Урок на тему основное уравнение идеального газа

Разработка урока «Уравнение состояния идеального газа»
методическая разработка по физике (10 класс)

В разработке урока «Уравнение состояния идеального газа» представлено изучение нового материала и первичного закрепления по теме: « Уравнение состояния идеального газа» с применением различных технологий и методов. Будет очень полезна для учителей физики для проведений занятий в 10 классе и подготовке к ЕГЭ.

Скачать:

Предварительный просмотр:

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА ФИЗИКИ

ОУ: Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Венгеровская СОШ№ 2.

Учитель: Любчикова Любовь Николаевна, учитель физики.

УМК: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Физика 10 класс. М.: Просвещение, 2018.

Тема урока: Уравнение состояния идеального газа

Тип урока: Изучение нового материала и первичного закрепления

Цель урока: Создание условий для осознания и осмысления уравнения состояния идеального газа.

• установить связь между макроскопическими параметрами состояния вещества, ознакомить со следствиями, вытекающими из уравнения состояния идеального газа; формировать умения применять полученные знания при решении задач.
• развивать навыки анализа информации, развивать мышление и мировозрение обучающихся через использование метода научного познания; осуществление межпредметных связей с математикой и химией при выводе уравнения состояния идеального газа, развивать навыки самообразования.
• способствовать развитию интереса к физике, повышать уровень мотивации, воспитывать культуру общения.

Формы организации познавательной деятельности учащихся : фронтальная, групповая, индивидуальная.

Средства обучения : Моноблок, мультимедийная презентация «Уравнение состояния идеального газа», дидактический материал, карточки .

Методы обучения: проблемное изложение, частично поисковый (эвристический).

Основные понятия: идеальный газ, температура, давление, объем, уравнение состояния идеального газа, универсальная газовая постоянная.

Межпредметные связи: математика, химия.

• формировать умения управлять своей учебной деятельностью,

• формировать интерес к физике при анализе физических явлений,

• формировать мотивацию постановки познавательных задач, развития внимания, памяти, логического и творческого мышления,

• формировать толерантное отношение к одноклассникам.

• Овладевать навыком нахождения ответов на вопросы, используя свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке;
• Развивать умение организовать и планировать учебное сотрудничество с учителем и сверстниками;
• Формировать навыки:

— определять и формулировать цель на уроке,

— планировать этапы экспериментальной работы,

— анализировать факты при объяснении явлений,

-давать эмоциональную оценку своей деятельности на уроке.

• формировать представлений об идеальном газе, макроскопических параметрах,

•овладение умениями формулировать гипотезы, оценивать полученные результаты

организация усвоения основных понятий по данной теме:

уравнение, связывающее три макропараметра: P, V, T, – описывающие состояние данной массы идеального газа, называемое уравнением состояния идеального газа. Уравнение состояния записывается в двух формах:

1) уравнение Клапейрона-Менделеева PV= mRT/M(для произвольной массы газа),

2) уравнение КлапейронаPV/T=const(для постоянной массы газа).

3) Величина Rв первом уравнении называется универсальной газовой постоянной R= kNА=8, 31 Дж/моль*К. Физический смысл R– объем одного моля любого газа при нормальных условиях.

4) Количественные зависимости между двумя параметрами при постоянном третьем называются газовыми законами.

Урок-открытие с элементами исследования. Уравнение состояния идеального газа.

Разделы: Физика

Урок проводится в 10 классе, после изучения темы основное уравнение МКТ. (рассчитан на профильный уровень, слайд 0)

Цели урока:

• Образовательные. Показать математическую зависимость между тремя макроскопическими параметрами p,V,T. Научить применять физические законы при решении задач. Научить применять полученные знания как язык науки, имеющий огромные возможности.
• Воспитательные. Дать возможность почувствовать свой потенциал каждому учащемуся, чтобы показать значимость полученных знаний. Побудить к активной работе мысли. Развивать кругозор учащихся и патриотические чувства, гордости за свою страну, которая играла и играет в прогрессе человечества большую роль.
• Развивающие. Формировать умение вести рассказ с помощью опорного конспекта, выражать свои мысли правильным «физическим» языком. Формировать умение выделять главное, обобщать и связывать имеющиеся знания со знаниями из других областей. Формировать умение наблюдать и анализировать явления, кратко и лаконично отвечать на вопросы.

Тип урока: изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Эпиграф к уроку:

«Посев научный взойдет для жатвы народной!»
(Дмитрий Иванович Менделеев) (слайд 1)

Демонстрации: зависимость между объемом, давлением и температурой.

