Конспект урока физики в 10 классе по теме "Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам. Адиабатный процесс".

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 10 г. Сердобска

«Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам. Адиабатный процесс».
/Урок физики в 10 классе/

Забродина Любовь Михайловна,
              учитель физики МОУ СОШ №10 г. Сердобска

высшей квалификационной категории

Сердобский район
2022

Эпиграф урока:

«За основу тут мы берём положение такое:

Из ничего не творится ничего»

Лукреций Кар, «О природе вещей» 

Цель урока:

Формирование научного мировоззрения и познавательного интереса школьников в процессе «открытия» нового знания по теме урока.

Задачи урока:

Обучающие:

1.Обобщить и систематизировать знания учащихся о первом законе термодинамики (формулировка, математическая запись, физический смысл).

2.Исследовать особенности использования первого закона термодинамики для описания газовых процессов.

3. Обобщить и систематизировать знания учащихся об адиабатном процессе.Рассмотреть примеры адиабатного процесса в технике и природе.

4. Ввести понятие «вечный двигатель первого рода» и доказать невозможность его создания.

5. Сформировать умения применять знания на практике, в том числе при решении задач.

Развивающие:

Развивать умения учащихся видеть целостность окружаюшего мира, анализировать применение первого закона термодинамики для изопроцессов и адиабатного процесса; умения объяснять проявление и применение адиабатного процесса в природе и технике.

Воспитывающие:

Продолжить формирование научного мировоззрения, культуры общения.

Планируемые результаты:

·         осознавать свои возможности в учебной деятельности;

·         формирование устойчивой мотивации к приобретению новых знаний и их использованию;

·         формирование навыков самоанализа и самоконтроля.

Регулятивные:

·         формирование умений выполнять задания в соответствии с поставленной целью;

·         умение формулировать и анализировать учебную проблему

·         адекватно воспринимать оценку своей работы учителем, товарищами.

Познавательные:

• научиться: устанавливать причинно-следственные связи  в изучаемом круге явлений; искать и отбирать источники необходимой информации, умение анализировать, сопоставлять, находить ответ на проблемный вопрос, систематизировать информацию;
• самостоятельно проводить исследования, делать вывод, анализировать полученные результаты;
• самостоятельно оценивать собственный результат.

      Коммуникативные:

• уметь: организовать продуктивное взаимодействие со сверстниками,
• сравнивать разные точки зрения,
• сформулировать собственное мнение,
• осуществлять взаимный контроль и взаимопомощь.

 Предметные:

Обучающийся научится:

·         обобщать и систематизировать знания о первом законе термодинамики

(формулировка, математическая запись, физический смысл),

·         применять первый закон термодинамики для описания газовых процессов,

• понимать физический смысл адиабатного процесса,
• распознавать адиабатный процесс в технике и природе,

·         доказывать невозможность создания вечного двигателя,

Обучающийся получит возможность научиться:

• применять знания на практике, в том числе при решении задач.

научиться представлять результаты в виде графиков, таблиц, схем.

Интеграционные связи:

Внутрипредметные: изопроцессы, законы термодинамики, физика атмосферы.

Межпредметные: география, технология

Необходимые ресурсы: компьютер, мультимедийный проектор, экран, подготовленные задачи для решения.

Ход урока:

Этап 1. Организационный

Дидактическая задача: мобилизация учащихся на урок.

Деятельность педагога: проследить за готовностью учеников к началу урока.

Деятельность учащихся: подготовить необходимое к уроку (учебник, тетрадь, дневник, письменные принадлежности).

Показатель результатов: готовность учеников к уроку.

Этап 2. Актуализация опорных знаний

Дидактическая задача: настроить учащихся на работу на уроке, вспомнить ранее изученный материал, необходимый к уроку.

Метод: проблемный

Форма организации: фронтальная.

Работа в тетрадях: Учащиеся готовят таблицу с названием изопроцессов (по образцу).

Обратить внимание на то, что таблица пока не имеет названия. Мы ещё будем возвращаться к ней в течение урока. Просто надо оставить место для заголовка.

