В школьном курсе физики § значение, место и особенности раздела

Вид материала

Задача

Содержание «молекулярная физика» В свою очередь, число молекул равно массе газа (т) На газовые законы «внутренняя энергия» и «количество теплоты» Пропедевтический этап. Основной этап. Это уравнение сравнивают с эмпирическим уравнением

Подобный материал:

• Методика изучения электродинамики в школьном курсе физики раздел «электродинамика», 808.93kb.
• Методические рекомендации по формированию научных понятий в школьном курсе физики Составители, 972.27kb.
• Методика преподавания механики в школьном курсе физики значение механики в системе, 604.92kb.
• Еще раз об истории физики в школьном курсе физики в. Е. Фрадкин, зам директора рцокоиИТ, 129.69kb.
• Тольяттинский Государственный Университет Кафедра методики преподавания физики и физической, 381.94kb.
• Выступление Макаренко Н. Н. на педсовете 10., 52.03kb.
• Конспект урока химии в 10 классе Тема урока, 54.04kb.
• Етодические особенности изучения органической химии место органической химии в школьном, 462.44kb.
• Пояснительная записка (профильный уровень X-XI класс), 272.28kb.
• Методика обучения решению прикладных задач в школьном курсе математики примерное содержание, 14.61kb.

РАЗДЕЛ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ


§ 1. ЗНАЧЕНИЕ, МЕСТО И ОСОБЕННОСТИ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают пове­дение качественно нового материального объекта: системы, со­стоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствую­щий ей вид энергии, (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знако­мят со статистическими закономерностями, которые используют для описания поведения большого числа частиц. Фор­мирование стати­стических представлений позволяет помять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличитель­ным свойством тепловых процессов и позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип ра­боты тепловых машин.

Задача учителя — рассмотреть в единстве два метода описа­ния тепловых явлений и процессов: термодинамический (феноме­нологи­ческий), основанный на понятии энергии, и статистический, основан­ный на молекулярно-кинетических представлениях о строе­нии веще­ства. При рассмотрении статистического и термодинами­ческого мето­дов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпириче­ски, и знания, полученные в результате моделирования внутреннего строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.

Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с раз­ных точек зрения состояние одного и того же объекта и по­тому до­полняют друг друга. В связи с этим, формируя такие по­нятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т. д., учитель дол­жен раскрыть их содержание как с термодинамиче­ской, так и с моле­кулярно-кинетической точки зрения.

В разделе «Молекулярная физика» изучают молекулярно-кине­тическую теорию строения вещества, основные положения ко­торой рассматривали еще в VII классе. Изучая физику в VII и VIII классах, учащиеся научились объяснять целый ряд физиче­ских явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, дав­ление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней струк­туры вещества. Од­нако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали на уровне представлений, а все явления описывали качественно. Поэтому при преподавании молеку­лярной физики в X классе знания, имеющиеся у учащихся, нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и количественного описания явлений. В частности, в курсе физики X класса изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже, чем в VII классе, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.

В разделе получают дальнейшее развитие энергетические пред­ставления, происходит обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводят формулу первого закона термодина­мики и рассматривают применение этого закона к анализу кон­кретных процессов. Изучение одного из основных принципов тер­модинамики имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение для десятиклассников.

Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броунов­ское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газо­вые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).

Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика» трудно переоценить. При его изучении происходит углубление по­нятия материи. Молекулы и атомы являются вещественной фор­мой материи, объективно существующей в окружающем мире. Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом материи, молекулы и атомы имеют присущие материи свойства, одно из которых — движение. Молекулы и атомы участвуют в особом дви­жении, называемом тепловым, которое отличается от простейше­го механического движения большой совокупностью участвую­щих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение описыва­ется статистическими законами. В связи с этим важно показать школьникам различие между статистическими и динамическими закономерностями, соотношение между ними и обратить внимание учащихся на отражение в этих закономерностях категорий не­обходимого и случайного.

Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений приро­ды. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в развитие абстрактного мышления учащихся.

