Урок с применением компьютерных моделей по теме: "Повторение основ молекулярно-кинетической теории и термодинамики"

Цель урока:повторить основные понятия и законы молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

Задачи урока:

1) Образовательные:повторение

• основных физических понятий молекулярно-кинетической теории и термодинамики: работа, совершенная газом, изме-нение внутренней энергии газа, количество теплоты, полу-ченное газом; изотермический, изобарный, изохорный, адиа-батный процессы; теплоемкость для изохорного и изобарно-го процессов;

 

• основных законов молекулярно-кинетической теории и тер-модинамики: законов Шарля, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта; первого закона термодинамики (его вид для изопроцессов), Майера

 

• построения графиков для изопроцессов.

2) Развивающие: содействовать развитию речи, учить анализировать, сравнивать, строить аналогии, способствовать развитию сенсорной сферы, памяти, логического мышления.

3) Воспитывающие: способствовать формированию добросовестного отношения к труду, дисциплинированности, аккуратности, культуры общения.

Тип урока: повторение изученного материала.

План урока:
1. Организационный процесс -1 минута.
2. Проверка домашнего задания-10 минут.
3. Проверочная работа-15 минут.
4. Решение задач у доски - 45 минут.
5. Самостоятельная работа - 10 минут.
6. Подведение итогов урока и домашнее задание - 3 - 4 минуты.

Ход урока:
Проверочная работа:
1. Схематично построить в координатах (P, V) изотермы газа для температур Т₁ и для Т₂=2Т₁.
2. Схематично построить в координатах (V, T) изобары, соответствующие давлениям Р₁ и для Р₂=4Р₁.
3. Схематично построить в координатах (Р, T) изохоры, для объе-мов V₁ и для V₂=3V₁.
4. В изохорном процессе при V₁=0.2 м3 в первом состоянии Р₁=12 472 Па, Т₁=300 К, во втором Р₂=224 943 Па. Как изменилась температура?
5. Чему равна работа, произведенная газом, при адиабатном про-цессе, если известно, что изменение внутренней энергии равно ΔU?
6. Чему равно количество теплоты, полученное газом, при изохорном процессе, если известно, что изменение его внутренней энергии равно ΔU?
7. Используя формулу расчета КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, определите КПД, если температура нагревателя в 2 раза больше температуры холодильника.

Учащиеся пишут проверочную работу (8 минут), затем меняются своими работами, учитель на доске запускает модели, каждый ученик проверяет работу своего соседа и выставляет ему оценку (7 минут).
Учащиеся оценивают следующим образом:

Количество правильно решенных задач	Выставляемая оценка
7	5
6	4
4 или 5	3
Меньше 4	2

1. Схематично построить в координатах (P, V) изотермы газа для температур Т₁ и для Т₂=2Т₁.
Модель: 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека нагляд-ных пособий. Изотермический процесс.

 

2. Схематично построить в координатах (V, T) изобары, соответст-вующие давлениям Р₁ и для Р₂=4Р₁.
Модель: 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека нагляд-ных пособий. Изобарный процесс.

 

3. Схематично построить в координатах (Р, T) изохоры, для объемов V₁ и для V₂=3V₁.
Модель: 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека нагляд-ных пособий. Изохорный процесс.

 

4. В изохорном процессе при V₁=0.2 м³ в первом состоянии Р₁=12 472 Па, Т₁=300 К, во втором Р₂=224 943 Па. Как изменилась температура?
Модель: 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий. Изохорный процесс.

5. Чему равна работа, произведенная газом, при адиабатном процессе, если известно, что изменение внутренней энергии равно ΔU?
Диск "Открытая Физика". Адиабатический процесс.

 

6. Чему равно количество теплоты, полученное газом, при изохорном процессе, если известно, что изменение его внутренней энергии равно ΔU?
Диск "Открытая Физика". Изохорный процесс.

 

7. Используя формулу расчета КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, определите КПД, если температура нагревателя в 2 раза больше температуры холодильника.
Диск "Открытая Физика". Цикл Карно.

 

Далее учащиеся выходят к доске и решаются следующие задачи (45 мин):
1. Диск "Открытая Физика". Работа газа.

 

Задача № 1. (расчетная задача с компьютерной проверкой)
Определить работу газа изображенного на рисунке процесса. Количество теплоты, полученной газом равно 5,70 кДж. Определить изменение внутренней энергии. Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.

 

Задача № 2. (качественная задача)
Определить качественно на каком из изображенных на рисунке процессов совершена большая работа. Почему? Провести компьютерный эксперимент и проверить ответ.
Ответ: на параболе.

