Фізика · модуль «Температура. Внутрішня енергія. Теплопередача»
Цей урок є ключовим для подальшого вивчення теплових явищ. На попередніх уроках учні з'ясували, що температура характеризує тепловий стан тіла та що нагрівання може спричиняти зміну його розмірів. Тепер потрібно пояснити, що відбувається з енергією тіла та як її можна змінити.
Оскільки наступний урок присвячено теплопровідності, на цьому уроці важливо сформувати розуміння двох способів зміни внутрішньої енергії: виконання роботи та теплопередачі. Самі види теплопередачі докладно розглядатимемо далі.
1. Загальна характеристика уроку
Тема уроку: Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії.
Тип уроку: урок формування нових знань із дослідницькими елементами.
Основна ідея уроку: внутрішня енергія тіла пов'язана з рухом і взаємодією його частинок. Вона може змінюватися внаслідок виконання роботи над тілом або самим тілом, а також унаслідок теплопередачі.
Обладнання: металева ложка, посудина з теплою водою, термометр, гумова кулька або велосипедний насос (за наявності), демонстраційні матеріали про рух частинок, за можливості — прилад для демонстрації механічного нагрівання.
Ключові поняття: внутрішня енергія, кінетична енергія частинок, потенціальна енергія взаємодії частинок, виконання роботи, теплопередача.
2. Результати навчання у фокусі уроку
Група результатів | Результат, який формуємо |
|---|---|
ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження | Спостерігає зміни теплового стану тіл, висуває припущення про причини зміни внутрішньої енергії, аналізує результати демонстрацій і формулює висновки. |
ГР2. Опрацювання, систематизація та використання інформації фізичного змісту | Опрацьовує схеми й моделі будови речовини, розрізняє поняття «температура», «внутрішня енергія», «виконання роботи» та «теплопередача», систематизує приклади теплових явищ. |
ГР3. Усвідомлення закономірностей природи та застосування фізичних знань | Пояснює фізичний зміст внутрішньої енергії та два способи її зміни; застосовує ці знання для пояснення нагрівання й охолодження тіл у повсякденних ситуаціях. |
ГР4. Розвиток наукового мислення, відповідальної поведінки та усвідомлення значення фізики для суспільства | Аналізує практичні ситуації зміни внутрішньої енергії, обґрунтовує безпечні способи використання теплових процесів у побуті та техніці. |
3. Очікувані результати навчання
Наприкінці уроку учень/учениця зможе:
пояснити, що називають внутрішньою енергією тіла;
описати зв'язок внутрішньої енергії з рухом і взаємодією частинок речовини;
назвати два способи зміни внутрішньої енергії;
навести приклади зміни внутрішньої енергії внаслідок виконання роботи та теплопередачі;
пояснити, чому під час тертя тіла можуть нагріватися;
розрізняти зміну внутрішньої енергії внаслідок виконання роботи та внаслідок теплопередачі;
сформулювати запитання, яке підводить до вивчення теплопровідності.
Методичне уточнення: внутрішня енергія макроскопічного тіла охоплює кінетичну енергію хаотичного руху його частинок і потенціальну енергію їхньої взаємодії. Вона не тотожна механічній енергії руху тіла як цілого.
4. Хід уроку
Орієнтовна тривалість — 45 хвилин.
3 хв
Етап 1. Актуалізація опорних знань
Учитель пропонує учням пригадати попередній урок.
Запитання до учнів:
Що відбувається з більшістю тіл під час нагрівання?
Як змінюється температура тіла, коли воно нагрівається?
Чи можна нагріти тіло без полум'я або гарячої води?
Чому долоні стають теплішими, якщо швидко потерти їх одна об одну?
Очікувані відповіді: тіла зазвичай розширюються; температура зростає; тіло можна нагріти механічною дією; під час тертя долоні нагріваються.
Учитель формулює проблемне запитання: як можна змінити внутрішній стан тіла та його енергію?
5 хв
Етап 2. Створення проблемної ситуації
Учитель демонструє два приклади:
долоні нагріваються внаслідок тертя одна об одну;
холодна металева ложка нагрівається, якщо її занурити в теплу воду.
Запитання:
Що спільного в цих ситуаціях?
Чим відрізняються способи нагрівання?
Чи обов'язково для нагрівання тіла потрібно виконувати механічну роботу?
