МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
АРМАВИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ университет
Кафедра физики и методики ее преподавания
Конспект лекции по предмету «Теория и методика преподавания физики»
на тему: «Научно-методический анализ темы 10 класса «Основы молекулярно-кинетической теории»
Провел:
аспирант 1 года обучения
Богачева Алла Александровна
Руководитель практики:
к.п.н., доцент Нескороменко В.М.
Научный руководитель:
д.п.н., профессор Дьякова Е.А.
АРМАВИР 2010
Цель: Научить студентов методике формирования у учащихся 10 класса средней школы представлений о теме «Основы МКТ».
Задачи: 1) научить студентов методике формирования основных понятий, законов, закономерностей и явлений по данной теме;
2) привить студентам осознание важности эксперимента при преподавании физики;
3) вовлечение студентов в работу лектора.
Тема «Основы МКТ» является первой в большом разделе «Молекулярная физика. Тепловые явления», в котором учащиеся изучают поведение качественно нового материального объекта: системы, состоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту, форму движения (тепловую) и соответствующий ей вид энергии (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знакомятся со статистическими закономерностями, которые используются для описания поведения большого числа частиц. Формирование статистических представлений позволяет понять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличительным свойством тепловых процессов и позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип работы тепловых машин.
Раздел «Молекулярная физика. Тепловые явления» рассматривает в единстве два метода описания тепловых явлений и процессов: статистический, основанный на молекулярно-кинетических представлениях о строении вещества, и термодинамический, основанный на понятии энергии. Эти два подхода описывают с разных точек зрения состояния одного и того же объекта и потому дополняют друг друга. В связи с этим, формируя такие термодинамические понятия как температура и внутренняя энергия, учитель должен раскрыть их содержание, как с термодинамической, так и с молекулярной точки зрения.
Исторически термодинамический метод возник раньше, и поэтому термодинамические понятия изучались раньше статистических. В настоящее время порядок использования этих методов изменился: вначале изучают основные положения МКТ и закономерности, а потом вводят основные термодинамические понятия и закономерности, объясняют их физический смысл на основе молекулярного строения вещества. Более того, изучение базового курса в основной школе начинается с первоначальных сведений о строение вещества, что и указывает на важность изучения основ МКТ.
Тема "Основы молекулярно-кинетической теории" изучается в 10 классе, во второй четверти. Для ее изучения необходимо не менее 7 часов. Анализ содержания темы позволяет выявить:
1) новые физические понятия:
моль вещества (физическая величина);
число Авогадро – постоянная величина;
количество вещества (физическая величина);
молярная масса (физическая величина);
идеальный газ (идеальный объект);
среднее значение квадрата скорости молекул (физическая величина);
2) новые закономерности:
- квадрат смещения броуновской частицы от точки наблюдения пропорционален времени наблюдения: [pic] ~t;
- основное уравнение МКТ:
[pic]
Давление идеального газа пропорционально концентрации молекул и их средней кинетической энергии.
Методические рекомендации к формированию основных понятий МКТ.
1. На 1 уроке повторяют основные положения МКТ и их экспериментальное подтверждение. Для обоснования строения вещества напоминают учащимся закон кратных отношений для массы веществ, вступивших в химическую реакцию. На примере молекул воды (H2O), используя в качестве моделей атомов горох и пшено, моделируют молекулу воды и объясняют содержание закона кратных отношений. Демонстрируют фотографии поверхностей различных пластин (кремниевых, золотых), полученных с помощью туннельных микроскопов.
Экспериментальным доказательством движения молекул является явление диффузии, которое наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах. Основанием хаотичности движения является броуновское движение. Считаем, что качественно закономерности броуновского движения, а также силы взаимодействия между молекулами должны быть рассмотрены на первом уроке (из-за недостатка времени), хотя в учебнике броуновское движение рассматривается позже. При объяснении этих явлений, кроме демонстрации опытов (модели броуновского движения, сил притяжения свинцовых цилиндриков) желательно показывать мультимедийные иллюстрации (например, диск "Открытая физика" и др.).
