Научно-методический анализ раздела «Молекулярная физика»
Приоритетными задачами обучения физике в общеобразовательной школе для всех профилей является формирование у учащихся представления о физике как части общечеловеческой культуры, развитие научного мировоззрения и мышления учащихся, ознакомление с фундаментальными понятиями и законами физики. Для учащихся общеобразовательных школ и классов с углублённым изучением физики актуальной является задача подготовки учащихся к поступлению в высшие учебные заведения.
В настоящее время основными требованиями, предъявляемыми к выпускникам, являются :
— освоение методов научного познания;
— владение определённой системой физических законов и понятий;
— умение воспринимать и перерабатывать учебную информацию;
— овладение понятиями и представлениями физики, связанными с жизне деятельностью человека.
В процессе преподавания физики в средней школе на современном этапе большое внимание уделяется пониманию учащимися роли эксперимента и теории в процессе познания мира. Проведём научно-методический анализ раздела «Молекулярная физика»
Проведём научно-методический анализ раздела «Молекулярная физика».
Раздел «Молекулярная физика» и его элементы изучаются в разных местах курса физики средней школы. Во всех современных программах по физике, представленных в сборнике программ , вопросы молекулярной физики рассматриваются трижды. В основной школе — в курсе естествознания (5-6 класс) и в курсе физики (7-9 классы). И более полно, в соответствии с научными теориями и их структурами, в старшей школе — в разделе «Молекулярная физика».
Такое построение курса позволяет:
— углубить, развить и обобщить знания учащихся о строении и свойствах вещества, полученных в курсе естествознания, в основной школе и в курсе химии 8 класса. Перейти от качественного описания процессов и явлений к количественному;
— рассмотреть физические явления в порядке усложнения форм движения, от одной частицы к системе из большого числа частиц. Рассмотреть новую форму движения — тепловую и соответствующий ей вид энергии (внутреннюю);
— дать учащимся возможность рассмотреть микроявления на количественном уровне с использованием, по мере возможности, механических характеристик.
Раздел «Молекулярная физика» имеет большое мировоззренческое и политехническое значение.
Мировоззренческое значение определяется тем, что:
1. В ходе изучения раздела учащиеся имеют возможность пронаблюдать развитие энергетических представлений при введении первого закона термодинамики и его распространения на конкретные процессы.
2. Учащиеся продолжают знакомство с теоретическими и экспериментальными методами. На примере изучения фундаментальных опытов и опытов, иллюстрирующих газовые законы.
3. Изучение раздела «Молекулярная физика» позволяет углубить понятие материи (молекулы, атомы) и представить новый способ её описания -статистический.
4. Применение дедуктивного метода изучения явлений способствует развитию теоретического мышления учащихся.
5. Агрегатные превращения, изучаемые в разделе «Молекулярная физика», позволяют проиллюстрировать учащимся диалектический закон взаимопревращения качества и количества.
Изучение раздела «Молекулярная физика» имеет большое значение для политехнического образования учащихся, поскольку:
1. Достижения молекулярной физики являются основой такой отрасли промышленности, как материаловедение.
2. Знания по молекулярной физике являются основой такого направления научно-технического прогресса, как создание материалов с заранее,заданными свойствами.
3. Часть раздела «Молекулярная физика» — термодинамика — является основой одной из важнейших отраслей промышленности — теплоэнергетики.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Рабочим телом называется термодинамическая система, совершающая процесс и предназначенная для преобразования одной формы передачи энергии — теплоты или работы — в другую. Например, в тепловом двигателе рабочее тело, получая энергию в форме тепла, часть её передаёт в форме работы.
Нагревателем (теплоотдатчиком) называется устройство, сообщающее рассматриваемой термодинамической системе энергию в форме тепла.
Холодильником (теплоприемником) называется система (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара), поглощающая часть тепла рабочего тела.
Прямым циклом называется круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу:
На графике Р-V (рис.9) прямой цикл изображается в виде замкнутой кривой, проходимой рабочим телом по часовой стрелке.
Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачу части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние. Работа, совершаемая рабочим телом за один полный цикл, складывается из работы, совершённой им при расширении, и работы, совершённой им при сжатии:
Учитывая, что при сжатии газ совершает отрицательную работу, равенство (2) можно переписать в виде:
При наличии холодильника газ перед сжатием или во время сжатия охлаждается, и потому процесс совершения им работы при сжатии протекает при меньшем давлении, чем при расширении. Поэтому |Асж| Арасш, и, следовательно, А0. Принцип действия теплового двигателя приведён на рис.8.
Рис.8. Принцип действия теплового двигателя От нагревателя с температурой Т1 за цикл отнимается количество теплоты Q1, а холодильнику с температурой Т2 за цикл передаётся количество теплоты Q2. Рабочее тело при этом совершает полезную работу А = Q1 Q2.
Цикл Карно изображён на рис.9, где изотермическое расширение и сжатие изображены соответственно кривыми 1-2 и 3-4, а адиабатическое расширение и сжатие – кривыми 2-3 и 4-1.
При изотермическом процессе U=const, поэтому количество теплоты Q1,полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А12, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:
При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения 2-3 совершается за счёт изменения внутренней энергии газа:
изотермическом сжатии, равно работе сжатия А34:
Работа адиабатического сжатия:
Работа, совершаемая в результате прямого кругового цикла Карно:
Тогда термический к.п.д. цикла Карно будет равен:
Общая характеристика методики использования компьютерных моделей при изучении раздела «Молекулярная физика»
В результате анализа научной и научно-методической литературы, структуры и содержания раздела «Молекулярная физика», особенностей объектов, процессов и явлений, изучаемых в данном разделе, а так же трудностей, возникающих у учителя, были выявлены основные аспекты проблемы использования компьютерных моделей в условиях современной школы, учёт которых необходим для повышения эффективности этого процесса.
1. Из-за недостаточного развития теоретического мышления учащихся 15-17 лет при построении и освоении понятия идеальной модели и изучении физических явлений, процессов и фундаментальных опытов в разделе «Молекулярная физика» необходимо опираться на их образное мышление. Этому будет способствовать использование компьютерных моделей в сочетании с демонстрационным экспериментом и предметными моделями.
2. Введение элементов исследования в процесс изучения модели позволяет углубить знания и представления учащихся них и самих объектах моделирования. Также исследовательская деятельность развивает логическое и теоретическое мышление, что является одной из целей обучения учащихся в старших классах общеобразовательной школы.
3. Современная российская школа не может предоставить каждому учащемуся возможность одновременно работать за отдельным компьютером (в среднем можно предоставить 12-15 машин на класс из 25-30 человек).
4. Каждый учитель при своей работе ограничен определённым количеством часов, отведённых на изучение данной темы. Поэтому использование ПЭВМ в процессе формирования понятия модели должно быть согласовано с поурочным планированием раздела.
5. Для работы с компьютерными моделями учитель должен иметь дидактический раздаточный материал для каждого учащегося.
Созданная нами методика использования компьютерных моделей при изучении раздела «Молекулярная физика» учитывает каждое из вышеперечисленных положений. Рассмотрим их поподробнее.
Целью использования компьютерных моделей при изучении раздела «Молекулярная физика» является развитие образного и теоретического мышления учащихся и их исследовательских умений.
Основным средством для достижения данной цели являются компьютерные модели, представленные в следующих программных продуктах:
1. CD «Физика на Вашем PC».
2. CD «Открытая физика 1.0» часть 1.
3. Программа «Броуновское движение».
4. Программа «Фундаментальные опыты по физике».
Следует отметить, что число программных продуктов может быть расширено за счёт других, на усмотрение учителя.
Для достижения поставленной цели и повышения эффективности процесса обучения работу с компьютерными моделями необходимо построить таким образом, чтобы в ней учитывалось одновременное использование «классических» средств наглядности и компьютерных моделей; осуществлялся единый подход к работе с компьютерными моделями идеализированных объектов, физических явлений, процессов и фундаментальных опытов; работа с компьютерными моделями осуществлялась в форме ученического исследования.
Всю работу по изучению моделей идеализированных объектов, физических процессов, явлений и фундаментальных опытов можно организовать в три этапа.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
1. Установите температуры Т1 и Т2, указанные в табл.1 для вашей бригады. Для этого нажмите кнопку «Выбор», переместите маркер мыши так, чтобы его остриё находилось на кнопках регуляторов термометров « » или « ».