Очікувані міркування учнів: в обох випадках тіло нагрівається, але в першому випадку це відбувається внаслідок тертя, а в другому — через контакт із теплішою водою.
Учитель підводить учнів до висновку: внутрішню енергію можна змінювати різними способами, і ці способи необхідно розрізняти.
9 хв
Етап 3. Формування поняття внутрішньої енергії
Учитель використовує модель будови речовини, щоб пояснити, що речовина складається з частинок, які перебувають у безперервному хаотичному русі та взаємодіють між собою.
Пояснення для учнів
Частинки речовини мають кінетичну енергію руху та потенціальну енергію взаємодії. Суму цих складових для всіх частинок тіла називають його внутрішньою енергією.
Внутрішню енергію позначають \(U\), а в системі SI вимірюють у джоулях (Дж).
Важливо розуміти:
температура пов'язана із середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок;
внутрішня енергія залежить не тільки від температури, а й від кількості речовини, її агрегатного стану та взаємодії частинок;
внутрішня енергія не є енергією руху тіла як цілого.
Запитання для перевірки розуміння:
Чи рухаються частинки в твердому тілі?
Чим внутрішня енергія відрізняється від кінетичної енергії руху всього тіла?
Чи обов'язково два тіла однакової температури мають однакову внутрішню енергію?
Очікувані відповіді: так, частинки твердого тіла коливаються біля положень рівноваги; внутрішня енергія стосується частинок усередині тіла, а механічна кінетична енергія — руху тіла як цілого; ні, внутрішня енергія залежить також від маси, речовини та стану тіла.
8 хв
Етап 4. Перший спосіб зміни внутрішньої енергії — виконання роботи
Учитель пропонує учням потерти долоні одна об одну протягом кількох секунд.
Запитання:
Що відчуваєте після тертя?
Чому долоні нагрілися?
Чи передавали ми їм енергію від гарячого предмета?
Учні встановлюють, що долоні нагрілися внаслідок механічної взаємодії та тертя.
Учитель пояснює: виконання роботи може змінювати внутрішню енергію тіла. Коли тіла труться одне об одне, механічна енергія переходить у внутрішню енергію тіл, що взаємодіють.
Додатковий приклад: повітря в насосі може нагріватися під час швидкого стискання. Робота, виконана над газом, збільшує його внутрішню енергію, якщо теплообмін за цей час невеликий.
Висновок у зошиті: внутрішня енергія тіла може змінюватися внаслідок виконання механічної роботи над тілом або самим тілом.
Учитель уточнює: робота не завжди збільшує внутрішню енергію — залежно від процесу вона може й зменшуватися. Наприклад, газ, розширюючись і виконуючи роботу, може охолоджуватися.
7 хв
Етап 5. Другий спосіб зміни внутрішньої енергії — теплопередача
Учитель демонструє металеву ложку в посудині з теплою водою або пропонує розглянути ситуацію, коли холодний предмет залишили в теплому приміщенні.
Запитання:
Чому ложка нагрівається, якщо її занурити в теплу воду?
Чи потрібно для цього терти ложку або виконувати над нею механічну роботу?
Що відбувається, коли теплий предмет охолоджується в прохолодному середовищі?
Пояснення для учнів
Теплопередача — це процес передавання енергії від одного тіла до іншого без виконання механічної роботи як способу такого передавання.
Якщо тепліша вода контактує з холоднішою ложкою, енергія передається від води до ложки. Внутрішня енергія ложки збільшується, а води — зменшується. Якщо зовнішні втрати невеликі, з часом встановлюється теплова рівновага.
Висновок у зошиті: внутрішню енергію можна змінити двома способами — виконанням роботи та теплопередачею.
Учитель повідомляє, що на наступному уроці учні докладніше з'ясують, як саме енергія передається між тілами, зокрема через теплопровідність.
8 хв
Етап 6. Закріплення: розпізнаємо способи зміни внутрішньої енергії
Учні виконують завдання в парах або самостійно.
Завдання 1. Визнач спосіб зміни внутрішньої енергії.
Для кожної ситуації зазнач, що відбувається: виконання роботи, теплопередача чи обидва процеси.