Первый урок можно закончить оценкой размеров молекул оливкового масла (следует иметь ввиду, что капля масла быстро не растекается, только через 2-3 часа она приобретает диаметр 3-4 см., площадь указанную в учебнике (0,6 м2) она может занять через несколько суток)).
2. Второй урок наиболее сложный в этой теме, т.к. необходимо "создать" знания о новых физических понятиях: а.е.м., относительной молекулярной массе, моле вещества, количестве вещества и молярной массе.
Для "создания" понятия об а.е.м. вывешивают на плакате значения масс атомов в кг:
m 0 H = 1,661 . 10 –27 кг
m 0 Hе = 6,664 .10 –27кг
m 0 С = 19,933 .10 –27кг
m 0 N = 23,255 .10 –27кг
m 0 O= 26,578 .10 –27 кг
m 0 Au= 32,724.10 –27кг
Выясняют, удобно ли по таким значениям масс отдельных атомов, выраженных в кг, сравнивать их между собой? Как упростить сравнение масс отдельных атомов?
Чтобы помочь учащимся прийти к решению возникшей задачи, следует обратиться к моделям атомов (горох, гречка, пшено). Учащиеся догадываются, что за единицу массы целесообразно взять массу одной из частиц. Именно по этому пути пошли ученые, они стали подбирать частицу, масса которой стала бы эталоном для определения масс других атомов. Было произведено много измерений и вычислений, пока не нашли следующего научного факта:
Если за единицу масс атомов различных элементов взять массу, равную [pic] , то массы атомов всех химических элементов выражаются приблизительно целыми числами.
Иметь целочисленные массы элементов очень удобно! Именно поэтому с 1961 г. сравнение масс атомов и молекул осуществляется с [pic] . Таким образом, [pic] - является единицей измерения массы всех атомов и молекул, существующих в природе. Эта единица получила название а.е.м.= [pic] .
а.е.м.= [pic] . а.е.м. [pic] 1,66·10-27 кг.
Если в качестве единицы массы атомов выбрана [pic] , то как выразить массы других элементов в а.е.м.?
Учащиеся догадываются, что следует m0 разделить на [pic] , вводим понятие относительной молекулярной массы, ее обозначение Мr, и предлагаем учащимся по соотношению – Мr = [pic] сформулировать определение относительной молекулярной массы.
Относительные массы всех элементов указаны в таблице Менделеева.
Для дальнейшего формирования понятия относительной молекулярной массы предлагаем учащимся, пользуясь таблицей Менделеева, выполнить следующие действия:
Определить относительную атомную массу нескольких элементов.
Определить относительную молекулярную массу сложных молекул (СО2, Н2SO4, NaCl и др.)
Определить массу молекул в кг по относительной молекулярной массе (CuSO4, NH3 и др.)
Учителю нужно неоднократно обращать внимание на тот факт, что относительная атомная масса, приведенная в таблице Менделеева, как безразмерная величина, на самом деле, выражена в а.е.м.
Д [pic] алее подчеркиваем, что в МКТ не только важно исходить из молекулярных представлений о строении вещества, но нужно также уметь определять количество молекул вещества. Обращаясь к механической модели давления газа (рис. 1), убеждаем школьников, что отклонение бумажного флажка пропорционально числу частиц, ударяющихся о преграду за единицу времени, т.е. р ~ n. Демонстрируют этот факт на опыте. Для чего в сосуд, соединенный с жидкостным открытым манометром, добавляют 2-3 капли эфира (или нашатырного спирта).
Чем большее число молекул нашатырного спирта будет добавлено с сосуд, тем больше изменится давление газа внутри сосуда.
Как по массе нашатырного спирта узнать, какое количество молекул добавилось в сосуд? Чтобы решить эту очередную задачу, сначала узнают, как считают молекулы вещества в МКТ? Поскольку даже в маленьком объеме вещества содержится огромное число молекул, для их счета целесообразно выбрать единицу, содержащую большое число атомов или молекул (сущность высказанного предложения может быть разъяснена на модели вещества, состоящего из горошин, для подсчета которых можно выбрать единицу, равную 2 или 5 горошинам). Т.к. молекул в веществе огромное количество, их считают большим числом, это число назвали числом Авогадро (в честь итальянского ученого физика-химика). Что же это за число?
