Розробка заняття. Ізопроцеси, газові закони

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

БАХМУТСЬКИЙ ІНДУСТРІАЛЬНИЙ ТЕХНІКУМ

ДЕРЖАВНОГО ВИЩОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА

відкритого заняття

Ізопроцеси. Газові закони

з предмету «Фізика»

2020

Методичну розробку відкритого заняття з предмету «Фізика» підготувала Давиденко Н.О., викладач фізики Бахмутського індустріального технікуму Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет»

Викладено методику проведення лекції із застосування  комп’ютерних  технологій та інноваційних методів навчання.

Для викладачів предмету «Фізика» вищих навчальних закладів 1-2 рівнів акредитації.

ЗМІСТ

АКТУАЛЬНІСТЬ РОЗРОБКИ

Сучасний світ – це світ науково-технічного прогресу, який вимагає від сучасної молоді вміння користуватись комп’ютерною технікою,  володіти певними знаннями новітніх інформаційних технологій і застосовувати їх у різних сферах життєдіяльності. Упровадження нових технологій у навчальний процес сприяє всебічному розвитку особистості, активізує навчальну діяльність учнів, сприяє творчому зросту дитини.

Актуальність проблеми використання комп’ютерних програм при вивченні фізики полягає в тому, що сучасні досягнення науки і техніки вимагають сучасних уроків, які враховують ці досягнення. Уміле поєднання комп’ютерних технологій і традиційних методів викладання фізики дадуть бажаний результат: високий рівень засвоєння фундаментальних знань з фізики і усвідомлення їх практичного застосування.

Використання інформаційно-комунікаційних технологій в процесі навчання підсилює в учнів потребу в здобутті додаткових знань, оскільки створюються умови для:

• індивідуальних навчальних можливостей  і потреб;
• широкого вибору змісту, форм, темпів і рівня їх загальноосвітньої підготовки;
• задоволення освітніх потреб в поглибленому вивченні предмета;
• розкритті творчого потенціалу учнів: участь у конкурсах, олімпіадах;
• активного самостійного засвоєння знань.

  Можна сказати, що вивчення обраної теми з використанням комп’ютерних технологій студентами спеціальності «Виробництво тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів і виробів» є професійно зорієнтованим, бо сучасні підприємства доволі широко використовують електронні розрахунки для дослідження і організації виробничих процесів.

ПЛАН ЗАНЯТТЯ

Тема:  Ізопроцеси. Газові закони

Мета заняття:

методична –  вдосконалити методику проведенні лекційного заняття із застосування комп’ютерних технологій;

дидактична –  ознайомити студентів з поняттям «ізопроцес»; сформулювати чітке уявлення про ізотермічний, ізобарний та ізохорний процеси; оволодіти навичками дослідження ізопроцесів; продовжити формування вмінь і навичок застосування програмних засобів;

виховна –  розвивати творчу самостійність, інтерес до фізики через використання сучасних інформаційних технологій; формувати компетентності у сфері самостійної пізнавальної діяльності, заснованих на засвоєнні способів придбання знань із різних джерел інформації, на вмінні побачити проблему й намітити шляхи її рішення; комунікативних компетентностей (уміння працювати в групі).

Вид заняття: лекція

Форми і методи проведення заняття: тестування, дослідницький метод, виконання індивідуального завдання із використанням комп’ютерних технологій, робота малими групами, поетапне оцінювання

Міждисциплінарні зв’язки:

забезпечуючи: математика, хімія, інформатика

забезпечувані: фізична хімія, теплотехнічне обладнання

Методичне забезпечення: тести, інструкції з техніки безпеки під час роботи з комп’ютерною технікою, відеоматеріали, персональні комп’ютери зі встановленою операційною системою  Microsoft Windows та пакетом програм Microsoft Office, мультимедійне обладнання.

ЛІТЕРАТУРА:

1.               Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений. – М.:Наука, 1987.
2.               Гельфгат І.М. та ін. Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики. – Харків: Гімназія, 2003.
3.               Ґудзь В.В. та ін. Фізика: Посібник для підготовки та проведення тематичного оцінювання навчальних досягнень. 10 кл. – Тернопіль: Мандрівець, 2002.
4.               Кирик Л.А. Фізика – 10. Різнорівневі самостійні та контрольні роботи. Харків: «Гімназія», 2002.

