Конспект урока по физике (10 класс)
Тема: «Внутренняя энергия термодинамической системы и способы её изменения. Количество теплоты и работа».
Цели урока
Образовательные: сформировать у учащихся чёткое понимание внутренней энергии как термодинамической величины; раскрыть два основных способа её изменения (совершение работы и теплопередача); ввести понятия «количество теплоты» и «работа в термодинамике», показать их физический смысл и отличие от механической работы.
Развивающие: развить умение связывать микроскопическую картину (движение и взаимодействие частиц) с макроскопическими параметрами (температура, объём, давление); формировать навыки анализа процессов и выбора подходящей формулы для расчёта.
Воспитательные: показать единство законов природы на примере сохранения энергии в тепловых и механических процессах.
Тип урока: изучение нового материала с элементами первичного закрепления.
Оборудование: демонстрационный воздушный насос (или шприц с плотно закрытым концом), термометр, калориметр (для иллюстрации), слайды/презентация, карточки с задачами.
Ход урока
1. Организационный этап (2 минуты)
Приветствие, проверка готовности класса, постановка темы и целей урока.
2. Актуализация знаний (5–7 минут)
Чтобы плавно подойти к теме, вспомним:
Что такое энергия? Какие виды энергии вы знаете?
Как связаны температура тела и движение его молекул?
В каких случаях механическая энергия тела не сохраняется? Приведите пример (например, торможение автомобиля, неупругое столкновение).
Вывод для записи: при «исчезновении» механической энергии она переходит в другую форму — чаще всего во внутреннюю энергию тела. Это подводит к необходимости ввести понятие внутренней энергии в термодинамике.
3. Изучение нового материала (25–30 минут)
Понятие внутренней энергии
Внутренняя энергия — это суммарная кинетическая энергия хаотического движения всех частиц тела и потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом.
Дляидеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю, поэтому внутренняя энергия — это только кинетическая энергия молекул: она зависит только от температуры и количества вещества.
Для реальных тел (жидкости, твёрдые тела) внутренняя энергия зависит ещё и от объёма (расстояния между частицами).
Формула для одноатомного идеального газа:
U= νRT
где ν— количество вещества (моль),
R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль ⋅К),
T— абсолютная температура (К).
Важно: внутренняя энергия — функция состояния: её изменение ΔU зависит только от начального и конечного состояния системы, а не от пути перехода.
Способы изменения внутренней энергии
Совершение работы (механическое воздействие, меняющее состояние системы).
Пример:1) сжатие газа поршнем — молекулы получают дополнительную энергию от движущейся стенки, температура и внутренняя энергия растут.
Расширение газа — он совершает работу над внешними телами, его внутренняя энергия уменьшается.
Теплопередача (теплообмен) — передача энергии без совершения макроскопической работы.
Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.
Количество теплоты Q
Количество теплоты — энергия, которую тело получает или отдаёт в процессе теплообмена. Измеряется в джоулях (Дж).
Если тело получает тепло, то Q>0.
Если тело отдаёт тепло, то Q<0.
Примеры формул:
Нагревание/охлаждение: Q=cmΔT,
где c — удельная теплоёмкость,
m— масса,
ΔT — изменение температуры.
Плавление/кристаллизация: Q=λm
где λ— удельная теплота плавления.
Парообразование/конденсация: Q=Lm
где L — удельная теплота парообразования.
Работа в термодинамике
В термодинамике работа связана с изменением объёма системы.
Работа газа A′ (работа, совершаемая самим газом): при расширении газ толкает поршень и совершает положительную работу.
Работа внешних сил A над газом: при сжатии внешние силы совершают положительную работу над газом.
Связь: A=−A′
Дляизобарного процесса (постоянное давление) работа газа:
A′=pΔV
Геометрически это площадь под графиком p(V) на диаграмме состояния.
Демонстрация: сжатие воздуха в шприце или насосом — ощущается нагрев (работа над газом увеличивает его внутреннюю энергию).
Первый закон термодинамики (кратко, как обобщение темы)
Изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе:
ΔU=A+Q
Или, если использовать работу газа A′:
Q=ΔU+A′
Это закон сохранения энергии для тепловых процессов.
4. Первичная проверка понимания (5 минут)
Фронтальный опрос:
От чего зависит внутренняя энергия идеального газа?
Может ли измениться внутренняя энергия тела без теплопередачи? Приведите пример.
В чём разница между «работой в механике» и «работой газа» в термодинамике?
Почему при изохорном процессе (V=const) работа газа равна нулю?
5. Первичное закрепление (10–12 минут)
Решение задач разного уровня сложности.
Задача 1 (базовый уровень):
Определите изменение внутренней энергии одноатомного идеального газа, если его температура увеличилась на 50 К, а количество вещества равно 2 моль.
Решение: ΔU= νRΔT= ⋅2⋅8,31⋅50=1246,5 Дж
Ответ: 1246,5 Дж.
Задача 2 (средний уровень):
Газ получил количество теплоты 300 Дж и совершил работу 100 Дж. Чему равно изменение его внутренней энергии?
Решение: по первому закону термодинамики Q=ΔU+A′ → ΔU=Q−A′=300−100=200 Дж.
Ответ: 200дж
Задача 3 (повышенный уровень, качественная):
Почему при быстром накачивании велосипедной шины насос заметно нагревается? Объясните с точки зрения изменения внутренней энергии и работы.
Ответ: при сжатии воздуха совершается работа над газом, его внутренняя энергия увеличивается, температура растёт. Кроме того, часть энергии теряется на трение.
6. Домашнее задание (2 минуты)
Прочитать соответствующий параграф учебника , выписать определения и формулы.
Подготовить краткий ответ (4–5 предложений) на вопрос: «Как можно экспериментально определить, что внутренняя энергия тела изменилась?»
7. Рефлексия (3 минуты)
Учащиеся по кругу (или письменно на карточке) отвечают на вопросы:
Что сегодня было самым понятным?
Что осталось неясным?
Какой пример из жизни помог лучше понять тему?
Учитель подводит итоги, отмечает успехи класса и уточняет моменты, которые стоит разобрать дополнительно.
