Образовательная цель: усвоение учащимися знаний
- термодинамическая система – газ в закрытом сосуде;
- изотермический процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре;
- для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно.
Цель по развитию учащихся: овладение учащимися видами деятельности:
- выявление устойчивой связи между давлением газа и его объемом в закрытом сосуде при постоянной температуре;
- получение графической интерпретации изотермического процесса;
- продолжение формирования познавательного интереса учащихся.
Оборудование: герметический гофрированный сосуд (сильфон), комплект листов для учащихся с таблицей, миллиметровой бумагой с заготовленными и необозначенными координатными осями, с рисунком к задаче № 2, закладки – светофоры с передвигающейся внешней частью, способной оставлять один цвет на закладке, перекрывая другие.
Ход урока
1. Актуализация знаний и действий.
Учитель: Здравствуйте, ребята! На прошлом уроке вы познакомились с примерами термодинамических систем. Вспомните их пожалуйста.
Ответ: Воздух, вода в закрытом сосуде при нормальных условиях.
Учитель: Говоря о термодинамической системе, мы выделили макроскопические параметры системы. Что это за параметры?
Ответ: Температура, объем, давление и масса.
Учитель: Что характеризует температура?
Ответ: Температура – это физическая величина, которая характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся в тепловом равновесии друг с другом, имеют одну и ту же температуру.
Учитель: Как вы думаете, как зависят друг от друга макропараметры, характеризующие термодинамическую систему?
Ответ: ...(затрудняются).
Учитель: Упростим задачу: будем рассматривать газ в закрытом сосуде как термодинамическую систему. Что это означает?
Ответ: Это означает, что мы зафиксировали массу газа, находящегося в сосуде. Она не будет меняться.
Учитель: Для большего упрощения задачи можно поочередно фиксировать еще один из оставшихся трех макропараметров: температуру, давление и объем и в течение перехода системы из одного состояния в другое, т.е. в ходе протекания определенного процесса рассмотреть, как изменяются два оставшихся макропараметра. Надо сказать, что процессы, протекающие при неизменном значении одного из макропараметров, называют изопроцессами. Тогда отыскать зависимость между ними будет гораздо проще. Сегодня мы посвятим свой урок отысканию такой зависимости для выбранной термодинамической системы (газа в закрытом сосуде) при неизменном значении первого выбранного макропараметра: температуры. Мы будем говорить сегодня об изотермическом процессе (от греческого слова “isos” - равный, “termos” -теплый). Это и будет темой нашего урока.
Ученики пишут в тетрадях тему урока “Изотермический процесс” и дают ему определение:
Изотермический процесс – это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.
Учитель: Если мы зафиксировали массу и температуру термодинамической системы, то как связаны между собой давление газа и его объем? И связаны ли они вообще друг с другом? Как вы думаете, что поможет нам ответить на поставленные вопросы?
Ответ: Эксперимент по проверке наличия или отсутствия зависимости между этими величинами. Если зависимость существует, выяснить, как она выражается математически.
2. Организация деятельности учащихся по получению закона на качественном уровне.
Учитель: Итак, проведем эксперимент. Для этого используем прибор, который называется сильфон (демонстрирует его учащимся). Этот прибор представляет собой герметический гофрированный сосуд, соединенной с манометром, который регистрирует давление газа внутри сосуда. При вращении винта объем сосуда меняется. С помощью шкалы, представленной в условных единицах, можно судить об объеме газа. Как назовем эксперимент?
Ответ: Назовем его “Исследование зависимости давления газа от его объема при неизменной температуре”.
Учитель: В чем цель этого эксперимента?
Ответ: Убедиться в отсутствии или наличии зависимости давления газа данной массы от объема, если температура газа не меняется. Определить математически эту зависимость (при ее обнаружении) (ученики записывают название работы и ее цель в тетради).
Учитель: Для проведения эксперимента используем термодинамическую систему – газ в закрытом сосуде (ученики заполняют предложенные таблицы). Поочередно заполним таблицу, которая есть у каждого на парте.
| Термодинамическая система | Фиксированный параметр | № опыта | объем V, усл. ед. | давление p, Па | p V |
| Газ в закрытом сосуде (m-не изменяется) - записывают ученики |
|||||
Учитель: Какой параметр зафиксирован при изотермическом процессе?
Ответ: Температура (записывают в таблицу).