ІНФОРМАЦІЙНІ РЕСУРСИ:

1. Відеоуроки  з фізики:

• somit.ru;
•  http://physics.nad.ru;
• http://anna.vega-int.ru

2. Методика використання інформаційних технологій у викладанні фізики:

• http://center.fio.ru;
• www.college.ru/booklet/1st.html.

ЗМІСТ І ХІД ЗАНЯТТЯ

1. Організаційна частина.

Привітання зі студентами, ознайомлення студентів з темою, метою та планом заняття. Перевірка наявності студентів.

2. Мотивація пізнавальної діяльності

(слово викладача)

В техніці часто зустрічаються процеси, коли зміна стану газу відбувається при одному сталому параметрі. В цьому випадку дуже важливо знати як відбуваються ці процеси. Вміти встановлювати параметри початкового, проміжного та кінцевого стану газу, функціональні залежності в газових процесах  і вирішувати задачі на знаходження невідомих параметрів; будувати і аналізувати графіки ізопроцесів в газах.

На сьогодні, у зв’язку з широкою інтеграцією комп’ютерів на виробництвах, дуже важливим є вміння розраховувати та досліджувати параметри газів засобами електронно-обчислювальної техніки. На сьогоднішньому занятті ми спробуємо поєднати теоретичні відомості, що будуть отримані вами з теми «Ізопроцеси. Газові закони» та навички, які ви розвили під час вивчення дисципліни «Інформатика».

План заняття:

1. Коротке усне опитування задля з’ясування готовності студентів до сприйняття нового матеріалу.
2. Вивчення нового матеріалу: поняття ізопроцесу, робота з таблицею ізопроцесів, перегляд відеоролику, розв’язання задач, дослідження ізопроцесів з використання комп’ютера.
3. Закріплення знань шляхом тестування.
4. Підведення підсумків заняття.

3. Актуалізація опорних знань. Питання викладача для усних відповідей.

Додаток А

4. Вивчення нового матеріалу.
   1.        Виступ викладача.

Багато процесів зміни стану газів у природі й у теплових машинах відбуваються так, що один із трьох макроскопічних параметрів (V, P або T) залишається або спеціально підтримується постійним. Два інших параметри при цьому змінюються.

На сьогоднішньому занятті ми й займемося дослідженням таких процесів.

Ізопроцес – процес, при якому один з макроскопічних параметрів стану даної маси газу залишається постійним. Запропонуйте можливі варіанти.

Відповідь студентів: T – const; P – const; V – const.

2.        Заповнення запропонованої таблиці за аналогією.

Викладач. Наша подальша робота будується в такий спосіб: ми повинні заповнити таблицю по ізопроцесам, але один процес ми розбираємо разом, два інших – самостійно, по групах з наступним поясненням.  Отже: таблиця містить три стовпчики: опис ізотермічного процесу, ізохорного та ізобарного.

Оцінювання цього виду роботи проводять відповідальні за групи. Кількість балів від 1 до 6, які в подальшому будуть  використовуватись як складова оцінки за заняття.

Додаток Б

Викладач. Ізотермічним процесом можна вважати процес стиску повітря компресором або розширення газу під поршнем насоса при відкачуванні повітря з посудини. Ізотермічний процес відбувається повільно, бо обумовлений теплообміном з оточуючим середовищем.

Про ізохорний процес слід сказати, що він у реальних газах не виконується, так як частина теплоти, яку отримує система, витрачається на збільшення енергії взаємодії частинок.

Щодо ізобарного процесу, то  його прикладом може бути нагрівання води у відкритій посудині, або розширення газу у циліндрі з поршнем, який може вільно пересуватися. В обох випадках тиск дорівнює атмосферному.

3.        Вашій увазі пропонується відеоролик, що наочно демонструє встановлені нами залежності. Увага на екран.

Додаток В

4.        Задля вдосконалення теоретичних знань, набутих під час роботи з таблицею та перегляду відеоролику, вам пропонується колективно розв’язати декілька задач на дошці.

Додаток Д

5. Робота в табличному процесорі Microsoft Excel. Дослідження ізопроцесів з використанням комп’ютера.

