Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

 

Тема «Тепловые двигатели» имеет ярко выраженную политехническую направленность, которая позволяет учителю тесно связать многие теоретические вопросы с их практическим применением в жизни. Вместе с тем, как показывает опыт, имеется опасность и такого изучения, когда физическое содержание процессов, происходящих в тепловых двигателях, отодвигается на второй план и подменяется описанием технических деталей. Основной же задачей при изучении данной темы является расширение представлений учащихся о превращении энергии молекул (кинетической и потенциальной) в механическую энергию тела и механической энергии во внутреннюю в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.

Таким образом, первая часть задачи состоит в изучении физических основ работы тепловых двигателей. Вторая часть задачи охватывает изучение конструктивных особенностей тепловых двигателей.

В VIII классе программой предусмотрено изучение устройства в действии поршневых двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин.

Изучение материала должно показать учащимся, что пар или газ может совершать работу только тогда, когда он не находится в тепловом или механическом равновесии с окружающей средой.

Процесс преобразования внутренней энергии газа, пара в механическую может быть осуществлен с помощью различных двигателей: поршневых и роторных. В паровом двигателе внутренняя энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую посредством расширения пара, в двигателях внутреннего сгорания это преобразование происходит посредством расширения нагретого газа. Непременным условием работы любого теплового двигателя является наличие нагревателя (разности температур), рабочего тела, холодильника и тела, механическая энергия которого увеличивается. Важной характеристикой при оценке экономичности тепловых двигателей является КПД.

Общее для всех поршневых двигателей не только наличие цилиндра и поршня, т. е. конструктивное сходство, но и то, что в них термодинамический процесс не разделен в пространстве, а только лишь во времени, тогда как в турбинах, реактивных двигателях термодинамический процесс разделен и в пространстве, и во времени. Эти соображения дают основание изучать тепловые двигатели в два этапа: вначале поршневые двигатели, как более простые в термодинамическом отношении, а затем турбины.

 

14. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

 

В начале темы «Тепловые явления» речь шла в основном об изменении внутренней энергии путем теплообмена. Теперь следует подробно рассмотреть вопрос об изменении внутренней энергии посредством совершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловых двигателях.

Расширение рабочего тела — самый важный процесс в работе любого теплового двигателя. Поэтому данное обстоятельство нельзя упускать из виду при объяснении работы тепловых двигателей.

С помощью демонстраций нужно показать учащимся, что газ, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, может совершить работу расширения за счет изменения своей внутренней энергии. Опыт может быть проведен на следующей установке.

В стеклянный цилиндр с отверстием на стенке около днища помещают картонный поршень. Отверстие в стеклянном цилиндре со стенками не тоньше 2,5—3 мм протачивают точильным корундовым кругом. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом или протирают стенки цилиндра тампоном, смоченным бензином. Убирают пульверизатор и подносят пламя спички к отверстию цилиндра. Смесь воспламеняется, и поршень (картонный) выбрасывается из стеклянного цилиндра.

В данном опыте тепловое неравновесное состояние газа по отношению к окружающей среде было создано за счет химической энергии топлива. Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторный) действительно является тепловым двигателем (в термодинамическом смысле слова), так как он самостоятельно, непрерывно превращает внутреннюю энергию топлива в механическую, посредством тепловых процессов. Паровая турбина, взятая изолированно, не является тепловым двигателем, а представляет собой механизм, преобразующий энергию рабочего тела в механическую. Роль теплового двигателя выполняет вся паровая установка.

Используя модель, предложенную учителем, рассказывают об устройстве и действии четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Обращают внимание учащихся на наличие в двигателе внутреннего сгорания нагревателя (цилиндр), рабочего тела (газообразные продукты сгорания), тела, механическая энергия которого увеличивается (поршень).

При объяснении устройства и действия двигателя внутреннего сгорания следует использовать также плакаты, кинофильмы и зарисовки на доске. В фильмотеках имеется кинофрагмент «Четырехтактный двигатель». Натурные и мультипликационные кадры в нем знакомят с принципом действия двигателя внутреннего сгорания, с его внешним видом. В кинофрагменте демонстрируется четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Положение клапанов показано крупным планом. При наличии времени полезно продемонстрировать кино-кольцовку «Работа четырехцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя». В ней показываются процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.

Учащиеся должны уметь выполнять схематические рисунки четырех тактов двигателя и объяснять происходящие при этом в двигателе внутреннего сгорания процессы.

15. Учащиеся должны  ЗНАТЬ.

 

• смысл физических явлений: диффузию, теплопроводность, конвекцию, излучение, испарение, конденсацию, кипение, плавление, кристаллизацию, электризацию тел,  взаимодействие электрических зарядов, взаимодействие магнитов, действие магнитного поля на проводник с током, тепловое действие тока, отражение, преломление и дисперсию света;
• смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество, взаимодействие, электрическое поле, магнитное поле, излучение;
• смысл физических величин:  плотность,  кинетическая энергия, потенциальная энергия, коэффициент полезного действия, внутренняя энергия, температура, количество теплоты, удельная теплоемкость, влажность воздуха, электрический заряд, сила электрического тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление,  работа и мощность электрического тока, фокусное расстояние линзы;
• смысл физических законов: сохранения  механической энергии, сохранения энергии в тепловых процессах, сохранения электрического заряда, Ома для участка электрической цепи, Джоуля-Ленца, прямолинейного распространения света, отражения света;

 

Учащиеся  выполняют фронтальные лабораторные работы:

1. Исследование изменения  со временем температуры остывающей воды.

2. Сравнение количеств  теплоты при смешивании воды  разной температуры.

