Внутренняя энергия - ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Тип урока: урок открытия нового знания.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развивающего обучения, развития критического мышления, групповые, развития исследовательских навыков.

Цели: сформировать знания о внутренней энергии тел как сумме кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия; установить связь внутренней энергии с температурой.

Формируемые УУД: предметные: научиться объяснять, как происходит превращение одного вида энергии в другой; приводить примеры перехода механической энергии во внутреннюю; объяснять понятие внутренняя энергия; метапредметные: планировать учебное сотрудничество с одноклассниками; формулировать и аргументировать свое мнение и позицию в коммуникации; определять последовательность промежуточных целей с учетом конечного результата; проявлять познавательную инициативу; самостоятельно создавать алгоритм действий; анализировать, сравнивать, обобщать, делать выводы; выстраивать логическую цепь рассуждений; личностные: формирование учебно-познавательного интереса, коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками; приобретение опыта применения научных методов познания.

Приборы и материалы: молоток, наковальня, проволока, термопара, баллистический гальванометр, карточки с текстом.

Ход урока

I. Организационный этап

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит опрос-беседу по вопросам учебника. Ученики решают качественные задачи.)

1. Одна молекула кислорода движется в воздухе в данный момент со скоростью 900 м/с, а другая — со скоростью 1200 м/с. Правильно ли будет сказать, что температура второй молекулы выше?

2. Известно, что чем больше скорость движения молекул тела, тем выше его температура. Почему не нагревается пулька, которую выстрелили в тире из пневматического ружья, хотя все ее молекулы движутся к мишени с большой скоростью?

III. Изучение нового материала

(Учитель проводит демонстрации опытов.)

Демонстрация 1. Уроним стальной брусок (молоток) на наковальню. В результате удара о наковальню изменилось состояние тел.

Демонстрация 2. Положим на наковальню проволоку и ударим по ней молотком. В результате удара проволока нагрелась и деформировалась.

Демонстрация 3. Соединим термопару с зеркальным гальванометром и ударим по ней молотком. В результате удара отклонился “зайчик”, что свидетельствует о нагреве в месте удара.

Если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела. Так как молекулы обладают массой и движутся, то они обладают кинетической энергией. Средняя кинетическая энергия молекул тем больше, чем больше масса молекулы и ее средняя скорость. Чем больше средняя кинетическая энергия частиц, тем выше температура тела. Поскольку молекулы взаимодействуют друг с другом, то они обладают и потенциальной энергией. Если частицы находятся на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между ними равны силам отталкивания, то потенциальная энергия их минимальна. С увеличением или уменьшением расстояния между частицами их потенциальная энергия возрастает.

Суммарную энергию движения и взаимодействия всех частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией. В понятие внутренней энергии включают:

• суммарную кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул;

• суммарную потенциальную энергию взаимодействия молекул, обусловленную силами взаимодействия;

• энергию колебательного движения атомов;

• энергию электронных оболочек атомов;

• внутриядерную энергию;

• энергию электромагнитного излучения, обеспечивающую тепловое равновесие между отдельными участками тела.

На практике нужно знать не абсолютное значение величины энергии, а ее изменение. В тепловых процессах при переходе тела из одного состояния в другое изменение внутренней энергии связано лишь с изменением кинетической и потенциальной энергий частиц. Так как движение никогда не прекращается, то тела всегда обладают внутренней энергией. Следовательно, наряду с механической энергией, тела обладают еще и внутренней энергией. Изменение внутренней энергии происходит только за счет энергии других тел.

— Почему при периодическом изгибании железной проволоки она нагревается?

— Почему два бруска при трении нагреваются?

Эти примеры иллюстрируют превращение механического движения в тепловое.

Внутренняя энергия обозначается буквой U. Особенностью внутренней энергии является то, что она всегда больше нуля, ведь тепловое движение частиц никогда не прекращается. При этом величина внутренней энергии тела не зависит от механической энергии тела. Например, ядро массой 10 кг летит со скоростью 40 м/с. Его температура составляет 400 °С. Если подобное ядро летит с той же скоростью, имея температуру 100 °С, то их механическая энергия на одной высоте одинакова, а внутренняя энергия больше у первого ядра.

