Урок "Внутрішня енергія та способи її змінення"

Тема уроку: Внутрішня енергія та способи її змінення.

Мета уроку:

навчальна: формувати наукові поняття й уявлення про внутрішню енергію з позиції молекулярної теорії;  розширити знання учнів про перетворення одного виду енергії на інший; познайомити з двома способами зміни внутрішньої енергії; ознайомити з поняттями «конвекція», «теплопровідність», «випромінювання».

розвиваюча: формувати науковий світогляд учнів, сприяти розвитку пізнавальних інтересів і творчих здібностей учнів; сприяти розвитку логічного мислення.

виховна: виховувати допитливість, любов до предмета; привчати до відповідальності, самостійності.

Методична мета: використання інформаційно-комунікаційних технологій на уроці фізики.

Основні поняття: теплові явища, тепловий рух, внутрішня енергія, теплопередача, конвекція, випромінювання.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Наочність та обладнання : мультимедійний проектор, презентація «Внутрішня енергія та способи її зміни», фрагменти відеофільмів, роздатковий матеріал, тестові завдання, пробірка з водою, термометр, тримач, кусочки дроту, металеві кульки, свинцева плита, склянка з гарячою водою, азбестова сітка, сухий спирт.

Методи та прийоми проведення уроку: вправа «Абетка добра», вправа «Мозковий штурм», проведення дослідів, евристична бесіда, робота в групах, розв’язування вправ, перегляд відеофрагментів.

План уроку

1. Організаційний момент
2. Розминка. Вправа  «Абетка добра»
3. Актуалізація опорних знань учнів. Вправа «Мозковий штурм»
4. Мотивація навчальної діяльності. Проблемний дослід.
5. Повідомлення теми, мети, завдань уроку.
6. Вивчення матеріалу нової теми

• Теплові явища
• Внутрішня енергія.

            1. Проведення експерименту

            2. Означення внутрішньої енергії

 3.Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу (виведення формули)

4. Залежність внутрішньої енергії

• Способи змінення внутрішньої енергії

1. Зміна внутрішньої енергії тіла при виконанні роботи
2. Зміна внутрішньої енергії тіла при теплопередачі

• Види теплопередачі

7. Закріплення знань учнів

Розв’язування вправ

Тестова перевірка знань учнів

8. Підсумок уроку. Робота учнів з аркушами самооцінювання.
9. Домашнє завдання.

 

Хід уроку

1. Організаційний момент
2. Розминка

     В давні часи люди використовували в якості знарядь праці прості механізми: важелі, похилі площини. Протягом тисячоліть праця з деякими  механізмами здійснювалася за рахунок механічної енергії вітру, падаючої води; найчастіше використовувалася енергія людей та тварин.

     Біля 200 років тому назад почалося широке застосування в техніці другого виду енергії – внутрішньої. Зараз біля 80 % енергії, що використовується людством – це внутрішня енергія палива. Тому важливо вияснити, як внутрішня енергія використовується для отримання механічної роботи.

      Розділ фізики, який виник, вивчаючи ці питання, називається термодинамікою.

Отже, термодинаміка – це наука про теплові явища, що базується на деяких загальних законах, що відносяться до перетворення енергії. Ці закони справедливі для всіх тіл незалежно від їхньої будови.

                                                   Слайд 1.

Оголосити назву розділу, дати його характеристику.

 Вправа «Абетка добра». Пропоную учням до кожної букви слова «Термодинаміка» підібрати хороше, добре слово.

 

3. Актуалізація опорних знань учнів. Вправа «Мозковий штурм».

       Спробуйте пригадати все, що ви пов’язуєте зі словосполученням «Теплові явища». Вашим домашнім завданням було – намалювати на аркуші паперу  теплові явища, і вказати, чи важливі вони для людини. Тож давайте перевіримо виконання завдання та заповнимо схему «Сонечко».

Складання схеми «Сонечко».  Слайд 2

 

 

 

 

 

4. Мотивація навчальної діяльності. Виконання досліду.   Слайд 3

Налийте в пробірку небагато води і виміряйте іі температуру. Закрийте пробірку пробкою, обгорніть пробірку папером і енергійно збовтуйте воду в пробірці 30-40 с. Відкрийте пробірку і знову виміряйте температуру. Чому температура змінилася? Хто це може пояснити з точки зору молекулярної теорії?

