Урок по физике в 10 классе. Тема урока "Уравнение состояния идеального газа"
методическая разработка (физика, 10 класс) по теме

Власова Надежда Ивановна

учитель физики

 МКОУ Петропавловская СОШ

Тема урока

«Уравнение состояния идеального газа»

Тип урока: комбинированный.

     Дидактическая цель: создать условия для восприятия, осмысления и первичного закрепления новой учебной информации об идеальном газе.

     Задачи урока:

1. Образовательные: установление вида связи между макроскопическими параметрами состояния вещества и знакомство со следствиями, вытекающими из уравнения состояния идеального газа; формирование умений применять полученные знания при решении задач.
2. Воспитательные: создание условий для самостоятельного поиска решений проблемных ситуаций и проявления инициативы; формирование познавательного интереса к изучаемому материалу; формирование стремления к глубокому усвоению теоретических знаний через решение задач, воспитание чувства патриотизма и гордости за свою Родину.
3. Развивающие: развитие мышления и мировоззрения обучающихся через использование метода научного познания; осуществление межпредметных связей с математикой при выводе уравнения Менделеева - Клапейрона, развитие навыков самообразования.

     Раздаточный материал: карточка для индивидуальной работы; домино для закрепления материала, папка «Учись учиться».

     ТСО: компьютер, мультимедийный проектор, презентация к уроку, выполненная в программе Power Point.

Ход урока

I. Проверка знаний.

1.Организационный момент: приветствие, готовность к уроку.

2.Актуализация опорных знаний; мотивация учебной деятельности.

        1.(Сообщение ученика)

Теплый воздух, водород и гелий применяют в летательных аппаратах: аэростатах, стратостатах, воздушных шарах и дирижаблях. Воздушные шары чаще используют в спортивных и научно-познавательных целях. Стратостаты предназначены для исследования верхних слоев атмосферы. Они находят применение в метеорологии, для запуска автоматических метеостанций. Управляемые аэростаты называют дирижаблями. Основные задачи, которые возлагаются на дирижабли сегодня,- перевозка грузов, укладка нефтегазовых труб, установка опорных линий электропередач, работа в труднодоступных районах, где нет дорог. В последнее время летательные аппараты используют еще и  в рекламных целях.

      2. (Дополнение учителя). (Слайд 1-7)

На слайде летательные аппараты.

Вы видите один из первых жестких дирижаблей «Цеппелин» -дирижабль 1890 года. Сейчас в летательных аппаратах используют в основном гелий, так как пожароопасность водородных летательных аппаратов резко ограничивает его применение как наполнителя.

     Не всегда полеты названных аппаратов заканчивались благополучно. 30 января 1934 года в небо поднялся аэростат «Осоавиахим – 1». Он достиг рекордной высоты на тот момент – 22 км, но из-за плохой погоды обледенел и рухнул вниз. Погибли Андрей Васенко – конструктор, Илья Усыскин – физик и пилот Павел Федосеенко, наш земляк, уроженец г. Острогожска. Одна из улиц города носит его имя.

Тема сегодняшнего урока:                                     

(Слайд 8).

«Уравнение состояния идеального газа».

 (Слайд 9)

Цели:     

1. Познакомиться с уравнением состояния идеального газа;
2. записать это уравнение в классическом виде;
3. сформулировать следствия, вытекающие из уравнения состояния        идеального газа;
4. научиться использовать полученные уравнения при решении задач.

     А чтобы достичь этих целей, повторим ранее изученный материал об идеальном газе.

1). Решить задачу по карточке (индивидуальная работа у доски).

      Задача. Определить температуру, при которой тепловая скорость   движения молекул  водорода равна 2 км / с.

            Дополнительный вопрос: «Какие микроскопические параметры характеризуют газ?»

1. Это масса молекулы, ее скорость, импульс и кинетическая энергия поступательного движения частицы.

 Так как нам предстоит получить уравнение состояния идеального газа, давайте вспомним, что такое «идеальный газ». Это идеализированная модель, согласно которой считают, что: …

 Перед вами слайд, на котором записаны 9 постулатов МКТ.

 Все ли они верны для идеального газа? (Не верны 3, 6, 9)

Итак, верно ли, что …                          

 (Слайд 10)

Модель «Идеальный газ»

1. В любом макроскопическом объеме газа число молекул очень велико.
2. Размеры молекул пренебрежительно малы по сравнению с расстояниями между ними.
3. Между молекулами существуют силы взаимодействия- силы притяжения и силы отталкивания.  
4. Все соударения молекул являются абсолютно упругими.
5. Молекулы взаимодействуют друг с другом или со стенкой сосуда только в момент соударения.
6. Значительная средняя потенциальная энергия взаимодействия препятствует изменению среднего расстояния между ними.
7. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
8. К движению отдельной молекулы применимы законы механики Ньютона.
9. Частицы колеблются около положений равновесия, взаимодействуя с ближайшими соседями.

