методическая разработка занятия по теме "Первое начало термодинамки. Адиабатный процесс"
методическая разработка по физике (10 класс)

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

Групповые карточки-задания:

Карточка №1.1

Задание: Идеальный газ получил количество теплоты, равное 300 Дж, и совершил работу, равную 100 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

Карточка №2.1

Задание: Идеальный газ совершил работу, равную 100 Дж, и отдал количество теплоты, равное 300 Дж. Как при этом изменилась его внутренняя энергия?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

Карточка №3.1

Задание: Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 300 Дж. Каково значение количества теплоты в этом процессе?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 300 Дж
Г. не отдавал и не получал теплоты.

Карточка №4.1

Задание: Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 300 Дж. Какое количество теплоты получил газ?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 600 Дж
Г. получил 300 Дж

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

Задание №2:

Дана фигура в осях РТ, состоящая из нескольких отрезков. Ваша задача выписать все изотермы, изохоры, изобары:

Задание №2:

Дана фигура в осях РТ, состоящая из нескольких отрезков. Ваша задача выписать все изотермы, изохоры, изобары:

ПРИЛОЖЕНИЕ №3

Карточка №1.3

Задание: Напишите 1 закон термодинамики для процесса:

Карточка №2.3

Задание: Напишите 1 закон термодинамики для процесса:

Карточка №1.3

Задание: Напишите 1 закон термодинамики для процесса:

Карточка №1.3

Задание: Напишите 1 закон термодинамики для процесса:

Министерство образования Красноярского края

краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«НАЗАРОВСКИЙ ЭНЕРГОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ОТКРЫТОГО ЗАНЯТИЯ

Дисциплина: Физика

Тема «Первое начало термодинамики. Адиабатный процесс»

Преподаватель: Михалёва Марина Владимировна,

преподаватель общеобразовательных дисциплин

2019 г.

ВВЕДЕНИЕ

Потребность современной экономики и производства в специалистах среднего звена, способных широко использовать полученные знания, ставит новые задачи перед профессиональным образованием. В Федеральных государственных образовательных стандартах среднего профессионального образования (ФГОС СПО) четко обозначены требования к результатам образовательного процесса, не только предметным, но и метапредметным, и личностным. Задачей профессиональной школы является подготовка конкурентоспособных специалистов, обладающих профессиональной мобильностью, навыками быстрой адаптации к условиям непрерывного обновления производства, методами контроля, взаимозаменяемости, усовершенствования организации труда, а также методами, повышающими качество конечного продукта производства.

Учебный материал по дисциплине «Физика» позволяет студентам в полной мере быть вовлеченными в процесс обучения, развивает самостоятельность, предоставляет возможность применить на практике и творчески использовать полученные знания. Учебные занятия способствуют развитию активности и самостоятельности студента на всех этапах обучения, создают условия для личностной самореализации каждого обучающегося в процессе актуализации ранее изученного материала и освоения новой темы. Студенты принимают учебную задачу, участвуют в выборе средств её решения, осуществляют контроль и самоконтроль, тем самым происходит формирование необходимых компетенций.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

Представленный план-сценарий занятия разработан для студентов специальности 13.02.01 «Тепловые электрические станции».

Образовательное учреждение: КГБПОУ «Назаровский энергостроительный техникум».

Преподаватель: Михалёва Марина Владимировна.

Учебная дисциплина: Физика.

Курс, группа: 1 курс, группа Тт-19.

Тема занятия: Первое начало термодинамики. Адиабатный процесс.

Цель занятия: ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении тепловых процессов, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для решения практических задач.

Задачи занятия:

1. Образовательные: изучить первый закон термодинамики; рассмотреть следствия,  вытекающие из него; ввести понятие адиабатного процесса; показать практическую значимость закона при решении задач.

2. Развивающие: развивать способы мыслительной деятельности (анализ, сравнение, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), способствовать развитию умения сопоставлять факты; логично и сжато строить свой ответ, систематизировать учебный материал; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях, раскрыть взаимосвязь между изученным теоретическим материалом и явлениями в жизни.

3. Воспитательные: воспитывать устойчивый интерес к предмету, положительное отношение к знаниям, умение оценивать, вырабатывать собственную позицию, развивать умение видеть физику вокруг себя, творческий подход к решению задач.