5. Повідомлення теми, мети, завдань уроку.   Слайд 4, слайд 5.
6. Вивчення матеріалу нової теми
   •                                                              Теплові явища            Слайд 6

 

Евристична бесіда.

1.У якому стані може перебувати речовина?

2.Як називається дрібна частинка речовини?

3.Що таке дифузія?

4.Як можна змінити швидкість дифузії?

5.На яких трьох основних  положеннях ґрунтуються сучасні уявлення про будову речовини?

6.Який рух називають механічним?

Весь навколишній світ – фізичні тіла, які складаються з речовини, а та, у свою чергу, - з молекул та атомів.

Оскільки від температури залежить швидкість руху молекул, то безладний, хаотичний рух молекул називають тепловим.

  Тепловий рух відрізняється від механічного тим, що в ньому бере участь дуже багато частинок і при цьому кожна з них рухається хаотично. Рух однієї молекули – механічний, рух багатьох – тепловий, рух самого тіла – механічний.

•             Які явища можна назвати тепловими?

                                                                                          Слайд 7

Теплові явища – це явища пов’язані з нагріванням чи охолодженням тіл, зі зміною температури.

На дошці розпочинаю будувати блок- схему

•                                                              Внутрішня енергія        Слайд 8

 

1. Проведення експерименту. Робота в групах    

1 група. Чому нагрівається металевий дріт, якщо його декілька разів зігнути і розігнути?                                                                                 Слайд 9 (1)

2 група. У склянку з гарячою водою занурили металеву кульку. Чи змінилась кінетична енергія молекул кульки?                                       Слайд 9(2)                                                                                      3 група. Металева кулька падає на свинцеву плиту. Які перетворення енергії відбуваються?                                                                                        Слайд 9(3)

Слайд 9(4)   Висновок: механічна енергія перетворюється в енергію руху і взаємодії    частинок, з яких складається тіло. Це новий вид енергії, яку називають внутрішньою.                                                                                        

2. Означення внутрішньої енергії

 Ми знаємо, що існує два види механічної енергії: кінетична і потенціальна, які переходять одна в одну, і що під час нагрівання хаотичний рух молекул збільшується. Виходячи з цього дамо означення внутрішньої енергії тіла. 

                                                                                                           Слайд 10

Внутрішньою  енергією тіла називають суму кінетичної енергії хаотичного руху молекул й потенціальної енергії взаємодії частинок з яких складається тіло.

Продовжую будувати блок-схему

3.  Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу

Обчислити внутрішню енергію тіла, враховуючи рух молекул і положення їх одна відносно одної, практично неможливо через величезну кількість молекул у макроскопічному тіло. Тому потрібно вміти визначати середнє значення внутрішньої енергії залежно від макроскопічних параметрів, які можна безпосередньо вимірювати. Найпростішим за своїми властивостями так званий одноатомний газ, тобто газ, який складається з окремих атомів, а не молекул. Обчислимо внутрішню енергію ідеального одноатомного газу. Одноатомними є інертні гази – гелій, неон, аргон.

 Оскільки молекули ідеального газу не взаємодіють одна з одною, за винятком коротких інтервалів часу, коли вони стикаються, то вважають, то їхня потенціальна енергія дорівнює нулю. Вся внутрішня енергія ідеального газу являє собою кінетичну енергію теплового руху його молекул.

(виведення формули внутрішньої енергії запропонувати у формі проблемної задачі)

Скористаємось формулами середньої кінетичної енергії одного атома та кількості атомів.

 

kТ                                                       Слайд 11

 

4.Залежність внутрішньої енергії

 

( проаналізувати залежність внутрішньої енергії від різних параметрів, працюючи з формулою)

                                 Слайд 12, слайд 13

•                                                              Способи зміни внутрішньої енергії.       Слайд 14

     Щоб змінити внутрішню енергію тіла, треба фактично змінити або кінетичну енергію теплового руху мікрочастинок, або потенціальну енергію їхньої взаємодії ( або і ту й іншу разом). Багатовіковий досвід людства переконує в тому, що це можна зробити двома способами – або в процесі теплообміну, або завдяки здійсненню роботи. У першому випадку це відбувається внаслідок передачі певної кількості теплоти; у другому випадку – у результаті виконання роботи.