Викладач. Вам пропонується завантажити електронний документ, в якому побудовані графіки в залежності від даних, що занесені в таблицю. Кожна група отримує аркуш із завданням, в якому необхідно сформулювати міні-звіт про виконану роботу (дослідження процесів).

Додаток Е, Є    

Після виконання завдань, звіти складаються викладачу для подальшої перевірки.

6. Контрольна перевірка знань засобом тестування.

Викладач. Студенти отримують аркуші із тестовими завданнями. Час виконання тестування -20 хвилин.

Додаток Ж

Студенти самостійно перевіряють правильність виконання тестів згідно з інформацією, що наведена на екрані і підраховують кількість набраних балів.

Додаток З

7. Підведення підсумків заняття. Оголошення оцінок. Оцінки формуються за даними таблиці результативності.

Додаток И

8. Домашнє завдання.

В системі Microsoft Power Point створити презентацію на тему «Ізопроцеси», в якій докладно освітити ізотермічний, ізобарний та ізохорний процеси. Презентація повинна складатися мінімум з 20 слайдів, містити зображення та приклади розрахунків.

Додаток А

1. Викладач. Який газ називається «ідеальним» та які макроскопічні параметри описують стан ідеального газу?

Відповідь студентів. Ідеальний газ – це газ, енергією взаємодії між молекулами якого можна знехтувати. Ідеальний газ – це фізична модель реального газу, введена, бо теоретично врахувати одночасний рух взаємодії і розміри молекул газу вкрай складно. Реальні розріджені гази поводяться подібно до ідеального. Параметри, що характеризують стан газу називають макроскопічними, це об’єм, тиск, температура.

2. Викладач. Рівняння Менделєєва - Клапейрона - рівняння стану ідеального газу, що зв'язує три макроскопічних параметри (тиск, об'єм і температуру) даної маси газу:

 Що ми можемо сказати про це рівняння ?

Відповідь студентів. Рівняння Менделєєва - Клапейрона справедливо для ідеального газу будь-якого хімічного складу. Єдиною величиною, яка визначає  специфіку газу, є молярна маса. Стан даної маси газу однозначно визначається завданням будь-яких макроскопічних параметрів (P, V), (P, T) або (V, T). Третій параметр T, V, або P відповідно визначається з рівняння Менделєєва - Клапейрона. За допомогою рівняння стану можна описувати процеси стиску й розширення,  нагрівання й охолодження ідеального газу.

3. Викладач. Запишіть рівняння Клапейрона. У яких випадках воно використовується ?

Відповідь студентів. Рівняння Клапейрона використовується у тих випадках, коли маса газу стала.    

Додаток Б

ІЗОПРОЦЕСИ

Додаток В

Відеоролик

Додаток Д

Задача № 1.

До якої температури потрібно нагріти повітря, взяте за 20 ⁰С, щоб його об’єм подвоївся, якщо тиск газу сталий?

Розв’язання:

Скористуємося законом Гей-Люссака у формі
Звідси:
 

Задача № 2.

Газ, який займає при температурі 400 К та тиску 0,1 МПа об’єм 2 літри, ізотермічно стискають до об’єму V₂ та тиску Р₂, потім ізобарно охолоджують до температури 2000 К, після чого ізотермічно змінюють об’єм до 1 літра. Знайдіть кінцевий тиск P₄.

Розв’язання:

Ізотермічне стискання відбувається за законом Бойля-Маріотта P₁V₁= P₂V₂ , ізобарне охолодження відбувається за законом Гей-Люссака   , ізотермічне стискання знову відбувається за законом Бойля-Маріотта P₂V₃= P₄V₄. Звідки P₄==1 МПа.

Задача № 3

По даному малюнку визначити тип ізопроцеса на кожному етапі. Як змінюються параметри газу в кожному з ізопроцесів?  Побудувати графік замкненого процесу в координатах P-T  і  V-T.

Розв’язання:

1-2 – ізохорний V = const, P↑, Т↑

2-3 – ізотермічний T = const, V↑, P↓

3-4 - ізохорний V = const, P↓, Т↓

4-1 – ізобарний P = const, V↓, Т↓

Під час побудови графіків варто врахувати, що ці графіки повинні бути замкненими.

Задача № 4

Побудуйте графіки процесу, що відбувається з ідеальним газом у координатах V-T і P- V.

