Конспект урока «Определение скоростей молекул газа» по физике

Агентство по управлению имуществом Пермского края

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального

образования «Строгановский колледж»

Методическая разработка

Урока по физике на тему:

«Определение скоростей молекул газа»

Зверева Ольга Владимировна преподаватель физики.

Учебное заведение: государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Строгановский колледж».

Номинация: Сценарий урока по физике на тему «Определение скоростей молекул газа» на основе технологии проблемного обучения (поисковый эксперимент).

Пояснительная записка

Традиционное обучение, как правило, обеспечивает учащихся системой знаний и развивает память, но мало направлено на развитие мышления, навыков самостоятельной деятельности. Проблемное обучение устраняет эти недостатки, оно активизирует мыслительную деятельность учащихся, формирует познавательный интерес.

Проблемное обучение, основанное на закономерностях развития мышления, призвано научить учеников самостоятельно мыслить, самостоятельно получать знания, анализировать и делать выводы. При проблемном подходе к обучению есть возможность уйти от механического запоминания. Когда перед учащимися ставится учебная проблема, создается тем или иным способом проблемная ситуация, у них появляется интерес, они активно включаются в процесс решения проблемы - все это способствует лучшему усвоению материала, причем большая часть усваивается непроизвольно. Ученик учится мыслить научно.

Занятия, основанные на проблемном обучении должны занимать заметное место в преподавании физики, так как они повышают интерес учащихся к предмету, заставляют их работать разнообразнее, интенсивнее, с выдумкой и, конечно, поднимают авторитет учителя.

Несомненно, с помощью таких занятий реализуется одна из функций учителя- создание положительного, эмоционального отношения к знаниям.

Такие занятия требуют от учителя знаний, умений, тщательной подготовки, но приносят удовлетворения в работе, дают возможность установить деловые и теплые отношения с учащимся.

Цель данной разработки - описать методику проблемного обучения на примере урока изучения новой темы «Определение скоростей молекул газа».

Задачи:

- Описать организацию учебного процесса, выстроенного с применением проблемного обучения на уроках физики;

- Описать методику введения проблемного обучения на уроках физики;

Методика использования сводится к следующему: педагог ставит перед учащимся проблему, это можно сделать с помощью вопросов или системы направляющих вопросов, которые вызывают интеллектуальное затруднение, направляют на мыслительную деятельность на решение проблемы.

Данный урок провожу на первом курсе отделения НПО при изучении раздела «Молекулярная физика»

Для результативности применяемой методики можно провести диагностику, результаты которой показывают на сколько данная методика применима к учащимся.

1. Тема и организационная форма занятия: «Определение скоростей молекул газа», урок поискового эксперимента.

2. Образовательные задачи занятия:

- усвоение новых знаний:

1. Научных фактов:

- несовместимость больших значений скоростей молекул газа, полученных теоретически;

- основная часть молекул движутся со средней скоростью;

- распределение по скоростям носит характер статистической закономерности;

- распределение молекул по скоростям зависит от температуры газа;

- в пучке присутствуют молекулы с разными скоростями.

2. Эмпирических понятий:

- скорость свободного пробега молекул;

- распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла);

3. Эмпирических законов:

- формирование новых умений:

- обобщать данные опытов, выявлять эмпирические закономерности в протекании физических явлений;

- читать рисунки, схемы, таблицы;

- умение применять математические знания на уроках физики;

- умение выполнять научно- технические исследования;

3. Дидактическая структура занятия:

Цель: изучение нового материала в форме поискового физического эксперимента.

Этапы урока

4. Демонстрационный эксперимент:

Цель: демонстрация способа определения скорости движения молекул газа в опыте Штерна.

Оборудование: 1) вращающийся диск с принадлежностями;

2) метр демонстрационный;

3) уровень;

4) спички;

5) пластилин;

6) шарик стальной;

Порядок выполнения:

1. В диске, установленный по уровню, закрепляют трубку с желобом для пуска шарика так, чтобы конец желобка совпал с осью вращения диска. На диске укрепляют барьер-ловушку.

