Методика обучения решению задач по разделу «Газовые законы» в условиях профессиональных колледжей

МЕТОДИКА ОБУЧЕННИЯ РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПО РАЗДЕЛУ «ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ»

В связи с повышением научно- теоретического уровня раздела физики, такого как «Газовые законы», в профессиональной школе все больше внимания уделяется решению задач этого раздела.
Образовательное, политехническое и воспитательное значение задач раздела в профессиональной школе трудно переоценить. Без них такой раздел физики как «Газовые законы» не может быть усвоен. В большинстве школ решению физических задач уделяется значительное внимание. Тем не менее, многие учащиеся постоянно испытывают затруднение в решении задач, что наглядно обнаруживается на экзаменах в профессиональной школе и на вступительных экзаменах в вузах. Это, на мой взгляд, объясняется не только сложностью данного вида занятий для учащихся, но и недостатками в подборе и методике решения задач по профессиональному курсу физики.
Сознавая важность задач для изучения раздела, мной была, сделала попытка подобрать типовые задачи разных видов с учетом специфики учебной программы профессиональной школы.
Физической задачей в учебой практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе газовых законов и методов физики. По существу на занятиях по физике в профессиональной школе каждый вопрос, возникший в связи с изучением нового материала, является для учащихся задачей.
С сущностью физических явлений учащихся знакомят различными методами: демонстрации опытов, постановки лабораторных работ, проведения экскурсий, путем рассказа и т.д. При этом активность учащихся, а, следовательно, глубина и прочность их знаний. Опираясь на имеющиеся у учащихся знаний, в процессе решения задач можно подвергнуть анализу изучаемые физические явления и величины.
Задачи по разделу «Газовые законы» классифицируются по многим признакам: по содержанию, назначению, глубине исследования вопроса, способом решения, способам задания условия, степени трудности и т.д.
Задачи, содержащие материал о технике, промышленности, сельскохозяйственном производстве, транспорте, связи, называют задачами с политехническим содержанием. Эти задачи составляют значительную часть раздела и удовлетворяют следующим основным требованиям:
Содержание задач должно быть тесно связано с изучаемым материалом.
Рассматриваемый технический объект или явление должны иметь широкое применение сельском хозяйстве
В задачах должны быть использованы реальные данные о машинах, процессах и т.д, поставлены такие вопросы, которые действительно встречаются на практике.
Технические задачи по содержании, по форме должны быть как можно ближе подходить к условиям, встречающимся в жизни, необходимые данные для которых приходилось бы находить по схемам, чертежам , брать из справочной литературы или из опыта.
Физические задачи по разделу «Газовые законы» классифицируются также по степени сложности. Задачи, не сложные по содержанию, требующие, например, истолкования смысла формул, подбора системы единиц, нахождения по готовой формуле тех или иных величин и т.п, решают, как правило, в процессе изучения темы. Более сложные задачи содержат уже проблемную ситуацию и элемент новизны. Таким задачам уделяют главное внимание на занятиях, в том числе отводят отдельные уроки по решению задач.
В зависимости от характера и методов исследования вопросов различают качественные и количественные задачи. Качественными называют задачи, при решении которых устанавливают только качественную зависимость между физическими величинами. Еще это вид задач называют задачи-вопросы, логические задачи, качественные вопросы и др.
Количественными называю задачи, при решении которых устанавливают количественную зависимость между искомыми величинами и ответ получают в
виде формулы или определенного числа. При решении таких задач необходимы вычисления. Окончательный ответ на вопрос задачи не может быть дан без количественного расчета.
По способу решения различают устные, экспериментальные, вычислительные и графические задачи раздела «Газовые законы». Деление это условно в том отношении, что при решении большинства задач применяются несколько способов. Например, при решении экспериментальной задачи необходимы устные рассуждения, а также во многих случаях вычисления и работа с графиками.
Решение задач по разделу «Газовые законы» как мыслительный процесс-это процесс анализа и синтеза. По данной теме сначала решают задачи на частные случаи уравнения состояния идеального газа: законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Дальтона, Шарля. При этом необходимо, вспомнить полученные знания о газах в средней школе, максимальной мере использовать физический эксперимент и графики. Без этого, как показывает опыт, знания учащихся могут оказаться формальными, несмотря на кажущиеся прочные усвоение соответствующих формул.
При решении задач на законы Гей-Люссака и Шарля следует обратить внимание на введение понятия об абсолютной температуре, записи законов. При решении многий задач для одной и той же массы, но для двух различных состояний удобно записать в виде 13 EMBED Equation.3 1415(объединенный газовый закон). Рассмотрим примеры решения задач по разделу








Задача определение температуры идеального газа

Определить температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекулы равна 7,87
· 10-21 Дж.