1.Зміна внутрішньої енергії тіла при виконанні роботи.   Слайд 15

(Розглянути приклади, котрі демонструють зміну внутрішньої енергії шляхом виконання механічної роботи над тілом або самим тілом)

Уявіть собі, що ви дуже замерзли в руки. Запропонуйте способи, як швидко їх зігріти.

Спробуємо разом пояснити з точки зору молекулярної теорії дослід, що виконали на початку уроку з пробіркою

Висновок: внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконуючи над ним роботу.

2.Зміна внутрішньої енергії тіла при теплопередачі

(Розглянути приклади, котрі демонструють зміну внутрішньої енергії шляхом теплопередачі)

                                                               Слайд 16

 Відомо,що чайник з водою, який стоїть на плиті, металева ложка, опущена в склянку з гарячою водою, піч, у якій розпалено вогонь, дах будинку, освітлюваний сонячними променями, нагріваються. В усіх цих випадках підвищується температура тіл, а отже, збільшується їхня внутрішня енергія. Як це пояснити? Спробуйте пояснити з точки зору молекулярної теорії нагрівання металевої ложки, опущеної в гарячу воду.

Висновок: внутрішня енергія тіла змінюється внаслідок передачі тепла від одного тіла до іншого, тобто внаслідок теплопередачі.

Висновок: існує два способи зміни внутрішньої енергії:

1.                шляхом виконання механічної роботи над тілом або самим тілом
2.                шляхом теплообміну без виконання роботи над тілом

 

Продовжуємо будувати блок-схему.

 Слайд 17

 

 

 

 

 

Види теплообміну                   слайд 18

Демонструємо серію дослідів (відеоролики)

• Нагрівання мідного стержня із канцелярськими кнопками
• Нагрівання води в колбі, на дні якої кілька дрібок акварельної фарби
• Залежність здатності тіла поглинати тепло від кольору його поверхні (теплоприймач, манометр, електрична лампочка)

Демонстрації виконуємо без пояснень, лише констатуємо факти.

 

Кожен ряд отримує завдання для самостійної роботи з текстом:

1.Ознайомтесь із теплопровідністю, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

2.Ознайомтесь із конвекцією, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

3.Ознайомтесь з випромінюванням, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

 

Завдання: ознайомтесь із теплопровідністю, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

Теплопровідність – вид теплопередачі, за якого енергія переноситься від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих у результаты теплового руху та взаємодії частинок.

 

Для пояснення досліду скористаємось знаннями з атомно-молекулярної теорії. Коли кінець тіла поміщують у полум’я пальника, то спочатку розігрівається саме ця частина тіла й збільшується швидкість коливального руху тільки тих частинок металу, які перебувають власне в полум’ї. Ці частинки завдяки взаємодії із сусідніми частинками «розгойдують»  їх, тобто збільшують швидкість коливального руху. У результаті підвищується температура наступної частини тіла. Образно можна сказати, що вздовж стрижня йде «хвиля» тепла, яке послідовно розігріває тіло. В ході цього процесу сама речовина не переміщується.

Доповнення вчителя.                       Слайд 19

Досліди показують, що найкращими провідниками тепла є метали. Дерево, скло, чимало видів пластмас проводить тепло значно гірше, саме тому ми можемо тримати запалений сірник доти, доки полум’я не досягне пальців.

Погано проводять тепло й рідини. Покладемо на дно пробірки з холодною водою шматочок льоду, а щоб лід не спливав, притиснемо його важком. Нагріватимемо на спиртівці верхній шар води. Через певний час вода поблизу поверхні закипить, а лід унизу пробірки ще не розтане.

Ще гірше за рідину проводять тепло гази. І цей факт легко пояснити. Відстань між молекулами газів набагато більша, ніж відстань між молекулами рідин і твердих тіл. Отже, зіткнення частинок і відповідно перенесення енергії від однієї частинки до іншої відбувається рідше.

