Тема урока: "Экспериментальное исследование зависимости p х V = const (закон Бойля–Мариотта)"

Тип урока: УРОК – ИССЛЕДОВАНИЕ c помощью компьютера

Цели урока:

Развивающие - активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить.

Общеобразовательные – формирование представления о решении экспериментальных задач с помощью компьютера, установление межпредметных связей (физика, математика, информатика).

Воспитательные – воспитание ответственного отношения к учебному труду, активизация познавательного интереса учащихся, воспитание отношения к информации как к   третьей сущности мира наряду с веществом и энергией.

Требования к знаниям и умениям:

Знат:ь понятия - термодинамический параметр, газовый закон, давление газа, изопроцесс; виды изопроцессов, графики изопроцессов.

Уметь работать с мультимедиа-энциклопедиями, компьютерными репетиторами, проводить компьютерный эксперимент, интерпретировать результаты эксперимента, делать выводы, вычислять погрешности, ориентироваться в компьютерной среде Windows, использовать возможности встроенного калькулятора.

Иметь навыки ввода информации с клавиатуры.

Оборудование: 1) компьютер; 2) программное обеспечение: а) ВИДЕОЗАДАЧНИК по физике, часть 3, авторы: А.И.Фишман, А.И.Скворцов, Р.В.Даминов, компания NMQ; б) РЕПЕТИТОР по физике КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ, ООО “Кирилл и Мефодий”, 1998, 1999-2004 с изменениями и дополнениями; 3) барометр (один на весь класс); 4) трубка со столбиком ртути, укрепленная на линейке с миллиметровыми делениями; 5) штатив лабораторный; 6) стандартный Microsoft ® Калькулятор; 7) учебник по физике для 10-го класса, Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, издательство “Просвещение”, 2001 г., 8) мультимедийный проектор.

Ход урока:

До начала урока:

1. Запускают программу Tutors (РЕПЕТИТОР по физике КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ).
2. Выводят на экран вопросы по теме: “Физика” “Молекулярная физика. Термодинамика” “Изопроцессы”.
3. Устанавливают: Режим: Свободный тренинг, Сложность: Базовый.
4. Запускают программу: “Видеозадачи по физике” “Молекулярная физика и термодинамика” “Изопроцессы в идеальном газе” “Ртутный столбик”.

I. Организационный момент (1 мин.)

Учитель сообщает тему и цели урока; информирует учащихся об оборудовании, используемом на уроке.

II. Актуализация знаний (6 мин).

Повторение материала по теме: “Изопроцессы. Графики изопроцессов”

( CD: репетитор по физике КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ, ООО “Кирилл и Мефодий”, 1998, 1999-2004 с изменениями и дополнениями).

Учащиеся работают с компьютерной программой в парах по схеме: 1-ый ученик отвечает на первые 8 вопросов, а второй оценивает ответы, затем их роли меняются на противоположные, при этом 2-ой ученик отвечает на следующие 8 вопросов. Оценки за ответ проверяющий ученик заносит в заранее подготовленный бланк.

Правильность ответа проверяют с помощью опций “Ответить” или “Подсказка”, “Ответ”. Пропуск вопросов, не включенных в список, осуществляется с помощью опции “Пропустить”.

Список вопросов для повторения:

2.19А1.6 Какие величины отложены по осям координат, если на графике изображен изохорический процесс?

  

2.19А1.7 Над идеальным газом совершается равновесный процесс. Какой из графиков соответствует изотермическому процессу?

  1) 3 2) 1 3) 2

2.19А1.8 Какое уравнение характеризует изохорический процесс?

2.19А1.9 Изохорический процесс – процесс, происходящий с газом постоянной массы при:

1. постоянном давлении; 2. постоянном объеме; 3. постоянной температуре

2.19А1.10 Какое уравнение характеризует изобарический процесс?

2.19А1.11 Какое уравнение отражает закон Бойля-Мариотта?

2.19А1.12 На графике изображены две изобары. Какая из них соответствует более высокому давлению?

     1. первая; 2. вторая; 3. обе при одинаковом объеме

2.19А1.13 На графике изображены две изохоры. Какая из них соответствует большему объему?

1. обе при одинаковом давлении 2. первая 3. вторая

2.19А1.15 Какие изменения произошли с газом данной массы при его переходе из состояния 1 в состояние 2?

2.19А1.16 Чем отличаются состояния А и В газа данной массы?

2.19А1.17 Какой из графиков соответствует изохорическому процессу?

2.19А1.18 Какой из графиков соответствует изобарическому процессу?

