Портфолио

Ученические компьютерные модели, дополняющие урок

Главная цель обучения и воспитания, по словам К.Д.Ушинского, «дать человеку деятельность, которая наполнила бы его душу». Многие школьники с удовольствием проводят время у компьютера. Если заинтересовать ребят, то какое-то время они будут посвящать выполнению творческих заданий, например, создавать какую-нибудь анимационную модель. В процессе такой самостоятельной работы ученик овладевает и новыми знаниями, и новыми умениями. Создание анимаций – процесс долгий, трудоёмкий, но увлекательный. Необходимо быть усидчивым, старательным, уметь работать и с литературой, подбирая нужный материал, правильно его представляя, со вкусом оформляя, и с программами MacromediaFlash, SonyVegas.

Ученик 10-го класса Андрей Зимин создал мультимедийный проект в виде электронного учебника (вернее, дополнения к учебнику Г.Я.Мякишева «Физика-10», гл. 9 «Температура. Энергия теплового движения молекул»). Илья Гайдай (6-й класс) сделал видеоролики с анимацией «Процессы испарения и конденсации» и «Сказку о единице и десятке». Эти работы^* я использую на уроках, и учащиеся как правило заинтересовываются оригинальностью представления информации, красочностью, юмором (смешной дождик в сказке), но самое главное – они начинают лучше разбираться в этих темах. Ребята показали, что с помощью программ MacromediaFlash, SonyVegas можно создавать интересные модели процессов, происходящих в микромире, что способствует лучшему пониманию, ведь увидеть их человек не может.

ЗИМИН Андрей (10-й класс). Мультимедийный проект «Температура»

Цель работы: создание анимации, поясняющей суть материала, изложенного в гл. 9 «Температура. Энергия теплового движения молекул» (учебник Г.Я.Мякишева «Физика-10») дополнение материала интересными фактами из истории создания термометров.

Актуальность работы: анимация способствует лучшему усвоению материала, повышает активность учащихся, позволяет с помощью анимационных экспериментов наблюдать то, что недоступно в реальных условиях.

Обоснование выбора: анимационной модели опыта Штерна нет в изданных электронных носителях.

В ходе выполнения проекта был освоен материал учебника, изучена дополнительная литература. Приходилось анализировать, систематизировать материал, выбирать форму для лучшего представления.

• Электронный учебник

1. Параметры макроскопического тела (газа). давление, объём, температура (макроскопические параметры) характеризуют состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения, их можно измерить приборами. Эти параметры могут изменяться, например, при нагревании.

Анимация. Процессы нагревания воздуха в шарике и газа в цилиндре под поршнем; изменение параметров, характеризующих состояния этих тел.

Графически можно изображать только равновесные процессы. Если процесс сжатия или расширения газа происходит очень медленно, то такой процесс можно назвать равновесным, т.к. успевает восстанавливаться нарушенное равновесие, значения всех параметров успевают выравниваться. Это происходит из-за обмена импульсами между частицами при их столкновении, происходящем за очень малые доли секунды.

Если процесс происходит быстро, как в нашей анимации, то газу нельзя приписать определённые значения давления, температуры, плотности. Состояние газа неравновесное, определённый график начертить нельзя. Понятно, что при быстром повышении температуры газа (воздуха) будут возрастать все параметры системы, что и показано в анимации. Итогом будет лопнувший шарик и вылетевший из цилиндра поршень.

2. Тепловое равновесие. Понятием «температура» мы широко пользуемся в повседневной жизни. Распространённое определение температуры как «степени нагретости тела» вошло в науку через наши субъективные ощущения тёплого, холодного и горячего. Но наши ощущения могут ввести в заблуждение: металлический предмет может показаться холоднее деревянного, хотя они находятся в контакте друг с другом. определить же на ощупь степень нагретости расплавленной стали или жидкого азота лучше не пытаться. Определение температуры как объективной физической величины основывается на понятии теплового равновесия.

Анимация. Если опустить в тёплую воду кусок льда, то лёд начнёт нагреваться до нуля по Цельсию, охлаждая воду, затем плавиться, продолжая охлаждать воду. Когда весь лёд расплавится, вода станет нагреваться до тех пор, пока не примет температуру окружающей среды.

В приведённых примерах системы приходят в состояние, когда прекращаются макроскопические процессы растворения, плавления, кристаллизации, нет изменения объёма, изменения массы, внутренней энергии, нет химических реакций. Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Но само установление равновесия оказывается возможным лишь благодаря наличию непрерывного молекулярного движения. Поэтому – термодинамическое (динамика – движение) равновесие – особая форма теплового движения, при котором макроскопические параметры остаются в среднем постоянными во времени. Температура является единственным термодинамическим параметром, принимающим одно и то же значение во всех частях равновесной системы. (Так, газ в баллоне может быть в термодинамическом равновесии с окружающей средой, хотя давление внутри баллона и вне него различны.)

