На свете есть вещи важнее самых
замечательных открытий - это знание методов,
которыми эти открытия были сделаны.
Готфрид Лейбниц
Методы обучения предмету «Физика» очень многообразны. Одним из факторов понимания является умение решать задачи. Как без логического мышления, без научных знаний решить задачу. Решение задач это и труд, и собранность, и умение преодолеть себя, понять, что ты можешь. А вот научить этому - очень нелегкая задача учителя. Существует немало методов, которые бы привели наших учеников к успеху, и сегодня хотелось бы поделиться с вами одним из них. Этот метод позаимствован у учителей информатики, так как впервые учащиеся знакомятся с понятием АЛГОРИТМА в начале изучения курса информатики. Еще в 90г.г. был издан замечательный учебник «Основы информатики и вычислительной техники» под редакцией А.П.Ершова, он и дал нам инструмент - алгоритмический язык.[8]
Алгори́тм (лат. algorithmi - от имени среднеазиатского математика Аль-Хорезми) - конечная совокупность точно заданных правил решения некоторого класса задач или набор инструкций, описывающих порядок действий исполнителя для решения определённой задачи.
Используя законы логики и законы физики, возможно создать алгоритмы решения задач, то есть такие предписания, которые позволили бы на основе определенной системы элементарных действий безошибочно находить искомый результат. Ведь привитие обучающимся умений и навыков в выполнении действий по строго установленным правилам имеет общеобразовательное, воспитательное и практическое значение. Ученики приучаются к строгости в рассуждениях и действиях, подготавливаются к выполнению операций по инструкциям, что весьма важно в современном производстве, оснащенном сложными устройствами и приборами.
Составление алгоритмов для решения физических задач крайне затруднительно. Физические задачи весьма разнообразны. Их решение - это, прежде всего, творческий процесс. Кроме того, даже при составлении строгих предписаний для какого-либо узкого класса задач часто нельзя быть полностью уверенным в том, что каждый шаг или "элементарная" операция действительно является "элементарной", т.е. простой и очевидной для учащихся. Тем не менее перечни отдельных правил или предписаний алгоритмического типа при решении задач необходимы и существуют. [1]
Например: алгоритм решения задач на применение закона сохранения импульса. (Здесь идет такая ступенчатая нумерация действий).
- Выбрать систему отчета.
- Рассмотреть систему взаимодействующих тел
- Определить импульсы тел системы до и после взаимодействия.
- Применить закон сохранения импульса к системе взаимодействующих тел, записать его в векторной форме и в проекциях на координатную ось.
- Решить уравнение относительно искомой физической величины.
- Подставить числовые данные и записать ответ.
Или вот, например алгоритм решения задач по «Термодинамике»:
- Проанализировать условие задачи; проверить систему тел на замкнутость; определить, какие тела участвуют в теплообмене.
- Записать краткое условие задачи в единицах СИ.
- Определить для каждого тела, какие процессы с ним происходят при теплообмене.
- Записать для каждого процесса формулу для вычисления количества теплоты, выделенной или поглощенной.
- Составить уравнение теплового баланса.
- Вывести формулу для расчета искомой величины.
- Вычислить значение искомой величины.
- Проконтролировать размерность и ответ. Мы используем методику решения задач с помощью блок-схем по термодинамике. Блок-схема - распространённый тип схем (графических моделей), описывающих алгоритмы или процессы, в которых отдельные шаги изображаются в виде блоков различной формы, соединённых между собой линиями или стрелками, указывающими направление последовательности.
Основной идеей при использовании такого метода является наглядность.
Начало закладывается в 7 классе (А.В.Перышкин) [5] обеспечивается усвоение знаний о физических особенностях отдельных агрегатных состояний веществ.
