План-конспект интегрированного урока по физике и библейских историй и христианской этике в 10 классе

Тема: Первый закон термодинамики.

        Цель: обучающая - сформулировать закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления, привести данные об истории открытия закона,  развивать умение решения задач с использованием закона сохранения энергии для тепловых процессов, рассмотреть изопроцессы с новой  энергетической точки зрения, дать понятие об адиабатном процессе, познакомить учащихся с алгоритмом решения задач на применение уравнения теплового баланса; показать неотъемлемую связь духовных и физических законов.

        развивающая – развивать логическое мышление учеников, умение анализировать  процессы природы;

        воспитательная –  формировать мировозрение, привести библейские примеры физических законов.

       Оборудование: презентация «Законы термодинамики», опорные конспекты на партах, стеклянная трубка малого диаметра, пробирка с плотно закрытой пробкой.

                           План  урока.

1. Организационный этап. Сообщение темы, целей урока. (1 мин.)
2. Проверка домашнего задания. (2 мин.)
3. Актуализация  опорных знаний. (9 мин.)
4. Изучение нового материала. Эксперимент. (15 мин.)
5. Закрепление. (9 мин.)
6. Подведение итогов урока. (2 мин.)
7. Домашнее задание. (2 мин.)

                          Ход урока.

1. Организационный этап. Сообщение темы, целей урока.

     Приветствие. Организация рабочих мест. Учитель сообщает тему и цели урока.

1. Проверка домашнего задания.

     Учитель предлагает учащимся проверить домашнее задание, а именно решение задач в парах (пара – двое учащихся, сидящих за одной партой).

     Ш. Актуализация опорных знаний.

1. Выполнение самостоятельной работы.

Вариант – 1

1.  Что называют внутренней энергией тела?

2.  Формула для вычисления работы газа.

3. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа,  от каких величин зависит?

4.  Какая физическая величина вычисляется по формуле 3Р V/2?

Вариант – 2

1.  Что называется количеством теплоты?

2.  Запишите формулу для расчета внутренней энергии.

3. Когда работа газа считается положительной, а когда – отрицательной?

4. Какая физическая величина вычисляется по формуле 3 γ RT/2?

2. Обсуждение вопросов.

1. Как вычислить количество теплоты, нужное для нагревания тел до определенной температуры?

2. Что называется удельной теплоемкостью?

3. Как вычислить количество теплоты, нужное для превращения жидкости массой m, взятой при температуре кипения, в пар?

4. Какая величина является удельной теплотой парообразования? Конденсации?

5. Какую формулу применяют для расчета количества теплоты, необходимого  для того, чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, взятое при температуре плавления.

6.  Какая величина называется удельной теплотой плавления?

7.  В каких случаях в формулах используется знак минус ( – )?

1. Изучение нового материала. Эксперимент.

          1. Историческая справка.

В середине ХIХ века на основе работ, выполненных несколькими учеными (независимо друг от друга) был сформулирован закон сохранения энергии для тепловых процессов. Этот закон, позднее, получил название: «Первого закона термодинамики». Немецкий ученый Р. Майер выдвинул теоретические предпосылки закона. Английский физик Д. Джоуль провел его опытные обоснования и измерения. Немецкий ученый Г. Гельмгольц получил математическую формулу закона, обобщил и распространил полученные результаты на все явления природы.

2. Формулировка 1-го закона термодинамики для случаев, если:

а) работа совершается над газом: ΔU = Q + A;

б) работу совершает газ: ΔU = Q – A;

Первое начало термодинамики.

 Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами:

                                        Опорный конспект

        В изохорном процессе газ работы не совершает, и ΔU = Q. В изобарном процессе A = pΔV = p (V2 – V1). В изотермическом процессе ΔU = 0, и A = Q; вся теплота, переданная телу, идет на работу над внешними телами. Графически работа равна площади под кривой процесса на плоскости p, V.

Адиабатным называется  процесс, при котором системе не передается тепло из окружающей среды: Q = 0. В адиабатном процессе вся работа совершается за счет внутренней энергии газа.

      Применение І  закона  термодинамики к  газовым процессам

         3. Объяснение невозможности создания вечного двигателя.

         Если Q = 0; то ΔU = – A или – ΔU = A. То есть двигатель перестанет работать,  если будет исчерпан весь запас внутренней энергии.  Первый закон термодинамики объясняет теоретическую невозможность создания вечного двигателя. Но еще до открытия этого закона многовековая практика привела ученых к выводу: нельзя совершать работу без затраты внешней энергии.