Задание 1: Установите соответствие названия изопроцесса, названия закона, записи уравнения и графика, соответствующего данному изопроцессу.

Контрольная таблица (после заполнения демонстрируется на слайде)

Задание 2:На прошлом уроке мы говорили о внутренней энергии тела. Сейчас я попрошу вас вспомнить материал о внутренней энергии, способах изменения внутренней энергии и формулы расчета количества теплоты. Систематизировать материал в тетрадях в виде схемы, ответив на вопросы:

a.       Что называем внутренней энергий?

b.      Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

c.       Чему равна работа в термодинамике?

d.      Что называем количеством теплоты?

e.       Назовите процессы, сопровождающиеся выделением и поглощением тепла.

Контрольная схема (после заполнения демонстрируется на слайде)

U = (W_K + W _П ) N. 

A = p*V

Этап 3 Изучение нового материала.

Итак, мы вспомнили основные понятия термодинамики. А теперь обратимся к эпиграфу урока и попробуем с помощью его сформулировать тему сегодняшнего урока.

«Из ничего не творится ничего»…

Как можно эту цитату сказать на языке физики?

Учащиеся предполагают, что темой урока будет закон сохранения энергии в термодинамике.

Слово учителя.

Совершенно верно.Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

Учащиеся записывают тему урока:

«Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам. Адиабатный процесс»

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счёт совершения работы, так и за счёт передачи теплоты.

Презентация  нового материала.

Первый закон термодинамики был открыт в середине 19 века немецким учёным врачом Майером (1814-1878), английским учёным Д. Джоулем(1818 – 1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого учёного Г Гельмгольца (1821-1894).

Поразительная особенность: в этой группе ученых – два врача, Майер и Гельмгольлц.

Один, задумался о природе теплоты, когда наблюдал в тропиках цвет крови людей, другой, изучая физические основы зрения и слуха человека. Именно ему принадлежит честь, опираясь на выводы Майера и Джоуля, облечь в конечную форму закон сохранения и превращения энергии:

«Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии вечно и неизменно. Она только переходит из одной формы в другую»

(Падает, например, молот на кусок свинца, и свинец нагревается – потенциальная энергия молота переходит в кинетическую, затем механическая энергия превратилась во внутреннюю энергия тела).

Формулировка и математическая запись закона:

1.      Изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе

 ΔU = Q + A' 

 Так как работа внешних сил над газом A' равна работе самого газа А, но взятого с обратным знаком (A' = - А), то

∆U = Q – A, или

2.      В термодинамической системе количество теплоты, сообщенное системе, идет на изменение внутренней энергии и на работу системы над внешними телами.

Q=A + ∆ U 

Это и есть: Первый закон термодинамики

 Правило знаков:  Q > 0 , если теплота передается системе (газу)

A > 0 , если работу совершает система (объем газа увеличивается)

Q=∆ U, если система не совершает работу (A = 0 )

Q=0, то A = - ∆ U, значит работа совершается над системой внешними силам

Теперь исследуем особенности применения первого закона термодинамики для газовых процессов, вернёмся к таблице, которую начали заполнять в начале урока.

Метод: эвристическая беседа

Показатель результатов: внимание, активность, ответы учеников

Этап 4. Обобщение и систематизация знаний по первому закону термодинамики

4.1 Тестирование по ранее изученному материалу

Дидактическая задача: обобщить ранее изученный материал, необходимый к уроку.

Метод: тестирование (устно)

Форма организации: самостоятельная работа

Вопросы тестирования

1. Как называется процесс изменения состояния газа при постоянной температуре?

А) изотермический;

Б) Изохорный;

В) Изобарный;

2. Какому процессу соответствует график, изображенный на рисунке?

А) Изобарному;

Б) Изохорному;

В) Изотермическому.

3. Как изменится внутренняя энергия идеального газа при изохорном нагревании?

А)

Б)

В)

Г)

Д)

4. Газ получил количество теплоты 300 Дж, его внутренняя энергия увеличилась на 200 Дж. Чему равна работа, совершенная газом?