Розв’язання:

Перш ніж побудувати графіки, потрібно з’ясувати, що собою являє кожний етап замкненого процесу, який відбувається з газом.

1-2 -  ізотермічне розширення  T = const, V↑, P↓

2-3 ізобарне охолодження  P = const, Т↓, V↓

3-1 ізохорне нагрівання  V = const, P↑, Т↑

Побудова графіків замкненого процесу.

Додаток Е

Робочий лист та міні-звіт для дослідження ізопроцесів в табличному редакторі Microsoft Excel

Вам запропонована електронна таблиця, що містить формули для розрахунку основних параметрів дослідження ізопроцесів.  Поряд з електронними таблицями приведені графіки ізопроцесів.

Завдання № 1. Ізохорний процес

Перейти до аркуша «Ізохорний». Побудуйте графік процесу шляхом введення в таблицю значення об’єму V₁=5 л. Дослідить графік (зверніть увагу на масштаб шкали висій). Змініть значення об’єму  V₂=15 л, V₃=45 л.

Опишіть в звіті, які зміни відбулися з графіком при зміні об’єму.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання № 2. Ізотермічний процес

Перейти до аркуша «Ізотермічний». Побудуйте графік процесу шляхом введення в таблицю значення температури t₁=-100^o C. Дослідить графік (зверніть увагу на масштаб шкали висій). Змініть значення температури t₂=0^o C,  t₃=100^oC

Опишіть в звіті, які зміни відбулися з графіком при зміні температури.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання № 3. Ізобарний процес

Перейти до аркуша «Ізобарний». Побудуйте графік процесу шляхом введення в таблицю значення тиску P₁=50 кПа. Дослідить графік (зверніть увагу на масштаб шкали висій). Змініть значення температури Р₂=100 кПа, Р₃=200 кПа.

Опишіть в звіті, які зміни відбулися з графіком при зміні тиску.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Додаток Є

Електронні таблиці і графіки

Додаток Ж

Тестові завдання

Варіант 1

1. Як називається процес зміни стану газу за сталого об’єму ?

А Ізотермічний               Б Ізохорний        В  Ізобарний    

2. Ідеальний газ, що займає об’єм 15 л, охолодили при сталому тиску на 60 К, після чого його об’єм став дорівнювати 12 л. якою була початкова температура газу?

А  210 К  Б 240 К  В 300 К  Г 330 К

3. Як виглядає графік процесу в координатах , Т

(див. рис.) у координатах V,Т?

4. За графіком залежності , Т порівняти об’єми:              

А                                       

Б                                               

В 

Г точної відповіді дати не можна                                                               

5.     Газ спочатку нагрівають ізобарно, а потім ізохорно. Який з графіків відображає зміни, що відбулися з газом?

6.     За графіком зміни стану ідеального газу в координатах V, Т

(див. рис) визначте, який з графіків у координатах P,Т

відповідає цим змінам?

7.     Якій точці на графіку P,V (див. рис) відповідає мінімальне значення температури?

А 4        1                 2                    

Б 3

В 2          4         3 

 Г 1                                                                                                                      V

8.     Газ при температурі 27⁰ С займає об’єм V. До якої температури його потрібно ізобарно нагріти, щоб об’єм дорівнював 3V?

А 100 К   Б   900 К          В 800 К      Г 700 К

9.     Газ, що займав об’єм 10 л при тиску 0,5·10⁵ Па, стиснули ізотермічно до об’єму 2 л, а потім ізохорно підвищили його температуру в 2 рази. Чому дорівнює тиск газу?

А 3·10³ Па   Б 5·10⁵ Па

В 4·10⁴ Па   Г 5·10³ Па

10.          У посудині містилася деяка маса ідеального газу. Об’єм газу збільшився у 2 рази, а абсолютну температуру зменшили у 2 рази. Виберіть правильне твердження.

А тиск газу зменшився в 4 рази  Б тиск газу залишився незмінним

В тиск газу зменшився у 2 рази

11.               Ізобарний процес в ідеальному газі записується формулою …

А  P₁T₂ = P ₂T₁ Б   V ₁T ₂= V ₂T ₁        В     P₁V ₂= P ₂V ₁

12.  Яка залежність між густиною газу та абсолютною температурою при ізобарному процесі ?

А обернено пропорційна     Б прямо пропорційна

  В квадратична