Велико политехническое значение этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, целенаправленно работать над повышени­ем твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить уча­щихся c основами теплоэнергетики, отрасли, занимающей в на­шей стране первое место в обеспечении энергией нужд промыш­ленности и быта.

Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах после раздела «Механика». Такое расположение материала, с од­ной стороны, соответствует методическому принципу рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения Ма­терии, а с другой — позволяет изучать микроявления на количе­ственном уровне и использовать известные из курса механики ве­личины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.

§ 2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: избранный метод изучения газовых законов (ин­дуктивный или дедуктивный) и метод введения понятия темпе­ратуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на каче­ственном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест­ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт­ном изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термоди­намики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термоди­намики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (ос­новное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, темпе­ратура - мера средней кинетической энергии молекул) — свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне до­ступен для учащихся, при его использовании представления и по­нятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует истории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с пу­тями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравнение



уравнения состояния идеального газа и подтверждают экспери­ментально. Далее можно изучать законы термодинамики и рас­сматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с ин­дуктивным, одно из которых заключается в соответствии его ос­новной идее современного школьного курса — усилению роли научных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонст­рировать тот факт, что фундаментальных законов в физике не так много, большинство же могут быть получены как частные случаи из более общих законов. Применение здесь дедуктивного метода играет большую роль в формировании научного мировоззрения и развитии мышления школьников. Он также позволяет получить выигрыш во времени.

При дедуктивном подходе к изучению газовых законов воз­можна и иная структура раздела, при которой школьников сначала знакомят с основными понятиями и законами молекулярно- кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопических систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории — основы термодинамики — строение и свойства газов, жидкостей и твер­дых тел - агрегатные превращения.

Что касается введения понятия температуры, то при индуктив­ном изучении газовых законов последовательность его раскрытия такова: температура как параметр состояния макроскопической системы — абсолютная температура (из закона Шарля или Гей-Люссака) — температура — мера средней кинетической энергии мо­лекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и эмпирически полученного уравнения состояния идеаль­ного газа).

При дедуктивном изучении газовых законов понятие темпера­туры вводят следующим образом: температура как параметр состояния макроскопической системы — абсолютная температура — температура — мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и



для всех газов в состоянии теплового равновесия показывают, что абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул).

При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести по­нятие температуры и по следующей схеме: температура как па­раметр состояния макроскопической системы - температура — мера средней кинетической энергии молекул (по определению после рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетиче­ской теории газов) — абсолютная температура.

В соответствии с программой одиннадцатилетней школы раз­дел «Молекулярная физика» включает две темы: «Основы моле­кулярно-кинетической теории» и «Основы термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных положений молекуляр­но-кинетической теории и их опытного обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание термодинамики возмож­но лишь после изучения механизма, лежащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение основных положений моле­кулярно-кинетической теории сразу же позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем, что уже известно учащимся из курса физики VП—VIП классов и из курса химии VПI— IX классов.

Вопросы молекулярно-кинетической теории изучают здесь бо­лее глубоко, особое внимание уделяют опытным обоснованиям молекулярно-кинетической теории: рассматривают броуновское движение, достаточно детально изучают характеристики молекул, методы их теоретического и экспериментального определения, при объяснении взаимодействия между молекулами проводят анализ графика сил взаимодействия.

Затем в этой же теме изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, понятие температуры, уравнение Менделеева-Клапейрона и изопроцессы. Знания, по­лученные школьниками при изучении этого материала, используют для объяснения свойств паров, жидкостей и твердых тел.

В теме «Основы термодинамики» повторяют и углубляют по­нятия, изученные учащимися в VIII классе: внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты и ра­бота как меры изменения внутренней энергии, обсуждают зависимость внутренней энергии от параметров состояния системы. Затем изучают первый закон термодинамики, дают понятие о вто­ром законе термодинамики (невозможности полного превращения внутренней энергии в работу). Важный вопрос темы - вопрос о принципах действия тепловых двигателей, рассмотрение которого позволяет показать применение законов термодинамики в кон­кретных технических устройствах и тем самым ознакомить деся­тиклассников с физическими основами теплоэнергетики.


