Обобщающий урок по физике на тему "Законы сохранения и превращения энергии".

Предмет: Физика.

Класс: 10

Учитель: Елакова Галина Владимировна.

Место работы: Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7» г. Канаш Чувашской Республики.                   

      Обобщающий урок: «Закон сохранения и превращения энергии».

«Ученый, читая книгу природы, должен найти разгадку для себя, и он не может поступить как нетерпеливый читатель - обратиться к концу книги».  Альберт Эйнштейн

Цели урока:

Образовательные: проверить знания учащихся по теме «Закон сохранения и превращения энергии», умение решать задачи на применение основных формул и законов; повторить и обобщить знания закона сохранения импульса и закона сохранения энергии, закрепить знание формул расчета импульса тела, импульса системы тел, механической работы, мощности, различных видов механической энергии;

Развивающие: формировать навыки систематизации изученной информации и представления ее в виде схем. Развивать коммуникативные навыки при работе. Продолжать формировать умение оценивать свою деятельность.

Воспитательные: воспитывать терпимость, чувство ответственности и взаимоуважения;

приучать учащихся к аккуратности при оформлении решений задач в тетрадях; доброжелательному общению, взаимопроверке, взаимопомощи и самооценке.

Формат урока: Урок систематизации и обобщения.

Задачи урока:

Метапредметные:

- формировать межпредметные связи;

- совершенствовать навыки самостоятельной работы, целеполагания;

- продолжить формирование научного мировоззрения;

- развивать навыки контроля и самоконтроля;

- совершенствовать умение вести предметный диалог.

Личностные:

- формировать интеллектуальную, исследовательскую, информационную культуру;

- развивать личностно-смысловое отношение к предметам;

- учиться взаимодействовать с другими, грамотно отстаивать свою точку зрения;

-воспитывать упорство в достижении цели.

Оборудование: компьютер, экран, мультимедийный проектор.

Вы узнаете:

Что при совершении механической работы возникает теплота.

Какова количественная связь между ними.

Надо ли затратить одно и тоже количество работы, чтобы получить единицу количества теплоты.

Сохраняется ли механическая энергия в замкнутой системе.

Что в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

Может ли сохраняться полная механическая энергия системы тел, на которую действуют внешние силы.

Можно ли считать человека термодинамической системой. Какая она: замкнутая или нет.

Что характерно для движения такой системы: состояние или процесс.

В каких процессах обычно участвует система.

За счет чего поддерживается постоянная температура человека.

Вы вспомните:

Какая система материальных тел называется замкнутой.

Зависит ли величина совершаемой работы от выбора системы отсчета.

Как формулируется закон сохранения полной механической энергии.

Законы термодинамики.

     Учитель: Трудами ученых XVIII в.  было доказано, что при совершении механической работы возникает теплота. Но какова количественная связь между ними? Всегда ли надо затратить одно и тоже количество работы, чтобы получить единицу количества теплоты? Ответ на эти вопросы искали многие ученые в первой половине XIX в. Подсчеты, дающие ответ на эти вопросы, содержались в рукописи молодого французского инженера Сади Карно, изданной после его смерти в 1832 году.  С. Карно сформулировал закон превращения и сохранения энергии в механических и тепловых процессах. Но работа Карно тогда не привлекла внимания физиков.

Немецкий ученый Роберт Майер услышал однажды от моряка, что во время сильной бури вода нагревается.  В 1840 году на острове Ява судовой врач Роберт Майер вскрыл больному вену и... к своему ужасу обнаружил, что потекла не темная кровь, а алая! Неужели он вместо вены попал в артерию?! Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет по артериям от сердца — это кровь, наполненная кислородом. А обратно, к сердцу кровь течет по венам. В венозной крови остается мало кислорода, поэтому цвет у нее темно-красный. Кровотечение же из артерии смертельно опасно.

Однако местные врачи успокоили Майера: они объяснили, что здесь, в тропиках, венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная.

«Почему же так происходит? — задумывается Майер. — Может, дело в том, что температура воздуха здесь почти равна температуре человеческого тела... Организму не нужно расходовать силу на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови — ведь силу дает именно сгорание кислорода. Осмысливая эти наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», Майер высказал основную идею, что сила сохраняется: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего».