2. Диск 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий. КПД теплового двигателя.

 

Задача №1. (компьютерный эксперимент)
Построить прямоугольный Р-V цикл в координатах (Р, V) и (V, Т). Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.

Задача№2. (расчетная задача с компьютерной проверкой)
Рассчитать работу, совершенную газом, количество теплоты, полученное газом и изменение внутренней энергии на все этапах цикла; КПД (газ двухатомный). Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.

 

 

 

Задача №3. (качественная задача)
Как изменятся работа, совершенная газом, количество теплоты, полученное газом и КПД, если минимальный объем увеличить? Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.
Ответ: работа, совершенная газом уменьшится; количество теплоты, полученное газом, уменьшится, КПД уменьшится.

3. Диск 1C:Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий. Цикл Карно.

 

Задача №1. (расчетная задача с компьютерной проверкой)
Газ совершает цикл Карно. Определите температуру нагревателя, количество теплоты, отданное холодильнику, и КПД цикла Карно, если работа, совершенная газом, равна 394 Дж; количество теплоты, полученное от нагревателя, равно 951 Дж; температура холодильника равна 350 К. проведите компьютерный эксперимент и проверьте полученный ответ.

 

Учащиеся пишут самостоятельную работу (10 мин):
Вариант 1.
1. Описать процессы цикла, представленные на графике. Схематично построить этот график в осях (P, V).

 

2. По графику, изображенному на рисунке найти: а) работу, совершенную газом; б) изменение внутренней энергии; в) количество теплоты, полученное газом.

 

Вариант 2.
1. Описать процессы цикла, представленные на графике. Схематично построить этот график в осях (P, V).

 

2. По графику, изображенному на рисунке найти: а) работу, совершенную газом; б) изменение внутренней энергии; в) количество теплоты, полученное газом.

 

Вариант 3.
1. Описать процессы цикла, представленные на графике. Схематично построить этот график в осях (P, V).

 

2. По графику, изображенному на рисунке найти: а) работу, совершенную газом; б) изменение внутренней энергии; в) количество теплоты, полученное газом.

 

Вариант 4.
1. Описать процессы цикла, представленные на графике. Схематично построить этот график в осях (P, V).

 

2. По графику, изображенному на рисунке найти: а) работу, совершенную газом; б) изменение внутренней энергии; в) количество теплоты, полученное газом.

 

Учитель подводит итоги урока и задает домашнее задание (3-4 мин).

Домашняя работа
Вариант 1
1. В колориметр с теплоемкостью 63 Дж/K было налито 250 г масла при 12⁰ . После опускания в масло медного тела массой 500 г при 100⁰ установилась общая температура 33⁰ . Какова удельная теплоемкость масла по данным опыта?
2. В двух цилиндрах под неподвижными поршнями находятся водород и кислород. Во сколько раз отличаются работы, которые совершают эти газы при изобарном нагревании, если их масса, а также начальные и конечные температуры равны.

Вариант 2
1. На поверхности Венеры температура и атмосферное давление соответственно равны 750 K и 9 120 кПа. Найти плотность атмосферы у поверхности планеты, считая, что она состоит из углекислого газа.
2. На рисунке представлен замкнутый цикл. Описать представленные процессы и вычертить эту диаграмму в координатах P, V и P, T.

 

Вариант 3
1. На рисунке изображены графики изменения температуры двух тел в зависимости от подводимого количества теплоты. Какова начальная и конечная температура каждого тела? Каковы их удельные теплоемкости, если масса каждого из них равна 2 кг?

 

2. В вертикально расположенном цилиндре с площадью основания 1 дм² под поршнем массой 10 кг, скользящим без трения, находится воздух. При изобарном нагревании воздуха поршень поднялся на 20 см. Какую работу совершил воздух, если наружное давление равно 100 кПа?

 

Урок с применением компьютерных моделей по теме: Решение задач по теме "Фотоэффект".

Цель урока:сформировать умение решать задачи с использованием уравнения Эйнштейна и представлений о квантах света.

Тип урока: урок решения задач.

Задачи урока:

План урока:
1. Организационный момент - 3 минуты.
2. Актуализация знаний - 7 минут.
3. Решение задач у доски - 30 минут.
4. Подведение итогов и домашнее задание - 3 минуты.

Ход урока:
1. Организационный момент (3 минуты).
2. Повторение: учащиеся отвечают на следующие вопросы (7 минут):
a. Сформулируйте законы фотоэффекта.
b. Почему опыты Столетова называются фундаментальными?
c. Что такое фотоэффект?
d. Кто первым наблюдал фотоэфект?
e. Что такое абсолютно черное тело?
f. Может ли абсолютно черное тело излучать энергию?
g. Сформулируйте законы Стефана-Больцмана, Вина.
h. Что такое фотон?
3. Учащиеся решают задачи на доске (30 мин).
Диск "Открытая Физика". Фотоэффект.

