Методическая разработка комбинированного занятия для преподавателя Тема 2. 2 «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

«БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Рассмотрено на заседании ЦМК

Протокол № ____от__________________

Председатель: Хританкова Н. Ю.

(Ф. И. О.)

(подпись)

(подпись)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

комбинированного занятия

для преподавателя

Специальность 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Дисциплина: Физика

Раздел 2 «Молекулярная физика»

Тема 2. 2 «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

Разработчик – Вашурина Т. В.

курс 1

Барабинск, 2017 г

Содержание

Методический лист

Тема 2. 2 «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

Вид занятия: комбинированный урок.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Место проведения занятия – аудитория колледжа.

Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством).

Образовательные цели: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа, понятия температура, шкала температур; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

Воспитательные цели: развивать коммуникативные способности; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде (ОК 6).

Развивающие цели: способствовать формированию умения решать физические задачи.

Мотивация значимости темы

Тема «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика).

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов.

В связи с этим необходимо каждому образованному человеку пополнять свои знания в области физики, научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

Изучение темы 2.2 способствует формированию у обучающихся следующих общих компетенций:

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения задач, оценивать их выполнение и качество.

ОК 6. Работать в коллективе и команде.

Выписка из тематического плана

дисциплины «Физика»

специальность Сестринское дело

Примерная хронокарта занятия по теме «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

(время занятия 90 минут)

Блок информации

по теме «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

Простейшей моделью, рассматриваемой молекулярно-кинетической теорией, является модель идеального газа. В кинетической модели идеального газа молекулы рассматриваются как идеально упругие шарики, взаимодействующие между собой и со стенками только во время упругих столкновений. Суммарный объем всех молекул предполагается малым по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ. Модель идеального газа достаточно хорошо описывает поведение реальных газов в широком диапазоне давлений и температур. Задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы установить связь между микроскопическими (масса, скорость, кинетическая энергия молекул) и макроскопическими параметрами (давление, объем, температура).

Используя модель идеального газа, вычислим давление газа на стенку сосуда. В процессе взаимодействия молекулы со стенкой сосуда между ними возникают силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона. В результате проекция υ_x скорости молекулы, перпендикулярная стенке, изменяет свой знак на противоположный, а проекция υ_y скорости, параллельная стенке, остается неизменной (рис. 1).

Рис. 1

получим: 

где p – давление газа на стенку сосуда.

При выводе этого соотношения предполагалось, что все n молекул, содержащихся в единице объема газа, имеют одинаковые проекции скоростей на ось X.

Теперь формулу для давления газа можно записать в виде 

Формула для среднего давления газа на стенку сосуда запишется в виде 

Это уравнение устанавливает связь между давлением p идеального газа, массой молекулы m₀, концентрацией молекул n, средним значением квадрата скорости  и средней кинетической энергией  поступательного движения молекул. Его называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории газов.

Таким образом, давление газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

В основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов входит произведение концентрации молекул n на среднюю кинетическую энергию  поступательного движения. Если предположить, что газ находится в сосуде неизменного объема V, то  (N – число молекул в сосуде).

Понятие температуры тесно связано с понятием теплового равновесия. Тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией. Энергия, передаваемая одним телом другому при тепловом контакте, называется количеством теплоты.

Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными. Температура – это физический параметр, одинаковый для всех тел, находящихся в тепловом равновесии. Возможность введения понятия температуры следует из опыта и носит название нулевого закона термодинамики.

Для измерения температуры используются физические приборы – термометры, в которых о величине температуры судят по изменению какого-либо физического параметра. Для создания термометра необходимо выбрать термометрическое вещество (например, ртуть, спирт) и термометрическую величину, характеризующую свойство вещества (например, длина ртутного или спиртового столбика). В различных конструкциях термометров используются разнообразные физические свойства вещества (например, изменение линейных размеров твердых тел или изменение электрического сопротивления проводников при нагревании).