2. Проверка знаний ранее изученных формул.

     Учащимся демонстрируется слайд, на котором написаны формулы, но вместо некоторых величин стоит знак ?.  Заменить знак ? недостающими буквами.

Слайд 11                                   

Учащиеся дописывают формулы.

 Демонстрируется слайд  с правильно записанными формулами.

(Слайд 12)

Формулы.

1.Зависимость внутренней энергии идеального газа от температуры.

2.Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной частицы.

3.Средняя кинетическая энергия молекул с массой m0.

4.Тепловая скорость движения молекулы.

5.Число частиц в газе.

.Ученики проверяют правильность написанного по слайду и  называют, что можно определить по той или иной формуле.

Проверка решения задачи, выполненной индивидуально у доски.

Дано:                                      Решение.

Н2                                                    υТ=√3kT/m0        

υT=2.103 м/с                    υТ2=3kТ/m0

M=2.10-3 кг/моль            υТ2.m0=3kT

                                         T=m0υT2/3k

                                          m0=M/NA

t - ?                                     T=MυT2/3kNA

                                        T=322 K

                                      Ответ: t = 49 0С

II Содержание нового материала.

             Итак, газ характеризуют его микроскопические параметры. Это индивидуальные характеристики молекул: масса молекулы, ее скорость, импульс и кинетическая энергия поступательного движения; концентрация молекул.

            Макроскопические параметры газа – величины, характеризующие газ, как физическое тело: температура, объем, давление газа.

             Одна из важнейших задач МКТ – установление связи между макроскопическими и микроскопическими параметрами газа.

А мы сегодня получим связь между макроскопическими параметрами.

Слайд 13

Уравнение состояния вещества

     Уравнение, выражающее связь между макроскопическими параметрами состояния вещества (р, V и Т), называется уравнением состояния этого вещества.

     В общем случае эта задача является очень сложной и до сих пор не решена. И только для идеального газа получено решение этой задачи.

Слайд 14

Уравнение состояния идеального газа

     Получим это уравнение в классическом виде. Для этого параметры p, V и Т поместим в левую часть уравнения, а остальные величины – в правую. Один ученик преобразует уравнение у доски, остальные на месте.

1.Умножив обе части уравнения на V, получим:  

2.Обе части уравнения разделим на Т:    -это соотношение в 1834 г. было получено французским физиком Бенуа Клапейроном. Но оно неудобно к применению, так как в него входит неизмеряемое на опыте число молекул N.

3. Вместо N в полученное выражение подставим:    N =.

4.Уравнение теперь имеет вид:      (Слайд 14)

5.Найдем произведение NA  и  k:

                                       NA. k = 6,02.1023 моль-1 . 1,38.10-23Дж/К= 8,31  Дж/ (моль. К)

     Мы получили универсальную газовую постоянную R.

(Слайд 15)

Универсальная газовая постоянная R

NA.k = R

R = 8,31 Дж/(моль.К)

Итак, после преобразований уравнение имеет вид:

Слайд 16

                      - уравнение Менделеева-Клапейрона

     В таком виде уравнение состояния идеального газа представил Дмитрий Иванович Менделеев в 1874 году, обобщив результаты Б.П. Клапейрона.

Слайд 17

 Дмитрий Иванович Менделеев – великий химик, физик, педагог. (1834 – 1907)

Этот портрет (на слайде) написал наш земляк  И.Н.  Крамской.

Интересно знать, что наполненный водородом шар одним из первых использовал для научных целей Д.И. Менделеев. В 1887 году он поднялся на воздушном шаре для наблюдения солнечного затмения.

Уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо для идеального газа любого химического состава. Единственной величиной, определяющей специфику газа, является молярная масса.        Из уравнения состояния идеального газа вытекает ряд важных следствий:

Слайд 18

Закон Авогадро.    1811 г.

 При одинаковых температурах  и давлениях в равных объемах любых идеальных газов содержится одинаковое число молекул.        

Доказательство.

  Закон Авогадро впервые был сформулирован в 1811 году итальянским ученым Амедео Авогадро. Долгое время это утверждение не было законом, А всего лишь гипотезой, в которую мало кто верил. И только по истечении 50 лет его гипотеза стала законом благодаря ученому Клаузиусу, который вернул имя забытого Авогадро в науку.

Слайд 19

Закон Дальтона        1801 г.

.        Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно

сумме парциальных давлений этих газов.

p =  p1+…+pn

           Парциальным называют давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.

Английский школьный учитель Джон Дальтон, ставший замечательным физиком и химиком, членом Лондонского королевского общества, образование получил самостоятельно. А в 1801 году открыл закон парциальных давлений, носящий его имя.

.

Слайд 20 

Объединенный газовый закон.   1824  г.

Отношение произведения давления и объема идеального газа к его абсолютной температуре, есть величина постоянная для данной массы газа.