2. Пускают из центра диска шарик и замечают место, куда он попадает на барьере.

3. Приводят диск в равномерное движение с определенным числом оборотов в секунду, которое отмечают по тахометру и снова пускают шарик. Измеряют радиус диска и расстояние, на которое сместился шарик в этом опыте.

5. Литература для учителя:

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев Физика 10;

2. Л.Ландау, Китайгородский т.1 Молекула;

3. Н.М.Шахмаев Элементарный курс физики;

4. О.Ф.Кабардин, С.И. Кабардина Задания для итогового контроля знаний учащихся по физике;

5. Н. М. Шахмаев Молекулярная физика.

1. Проблема исследования.

Кинетическая теория идеального газа основана на том, что газ состоит из беспорядочно движущихся частиц- молекул. Но с какой скоростью они движутся? На последних занятиях мы с вами неоднократно получали формулу для вычисления средней квадратичной скорости молекул. Для примера средняя квадратичная скорость молекул водорода при 20 градусах равна примерно 1000 м/с. (вычисления сделать вместе с учениками). Для сравнения привести примеры: скорость движения молекул азота при 0 градусах – 500 м/с, максимальная скорость автомобиля – 500 м/с, максимальная скорость пассажирского самолета – 700 м/с, скорость движения Луны вокруг Земли – 1000 м/с.

А теперь поставите себя на место ученых 19 века, когда были получены эти данные, возникли сомнения в правильности самой кинетической теории. Ведь известно, что запахи распространяются довольно медленно: нужно время порядка десятков секунд, чтобы запах духов, пролитых в одном углу комнаты, распространяются до другого угла.

Поэтому возникает вопрос: какова на самом деле скорость молекул?

Это и будет цель нашего урока, эта проблема, которую необходимо разрешить.

2. Выдвижение гипотезы.

Какую скорость находить и измерять? Когда запах духов распространяется, мешает ли что-то молекулам духов? (мешают молекулы воздуха). Как это влияет на скорость направленного движения молекул? (Она уменьшается). Теперь в задаче мы получили большую скорость, и ничего не мешает двигаться ей. Тогда это скорость какая? Чего? ( Скорость свободного пробега молекул). А как же её измерить, определить её значение на практике? Давайте решим эту задачу, пишем: пусть имеется 1 молекула. Нужно определить скорость свободного пробега молекул. Как движутся молекулы между столкновениями? (равномерно). Пусть молекула проходит 1 метр, время найдем при скорости водорода 1930 м/с, получилось 0,00052 с. Как видно время очень маленькое, как же его измерить? Возникает опять проблема!

Что бы ответить на эти вопросы, рассмотрим пример: пусть летит утка со скоростью на высоте, и в момент выстрела находилась на каком – то расстоянии. Нужно ли ждать охотнику пока утка подлетит и будет прямо над ним? ( Нет, потому что нужно время для полета пули). Охотник выстрелил вертикально и попал в неё. Найти скорость пули!

Каким образом решение этой задачи можно использовать для измерения скорости молекул? (Проведем аналогию: пуля – молекула, утка – мишень, находящаяся на известном расстоянии). Скорость молекул находится как скорость мишени*расстояние, которое пролетает молекула и разделить на расстояние в момент выстрела (Vмол=(V_мишени* R)/ S) (1). Неизвестна скорость мишени. Как заставить её двигаться? Линейные перемещения использовать не очень хорошо (не удобно). Лучше использовать вращательные движения мишени. А если мишень совершает вращательные движения, то вспомним связь угловой скоростью с линейной V=w*R. Будем считать, что R=h тогда формула (1) перепишется

V_мол=(w*R²)/S (2) ,

w=2pi*n,

V_мол=(2pi*n*R²)/S (3)

3. Цель исследования - измерить, подсчитать скорость молекул по известной формуле.

