Урок физики в 10 классе по теме:

«Газовые законы».

Автор: Сидоренко Раиса Михайловна, учитель физики МБОУ Погарская СОШ №1

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Дидактическая цель: ввести понятие «изопроцесс», изучить газовые законы.

Задачи:

Образовательные: изучить газовые законы; формировать умение объяснять законы с молекулярной точки зрения; изображать графики процессов; начать обучение учащихся решать графические и аналитические задачи, используя уравнение состояния и газовые законы; установление межпредметных связей (физика, математика, биология).

Воспитательные: продолжить формирование познавательного интереса учащихся; в целях интернационального воспитания обратить внимание учащихся, что физика развивается благодаря работам ученых различных стран и исторических времен; продолжить формирование стремления к глубокому усвоения теоретических знаний через решение задач.

Развивающие: активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач.

Место урока в разделе «Основы МКТ»: урок проводился после изучения основ молекулярно-кинетической теории газов и понятия температура.

Презентация к уроку

Ход урока:

Эпиграф урока: «Истина всегда оказывается проще, чем можно было предположить» (Фейнман Р.)

I. Актуализация знаний (мотивационный этап)

Что является объектом изучения МКТ? (Идеальный газ.)

Что в МКТ называется идеальным газом? (Идеальный газ – это газ, в котором взаимодействием между молекулами можно пренебречь.)

Какие термодинамические параметры используют, чтобы описать состояние идеального газа? (Давление, объем и температура.)

Какое уравнение связывает между собой все три термодинамических параметра? (Уравнение состояния идеального газа).

Проведем один занимательный опыт, которому уже около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия – Картезий). Опыт был так популярен, что на его основе создали игрушку, которую и назвали «Картезианский водолаз». Прибор представлял стеклянный цилиндр, наполненный водой, в которой вертикально плавала фигурка человечка. Фигурка находилась в верхней части сосуда. Когда нажимали на резиновую пленку, закрывавшую верх цилиндра, фигурка медленно опускалась вниз, на дно. Когда переставали нажимать, фигурка поднималась вверх.

Мы с вами проделаем этот опыт проще. Роль водолаза будет выполнять капельница-пипетка, а сосудом послужит обыкновенная бутылка.

Наполним бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмем пипетку, наберем в нее немного воды и опустим в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама снова всплывала. Теперь, приложив большой палец или мягкую часть ладони к горлышку бутылки так, чтобы закрыть его отверстие, нажмем на слой воздуха, который находится над водой. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабим давление пальца или ладони – она снова всплывет.

Попробуем объяснить этот опыт. Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки, и увеличенное давление воздуха передалось воде. Вода проникла в пипетку – она стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл.

Какие термодинамические параметры изменились, а какие остались неизменными?

Изопроцессы – процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров. Законы, описывающие изопроцессы, называются газовыми законами.

Тема сегодняшнего урока: «Газовые законы».

В своей работе будем использовать схему:

1. Определение процесса

2. Формула и формулировка закона

3. Графическое изображение

4. История открытия закона

Можем ли мы считать постоянной еще какую-то величину?

Оформление доски по ходу урока.

II. Изучение нового материала

1. Изотермический (изо – равный, терма – тепло) процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.

Если в уравнении состояния  или уравнение Клапейрона-Менделеева  считать  T=const, то вся его правая часть будет величиной постоянной: pV=const

Для данной массы газа при постоянной температуре произведение объема газа на соответствующее ему давление есть величина постоянная.

Для идеального газа изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта.

Формула: p₁V₁=p₂V₂

Графическое представление:

Закон установлен экспериментально до создания молекулярно-кинетической теории газов английским физиком Робертом Бойлем в 1662 году и французским аббатом Эдмоном Мариоттом, который описал независимо от Бойля аналогичные опыты в 1676 году.

Обратим внимание (границы применения закона).

Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а так же и для их смесей, например, для воздуха. Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.

Предложить учащимся рассмотреть   изобарный  процесс и изохорный процесс по схеме.

В тетрадях и на доске появляются записи.

2. Изобарный процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы, протекающий при постоянном давлении.

Из уравнения Клапейрона-Менделеева следует,  что для данной массы газа и постоянном давлении объем газа прямо пропорционален абсолютной температуре: V/T=const

Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объема газа к соответствующей ему температуре есть величина постоянная.

Для идеального газа изобарный процесс описывается законом Гей-Люссака.

Формула: V₁/T₁=V₂/T₂

Графическое представление:

Закон установлен в 1802 году французским физиком Гей-Люссаком, который определял  объем газа при различных значениях температур в пределах от точки кипения воды. Газ содержали в баллончике, а в трубке находилась капля ртути, запирающая газ, расположенная горизонтально.

Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

3. Рассмотрим поведение газа в условиях, когда постоянным сохраняется его объем. Из уравнения Клапейрона – Менделеева следует, что в этом случае постоянным будет отношение давления к его температуре: при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре: p/T=const

Для данной массы газа при постоянном объеме отношение давления газа к соответствующей ему температуре есть величина постоянная.

Формула: p₁/T₁=p₂/T₂

Графическое представление:

В 1787 году французский ученый Жак Шарль измерял давление различных газов при нагревании при постоянном объеме и установил линейную зависимость давления от температуры, но не опубликовал исследования. Через 15 лет к таким же результатам пришел и Гей-Люссак и, будучи на редкость благородным, настоял, чтобы закон назывался в честь Шарля.

Изохорным можно считать увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании.

III. Первичное закрепление новых знаний

Задача 1. Газ объемом V = 5 л находится при давлении р = 200 кПа и температуре  t = 17 °С.

До какой температуры надо нагреть газ, чтобы его давление стало 280 кПа? Поставьте другой вопрос к задаче и решите ее.

Учитель предлагает применить знания, которые учащиеся получили на уроке, для анализа изопроцессов.

Задание 2. Провести анализ отдельных газовых процессов, представленных на диаграмме  (точками указаны состояния; направления процессов на графике указаны стрелками).

Анализ процессов 1-2, 2-3 учащиеся выполняют с учителем.

Для этого используем алгоритм анализа газовых процессов:

1. Дать название процесса.
2. Дать название графика процесса.
3. Указать закон, которому подчиняются параметры идеального газа в данном процессе.
4. Описать изменения основных параметров газа p,V,T в ходе процесса.

Анализ

Участок 1-2:  

1. Т.к. Т₁=Т₂, а p₂<p₁, то из уравнения Бойля-Мариотта следует, что если p убывает, то V увеличивается. Значит, процесс 1-2 называют изотермическим расширением газа, T=const.
2. Линия 1-2 изотерма.
3. Закон Бойля-Мариотта.
4. Т.к. p₂<p₁,т.е. давление уменьшается, то в соответствии с законом Бойля-Мариотта V увеличивается (V₂>V₁).

Участок 2-3:

1. Т.к. Т₃>T₂, т. е. Т увеличивается и p₃>p₂, т. е. p  увеличивается, то из уравнения Шарля следует, что p~T при V=const, значит, процесс 2-3 является изохорным нагреванием.
2. Линия 2-3 изохора.
3. Закон Шарля.
4. Т.к. Т₃>T₂, т. е. Т увеличивается, то в соответствии с законом Шарля давление газа увеличивается p₃>p₂.

Для сильных учащихся можно дать задание: изобразить эти процессы в системе координат p, V или V от Т.

Задание 3: Провести анализ процессов, изображенных на диаграмме (учащиеся выполняют это задание по вариантам и двое работают у доски).

1 вариант: 1-2, 2-3;

2 вариант: 3-4, 4-1.

Участок 1-2:

1. Изотермическое сжатие, Т=const.
2. Линия 1-2 изотерма.
3. Закон Бойля-Мариотта: pV=const (p ~1/V).
4. Т.к. V₂<V₁, т. е. V уменьшается, то p увеличивается(p₂>p₁).

Участок 2-3:

1. Изобарное нагревание, p=const, p₂=p₃.
2. Линия 2-3 изобара.
3. Закон Гей-Люссака: V/T=const, V~T.
4. Т.к. Т₃>Т₂ , т.е. Т увеличивается, то V увеличивается(V₃>V₂).

Участок 3-4:

1. Изотермическое расширение, Т=const, Т₃=Т₄.
2. Линия 3-4 изотерма.
3. Закон Бойля-Мариотта: pV=const (p~1/V).
4. Т.к.V₃<V₄, т. е. V увеличивается, то p уменьшается (p₃>p₄).

Участок 4-1:

1. Изобарное охлаждение, p=const, p₁=p₄.
2. Линия 4-1 изобара.
3. Закон Гей-Люссака: V/T=const, V~T.
4. Т.к. Т₁ <Т₄, т.е. Т уменьшается, то V уменьшается, т.е. (V₁<V₄).

После завершения анализа учащиеся меняются работами и проверяют по тем же критериям оценивания. Сложив все заработанные баллы, учащиеся сами выставляют себе оценки за работу на уроке:

— от 7 до 8 баллов — «5»,

— от 5 до 6 баллов — «4»,

— от 3 до 4 баллов – «3».

IV. Итог урока

Учитель предлагает учащимся ответить на вопросы: «Чем запомнился сегодняшний урок?» (Получили уравнения, описывающие изопроцессы в  газах, систематизировали знания о свойствах газов и научились их применять для анализа изопроцессов), «Чем понравился сегодняшний урок?».

V. Домашнее задание: §65