Комбинированный урок "Изопроцессы" (10-й класс)

Разделы: Физика

Класс: 10

Форма учебной работы: классно-урочная.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний. (комбинированный урок).

Дидактические цели:

  1. Ввести понятие изопроцесса;
  2. Изучить газовые законы;
  3. Научиться применять законы
  4. Решать количественные и качественные задачи по данной теме

Задачи урока:

Образовательные:

  1. Изучить изопроцессы (история открытия, модель установки для изучения зависимостей между термодинамическими параметрами, графики изопроцесса, математическая запись закона, объяснение с точки зрения МКТ);
  2. Научить учащихся решать аналитические и графические задачи, используя уравнение состояния и газовые законы.

Воспитательные:

  1. Продолжить формирование познавательного интереса учащихся;
  2. В целях интернационального воспитания обратить внимание учащихся, что физика развивается благодаря работам ученых разных стран и исторических времён;
  3. Продолжить формирование стремления к глубокому усвоению теоретических знаний через решение задач.

Развивающие:

  1. Для развития мышления учащихся продолжить отработку умственных операций анализа, сравнения и синтеза;
  2. Осуществляя проблемно-поисковый метод самостоятельно получить из уравнения состояния Менделеева–Клапейрона газовые законы для изопроцессов;
  3. Научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач.

Ход урока

І. Мотивационный этап.

На прошлом уроке, мы получили уравнение состояния идеального газа. И теперь зная это уравнение можно вывести все три газовых закона на сегодняшнем уроке. Но в истории физики эти открытия были сделаны в обратном порядке: сначала экспериментально были получены газовые законы, и только потом они были обобщены в уравнение состояния. Этот путь занял почти 200лет.

Сегодня мы попробуем самостоятельно получить формулировки газовых законов.

II. Актуализация знаний.

1. Фронтальный опрос

Как называется модель, на которой рассматривают состояние газообразных тел. (идеальный газ)

Какими параметрами характеризуется состояние идеального газа. (давление, объём, температура)

Как называются эти параметры. (Макроскопические)

Какое уравнение связывает между собой эти параметры. PV=(m/M)RT

Как создаётся давление? (Число ударов молекул)

Как термодинамический параметр давление связан с микроскопическими параметрами? (Основное уравнение МКТ)

Как объём связан с микроскопическими параметрами? (Объём обратно пропорционален концентрации)

III. Изучение газовых законов.

Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газа было получено в середине XIX века французским физиком Б Клапейроном в форме (*) оно было впервые записано Д. И. Менделеевым. Поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Клапейрона–Менделеева.

p*Vm = R*T

Это уравнение называется уравнением состояния идеального газа.

Следует отметить, что задолго до того, как уравнение состояния идеального газа было теоретически получено на основе молекулярно-кинетической модели, закономерности поведения газов в различных условиях были хорошо изучены экспериментально. Поэтому уравнение (*) можно рассматривать как обобщение опытных фактов, которые находят объяснение в молекулярно-кинетической теории.

По сравнению с 17-18 в. для вас эта задача значительно упрощена. Выступая в роли исследователей, вам самим придётся анализировать, делать выводы, объяснять результаты. Итак, на сегодняшнем уроке мы выясним:

Понятие «Изопроцессы», Виды Изопроцессов, Газовые законы, Графические представления газовых законов.

Прежде чем перейти к основному изучению данной темы поговорим немного об основных понятиях , которые потребуются для объяснения увиденного

Газ может участвовать в различных тепловых процессах, при которых могут изменяться все параметры, описывающие его состояние (p, V и T). Если процесс протекает достаточно медленно, то в любой момент система близка к своему равновесному состоянию. Такие процессы называются квазистатическими. В привычном для нас масштабе времени эти процессы могут протекать и не очень медленно. Например, разрежения и сжатия газа в звуковой волне, происходящие сотни раз в секунду, можно рассматривать как квазистатический процесс. Квазистатические процессы могут быть изображены на диаграмме состояний (например, в координатах p, V) в виде некоторой траектории, каждая точка которой представляет равновесное состояние.

Интерес представляют процессы, в которых один из параметров (p, V или T) остается неизменным. Такие процессы называются изопроцессами.

Изотермический процесс (T = const)

Изотермическим процессом называют квазистатический процесс, протекающий при постоянной температуре T. Из уравнения (*) состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре T и неизменном количестве вещества ν в сосуде произведение давления p газа на его объем V должно оставаться постоянным:

pV = const.

<Рисунок 1>

На плоскости (p, V) изотермические процессы изображаются при различных значениях температуры T семейством гипербол p ~ 1 / V, которые называются изотермами. Так как коэффициент пропорциональности в этом соотношении увеличивается с ростом температуры, изотермы, соответствующие более высоким значениям температуры, располагаются на графике выше изотерм, соответствующих меньшим значениям температуры . Уравнение изотермического процесса было получено из эксперимента английским физиком Р. Бойлем (1662 г.) и независимо французским физиком Э. Мариоттом (1676 г.). Поэтому это уравнение называют законом Бойля–Мариотта.

<Рисунок 2>

Изохорный процесс (V = const)

Изохорный процесс – это процесс квазистатического нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме V и при условии, что количество вещества ν в сосуде остается неизменным.

Как следует из уравнения (*) состояния идеального газа, при этих условиях давление газа p изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре: p ~ T или

<Рисунок 3>

На плоскости (p, T) изохорные процессы для заданного количества вещества ν при различных значениях объема V изображаются семейством прямых линий, которые называются изохорами. Большим значениям объема соответствуют изохоры с меньшим наклоном по отношению к оси температур.

Экспериментально зависимость давления газа от температуры исследовал французский физик Ж. Шарль (1787 г.). Поэтому уравнение изохорного процесса называется законом Шарля.

Уравнение изохорного процесса может быть записано в виде:

где p0 – давление газа при T = T0 = 273,15 К (т. е. при температуре 0°С). Коэффициент α, равный (1/273,15) К-1, называют температурным коэффициентом давления.

Изобарный процесс (p = const)

Изобарным процессом называют квазистатический процесс, протекающий при неизменным давлении p.

Уравнение изобарного процесса для некоторого неизменного количества вещества ν имеет вид:

где V0 – объем газа при температуре 0°С. Коэффициент α равен (1/273,15) К-1. Его называют температурным коэффициентом объемного расширения газов.

<Рисунок 4>

На плоскости (V, T) изобарные процессы при разных значениях давления p изображаются семейством прямых линий которые называются изобарами.

<Рисунок 5>

Зависимость объема газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована французским физиком Ж. Гей-Люссаком (1862 г.). Поэтому уравнение изобарного процесса называют законом Гей-Люссака.

Экспериментально установленные законы Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака находят объяснение в молекулярно-кинетической теории газов. Они являются следствием уравнения состояния идеального газа.

IV. Закрепление.

<Рисунок 1>

1. Какой процесс изображён на данной диаграмме?

2. Как изменится график, если процесс будет происходить при большей температуре?

3. Чему равно давление газа при объёме 50 литров?

<Рисунок 3>

1. Какая неточность закралась в этот рисунок?

2. Какой это процесс?

3. Изобразите данный процесс в координатах (р ;T), (V; T).

<Рисунок 4>

1. Какой это процесс?

2. Как будет проходить график данного процесса при меньшем давлении?

3. Чему равен объём газа при температуре 250К?

V. Домашнее задание:

§71; Сборник задач Рымкевич №528; №534