Необходимо понимать, что механическая энергия тел отличается от внутренней энергии. Механическая энергия зависит от скорости движения и массы тела, а также от расположения данного тела относительно других тел. Внутренняя энергия не зависит от скорости движения тела в целом. Она определяется скоростью движения частиц, из которых состоит тело, и их взаимным расположением.

Для описания энергетических превращений используют закон сохранения энергии. Полная энергия, равная сумме механической и внутренней энергии, остается постоянной при всех взаимодействиях.

С одной стороны, этот закон определяет соответствие между изменением механической и внутренней энергии. С другой стороны, он подчеркивает тот факт, что какой-либо вид энергии сам по себе не появляется и не исчезает бесследно. Всегда один вид энергии переходит в другой в равных количествах.

IV. Закрепление изученного материала

(Учащиеся отвечают на вопросы и решают качественные задачи.)

— Что такое внутренняя энергия?

— В чем состоит различие между механической и внутренней энергией?

— Всегда ли выполняется закон сохранения механической энергии?

— Можно ли увеличить внутреннюю энергию тела, не изменяя характера движения молекул?

— Какие преобразования энергии происходят при падении теннисного мяча на пол?

— Какие превращения энергии происходит при обработке напильником металлической заготовки?

— По озеру на большой скорости плывет катер. Изменяется ли при этом внутренняя энергия катера, воды в озере? Как и почему?

(Учитель раздает ученикам карточки с текстом.)

Передача энергии в грозу

Когда часть поступающей от Солнца энергии поглощается Землей, то наблюдается увеличение внутренней энергии Земли и соответствующее повышение температуры. Часть этой энергии передается воздуху, соприкасающемуся с Землей. Кинетическая энергия молекул воздуха увеличивается, и в результате число молекул на единицу объема уменьшается, т. е. уменьшается плотность воздуха. В итоге воздух поднимается, часть водяного пара в нем конденсируется, и формируются поднимающиеся капли воды. С подъемом молекул возрастает их потенциальная энергия.

По мере движения водяных капель через электрическое поле Земли они заряжаются. Происходит разделение зарядов, и верх облака приобретает заряд, отличный от заряда его нижней части. Между различными частями облака устанавливаются сильные электрические поля, так же как и между низом облака и Землей. Таким образом, происходит накопление и электрической потенциальной энергии.

Рано или поздно энергия высвобождается прохождением электрического разряда, который производит вспышку молнии. Если вспышка молнии происходит между основанием облака и Землей, то она может повредить дома и расколоть деревья. Вспышки молнии сопровождаются раскатами грома вследствие перехода части энергии в звуковую. Также потенциальная энергия водяных капель высвобождается в виде кинетической энергии, когда капли выпадают в виде дождя и града.

Гроза является примером естественного явления, в котором энергия Солнца превращается в другие виды энергии. Солнце может рассматриваться как природный генератор: его тепловая энергия превращается в механическую энергию в виде молнии, грома, ветра, дождя и т. д.

(Ученики отвечают на вопросы к тексту.)

— Какие превращения энергии происходят перед грозой и во время грозы?

— Как изменяется при этом внутренняя энергия Земли и внутренняя энергия водяных капель?

— Можно ли использовать превращение солнечной энергии на благо человека?

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала с помощью таблицы, содержащей названия основных этапов урока.)

Критерии оценивания:

1 балл — я не знаю, не понимаю, не умею, не справляюсь.

2 балла — я знаю, понимаю, умею, справляюсь, но не всегда.

3 балла — я знаю, понимаю, умею, справляюсь со всем.

Этап урока	Проверка домашнего задания	Решение устных задач	Изучение нового материала	Устный опрос	Работа с текстом	Домашнее задание на следующий урок
Баллы

Домашнее задание

1. § 2 учебника, вопросы и задание к параграфу.

2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 920, 921.