Обобщение знаний о газовых законах

Разделы: Физика

Цели урока:

Образовательные:

  1. Подготовить учащихся к применению 1 закона термодинамики к различным изопроцессам.
  2. Изучить изопроцессы на установке для демонстрации процессов в газах.
  3. Научить учащихся решать аналитические и графические задачи, используя газовые законы.

Воспитательные:

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

Развивающие:

  1. Активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач
  2. Развитие умения самостоятельно решать проблемные ситуации.

Оборудование: Электроплитка, химический стакан, пробирка, прибор для изучения газовых законов, компьютер, проектор с экраном.

Ход урока

I. Разминка

а) «Хотите чаю?» – спросил хозяин дома, пришедшего к нему Шерлока Холмса.

– Да, – ответил гость.

– Вот и хорошо, – сказал хозяин, – сладкого?

–Да, – подтвердил Холмс.

– Я люблю горячий чай, поэтому кладу в него кусочки сахара только перед тем, как пить, – продолжил хозяин.

– Разумнее это делать раньше, сразу как вам налили чай, – посоветовал Шерлок Холмс.

Прав ли он?

Ответ: Прав. Если сахар положить сразу в горячий чай, его температура тут же понизится: чем меньше она будет отличаться от комнатной, тем медленней чай будет остывать. (тепловое равновесие)

б) Найти ошибки в рисунках, где m = const.

II. Повторение

а) изотермический процесс, изохорный процесс, изобарный процесс.

1. Работа с таблицей: Учащиеся имеют перед собой графики – для изотермического в координатах (р,V), для изохорного – (р,T), для изобарного – (V,T) и координатные системы без графиков. Учащиеся должны определить вид процесса , написать газовые законы и дорисовать остальные графики, а желающие – для двух различных значений. После выполнения работы графики проецируем на экран и каждый ученик проверяет работу своего соседа.

Графики должны иметь вид:

2. Показ опытов с помощью самодельного прибора: Перед учащимися создаем проблемную ситуацию - объяснить наблюдаемое явление.

а) Какие термодинамические параметры не изменяются?
б) Как происходит изменение других параметров?
в) Как называется данный процесс?

Для изучения процессов в газах применяем демонстрационную установку, показанную на следующем рисунке:

1 – Медицинский шприц на 20 мл,
2 – жидкостный манометр,
3 – сосуд с воздухом,
4 – мультиметр М 838,
5 – электроплитка,
6 – термопара,
7 – демонстрационный манометр.

Для успешной работы прибора должна быть обеспечена герметичность, а вместо мультиметра М 838 можно использовать другой, который измеряет температуру по шкале Цельсия.

  • Демонстрация изотермического процесса. Рукой медленно поднимаем и опускаем поршень шприца, а температура остается постоянной.
  • Демонстрация изохорного процесса. Жидкостный манометр заменяем демонстрационным манометром и включаем электроплитку. Наблюдаем повышение температуры и давления газа.
  • Демонстрация изобарного процесса. Продолжаем нагревание. Когда сила давления газа на поршень будет достаточной, начнется изобарное расширение газа – поршень поднимается. Отмечаем неизменность показаний манометра, хотя температура газа растет.

Установка может служить моделью тепловой машины. На ней можно показать основные элементы любой тепловой машины, продемонстрировать простой цикл машины. Нагревателем служит электроплитка, холодильником – окружающий воздух, рабочим телом – газ в колбе и в шприце под поршнем. Опишем цикл машины, состоящий их двух изохор и из двух изобар.

Исходное состояние – поршень в нижнем положении, на котором стоит груз массой 10-20 г. Включаем электроплитку. Давление и температура газа начинают расти, что фиксируются манометром и мультиметром. Объем газа остается при этом остается постоянным до тех пор, пока сила давления на поршень не превышает веса поршня и груза. Рабочее тело совершает процесс (участок 1-2). Далее поршень поднимается при постоянном давлении газа (участок 2-3), показания манометра не меняются. Температура же продолжает расти. Рабочее тело на участке 1-2-3 получило от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Выключаем и убираем электроплитку. Убираем груз. Рабочее тело отдаст холодильнику некоторое количество теплоты Q2. При этом давление газа сначала уменьшится изохорно (участок 3-4) (пока сила давления газа больше веса поршня), потом изобарно (участок 4-1). Обращаем внимание учащихся на то, что давление на участке 4-1 меньше, чем на участке 2-3. Это четко видно из показаний манометра. Температура снова становится комнатной, что наблюдается по показаниям мультиметра. Цикл завершен, совешена работа по поднятию груза.

3. Решение экспериментальной задачи: Показываем следующий опыт – на электроплитку ставим высокий химический стакан с водой. Внутри воды находится перевернутая пробирка, частично заполненная водой. Резинкой отмечаем первоначальный уровень воды в пробирке. Можно сделать подсвет, ставя между установкой и лампой подсвета лист ватмана. По мере нагревания пробирка всплывает, охлаждается, касаясь с наружным воздухом и опускается на дно. Учащихся просим объяснить этот опыт.

(После нагревания воздуха в пробирке, он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате уменьшается сила тяжести системы состоящей из пробирки и воды в ней. Как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы, пробирка всплывает.)

Этот опыт показываем ещё раз при изучении принципа действия тепловых машин.

IV. Применение газовых законов в жизни

Изотермическим можно приближенно считать процесс медленного сжатия воздуха или расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда. Правда температура газа при этом меняется, но в первом приближении этим изменением можно пренебречь. Однако газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине. Закон Бойля-Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха. При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (pV = const), и вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Другими словами воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выровняются. Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.

Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

Изохорным можно считать увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании.

V. Фронтальный опрос

Работу выполняют на тех же листах, где учащиеся работали с графиками, на обратной стороне. Задачи решаются полностью.

  1. Газ находится в цилиндре с подвижным поршнем и при температуре 300К занимает объем 200 см3. Какой объем (в см3) займет газ при температуре 270 К. Давление постоянно.
    а) 420, б) 222, в) 405, г) 180.
  2. Газ охладили при постоянном объеме от 127°С до 27°С. На сколько % надо после этого уменьшить объем газа в изотермическом процессе, чтобы давление стало равно первоначальному?
    а) 25, б) 125, в) 100, г) 75.
  3. Резиновую лодку надули утром, когда температура воздуха была 7°С. На сколько % увеличилось давление воздуха в лодке, если днем он прогрелся до 21°С? Объем лодки не изменился.
    а) 25, б) 10, в) 5, г) 15, д) 20.
  4. На сколько % надо уменьшить абсолютную температуру газа при увеличении его объема в 6 раз, чтобы давление упало в 10 раз?
    а) 20, б) 30, в) 40, г) 50, д) 10.
  5. На какой глубине объем пузырька воздуха, поднимающегося со дна водоема, в 2 раза меньше, чем на поверхности? Атмосферное давление 100 кПа. Температура не изменяется.
    а) 20 м, б) 15 м, в) 5 м, г) 10 м, д) 8 м.

VI. Подведение итогов

  1. Что нового узнали? Чему научились?
  2. Домашнее задание: §71, упр. 13(11) (Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский «ФИЗИКА 10 класс).