Термодинамическая система и способы изменения внутренней энергии
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся смогут объяснить понятие термодинамической системы, различать количество теплоты и работу как способы изменения внутренней энергии, записывать формулу внутренней энергии одноатомного идеального газа и по описанию ситуации определять вид теплопередачи.
- Сформировать представление о термодинамической системе и внутренней энергии как физической величине, характеризующей состояние системы.
- Научить объяснять изменение внутренней энергии через теплопередачу и совершение работы, применять первый закон термодинамики в качественных рассуждениях.
- Развивать умение анализировать физические явления, классифицировать примеры теплопередачи и аргументировать выбранный ответ.
- Воспитывать ответственное отношение к научному объяснению бытовых явлений, интерес к применению физики в технике, энергетике и быту.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к объяснению тепловых явлений на основе молекулярно-кинетических представлений.
- Осознают значение физики для понимания работы двигателей, систем отопления, холодильников и теплоизоляции.
- Проявляют готовность проверять бытовые объяснения с помощью научных понятий и аргументов.
- Развивают самостоятельность при выборе способа решения учебной задачи и оценке собственного результата.
Метапредметные
- Извлекают информацию из текста учебника, схемы, демонстрации и цифровой модели, преобразуют её в таблицу или краткую формулу.
- Сравнивают теплопроводность, конвекцию и излучение по механизму передачи энергии и условиям протекания.
- Планируют решение проблемной задачи, формулируют гипотезу и проверяют её по результатам обсуждения.
- Аргументируют ответ в паре и группе, используют физические термины в устной и письменной речи.
- Осуществляют самоконтроль по критериям и корректируют ошибочное рассуждение.
Предметные
- Знать определения термодинамической системы, внутренней энергии, количества теплоты и работы газа.
- Уметь объяснять два способа изменения внутренней энергии: теплопередачу и совершение работы.
- Знать и применять формулу внутренней энергии одноатомного идеального газа $U=\frac{3}{2}\nu RT$.
- Уметь различать теплопроводность, конвекцию и излучение по конкретным примерам.
- Уметь качественно применять соотношение $\Delta U=Q+A$ при анализе изменения состояния системы, учитывая, что $A$ — работа внешних сил над газом.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный смысл изучения термодинамики через связь темы с энергетикой, экологией и будущей профессией.
- Проявляют ответственное отношение к точности физических формулировок и единиц измерения.
- Оценивают собственную готовность объяснять тепловые явления научно, а не только на основе житейского опыта.
- Принимают возможность разных гипотез и уважительно относятся к аргументированным ответам одноклассников.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель урока и составляют последовательность действий для её достижения.
- Планируют работу с текстом учебника, схемой и карточкой классификации примеров.
- Проверяют правильность использования формулы и знаков в соотношении первого закона термодинамики.
- Сопоставляют полученный результат с критериями и исправляют неточности.
- Фиксируют затруднение и выбирают способ его устранения: повторное чтение, обсуждение или обращение к эталону.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки термодинамической системы и внутренней энергии.
- Устанавливают причинно-следственную связь между передачей энергии и изменением состояния тела.
- Классифицируют ситуации по видам теплопередачи и обосновывают классификацию.
- Моделируют энергетический баланс системы с помощью формулы $\Delta U=Q+A$.
- Используют формулу $U=\frac{3}{2}\nu RT$ для анализа зависимости внутренней энергии от температуры и количества вещества.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в группе при выполнении игровой классификации примеров.
- Формулируют уточняющие вопросы к объяснению одноклассника.
- Доказывают выбор вида теплопередачи, опираясь на механизм переноса энергии.
- Согласуют общий ответ группы и представляют его классу.
- Корректно указывают на ошибку в рассуждении и предлагают способ исправления.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или цифровую доску с изображениями: нагрев металлического стержня, кипящая вода, Солнце, радиатор отопления, термос и двигатель.
- Вывести на доску опорную схему: «внутренняя энергия → теплопередача / работа» и оставить место для формул.
- Распечатать карточки для игры «Тепловой детектив»: по одному комплекту из 12 ситуаций на каждую группу из 4 человек.
- Подготовить карточки трёх цветов для рефлексии: зелёные, жёлтые и красные — по одной на каждого ученика.