Оборудование: мульдимедийный проектор, компьютер, экран, презентация PowerPoint.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания. Повторение ранее изученного. (фронтальный опрос)

Учитель. Здравствуйте ребята. Добрый день. Выполним с вами экспериментальную задачу. Определим атмосферное давление в нашем кабинете. Оборудование: термометр, линейка (рассуждения учащихся).

Ученик. Термометром можно измерить температуру, линейкой измерить размеры комнаты и вычислить объем. А как установить зависимость между давлением, объемом и температурой?

Учитель. И это будет целью нашего урока, вывели физический закон, устанавливающий зависимость между тремя макроскопическими параметрами — p, V, T; научиться использовать закон при решении задач.

Учитель. Что такое идеальный газ? (слайд 2)

Ученик. Идеальным газом называется модель реального газа. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает идеальный газ как множество частиц (молекул), расстояние между которыми намного превышает размеры самих частиц, находящихся в состоянии непрерывного хаотичного движения.

Учитель. Назовите условия, при которых газ можно считать идеальным?

Ученик. Газ, удовлетворяющий следующим условиям:

• Межмолекулярные взаимодействия отсутствуют.
• Взаимодействия молекул газа происходит только при соударениях, и являются упругими.
• Молекулы газа не имеют объема – материальные точки.

Учитель. Что называется концентрацией?

Ученик. Концентрация – это число молекул в единице объема.

Учитель. Запишите и объясните физический смысл основного уравнения молекулярно-кинетической теории.

Ученик. Давление идеального газа обусловлено ударами молекул о стенку сосуда, поэтому с помощью молекулярно-кинетической теории его можно выразить через концентрацию молекул, средние скорости молекул и массу одной молекулы. p=⅓nmoυ2 — основное уравнение МКТ (уравнение Клаузиуса), устанавливает связь между микро- и макромиром. (слайд 3)

II. Постановка проблемного вопроса и решение его

Учитель. Какие параметры, характеризующие газ и процессы, проходящие в нем, называются микроскопическими параметрами (микропараметрами).

Ученик. Состояние идеального газа и процессы, проходящие в нем, будут определяться количеством частиц (молекул), из которых состоит газ, и их параметрами, такими как масса, диаметр, скорость, энергия и пр. (слайд 4) Такие параметры называются микроскопическими или микропараметрами.

Учитель. Какие параметры, характеризующие газ, и процессы, проходящие в нем, называются макроскопическими параметрами (макропараметрами)? (слайд 5)

Ученик. Параметры, характеризующие свойства газа как целого называются макроскопическими или макропараметрами.

Учитель. Если состояние газа не меняется, то не меняются и эти параметры. Назовите макропараметры, характеризующие газ?

Ученик. p – давление, V – объем, T – температура.

Учитель. Температуру, объем, давление и некоторые другие параметры принято называть параметрами состояния газа. Выведем уравнение, устанавливающее зависимость между этими параметрами. (слайд 6)

III. Изучение нового материала

1. Постоянная Лошмидта. Из основного уравнения МКТ идеального газа можно получить уравнение состояния идеального газа, связывающее между собой параметры состояния p, V и Т.

Если исключим из основного уравнения МКТ микроскопические параметры, заменяя их на макроскопические параметры используя известные соотношения , получаем:

p=nkT (1)

Это соотношение позволяет по двум известным макроскопическим параметрам (давлению и температуре газа) оценить микроскопический параметр (концентрацию).

Найдем концентрацию молекул любого идеального газа при нормальных условиях (н.у.):

Нормальные условия:
атмосферное давление p=1,013·10 5 Па,
температура 0°С, или Т=273,15К:
n=p/kT=1,01·10 5 /(1,38·10 -23 ·273)м -3 ≈2,7·10 25 м -3 .

Это значение концентрации молекул идеального газа при нормальных условиях называется постоянной Лошмидта.

2. Уравнение Клапейрона.

Получим теперь с помощью равенства (1) новое уравнение. Если известно полное число частиц газа N, занимающего объем V, то число частиц в единице объема

С учетом этого выражение (1) приводится к виду

Так как Nk=const.

Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к данной температуре есть величина постоянная.

Выведенное нами уравнение связывает давление, объем и температуру, которые определяют состояние идеального газа, называется уравнением состояния идеального газа. – уравнение Клапейрона (слайд 7)

Историческая справка. (сообщение ученика, Приложение 1) В 1834 г. Французский физик Б. Клапейрон, работавший длительное время в России (Петербурге), вывел уравнение состояние идеального газа при постоянной массе газа (m=const).(слайд 8)

3. Уравнение Менделеева – Клапейрона.

