Статья «Формирование понятий термодинамики в профильном курсе физики»

Формирований понятий термодинамики в профильном курсе физики

Вставская Анастасия Ивановна, учитель физики, МБОУ ООШ № 15 с. Коноково, МО Успенский район, Краснодарский край, Успенский район, с. Успенское.

Хорошилов Михаил Михайлович, старший преподаватель, кафедра математики, физики и методики их преподавания, ФГБОУ ВО «Армавирский государственный педагогический университет», Краснодарский край, г. Армавир.

Тезис к публикации:

Основное содержание данной статьи – сравнительный анализ нескольких учебников для профильных 10-11 классов, а также краткие рекомендации по особенностям введения следующих понятий термодинамики: работа, внутренняя энергия и количество теплоты в профильном курсе физики. Эти понятия будут рассматриваться с использованием одного из этих учебников, который я посчитала наиболее удобным по результатам проведенного сравнения.

Текст статьи:

Тема данной статьи очень актуальна, так как очень мало методических материалов, связанных с работой в профильном естественно-научном классе, хотя учебников различных авторов довольно много, что, зачастую приводит в замешательство молодых и/или неопытных учителей.

В настоящий момент существует 3 наиболее часто используемых учебных пособия для изучения физики на профильном уровне. Их авторы представлены в таблице ниже. Я решила провести сравнение этих пособий, чтобы выявить, какое из них лучше всего подходит для формирования понятий работы, внутренней энергии и количества теплоты в профильном курсе физики.

Каждое учебное пособие имеет свои особенности, в каждом из них присутствуют достоинства и недостатки. Каждый из них ориентирован на разный подход в работе учителя.

Учебник за авторством Мякишева Г. Я. и Синякова А. З. оставляет большой простор для размышлений учащимся, ориентирован на подачу материала при помощи проблемного подхода, при котором учитель лишь задает правильные вопросы, ответы на которые учащиеся находят самостоятельно. К сожалению, там отсутствуют практико-ориентированные задания после параграфов, поэтому учителю необходимо будет, учитывая уровень класса, составить ряд заданий, для закрепления знаний. Кроме того, мое личное мнение, что исторических вставок слишком много, их можно сократить, так как зачастую они не несут хоть сколько-нибудь полезную информацию.

Учебник за авторством Касьянова В. А. имеет большое количество схем, изображений приборов, графиков зависимостей. Выделение понятий весьма привлекательное и информация имеет четкую структуру, по которой учащиеся могут работать самостоятельно, без труда смогут составить конспект. Кроме того, присутствуют задания после параграфа, которые помогут закрепить материал. Думаю, такой учебник подойдет для начинающего учителя, поможет правильно расставить акценты в течении урока, грамотно распланировать время урока.

Учебник за авторством Громова С. В., Шароновой Н. В. и Левитана Е. П. имеет некоторое количество схем, приводятся формулы, выделены некоторые понятия, а так же, то что меня приятно удивило: сводная таблица формул нахождения количества теплоты в различных процессах и связанное с ними изменение внутренней энергии. Этот учебник является чем-то средним между двумя, уже описанными выше: он выделяет основные знания, при этом дает возможность к размышлению. Думаю, этот учебник подходит тем учителям, которые используют элементы новизны в каждом уроке, так как он оставляет пространство для самостоятельной доработки урока учителем.

Проведя сравнительный анализ пособий, я делаю вывод, что для меня наиболее предпочтительным для обучения учащихся профильного класса, было бы пособие за авторством Громова С. В. и Шароновой Н. В.

Теперь, на основании данного учебника я могу привести особенности формирования понятий работа, внутренняя энергия и количество теплоты в профильном курсе физики.

Все понятия, которые нужно усвоить учащимся и студентам, требуют тщательной разработки методики их формирования. Учитель при этом должен опираться на знания, полученные учащимися и студентами при изучении первоначальных сведений о строении вещества в 7-8 классах, на понятия о работе и энергии. Для объяснения сущности тепловых явлений и формирования основных понятий, надо использовать демонстрационные и лабораторные физические эксперименты, решение задач и привлечение примеров из жизни, быта, природы и производства.

В современном курсе физики содержание понятия «внутренняя энергия» раскрывается как зависимость внутренней энергии от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело, и представлена следующими составными частями:

а) кинетической энергией хаотического движения молекул (поступательного и вращательного);

б) потенциальной энергией, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия;

в) кинетической потенциальной энергией колебательного движения атомов и молекул;

г) энергией электронных оболочек атомов и ионов, а также внутриядерной энергией.

В 8 классе для учащихся будет достаточным усвоить, что энергия броуновского движения молекул (молекулярно-кинетическая) и энергия взаимодействия молекул (молекулярно-потенциальная) являются частью внутренней энергии тела. В старших классах понятие внутренней энергии расширяется, развивается, обобщается на основе молекулярно-кинетических и термодинамических представлений.