Термометры должны быть откалиброваны. Для этого их приводят в тепловой контакт с телами, температуры которых считаются заданными. Чаще всего используют простые природные системы, в которых температура остается неизменной, несмотря на теплообмен с окружающей средой – это смесь льда и воды и смесь воды и пара при кипении при нормальном атмосферном давлении. По температурной шкале Цельсия точке плавления льда приписывается температура 0 °С, а точке кипения воды – 100 °С. Изменение длины столба жидкости в капиллярах термометра на одну сотую длины между отметками 0 °С и 100 °С принимается равным 1 °С. В ряде стран (США) широко используется шкала Фаренгейта (T_F), в которой температура замерзающей воды принимается равной 32 °F, а температура кипения воды равной 212 °F. Следовательно, 

Английский физик У. Кельвин (Томсон) в 1848 г. предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале единица измерения температуры такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута: 

В системе СИ принято единицу измерения температуры по шкале Кельвина называть кельвином и обозначать буквой K. Например, комнатная температура T_С = 20 °С по шкале Кельвина равна T_К = 293,15 К.

Температурная шкала Кельвина называется абсолютной шкалой температур. Она оказывается наиболее удобной при построении физических теорий.

Нет необходимости привязывать шкалу Кельвина к двум фиксированным точкам – точке плавления льда и точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении, как это принято в шкале Цельсия.

где k – некоторая универсальная для всех газов постоянная величина. Ее называют постоянной Больцмана, в честь австрийского физика Л. Больцмана, одного из создателей молекулярно-кинетической теории. Постоянная Больцмана – одна из фундаментальных физических констант. Ее численное значение в СИ равно: 

Сравнивая соотношения p = nkT с основным уравнением молекулярно-кинетической теории газов, можно получить: 

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре.

Таким образом, температура есть мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

План самостоятельной работы студентов

Тема 2. 2 «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Термодинамическая шкала температур. Температура – мера средней кинетической энергии молекул»

Приложение №1

Устный опрос по теме «Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) и их опытное обоснование. Идеальный газ. Давление газа»

1. Сформулируйте определение молекулярно-кинетической теории.

Ответ: Теория, объясняющая тепловые свойства макроскопических тел на основе представления об их атомно-молекулярном строении, на­зывается молекулярно-кинетической теорией (сокращенно — MKT) или просто молекулярной физикой.

1. Сколько положений лежат в основе МКТ?

Ответ: В основе молекулярно-кинетической теории лежат три важнейших положения:

1) все тела состоят из огромного количества частиц (молекул и
атомов), между которыми есть промежутки;

2) частицы вещества непрерывно и хаотически движутся;

3) частицы вещества взаимодействуют друг с другом: притягиваются на небольших расстояниях и отталкиваются, когда эти расстояния уменьшаются.

3. Раскройте смысл первого положения МКТ.

Ответ: Первое положение МКТ говорит нам о том, что вещество не является делимым до бесконечности. Атом – это электрически нейтральная микрочастица, состоящая из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Совокупность атомов одного вида называют химическим элементом. В естественном состоянии в природе встречаются атомы 90 химических элементов, все они сведены в таблицу Менделеева.

При сближении атомы могут объединяться в устойчивые группы. Системы из небольшого числа связанных друг с другом атомов называются молекулами. Молекулы являются наименьшими частицами вещества, обладающими его основными химическими свойствами.

1. Раскройте смысл второго положения МКТ.

Ответ: Согласно второму положению MKT, частицы вещества не­прерывно и хаотически движутся (так же это движение называется тепловым).

Ярким подтверждением второго положения МКТ служит явление диффузии.

Диффузия — это самопроизвольное перемеши­вание соприкасающихся веществ. Согласно молекулярно-кинетической теории, такое перемешивание происходит в результате того, что беспорядочно движущиеся молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого вещества.

Броуновским движением называют беспорядочное движение взвешенных в жидкости или газе мелких частичек другого вещества.

1. Раскройте смысл третьего положения МКТ.

Ответ: Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении — силы отталкивания. Сами частицы остаются при этом неизменными.

Приложение №2

Вопросы для первичного закрепления материала

1. Дайте понятие идеального газа.

2. Каким образом происходит давление газа на стенку сосуда.

