Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы "Законы термодинамики" в средней школе

С точки зрения методики очень важно при рассмотрении цикла Карно подчеркнуть оптимальность этого цикла в смысле его экономичности. Замечательная особенность этого цикла состоит в том, что он позволяет получить максимально возможную работу за счет теплоты, взятой от нагревателя. Следует отметить, что сама по себе машина Карно есть лишь абстракция, предназначенная для целей исследования, однако доказанная на основе этой модели теорема Карно сыграла ведущую роль в разработке научных основ теплоэнергетики.

Используя в качестве примера приведенное в теоретической части курса доказательство теоремы Карно, можно предложить учащимся в порядке упражнения провести другие варианты доказательства этой теоремы.

Со вторым началом термодинамики и теоремой Карно неразрывно связан способ введения энтропии, а также вопрос о границах применимости термодинамики и обсуждение идеи Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной.

Трудно дать методические рекомендации по поводу введения энтропии в школьном курсе, следуя которым можно сделать понимание этой функции состояния более ясным. Сложность понимания энтропии связана с невозможностью ее непосредственного восприятия и отсутствием прибора, который бы измерял энтропию, как, например, измеряют температуру.

Термодинамика, в силу феноменологического характера, не может вскрыть физический смысл энтропии. Эту задачу решает статистическая физика.

По-видимому, наиболее доступным вариантом введения энтропии в школьном курсе является тот, который рассмотрен в теоретической части курса и следует из обобщения утверждений теоремы Карно для произвольного цикла.

Вводя понятие энтропии, следует проводить аналогию с введением понятия внутренней энергии при формулировке первого начала термодинамики. Введению энтропии должно предшествовать введение понятия приведенной теплоты. Далее следует отметить, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое приведенная теплота не зависит от пути перехода, а сумма проведенных количеств теплоты системы, совершающей круговой процесс, равна нулю. Это значит, что приведенная теплота равна изменению некоторого свойства системы, которое и было названо энтропией.

В школьной аудитории вывод о возрастании энтропии при необратимых процессах проще всего сделать при рассмотрении конкретного необратимого процесса. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя различно нагретыми телами с температурами и (пусть ). Более нагретое тело отдает количество теплоты -, менее нагретое получает количество теплоты +. Изменение энтропии более нагретого тела равно , менее нагретого . Изменение энтропии системы в целом равно алгебраической сумме изменений энтропии каждого тела:

.

В результате теплообмена между различно нагретыми телами энтропия системы возрастает (, то есть ). Таким образом, энтропия вводится вторым началом. В формулировке А. Зоммерфельда оно звучит так: "Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом порции теплоты, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных процессах энтропия замкнутой системы возрастает".

Итак, термодинамика вводит энтропию формально, не вскрывая ее физического смысла и не устанавливая связи с внутренними молекулярными свойствами системы. Только статистическая физика, изучая тепловые явления на основе представлений о свойствах молекул и закономерностях их движения, вскрывает физический смысл энтропии и природу необратимости, устанавливая связь между энтропией и термодинамической вероятностью.

Наиболее доступным вариантом введения понятия термодинамической вероятности, по-видимому, является рассмотрение конкретного примера о распределении молекул газа по частям сосуда. Этот пример должен убедить учащихся в том, что равномерное распределение молекул реализуется наибольшим числом способов. На основании рассмотренного примера следует сделать вывод, что термодинамическая вероятность состояния - это число способов (число микросостояний), с помощью которых можно реализовать данное макросостояние.

Термодинамика утверждает, что любая система, будучи предоставлена сама себе, приходит в состояние равновесия, в котором энтропия системы достигает своего максимального значения. Физически это означает, что в состоянии равновесия система обладает максимально возможным числом микросостояний, с помощью которых реализуется данное макросостояние. Таким образом, равновесное состояние системы является наиболее вероятным.

