Преподавание физики

Деловая игра Первое начало термодинамики

Класс: 10.

Форма урока: Деловая игра.

Цели урока: сформировать умение использовать первое начало термодинамики для описания газовых процессов.

Задачи урока:

А) учебные:

• усвоить понятия первого начала термодинамики;
• научиться применять первое начало термодинамики для описания изопроцесов;

Б) когнитивные:

• осознать цели решения поставленных задач;
• освоить навыки устного анализа явлений;
• научиться разрабатывать план действий;

В) общепредметные:

• научиться выстраивать математические модели как средства описания физических явлений;

Г) воспитательные:

• развить творческий подход в реализации решения и обсуждении результатов.

Подготовка к уроку:

А) 3 комплекта, содержащие:

• цилиндры (4 шт.),
• поршень с грузом (2 шт.),
• теплоизоляторы (2 шт.),
• нагреватели (2 шт.),
• синий и красный фломастер;

Б) карточки с названием изопроцессов (изотермический, изобарный, изохорный, адиабатный);

В) карточки формата А5 с изображением букв и символов: “Q”, “+”, “=”, “Δ”, “U”, “A”.

Ход урока

В начале урока класс делится на 4 группы. Первые три группы будут выполнять задания преподавателя, участники IV-ой группы – арбитры.

Примечание: В IV-ую группу не обязательно включать только сильных учеников, знающих материал и способных оценить правильность ответов. Будет более правильным включить в ее состав любых учащихся, независимо от уровня их успеваемости.

I. Актуализация знаний. (5 минут.)

1. Дать определения изотермического, изохорного, изобарного и адиабатического процессов.
2. Сформулировать первый закон термодинамики.
3. Из букв и символов “Q”, “+”, “=”, “Δ”, “U”, “A”, расположенных на доске, создать математическую запись 1-го закона термодинамики и прокомментировать ее.

II. Деловая игра.

1) Инструктаж I, II, III групп об условиях работы: с помощью полученных наборов каждая группа должна наглядно показать, как в случае изопроцессов количество теплоты, полученное от нагревателя, расходуется термодинамической системой.

Каждая команда вытягивает одну карточку из набора названия изопроцессов, который они должны продемонстрировать в процессе перехода термодинамической системы из первого состояния во второе.

На подготовку дается 5–7 минут.

2) Работа с IV-ой группой (пока группы I, II, III готовятся):

Вопросы для обсуждения:

а) проявлением какого фундаментального закона природы является первое начало термодинамики?

Закон сохранения энергии.

б) какие способы изменения внутренней энергии вы знаете?

Теплопередача и работа.

в) какой из них участвует в первом начале термодинамики?

Теплопередача (теплообмен).

г) какие виды теплопередачи вы знаете?

Теплообмен, излучение, конвекция

д) приведите примеры сил, работа которых изменяет внутреннюю энергию тела?

Сила трения, сила деформация (сила Гука).

3) Защита проектов (15 минут):

(См. приложение, для контролирования правильности выполнения.)

К доске выходят два человека, которые демонстрируют выполненное задание. Один участник команды объясняется изменения с термодинамической системой на основании знаний первого начала термодинамики.

Второй участник отвечает на возникшие вопросы других команд.

4) Задание по адиабатному процессу (5–7 минут).

Все команды получают задание, аналогичное п. 1, касающееся адиабатного процесса задание.

Первая выполнившая задание команда осуществляет защиту своего проекта у доски.

5) Обсуждения результатов:

Участники IV-ой команды озвучивают оценки отвечавшим участникам команд (оценку они должны обосновать).

6) Исторический обзор (если остается время после обсуждения результатов):

В истории физики существовало несколько формулировок первого начала термодинамики.

Формулировка Дж. Джоуля (1842 г.): в любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

Формулировка Роберта Майера: в действительности существует лишь один единственный вид энергии. Он находится в вечном обмене и круговороте как в неживой, так и в живой природе; повсюду происходят процессы, в которых изменяется форма энергии. При всех физических и химических процессах данное значение энергии остается неизменным.

В работе Рудольфа Клаузиуса показывается, что из принципа эквивалентности теплоты и работы вытекает существование такой функции состояния системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое всегда равно: ΔU = U₂ – U₁ = Q – A.

Современная трактовка: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами: Q = A + ΔU.

Вопросы для обсуждения:

а) Изменяется ли формулировка закона с течением времени?

б) Почему это происходит?

в) Какие обычно изменения следуют?

7) Подведение итогов урока.

8) Домашнее задание.

Спасибо за урок. До свидания.