 

Задача №1. (компьютерный эксперимент)
Изобразить графически как изменится вольтамперная характеристика при:
a) увеличении мощности светового потока;
b) уменьшении длинны волны;
c) уменьшении длинны волны и увеличении мощности светового потока.
Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.
Ответ:

 

Задача №2. (компьютерный эксперимент)
Катодная пластинка освещается светом. Напряжение в цепи увели-чивается в 2 раза. Во сколько раз увеличится максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона hν.
Варианты ответов:
a) Не изменился;
b) Уменьшился в 2 раза;
c) Увеличился в 2 раза;
d) Уменьшился в 4 раза;
e) Увеличился в 4 раза.
Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.
Ответ: е

Задача №3. (компьютерный эксперимент)
Катодная пластинка освещается светом. Мощность светового потока увеличивается в 2 раза. Во сколько раз увеличится энергия фотоэлектрона hν.
Варианты ответов:
a) Не изменился;
b) Уменьшился в 2 раза;
c) Увеличился в 2 раза;
d) Уменьшился в 4 раза;
e) Увеличился в 4 раза.
Провести компьютерный эксперимент и проверить полученный ответ.

Задача №4. (компьютерный эксперимент)
Используя модель, определите красную границу фотоэффекта, работу выхода материала фотокатода и максимальную кинетическую энергию электронов, если длина падающего света равна 621 нм.
Ответ: 621нм, 0 Дж.

Задача №5. (экспериментальная задача)
Используя модель, определите максимальную скорость электронов, если длина падающего света равна 491 нм.
Указание: ученик, используя модель, находит задерживающее напряжение, затем из закона сохранения энергии находит формулу для максимальной скорости электронов
 

Задача №6. (расчетная задача с компьютерной проверкой)
При освещении материала фотокатода светом с длиной волны λ1=514 нм запирающее напряжение составило U1=0,4 В, при λ2=589 нм, U2=0,1 В. а) провести компьютерный эксперимент и найти запирающие напряжения, соответствующим длинам волн 514 нм и 589 нм; б) найти постоянную Планка; в) рассчитать максимальную длину волны и проверить ответ экспериментом.

 

Задача №7. (задача с недостающими данными)
Используя модель, найдите работу выхода электронов из вещества. Определите наибольшую скорость электронов, вырываемых светом с длиной волны 0,18мкм, импульс и наибольшую энергию этих электронов.

 

Задача №8. (расчетная задача с компьютерной проверкой)
Используя модель, определите:
а) максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов;
б) число электронов, вырываемых с поверхности катода за одну секунду;
в) длину волны поглощаемого света.
Ответ:
а) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов находим из условия  
б) суммарный заряд электронов, вырываемых из катода за 1с, численно равен силе фототока насыщения, поэтому число электронов можно определить по формуле:  
в) длину волны поглощаемого света найдем из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:  

4. Учитель подводит итог урока и задает домашнее задание (3 мин).

• Учебник по физике под ред. А. А. Пинского [22]: §58.
• Учебник по физике Г. Я. Мякишев [23]: §5.3, §5.9.
• Задачник А. П. Рымкевич [24]: №1137, №1140, №1144, №1146, №1149, №1155, №1156, №1152.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Урок изучения нового материала по теме "Лазеры" (средняя (полная) школа, базовый уровень).

Цель урока: сформировать у учащихся понятия по теме "Лазеры"

Задачи урока:

1)Образовательные:вызвать объективную необходимость изучения нового материала; проверить усвоение учащимися основных понятий квантовой теории электромагнитного излучения вещества; сформировать у учащихся понятие о принципах работы лазеров и их применении; сформировать у учащихся понятия: индуцированное излучение, спонтанное излучение, инверсная населенность энергетических уровней, метастабильное состояние.

2)Развивающие: содействовать развитию речи, учить анализировать, сравнивать, строить аналогии, способствовать развитию сенсорной сферы, памяти, логического мышления.

3)Воспитывающие: способствовать формированию добросовестного отношения к труду, гуманности, патриотизма и гордости за открытия, сделанные учеными нашей страны, дисциплинированности, аккуратности, культуры общения.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы и приемы:
1)Метод объяснительно-иллюстративный
2)Словесные методы обучения (лекция, беседа)
3)Методы наглядной передачи информации и зрительного восприятия информации (приемы: наблюдение, демонстрация модели)
4)Методы стимулирования и мотивации учащихся (создание ситуации успеха, создание ситуации взаимопомощи)
5)Методы контроля (приемы: фронтальный опрос)

Форма организации работы на уроке: групповая.