Дано: Решение:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 где k постоянная Больцмана
T ? отсюда следует:13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

Задача на определение средней скорости молекул
Определить среднюю квадратичную скорость молекул водорода при температуру при 300К? Дано:
T = 300 K
М = 2
· 10-3 кг / моль
R = 8,31 Дж / (моль
· К)

13 EMBED Equation.3 1415 ?



Решение:
Так как 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415
То m0
·13 EMBED Equation.3 1415 = 3 kT
Но m0 = 13 EMBED Equation.3 1415, тогда 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 , так как k NA =R
окончательно имеем: 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415






Задачи на уравнение Клапейрона-Менделеева
Определить температуру аммиака NH3,находящегося под давлением 2,1
·105 Па, если объём его 0,02 м3, а масса 0,03 кг.


Дано:
P=2,1
·105 Па
М=17
·10-3 кг/моль
V=0,02 м3
m=0,03 кг
R=8,31 Дж/(моль
·К)
Т-?


Из уравнения Клапейрона-Менделеева
находим
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Определить массу оксида азота NO3 в баллоне, объём которого 6
·10-2 м3 при температуре 7 0 С и давлении 1,2
· 105 Па.
Дано:
V = 6
·10-2 м3
Т = 280 К
p = 1,2
·105 Па
М = 46
·10-3 кг/(моль
·К)
R = 8,31 Дж/(моль
·К)
m ?
Решение:
Из уравнения Клапейрона-Менделеева
находим m=13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

Задача № 7

При температуре 320К средняя квадратичная скорость молекул
кислорода 500 м/с. Определить массу молекулы кислорода не пользуясь

Периодической системой элементов Д.И. Менделеева.



Дано:
Т = 320 К
13 EMBED Equation.3 1415
k = 1,38
· 10 –32 Дж

m0 ?





Решение:
Кинетическая энергия одной молекулы
кислорода
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415


Задача на определение давления из уравнения Клайперона -Менделеева
Под каким давлением находится кислород в баллоне, если при
температуре 270 С его плотность 6,24 кг/м3 ?

 Дано:
М = 32
· 10-3 кг/моль
Т = 300 К
13 EMBED Equation.3 1415
R = 8,31 Дж / (моль
· К)

p ?



Решение:
Преобразуем уравнение
Клайперона -Менделеева к виду
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

= 4,86
· 105 Н/м2 = 4,9
· 10 5 Па.

Задача на закон сохранения энергии
Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно. За один цикл рабочее тело машины получило от нагревателя 1200Дж теплоты, совершило механическую работу, равную 500 Дж, и отдало холодильнику 800 Дж теплоты. Может ли реально существовать такая машина? Если нет, то указать, какая физическая ошибка допущена в условии задачи.

Дано
Q1 = 1200Дж
А = 500 Дж
Q2 = 800 Дж
Может ли существовать такая машина ?


По закону сохранения и превращения энергии должно соблюдаться следующее равенство:
А = Q1 – Q2 500 Дж
· 1200 Дж - 800 Дж



 Такая тепловая машина не может существовать, так как по данным условия задачи не соблюдается закон сохранения и превращения энергии.

Задача с производственным содержанием на определения конечного давления в конце сжатия
Определить давление газа в конце сжатия, если начальная температура
Т0 = 310 К, а конечная Т1 = 900 К; начальное давление р0 = 0,9
· 105 Па; степень сжатия (отношение объёмов 13 EMBED Equation.3 1415) равна 15.
Дано
Т0 = 310 К
Т1 = 900 К
р0 = 0,9
· 105 Па
13 EMBED Equation.3 1415= 15
р1-?
Для определения давления в конце такта сжатия воспользуемся уравнением газового состояния
13 EMBED Equation.3 1415, откуда 13 EMBED Equation.3 1415
Подставляя данные, получим

13 EMBED Equation.3 141539
·105Па=3,9Мпа
Сравнивая результат с данными учебника по тракторам (р1= 3,5ч4,0 МПа), видим их соответствие
Задача на определения давления в конце такта сжатия
Определить давление газа в конце сжатия, если начальная температура Т0=310 К, а конечная Т1=900 К ; начальное давление р0=0,9*105 Па ; степень (отношение объемов V0/V1) сжатия равна 15
Дано:
р0=0,9*105 Па
Т0=310 К
Т1=900 К
Найти Р1-?
Решение:
Для определения давления в конце сжатия воспользуемся уравнением газового состояния13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Р1V1/Т1= Р0V0/То откуда Р1=Р0V0T1/V1T0= 15Р0V1T1/V1T1
Подставляя данные, получим 13 EMBED Equation.3 1415
Сравнивая результаты с данными учебника по тракторам (р1=3,5ч4,0 МПа) видим соответствие
Ответ: Давление газа в конце сжатия 3,9 МПа
Задача на сравнений полученного результата при решении задачи и данными с данными учебника по тракторам
Проверить данные учебника, в котором указывается, что во время сгорания топлива в дизельном двигателе температура достигает 1800-20000С, а давление возрастает до 6,0-9,0 МПа. Начальное давление, т.е. давление в конце сжатия, составляет 3,5ч4,0 МПа, а начальная температура 873-923 К.
Дано:
р0=37,5*105 Па
Т0=900 К