3. Сфор­мируйте основное уравнение MKT газов.

4. Что такое тепловое равновесие?

5. Что называют температурой?

6. Что используется для измерения температуры?

7. Какие шкалы температур вам известны?

8. Что называют абсолютной шкалой температур.

9. Чему равна постоянная Больцмана? В какую формулу она входит?

10. Какая формула является доказательством того, что температура есть мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул?

Приложение №3

Тестовые задания для итогового контроля

1. Газ, называется идеальным, если:

а) взаимодействие между его молекулами пренебрежимо мало;

б) кинетическая энергия молекул много меньше потенциальной энергии;

в) кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии;

г) похож на разряженный газ.

2. Средняя кинетическая энергия молекул газа равна 2,25 ∙ 10 ^-21Дж. При какой температуре находится газ?

а) 465 К; б) 1087 К; в) 1347 К; г) 974 К.

3. Если при неизменной температуре концентрация газа увеличится в 3 раза, то давление:

а) увеличится в 9 раз; б) не изменится

в) уменьшится в 3 раза; г)увеличится в 3 раза.

4. Средняя кинетическая энергия движения молекул газа увеличилась в 2 раза, как изменилась при этом концентрация, если давление газа не изменилось:

а) уменьшилось в 4 раза; б) уменьшилось в 2 раза;

в) уменьшилось в 2 раз; г) увеличится в 2 раз.

5. Как изменилась кинетическая энергия газа, если давление увеличить в 2 раза, а концентрацию уменьшить в 3 раза:

а) уменьшится в 6 раз; б) увеличится в 6 раз;

в) не изменится; г) увеличится в 9 раз.

Эталоны ответов к заданиям итогового контроля

Критерии оценки: за 3 правильно выполненных задания – «3» балла;

за 4 правильно выполненных задания – «4» балла;

за 5 правильно выполненных заданий – «5» баллов.

Домашнее задание

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы, обратить внимание на значимые моменты.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г. с. 163-181, с. 182 упр. 12 (2).

Перечень оборудования и оснащения

1. Доска

2. Компьютерное и мультимедийное оборудование

3. Электронное учебное пособие (приложение к учебнику)

4. Мультимедийная презентация (24 слайда)

5. Задания для первичного закрепления знаний и итогового контроля

Список использованных источников

1. Инфоурок / infourok.ru [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://infourok.ru/test-po-fizike-klass-na-temu-osnovi-mkt-531457.html

2. Физика. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений с прил. на электронном носителе: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-11-е изд. - М. : Просвещение, 2003. – 336 с.

3. Физика-10. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы [Текст] / Л. А. Кирик ; Харьков: «Гимназия», 2002. – 192 с.

4. Физика.ру / www.physics.ru [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph2/theory.html#.WNHTQUhSCM8

5. Электронное учебное пособие (приложение к учебнику Г.Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 10 класс)

Тестовые задания для итогового контроля (для преподавателя)

1. Газ, называется идеальным, если:

а) взаимодействие между его молекулами пренебрежимо мало;

б) кинетическая энергия молекул много меньше потенциальной энергии;

в) кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии;

г) похож на разряженный газ.

2. Средняя кинетическая энергия молекул газа равна 2,25 ∙ 10 ^-21Дж. При какой температуре находится газ?

а) 465 К; б) 1087 К; в) 1347 К; г) 974 К.

3. Если при неизменной температуре концентрация газа увеличится в 3 раза, то давление:

а) увеличится в 9 раз; б) не изменится

в) уменьшится в 3 раза; г)увеличится в 3 раза.

4. Средняя кинетическая энергия движения молекул газа увеличилась в 2 раза, как изменилась при этом концентрация, если давление газа не изменилось:

а) уменьшилось в 4 раза; б) уменьшилось в 2 раза;

в) уменьшилось в 2 раз; г) увеличится в 2 раз.

5. Как изменилась кинетическая энергия газа, если давление увеличить в 2 раза, а концентрацию уменьшить в 3 раза:

а) уменьшится в 6 раз; б) увеличится в 6 раз;

в) не изменится; г) увеличится в 9 раз.