В 8 классе (по А.В.Перышкину) [6] закладывается понимание и способность объяснять физические явления: конвекция, излучение, теплопроводность, изменение внутренней энергии тела в результате теплопередачи или работы внешних сил, определения удельной теплоемкости вещества, понимание смысла закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах и умение применять его на практике, овладение способами выполнения расчетов для нахождения, удельной теплоемкости, количества теплоты, удельной теплоты сгорания топлива, удельной теплоты плавления, удельной теплоты парообразования и конденсации, КПД теплового двигателя, умение использовать полученные знания в повседневной жизни (экология, быт, охрана окружающей среды).[1]
Ну, а в десятом классе мы подходим к полноценному пониманию тепловых процессов т. е. познаём их более глубоко: модель идеального газа, абсолютная температура, температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц, связь между давлением идеального газа и средней кинетической энергией теплового движения его молекул, уравнение состояния идеального газа, изопроцессы, границы применимости модели идеального газа, внутренняя энергия и способы ее изменения, первый закон термодинамики, расчет количества теплоты при изменении агрегатного состояния вещества, адиабатный процесс, второй закон термодинамики и его статистическое истолкование, принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, проблемы энергетики и охрана окружающей среды. [7] В преддверии раздела термодинамики дается вот такая опорная схема связывающая различные законы и уравнения.
А теперь перейдем к первому закону термодинамики: Например:
Как можно изменить внутреннюю энергию? Существуют два способа.
- Совершение работы самим телом, или совершение работы над телом.
- Передача количества теплоты телу или наоборот, забираем у тела некоторое количество теплоты.
Первый закон термодинамики гласит: Изменение внутренней энергии происходит за счет совершения работы и передачи или отбора количества теплоты:
⁺₋ ΔU = ⁺₋ А + ⁺₋ Q
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам с учетом блок-схем
Предварительно вводим обозначения:
Направление стрелки на блок - схеме показывает направление:
Количества теплоты от системы или к системе;
Работы совершаемой над газом или самим газом. [3]
Ниже приведена таблица, в которой расписано применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Она интересна тем, что формула для закона сформулирована с учетом блок - схемы.[1]
Таблица №1. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.
В качестве примеров использования этой таблицы решим несколько задач.
Задача 1. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается на ΔU= 600 Дж и он совершает работу А= 200 Дж. Какое количество теплоты сообщили телу?
Составим блок-схему данной задачи.
Значит, следуя схеме, напишем формулу первого закона термодинамики: все тепло, которое передано системе, идет на увеличение внутренней энергии и совершении газом работы.
Q = ΔU + A; Q = 600 Дж + 200 Дж = 800 Дж
Задача 2. Газу сообщают количество теплоты Q= 7 кДж. При этом η= 60 % подведенного тепла идет на увеличение внутренней энергии газа. Найти работу, совершаемую газом.
Газу передано количество теплоты, которое расходуется на увеличение его внутренней энергии и совершение им работы. Блок-схема этой задачи выглядит следующим образом:
Формула первого закона термодинамики выглядит так:
Q = ΔU + A т.к. 60% от Q идет на увеличение внутренней энергии,
то запишем формулу: Q = 0.6 • Q + A 0.6 • Q = ΔU
Отсюда A = Q - 0,6 • Q = 0, 4 • Q = 0.4• 7000 Дж = 2800 Дж = 2,8 кДж
Задание № 7350. Газ в некотором процессе отдал количество теплоты 35кДж, а внутренняя энергия газа в этом процессе увеличилась на 10 кДж. Какую работу совершили над газом?
Составим блок-схему процесса.
Изменение внутренней энергии системы покажем стрелочкой [3]
Раз газ отдаёт отдает Q то на блок схеме стрелка вверх от термодинамической системы, а так как внешние силы совершают работу над газом то стрелочка к системе.
Решение:
Согласно первому началу термодинамики изменение энергии газа равно разнице между совершённой над ним работой внешних сил и отданным газом теплом. Следовательно, работа которую совершили над газом внешние силы равна 45 Дж.