Развивая свою идею, Майер изучил все известные ему превращения энергии — кинетической в потенциальную и обратно, механической энергии во внутреннюю и внутренней энергии в механическую, рассмотрел электрическую и химическую энергии. Майер рассмотрел с качественной стороны превращения всех форм энергии и впервые сформулировал закон превращения и сохранения энергии в общей форме.

  Английский ученый Джемс Джоуль, ничего не зная о работах Майера, в 1841 году опубликовал выводы из своих опытов по исследованию превращения работы электрического тока в теплоту. К тем же выводам независимо от Джоуля в 1842 г. пришел петербургский академик Эмилий Ленц. Все эти ученые были очень молоды, когда они овершили свое великое открытие: Майеру было 28 лет, Джоулю - 25, а Гельмгольцу -26.

Задолго до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца очень близко к открытию закона сохранения энергии подошел выдающийся российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Но, к сожалению, труды Ломоносова долгое время оставались неизвестными для европейских ученых.

   Идея о взаимопревращении механической и внутренней энергии была высказана, также до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца, физиком и инженером Томпсоном, получившим известность как граф Румфорд.

Джеймс Прескотт Джоуль

  Герман Гельмгольц

На основе известных научных данных в 1847 г. немецкий ученый Герман Гельмгольц теоретически исследовал превращения энергии во многих механических, тепловых, электрических, световых и химических процессах и сформулировал закон превращения и сохранения энергии как всеобщий закон природы.

   (Презентация)

 Учитель: Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи. Любой живой организм есть открытая термодинамическая система, далекая от состояния равновесия.

Вопрос: Почему мы краснеем в жару, а в холод бледнеем и дрожим?

Ответ: Нормальная для человека температура окружающей среды 18 - 20℃. Если она становится выше 25℃, то возбуждаются кожаные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы происходит расширение сосудов кожи. В кожу притекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть теплоты путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме увеличивается выделении энергии в мышцах благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которые мы называем дрожью.

Вопрос: Можно ли считать человека термодинамической системой? Какая она: замкнутая или нет? Что характерно для движения такой системы: состояние или процесс? В каких процессах обычно участвует система?

  Учитель: Теплообмен с окружающими системами, работа при действии человека на другие системы.

Вопрос: За счет чего поддерживается постоянная температура (внутренняя энергия) человека?

Ответ: За счет поступлении энергии от других систем в форме пищи. Вспомним об удельной теплоте сгорания некоторых пищевых продуктов: например, при усвоении 1 кг пшеничного хлеба выделяется около 9000 кДж энергии.

Вопрос: Как записать первое начало термодинамики для системы «человек»?

Ответ:_пищи – Q_{теплообмена} – А.

Учитель: Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, измерить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью еще в 1780 г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получались близкие значения.

   Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных выяснили баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

  Учитель: Мы знаем, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества теплоты. В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы, работа не может совершаться за счет притока теплоты извне, т.е. живой организм не может работать как тепловая машина. Например, у тепловой машины КПД =Т₁ – Т₂/Т_1; где Т₁ и Т₂ –температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

   Попытаемся определить температуру мышцы Т₁, предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 25℃ с КПД 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника Т₂ =298 К и предполагая КПД  , получаем  = ; откуда Т₁ = 447 К или 174℃. Если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 174℃. Но это нереально, так как белки денатурируют при температуре около 50℃. Значит, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

    Вопрос: Как распределяется энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, в клетках животных?

  Учитель: 55% этой энергии аккумулируется в молекулах АТФ, остальные же 45% рассеиваются в окружающем пространстве.

  Вопрос: Почему природа пошла по такому нерентабельному пути? Почему клетка «не работает» по принципу тепловой машины?

  Учитель: Энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, сразу бы превращалась в другие виды энергии, минуя АТФ. Клетка не может работать как тепловая машина, так как для этого она должна иметь слишком высокую температуру. А какая потеря энергии была бы вследствие теплообмена организма с окружающей средой! Да и регулировать запас энергии в клетке было бы значительно сложнее… Чтобы понять, как он регулируется, вспомним, как мы себя ведем после быстрого бега. Мы часто дышим, при этом происходит усиленное потовыделение.

 Вопрос: Как объяснить это явление?