     Этот закон был впервые получен в 1824 году Сади Карно – французским ученым. И этот ученый вначале не был замечен. И только Клапейрон обратил внимание на выводы Карно и представил этот закон в виде:

Слайд 21.

Уравнение Клапейрона    1834 г.                                  

p0,   V0 ,  T0 – параметры начального состояния газа,

                                        p,   V,   T  - параметры конечного состояния газа.

    Итак, мы получили уравнение состояния идеального газа в классическом виде – уравнение Менделеева – Клапейрона и следствия для данной массы данного газа.

     Для чего нужно уравнение состояния? Не только идеальный газ, но и любая реальная система – газ, жидкость или твердое тело – характеризуется своим уравнением состояния. Но только эти уравнения намного сложнее, чем уравнение Менделеева-Клапейрона для идеального газа.    Знать уравнение состояния необходимо при исследовании тепловых явлений. Уравнение состояния позволяет определить одну из величин, характеризующих состояние, например температуру, если известны две другие величины. Это и используют в термометрах.    

     Зная уравнение состояния, можно сказать, как протекают в системе различные процессы при определенных внешних условиях, например, как будет меняться давление газа, если увеличивать его объем при неизменной температуре, и т.д. Речь уже идет о газовых законах, которые активно работают в живой природе, широко применяются в медицине,  газообмен в легких у животных и у человека происходят тоже в соответствии с газовыми законами.

Но об этом поговорим на следующих уроках.  

1. Закрепление

1. А теперь проверим, как усвоили вы новый материал.    

Слайд 22

Дорога к знанию? Ну что ж, ее легко понять.

Ответить можно сразу:

Вы ошибаетесь, и ошибаетесь, и ошибаетесь опять,

Но меньше, меньше, меньше с каждым разом!

   2.  Проверим усвоение изученной темы с использованием дидактической игры «Домино».

Ученикам предлагается комплект физического «домино» по теме урока. Они отыскивают карточку №1 (в данном случае с вопросом «Что называют молярной массой?» и ищут на ее вопрос в общей массе карточек домино карточку с ответом; найдя, приставляют ее к первой карточке. На правой стороне приложенной карточки написан следующий вопрос, к которому учащимся опять нужно найти карточку с ответом, и т. д. Получается следующая «цепочка»:

1. А теперь применим полученные уравнения при решении задач.

Слайд 23.

Обратите внимание:

1. Уравнение Менделеева-Клапейрона связывает между собой 5 физических величин, характеризующих состояние газа, - p, V, T, m, M –   и       позволяет по заданным четырем найти пятую величину.
2. Уравнение Менделеева-Клапейрона и все его следствия с большой точностью можно применить к газам, находящимся в условиях, близких к нормальным       (t = 0 0C, p = 1,013.105 Па), а также к разреженным газам.
3. Если плотность газа велика, а следовательно,  взаимодействием молекул пренебречь нельзя, то модель идеального газа оказывается непригодной.
4. Проверьте, все ли величины выражены в СИ:

      (1 л = 10-3 м3;     1 мм рт. ст. = 133 Па;

      0 0С = 273 К;     нормальное атмосферное давление: 1,013.105 Па).

Учитывая эти советы, решить задачи:

           (Слайд 24)

 Сколько гелия потребуется для наполнения воздушного шара емкостью

500 м3 при нормальном атмосферном давлении и температуре300 К?

(Слайд 25)

Дано:                                                   Решение.

V = 500 м3                                             ,

           p = 1,013.105 Па                                 ,

           Т = 300 К                                             .

          М =   4.10-3  кг/моль                 m = (1,013.105 Па . 500 м3.4.10-3 кг/моль)/

                                                                         /300 К.8,31 Дж/(моль.К) = 81 кг.

                                                                       Ответ: m = 81кг                                                                

       m - ?                                                                                 

(Слайд 26)

Какова плотность сжатого воздуха при 0 0С в камере шины автомобиля «Волга»? Давление 0,17 МПа.

(Слайд 27)

Дано:                                            Решение.

Т=273 К                                      рV/T=mR/M, где m=ρV,

р=0,17.106 Па                             pV/T=ρVR/M (сократим на V),

М=29.10-3 кг/моль                       p/T=ρR/M,

                                                 pM=TρR,

                                                      ρ=pM/TR,

                                         ρ=(0,17.106.29.10-3) / (273.8,31)=2,17 кг/м3

      ρ-?                                                   Ответ: 2,17 кг/м3

IV. Подведение итогов урока.

Сегодня мы с вами познакомились с основным уравнением состояния идеального газа и его следствиями. Но на этом изучение идеального газа не прекращается.

Подведение итогов работы обучающихся на уроке.

(Слайд 28)

V. Домашнее задание.

§ 68. Ответить на вопросы § 68

                                                             Упр. 13 (5,6).