Последовательными короткими нажатиями на эти кнопки установите заданные температуры нагревателя и холодильника.
2. Нажмите мышью кнопку «Старт» и наблюдайте перемещение точки по замкнутой кривой цикла Карно. Остановите процесс нажатием кнопки «Стоп» вблизи точки 1, обозначенной на рис.9, т.е. в месте перехода изотермического расширения газа в адиабатическое.
3. Запишите в табл.2 значение V2, которое в момент остановки процесса в точке 1 будет обозначено в нижнем прямоугольнике окна опыта.
4. Аналогичные измерения проведите для точек 3,4 и 1 и запишите значения объёмов газа в соответствующие столбцы табл.2.
5. Установите вторые значения температуры нагревателя и холодильника, указанные в табл.1, и проделайте все измерения по пп. 2-4 ещё раз.
Результаты опытов занесите в таблицу, аналогичную табл.2.
Значения температуры нагревателя Т1 и холодильника Т Результаты измерений (количество измерений и строк = 3) Номер
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
2. Из каких основных элементов состоит тепловой двигатель?
3. Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник?
4. Что является холодильником в двигателе внутреннего сгорания?
5. Чем отличаются обратимые и необратимые процессы? Почему все реальные процессы необратимы?
6. Дайте понятие энтропии (определение, размерность и математические выражения изменения энтропии для различных изопроцессов идеальных 7. В каком направлении может изменяться энтропия замкнутой системы?
незамкнутой системы?
8. В чём заключается теорема Карно?
9. Выведите формулу к.п.д. цикла Карно.
10. Изобразите в системе координат T-S изотермический и адиабатический процессы и цикл Карно в целом.
11.Докажите, что к.п.д. теплового двигателя, работающего по произвольному обратимому циклу, всегда меньше, чем к.п.д. цикла Карно, работающего между максимальной и минимальной температурой этого цикла.
Моделирование как метод научного познания
Наука является одной из широчайших сфер человеческой деятельности. Целью этой деятельности является выработка и теоретическая систематизация знаний об окружающей действительности. Получение объективной информации об объектах (процессах или явлениях) возможно только в условиях осуществления последовательных действий по изучению свойств объектов. Эта последовательность действий учёного определяет сущность метода научного познания действительности .
«Метод — это способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи; совокупность приёмов или операций практического или теоретического освоения (познания) действительности» .
В работе В.В. Быкова отмечается, что методы науки проявляются во взаимодействии учёный — средства познания — предмет познания.
Методы научного познания наиболее часто классифицируются по двум признакам :
по принципу степени общности;
— по уровню, на котором происходит научное познание.
В соответствии с первым признаком методы науки делятся на:
— общие методы познания (общенаучные методы исследования), которые применяются во всех науках и на всем протяжении исследовательского процесса;
— специальные (частные, конкретно-научные) методы познания (частнона-учные методы исследования) применяются только в конкретной области знаний (конкретной науке) и имеют специфический характер для этой области знания;
— универсальные методы характеризуют человеческое мышление в целом и применимы во всех областях познавательной деятельности человека.
Наиболее распространённой классификацией методов научного познания является их классификация по тому, на какой стадии (каком этапе, уровне) исследования они используются. В соответствии с этим признаком методы познания делятся на :
— методы эмпирического исследования, связанные с установлением и накоплением фактов об изучаемых объектах;
— методы теоретического исследования, связанные с абстрактным мышлением, с логической обработкой и теоретическим осмысливанием результатов эмпирического исследования;
— общелогические методы познания, которые используются как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях исследования.
Для того чтобы определить место и значение метода моделирования среди всех методов познания, дадим их общую характеристику.
К эмпирическим методам познания относятся: наблюдение, описание, измерение, эксперимент. Главными функциями этих методов являются собирание и описание научных фактов, и проведение их первичной систематизации.
К теоретическим методам исследования относятся: восхождение от абстрактного к конкретному, идеализация и формализация, мысленный эксперимент, моделирование, аксиоматический, гипотетико-дедуктивный, исторический, логический методы и метод математической гипотезы. Их основными функциями являются предсказание фактов, синтезирование идей, и осуществление связи между теорией и практикой.
Все перечисленные методы используются во всех областях науки, а, следовательно, являются общенаучными методами познания.