 Учитель: При усиленной мышечной работе во время бега организм резко расходует запас молекул АТФ, который при нормальном состоянии клетки ограничен (составляет около 0,4% от массы клетки). Чтобы этот запас пополнился, в клетках должно произойти интенсивное окисление глюкозы до оксида углерода и воды, которые должны быть выведены из организма. Поэтому, чтобы избавиться от оксида углерода и подать в каждую клетку побольше кислорода, который необходимо для интенсивного окисления глюкозы, организм так часто дышит. Нам жарко, и мы покрываемся потом. Это тоже должно быть понятно. Ведь только 55% энергии, выделившейся при окислении глюкозы, идет на синтез молекул АТФ, а остальные 45% идут на нагревание организма.

  Вопрос: Летом это нагревание ни к чему, а что было бы с ними зимой, если бы образование молекул АТФ не сопровождалось рассеянием энергии?  

  Учитель: Попробуем объяснить, почему на морозе, когда он делается чувствительным, люди начинают притоптывать и подпрыгивать. Организму надо согреться. При всякой механической работе (в том числе при подпрыгивании) расходуется запас молекул АТФ. Расход молекул сопровождается их синтезом, а последний – выделением энергии, которая и идет на нагревание организма. 

  Вопрос: В книге И. Халифмана «Пароль скрещенных антенн» много полезных примеров из области биологических явлений, над которыми стоит подумать. Например: чем сильнее семья пчел и чем больше объем улья, тем значительнее разность температур между центром улья и по его краям. Благодаря этому возникает движение воздуха, которое поддерживается и направляется пчелами-вентиляторницами. Почему возникает разность температур между центром улья и его крайними точками? Почему она зависит от численности пчелиной семьи?

  Ответ: В процессе жизнедеятельности куколок и личинок выделяется энергия. Чем больше численность семьи, тем выше температура в центре улья, тем значительнее разность температур между центром улья и его краями.

  Вопрос: Личинки и куколки пчел, развиваясь, сами выделяют много энергии. Причем того количества теплоты, которое выделяется пчелиным расплодом в десятки рамках улья за две недели, достаточно, вскипятить бочку воды. За счет чего выделяется эта энергия?

  Ответ: Процессы жизнедеятельности куколок и личинок сопровождаются затратой энергии, которая выделяется при распаде молекул АТФ. Синтез молекул АТФ происходит за счет энергии, которая выделяется при окислении питательных веществ. При этом вся выделившаяся энергия превращается в энергию молекул АТФ, 45% ее переходит во внутреннюю. Расплод пчелиного улья при своем развитии потребляет много питательных веществ, поэтому и энергии выделяется много.    

  Вопрос: Пуская кровь заболевшему матросу, корабельный врач Майер обратил внимание на необычайно алый цвет венозной крови. Его наблюдения показали, что в жарких странах венозная кровь гораздо светлее, чем в северных. Как этот факт помог Майеру в открытии закона сохранения и превращения энергии?

 Ответ: Алый цвет венозной крови обусловлен тем, что в вены возвращается кровь, богатая кислородом. Это происходит потому, что в тропиках человек потребляет меньше кислорода – для поддержания процессов жизнедеятельности, нормальной температуры тела там нужно меньше энергии.

  Вопрос: В архивах пожарной части г. Бенд (США) хранится запись о пожаре, который был вызван снегом. Возможно ли такое явление?

  Ответ: Снег действительно может быть причиной пожара. В данном случае у стен дома были ямы с негашеной известью. Под действием воды, которая образовалась из снега, началась экзотермическая реакция образования гашеной извести. При этом выделилось такое количество теплоты, что начался пожар.

1.Может ли кинетическая энергия тела изменяться, если на тело не действуют силы?

 Ответ: Нет, не может.

2.Может ли кинетическая энергия тела оставаться неизменной, если равнодействующая приложенных к телу сил отлична от нуля?

Ответ: Может, если равнодействующая, отличная от нуля, составляет угол 90°С направлением перемещения тела.

3. Может ли каким-то образом космонавт, не связанный с кораблем, вернуться на корабль?

Ответ: Да: один из способов — отбросить какой-либо предмет в сторону, строго противоположную кораблю; тогда космонавт приобретет скорость, направленную к кораблю.

Какой закон?