3. Измерение удельной  теплоемкости твердого тела.

16. Пути формирования познавательного интереса учащихся.

 

Среди многих идей, направленных на совершенствование учебного процесса, одной из самых значимых является идея формирования и развития познавательного интереса учащихся. Эта идея служит поводом отыскания таких средств, которые привлекали бы к себе учеников, располагали бы их к совместной деятельности с учителем. Считается, что интерес выступает как мощный побудитель активности личности, под влиянием которого все психические процессы протекают особенно интенсивно, а деятельность становится увлекательной и продуктивной. Особой и важной областью общего проявления интереса является познавательный интерес. В самом общем определении, это избирательная направленность личности, обращенная к области познания, к ее предметной стороне и самому процессу овладения знаниями. Своеобразие познавательного интереса состоит в тенденции человека углубиться в суть познаваемого.

Очень важно сделать  так, чтобы процесс обучения не превращался  для учеников в скучное и однообразное занятие. Ведь наличие у учеников интереса к предмету является предпосылкой для появления более сложной  его разновидности - познавательного интереса. А познавательный интерес способствует активности учащихся на уроках и росту качества знаний. Все это отражает актуальность проблемы развития познавательного интереса школьников для современного построения учебного процесса.

Важную роль в решении  этой проблемы отводят занимательности. Занимательность - прием, который, воздействуя  на чувства ученика, способствует созданию положительного настроя к учению и готовности к активной мыслительной деятельности у всех учащихся. И в литературе, и в практике обучения по поводу занимательности нет единодушного решения. Ряд ученых считает занимательность помехой учению, видят в ней элементарный уровень интереса, возникающий под влиянием яркости впечатлений. Такой интерес не стоек, легко вытесняется новыми яркими впечатлениями. Однако, находятся люди, выступающие в защиту занимательности. Они считают занимательность неотъемлемой принадлежностью интересного обучения, видят в ней сильное средство, обостряющее все процессы, свойственные интересу. В этой работе, я рассматриваю  занимательность, как средство привлечения у учащихся интереса к предмету или процессу изучения, которое способствует переходу познавательного интереса со стадии ситуативного, эпизодического интереса, на стадию более устойчивого познавательного интереса.

  Учебник - это краткий свод научных сведений, доступных пониманию учащихся данного возраста он определяет объем, уровень и структуру минимума физических знаний, сообщаемых ученикам. Работа с ним на уроке должна стать одним из важных методов обучения. На это нацелен и методический аппарат учебника: шрифтовые выделения в тексте, рисунки, фотографии и таблицы, вопросы к параграфу, система задач и упражнений, предметно - именной указатель, описание лабораторных работ.

  Существует очень много разных видов самостоятельных работ с учебником: составление плана прочитанного, конспектирование, нахождение формулировок, выполнение заданий по ходу рассказа или беседы, составление тезисов, обращение к учебнику для установления связи нового материала с аналогичным пройденным, выполнение заданий на сравнение изучаемых явлений, работа с иллюстративным материалом, подтверждение правильности ответа на качественные задачи со ссылкой на текст учебника и т.д.

Таким образом, учитель  в своей практической деятельности для лучшего усвоения, закрепления того или иного теоретического материала имеющегося в учебнике может организовать деятельность при которой учащиеся сами найдут ответ на поставленный вопрос с помощью учебника.

навыки:

- устанавливать логическую связь и зависимость между сведениями, изложенными в учебнике;

- самостоятельно изучать  отдельную тему учебника;

- решать задачи, используя  текст учебника;

- составлять задачи, используя  текст учебника;

- грамотно, научным языком  отвечать на вопросы;

- ориентироваться в  тексте и справочном материале  учебника.

Данный вид самостоятельной  работы с учебником способствует выполнению следующих задач обучения и воспитания:

1) Способствует воспитанию  самостоятельности и познавательной  активности у ребят;

2) Дает возможность  расширить область связи теории  с практикой 

3) Развивает интерес  к физике 

4) Вырабатывает у учащихся  наблюдательность, внимание, настойчивость,  аккуратность;

5) приучает учащихся  к сознательному труду.

17. Развитие творческих способностей при изучении темы.

 

• Выполнение экспериментальных исследований, таких как: ”Исследование теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел”, ”Исследование скорости нагревания и охлаждения воды”, ”Изучение процесса охлаждения льда”, ”Изучение испарения жидкости”, а также серия экспериментов с повседневными вещами, материалами и телами, хорошо знакомыми из обыденной жизни. Составление домашних заданий экспериментального характера.
• Эвристические задания.
• Составление мини-рассказов, задач по теме “Тепловые явления”.
• Выполнение суперзаданий в лабораторных работах.
• Стенгазеты по данной теме.

 

Примеры творческих заданий.

1. Завершая изучение темы "Теплопередача", ученики 8 класса получают задание описать проявления тепловых процессов в окружающем их мире. Описание разрешается проводить любим интересным им электронным способом.
2. "Представьте себе один из жарких дней только что ушедшего лета. Вы видите, как огромная черная туча закрывает половину небосвода. Она надвигается, ширится, растет на глазах и вот уже зловеще нависает над головой. Дует порывами сильный ветер, несутся по воздуху листья и обломанные ветки, поднимаются столбы пыли. Образовался вихрь, по стенам и крышам злобно ударил дождь. Хлынули потоки. Запрыгал град... И вот смешались клочья туч, вода, молнии! Ждешь удара! Загрохотал и прокатился гром. Дождь стал сильнее. Широкими струями льет и хлещет он, а ветер срывает с воды брызги. Вновь молния и удар грома.