Так, еще Леонардо да Винчи писал: «О, искатели постоянного двигателя, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках».

В 1775 году Французская академия наук заявила: « Построение вечного двигателя абсолютно невозможно», – и перестала рассматривать любые проекты вечных двигателей.

       5. Рассмотрим процессы теплообмена между телами в замкнутой системе.

Q1 + Q1+ Q3+… = 0 – уравнение теплового баланса.

Каждое слагаемое уравнения может быть как положительным, так и отрицательным.

Если тело получило  какое–то количество теплоты, то теплоту, принято считать положительной, а если отдало, то теплота – отрицательная величина.

Эксперимент. Возьмите пробирку с плотно закрытой пробкой со стеклянной трубкой малого диаметра, в которой оставьте 1-2 капли подкрашенной воды, чтобы образовался небольшой столбик воды вблизи пробирки.

Установите пробирку в лапке штатива в горизонтальном положении. С помощью руки нагрейте воздух в пробирке и наблюдайте за столбиком воды в трубке. Затем отпустите руки и вновь понаблюдайте за перемещением столбика воды. Результаты опыта объясните.

Качественная задача. Обращали ли вы внимание на туманное облачко, которое появляется у горлышка бутылки с охлажденной газированной водой сразу, после ее открывания? Чем это вызвано? (В бутылке с газированной водой всегда имеется немного сжатого газа.  При открывании бутылки, газ адиабатически  расширяется, совершая против сил атмосферного давления, работу. В результате температура газа понижается, внутренняя энергия его уменьшается. Водяной пар, который содержится в газе, конденсируется в виде туманного облачка).

Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут.

Необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений. Немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888) сформулировал этот закон так: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

В развитии природы существуют две тенденции. Первая – это способность  к самосохранению, что обеспечивает стабильность мира. На протяжении тысяч лет, отмеченных в истории человечество, мир выступает как достаточно стабильная система.

Библия говорит, что грехопадение привело к катастрофическим изменениям в материальном мире, в самой природе. Это сказано в словах «проклята земля за тебя», «тернии и волчицы произрастит она», «в поте лица будешь добывать хлеб свой», т.е. с грехопадением вошла в мир смерть, в природе запущен процесс распада, разрушения. В науке такое разрушение описывается в термодинамике. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия (хаос, беспорядок) в замкнутой системе не уменьшается.

Например, энергия Солнца нагревает нашу планету, превращается  в движение воздуха, формирует течения вод океанов, благодаря ей где-то тают льды, на горах образуются снежные шапки, меняющаяся температура днем и ночью, смена времен года, всё это происходит за счет солнечной энергии, её неравномерному распределению. Однако энергия, излучаемая Солнцем, не возвращается назад, а рассеивается. Рассеяние энергии приводит к её переводу из состояния, в котором возможно совершение работы, из состояния, которое приводит тела в движение, в состояние, которое уже ничему не способствует. Мы в этом постоянно убеждаемся в быту.

Например, нагретый чайник, если его снять с огня, остывает, и не зафиксировано ни одного случая, чтобы за счет слегка охлажденного воздуха в комнате кому-то удалось нагреть чайник. Все идет только в одном направлении. Точно так же и в работе нашего организма все направлено к постепенному старению и, в конечном счете, к смерти. Второй закон термодинамики,  по сути, задает нам  направление времени. Реальное время, в котором мы живем, обладает необратимостью. Так что можно сказать, что время и энтропия определенным образом взаимосвязаны.

В рассматриваемой нами части Вселенной действует закон сохранения энергии, т.е. рассеянная энергия никуда не исчезает, а создаёт некий энергетический фон всего пространства. Но за счет этой энергии ничего нельзя сделать, точно так же как нельзя собрать и использовать энергию, рассеявшуюся в пространстве комнаты от нагретого чайника. И вот что важно: со временем область «мертвой» энергии возрастает.  Если вспомнить известную формулу А. Эйнштейна Е=mc². Энергия (Е) прямопропорциональна массе (m). Фоновая энергия увеличивается => увеличивается «фоновая» масса, а «обычной» массы становится меньше.

 Рассмотрим  окружающую среду.  Сейчас остро стоит проблема её загрязнения. И жизненные силы Земли уже не такие, какие были несколько тысячелетий назад. Вспомним эпизод из Библии, когда посланцы от еврейских колен пошли в землю обетованную и двое мужчин в доказательство плодородия Земли принесли огромную кисть винограда, на шесте,  который положили себе на плечи; динозавры имели колоссальные размеры, деревья в три обхвата уже не растут.

