Методическая разработка урока физики в 10-м классе "Исследование изотермического процесса"

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цель урока: установление зависимости между двумя термодинамическими параметрами при неизменном третьем в процессе изучения фундаментальных экспериментов Бойля и Мариотта и экспериментальная проверка справедливости газовых законов.

Наглядные пособия и оборудование, необходимые для проведения данного урока:

1. Таблица «Идеальный газ»;
2. Таблица «Температура. Шкалы температуры»;
3. Проект в электронном виде «Идеальный газ. Температура»;
4. Оборудование и программа лаборатории «L-Микро» для изучения изотермического процесса;
5. Манометр и гофрированный сосуд для изучения газовых законов;
6. Насос Камовского, тарелка вакуумная с вакуумметром и колпаком;
7. Резиновый шар;
8. Оборудование для проведения лабораторной работы (15 комплектов):
•  прозрачная трубка с краном на концах,
• мерный цилиндр,
• измерительная лента,
• термометр,
• барометр.

ХОД УРОКА

 1. Подготовка к восприятию нового материала (работа с таблицами и проектом)

Учащиеся отвечают на вопросы учителя:

1. Как называются величины, характеризующие состояние термодинамической системы без учёта молекулярного строения тел?
2. Какие термодинамические параметры характеризуют состоянием газа?
3. Если бросить в стакан с водой кусочек льда и закрыть стакан плотной крышкой, что произойдёт спустя длительный промежуток времени?
4. Какой вывод можно сделать?
5. Что понимают под тепловым равновесием?
6. Какая физическая величина характеризует состояние теплового равновесия?
7. Как можно истолковать температуру с точки зрения молекулярно-кинетической теории?

2. Изучение нового материала

Учитель сопровождает объяснение  демонстрацией физического эксперимента и  фрагментов проекта.

2.1. Определение уравнения состояния.

– Сегодня мы познакомимся с эмпирическими законами поведения самого простого макроскопического тела-газа. Эмпирические законы получают в результате наблюдений или выполнения экспериментов. Именно открытие и исследование газовых законов дало возможность ввести понятие «абсолютной температуры». Поведение газа можно охарактеризовать с помощью физических величин, относящихся не к отдельным молекулам, слагающим тела, а ко всему макроскопическому телу в целом.
Диалог с учащимися:

1. Как называются величины, характеризующие состояние термодинамической системы без учёта молекулярного строения тел? (Макроскопическими, или термодинамическими, параметрами).
2. Какие термодинамические параметры характеризуют состоянием газа? (Объём, давление, температура. Для смеси газов нужно знать концентрации отдельных компонентов смеси, характеристики электрического и магнитного полей в веществе.)
3. Если бросить в стакан с водой кусочек льда и закрыть стакан плотной крышкой, что произойдёт спустя длительный промежуток времени? (Когда лёд растает, вода начнёт нагреваться; после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.)
4. Какой вывод можно сделать? (Система при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.)
5. Что понимают под тепловым равновесием? (Под тепловым, или термодинамическим, равновесием понимают такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.)
6. Какая физическая величина характеризует состояние теплового равновесия? (Во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.)
7. Как можно истолковать температуру с точки зрения молекулярно-кинетической теории? (Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул в макроскопических телах.)

Опыт №1.

Под вакуумную тарелку насоса поместим надутый до размеров яблока воздушный шарик. Откачивая воздух из-под купола насоса, обнаружим увеличение размеров шарика в несколько раз. Процесс откачивания воздуха сопровождается охлаждением воздуха под куполом и внутри шарика. Объём, давление и температура воздуха в шарике изменяются.

Уравнение, определяющее связь температуры, объёма и давления тел, называют уравнением состояния.

2.2. Определение равновесных и неравновесных процессов.

При медленном протекании процесса в любой момент времени успевает устанавливаться новое состояние равновесия с новыми значениями давления и объёма. Такие медленные процессы называют равновесными. Если после медленного сжатия проводить процесс в обратном направлении, т.е. предоставить газу возможность медленно расширяться, то он пройдёт через ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. По этой причине равновесные процессы называются обратимыми.

2.3. Закон Бойля – Мариотта.

Первый газовый закон был открыт английским учёным Робертом Бойлем в 1662 году и опубликован во втором издании его книги «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». Бойль изучал изменения давления газа в зависимости от объёма при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos – равный, therme – тепло). Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении опыта.
Бойль наблюдал за изменением объёма воздуха, запертого в длинной изогнутой трубке столбом ртути. Вначале уровни ртути в обоих коленах трубки были одинаковыми, и давление воздуха было равно атмосферному, т.е. 760 мм ртутного столба. Доливая ртуть в длинное колено трубки, Бойль заметил, что объём воздуха уменьшился вдвое, когда разность уровней в обоих коленах оказалась равной 760 мм, и, следовательно, давление увеличилось вдвое. Это навело Бойля на мысль о том, что объём данной массы газа и его давление находятся в обратно пропорциональной зависимости. В 1667 году независимо от Бойля этот же закон установил французский физик Эдм Мариотт (1620-1684). Он проделал аналогичные опыты и в 1679 г. описал их в своей работе «Речи о природе воздуха». Поэтому закон, связывающий давление газа и его объём, называется законом Бойля – Мариотта. Согласно этому закону давление данной массы (или количества) газа при постоянной температуре обратно пропорционально объёму газа: p ~ 1/V. [1, 4]

Опыт №2.

Герметичный гофрированный сосуд соединён с манометром, регистрирующим давление внутри сосуда. Вращением винта можно изменять объём сосуда. Об объёме можно судить с помощью линейки. Меняя объём и измеряя давление, можно заметить, что выполняется уравнение P * V = const при t = const. Произведение давления данной массы газа на его объём постоянно, если температура не меняется.