2.19А1.19 Изобарический процесс – процесс, происходящий с газом постоянной массы при:

1. постоянном давлении; 2. постоянном объеме; 3. постоянной температуре.

2.19А1.20 Изотермический процесс – процесс, происходящий:

1. При постоянном давлении и постоянной массе

2. При постоянной температуре и постоянной массе

3. При постоянном объеме и постоянной массе

2.19А1.21 Изопроцесс – процесс, происходящий:

1. При постоянной массе и одном постоянном параметре

2. При одном постоянном параметре

3. При постоянной массе

2.19А1.23 На графике изображены две изотермы для одной и той же массы газа. Какой из них соответствует более высокая температура?

III. Основная часть. Постановка компьютерного эксперимента (34 мин)

Учитель формулирует цели эксперимента; объясняет, что реальные эксперименты с ртутью запрещены, т.к. существует опасность заражения классного помещения из-за неосторожного обращения с приборами, поэтому проводится компьютерный эксперимент; дает описание эксперимента, проецируя на экран через проектор рисунки №1-5, совместно с учащимися рассматривает теоретическое обоснование эксперимента, устанавливает величины, которые необходимо измерить и вычислить.

1. Описание эксперимента

Для проверки закона Бойля — Мариотта пользуются стеклянной трубкой с введенным в нее столбиком ртути, укрепленной на линейке с миллиметровыми делениями (рис.1).

Рис. 1

Сначала измеряют объем заключенного в трубке воздуха по делениям линейки. Затем производимое на воздух давление при различных положениях трубки. Для этого необходимо знать атмосферное давление и давление ртутного столбика в трубке. Атмосферное давление измеряют при помощи металлического барометра (в этом эксперименте будем считать его равным нормальному атмосферному давлению 760 мм рт. столба), а длину ртутного столбика — по делениям линейки, так как показано на видеофрагментах (рис. 2 и 3).

I. Трубка расположена горизонтально (рис. 2 и 3)

Рис. 2

Рис. 3

II. Трубка расположена вертикально:

а) запаянный конец вверху (рис. 4)

Рис. 4

б) запаянный конец внизу (рис. 5)

Рис. 5

Затем сравнивают между собой произведения объемов на соответствующие им давления. При этом предполагается, что длина ртутного столбика, температура и масса газа во время опыта остаются постоянными. За единицу для измерения объема берут объем воздушного столбика длиной в 1 мм, а за единицу давления – давление ртутного столба высотой 1 мм.

Примечание: Учащиеся получают инструкцию по проведению эксперимента, в которой отсутствуют рисунки 2, 3, 4, 5. Плотность ртути равна 13600 кг/м³, g = 10 м /c².

2. Теоретическая часть эксперимента.

Когда трубка расположена горизонтально, то давление воздуха, запертого ртутью, равно p₁ = p₀, где p₀ - атмосферное давление. Объем воздуха в этом состоянии обозначим через V₁, а длину воздушного столбика через Х₁.

 

 

 

 

 

Когда трубку перевернули запаянным концом вверх, то давление воздуха в верхней части трубки p₂ стало равным: p₂ = p₀ – gL, где – плотность ртути, L- высота столба ртути, g - ускорение свободного падения.  Объем воздуха в этом состоянии обозначим через V₂, а длину воздушного столбика через Х₂.

 

 

 

 

 

Когда трубка расположена вертикально, запаянным концом вниз, то давление воздуха p₃, запертого ртутью, равно p₃ = p₀ + gL. Объем воздуха в этом состоянии обозначим через V₃, а длину воздушного столбика через Х₃.

 

 

 

Масса запертого воздуха и его температура при повороте трубки не меняются. Поэтому можно записать в соответствии с законом Бойля – Мариотта: p₁ ·V₁ = p₂ ·V₂ = p₃ ·V₃. Считая, что трубка имеет постоянное сечение S, а V = X·S, запишем это выражение в виде:

p₁·X₁ ·S = p₂ ·X₂ ·S = p₃ ·X₃ ·S.

Подставляя выражения для p₁, p₂ и p₃, получим: p₀ ·X₁= (p₀ -gL)· X₂ = (p₀ +gL)· X_{3 .}

Это соотношение и необходимо проверить.