Для формирования понятия можно использовать разные приемы. Обычно используют абстрактный «идеальный» газ, по отношению к которому рассматриваются все законы термодинамики и производится вывод различных формул. Если мы говорим об изменении внутренней энергии, то для идеального газа можно вычислить значение внутренней энергии газа в начальном и конечном состоянии, но стоит учесть, что потенциальная энергия взаимодействия молекул идеального газа в таком случае равна нулю, следовательно, его внутренняя энергия определяется кинетической энергией движения всех его молекул.

Если средняя энергия движения одной молекулы равна , а в одном киломоле содержится Na молекул, то внутренняя энергия одного киломоля газа будет равна .

Зная, что , получаем формулу внутренней энергии для одного киломоля газа равную равна . Для того, чтобы эту формулу можно было применить к любой массе газа, т.е. любому числу киломолей , необходимо добавить в качестве множителя количество вещества. И итоговая формула примет вид: .

Четкое объяснение последней формулы будет способствовать закреплению соответствующего материала.

Из этого выражения следует, что внутренняя энергия является функцией состояния и, при совершении системой любого процесса, в результате которого система возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии равно нулю. Следовательно, внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры.

Далее надо объяснить, что внутренняя энергия тела в термодинамике — это энергия, зависящая только от его внутреннего состояния и не связанная с движением относительно других тел, так как за счет совершения механической работы или теплообмена с окружающей средой происходит только изменение внутренней энергии системы: ∆U =∆A + ∆Q.

Так же нужно обратить внимание на очень важное свойство внутренней энергии. Если самопроизвольный, неравновесный процесс внутри системы (например, химическая реакция) осуществляется изохорно (при постоянном объеме), то при этом не совершается механическая работа (∆A=0). Если при этом процесс идет еще и без теплообмена с окружающей средой (∆Q=0), внутренняя энергия системы во время процесса сохраняется (∆U=0). Закон сохранения внутренней энергии U широко используется в прикладных термодинамических расчетах изохорных процессов.

Очень важно, чтобы учащиеся поняли, что внутренняя энергия не изменяет свое абсолютное значение при возвращении системы в исходное состояние (к тем же параметрам) при осуществлении кругового процесса. То есть величина внутренней энергии полностью определяется (с точностью до константы) только внутренними параметрами - массой, давлением, объемом, температурой, характеризующими состояние системы. Такие функции, которых в термодинамике несколько (например, это уже известные нам p, T, V, ν), называются, наряду с известным нам термином «функции состояния», также и характеристическими функциями.

Нужно использовать знания учащихся из курса алгебры и начала анализа о понятии приращения аргумента и функции, и предложить формулу для полного изменения внутренней энергии. Заменив в выражении для изменения внутренней энергии конечные приращения «∆» на бесконечно малые величины, получим выражение для дифференциала внутренней энергии: dU =dA + dQ.

Необходимо обратить внимание на то, что тепло Q и работа A не являются функциями состояния: нельзя говорить отдельно о содержании тепла и работы; количество получаемого тепла и работы являются характеристикой процесса, а не состояния.

Закреплению материала следует уделить особое внимание, оно должно стать составляющей частью всего обучения, в виду сложности рассматриваемых понятий.

На завершающем этапе изучения понятия «внутренняя энергия» целесообразно закрепить материал при решении задач.

Для формирования понятий работа и количество теплоты, нам необходимо перейти к способам изменения внутренней энергии, так как в профильном курсе физики эти понятия рассматриваются именно с такой точки зрения.

Для продолжения формирования и расширения понятия «количество теплоты» в профильном курсе физики, необходимо обратиться к 8 классу, где это понятие было введено впервые. Так в курсе основной школы количество теплоты - энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

В современном курсе профильной физики содержание понятия «количества теплоты» несколько расширенно, это не просто энергия, а мера изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи. Но, прежде чем определить единицы измерения количества теплоты, необходимо вспомнить о механической работе и её расчете. Механическая работа прямо пропорциональна силе и длине пути, т.е. зависит от нескольких физических величин, так же, как и количество теплоты, которая в свою очередь, являясь мерой изменения внутренней энергии, зависит, как и внутренняя энергия, от температуры. Если температура тела возросла, это означает, что тело получило некоторое количество теплоты, если температура тела понизилась — оно отдало некоторое количество теплоты.

То есть первое от чего зависит количество теплоты – температура. Второй физической величиной является масса, так как любой учащийся, основываясь на собственном опыте может легко найти ответ на вопрос: что закипит быстрее, маленькая пробирка или чайник? Причем огонь будет одинаковым, как и время, предоставленное для нагревания. То есть делаем вывод, чем больше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.

