

1. Запишите формулу 1 закона термодинамики . ΔU = A'+ Q

2. Запишите формулу расчета изменения внутренней энергии для одноатомного газа. ΔU =

3. Запишите формулу работы внешних сил при сжатии. A' = - pΔV

4. Запишите соотношение между работой внешних сил и работой газа. A'=A

5. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изобарного процесса. Q = ΔU + pΔV

6. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изохорного процесса. Q = ΔU

7. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изотермического процесса. Q = A

8. Запишите формулу 1 закона термодинамики для адиабатного процесса. ΔU = - A

В это время остальные учащиеся класса выполняют физический диктант «Физические величины и единицы их измерения»

Напишите в левом столбце буквенные обозначения, а в правом - единицы измерения данных физических величин.

___количество теплоты___

___внутренняя энергия ___

___работа___

___объем___

___давление___

___масса вещества___

__молярная масса___

___количество вещества___

___абсолютная температура___

___приращение внутренней энергии___

Взаимопроверка. За каждый правильный ответ учащийся получает по 1 баллу. (ответы на экране) слайд 6

Далее класс выполняет задание на повторение теоретического материала. На каждый стол даётся сетка кроссворда. Желающие ответить поднимают руку, ответившему правильно, начисляется 1 балл.

ВОПРОСЫ К КРОССВОРДУ слайд 7

1. Физическая величина - функция температуры.

2. Физическая величина - мера изменения внутренней энергии.

3. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде Q = U + A', U = Q + A.

4. Ещё одна физическая величина - мера изменения внутренней энергии.

5. Газы, внутренняя энергия которых зависит только от температуры.

6. Физическая величина, пропорциональная внутренней энергии идеального газа.

7. Единица внутренней энергии, количества теплоты и работы.

8. Газы, изменение внутренней энергии которых зависит не только от температуры, но и от объёма.

9. Процесс, происходящий при изоляции системы от окружающей среды.

10. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде Q = A'.

11. Раздел физики, изучающий тепловые процессы без учёта молекулярного строения вещества.

12. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде U = Q.

13. Параметры, описывающие тепловые явления в термодинамике.

(Ответы. 1. Внутренняя энергия. 2. Работа. 3. Изобарный. 4. Количество теплоты. 5. Идеальные. 6. Температура. 7. Джоуль. 8. Реальные. 9.Адиабатный. 10. Изотермический. 11. Термодинамика. 12. Изохорный. 13. Макроскопические. )

Проверка задания по составлению формул.

"Один опыт стоит тысячи слов".

Арабская пословица

Формулы - это все ТЕОРИЯ! А практика-это критерий истины… Пока не убедишься на практике, как работают законы физики, не поверишь! слайд 8

Два ученика приглашаются для демонстрации опытов по адиабатному сжатию и адиабатному расширению. Техника безопасности при выполнении опытов. (Учащиеся демонстрируют опыт и объясняют его результаты)

Опыт 1. Опыт «воздушное огниво». Возьмём толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем немного «серы» от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы совершим механическую работу над воздухом: сожмём его. Серный порошок воспламенится без поджигания!

Объясним опыт. Удар длился недолго, поэтому передачей теплоты из цилиндра наружу можно пренебречь. Извне теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал. При отсутствии теплообмена вся совершённая над телом работа идёт на изменение его внутренней энергии. В нашем случае работа, совершённая над воздухом, привела к возрастанию его внутренней энергии воздуха настолько, что повышение его температуры привело к воспламенению серного порошка без поджигания!

Опыт 2. Опыт «туман в бутыли». Возьмём стеклянный сосуд и насос. Удерживая пробку рукой, накачиваем воздух. Через некоторое время пробка вылетает, и в сосуде образуется туман! Объяснение результатов этого опыта.

Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. Внутренняя энергия воздуха, изменяясь, возрастает. Сжатый воздух совершает работу и пробка вылетает из сосуда. Всё это происходит очень быстро, поэтому теплообмен не успевает произойти. Кроме того, работа совершается не над воздухом, а им самим, Следовательно, внутренняя энергия воздуха убывает. Он охлаждается ниже комнатной температуры, и в сосуде появляется туман.