А) 0

Б) 100 Дж

В) 200 Дж

Г) 300 Дж

Д) 500 Дж

5. Какую работу совершил газ при давлении 300 Па, если первоначальный объем был 1 м³, а конечный 3 м³?

А) 0

Б) 300 Дж

В) 600 Дж

Г) 900 Дж

Д) 500 Дж

Показатель результатов: ответы с самопроверкой

1) А; 2) Б; 3) А; 4) Б; 5) В

4.2. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Дидактическая задача: проанализировать как изменяется внутренняя энергия и работа в различных процессах, применить к процессам первый закон термодинамики.

Метод: исследовательский.

Форма организации: фронтальная, групповая.

Показатель результатов: работа в группах, ответы учеников, заполнение таблицы.

4.3. Адиабатный процесс.

Дидактическая задача: изучить адиабатный процесс, применение адиабатного процесса в технике и наблюдение адиабатного процесса в природе

Метод: поисковый

Форма организации: фронтальная

Показатель результативности: внимание учеников, уточняющие вопросы.

Сравнение графика адиабаты и изотермы.

График адиабаты идет круче графика изотермы. С помощью формулы p = nkT (n - числа молекул в единице объема - концентрации частиц) нетрудно объяснить, почему адиабата идет круче изотермы. При изотермическом сжатии газа давление p растет вследствие увеличения n, а при адиабатном сжатии увеличивается и n, и T, поэтому растет быстрее. 2) Работа, которую совершает газ при адиабатическом расширении, на участке 1—2 меньше, чем при изотермическом. При адиабатическом расширении осуществляется охлаждение газа, тогда как при изотермическом — температура поддерживается постоянной за счет притока извне такого же количества теплоты.

Этап 5. Решение задач

Дидактическая задача: применить полученные знания для решения конкретных задач

Метод: решение задач

Форма организации: фронтальная

Показатель результатов: выполнение заданий

Этап 5. Рефлексия

Дидактическая задача: мобилизация учащихся на рефлексию, актуализация и оптимизация знаний для следующего урока.

Метод: беседа.

Форма организации: фронтальная.

Тестовые задания для выполнения дома

Часть А

A1. Если V₁ = 2 л, V₂ = 2,5 л, р₁ = 4∙10⁵ Па, р₂ = 20∙10⁵ Па, то газ совершил работу, равную:

1) 80 Дж;             2) 200 Дж;            3) 400 Дж;           4) 800 Дж;            5) 8∙10⁵Дж.

A2.  Сосуд, содержащий некоторую массу азота, при нормальных условиях движется со скоростью 100 м/с. Какова будет максимальная температура азота при внезапной остановке сосуда?   Удельная теплоёмкость азота при постоянном объёме равна 745 Дж/(кг∙К).

1) 250 К;              2) 280 К;               3) 300 К;              4) 320 К;               5) 400 К.

Часть В

В1 Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими процесс изотермического сжатия воздуха, перечисленными в первом столбце, и их изменениями, указанными во втором столбце.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры могут повторяться.

B2 Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими изохорный процесс охлаждения воздуха, перечисленными в первом столбце, и их изменениями, указанными во втором столбце.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры могут повторяться.

Дополнительные задачи:

1.      На рис. 1. изображён график зависимости давления от температуры. Как изменяется при этом изменении состояния газа его внутренняя энергия, совершается ли работа, получает или отдаёт система теплоту?

При переходе газа из состояния 1 в состояние 2 давление уменьшается, температура и внутренняя энергия газа увеличиваются. Объём газа также увеличивается (), следовательно, газ совершает работу расширения, являющуюся положительной. Количество теплоты также положительно (), следовательно, газ получает некоторое количество теплоты.

2.      На рис. 2 изображено несколько вариантов термодинамического процесса. Стрелками показано, получает система тепло или отдает, совершает газ работу или работа совершается над газом. Какой из вариантов соответствует уравнению:

 ∆U = А - Q ?