Разгадав ключ, прочитайте физический закон.

Начав со скошенного левого угла снизу вверх, двигаясь змейкой по диагоналям квадратов, на которые разбита фигура, можно прочитать: «Энергия никуда не исчезает и не создается из ничего, она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому».

 Вопрос: Где на практике можно увидеть превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую?

Ответ: Механическая энергия переходит во внутреннюю: - при торможении автомобиля покрышки автомобиля и асфальт под ними нагреваются; - при накачивании мяча насосом механическая энергия движения поршня превращается во внутреннюю энергию воздуха (увеличивается давление воздуха в мяче). Внутренняя энергия переходит в механическую: - нагретые газы в цилиндре двигают поршень.

Вопрос: Где на практике можно увидеть переход энергии от одного тела к другому?

Ответ: Переход механической энергии от одного тела к другому:

- на гидроэлектростанции кинетическая энергия текущей воды передается колесам турбины;

 - кинетическая энергия ветра передается крыльям ветряного двигателя;

 - при столкновении мячей скорости их меняются в результате передачи энергии от одного мяча другому.

 Переход внутренней энергии от одного тела к другому:

 - внутренняя энергия нагретой батареи отопления передается воздуху комнаты;

- внутренняя энергия человеческого тела передается ртутному термометру;

- внутренняя энергия конфорки кухонной плиты передается стоящему на ней чайнику с водой.

 Вопрос: Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому её значение сохраняется?

Ответ: Это опыт по смешиванию воды разной температуры. Здесь происходит передача внутренней энергии от одного тела другому, и ее энергия сохраняется.

Вопрос: Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?

Ответ: На основе закона сохранения и превращения энергии производят расчеты во всех областях науки и техники.

- в военной технике можно рассчитать кинетическую энергию и скорость снаряда;

- зная энергию сгорания топлива, можно рассчитать результат, который даст используемое топливо;

 - давно доказали, что невозможно создать вечный двигатель;

 - можно рассчитать КПД различных технических устройств;

 - используя золотое правило механики, можно расчитать результаты применения простых механизмов в сложных устройствах.

Задача: Известно, что при тяжелой физической работе человек выделяет пот объемом около 10 л. Какая масса воды может быть нагрета от 40 до 100℃ за счет той тепловой энергии, которая затратилась на испарение пота объемом 10 л? (Lпота = 24,36•10⁶ Дж/кг; Lводы=22,6•10⁶ Дж/кг; для приблизительных расчетов можно L воды и Lпота считать одинаковыми. Ответ: m_воды  90 кг).

  Итоги урока.

Учитель: «Очень важно не перестать задавать вопросы. Любопытство не случайно дано человеку» (Альберт Эйнштейн).

Рефлексия.

Впечатления и итоги занятия с помощью простой таблицы «Плюс, минус, интересно»:

 1. «+» — все, что понравилось на уроке

2. «-» — все, что показалось бесполезным, скучным и не увлекательным

3. «Интересно» — что привлекло, заставило задуматься…

                                        сегодня я узнал…

было интересно…

было трудно…

я выполнял задания…

я понял, что…

теперь я могу…

я почувствовал, что…

я приобрел…

я научился…

у меня получилось …

я смог…

я попробую…

меня удивило…

урок дал мне для жизни…

мне захотелось…

                                  этот урок показался мне…

за урок я бы поставил себе, потому что…

                                  мое настроение после задуматься…

Литература:

1. Алексеева М. Н. Физика – юным: Теплота. Электричество. Книга для внеклассного чтения. 7 кл. /Сост. М. Н. Алексеева. – М.: Просвещение, 1980. – 160 с.

2. Кириллова В.Г.: «Книга для чтения по физике»: Учеб. пособие для учащихся 6-7 кл. сред. шк./ Сост. И. Г. Кириллова. – 3-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1986. – 207 с.

3. Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики: Кн. для учителя: Из опыта работы. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1988. – 159 с.

4. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. Москва: «Просвещение» 1986, 174 с.

«Класс!ная физика» обязательна: http://class-fizika.ru/u8-10.html

источник «Класс!ная физика» обязательна: http://class-fizika.ru/sur.html

источник «Класс!ная физика» обязательна: http://class-fizika.ru/vic50.html#

Скачано с www.znanio.ru