Любая материальная система состоит из подсистем, которые взаимодействуют между собой, эта энергия взаимодействия тоже уменьшается. Приведенные выше сравнения плодородия, правильнее сказать жизненных сил Земли в прошлом и настоящем, демонстрируют этот процесс.

Человек в той мере, в какой он связан с природой и является соучастником общего разложения, в той же мере этот процесс отражается  в  социальной жизни. Например, в мире всё больше распадаются родственные связи, всё сильнее проявляется конфликт отцов и детей, ослабевают связи между поколениями и т.д.

В конце ХIХ начало ХХ века процесс роста энтропии очень ярко отразился в искусстве (возникновение кубизма, футуризма), в философии (Энгелье писал: «Всё, что возникает, достойно гибели»), музыке.

Энтропию уменьшить можно. В тех случаях, когда мы видим восстановление связи людей с Богом, то и жизнь, соответственно, начинает изменяться в лучшую сторону.

Но не учитывать реальный рост энтропии тоже будет ошибочным.  К сожалению,  даже в православной среде нередко наблюдается игнорирование энтропийных процессов. Например, многие считают безгрешными детей, не учитывают разницу в условиях духовного становления личности по сравнению с предыдущими эпохами. Педагогам необходимо учитывать состояние  педагогического пространства. Скажем, школьники лет 12-13 сейчас уже впитали в себя очень много греховных впечатлений. Игнорирование этого внутреннего распада приводит к излишней идеализации.

В настоящее время много делается такого, что дает  нам надежду на духовное возрождение. Идут службы в храмах, люди приобщаются святых таинств. Многие каются в грехах и получают прощение. А что значит получить прощение от Бога? Это значит, что не только прощен сам грех, но и его последствия – его энтропийные, разрушительные, хаотизирующие воздействия – сглажены, уменьшены. Чем больше будет на земле людей, осознающих свою греховность, испытывающих раскаяние, тем медленнее будут процессы распада. Вместе с духовным возрождением человека происходит духовное возрождение мира.

       Пусть крепкая Господня рука охраняет Вас от бед и всевозможных напастей! Пусть безграничная Божья любовь зажигает в Ваших сердцах  огонек надежды! Будем терпеливы и не будем опускать рук, и Всевышний поможет нам обрести безмерное счастье и поделиться им с окружающими! Пусть ваша жизнь всегда будет благословенной, радостной, светлой и беззаботной!

1. Закрепление.

Задача 1. В цилиндре под поршнем находится 1,25 кг воздуха. Для его нагревания на 40С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии воздуха,   молярная масса которого   0,029   кг/ моль.

Дано:

m = 1,25 кг;

∆t0 = 40С;

 Р=const;

  Q = 5 кДж = 5 · 103 Дж;

 μ = 0,029 кг/ моль;

 R = 8,31 Дж/моль ·0К

Найти:

∆U - ?

Решение:

Запишем первый закон термодинамики в виде:

Q = ∆U + А,

 где Q – количество теплоты, переданное системе, которое идет на изменение внутренней энергии системы ∆U и на совершение системой работы А,  над внешними телами.

Тогда измерение внутренней энергии

∆U = Q - А, . Работа системы А,= Р∆V.

         Воспользуемся уравнением Менделеева–Клапейрона для двух состояний системы:

         Р1 V1 = 3 m2μ  RТ1;         Р2 V2 = 3 m2μ  RТ2. Так как Р1 = Р2, то

          Р(V2 - V1) =  mμ  R(Т2 - Т1), или Р∆V =  Мμ  R∆Т

         Тогда работа системы

         А,  =  Мμ  R∆Т; А,  = [кг.моль.Дж.Ккг.моль.К ]

        Изменение внутренней энергии:

            ∆U = Q -  Мμ  R∆Т;

            ∆U = 5  · 103 – 1,250,029  · 8,31·4 = 3667 Дж.

       Ответ:   ∆U = 3667 Дж = 3,567 кДж.

VI.  Подведение итогов  урока.

Открытый микрофон.

«На уроке я узнал (а) о… Особенно интересным было… Не понятным осталось…»

VIIДомашнее задание.        

1. §84-85 изучить (с.276-281).

Литература

1. Физика. 10 класс :  учебник  для общеобразоват. организаций : базовый и углубл. уровни /  Г.Я.Мякишев,  Б.Б.Буховцев,  Н.Н.Сотский. – 9 изд., стер. – М. : Просвещение», 2022. 432 с. : ил. – (Классический курс).
2. Библия. Книги священного писания ветхого и нового завета. Канонические. – Москва, 2000 р.