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Газоразрядная плазма – неравновесная система. Это смесь нейтральных молекул газа, положительных ионов и электронов. В такой среде, в особенности при сильном разрежении газа и большой плотности тока, может устанавливаться большая средняя кинетическая энергия электронов по сравнению со средней кинетической энергией частиц газа. В этом случае термин «температура» сохраняется условно и используется для характеристики средних кинетических энергий лишь отдельных видов частиц: «электронная температура», «ионная температура». Подобная ситуация возникает в высоких слоях земной атмосферы и в межпланетном пространстве, заполненном в основном водородом и метеорной пылью. По метеорной пыли температура межпланетного пространства 2 К; по ионизированному водороду 10 000 К.

3. Создание термометров. Для измерения температуры можно воспользоваться любой изменяющейся в зависимости от температуры макроскопической величиной: объёмом, давлением, электрическим сопротивлением. На основе этого были созданы термометры – приборы, измеряющие температуру тел.

• 1597 г., итальянец Галилео Галилей. Прообраз термометра – термоскоп.

Плохо: нет шкалы; высота столбика воды зависела не только от температуры, но и от атмосферного давления.

• 1636 г., флорентийский академик Каспар Энс ввёл слово «термометр» и предложил восьмиградусную температурную шкалу.

Немец Отто фон Герике предложил за начало шкалы термометра выбрать точку, соответствующую первым заморозкам.

• 1655 г., нидерландец Христиан Гюйгенс за опорную точку предложил выбрать температуру кипения воды.

• 1703 г., француз Гийом Амонтон использовал изменение упругости воздуха при нагревании.

• 1724 г., голландец Даниел Фаренгейт (стеклодув) ввёл первые практически удобные термометры (спиртовые, ртутные).

Опорные точки:

– самая низкая температура суровой зимы 1709 г. – имитировал смесью льда, поваренной соли, нашатыря: 0 °F;

– смесь льда и воды: 32 °F;

– температура тела человека: 98 °F;

– точка кипения воды (введена позднее после изобретения ртутного термометра): 212 °F.

Термометры со шкалой Фаренгейта до сих пор используются в США.

• 1730 г., француз Рене Реомюр, спиртовой термометр.

Опорные точки:

– температура таяния льда: 0 °R;

– температура кипения воды: 80 °R, т.к. 1 °R – расширение спирта на 0,001 долю своего объёма.

В России использовали эти термометры до 30-х гг. XX в.

• 1742 г., швед Андерс Цельсий, которому не нравились отрицательные температуры, предложил свою шкалу.

Опорные точки:

– температура таяния льда: 100 °С;

– температура кипения воды: 0 °С.

• 1750 г., швед Мортен Штрёмер переменил местами эти числа и стоградусная шкала приняла современный вид:

t °F = (9/5) t °C + 32.

t °R = (4/5) t °С.

• 1787 г., француз Жак Александр Цезар Шарль: При повышении t при постоянном объёме одинаково изменяется давление всех разреженных газов.

• 1802 г., Француз Жозеф Луи Гей-Люссак и англичанин Джон Дальтон независимо друг от друга открыли закон, согласно которому все газы расширяются при нагревании одинаково и имеют один и тот же постоянный коэффициент расширения 1/273,15. Этот закон справедлив для разреженных газов (воздух при нормальных атм. условиях).

По этой причине для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определённого количества разреженного газа при постоянном объёме или изменение объёма газа при постоянном давлении. Газовый термометр непригоден для установления температурной шкалы в области очень высоких температур, при которых происходит термическая диссоциация и ионизация, и очень низких температур, при которых все реальные газы конденсируются. На практике используют более простые в обращении жидкостные термометры, но градуируют их с помощью газового термометра.

• 1848 г., англичанин Уильям Томсон ввёл температурную шкалу, которая содержала лишь положительные значения. За свои научные заслуги У.Томсон получил титул лорда Кельвина, поэтому введённую им шкалу называют шкалой Кельвина.

T К = t °С + 273,155.

Термодинамическая шкала Т (К) совпадает с газовой t (°С) по масштабу, но начала отсчёта разные: 0 К = –273 °С.

• XX – XXI вв. За точку отсчёта выбирают тройную точку воды Т = 273,16 К (t = 0,01 °С) – температуру, при которой сосуществуют в равновесии все три её фазы: лёд, вода, пар.