§ 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

Сущность статистического метода изучения явлений соответ­ствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного. Движение каждой молекулы тела или системы подчиняется законам классической механики, однако ее поведение в каждый момент времени случайно, оно зависит от множества причин, которые невозможно учесть. Например, ско­рость, энергия, импульс каждой молекулы зависят от столкнове­ний ее с другими молекулами, и предсказать значения этих вели­чин в каждый момент времени невозможно.

С другой стороны, поведение всей совокупности частиц под­чиняется определенным закономерностям, которые называют ста­тистическими и которые проявляются при изучении поведения большого числа частиц. Например, если скорость каждой молеку­лы в данный момент времени - величина случайная, то большин­ство молекул имеет скорость, которая близка к некоторому опре­деленному при данных условиях значению, называемому наиболее вероятным.

Математическую основу статистической физики составляет тео­рия вероятностей, важными понятиями которой являются: «слу­чайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».

Под случайным понимают событие, которое может наступить, а может не наступить в данных условиях. Случайное событие характеризуется следующими признаками: а) невозможностью однозначного предсказания случайного события; б) наличием боль­шого числа причин, обусловливающих случайное событие; в) предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий; г) вероятностью события как математического выраже­ния возможности предсказания процесса.

Эти признаки можно рассмотреть на примере совокупности большого числа молекул. В частности, невозможно однозначно предсказать движение каждой отдельной молекулы, так как оно зависит от поведения множества других молекул. Это можно сде­лать лишь с определенной вероятностью.

Вероятность — это числовая характеристика возможности по­явления события в тех или иных условиях. Чем больше вероят­ность, тем чаще происходит данное событие. Если число всех проведенных испытаний N, ΔN—число испытаний, в которых про­исходит данное событие, то вероятность этого события вычисляют по формуле: ω=.

Можно под N понимать общее число частиц в системе, а под ΔN — число частиц, находящихся в определенном состоянии. В этом случае ω — вероятность существования частицы в данном состоянии.

В теоретических расчетах бывает сложно вычислить вероят­ность, так как не представляется возможным предсказать число испытаний, в которых событие произойдет. Задача упрощается, если изучают равновероятные события, т. е. события, происходя­щие с равной частотой. Именно с равновероятными событиями имеют дело при рассмотрении хаотического движения молекул: вдоль любых выделенных направлений движется одинаковое чис­ло частиц. Следует пояснить учащимся, что понятие вероятности имеет смысл лишь для массовых событий. В противном случае частота наступления события может существенно отличаться от значения вероятности.

Понятие о статистическом распределении вводят, используя опыт с доской Гальтона (рис. 46), который достаточно наглядно иллюстрирует распределение молекул по координатам. С вопро­сом о распределении десятиклассники сталкиваются при выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, рассматривая равновероятное рас­пределение молекул по объему и по направлениям движения. Изучая вопрос о скоростях молекул, школь­ники знакомятся с максвелловским распределением.

При изучении молекулярно-ки­нетической теории учащиеся ши­роко используют среднее значе­ние случайных величин. Важно подчеркнуть, что среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения. Именно для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно. К таким величинам относится, например, скорость движения мо­лекул. Не имея возможности определить скорость каждой отдель­ной молекулы, для расчетов используют значение скорости, равное среднему квадрату:



При выводе основного уравнения кинетической теории газов рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о сред­нем значении давления, так как в разные моменты времени о стен­ку ударяется разное число молекул, имеющих различные скоро­сти. Но при большом числе молекул можно считать давление по­стоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.