Средства обучения:

• компьютер, проектор, экран, презентация;
• учебник;
• доска.

План урока
1)Организационный момент - 1 минута.
2)Актуализация знания - 5 минут.
3)Изучение нового материала - 31 минута.
4)Систематизация и закрепление нового материала - 5 минут.
5)Подведение итогов урока и домашнее задание - 3 минуты.

Ход урока:

1)Организационный момент.

2)Актуализация знания. Фронтальный опрос.

• Что такое энергия ионизации? (Минимальная энергия, необходимая для перевода атома из основного состояния в свободное)
• Что может быть с электроном, если энергии фотона недостаточно для ионизации? (Может перескочить на другую орбиту, соответствующую возбужденному состоянию)
• Как формулируется второй постулат Бора? Чему равна энергия излученного фотона? (Разности энергий стационарных состояний)
• Как найти излучаемую атомом частоту при переходе атома из одного стационарного состояния в другое? Что такое серия Бальмера? (Переходы в первое возбужденное состояние при n=2 с верхних уровней наблюдается в видимом свете)
• Чем различаются люминесцентные явления? (Механизмом возбуждения атомов)
• Назвать виды излучений. Перечислить виды люминесценций. Какие типы спектров вы знаете? (Испускания и поглощения)
• Какие виды спектров испускания вы знаете? (Сплошной, линейчатый, полосатый.)

3)Ребята, многие из вас уже слышали о лазерах, в основном об их применении (лазерные указки, в военном деле,...) Тема нашего урока "Лазеры" , и мы познакомимся с историей открытия лазеров, их строении, применении.

4)Изучение нового материала.
В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.
a)Что такое поглощение света? (Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотоны, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2>Е1).
Демонстрируем учащимся с помощью модели поглощение света.
b)В отсутствии внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10^8-10^7 с. Самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние.

 

Запишем определение: Спонтанное излучение - излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.
Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
Демонстрируем учащимся спонтанное излучение с помощью модели.
c)Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.

 

Запишем определение: Индуцированное (вынужденное) излучение - излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.
При индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.
Демонстрируем учащимся вынужденное излучение с помощью модели.

d)Принцип действия лазера.
В 1940 г. Советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.
Российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский физик Ч. Таунс, создавшие в 1954 г. Квантовый генератор излучения, работающий в сантиметровом диапазоне, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физике. Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. Американским физиком Т. Мейманом. Слово "лазер" образовано начальными буквами английских слов light amplification by stimulated emission of radiation ("усиление света с помощью вынужденного излучения").
Лазер - источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.
Усиление излучения, падающего на среду, возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения. Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чес в основном n2 > n1.
В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает состояние с наименьшей энергией Е1, т. е. n1 > n2 усиления не происходит.
Инверсная населенность энергетических уровней - неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.
Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.
Метастабильное состояние - возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (например, 10^3 с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10^8 с).
Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Аl203, в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома Cr3+.
С помощью мощного импульса лампы-вспышки ("оптической накачки") ионы хрома переводятся из основного состояния Е1 в возбужденное Е2.

 

Через 10^8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень Е2< Е3, на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2> n1. Случайный фотон с энергией hv = Е2-Е1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

 

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

 

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой - частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

 

В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров. Основные особенности лазерного излучения следующие:

 

• лазерное излучение обладает исключительной монохроматичностью и когерентностью;
• пучок света лазера имеет очень маленький угол расхождения (около 10^(-5) рад), на луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км;
• лазер - наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома. В узком интервале спектра кратковременно ( в течении промежутка времени продолжительностью порядка 10^(-3) с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10^17 Вт/см^2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10^3 Вт/см^2, причем суммарно по всему спектру.

e)Применение лазеров.
Лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в светолокаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих-кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например "приваривать" отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. Излучение мощных лазеров сваривает и разрезает металлические листы. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции.
Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трехмерные объемные изображения.
Создание лазеров - результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии.

5)Систематизация и закрепление знаний.
Фронтальный опрос.

• a)Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?
• b)Кто предсказал возможность вынужденного излучения?
• c)Какую населенность энергетических уровней атома называют инверсной?
• d)Какое состояние электрона в атоме называют метастабильным?
• e)Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?

6)Подведение итогов урока и домашнее задание.
Домашнее задание:
Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев "Физика 11 класс" Прочитать §75, выполнить упражнения на стр. 184.