Учитель: Проводим эксперимент. Как вы думаете, чему равна температура газа в сосуде?
Ответ: Температура газа в сосуде равна температуре окружающего воздуха.
Учитель: Если закрыть кран манометра и изменить объем воздуха на определенную величину, то термодинамическая система придет в равновесное состояние, а взаимодействующие тела будут иметь одинаковую температуру – температуру окружающего воздуха.
Измерим давление p с помощью манометра и объем газа V по шкале в условных единицах, ориентируемся на указатель, крышки прибора (просит помощи ученика записать значения): начальный объем сильфона равен 5 условным единицам, а давление 1 Н/см2=10000 Па ( ученики записывают в таблицу).
Учитель: Медленно меняем объем воздуха в приборе и доводим его до 8 условных единиц. Снимаем показания с манометра – приблизительно 0,625 Н/см2 = 6250 Па. Что можно сказать о давлении при увеличении объема?
Ответ: Давление уменьшилось.
Учитель: Снова медленно меняем объем до 10 условных единиц. Каково показание манометра? Что произошло с давлением?
Ответ: Оно снова уменьшилось. Давление равно 0,5 Н/см2 = 5000 Па.
Учитель: Какую информацию мы извлекли из результатов этого эксперимента?
Ответ: Эксперимент показал, что давление газа в сильфоне зависит от его объема. Чем больше объем, тем меньше давление.
Учитель: Правильно. Как вы думаете, какую еще информацию мы можем извлечь из результатов эксперимента?
Ответ:... (испытывают затруднения)
3. Организация деятельности учащихся по “открытию” закона зависимости давления газа данной массы от его объема при неизменной температуре.
Учитель: Вспомните цели нашего эксперимента.
Ответ: Мы убедились в наличии зависимости давления газа данной массы от объема, если температура газа не меняется. Теперь надо изучить вид этой зависимости.
Учитель: Для этого построим график этой зависимости. Обратим внимание на заготовленные координатные оси на миллиметровой бумаге. Как мы обозначим оси, если нам надо получить зависимость давления газа от его объема при неизменной температуре? Подумайте, какой выбрать масштаб, чтобы он был удобен для откладывания наших значений.
Ответ: Объем будем откладывать по горизонтальной оси, а давление по вертикальной.
Учитель: Приступаем к изображению точек графика.
Учитель: Ребята, соедините получившиеся точки. Что у вас получилось?
Ответ: Кривая.
Учитель: Если соединить отмеченные точки, то мы получим кривую, которую в математике называют гиперболой, точнее ветвью гиперболы. Она является графическим отображением обратной пропорциональности между величинами. Обратная пропорциональность говорит, что если одна величина увеличивается в несколько раз, то другая величина во столько же раз уменьшается и наоборот. Что же это в нашем случае означает?
Ответ: Это означает, что при изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объему: p ~ 1/V, а объем газа обратно пропорционален его давлению:
Учитель: Вспомним, что означает “пропорциональные” величины. Пропорциональными называются две взаимно зависимые величины, если отношение их значений остается неизменным. Давайте убедимся, что это на самом деле так, что давление газа и его объем при постоянной температуре обратно пропорциональны. Найдем отношение p к 1/V в наших случаях. Отношение
должно быть неизменным.
(Ученики вычисляют эти значения для трех опытов, убеждаются, что произведение pV равно одному и тому же значению с учетом погрешности).
Учитель: Какой же вывод можно сделать?
Ответ: При неизменной массе газа и постоянной температуре произведение давления газа на его объем в начальном состоянии равно произведению давления газа на его объем в конечном состоянии.
Учитель: Действительно, многочисленные опыты показывают, что соотношение справедливо не только для двух состояний термодинамической равновесной системы, но и для любых других состояниях данной системы. К такому выводу пришли независимо друг от друга в XVII веке английский физик Роберт Бойль и французский физик Эдм Мариотт. Поэтому количественная зависимость между давлением и объемом газа при постоянном значении температуры носит название закона Бойля-Мариотта:
Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется:
p V = соnst или
p 1V1 = p 2V2 (ученики записывают в тетрадях).
Учитель: Ребята, вклейте в рабочую тетрадь таблицу эксперимента и график изотермического процесса. Продолжите график за отмеченные точки как принято в математике. Этот график называется изотермой (подпишите).
Учитель: Как вы думаете, всегда ли справедлив закон Бойля-Мариотта?