У учащихся может сложиться впечатление, что статистический метод был введен в науку как некий искусственный прием, позво­ливший описать поведение молекул, и что динамические законы являются основными по сравнению со статистическими. Следует предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы существуют объективно. Классическая статистика возникла в XIX в. Этот факт выражал прогрессивное направление науки и был связан с изучением внутреннего строения вещества. В настоя­щее время известно, что поведение всех микрообъектов подчиня­ется статистическим законам, причем в квантовой физике в отли­чие от классической статистические законы проявляются не толь­ко вследствие массовости и хаотичности движения, но и в связи с самой природой квантовых объектов (с невозможностью одновре­менного точного определения координаты и скорости частицы). Целесообразно подчеркнуть, что статистический метод является основой современной физики. В частности, вероятностные, стати­стические законы господствуют в мире элементарных частиц.

Термодинамический метод описания явлений и процессов опи­рается на непосредственные данные наблюдений и опытов и на основные термодинамические принципы (законы термодинамики).

Термодинамика - феноменологическая теория, которая изучает явления и свойства макроскопических тел, связанные с превраще­нием энергии, и не рассматривает их внутреннее строение. Начало термодинамики как науки было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в которой рассматривались тепловые процессы, в частности вопросы изменения внутренней энергии при совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В на­стоящее время термодинамика изучает превращения энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, химических и др.

В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия: «термодинамическая система», «состояние термодинами­ческой системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».

Термодинамической системой называют тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними тела­ми. Если обмена энергией с внешними телами нет, то система яв­ляется изолированной. Понятие изолированной системы — абстракция, все реальные системы можно считать изолированными лишь с той или иной степенью точности.

С понятием состояния школьники уже знакомы из курса ме­ханики. Они знают, что механическое состояние системы опреде­ляется совокупностью величин, характеризующих свойства систе­мы и называемых параметрами состояния. К ним в механике от­носят координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической системы также определяется рядом параметров (термодинамиче­ских). Термодинамическими параметрами состояния являются тем­пература, объем, давление и т. д.

Число параметров, характеризующих состояние системы, за­висит от свойств системы и от условий, в которых она находится. Трех названных выше параметров достаточно для описания изо­лированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, на­пример, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и кон­центрацию.

Параметры могут быть внешними и внутренними. Температу­ра и давление, например, зависят только от состояния самой системы и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних условий. Некоторые параметры состояния, например, объем, обладают свойством аддитивности, другие, такие, как дав­ление и температура, не обладают.

При изменении состояния системы меняются и ее параметры. Однако для целого ряда тер­модинамических систем между параметрами можно установить функциональную зависимость. Уравнение, выражающее эту зави­симость, называют уравнением состояния (для системы «идеаль­ный газ» это уравнение pV=NkT).

Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех тер­модинамических параметров системы во времени и одинаковостью в пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находит­ся в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением времени меняются), то постепенно она придет в состояние равно­весия и ее параметры выровняются во всех частях системы.

Изо­лированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние, из которого не может само­произвольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия, являющегося одним из важней­ших опытных законов термодинамики. Именно закон термодина­мического равновесия делает возможным измерение температуры системы.

Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеаль­ного газа и частные газовые законы справедливы лишь для рав­новесных процессов. К неравновесным процессам они непримени­мы, так как в этом случае параметры состояния различны для разных частей системы. Из одного равновесного состояния в дру­гое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.

Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во вре­мя процесса система остается равновесной, то и процесс называ­ют равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда, ког­да время релаксации (время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное) много меньше времени осуществления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени с той или иной степенью точности считают равновесной, или статиче­ской. Поскольку в действительности отклонения от статичности имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то состоя­ние системы называют квазистатическим, а процесс — квазистати­ческим процессом. Следует иметь в виду, что на графике можно изобразить только равновесное (квазистатическое) состояние или равновесный (квазистатический) процесс.





При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю сле­дует постоянно подчеркивать единство статистического и термоди­намического методов. В этом отношении полезно обобщать и си­стематизировать знания школьников о статистическом и термоди­намическом подходах к описанию тепловых явлений. Обобщение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь между этими подходами представляют в виде схемы, изображенной на рисунке 47.