Рассмотрим случай для произвольной массы газа

где N_A = 6,02·10 23 моль -1 — число Авогадро,

k=1,38·10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана

R=kN_A = 8,31Дж/( моль·К) — универсальная газовая постоянная.

pV=m/M R T — уравнение Менделеева – Клапейрона- уравнение состояния идеального газа, связывающее три макроскопических параметра (давление, объем и температуру) газа данной массы. (слайд 9)

Историческая справка. (сообщение ученика, Приложение 2) Обобщив уравнение Клапейрона и введя понятие универсальной газовой постоянной, русский ученый Д. И. Менделеев в 1874 г.вывел общее уравнение для состояния идеального газа. (уравнение Менделеева – Клапейрона) (слайд 10)

С помощью данного уравнения можно описывать процессы сжатия и расширения, нагревания и охлаждения идеального газа.

IV.Закрепление изученного материала

1. Беседа с учащимися по вопросам. (слайд 11)

Учитель. Каковы нормальные условия для идеального газа?

Ученик. Нормальные условия для идеального газа: атмосферное давление p=1,013·10 5 Па, температура t=0°С, или Т=273,15К:

Учитель: Какова концентрация молекул идеального газа при нормальных условиях?

Ученик: n=p/kT=1,01·10 5 /(1,38·10 -23 ·273)м -3 ≈2,7·10 25 м -3 , это значение концентрации – число Лошмидта.

Учитель: Какие величины характеризуют состояние газа?

Ученик: Макропараметры p, V, T.

Учитель: Чем отличается уравнение состояния газа от уравнения Менделеева — Клапейрона? Какое из них полнее по содержанию? Почему?

Ученик: Уравнение состояния идеального газа для постоянной массы газа. Уравнение Менделеева – Клапейрона для переменной массы газа

Учитель. Чему равна универсальная газовая постоянная в СИ?

Ученик. R=N_Ak= 8,31Дж/ моль·К – универсальная газовая постоянная

2. Решение задач у доски с помощью учителя. (слайд 12)

Дополнительная задача. Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к данной температуре есть величина постоянная.

Вычислите отношение произведения давления на объем к данной температуре, если газ находиться при нормальных условиях

Полагая что моль газа находиться при нормальных условиях: атмосферное давление p₀=1,013·10 5 Па, температура t= 0°С, или Т₀=273,15К, молярный объем V₀= 22,41·10 -3 м 3 /моль): Подставим и получим

R=8,31 Дж/(моль·К) –универсальная газовая постоянная.

V. Итоги урока

Ученик. Поставленной цели мы достигли: вывели физический закон, устанавливающий зависимость между тремя макроскопическими параметрами — p, V, T; и использовали его при решении задач.

Учитель. Уравнение состояния — первое из замечательных обобщений в физике, с помощью которых свойства разных веществ выражаются через одни и те же основные величины. Именно к этому стремиться физика — к нахождению общих законов, не зависящих от тех или иных веществ. Газы, существенно простые по своей природе, дали первый пример такого обобщения. (слайд 13)

А завершить урок хотелось словами Д.И. Менделеева, обращенными к нам, его потомкам: «Посев научный взойдет для жатвы народной!». И этот год юбилейный, 175-лет со дня рождения великого русского ученого-естествоиспытателя Д.И. Менделеева (слайд 14).

VI. Домашнее задание

§ 53, задачи 2, 5 к § 53.

Литература: Касьянов В. А.. Физика. 10 кл. Профильный уровень/ Из-во — Москва: Дрофа, 2007.

Презентация — Приложение 4, сообщение ученика о Клапейроне — Приложение 1, сообщение ученика о Менделееве — Приложение 2, задачи для закрепления пройденной темы — Приложение 3.

Конспект урока: «Идеальный газ. Основное уравнение МКТ»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Физика 10 класс урок 27 12.12.17

Тема: Идеальный газ. Основное уравнение МКТ

сформировать представление о структуре и содержании новой физической теории;

организовать усвоение основных положений МКТ;

формирование умений описывать тепловые явления на молекулярно кинетических представлениях о строении вещества;

формировать мотивацию постановкой проблем и познавательных задач, раскрытием связи опыта и теории;

формировать умение анализировать факты при наблюдении явлений;

способствовать воспитанию познавательного интереса к физике, материалистического мировоззрения учащихся.
Организационный момент урока.

Постановка цели урока.
Мы с вами продолжаем изучение основ молекулярно- кинетической теории. На предыдущем уроке мы рассмотрели основные положения МКТ. Сегодня на уроке необходимо на основе МКТ установить количественную зависимость давления газа от массы одной молекулы и среднего квадрата скорости ее движения. Поэтому тема урока: «Идеальный газ. Основное уравнение МКТ»
Актуализация знаний.

Что такое молекулярно-кинетическая теория? Сформулируйте ее основные положения.