Скловолокно, вата, хутро дуже погано проводять тепло, оскільки, по-перше, між їхніми волокнами є повітря, а по-друге – ці волокна погано проводять тепло самі по собі.

Завдання: ознайомтесь із конвекцією, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

Конвекція – це вид теплопередачі, здійснюваний шляхом перенесення теплоти потоками рідини або газу.

На будь-яке тіло, що міститься всередині рідини, діють сила тяжіння та архімедова сила. Ті самі сили діють на будь-який невеликий об’єм самої рідини. Як відомо, у разі підвищення температури рідина розширюється, її густина зменшується й архімедова сила, що діє на виділений об’єм рідини, стає більшою, ніж сила тяжіння. Унаслідок цього нагріти рідина спливає, а холодна опускається. Аналогічні міркування є справедливими й для газів.

  Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім. У такому разі вдаються до їхнього штучного перемішування. Так, у космічному кораблі, в умовах невагомості, де не діє сила Архімеда, здійснюють примусове перемішування повітря.             

Доповнення вчителя                                    слайд 20

Розглянемо, наприклад, як утворюється бриз – вітер, що виникає поблизу берега моря чи великого озера. Удень суходіл прогрівається швидше за воду, тому температура повітря над суходолом вища, ніж над поверхнею води. Повітря над суходолом розширюється, його густина зменшується, повітря підіймається. У результаті тиск над суходолом падає і холодне повітря з водойми починає низом переміщуватися до суходолу – виникає денний (морський) бриз. Уночі картина змінюється на протилежну: суходіл швидше холоне, вода має вищу температуру, і вітер біля поверхні землі дме з берега до моря. Цей вітер – нічний (береговий) бриз.

Природна конвекція має дуже велике значення в природі й широко застосовується людиною. Одним із чинників, які впливають на клімат Землі, є вітри. Однією з основних причин появи вітрів на планеті є конвекція. Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії у водах річок, морів, океанів. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті.

 З конвекцією ми маємо справу не тільки в природі, але й у повсякденному житті. Так, унаслідок конвекції здійснюється обігрівання та охолодження помешкань. Завдяки конвекції рівномірно нагрівається борщ у каструлі. Створення тяги також є проявом конвекції. Повітря в печі нагрівається і розширюється, його густина зменшується, і тепле повітря прямує уверх, у трубу. У результаті тиск повітря навколо дров і в трубі зменшується і стає меншим за тиск у кімнаті; завдяки цьому збагачене киснем холодне повітря рине до дров.

Завдання: ознайомтесь з випромінюванням, оберіть дослід з побачених, який є прикладом цього виду теплопередачі, та поясніть його.

Випромінювання – це вид теплопередачі, при якому енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі завжди випромінює будь-яке тіло. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює. Відомо, що тіла частково відбивають видиме світло, частково поглинають і частково пропускають його. Ці процеси залежать від оптичних властивостей матеріалів, із яких складаються тіла. Так, чорна фарба, нанесена на поверхню тіла, поглинає світло, біла – відбиває, а прозоре скло пропускає більшу частину світла, що падає. Ці властивості видимого світла притаманні й тепловому випромінюванню.

 Електромагнітні хвилі можуть поширюватися у вакуумі, тому випромінювання відрізняється від інших видів теплопередачі тим, що енергія може передаватися через простір, у якому відсутня речовина. Випромінювання – це універсальний вид теплопередачі, воно здійснюється між усіма тілами.

Доповнення вчителя                   слайд 21

Сонце щосекунди випромінює в навколишній простір колосальну кількість енергії, певна частина якої потрапляє на Землю. Тіла з темною поверхнею  краще поглинають теплове випромінювання, ніж тіла зі світлою або полірованою поверхнею

 Всі тіла за будь-якої температури обмінюються енергією завдяки випромінюванню. Тобто будь-яке тіло водночас і випромінює і поглинає тепло. Якщо температура тіла більша від температури тіл навколо, то воно випромінює енергії більше, ніж поглинає. Якщо ж тіло холодніше від навколишніх тіл, то енергія, яку воно поглинає, буде більшою, ніж випромінювана.