Освещение проблемы необратимости в молекулярно-кинетической теории основано на использовании статистического метода, применимого для описания поведения системы многих частиц. Решение проблемы необратимости было предложено Больцманом на основе расчета вероятности состояний. Проведенные расчеты показали, что процессы, обратные теплопроводности, диффузии, свободному расширению газа оказываются не абсолютно невозможными, но чрезвычайно маловероятными. При этом очень важно подчеркнуть, что статистические закономерности проявляются лишь в массовых событиях для систем, содержащих очень большое число частиц.

В заключение следует отметить еще одно важное обстоятельство, а именно, правомерность применения законов термодинамики к Вселенной в целом. Оказывается, что рассматривать Вселенную как термодинамическую систему нельзя, поскольку она расширяется и вследствие этого не находится в стационарном состоянии. Кроме того, одним из признаков термодинамической системы является аддитивность некоторых ее характеристик, например, энергии. Исследования последнего времени показали, что этим признаком Вселенная не обладает.

Хорошо известно, что глубокому усвоению теоретического материала способствует решение конкретных задач по изучаемому разделу курса. Поэтому уместно дать методические рекомендации, которыми следует руководствоваться при решении задач по термодинамике.

1. Записать выражение первого закона термодинамики в общем виде.

2. Учитывая условия протекания процесса, заданные в условии задачи, перейти к конкретному выражению первого начала для данного процесса.

3. Пользуясь составленной заранее таблицей, записать выражение всех величин, входящих в уравнение первого закона термодинамики для конкретного процесса.

4. Определиться со значением теплоемкости с учетом заданных условий процесса. При этом следует помнить, что теплоемкость может быть выражена через универсальную газовую постоянную R, величину или число степеней свободы молекул, если речь идет о газе.

5. Определяя работу в ходе процесса, следует иметь в виду, что она может быть найдена графически как площадь под кривой процесса в координатах PV. Если график процесса представлен в других координатах, его нужно перестроить в координатах PV.

6. Поскольку внутренняя энергия идеального газа есть функция только температуры, то для вычисления изменения внутренней энергии необходимо определить конечную температуру газа или ее выражение через другие параметры состояния.

7. Далее, используя уравнение состояния или уравнение заданного процесса, следует установить связь между начальными и конечными параметрами состояния системы, через которые выражены величины, входящие в первое начало.

8. В задачах на вычисление теплоемкости следует записать определение этой величины, из первого начала с учетом условий процесса найти количество теплоты, подведенной к системе, а далее, пользуясь уравнением процесса или уравнением состояния, найти изменение температуры и определить значение теплоемкости.

9. Нередко приходится решать и обратную задачу - по зависимости теплоемкости от параметров состояния найти уравнение процесса, которому соответствует заданное изменение теплоемкости. Решение задач этого типа можно проводить с учащимися, владеющими некоторыми навыками интегрирования элементарных функций.

10. Для определения КПД цикла тепловых машин следует внимательно проанализировать все стадии процесса для того, чтобы определить, на каких участках цикла рабочее тело получает тепло, а на каких - отдает.

11. Далее, вновь пользуясь первым началом термодинамики с учетом условий процесса, рассчитать соответствующие количества теплоты и, используя определение КПД, найти его значение.

Приложение 1

Укажите изменение внутренней энергии системы.

Условные обозначения:

- теплота подводится к системе,

- теплота отводится от системы,

- система совершает работу,

- работа над системой совершается внешними силами,

- внутренняя энергия системы увеличивается,

- внутренняя энергия системы уменьшается.

Длина стрелочек количественно характеризует величины , A и U.

Укажите изменение внутренней энергии системы при указанных на рисунке способах ее взаимодействия с окружающей средой.

Укажите возможные варианты энергетического обмена системы с окружающей средой, при котором происходит указанное изменение внутренней энергии.