Учитель. Так какое отношение имеет первый закон термодинамики к облакам? Какой процесс приводит к образованию облака?

Ответ. В природе адиабатным процессом является процесс, происходящий в земной атмосфере при образовании облаков. Как известно, в летнее время Земля сильнее поглощает солнечное излучение, чем воздух. В силу этого близлежащий к Земле слой воздуха становится более нагретым, чем отстоящий от поверхности Земли и воздух соседних областей (рельеф местности не однороден, что способствует различному нагреванию поверхности Земли). Нагретый воздух расширяется, поднимается, оставляя за собой область пониженного давления. По мере удаления от поверхности Земли атмосферное давление падает, что способствует в дальнейшем его расширению. Расширение воздуха происходит адиабатно, и поэтому сопровождается его охлаждением. Подъем воздуха прекратится, как только его температура сравняется с температурой воздуха на какой-то высоте. Пар, содержащийся в воздухе, охлаждаясь, становится пересыщенным, конденсируется, образуя облако из мельчайших капель воды диаметром от 2 до 70 мл или кристаллов льда.

Учитель. Посмотрите, какие разные облака изображены на картинах Левитана. слайды 9, 10, 11, 12 (релаксационная пауза, звучит тихая музыка)

Мы с вами обладаем уникальной возможностью увидеть самые высокие облака - серебристые. слайд 13. Эти облака наблюдаются только летом и только на средних широтах на высоте 80 км над землей. Эти облака светятся под лучами солнца, опустившегося за горизонт или ещё не поднявшегося из-за горизонта.

3. Решение задач по теме

«Подвергай всё сомнению»
Сократ

4а. «Найди ошибку» слайд 14

Ученикам предлагаются решения задач, в которых допущены ошибки.

Задача 1. При изотермическом расширении идеальным газом была совершена работа 45 кДж. Какое количество теплоты сообщено газу?

Решение. При изотермическом процессе 1 закон термодинамики имеет вид: Q = - A, т.е. газ совершает работу за счет сообщенного ему количества теплоты.

Q = - 45 кДж.

Верное решение. При изотермическом процессе 1 закон термодинамики имеет вид: Q = A, т.е. газ совершает работу за счет сообщенного ему количества теплоты.

Q =45 кДж.

Слайд 15 Задача 2. В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 кДж. Какую работу он при этом совершил? Какое количество теплоты отдал газ?

Решение: Газ находится в закрытом баллоне, следовательно, объем газа не изменяется. Данный процесс является изохорным нагреванием. Работа газа равна 500кДж, т.к. изменение объема равно 0. Q=-500 кДж. (знак «-» показывает, что газ отдает тепло).

Верное решение: Газ находится в закрытом баллоне, следовательно, объем газа не изменяется. Данный процесс является изохорным охлаждением. Работа газа равна 0, т.к. изменение объема равно 0. Q=-500 кДж. (знак «-» показывает, что газ отдает тепло).

Слайд 16 Задача 3. Быстрый подъем воздушных масс определенной влажности приводит к образованию облака. Как при этом изменяется внутренняя энергия?

Решение: Поднимающийся вверх воздух будет нагреваться (адиабатное расширение, т.к. воздух поднимается относительно быстро), значит внутренняя энергия будет увеличиваться.

Верное решение: Поднимающийся вверх воздух будет охлаждаться (адиабатное расширение, т.к. воздух поднимается относительно быстро), значит внутренняя энергия будет уменьшаться.

Слайд 17 Задача 4. Чему равна работа, совершённая газом при переходе из состояния 1 в состояние 2?

Решение: работа газа в термодинамике рассчитывается по формуле А = - рΔV. Значит работа, совершённая газом при переходе из состояния 1 в состояние 2 равна - 900Дж.

Верное решение: работа газа в термодинамике рассчитывается по формуле А = рΔV. Значит работа, совершённая газом при переходе из состояния 1 в состояние 2 равна 600Дж.

4б. «Знаешь - действуй» (работа в парах) слайд 18

«Пока я мыслю, я живу»
Декарт.

Задача. Для изобарного нагревания 800 моль газа на 500 К газу сообщили количество теплоты 9,4МДж. Определите работу газа и изменение его внутренней энергии.