Ситуація | Відповідь |
|---|---|
1. Долоні нагріваються під час тертя | Виконання роботи |
2. Ложка нагрівається в теплій воді | Теплопередача |
3. Металевий дріт нагрівається під час інтенсивного згинання | Виконання роботи |
4. Чай охолоджується в кімнаті | Теплопередача |
5. Газ стискають у теплоізольованому циліндрі | Виконання роботи |
Учитель зауважує, що в реальних ситуаціях можуть одночасно відбуватися різні процеси. У завданнях потрібно визначати основний спосіб зміни внутрішньої енергії, описаний в умові.
Завдання 2. Поясни різницю.
Чим відрізняється нагрівання рук під час тертя від нагрівання рук біля теплого обігрівача?
Очікувана відповідь: у першому випадку внутрішня енергія змінюється внаслідок виконання роботи, а в другому — внаслідок передавання енергії від обігрівача до рук.
Завдання 3. Завдання підвищеної складності.
Два однакові металеві бруски мають однакову температуру. Один брусок рухається, інший перебуває в спокої відносно класу. Чи обов'язково відрізнятиметься їхня внутрішня енергія?
Очікувана відповідь: якщо їхній внутрішній стан однаковий, то внутрішня енергія може бути однаковою. Рух бруска як цілого змінює його механічну кінетичну енергію, але не обов'язково внутрішню енергію.
5 хв
Етап 7. Підбиття підсумків і підготовка до наступної теми
Учитель пропонує учням завершити речення:
Внутрішня енергія — це…
Двома способами зміни внутрішньої енергії є…
Під час тертя внутрішня енергія змінюється внаслідок…
Коли холодна ложка перебуває в теплій воді, енергія передається…
Проблемне запитання до наступного уроку:
Чому металевий стрижень нагрівається на одному кінці, якщо нагрівати лише інший його кінець, хоча весь стрижень не переміщується і не торкається джерела теплоти?
Учні висловлюють припущення. Учитель не дає повного пояснення, а повідомляє, що наступний урок буде присвячено теплопровідності — одному зі способів передавання енергії.
5. Формувальне оцінювання
Під час уроку вчитель звертає увагу на те, чи учень розуміє фізичний зміст внутрішньої енергії, чи може пояснити її зміну та розрізнити два способи передавання енергії.
Критерій | Ознака досягнення |
|---|---|
Розуміння понять | Пояснює поняття внутрішньої енергії |
Розуміння закономірностей | Установлює зв'язок між рухом частинок і внутрішньою енергією |
Застосування знань | Наводить приклади зміни внутрішньої енергії |
Аналіз фізичних явищ | Розрізняє виконання роботи та теплопередачу |
Аргументація | Пояснює, чому в конкретній ситуації змінюється внутрішня енергія |
Для швидкої перевірки наприкінці уроку можна запропонувати короткий вихідний квиток.
Вихідний квиток
1. Якими двома способами можна змінити внутрішню енергію тіла?
2. Нагрівання рук під час тертя — це приклад…
3. Чому ложка нагрівається в теплій воді?
6. Домашнє завдання
Обов'язкова частина
Опрацювати відповідний параграф підручника.
Записати визначення внутрішньої енергії.
Пояснити два способи її зміни.
Навести по два приклади для кожного способу.
Пояснити, чому під час тертя долоні нагріваються, а ложка нагрівається в гарячій воді.
Творче завдання на вибір
Знайти побутовий приклад зміни внутрішньої енергії, сфотографувати або схематично зобразити його й пояснити, який спосіб зміни внутрішньої енергії переважає.
7. Методичний перехід до уроку 4 «Теплопровідність»
Наступний урок має розкрити один із механізмів теплопередачі, який учні вже розглядали на початковому рівні.
На уроці 3 учні… | На уроці 4 учні… |
|---|---|
З'ясовують, що таке внутрішня енергія | Пояснюють, як енергія передається всередині твердих тіл |
Визначають теплопередачу як один зі способів зміни внутрішньої енергії | Досліджують теплопровідність різних матеріалів |
Розглядають приклад нагрівання металевої ложки в теплій воді | З'ясовують, чому нагрівається частина металевої ложки, що не контактує з водою |
Формулюють припущення про передавання енергії | Перевіряють припущення за допомогою демонстраційного або практичного досліду |
Ключова методична ідея: на цьому уроці учні мають зрозуміти, що внутрішня енергія може змінюватися двома способами. На наступному уроці вони дослідять теплопередачу докладніше — починаючи з теплопровідності. Це забезпечує послідовний перехід від фізичного поняття до дослідження конкретного явища.
Немає коментарів:
Дописати коментар