- система получает теплоту

- система отдает теплоту

- система совершает работу

- работа совершается над системой

Приложение 2

Применение I-го начала к описанию изопроцессов в идеальном газе

В разделе «Молекулярная физика. Основы термодинамики» рассматриваются различные тепловые процессы на основе использования молекулярно-кинетического и термодинамического методов, что позволяет показать учащимся не только взаимосвязь этих методов при объяснении свойств вещества в различных агрегатных состояниях, но и особенности каждого из них. При изучении атомно-молекулярного учения о строении вещества важно углубить представления учащихся о дискретном строении материи (вещества), доказать непрерывность движения и взаимодействия частиц вещества. При использовании термодинамического подхода к описанию тепловых процессов необходимо дать анализ процессов, идущих с выделением или поглощением энергии. Ознакомление с законом сохранения энергии -- первым законом термодинамики -- позволяет показать, что внутренняя энергия тела является функцией его состояния, а изменение внутренней энергии происходит при совершении работы или при теплообмене. При этом изменение внутренней энергии тела равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного этому телу.

Изучение данного раздела важно как в прикладном, так и в экологическом аспекте. В прикладном аспекте наиболее ценным является объяснение принципа действия тепловых машин, которые в современной теплоэнергетике занимают исключительное место: 80--85% вырабатываемой энергии в мире в настоящее время получают, применяя эти машины. Следует обратить внимание учащихся на то, что работа тепловых двигателей основана на использовании необратимого превращения энергии топлива. Тепловые двигатели непрерывного действия работают циклически, экономичность их работы оценивается КПД. В экологическом аспекте важно показать влияние работы тепловых двигателей на окружающую среду: атмосферу, гидросферу, литосферу, биосферу; обсудить вопрос о влиянии на здоровье человека работы тепловых двигателей.

Заключение

Среди множества способов повышения эффективности урока, использование информационных технологий на сегодня занимает одно из ведущих мест. Безусловно, будущее - за информационными технологиями. С их помощью уже сегодня можно решать множество дидактических, организационных и методических проблем.

Конструирование обучающей среды с использованием ИКТ - есть формирование физической культуры учащихся в её формах (учебная дисциплина - дополнительное образование - внеклассные мероприятия), где управление конструированием рассматривается как процесс создания среды, адекватной изменениям социума.

Модель учебного процесса, в которой используются возможности новых информационных технологий, позволяет эффективно организовать индивидуальную и коллективную работу преподавателя и учащегося, а также интегрировать различные формы и стратегии освоения знаний по предмету, направленные на развитие самостоятельной познавательной учебной деятельности. Она представляет собой своеобразный, уникальный для данной среды сплав отдельных, педагогических и др. компонентов, обеспечивающих в целом обучающий эффект, повышающий мотивацию учащихся к изучению дисциплины и их творческую активность.

Учитывая загруженность современного учителя, можно порекомендовать воспользоваться мультимедийными новинками рынка. Сегодня их особенно много и, что самое приятное, увеличиваются их технические и дидактические возможности.

Применение компьютерных технологий не изменяет сроки обучения, а зачастую применение электронных образовательных программ на уроке требует больше времени, но дает возможность учителю более глубоко осветить тот или иной теоретический вопрос. При этом применение мультимедийных курсов помогает учащимся вникнуть более детально в те физические процессы и явления, изучить важные теоретические вопросы, которые не могли бы быть изучены без использования интерактивных моделей.

Наибольшая эффективность использования компьютера на уроке достигается в следующих случаях:

- использование мультимедийных курсов при изучении тем, явлений, которые наиболее полно и детально освещаются только в электронных образовательных программах, которые невозможно изучать в реальном эксперименте;

- более полная визуализация объектов и явлений по сравнению с печатными средствами обучения.

- использование возможности варьировать временные масштабы событий, прерывать действие компьютерной модели, эксперимента и использование возможности их повторения;

- автоматизация процесса контроля уровня знаний и умений учащихся;

- решение и анализ интерактивных задач, требующих аналитического и графического решения с использованием манипуляционно-графического интерфейса;

- тестирование и коррекция результатов учебной деятельности;

- использование программных сред, виртуальных лабораторий для организации творческой, учебно-поисковой деятельности учащихся.

Разумеется, педагогическая эффективность использования программных сред зависит не только от самих электронных средств, но и от подготовки учителей для работы с ними, от наличия оборудования в школе.

Список литературы

1. Методика факультативных занятий по физики: Пособие для учителей / О.Ф. Кабардин, С.И.Кабардина, В.А.Орлов; М.: Просвещение, 1991.