- Распечатать индивидуальную карточку самостоятельной работы — по одной на каждого ученика, предусмотреть задания базового и повышенного уровня.
- Подготовить краткий фрагмент текста учебника или электронную копию раздела о внутренней энергии и видах теплопередачи для работы с опорными понятиями.
- Подготовить интерактивную модель или короткую анимацию движения частиц при нагревании газа; проверить работу проектора, ноутбука и интерактивной доски.
- Подготовить прозрачный стакан с горячей водой, металлическую ложку и деревянную палочку для безопасной демонстрации различия теплопроводности; заранее проверить температуру и правила безопасности.
- Записать на отдельном листе эталон: $U=\frac{3}{2}\nu RT$ и $\Delta U=Q+A$, где $A$ — работа внешних сил над газом.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность через проблемную ситуацию и связать тему с реальными техническими объектами.
Время | Действие учителя | Действие учеников | |||
|---|---|---|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране три изображения: чашка горячего чая, автомобильный двигатель и Солнце. «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы попробуем выяснить, что общего у этих объектов. Не спешите называть только слово “тепло”: нам важно понять, каким образом энергия переходит и почему изменяется состояние системы». | Рассматривают изображения, называют наблюдаемые явления: «чай остывает», «двигатель нагревается», «Солнце передаёт энергию Земле». | 2 мин | Учитель объявляет игровой приём «Тепловой детектив»: «В конце урока каждая группа получит несколько жизненных ситуаций и должна будет определить, что произошло с внутренней энергией и каким способом энергия передалась. Ошибка будет считаться найденной только при наличии физического объяснения». Учитель формулирует проблемный вопрос: «Можно ли изменить внутреннюю энергию тела, не изменяя его температуру?» | Формулируют предварительные гипотезы: «Да, при совершении работы», «Возможно, энергия может перейти от другого тела». Записывают проблемный вопрос в черновике. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что тепловые процессы встречаются в быту и технике, но пока описали их житейскими словами. Теперь уточним, что именно называют системой и внутренней энергией».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать молекулярно-кинетические представления и выявить знания, необходимые для изучения внутренней энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников | |||
|---|---|---|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: «Вспомните, от чего зависит кинетическая энергия движения молекул газа. Сначала 30 секунд подумайте самостоятельно, затем минуту обсудите ответ с соседом». | Записывают два ключевых фактора и обсуждают их в парах; формулируют: «Кинетическая энергия зависит от массы частицы и скорости её движения; средняя скорость связана с температурой». | 3 мин | Учитель задаёт вопросы и фиксирует ответы на доске: «Что характеризует температура? Что происходит с движением частиц при нагревании? Какие виды энергии могут иметь частицы вещества? Чем отличается макроскопическое описание газа от микроскопического?» | Отвечают: «Температура связана со средней кинетической энергией движения частиц»; «при нагревании частицы движутся быстрее»; «частицы могут иметь кинетическую и потенциальную энергию взаимодействия». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что состояние вещества связано с движением и взаимодействием частиц. Возникает следующий вопрос: как описать суммарную энергию микрочастиц всей системы и как она может измениться?»
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и определить план открытия нового знания.
Время | Действие учителя | Действие учеников | |||
|---|---|---|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует ситуацию: «Представьте газ в цилиндре с поршнем. В первом случае газ нагревают, во втором поршень быстро сжимают. В обоих случаях газ может нагреться. Одинаков ли механизм изменения энергии?» Учитель предлагает приём «Снежный ком»: сначала ответ индивидуально, затем в парах и группах по четыре человека. | Выдвигают гипотезы: «В первом случае энергия пришла от нагревателя», «Во втором случае внешние силы совершили работу над газом». Объединяют варианты в общий ответ группы. | 2 мин | Учитель направляет формулировку цели: «Какие понятия нам потребуются? Составьте план: определить систему, раскрыть смысл внутренней энергии, установить способы её изменения, вывести формулу для одноатомного идеального газа и научиться различать виды теплопередачи». | Формулируют цель и план: «Определить термины; записать формулы; разобрать примеры; проверить себя в игре». Записывают тему урока. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «План готов. Начнём с понятий, без которых невозможно точное описание тепловых процессов, а затем проверим их на наблюдаемых ситуациях».