Висновок:є три види теплообміну:    Слайд 22

1. Теплопровідність
2. Конвекція.
3. Випромінювання

 

Закінчуємо будувати блок-схему.

 

 

 

 

 

 

 

Дослід з пробіркою з водою (був проведений на початку уроку) Назвати всі види теплообміну, що присутні в досліді.

7. Закріплення знань учнів.

1. Розв’язування вправ                               слайд 23

Задача. Обчислити внутрішню енергію 10 моль одноатомного газу при температурі 27 ⁰С.                                                             Слайд 24

А) Кіт Матроскін підійшовши до вікна і, подивившись на кругленького від настовбурченого пір’я горобця, ковтнув чималу порцію слини. Потім, зітхнувши і солодко облизнувшись, він сказав: «А мороз за вікном чималий!». Чи мав рацію Матроскін?

( Матроскін виявився настільки обізнаним з фізики і настільки спостережливим, що не може виникнути сумнівів у правильності його суджень. Розпустивши пір’я, горобець намагається краще захистити себе від теплообміну з холодним повітрям. У пір’ї утворюється прошарок повітря, який має погану теплопровідність. .)

                                                          Слайд 25

Б) Кіт Матроскін, чекаючи біля вікна на дядька Федора, який чомусь затримувався напередодні Нового року, помітив, що віконне скло починає замерзати знизу раніше і більшою мірою, аніж зверху. Але чому ж так відбувається?

       (Стурбованому Матроскіну, який не знав фізики, важко збагнути це, але ж ми знаємо, що це можна пояснити конвекцією)          Слайд 2

В) Песик Пресик збагнув, що саме цієї миті він безповоротно втратив свій «дім» і прихильність своєї господині, адже в його будку поселилась болонка господині. Як же песику тепер найкраще зігріватися холодної днини?

( Порадимо песику згорнутися клубочком і міцно стиснувши тремтячими зубами тремтячого хвоста, терпляче чекати кращих часів. Та до того ж таке положення тіла зменшує площу випромінювання і Пресику буде тепліше)

Це цікаво       Слайд 27

Відеозадачі

1. «Поверхня трансформатора»

( срібляста поверхня трансформатора відбиває більшу частину променистої енергії сонця, що падає на неї і тому немає небезпеки перегріву трансформатора у теплу пору року)

2. «Насос»

( в даному випадку внутрішня енергія. А також і температура повітря, що стискається в насосі зростає внаслідок виконання роботи. Оскільки нагрівання повітря прямо пропорційне виконаній роботі, то найбільше насос нагрівається в нижній частині.

3. «Хмари».

( хмари утримуються силою тиску висхідних потоків теплого повітря)

2.Тестова перевірка знань учнів.

Завдання: дописати речення.

1. В одну склянку налили холодну воду, в другу – окріп. В другій склянці вода матиме ……..внутрішню енергію.

2. Такий вид теплопередачі, як конвекція може відбуватися в двох агрегатних станах:………

3. Під час конвекції тепло переноситься (чим?) ………

4. Людина зігрівається біля багаття завдяки  ……….

5.Теплопровідність твердих тіл краща, ніж газоподібних, оскільки  ……

6. Під час конвекції тепло переноситься лише вгору, тому що в цьому напрямі діє ………

7. У чашку з окропом поставили ложку. Через пару хвилин завдяки теплопровідності сухий кінець ложки ………

8. Підсумок уроку.

Робота учнів з аркушами самооцінювання

                      Аркуш самооцінювання

Прізвище, ім’я __________________________________

Оцініть себе за кожним із визначених напрямків (від 0 до 2 балів):

 

1. Брав активну участь у проведенні уроку

2. Представив виконане домашнє завдання

3. Вносив вдалі пропозиції, коли працював у групі

4. Розв’язував задачі

5. Висував нові ідеї, що сподобалися іншим.

6. Вдало узагальнював думки інших

9. Домашнє завдання.     Слайд 28

Задача. Обчислити внутрішню енергію 10 моль одноатомного газу при температурі 27 ⁰С.