Формируемые общие компетенции:

        ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес;

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество;

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность;

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития;

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий;

Вид занятия: комбинированное занятие.

Тип занятия: изучение нового материала.

Междисциплинарные связи:

• обеспечивающие: учебные дисциплины "Химия", "Математика", "История".
• обеспечиваемые: учебная дисциплина "Теоретические основы теплотехники", МДК.01.01. "Техническое обслуживание котельного оборудования на тепловых электрических станциях", МДК.02.01. "Техническое обслуживание турбинного оборудования на тепловых электрических станциях".

Внутридисциплинарные: молекулярно-кинетическая теория (зависимость свойств веществ от структуры и характера взаимодействия молекул, параметры состояния идеального газа, изопроцессы).

Формы и методы обучения – метод проблемного обучения, исследовательский, словесный, наглядный; групповая работа студентов, решение задач, выполнение творческих  заданий.

Учебное занятие способствует достижению следующих результатов:

личностных:

- физически грамотное поведение в профессиональной деятельности и быту при обращении с тепловыми приборами и устройствами;

• умение использовать полученные знания о тепловых процессах  в выбранной профессиональной деятельности;
• умение работать с конспектом и учебником;
• умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития.

метапредметных:

- применение методов наблюдения, описания и эксперимента для изучения параметров теплового оборудования;

• умение определять средства, необходимые для решения аналитических и графических задач;
• умение составлять уравнения и решать задачи, анализировать полученный результат и изображать зависимости на координатной плоскости;
• умение публично представлять полученные результаты, вести дискуссии;

предметных:

- понимание физической сущности первого закона термодинамики, роли полученных закономерностей  для решения практических задач;

• владение основами термодинамики;
• умение обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между параметрами, объяснять полученные результаты и делать выводы;
• сформированность умения решать аналитические и графические физические задачи;

• сформированность умения применять полученные знания для объяснения физических явлений в природе, профессиональной сфере и для принятия практических решений в повседневной жизни

Общее время занятия: 90 минут.

Оснащение занятия: 

А) Наглядные пособия: электронная презентация.

Б) Раздаточный материал: карточки с вопросами и заданиями.

В) Технические средства обучения: мультимедийный проектор, компьютер с лицензионным программным обеспечением, интерактивная доска.

Г) Учебные места (для практических занятий, лабораторных работ).

Рекомендации к занятию:

В ходе занятия во время изложения нового материала студенты делают записи в тетрадях, составляют таблицу, решают графические и аналитические задачи, приводят собственные примеры.

Теоретическая часть занятия построена на основе слайд-лекции.

Практическая часть занятия построена на основе групповой работы студентов и выполнения коллективных практических заданий.

Литература:

Основная:

1. Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., Академия, 2016.

2. Дмитриева В.Ф. Задачи по физике: учеб.пособие. – М., Академия,  2012.

Дополнительные учебные издания:

1.Кабардин О.Φ., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9–11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М., 2001.

2. Дмитриева Е.И., Иевлева Л.Д., Костюченко Л.С. Физика в примерах и задачах: учебное пособие. – М.,Форум-Инфра, 2011.

ПЛАН УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

Ход учебного занятия:

1. Организационный момент

Здравствуйте, садитесь! Давайте проверим присутствующих. Староста, пожалуйста.

Тема сегодняшнего нашего занятия: «Первое начало термодинамики. Адиабатный процесс». Запишите в тетрадях число и тему занятия.

Сегодня нам необходимо изучить, на мой взгляд, один из  важных законов  в физике  – первое начало термодинамики. Не случайно он имеет такое название.

Цель занятия: ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении тепловых процессов, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для решения практических задач.

Задачи занятия:

- Сформулировать 1 закон термодинамики, рассмотреть следствия,  вытекающие из него;

- Показать практическую значимость закона при решении задач.

Сегодня, ребята, мы попытаемся, используя уже накопленные нами знания, пройти сложный путь первооткрывателей и сформулировать самый важный закон. Вы убедитесь в этом сами. Повторим то, что изучали ранее.