Порядок действий:

1. Внимательно прочитайте задачу.

2. Запишите кратко условие задачи, определите, что необходимо найти

Дано: СИ Решение:

3. Запишите первый закон термодинамики в виде Q = ΔU + A

4. Выразите из первого закона термодинамики ΔU

5. Запишите формулу для расчета работы газа для изобарного расширения

6. Для расчета рΔV примените уравнение Клапейрона - Менделеева

7. Рассчитайте А и ΔU

Дано: Решение:

A, ΔU - ?

Ответ:

4в. «Подумай» (самостоятельное решение задачи)

Золотое правило:

К соседу в тетрадку заглянешь, ошибку к себе перетянешь.

1,0 моль одноатомного идеального газа расширяется без теплообмена с окружающей средой. Работа, совершенная газом равна 62 Дж. Насколько уменьшилась температура газа при таком процессе?

Дано: Решение:

ν = 1,0 моль Рассматриваемый процесс является адиабатным,

А = 62 Дж т.к. расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой.

Работа газа совершается за счет уменьшения внутренней энергии

ΔТ - ? А = - ΔU

ΔU = , значит А = -

ΔТ = = - = -5,0К

Обратить внимание на то, что знак минус указывает на уменьшение температуры газа

4. Тестовое задание

Учитель: переходим к последней части нашего урока. На рабочих листах есть тест. Выполните его.

1. Какая из формул выражает первый закон термодинамики

А. Q = DU - А^/

Б. Q = А ^/- DU

В. DU = Q - А

Г. DU = А^/+ Q

2. Идеальный газ получил количество теплоты, равное 500 Дж, и совершил работу, равную 200 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А. увеличилась на 700 Дж
Б. увеличилась на 300 Дж
В. уменьшилась на 300 Дж
Г. уменьшилась на 700 Дж

3. Идеальный газ совершил работу, равную 150 Дж, и отдал количество теплоты, равное 350 Дж. Как при этом изменилась внутренняя энергия?

А. увеличилась на 500 Дж

Б. увеличилась на 200 Дж

В. уменьшилась на 500 Дж

Г. уменьшилась на 200 Дж

4. Идеальный газ совершил работу, равную 400 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 400 Дж. Каково значение количества в этом процессе?

А. отдал 800 Дж

Б. отдал 400 Дж

В. получил 400 Дж

Г. не отдавал и не получал теплоты.

5. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p - V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе?

А. Газ совершил работу 200 Дж.

Б. Внешние силы совершили работу над газом 200 Дж.

В. Газ совершил работу 400 Дж.

Г. Внешние силы совершили работу над газом 400 Дж.

По окончании работы ученики проверяют свою работу, оценивают себя. (Ответы появляются на экране) слайд 17

1. Г

2. Б

3. В

4. Г

5. Б

Каждый ученик за урок выставляет себе отметку за урок, пользуясь таблицей, приведенной на рабочих листах.

6. Подведение итогов урока. Рефлексия

«Чтоб мудро жизнь прожить, знать надобно немало»

Омар Хайям

§ 11

Сообщения:

1. Из истории развития паровых машин.

2. Применение тепловых двигателей.

3. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Итак, наш урок подходит к завершению. Вы сегодня неплохо поработали. Решали самостоятельно поставленные перед вами проблемы. Делали правильные выводы.

Решать загадки можно вечно.

Вселенная ведь бесконечна.

Спасибо всем нам за урок,

А главное, чтоб был он впрок!

Рефлексия. На большом листе бумаги рисуются облака: облако Радости, облако Грусти, облако Тревоги, облако Просветления, облако Воодушевления, облако Удовольствия, облако Наслаждения и др.

Лист вывешивается на доске (стене) и ученики выходят и крепят своё облачко в соответствующем районе листа, который отражает душевное, эмоционально-чувственное состояние после урока.

Рабочий лист

Фамилия, имя ____________________________

1. Физический диктант «Физические величины и единицы их измерения»

Напишите в левом столбце буквенные обозначения, а в правом - единицы измерения данных физических величин.

____количество теплоты___

___внутренняя энергия ___

___работа___

___объем___

___давление___

___масса вещества___

__молярная масса___

___количество вещества___

___абсолютная температура___

___приращение внутренней энергии___

2. Кроссворд

1. Физическая величина - функция температуры.

