Урок по физике для 10 класса по теме «Внутренняя энергия и способы её изменения. Первый закон термодинамики»

35 по физике. 10 класс.
"Внутренняя энергия и способы её изменения.
Первый закон термодинамики".
Цели урока: вывод формулы внутренней энергии идеального газа. Сформулировать I закон термодинамики.
Задачи урока:
Образовательная:
актуализировать знания учащихся по изучаемой теме; добиться усвоения учащимися понятия внутренней энергии идеального газа; закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов – первого закона термодинамики; показать практическую значимость закона;
Развивающая:
способствовать развитию умения сопоставлять факты; логично и сжато строить свой ответ; систематизировать учебный материал;
Воспитательная:
показать всеобщность этого закона, используя меж предметные связи курсов физики, биологии, технологии и познаваемость мира; формировать целостное восприятие мира; создать условия для создания положительной мотивации учебной деятельности;
Оборудование:
Компьютерная презентация; проектор.
Спица, пробка.
Пробирка с водой, обёрнутая бумагой, термометр.
Пробирка с водой, закрытая пробкой, газовая горелка, спички.
Оценочные листы, тесты.
Эпиграф. «Истина это то, что выдерживает проверку опытом».
А. Эйнштейн
Ход урока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (слайд 1)
Организационный момент. Приветствие. Деление учащихся на три группы. Члены групп выбирают своего спикера. Объяснение работы учащихся на уроке.
Проверка знаний: решение задач в группах, по одной задаче; объяснение решения.
3. Актуализация знаний учащихся.
Учитель появляется в шубе и жалуется на жару в классе. Ученики советуют снять верхнюю одежду.
Стук в дверь. Приходит почтальон с телеграммой:
“г. Абай, школа №1, класс 10 “а”.
“Спасите меня, погибаю от холода. Бурый медведь”
Ученики предлагают способы спасения медведя.
Звонит мобильный телефон. Пришло SМS - сообщение:
“Температура в аквариуме поднялась. Что делать? Рыбки”
Ученики разъясняют, что делать рыбкам для нормальной жизнедеятельности.
Учитель: Вы молодцы, не зная 1 закона термодинамики, используете его для объяснения явлений.
Что такое термодинамика? Назовите основные термодинамические параметры.
Вспомним - что понимают под внутренней энергией?
Вспомним – какими способами можно изменить внутреннюю энергию?
подводя количество теплоты (пример)
совершают работу над телом (пример)
Каждая группа демонстрирует свой опыт. Даёт объяснение наблюдаемого явления: натирание спицы, нанизанной на неё пробкой. В результате чего спица нагревается; нагревание воды в пробирке на спиртовке, после чего выскакивает пробка из неё; натирание пробирки с водой бумагой, в результате поднимается температура воды.
Наблюдение опытов по изменению внутренней энергии: нагревание монеты, после трения её о деревянный брусок, охлаждение воздуха после совершения им работы, используя слайды из виртуального урока Кирилла и Мифодия.
Ответьте на вопросы:
Каковы свойства молекул идеального газа?
Что называется постоянной Больцмана, и в каких единицах она измеряется?
От чего зависит средняя кинетическая энергия молекул идеального газа?
Как изменяется температура тела, если оно отдаёт энергии больше, чем получает извне?
Сколько направлений движения атома, возможно?
Откройте тетради, запишите тему урока.
Цели и план урока сообщается ученикам (слайд 2).
Предмет изучения термодинамики.
Формула внутренней энергии идеального газа – одноатомного и многоатомного.
Связь, между какими величинами выражает данный закон?
Формулировка закона и математическая запись закона.
Когда и кто впервые сформулировал данный закон?
Опыты, подтверждающие справедливость закона.
Учёт и использование закона на практике.
Границы применимости закона
Конспект будет проверяться выборочно у учащихся по окончании урока
Мы ежедневно встречаемся с явлениями, проводим элементарные физические опыты, не задумываясь об их объяснении.
Использование презентации(следующие слайды).
III. Объяснение нового материала. Термодинамика – это наука о тепловых явлениях. В противоположность молекулярно-кинетической теории, которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из наиболее общих закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно-кинетические модели для иллюстрации своих выводов.
Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах прекратились все наблюдаемые макроскопические процессы. Важным свойством термодинамической равновесной системы является выравнивание температуры всех ее частей.
Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема (закон Джоуля). Молекулярно-кинетическая теория приводит к следующему выражению для внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только поступательное движение:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна сумме энергий хаотического движения молекул. Тогда имеем:U=NEср Так как Еср=3/2kT и N=vNa. То имеем U= vNa3/2kT, но v=m/M, тогда получим:U=3/2*m/M*kT ,где Na-постоянная Авагадро.Na=6.02*10^23моль^1.Учитывая уравнение состояния газа получим:U=3/2*pV Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит наряду с температурой T также и от объема V:
U = U(T,V).
Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией состояния. Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу.
Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а внутренняя энергия другого – уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Количеством теплоты Q, полученной телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.