2. Фронтальный опрос

1. Как называется газ, у которого отсутствуют межмолекулярные силы взаимодействия? (Идеальный газ)
2. Сформулируйте определение внутренней энергии вещества (Внутренняя энергия – это сумма кинетической энергии движения всех молекул вещества и потенциальной энергии их взаимодействия:                 )
3. Назовите макроскопические параметры состояния, от которых зависит внутренняя энергия (Объем и температура)
4. Назовите способы изменения внутренней энергии вещества? (совершение работы и теплообмен)
5. Назовите виды теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение)
6. Как называется мера изменения внутренней энергии тела при теплообмене? (Количество теплоты)

3. Изучение нового материала

3.1. Вывод формулы 1 начала термодинамики

На основе полученных физических знаний объясните  способы, которые использовал Вася для согревания ладоней.

Попробуйте записать формулу.

Что изменится в формуле, если бы Вася грел руки только трением?

Что изменится в формуле, если бы Вася грел руки только  о чашку с теплым чаем?

Что произойдет, если аккуратно  зажать в руке кончик термометра?

А если аккуратно потереть кончик термометра листком бумаги?

Объясните наблюдаемое явление. Попробуйте записать формулу изменения внутренней энергии.

Итак, мы с вами повторили путь первооткрывателей, и заново «открыли» 1 начало термодинамики!

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела.

Под запись: Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

∆U=A+Q

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А' системы над внешними телами. Учитывая, что А'=-А, первый закон термодинамики можно записать так:

Q=∆U+A′

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Задание: (студенты отвечают на вопросы устно, решают задачу, один студент решает у доски).

1. Почему при выпуске газа из баллона вентиль покрывается росой или даже инеем?(газ при расширении совершает работу, внутренняя энергия газа уменьшается, газ охлаждается)
2. Почему, помешивая ложечкой горячий чай, мы вызываем его охлаждение?(лучше происходит теплообмен внешних, уже остывших слоев, с внутренними, еще горячими)
3. Мука из-под жерновов выходит горячей. Хлеб из печи вынимают также горячим. Чем вызывается в каждом из этих случаев увеличение внутренней энергии? ( мука нагревается за счет совершения работы внешними силами(трения), хлеб нагревается в результате теплопередачи)
4. Почему мы дрожим от холода?(совершаем механическую работу, чтобы согреться)

Задача: Газ при расширении совершил работу 350 Дж, при этом его внутренняя энергия изменилась на 750 Дж. Найдите количество теплоты, полученное газом.

Дано: А' = 350 Дж; ΔU = 750 Дж;

Найти: Q - ?

Решение: 1 закон термодинамики для нашего условия: Q=∆U+A′

Q = 750 + 350 = 1100 Дж

А теперь поработаем в группах. Каждая группа получает свое задание (Приложение 1), выполняет его, а затем проверяем все вместе на доске. На  выполнение задания 3 минуты. Спасибо, молодцы.

Небольшая историческая справка: В 1798 г. министр внутренних дел Баварии граф Б.Румфорд провёл знаменитый опыт. В те времена пушки изготавливали так: из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его делали позже огромными сверлильными станками, приводившимися в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы. Для проверки гипотезы Румфорда было решено увеличить силу трения. Для этого взяли тупое сверло, а пушечный ствол поместили в бочку с водой. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода закипела!

Спустя полвека, в 1850 году, манчестерский пивовар Д. Джоуль даёт ответы на все вопросы. Джоуль вначале заинтересовался выделением тепла в проводнике, по которому течёт электрический ток (закон Джоуля – Ленца). Это побудило его заняться изучением связи между теплотой и работой, в том числе и механической. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей. Он измерял количество работы, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней мешалкой. Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию. Это измеряли термометром. Сила тяжести, при опускании гири, совершала работу

A = F·S = mg·h.

Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и теплота, полученная жидкостью. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле

Q = c m Δt°

Как ни менялись условия опыта: брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки – результат был один и тот же:

• совершение силой трения 1 Дж механической работы приводит к возникновению теплоты в количестве 1 Дж. 

Этот неоспоримый факт стал экспериментальным подтверждением закона сохранения энергии. На основании множества подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии: Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он всегда выполняется абсолютно точно, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не выполнялся. Этот закон был открыт в середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию Р. Майером (1814—1878), английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821 — 1894). Никто из них не был профессиональным физиком. Майер и Гельмгольц были по образованию врачами, Джоуль был инженером. К открытию они пришли разными путями. Гельмгольц и Майер пришли к выводу о сохранении энергии, рассматривая физиологические процессы.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

3.2. Следствия, вытекающие из 1 закона термодинамики

1. В изолированной системе внутренняя энергия не меняется.