4. Проект установки.

Мы с вами пришли к тому, что мишень должна вращаться, давайте отойдем от понятия мишени. Если что-то вращается, то какой формы это должно быть? (Круглой, в форме цилиндра). Будем считать, что мишень находится внутри цилиндра. Теперь вспомним, что мы вели речь лишь об одной молекуле. Может ли она оставить след? (нужно взять много молекул). Скорости молекул разные по величине и по направлению, четкого следа не получим. Тогда как сделать так, чтобы скорости по направлению были одинаковыми? (выделим узкий пучок с помощью диафрагмы). Теперь вопрос: откуда взять эти молекулы? (Расплавить металл в печи, под действием электрического тока верхний слой испаряется и цилиндр заполняется газом).

Как обеспечить, чтобы молекулы при движении в цилиндре не сталкивались? (Откачать воздух, создать вакуум).

Да, давайте подведем некий итог: мы изобрели сами прибор, с помощью которого мы сможем измерить скорость молекул.

Чем наша установка нехороша? (Громоздкая). Да, и нужно непрерывно с помощью работающего насоса поддерживать вакуум. Как сделать компактнее установку? Можем все три детали установки соединить в одну? ( Печь перенести в цилиндр). Лучше взять пластинку или проволочку, которая нагревается. Теперь наша установка приобретает вид:

Где создать вакуум? И что в нашей установке будет играть роль диафрагмы? (Удобно использовать 2 цилиндра, вложенных в друг друга. В одном цилиндре будет щель, которая играет роль диафрагмы). Теперь установка имеет вид:

w

S

R

5. Опыт Штерна

Реализовать этот опыт в наших условиях невозможно, зато за нас это сделал в 1920 г Отто Штерн (1888-1970):

1. платиновая нить, покрытая тонким слоем серебра, располагается вдоль оси внутри цилиндра;

2. внутренний цилиндр;

3. внешний цилиндр;

4. пространство внутри цилиндра 2 откачивают насосом до давления 10^-5-10^-6 мм рт ст. при пропускании электрического тока через проволоку она разогревалась до температуры выше температуры плавления серебра 961,9 ⁰ С. Стенки внешнего цилиндра охлаждались, чтобы молекулы серебра лучше оседали на пути экрана.

5. установку приводили во вращение с угловой скоростью 2500 – 2700 об/мин. Значения скоростей получались близкой к скорости, вычисленной по формуле (3) , что находится в согласии с молекулярно- кинетической теорией.

6. Порядок деятельности:

1. Откачать воздух.

2. Включить ток, создать испарение и получить след молекул при неподвижной установке.

3. Включить установку и измерить частоту.

4. Получить след молекул при подвижной установке.

5. Измерить S

6. Измерить R

7. Вычислить скорость по формуле (3)

7, 8,9: Показ способа определения скорости движения молекул газа в опыте Штерна

10. Результаты опыта Штерна:

1. Цилиндр подвижен: против щели образуется узкая полоска серебра одинаковой толщины.

2. Цилиндр вращается, полоска серебра смещается.

3. Подставляя данные в формулу (3) Штерн получил следующие значения скоростей при 0⁰ С (водород-1838 м/с, азот- 493 м/с, кислород- 401 м/с)

4. Из формулы (3) следует, что положение полоски молекул зависит от скорости молекул.

5. В разрезе след серебра имел такую форму, что в пучке присутствуют молекулы с разными скоростями (распределения Максвелла).

На основе результатов опыта сделаем выводы:

1. Скорость молекул совпадает с рассчитанной, полученной на основе МКТ, это является одним из подтверждением её справедливости.

2. Несмотря на хаотический характер движения молекул, их распределение по скоростям поступательного движения носит характер определенной закономерности (распределение Максвелла).

3. Распределение молекул по скоростям зависит от температуры газа. При повышении температуры максимума смещается в сторону больших скоростей.