С помощью этого равенства делаем вывод о прямо пропорциональной зависимости между средней кинетической энергией поступательного движения молекулы газа и его абсолютной температурой: даём определение температуры:
Закрыв после этого кран, через который теплоприёмник сообщается с атмосферой, помещаем теплоприёмник в сосуд с горячей водой. Давление воздуха повышается. измерив его, рассчитываем среднюю кинетическую энергию при другой температуре. На основании этого опыта делаем качественный вывод о корреляции между этими величинами. Отношение же средних кинетических энергий поступательного движения молекул не равно отношению температур. Если же ввести «новую» температуру, которая на 273` больше «старой» температуры по шкале Цельсия, то равенство выполняется с достаточной точностью:
На уроке «Определение температуры» в процессе дальнейших экспериментов с газом устанавливаем связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекулы газа и его абсолютной температурой. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов следует, что можно определить среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы, если измерены объём газа, число его молекул и давление. Для этого мы используем экспериментальную установку, состоящую из теплоприёмника, соединённого резиновой трубкой с манометром от прибора для изучения газовых законов, электрического термометра и барометра. Объём воздуха равен объёму теплоприёмника, первоначальное давление равно атмосферному, масса воздуха может быть измерена непосредственно путем взвешивания теплоприёмника с воздухом и без него или определена по известному справочному значению его плотности, что позволяет вычислить число молекул газа и рассчитать среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы воздуха при комнатной температуре:
Другой путь строим модель объекта и путём её теоретического анализа или экспериментальной проверки получаем основные законы. Лучше всего рассмотреть самую простую модель газа, когда все его молекулы движутся в прямоугольном ящике с одинаковыми скоростями вдоль оси Х. Движение частиц этого газа подчинено законам механики Ньютона. Каждая молекула при упругом ударе о стенку передаёт ей импульс р = 2m0ux. За время t о стенку ударится z молекул, изменение импульса стенки откуда давление струи газа p = m0nu2x. Если стенка липкая, каждая молекула передаст стенке импульс в два раза меньший, однако число молекул, ударяющихся о стенку за время t, будет в два раза большим, поэтому давление струи газа остаётся прежним. Если молекулы движутся с разными скоростями вдоль оси Х, формула давления струи газа приобретает вид Если же молекулы газа движутся хаотически по всевозможным направлениям, то давление газа рассчитываем по формуле
Во всех экспериментах ученики наблюдают колебания указателя динамометра около некоторого среднего значения, что обусловлено флуктуациями концентрации и скорости частиц, что убеждает их в том, что любой макроскопический прибор измеряет лишь среднее значение величины.
Для выяснения зависимости средней силы давления от массы дробинок (если необходимо) и их концентрации в потоке в первом случае используем набор дробинок разной массы, а во втором изменяем регулятором их концентрацию в потоке. Если диаметр отверстия воронки-бункера в несколько раз больше диаметра дробинок, то прямо пропорциональная зависимость средней силы давления от массы и концентрации дробинок проявляется достаточно чётко.
Вначале выясняем зависимость этой силы от средней кинетической энергии дробинки. Из закона сохранения энергии для падающих дробинок имеем соотношение Ек = mgh, откуда следует прямо пропорциональная зависимость между средней кинетической энергией дробинки и высотой падения. Изменяя в опыте высоту воронки-бункера по отношению к чашке весов в 2, 3 и 4 раза, измеряем в каждом случае силу. Опыт показывает, что средняя сила давления прямо пропорциональна средней кинетической энергии дробинки.
Например, на уроке по теме «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов» используем механическую модель газа для случая его одномерного движения. В этой модели молекулы представляем дробинками, падающими с некоторой высоты на перевёрнутую чашку весов. Дробинки можно рассматривать как материальные точки, между которыми отсутствуют силы притяжения. Передача же импульса от дробинок к чашке приводит к возникновению средней силы давления, которая может быть измерена в эксперименте.
Анализ имеющихся средств обучения, а также методические рекомендации показывают, что эти уроки нуждаются в существенном усилении. Мы их и обеспечили в первую очередь необходимыми средствами обучения, добились того, чтобы они стали самым «ярким пятном» при изучении соответствующих теорий. Одним из основных направлений нашей деятельности при этом стало совершенствование демонстрационного эксперимента.
В механике это уроки изучения законов Ньютона, закона всемирного тяготения, закона Гука, закона Амонтона, закона Архимеда, законов сохранения импульса и энергии; в молекулярно-кинетической теории идеального газа вывод основного уравнения МКТ газов и установление связи между средней кинетической энергией поступательного движения молекулы и температурой; в термодинамике первое и второе начала; в электродинамике закон Кулона, электрическая сила, закон Ома, закон Ампера (сила Лоренца), закон электромагнитной индукции и четыре качественных положения о связи полей и электрических зарядов; в квантовой физике корпускулярно-волновой дуализм и соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами материи (уравнение де Бройля). Ученик не выучивает эти законы, а создаёт их вместе с учителем, как и весь учебник физики!
Традиционный путь познания ведёт от наблюдения физического явления в природе к построению экспериментальной установки, с помощью которой данное явление воспроизводится в лаборатории. В последующих экспериментах вводятся физические величины как свойства объекта или происходящего с ним процесса и устанавливаются связи между ними. Каждую такую связь, выраженную математически с помощью таблицы, графика или формулы, называют физическим законом. Изучая физические явления, относящиеся к данной форме движения материи, мы получаем (можем получить!) множество законов, однако далеко не каждый из них можно отнести к ядру физической теории. К нему относят только те законы, из которых путём преобразований можно получить все остальные законы, в том числе и многообразие формул-следствий для конкретных ситуаций. Именно ядро составляет базовую основу физического знания, а поэтому уроки, посвящённые его изучению, должны быть выделены как главные и обеспечены необходимыми средствами обучения, на которых ученик постигал бы истину «умом, руками и сердцем».
Кирилл Годик, выпускник гимназии
Их даже «крутой» не нарушит!
Законы же физики вечно правы,
Но мало законопослушных.
Законов в России, как в поле травы,
Изучение основных законов на уроках физики
Найдин,, МОУ гимназия 44, г. Новокузнецк, Кемеровская обл.
Методические страницы
Найдин А. | Изучение основных законов на уроках физики | Газета «Физика» 01 за 2009 год
Комментариев нет:
Отправить комментарий