То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела.

Обобщая оба случая, можно говорить о том, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разности температур в начале и в конце теплообмена.

Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ.

Единицей внутренней энергии служит джоуль. Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введены раньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицы для измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока еще применяются при расчетах.

Учащиеся в процессе изучения физики должны научиться пользоваться определенными приборами и устройствами. Уметь определять опытным путем физические величины, решать основные типы задач (вычислительные, качественные, экспериментальные, графические и др.). Решение задач является составной частью процесса обучения физики. В связи с этим задачи решаются на учебных занятиях по физике в различных формах и на всех этапах усвоения знаний. Овладевать общеучебными умениями (уметь работать с учебной литературой, выделять главное, делать выводы, ставить опыты, вычислять и др.); мыслительные операциями (анализ, синтез, абстрагирование, обобщение и др.); приемами умственной деятельности (сравнение, классификация, определение и др.)

Все элементы физических знаний могут быть усвоены учащимися на различных уровнях (различение, запоминание, понимание, применение знаний в знакомой и в новой ситуация). Учащиеся должны знать систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах, тепловые двигатели.

В профильном курсе физики понятие «работа» рассматривается в основном с точки зрения выполнения работы газом или совершение её над газом. Порой, для учащихся довольно сложно четко осознать, что это сокращение, которое не стоит воспринимать буквально. Поэтому стоит напомнить им что из курса 7 класса известно, что работу выполняет сила, совершающая перемещение. Понятие работы удобно формулировать на эксперименте с поршнем.

Берем сосуд с поршнем, на который действует сила давления . По третьему закону Ньютона, можно выделить такую же по модулю и противоположную по направлению силу, которая действует условно на газ, . Условно, так как газ это совокупностью атомов, и то нет точки приложения для этой силы, есть лишь много единичных столкновений с атомами. Но так можно сказать о любом теле, состоящем из атомов, а силы мы все же в разных моделях выделяем. Эта сила равна сумме внешних сил, действующих на поршень: силы тяжести, силы, создаваемой атмосферным давлением.

Так вот, пусть газ расширяется. Работа силы равна , и положительна. Эту работу мы и называем работой, которую совершает газ, чтобы не называть ее «работа силы действия на поршень, создаваемой давлением газа». А работа внешних сил равна . Эту работу мы называем работой, которая совершается над газом. Они равны по модулю и противоположны по знаку,.

Собственно, понятие механической работы в дальнейшем рассматривается при различных термодинамических процессах, для которых работа четко определена.

При изохорном процессе объем постоянный, нет перемещения, следовательно, A=0.

При изобарном процессе необходимо рассмотреть ситуацию, когда газ находится в цилиндре под поршнем. Давление на поршень, по определению, равно силе, деленной на площадь. Распишем силу через давление: .

Перемещение поршня обозначим , чтобы не путать с площадью . При изобарном расширении, считаем положительным, так как сила и перемещение направлены одинаково. Запишем работу: .

А изменение высоты умноженное на площадь – это изменение объема газа, тогда: .

Соответственно при изобарном сжатии будет отрицательным. Как и полученная вследствии работа.

При изотермическом процессе вычисление работы усложняется, так как изменяются и объем, и давление.

Оценим работу газа по графику. График изотермы – это гипербола , и работа газа равна площади фигуры под графиком. (рис. 3)

На этом моменте рассмотрения необходимо делать небольшую ремарку о том, что изотермический процесс рассматривается только в профильном курсе физики.

Вычислить работу газа можно по площади фигуры под графиком процесса в координатах . Так как график в данном случае не прямой, как в случае с изотермой, его можно разбить на небольшие промежутки, на каждом из которых давление можно считать постоянным. Тогда можно вычислить работу на каждом участке приняв его за прямоугольник и сложить.

Для профильного курса это не должно быть слишком сложно, так как такой метод уже рассматривался при нахождении скорости при равноускоренном движении, работы изменяющейся силы упругости. Только графики были прямые и сложных вычислений не было.

Подводя итоги по всему вышесказанному, можно сделать вывод, что в современном образовательном пространстве еще не наработана достаточная методическая база для полноценного преподавания физики в профильном классе на том уровне, которого требует федеральный государственный образовательный стандарт, но это база постепенно расширяется, дополняется и, надеюсь, в скором времени она станет достаточной, чтобы любой педагог, начинающий или опытный мог найти для себя что-то интересное и познавательное.

Кроме того, расширяющаяся методическая база даст возможность формировать у учащихся устойчивую базу знаний, на которую они смогут опираться при дальнейшем изучении физики и при решении различных задач.

Список использованной литературы и источников.