2. Физическая величина - мера изменения внутренней энергии.

3. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде

Q = U + A', U = Q + A.

4. Ещё одна физическая величина - мера изменения внутренней энергии.

5. Газы, внутренняя энергия которых зависит только от температуры.

6. Физическая величина, пропорциональная внутренней энергии идеального газа.

7. Единица внутренней энергии, количества теплоты и работы.

8. Газы, изменение внутренней энергии которых зависит не только от температуры, но и от объёма.

9. Процесс, происходящий при изоляции системы от окружающей среды.

10. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде Q = A'.

11. Раздел физики, изучающий тепловые процессы без учёта молекулярного строения вещества.

12. Изопроцесс в идеальном газе, который описывается I законом термодинамики в виде U = Q.

13. Параметры, описывающие тепловые явления в термодинамике.

Повторение формул, изученных по теме.

1. Запишите формулу 1 закона термодинамики

2. Запишите формулу расчета изменения внутренней энергии для одноатомного газа

3. Запишите формулу работы внешних сил при сжатии

4. Запишите соотношение между работой внешних сил и работой газа

5. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изобарного процесса

6. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изохорного процесса

7. Запишите формулу 1 закона термодинамики для изотермического процесса

8. Запишите формулу 1 закона термодинамики для адиабатного процесса

2. Решение задач

Задача 1. Для изобарного нагревания 800 моль газа на 500 К газу сообщили количество теплоты 9,4МДж. Определите работу газа и изменение его внутренней энергии. (работа в парах)

Порядок действий:

1. Внимательно прочитайте задачу.

2. Запишите кратко условие задачи, определите, что необходимо найти

Дано: СИ Решение:

3. Запишите первый закон термодинамики в виде Q = ΔU + A

4. Выразите из первого закона термодинамики ΔU

5. Запишите формулу для расчета работы газа для изобарного расширения А = рΔV

6. Для расчета рΔV примените уравнение Клапейрона - Менделеева рΔV

7. Рассчитайте А и ΔU

Самостоятельное решение задачи

Золотое правило:

К соседу в тетрадку заглянешь, ошибку к себе перетянешь.

Задача 2. 1,0 моль одноатомного идеального газа расширяется без теплообмена с окружающей средой. Работа, совершенная газом равна 62 Дж. На сколько уменьшилась температура газа при таком процессе?

3. Тестовое задание

1. Какая из формул выражает первый закон термодинамики

А. Q = DU - А^/

Б. Q = А ^/- DU

В. DU = Q - А

Г. DU = А^/+ Q

2. Идеальный газ получил количество теплоты, равное 500 Дж, и совершил работу, равную 200 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А. увеличилась на 700 Дж
Б. увеличилась на 300 Дж
В. уменьшилась на 300 Дж
Г. уменьшилась на 700 Дж

3. Идеальный газ совершил работу, равную 150 Дж, и отдал количество теплоты, равное 350 Дж. Как при этом изменилась внутренняя энергия?

А. увеличилась на 500 Дж

Б. увеличилась на 200 Дж

В. уменьшилась на 500 Дж

Г. уменьшилась на 200 Дж

4. Идеальный газ совершил работу, равную 400 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 400 Дж. Каково значение количества в этом процессе?

А. отдал 800 Дж

Б. отдал 400 Дж

В. получил 400 Дж

Г. не отдавал и не получал теплоты.

5. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p - V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе?

А. газ совершил работу 200 Дж.

Б. внешние силы совершили работу над газом 200 Дж.

В. газ совершил работу 400 Дж.

Г. внешние силы совершили работу над газом 400 Дж.

Физический

диктант

Кроссворд

Формулы

Объяснение

результатов опытов

Решение

задач

Тестовое

задание

Набранное количество баллов

Отметка за урок

1

2

1

2

3

4

5

6

Таблица результатов работы

Набранное количество баллов

Отметка

0

0

1

1

2

2

3 - 5

3

6 - 8

4

9 - 11

5

12 - 14

6

15 - 18

7

19 - 21

8

22 - 24

9

25 и более

10

13