Найти Т-?
Решение:
Пользуясь законом Шарля и взяв среднее значение величин т.е. 13 EMBED Equation.3 1415 ,Т0=900К, находим один из параметров например Т
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: во время сгорания топлива в дизельном двигателе температура достигает 1800К

Задача на сравнений полученного результата при решении задачи и данными с данными справочника по тракторам
В дизельных двигателях в начальный момент сжатия р0=0,9 МПа, Т0=310 К.В конце сжатия р=3,5 МПа, Т=900К. Определить степень сжатия. Полученный результат сравнить с данными справочника.

Дано:
р0=0,9 Мпа
Т0=310 К
Т1=900 К
Найти
·-?
Решение:
Воспользуемся уравнением Клапейрона




Ответ: степень сжатия
·=13,4
Считая среднее давление в цилиндре двигателя равным полусумме начального и конечного давлений горючей смеси в цилиндре двигателя ЗМЗ-66 за такт сжатия, определить работу по сжатию, если в начале этого такта давление горючей смеси р1=9,8*104 Па, Т1=300К. В конце такта сжатия Т2=573К. Изменение объема13 EMBED Equation.3 1415 степень сжатия
·=6,7
Дано:
р1=9,8*104 Па
Т1=300 К
Т2=573 К
13 EMBED Equation.3 1415

·=6,7
Найти А-?
Решение:
13 EMBED Equation.3 1415. Из уравнения Клапейрона 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

Задача на КПД и эффективность мощности
Показать как, влияет на величину эффективности мощности и КПД двигателя степень сжатия рабочей смеси (воздуха) в цилиндрах.
Решение:
При увеличение степени сжатия возрастает 13 EMBED Equation.3 1415, а значит, и работа совершаемая рабочим телом, за один рабочий ход 13 EMBED Equation.3 1415.Следовательно, растет мощность и КПД двигателя.
Задача № 18
В учебных пособиях по тракторам указывается, что при одинаковых объемах цилиндров мощность карбюраторных двигателей больше мощности дизельных двигателей, хотя КПД у дизельных двигателей на 30-35% больше, чем у карбюраторных. Нет ли здесь противоречия?
Решение:
Противоречия никакого нет. В карбюраторных двигателях используется топливо с большой теплотой сгорания, чем в дизельных, примерно на 10%. Частота вращения коленчатого вала карбюраторных двигателях приблизительно в 1,5 раз больше чем у дизельных, что предполагает соответственно увеличение расхода топлива, а следовательно, и мощности.

Вопрос: Каково назначение нагревателя в тепловом двигателе?

Решение:
Тепловой двигатель совершает механическую работу за счет внутренней энергии в процессе перехода теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому телу (холодильнику). Если тепловая машина работает по замкнутому циклу, то рабочее тело в каждый цикл должно пополнять свою внутреннюю энергию за счет теплоты получаемой от нагревателя. Если двигатель совершает неизменный по времени процесс, как, например, при непрерывном вращении паровой турбины или при непрерывном истечении продуктов горения в ракете, то рабочее тело должно непрерывно получать теплоту от нагревателя. Таким образом, назначение нагревателя в тепловых двигателях состоит в том, что чтобы периодически или непрерывно пополнять внутреннюю энергию рабочего тела. Без пополнения расходуемой внутренней энергии рабочего тела двигатель не может работать.
Задача № 20
Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает от нагревателя за каждый цикл 2500Дж теплоты. Температура нагревателя 400К, холодильника 300К. Определить работу, совершаемую машиной за один цикл, и количество теплоты, отдаваемой холодильнику.
Дано:
Т1=400К
Т2=300К
Q1=2500Дж
Найти А-? Q2-?
Решение:
Так как тепловая машина работает по циклу Карно, то справедливо равенство
13 EMBED Equation.3 1415 тогда 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
На основании закона сохранения и превращения энергии
13 EMBED Equation.3 1415
А=2500Дж-1875Дж=625Дж
Ответ: работа совершаемая машиной за один цикл ровна А=625Дж, количество теплоты отдаваемое холодильнику Q2=1875 Дж
Задача № 21
Как измениться внутренняя энергия 240 г кислорода О2 при охлаждении его на 100К?


Дано: Решение:
m=0,24кг 13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415К 13 EMBED Equation.3 1415
М=32*10-3кг/моль
R=8,31Дж/(моль*К)

Найти 13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: внутренняя энергия газа уменьшится на 15,58 кДж
















13PAGE 15


13PAGE 14215



13PAGE 144015



13PAGE 144015



13PAGE 144015



42



42





13PAGE 14215



4213PAGE 144315
42

4213PAGE 144315
42

13PAGE 145015




13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeTEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native