Громов С. В. Физика: оптика. Тепловые явления. Строение и свойства вещества. Строение Вселенной: учеб. для 11 кл. общеобразоват. Учреждений/ С. В. Громов, Н. В. Шаронова, Е. П. Левитан; под ред. Н. В. Шароновой. – 7-е изд., доп. И перераб. – М.: Просвещение, 2006. – 336 с.: ил. – ISBN 5-09-014625-X. – Текст: непосредственный.

Касьянов, В. А. Физика. 10 класс : Профильный уровень : учеб. для общеобразоват. учреждений / В. А. Касьянов. — 13-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2013. — 428, .. с. ISBN 978-5-358-14687-7 – Текст: непосредственный.

Методика справочник учителя физики/ Сост.: М. Ю. Демидова, В. А. Коровина. - М.: Мнемозина, 2003. - 229 с.: ил. ISBN 5-346-00193-X– Текст: непосредственный.

Мякишев Г. Я. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. Профильный уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений/ Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. - 12-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010. - 349, .. с.: ил. ISBN 978-5-358-08873-3– Текст: непосредственный.

Полунин В.М., Сычев Г.Т. Физика: Конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике для студентов инженернотехнических специальностей /Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2002. 134 Текст: непосредственный.

Теория и методика обучения физики в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений/ С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская и др.; под ред. С.Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой. - М.: Издательский центр "Академия", 2000. - 368 с. ISBN 5-7695-0327-0– Текст: непосредственный.

Шилов В. Ф. Поурочное планирование подготовлено к учебнику «Физика» для 10 класса авторов Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева, Н. Н. Сотского и к учебнику «Физика» для 11 класса авторов Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева, М. В Чаругин Физика : 10—11 кл. : поуроч. планирование: пособие —М. : Просвещение, 2013. — 128 с. – Текст: непосредственный.

Internetурок .. Режим доступа URL: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/osnovy-termodinamiki-profilnyy-uroven (дата обращения: 03.06.2021). – Текст: электронный.

Studopedia .. Режим доступа URL: https://studopedia.ru/11_27399_fizicheskie-osnovi-termodinamiki.html (дата обращения: 24.05.2021). – Текст: электронный.

Бухарова, Г. Д. Молекулярная физика и термодинамика. Методика преподавания : учебное пособие для академического бакалавриата / Г. Д. Бухарова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 221 с. — (Образовательный процесс). — ISBN 978-5-534-09388-9. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт .. — URL: https://urait.ru/bcode/436993 (дата обращения: 04.06.2021). – Текст: электронный.

Герасимов Иван Александрович, Матрончик Алексей Юрьевич, Синицына Галина Александровна Модернизация программы элективного курса физики в рамках довузовской подготовки в физико-математических классах лицея // Символ науки. 2016. №1-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modernizatsiya-programmy-elektivnogo-kursa-fiziki-v-ramkah-dovuzovskoy-podgotovki-v-fiziko-matematicheskih-klassah-litseya (дата обращения: 29.05.2021). – Текст: электронный.

Инфоурок .. Режим доступа URL: https://infourok.ru/metodika-prepodavaniya-fiziki-v-profilnih-klassah-403059.html (дата обращения: 27.05.2021). – Текст: электронный.

Магомадова Р.А. Методические аспекты изучения темы «Внутренняя энергия» в школьном курсе физики. Журнал: Известия Чеченского государственного педагогического университета. Статья в выпуске: 3-2 (11), 2015 года .. Режим доступа URL: https://readera.org/140198948 (дата обращения: 24.05.2021). – Текст: электронный.

Ордановская А.И. Технология конструирования педагогического процесса в подготовке будущих учителей физико-математических дисциплин профильной школы // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2014. №4-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-konstruirovaniya-pedagogicheskogo-protsessa-v-podgotovke-buduschih-uchiteley-fiziko-matematicheskih-distsiplin (дата обращения: 30.05.2021). – Текст: электронный.

Саяпин Д. А. Особенности содержания курса физики как профильного предмета индустриально-технологического профиля обучения // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. 2010. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-soderzhaniya-kursa-fiziki-kak-profilnogo-predmeta-industrialno-tehnologicheskogo-profilya-obucheniya (дата обращения: 02.06.2021). – Текст: электронный.

Тулькибаева Н.Н., Старченко С.А. ФОРМИРОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО МЫШЛЕНИЯ СТАРШЕКЛАССНИКОВ В УСЛОВИЯХ ИНТЕГРАЦИИ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ // Вестник ЮУрГГПУ. 2019. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/formirovanie-estestvennonauchnogo-myshleniya-starsheklassnikov-v-usloviyah-integratsii-fiziki-i-biologii (дата обращения: 07.06.2021). – Текст: электронный.

Физика для всех .. Режим доступа URL: https://www.sites.google.com/site/fizikadlavseh1/home/razdely-fiziki/termodinamika (дата обращения: 24.05.2021). – Текст: электронный.