Число Авогадро – это число частиц, равное числу атомов, содержащихся в 0,012 кг углерода.
Это число легко можно посчитать, т.к. мы уже знаем массу одного атома углерода:
NA= [pic] =6,02·1023
Приводят определение моля вещества.
Молем вещества называется такое количество вещества, в котором насчитывается число частиц, равное числу Авогадро.
Формулируют более точное определение моля вещества:
Молем вещества называется такое его количество, в котором содержится столько же структурных элементов (атомов или молекул) сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода С12. Таким образом, моль вещества является единицей количества вещества. Количество вещества определяется числом атомов или молекул в веществе:
[pic]
Затем выясняют, как найти количество вещества и его массу. Для этого необходимо еще одно новое понятие – молярная масса вещества: М = m0NA,, тогда [pic] , т.к. [pic] . Следовательно, [pic] ; [pic] . Можно доказать, что М=Мr·10-3 (М=m0NA= [pic] кг/моль.
Предлагают учащимся сделать вывод о том, как узнать число молекул нашатырного спирта, добавленного в сосуд, если масса нашатырного спирта 0,85 г.
M = 0,85·10-3 кг,
М=17·10-3 кг/моль.
[pic] моль
N = [pic]
N=3·1022 молекул
Несмотря на участие учащихся в «создании» понятий: относительная молекулярная масса, моль вещества, молярная масса их нельзя считать сформированными, необходимо на следующем уроке учащимся выполнить действие: определение макро и микропараметров вещества.
На одном примере показываем содержание этого действия: масса алюминиевого груза 54 г, определить все его макро и микропараметры (известны m и [pic] ).
Состав действия:
Перечислить все параметры, характеризующие данное тело (m, [pic] , V, N, [pic] , Mr, M. m0, V0, d0)
Записать связи между ними: ( [pic] , [pic] , [pic] , [pic] , [pic] , [pic] , [pic] ).
Вычислить недостающие параметры с учетом единиц измерения.
Примечание: для составления таких заданий можно использовать условия задач из учебников и задачников, но предлагать находить все параметры тела (вещества). Задания можно предлагать и в форме рисунков. Выполнение этого действия в 3-4 ситуациях позволяет учащимся усвоить основные макро и микроскопические параметры тела и связи между ними.
Материал о силах взаимодействия между молекулами и свойствах газов, жидкостей и твердых тел изучается качественно, поэтому его объяснение не вызывает больших затруднений. Для наглядности и повышения интереса учащихся к изучаемому материалу следует пользоваться компьютерными программами.
Перед изучением понятия среднего значения квадрата скорости молекул учащихся следует убедить (на моделях), что такая физическая величина необходима. Демонстрируя модель давления газа, показываем, что чем с большей скоростью шарик подходит к стенке (полоске бумаги), тем сильнее она отклоняется. Т.е. сила давления зависит от скорости, затем берем пластмассовый шарик (на нити), бросаем его с некоторой высоты (v0=0), он отскакивает, действуя с некоторой силой на стол. Если шарик бросить с большой начальной скоростью, то сила давления увеличивается за счет уменьшения времени взаимодействия.
[pic]
[pic] [pic]
т.е. сила давления зависит от квадрата скорости, при соударении большого количества молекул от среднего квадрата скоростей всех молекул, ударяющихся о стенку в течение одной секунды.
После такого качественного объяснения можно дать определение среднего квадрата скорости молекул газа.
Перед выводом основного уравнения МКТ сначала обсуждается план вывода, который записывается на доске или высвечивается на экране, а затем просчитывается каждый пункт плана.
Анализируют полученные уравнения, подчеркиваем, что основное уравнение МКТ устанавливает связь между макроскопическим параметром (давлением) и микроскопическими параметрами идеального газа.
Заканчивают изучение темы решением задач на основное уравнение МКТ.
[pic]