Внутренняя энергия – U = (Wk + Wp)*N (см. стр. 146)
Для идеального газа Wp =0 . U=Wk*N где Wk = 3/2*kT*N = 3/2*m/M *RT
Внутренняя энергия прямо пропорциональна Т
Учитель: 1 закон термодинамики рассматривает более сложный случай, когда внутренняя энергия изменяется и за счёт совершения работы, и за счёт теплопередачи. Закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов называется 1 законом термодинамики. (см. стр. 149) или первым началом.
Q=A' +[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]U, А = - A' Q+A = [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]U
I закон (I начало) термодинамики указывает на то, что нельзя создать вечный двигатель первого рода. (см. стр. 149). Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы работать без затрат энергии.
Если Q = 0 , то A = -
· U
Вывод: работа и количество теплоты являются мерой изменения внутренней энергии системы.
У первого закона термодинамики особая история открытия, отличная от открытия других законов. Обычно сначала формулируется закон, а затем создаются технические устройства. В этом случае было наоборот.
На экран проецируется следующие сведения:
1736 год - паровая лодка
1770 год – паровая повозка
1775 год - отказ Парижской Академии наук принимать проекты вечных двигателей
1807 год - пароход Фултона
1824 год – паровоз Стефенсона
1842 год - статья Р. Майера “Замечания о силах неживой природы” Формула закона сложна, будет понятна на простых примерах. Когда человек более у него поднимается температура, и увеличивается внутренняя энергия. Человек принимает лекарства, понижающие температуру, вызывающие потоотделение. Количество теплоты отрицательно, так как тепло отдаётся. Температура снижается до нормальной температуры. И не зря открыл закон врач.
Ученик 1: сообщение о том, как Р. Майер пришёл к открытию закона и к мысли о том, что энергия может превращаться. И солнечная энергия превращается в энергию растений и остального живого.
Учитель: Одновременно с Майером к этому же выводу пришли Д. Джоуль и Г. Гельмгольц
Ученик 2: сообщение об опытах Д. Джоуля по закону сохранения.
Ученик 3: о Г. Гельмгольце, который записал закон в математической форме и доказал невозможность создания вечного двигателя.
IV. Закрепление материала.
Количественные задачи
При передаче газу количества теплоты 17 кДж он совершает работу, равную 50 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа? Охладился газ или нагрелся?
Учащиеся получают дидактический материал по теме урока
Тренировочные задачи. 1 закон термодинамики.
1. Идеальный газ получил количество теплоты, равное 300 Дж, и совершил работу, равную 100 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?
А. увеличилась, на 400 ДжБ. увеличилась, на 200 ДжВ. Уменьшилась, на 400 ДжГ. уменьшилась, на 200 Дж
2. Идеальный газ совершил работу, равную 100 Дж, и отдал количество теплоты, равное 300 Дж. Как при этом изменилась внутренняя энергия?
А. увеличилась, на 400 ДжБ. увеличилась, на 200 ДжВ. Уменьшилась, на 400 ДжГ. уменьшилась, на 200 Дж
3. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 300 Дж. Каково значение количества в этом процессе?
А. отдал 600 ДжБ. отдал 300 ДжВ. получил 300 ДжГ. не отдавал и не получал теплоты.
4. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 300 Дж. Какое количество теплоты получил газ?
А. отдал 600 ДжБ. отдал 300 ДжВ. получил 600 ДжГ. получил 300 Дж
По окончании работы ученики проверяют свою работу, оценивают себя. (Ответы даны на доске):
Б
В
Г
В
Критерий оценивания:
4 задачи –“5”
3 задачи –“4”
2 задачи –“3”
Учитель читает рассказ американского писателя – фантаста Джэкобса “Обезьянья лапа”:
В скромную семью приезжает в гости сержант из Индии. Он показывает хозяевам талисман – высушенную обезьянью лапу, которая может выполнять любые желания его владельцев. Собравшиеся решают испытать талисман. Хозяин просит у обезьяньей лапы 200 фунтов стерлингов.
Раздаётся стук в дверь. Входит служащий той фирмы, где работал сын хозяина. Он сообщил, что в результате несчастного случая сын хозяина погиб. Фирма не считает себя виновной за случившееся, но в порядке компенсации просит принять пособие в размере 200 фунтов стерлингов.
Какое отношение имеет этот рассказ к нашей теме? (учащиеся отвечают)
Учитель: Вы видите, что закон, на основе которого определяется изменение внутренней энергии, – один и тот же для всех явлений природы: физических, химических, биологических и даже общественных. Значит, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, она переходит из одного вида в другой. Ещё древние греки считали: “Из ничего- ничего не бывает”.
Значение этого закона трудно переоценить. На основе его проверяется новая установка или механизм. Если закон в новой теории не выполняется, то новая теория несостоятельна.
Подведение итогов.
Выставление оценок. Проверка оценочных листов учащихся, которые каждая группа заполнила по окончании урока.
Домашнее задание.
§ 5.1 – 5.2 Творческое задание – составить и решить задачу на первый закон термодинамики.
Рисунок 2Заголовок 115