2. Невозможность создания вечного двигателя.

Если   ΔU = 0, то согласно первому началу термодинамики A = Q , т.е. нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы бóльшую  работу, чем количество сообщенной ему извне энергии. Если к системе не поступает теплота, то: 

Иными словами, работа совершается системой за счет уменьшения ее внутренней энергии. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель перестанет работать.

С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих тепловых процессов. Рассмотрим различные процессы, при которых одна из физических величин остается неизменной (изопроцессы).

Но для начала вспомним:

1. Что такое изопроцесс? (Это процесс, в котором изменяются только два параметра, а третий остается постоянным).

2. Какие изопроцессы мы изучали? (Изотермический PV = const, изохорный Р/Т = const, изобарный V/Т = const)

3. Какой процесс называется изотермическим?

4. Какой процесс называется изохорным?

5. Какой процесс называется изобарным?

Каждая группа получает задание (Приложение 2), которое поможет вам вспомнить все об изопроцессах. Время выполнения задания – 5 минут. Группа, выполнившая первой, получает бонусы. Сверим результаты.

3.3. Применение 1 закона термодинамики к тепловым процессам

Итак, пусть система представляет собой идеальный газ. Это самый простой случай. Мы заполним таблицу.

Изотермический процесс.

При изотермическом процессе (Т=const) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Согласно формуле все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q=A'.

Если газ получает теплоту (Q>0), то он совершает положительную работу (А'>0).

Если, напротив, газ отдает теплоту окружающей среде (термостату), то Q<0 и А'<0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

Изобарный процесс.

При изобарном процессе (P = const) передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.

Q=∆U+A′

Изохорный процесс.

При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной плоты: ∆U=Q.

Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U>0, его внутренняя энергия увеличивается.

При охлаждении газа Q<0 и ∆U=U2-Ul<0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.

3.4. Адиабатный процесс.

Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами.

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.

При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению, изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

∆U = A  или    ΔU = -АI

Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев, можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами. Позже мы рассмотрим адиабатное расширение и сжатие газа в тепловых машинах.

        Дополним таблицу.

4 Закрепление материала

        Рассмотрим различные примеры задач на использование и применение первого закона термодинамики. И опять поработаем в группах. Каждая группа получает свое задание (Приложение 3), выполняет его, а затем проверяем все вместе на доске. На  выполнение задания 3 минуты. Спасибо, молодцы.

Дополнительные задания

Задача 1. В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 кДж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу? 

Дано: ΔU = -500 Дж;

Найти: Q - ? А - ?

V = const - изохорный процесс

Решение: 1) ∆U=Q - 1 закон термодинамики для нашего условия.

Q = -500 Дж

2) Т. к. объём не меняется: А = Р ΔV → А = 0 - газ работу не совершает.

Ответ: Q = -500 Дж; А = 0

знак «-» показывает, что газ выделяет количество теплоты

5 Подведение итогов  и рефлексия

Сегодня мы с вами хорошо поработали, изучили первый закон термодинамики, раскрыли его физическое содержание при рассмотрении изопроцессов – изотермического, изобарного, изохорного, адиабатного, научились использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов. Результаты следующие (выставить и прокомментировать оценки). А еще ответьте на вопросы:

1. Сегодняшний урок мне (понравился или не понравился)

2. Мне понравилось …(назвать, что именно)

3. Что нового узнали? Чему научились?

4. Пригодятся ли эти знания в вашей профессиональной деятельности?

6 Домашнее задание

Прочитать конспект, решить задачи:

1. Газу передано при изохорическом процессе   60 МДж теплоты. Чему равно изменение его внутренней энергии?
2. Газ при адиабатическом процессе совершил работу 200 МДж. Как изменилась его внутренняя энергия? Что произошло с газом: охладился или нагрелся?
3. При изотермическом процессе газу передано 6000 Дж теплоты. Чему равна работа совершенная газом?

Хочу закончить это занятие следующим высказыванием: «Хитрые люди презирают знание, простаки удивляются ему, мудрые пользуются им» (Т. Маколей). Всем спасибо. До свидания.