Задание 11 №1110. В процессе эксперимента газ отдал окружающей среде количество теплоты, равное 3 кДж. При этом внутренняя энергия газа уменьшилась на 13 кДж. Следовательно, газ расширился. Какую работу он при этом совершил?
Составить блок-схему процесса.
(Отдал Q стрелка вверх от системы, совершил работу, стрелка от системы)
Решение:
Согласно первому началу термодинамики, тепло, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
- ΔU = - Q - A отсюда находим работу газа А = ΔU - Q = 13 - 3= 10 кДж
Задание №10282. В процессе адиабатного сжатия двух молей идеального одноатомного газа внешние силы совершили работу А = 623,25 Дж. Определите изменение температуры данной порции газа в результате процесса.
Составить блок-схему процесса:
Совершение работы это стрелка от системы Q = 0
Решение:
В адиабатном процессе изменение внутренней энергии газа равно работе внешних сил. ΔU = A. Для идеального одноатомного газа ΔU= 3/2 R ΔT
В результате процесса Температура увеличилась на 25 градусов.
Задача №8003. В некотором процессе газ отдал окружающей среде количество теплоты, равное 10 кДж. При этом внутренняя энергия газа увеличилась на 30 кДж. Определите работу, которую совершили внешние силы, сжав газ.
Построим блок-схему процесса.
Внутренняя энергия увеличивается, следовательно, стрелочка вверх. Количество теплоты отдаём и стрелочка вверх от системы, Работу совершают над газом и стрелочка к системе.[4]
Решение:
Согласно первому началу термодинамики отданное окружающей среде количество теплоты, изменение внутренней энергии газа и работа внешних сил связаны соотношением. А = ΔU + Q = 40 кДж
Задача 3. Один моль идеального одноатомного газа, находящегося при температуре + 27*С изобарно нагревают. При этом абсолютная температура этого газа увеличивается в 3 раза. Определите чему равно количество теплоты, сообщенное этому газу. Ответ выразите в джоулях.
Составим блок-схему процесса.
(Получил Q стрелка к системе, совершил работу, стрелка от системы)
Задача 4. Внутренняя энергия одного моля газообразного метана в 2.5 раз больше внутренней энергии такого же количества идеального одноатомного газа при той же температуре. Какое количество теплоты выделится при изобарном охлаждении 0.3 молей газообразного метана на 50К.
Составим блок-схему процесса.
Решение:
В изобарном процессе А = р ΔV = R ΔT
ΔT = -50К
Задача 5. В изохорном процессе идеальный одноатомный газ отдает некоторое количество теплоты. Определите, как при этом изменяются следующие физические величины: Давление газа, Температура газа.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
- Увеличивается;
- Уменьшается;
- Не изменяется
- Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.
|
Давление газа |
Температура |
Составим блок-схему процесса.
Решение:
В изохорном процессе объем газа постоянен, а значит газ не совершает работу. Если газ отдаёт некоторое количество теплоты, то его внутренняя энергия и температура уменьшается. Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона уменьшение температуры приведёт к уменьшению давления.
Ответ: 2,2
Литература
- Милостивая Н.Ю., Баликоева А.Т., Гульчеева Р П., Джибилов Р.Б., учитель «Использование блок-схем при решении задач по физике (термодинамика)» Международная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы развития», 2021.
- «Использование алгоритмических методов при обучении решению задач по физике. Механика» (Спб, ТОО Икар, 2002)).
- Милостивая Н.Ю. «Некоторые методы и приемы решения задач по термодинамике», «Первое сентября», 2011.
- Павлова М.В. «Использование алгоритма при решении задач по физике», «Первое сентября», 2011.
- Перышкин А.В. Физика 7 класс, Дрофа, 2021г.
- Перышкин А.В. Физика 8 класс, Дрофа, 2020г.
- Мякишев Г.Я. Физика 10 класс Москва «Просвещение», 2020г.
- Ершов Е.П. Основы информатики и вычислительной техники, Москва «Просвещение», 1985.