2. Методика преподавания физики./ Пособие для учителей / Кабардин О.Ф., Кабардина С.И.; М.: Просвещение, 1990.

3. МПФ в средней школе. Молекулярная физика. Электродинамика. / Шамаш С.Я., Эвинчик Э.Е. ., М.: Просвещение, 1990.

4. Физика 10 класс. / Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., М.: Просвещение, 1991.

5. Учебное пособие для десятых классов школ и классов с углубленным изучением физики. 10 класс/А. А. Пинский, М.: Просвещение, 1991.

6. Физика, 10 класс./ Пёрышкин А.В., М.: Просвещение, 1991.

7. Физика, 8 класс./ Родина Н. А., Гутник Е. М., М.: Просвещение, 1992.

8. Физика, 8 класс./ Хижняков А. С., Синявина А. А.; Бершадский М. Е., М.: Просвещение, 1990.

9. Физики, 8-9 класс./ Балашов М. М., М.: Просвещение, 1991.

10. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Просвещение, 1989.

11. «Вестник образования»; /№12 декабрь/2002.

12. «Вестник образования»; /№6 июнь/2001.

13. Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7 - 11 класс / Ю.И.Дик, В.А.Коровин - второе издание, исправленное. М.: Дрофа, 2001.

14. Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7 - 11 класс / Н.И.Шахмаева, Д.Ш.Шоднев - второе издание, исправленное. М. : Дрофа, 2001.

15. Факультативный курс физики: 9 класс. Учебное пособие для учащихся. / Кабардин О.Ф., Шефер Н.И. - третье издание, переработанное. М.: Просвещение, 1986.

16. Методика решения задач по физики. / В.К.Коврушин, Из-во ЛГУ, 1972.

17. Преподавание физики в 9 классе средней школы. Пособие для учителей / Орехов В.П., Корж Э.Д.- третье издание, переработанное. М.: «Просвещение», 1990.

18. Экзаменационные задачи по физике для поступающих а вузы / В.В.Можаев, В.И.Чивилев, А.А.Шеронов. - 4-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002.

19. Cборник задач по физике: для 9-11 кл. общеобразоват. учреждений/Г.Н.Степанова - 2-е изд.- М.:Рольф, 1997.

20. Физика: Для школьников в старших классах и поступающих в вузы: Учеб. пособие.- 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2001.

21. Задачи по элементарной физики. С.В.Ащеулов, В.А.Барышев. Учебное пособие. Л. Изд-во Ленинград, 1975.

22. В.А.Балаш. Задачи по физике и методы их решения. Изд-е 2-е, переработанное, М., Просвещение, 1967.

23. И.В.Савельев. Курс физики: Учебник в 3-х томах, Т1: Механика. Молекулярная физика.- М.: Наука. Гл. ред. физ-мат.лит, 1989.

24. Сборник задач по элементарной физике. Пособие для самообразования. Б.Б.Буховцев, В.Д.Кривченко, Г.Я.Мякишев, И.М.Сараев. - 5-е изд.- М.: Наука, Гл. ред. физ-мат.лит, 1987.

25. А.Г.Гладина. Термодинамика и молекулярная физика. Пособие для учащихся. М., Просвещение, 1997.

26. Пособие для самообразования. Б.Б.Буховцев, В.Д.Кривченко, Г.Я.Мякишев, И.М.Сараев.- 5-е изд., - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат.лит, 1987.

27. Физический эксперимент в средней школе: Механика. Молекулярная физика. Электродинамика., - М.: Просвещение, 1989.

28. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Уч. пособие для студ. вузов/ Под ред. Е.С. Полат. - М.: Академия, 2001.

29. Педагогика: Учебное пособие/ Под. ред. Л.П. Крившенко. - М.:ТК Велби: изд-во Проспект, 2004.

30. Кондратьева А.С., Лаптев В.В. Физика и компьютер. - Л.: Изд - во ЛГУ, 1990.

31. Ершов А. П. Программирование - вторая грамотность.- Новосибирск,1981.

Размещено на Allbest.ru