Какие наблюдения и эксперименты подтверждают основные положения молекулярно-кинетической теории?

Что называют броуновским движением? Каковы его особенности?

О чем свидетельствует броуновское движение?

Что называют диффузией? Приведите примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах.

От чего зависит скорость диффузии? О чем свидетельствует явление диффузии?

Изучение нового материала.
1. Макроскопические параметры. Идеальный газ.

Состояние газа (так же как жидкости и твердого тела) может быть описано и без рассмотрения молекулярного строения вещества. Это делают с помощью макроскопических величин, совокупность которых однозначно определяет состояние системы. Такие величины называют параметрами состояния (или термодинамическими параметрами). Параметрами состояния любой системы являются ее объем, давление и температура. Если в каком-либо процессе изменяется хотя бы один из параметров состояния системы, то и само состояние системы становится другим.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их внутреннего строения называются макроскопическими параметрами.
Идеальный газ – это модель реального газа, которая обладает следующими свойствами:

Молекулы пренебрежимо малы по сравнению со средним расстоянием между ними.

Молекулы ведут себя подобно маленьким твердым шарикам: они упруго сталкиваются между собой и со стенками сосуда, никаких других взаимодействий между ними нет.

Молекулы находятся в непрекращающемся хаотическом движении.
Все газы при не слишком высоких давлениях и при не слишком низких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. При высоких давлениях молекулы газа настолько сближаются, что пренебрегать их собственными размерами нельзя. При понижении температуры кинетическая энергия молекул уменьшается и становится сравнимой с их потенциальной энергией, следовательно, при низких температурах пренебрегать потенциальной энергией нельзя.

При высоких давлениях и низких температурах газ не может считаться идеальным. Такой газ называют реальным. (Поведение реального газа описывается законами, отличающимися от законов идеального газа.)

2. Давление газа. Основное уравнение МКТ газа.
Давление газа определяется столкновением молекул газа со стенками сосуда.

В СИ за единицу давления принимают 1 Па.

Давление, при котором на площадь 1 м 2 действует сила давления в 1 Н, называется Паскалем.

1мм.рт.ст. = 133 Па

Одной из основных задач молекулярно-кинетической теории газа является установление количественных соотношений между макроскопическими параметрами, характеризующими состояние газа (давлением, температурой), и величинами, характеризующими хаотическое тепловое движение молекул газа (скоростью молекул, их кинетической энергией). Одним из таких соотношений является зависимость между давлением идеального газа и средней кинетической энергией поступательного движения его молекул. Эту зависимость называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа:
или

где р — давление газа; n — концентрация молекул газа (число его молекул в единичном объеме): m ₀ — масса молекулы газа, — средняя квадратичная скорость движения газовых молекул; —средняя квадратичная энергия поступательного движения молекул идеального газа.
Давление идеального газа пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул и концентрации молекул.

Это давление тем больше, чем больше средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

Средней квадратической скоростью называют величину, равную корню квадратному из среднего арифметического значения квадратов скоростей N молекул газа:

Средней кинетической энергией поступательного движения молекул идеального газа называют величину
С учетом основного уравнения МКТ имеем:

Из этой формулы видно, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

10В этой формуле k=1,38 -23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Давление газа зависит от концентрации молекул. Эта зависимость выражается формулой:

Давление газа не зависит от его природы, а определяется только концентрацией молекул и температурой газа.

Численное значение средней квадратичной скорости получим из формулы
, т.к. , то

При одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул всех газов одинакова. В частности, при нормальных условиях
n = N _л 10= 2,7 25 м- 3 .
Величину N _л называют числом Лошмидта, оно равно количеству молекул идеального газа, содержащихся в 1 м 3 газа при нормальных условиях.
6.Закрепление материала:
А) Вопросы для фронтального опроса:

Что такое макроскопические параметры?

Какой газ называют идеальным? Что является моделью идеального газа?

При каких условиях газ по своим свойствам близок к идеальному? При каких условиях и почему газ не может считаться идеальным?

Что называют абсолютным нулем температуры? Каков физический смысл этого понятия с точки зрения молекулярно-кинетической теории?

Чему равно давление идеального газа на стенки камеры при абсолютном нуле температуры?

Б) Решение количественных задач:
Задача №1.

Найти концентрацию молекул кислорода, если его давление 0,2 МПа, а средняя квадратичная скорость молекул равна 700 м/с.

υ=700 м/с

M =32·10 — 3 кг/моль n=р/κТ

n=? n=3N _а р /υ 2 М = 2,3·10 25 .

Подведение итогов урока.

8. Домашнее задание: § 63-65, упр. 11(10).