3. Подготовка и проведение эксперимента Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений (инструментальные погрешности определяются с помощью таблицы 1, стр. 320, Физика-10)

• Выключите звуковые колонки.
• Включите компьютер.
• После загрузки операционной системы вставьте компакт-диск с видеозадачами в дисковод, дождитесь автозапуска программы.
• Выберите раздел “Молекулярная физика и термодинамика”.
• Выберите тему “Изопроцессы в идеальном газе”.
• Запустите задачу “Ртутный столбик”.
• Произведите необходимые измерения и вычисления величин, указанных в таблице (L, X₁, X₂, X₃ , p, C).
• Заполните таблицу.
• Сделайте вывод о справедливости закона Бойля-Мариотта.

 

4. Обработка результатов

В таблице приведены записи результатов измерений для трех положений трубки (рис. 2, 3, 4, 5), при давлении по барометру 760 мм ртутного столба.

Выполним анализ погрешностей измерения.

Максимальной возможной погрешностью (см. таблицу 1, Физика-10) при измерении объема и давления будем считать Х = 1 мм, р = 3 мм рт. ст., которые на приборе и по барометру легко отсчитываются “на глаз”.

Из уравнения С = p? V подсчитаем максимальную относительную погрешность:

С/С = р/р + V/V .

Наибольшую погрешность произведения даст измерение объема при положении III трубки; этот случай и возьмем в качестве примера:

С/С = 3/880 + 1/52 = 0,0034 + 0,0192 = 0,0226 ,

следовательно,

С = 0,0226·45760 = 1034 .

Отсюда можем записать окончательный результат:

С= 45760 ± 1034 .

Кроме погрешностей, которые здесь были учтены, неизбежны погрешности, не поддающиеся учету в условиях данной работы. Они вызываются изменениями температуры воздушного столбика, неодинаковостью сечения канала трубки и т. д. Как видно из приведенной выше таблицы, расхождение результатов не выходит за пределы вычисленной выше максимальной погрешности, следовательно, эти неучтенные погрешности невелики и существенного значения не имеют.

IV. Домашнее задание (1 мин)

1. Используя результаты измерений, определите атмосферное давление в лаборатории, где проводился эксперимент.

2. Попробуйте в домашних условиях провести тот же эксперимент по проверке закона Бойля-Мариотта (учащиеся получают инструкцию к работе).

ИНСТРУКЦИЯ
к домашнему эксперименту по проверке закона Бойля-Мариотта

Идея работы состоит в следующем. Если погружать бутылку горлышком в воду, то под давлением столба воды, расположенного над основанием горлышка, вода будет входить в бутылку. На основании закона Бойля-Мариотта и известного в данное время атмосферного давления можно рассчитать количество воды, которое войдёт в бутылку при данной глубине погружения, и на опыте подтвердить справедливость этого расчёта.

Ход работы.

1. Измерьте объём воды, наполняющей бутылочку в 0,25 л доверху.

2. Определите объём бутылки с узким горлышком с помощью цилиндрического стакана, сделав последний мензуркой, или с помощью имеющейся у вас мензурки. Лучше взять бутылку белого стекла.

Примечание. Для превращения стакана в мензурку измерьте глубину и его внутренний диаметр. Последнее можно сделать так. На лист бумаги поставить стакан вверх дном и обвести его верхнее основание тонко зачиненным карандашом, вырезать круг, сложить его так, чтобы одна половина была наложена на другую, и измерить отрезок перегиба. Из полученной длины следует вычесть удвоенную толщину стенок стакана; разность даёт величину диаметра основания внутренней части стакана. Ёмкость стакана равна V = 3,14? h ? D² / 4, где D—внутренний диаметр, h—глубина стакана.

Дальше следует наклеить на внешнюю поверхность стакана бумажную полосу и разделить последнюю на соответствующее число частей, указав против каждого деления приходящееся число кубических сантиметров.

3. Возьмите возможно более глубокий стеклянный сосуд (например, литровую банку из-под консервов) и измерьте глубину, на которую можно погрузить пустую бутылочку горлышком (считать от основания горлышка).

4. Узнайте величину атмосферного давления в данное время и рассчитайте количество воды, которое войдёт в горлышко, если бутылочку погрузить горлышком на данную глубину.

5. На основании этого объёма воды и диаметра внутреннего основания горлышка определите глубину, на которую вода зайдёт в бутылочку, и обвяжите на этой глубине горлышко ниткой.

6. Теперь погрузите горлышко бутылочки в сосуд с водой на глубину, которую вы вычислили. На какую глубину вода заходит в горлышко бутылки? Сравните ее с вычисленной глубиной.

V. Подведение итогов урока. Рефлексия. (3 мин.)

1. Что нового для себя узнали вы на уроке? Где могут пригодиться вам эти знания?
2. Знаниями из каких школьных предметов вы пользовались при выполнении заданий?
3. Оценка работы учащихся.