• Физический смысл температуры: физическая величина, обладающая свойством температуры, – средняя кинетическая энергия движения молекул.

Вывод этой гипотезы можно представить в виде схемы:

Физическая величина
Температура

1. Происхождение слова	От лат. temperature – надлежащее смещение
2. Характеризуемое свойство	Состояние термодинамического равновесия макроскопической системы
3. Что определяет	Степень отклонения теплового состояния системы от состояния, принятого за нулевое, среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул тела
4. Частные случаи	Температура плавления, кипения, критическая температура
5. Обозначение	T
6. Единица в СИ	Кельвин (K)
7. Способ измерения	Прямой
8. Прибор для измерения	Термометр
9. Связь с другими величинами	С внутренней энергией тела E = (3/2)kT
10. Интервал измерения величины	0 < T < 1015
11. Границы применимости	Применяется только для систем, состоящих из большого числа частиц
12. Определение величины	Температура – физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия термодинамической системы и измеряемая термометром в кельвинах

 

4. Измерение скоростей молекул газа. Опыт Штерна, 1920 г.

Анимация. Цель опыта: определить скорость движения молекул, сравнить с результатами молекулярно-кинетической теории газов. Схема установки. Условия, при которых осуществлялся опыт. Наблюдаемый результат.

Анализ экспериментальных данных, полученных в опыте Штерна, позволяет найти распределение молекул по скоростям. На графике изображена зависимость числа молекул, приходящихся на единичный интервал скоростей, от скорости, которой они обладают. Наиболее вероятная скорость – скорость, которой обладает максимальное число молекул.

Модули скоростей, определённые из опыта, совпадают с теоретическим значением средней квадратичной скорости. Это служит экспериментальным доказательством того, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре, а средняя квадратичная скорость

 

Литература

1. Бергер Н.М. Изучение тепловых явлений. – М.: Просвещение, 1981.
2. Громов С.В. Физика-11. – М.: Просвещение, 2001.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-10. – М.: Просвещение, 2005.
4. Смородинский Я.А. Температура: Энциклопедия для детей «Физика», ч. 2. – М.: Аванта+, 1998, с. 177.
5. Физика, 10 класс (поурочные планы): Сост. Маркина Г.В. – Волгоград: Учитель, 2000, с. 16, 18 (таблицы).
6. Шевякова К.В. Температура: В сб. «Я иду на урок физики, 10 класс. Молекулярная физика». – М.: Библиотечка «Первое сентября», 2000, с. 52.

 

ГАЙДАЙ Илья (6-й класс). Анимация процессов испарения и конденсации

Актуальность работы. Мы видим внешнюю сторону какого-либо явления. Например, замечаем, что через некоторое время после дождя асфальт высох. Как происходит этот процесс испарения с точки зрения физики? Очень интересно заглянуть внутрь вещества и разобраться в поведении молекул жидкости и пара. Разобраться не только самому, но и показать этот процесс хотя бы одноклассникам. Это можно сделать, создав анимацию процессов испарения и конденсации.

Обоснование выбора. С явлениями испарения и конденсации мы знакомы с малых лет. В начальной школе изучили, из чего состоят все тела (из молекул), на географии вели разговор о круговороте воды в природе. Захотелось наглядно изобразить движение молекул воды и пара, показать различие в движении молекул в газообразных и жидких телах, показать процесс перехода молекул из жидкости в пар и обратно.

Постановка задач. Создать анимационную модель процессов испарения и конденсации для дальнейшего использования на уроках физики. Подобрать материал, иллюстрирующий эти процессы. Создать ролик, который можно использовать на уроках физики при объяснении данной темы.

Результат. Работа над проектом помогла глубже понять процессы испарения и конденсации. Пришлось почитать дополнительную литературу, чтобы дополнить ролик интересной информацией, узнать больше о круговороте воды в природе. Учитель физики использует ролик на уроках в 8-м и 10-м классах при изучении темы.

 

Литература

1. Сёмке А.И. Занимательные материалы к урокам.
2. 8-й кл. – М.: НЦ ЭНАС, 2004.
3. Пёрышкин А.В. Физика-8. – М.: Дрофа, 2003.

---

^* Части работы «Процессы испарения и конденсации» и работа «Сказка о единице и десятке» полностью были представлены на Фестивале исследовательских и творческих работ учащихся «Портфолио» в 2006/2007 уч. г. (№ 112 814). Все файлы анимации электронного учебника представлены как электронные приложения к № 18/2009. – Ред.