Опыт №3.  «Экспериментальное определение зависимости давления газа от объёма при постоянной температуре».

Запустить программу L-физика. Выбрать раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нём – эксперимент «Изотермический процесс». Медленно вращая рукоятку винта, сжимаем газ и переводим поршень в другое предельное положение. Кривые и цифровые индикаторы на экране при этом показывают изменение давления и объёма газа от занимаемого им объёма. На экране монитора учащиеся видят гиперболу.
На втором экране те же самые полученные в эксперименте точки перестраиваются в координатах (1/V, P). Для изотермического процесса зависимость 1/V от Р представляет собой  линейную функцию. [3]

Таблица 1. Характеристики изотермического процесса [2]

3. Закрепление учащимися нового материала в ходе выполнения лабораторной работы  «Исследование изотермического процесса» [3]

Оборудование:

• прозрачная трубка с краном на концах;
• мерный цилиндр;
• измерительная лента;
• термометр;
• барометр (один на весь класс).

Цель работы: проверить соотношение между объёмом и давлением определённого количества газа при его изотермическом сжатии. В соответствии с законом Бойля – Мариотта это соотношение должно иметь вид: V₁P₁ = V₂P₂, где V₁  и V₂ – объёмы, занимаемые газом соответственно до и после сжатия, а P₁  и P₂ – его давления.

Объектом изучения в работе является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. До сжатия он имеет следующие параметры: давление равно атмосферному, объём равен объёму внутренней полости трубки, температура – комнатная.
Для сжатия воздуха в трубке один из кранов закрывают. Второй кран оставляют открытым. Конец трубки с открытым  краном погружают до дна мерного цилиндра, который предварительно заполняют водой комнатной температуры, не долив до края 15-20 мм. Через открытый кран в трубку заходит вода и сжимает воздух до тех пор, пока его давление не сравняется с внешним давлением. Таким образом, после сжатия параметры воздуха окажутся следующими. Объём будет равен объёму внутренней полости за вычетом объёма воды, вошедшей в трубку. Давление возрастает на величину гидростатического давления столба воды в цилиндре. Температура не изменится.

Выполнение работы:

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений (Табл.2):

Таблица 2

L1, мм	Р1, Па	Lмм	L2,мм	h,мм	Рв, Па	Р2,Па	L1P1	L2P2

2. Измерить длину воздушного столба в трубке L₁.
3. Закрыть один кран и погрузить конец трубки с открытым краном в мерный цилиндр до дна.
4. Измерить длину столба воды, вошедшей в трубку   – L.
5. Измерить разницу уровней воды в мерном цилиндре и в трубке –  h.
6. Вычислить длину воздушного столба в трубке после сжатия L₂ = L₁ – L.
7. Вычислить гидростатическое давление воды Рв = gh.
8. Вычислить давление воздуха в трубке после сжатия Р₂ = Р₁ + Рв .
9. Вычислить произведения L₁P₁, L₂P₂ сделать вывод о том, насколько точно изменение параметров газа в проделанном опыте соответствует закону Бойля – Мариотта.
10. Укажите причины, повлиявшие на точность полученных результатов.
11. Посчитать относительную и абсолютную погрешность измерений.

Контрольные вопросы.

1. Почему процесс сжатия воздуха в данной работе можно считать изотермическим?
2. Какие условия должны выполняться, чтобы, изменения параметров газа соответствовали закону Бойля – Мариотта?

4. После выполнения лабораторной работы учащиеся зачитывают свои выводы о выполнении закона Бойля – Мариотта, оценивают правдоподобность полученных результатов, предлагают способы улучшения эксперимента.

5. Домашнее задание:

1. Учить теоретический материал.(§ 3.1-3.5 из учебника для углублённого изучения физики для 10 класса «Молекулярная физика. Термодинамика» Г.Я. Мякишева и А.З.Синякова);
2. Подготовить отчёт по лабораторной работе «Исследование изотермического процесса».
3. Начать подготовку к теоретическому зачёту по теме «Изопроцессы в газах» в соответствии со следующими вопросами:
1. Что понимают под уравнением состояния идеального газа?
2. Какие процессы называют равновесными?
3. Какие процессы называют неравновесными?
4. Кем и когда был установлен закон для изотермического процесса?
5. Нарисовать схему исторического опыта для изотермического процесса.
6. Сформулировать закон для изотермического процесса.
7. Начертить изотермы в PV, VT, PT координатах.
8. Кем и когда был установлен закон для изобарного процесса?
9. Нарисовать схему исторического опыта для изобарного процесса.
10. Сформулировать закон для изобарного процесса.
11. Начертить изобары в PV, VT, PT координатах.
12. Ввести понятие идеального газа.
13. Ввести понятие абсолютной температуры.
14. Записать формулу, связывающую абсолютную температуру с температурой по   шкале Цельсия.
15. Кем и когда был установлен закон для изохорного процесса?
16. Сформулировать закон для изохорного процесса.
17. Начертить изохоры в PV, VT, PT координатах.
18. Сформулировать закон Авогадро.
19. Сформулировать закон Дальтона.
20. Какое свойство газов используют в идеальной газовой шкале температур?

Список использованной литературы:

1. Г.Я.Мякишев, А.З.Синяков. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 класс. Учебник для углублённого изучения физики.  – М: Дрофа, 2001.
2. Г.В.Маркина. Физика. 10 класс (поурочные планы). – Волгоград: Учитель, 2002.
3. Методические рекомендации к лаборатории «L-Микро».
4. Н.С.Пурышева, Н.В.Шаронова, Д.А.Исаев Фундаментальные эксперименты в физической науке. Элективный курс. – М.: Бином, 2005.