Ответ:...... (затрудняются).
Учитель: Опыты показывают, что этот закон справедлив для газов при небольших давлениях, точнее сказать для разреженных газов. Физическую модель реального разреженного газа мы и будем рассматривать. Называют ее идеальным газом. Реальные разреженные газы ведут себя аналогично идеальному газу, например воздух при атмосферном давлении. И при предстоящем знакомстве с другими изопроцессами мы будем использовать эту модель – модель идеального газа.
Учитель: А какие явления можно объяснить применением закона Бойля-Мариотта?
Ответ (сообщения учащихся):
Ритмичное дыхание грудной клетки еще не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе за счет работы межреберных мышц объем грудной клетки увеличивается. При этом давление воздуха в легких падает ниже атмосферного: вследствие образовавшейся разности давления происходит вдох. Затем вследствие расслабления мышц объем грудной клетки уменьшается, давление в легких становится выше атмосферного – происходит выдох.
При изотермическом процессе можно менять объем газа, изменяя при этом давление. Потребление газов вообще, а сжатых в особенности, в настоящее время достаточно велико. Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорами. Открытие природных месторождений газа, необходимость доставки его в населенные пункты и промышленные предприятия способствовали созданию очень протяженной и разветвленной сети газопроводов, транспорт газа по которым немыслим без применения компрессоров высокого давления, развивающих подачи газа большого объема. В технологических производствах, связанных с процессами, протекающими в газовых средах, компрессоры должны создавать необходимое давление в системах и развивать подачу определенного количества газа. Достаточно отметить, что через каждые 100—150 км газопроводов необходимо устанавливать компрессорные станции, перекачивающие до нескольких миллионов кубометров газа в сутки.
4. Закрепление полученных знаний.
Учитель: А теперь попробуем выполнить следующие задания.
(выполняют учащиеся с места и у доски).
1. Как изменится давление воздуха в закрытом сосуде при постоянной температуре, если его объем уменьшится в 4 раза?
2. Как изменится давление воздуха в цилиндре, если поршень переместили на вверх на h/3? Вниз на h/5? Процесс считать изотермическим.
3. При изотермическом увеличении в 4 раза давления газа его объем уменьшился на 600 см3. Найдите первоначальный объем газа.
Дано: Решение: по закону Бойля-Мариотта m - соnst t - соnst
p 2 = 4 p 1
V2 =V1 - 600 см3= V1 – 0,0006 м3
V1-?
p 1V1 = p 2V2 p 1V1=4 p 1 (V1 – 0,0006 м3)
V1=4 (V1 – 0,0006 м3)
3 V1 =0,0024 м3
V1=0,0008 м3
Ответ: 800 см3
5. Подведение итогов.
Учитель (ведет работу по вопросам):
- С чем мы познакомились на сегодняшнем уроке?
- Как звучит закон Бойля-Мариотта?
- Что означает, что давление газа при изотермическом процессе обратно пропорционально объему и наоборот?
- Как наглядно представить зависимость между давлением газа в закрытом сосуде и его объемом при постоянной температуре?
Учитель: Молодцы! Справились со всеми заданиями: решили качественные и количественные задачи, дали ответы на вопросы. Это пригодиться вам при выполнении домашнего задания: п. 2, РТ 1: № 1,7,10.
Кроме того вы сами на следующем уроки еще раз в ходе выполнения лабораторной работы проведете проверку закона Бойля-Мариотта.
А сейчас выполните, пожалуйста, следующее задание: у всех вас на столе лежат закладки-светофоры. Если вам урок понравился, было интересно – выделите на светофоре зеленый цвет, если вам было неуютно – выделите желтый цвет, а если вам не понравилось на уроке – красный цвет.
Учитель: Урок окончен. Спасибо за внимание.
Литература:
- Л.С. Хижнякова, А.А. Синявина. Физика: 8 класс: учебник для учащихся общеобразовательных организаций-М.Вентана-Граф, 2016.
- Л.С. Хижнякова, А.А. Синявина, С.А.Холина. Физика: 8 класс: методика и технологии обучения: методическое пособие-М. Вентана-Граф, 2012.
- Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики-М.Просвещение,1998.
- Материалы курса “Эксперимент как метапредметная деятельность: реализация ФГОС на примере курса физики”: – М.: Педагогический университет “Первое сентября”.