Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы "Законы термодинамики" в средней школе
Дипломная работа - Педагогика
Другие дипломы по предмету Педагогика
?ших процессов в идеальном газе целесообразно представить в виде таблицы (приложение 2), содержащей следующие графы:
) название и условия протекания процесса;
) уравнение процесса;
) графическое представление процесса;
) значение всех величин, входящих в первое начало термодинамики применительно к рассматриваемому процессу;
) значение теплоемкости в данном процессе;
) значение показателя политропы.
Составление такой таблицы может быть поручено самим учащимся в процессе подготовки к занятию по данной теме. Последующее использование этой таблицы значительно облегчит решение конкретных физических задач на практических занятиях. Безусловно, что контроль над правильностью и самостоятельностью составления таблицы по-прежнему остается делом преподавателя.
В методической литературе неоднократно поднимался вопрос о необходимости ознакомления учащихся со вторым законом термодинамики, без которого нельзя дать физическое обоснование работы любого теплового двигателя. Поэтому целесообразно ознакомить учащихся с основными идеями и доступными для них формулировками этого закона. В специализированных школах физико-математического профиля имеет смысл ввести и понятие энтропии. Изучение второго закона термодинамики тем более важно, что он имеет глубокое мировоззренческое и политехническое содержание, демонстрируя тесную связь науки и производства.
Проверенная на опыте методика изложения второго начала термодинамики рекомендует рассмотрение этого раздела во взаимосвязи с вопросами теории тепловых машин.
Рассматривая работу тепловых машин, следует сформулировать основные принципы ее работы.
1.Тепловая машина должна быть периодически действующим устройством, следовательно, рабочее тело машины должно совершать замкнутый процесс (цикл).
2.Машина должна совершать за цикл положительную работу. Исходя из этих утверждений, нужно рассмотреть принципиальное с физической точки зрения устройство теплового двигателя, включающего нагреватель, холодильник и рабочее тело. Далее следует ввести понятие КПД тепловой машины. При этом важно заметить, что довольно часто невозможность достижения КПД, равного 100%, учащиеся связывают с трением, излучением, теплопроводностью и др., которые, конечно, снижают значения КПД тепловых машин, но не играют столь принципиальной роли как необходимость присутствия холодильника как составной части любого теплового двигателя.
Используемое обычно графическое толкование необходимости присутствия холодильника (расширяться газ должен нагретым, а сжиматься холодным) наглядно, но не совсем убедительно, поскольку газ можно охладить и без холодильника (например, путем адиабатического расширения).
Вывод о принципиальном ограничении КПД тепловых двигателей может быть получен лишь на основании второго начала термодинамики.
Дело в том, что в процессе работы тепловой машины неупорядоченное тепловое движение (при контакте рабочего тела с нагревателем) преобразуется в упорядоченное в виде макроскопической работы, совершаемой тепловым двигателем. Природа запрещает переход неупорядоченного теплового движения в упорядоченное. За возможность такого перехода она требует плату в виде тепла, передаваемого холодильнику. Процессы, ведущие к беспорядку, идут сами собой, напротив, установление порядка всегда требует усилий.
Если в вашей комнате вещи не знают своего места, и вы размещаете их, не соблюдая никаких правил, то в вашей комнате всегда беспорядок. Чтобы навести в такой ситуации порядок, вам потребуется приложить некоторые усилия - отвести каждой вещи свое место и размещать вещи только согласно отведенному месту. Ваши усилия - плата за установление порядка.
Так и в мире молекул, только там все сложнее, потому что молекул очень много и они все беспорядочно движутся (представьте себе, каких усилий требовало бы наведение порядка в комнате, если бы все вещи в ней двигались).
Теплота, передаваемая рабочим телом холодильнику, это своего рода компенсация за возможный переход от беспорядочного хаотического движения в упорядоченное, которое имеет место при совершении механической работы, ради которой и были созданы тепловые машины.
Изложение второго начала термодинамики в курсе физики средней школы целесообразно начать с обобщения наблюдаемых явлений, например, основываясь на общеизвестном факте о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. При этом следует пояснить смысл выражения "самопроизвольный переход". Под самопроизвольным переходом понимается такой переход, который совершается без вмешательства внешних тел. По завершении такого перехода не должно произойти каких-либо изменений во внешних телах.
Далее следует привести формулировку второго начала термодинамики, предложенную Клаузиусом.
Анализируя работу тепловых двигателей, целесообразно рассмотреть и формулировку, данную Томсоном, утверждающую, что невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет внутренней энергии, отнимаемой от какого-либо тела путем теплообмена.
У учащихся может возникнуть недоумение по поводу того факта, что один и тот же закон имеет несколько формулировок. В связи с этим возникает необходимость в введении представления об обратимых и необратимых процессах, рассмотрении конкретных примеров тех и других и установлении связи между ними.
Второе начало термодинамики, по с