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 4. Открытие нового знания (10 мин)
Цель этапа: сформировать понятия термодинамической системы, внутренней энергии, количества теплоты, работы и вывести формулу внутренней энергии одноатомного идеального газа.
Время | Действие учителя | Действие учеников | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает чтение с пометками по фрагменту учебника: «Найдите определения термодинамической системы и внутренней энергии. Пометка “+” означает новое, “?” — непонятное, “✓” — уже известное. Термодинамическая система — тело или совокупность тел, мысленно выделенных для изучения. Всё вне системы будем называть окружающей средой». | Читают фрагмент, выделяют определения, формулируют пример: «Газ в цилиндре может быть системой, цилиндр и окружающий воздух — внешняя среда». Задают вопросы по непонятным терминам. | 3 мин | Учитель записывает на доске: «Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия». Затем спрашивает: «Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию?» После ответов фиксирует: «Теплопередача и совершение работы». | Записывают определение и два способа изменения энергии. Приводят примеры: нагревание ложки в чае; сжатие воздуха насосом. | 2 мин | Учитель показывает анимацию частиц идеального газа и объясняет: «Для одноатомного идеального газа потенциальной энергией взаимодействия пренебрегают, поэтому внутренняя энергия определяется кинетической энергией поступательного движения частиц. Запишем формулу: $U=\frac{3}{2}\nu RT$. Следовательно, при постоянном количестве вещества внутренняя энергия зависит только от температуры». | Записывают формулу, проговаривают зависимости: «При увеличении температуры увеличивается внутренняя энергия; при одинаковой температуре и большем количестве вещества энергия больше». | 2 мин | Учитель связывает понятия с первым законом термодинамики: «Количество теплоты $Q$ передаётся системе при теплопередаче, а работа внешних сил $A$ изменяет её энергию механическим воздействием. Поэтому $\Delta U=Q+A$. Если газ совершает работу сам, то при другой договорённости о знаке формула записывается иначе; сегодня используем работу внешних сил над газом». | Сравнивают два случая и отвечают: «Если газ получил тепло, $Q>0$; если внешние силы сжали газ, $A>0$; внутренняя энергия увеличивается». |
Запись в тетрадях
Термодинамическая система — тело или совокупность тел, выделенных для изучения. Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Способы изменения внутренней энергии: теплопередача и работа. Для одноатомного идеального газа $U=\frac{3}{2}\nu RT$. Первый закон в используемом соглашении: $\Delta U=Q+A$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы получили язык описания процесса: система, внутренняя энергия, количество теплоты и работа. Теперь проверим, умеем ли мы распознавать конкретный механизм передачи энергии по внешним признакам».
Этап 5. Первичное закрепление. Игра «Тепловой детектив» (7 мин)
Цель этапа: закрепить различение теплопроводности, конвекции и излучения и применить понятия к бытовым и техническим ситуациям.
Время | Действие учителя | Действие учеников | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 мин | Учитель делит класс на группы по четыре человека и раздаёт комплект карточек. «На каждой карточке описана ситуация. Разложите их в три зоны: теплопроводность, конвекция, излучение. Для каждой карточки подготовьте короткое объяснение: что переносит энергию и движется ли вещество целиком». | Распределяют роли: читатель, классификатор, секретарь, докладчик. Знакомятся с карточками. | 4 мин | Учитель запускает таймер и наблюдает за работой групп. Карточки содержат ситуации: металлическая ложка нагревается в чае; вода перемешивается при нагревании снизу; тепло от Солнца достигает Земли; горячий воздух поднимается над батареей; ладонь нагревается от горячей кружки; инфракрасное излучение нагревает поверхность. | Классифицируют карточки. Объясняют: «В металле энергия передаётся от частицы к частице — теплопроводность»; «в жидкости или газе перемещаются слои — конвекция»; «излучение возможно в вакууме». | 2 мин | Учитель проводит взаимопроверку: каждая группа выбирает одну спорную карточку и защищает решение. «Обратите внимание: движение вещества целиком — признак конвекции, а передача энергии электромагнитными волнами — признак излучения». | Представляют решение, задают вопросы другой группе, исправляют спорные карточки. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы научились распознавать три вида теплопередачи по механизму, а не по внешнему впечатлению. Теперь применим формулы и понятия самостоятельно».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание формул, способов изменения внутренней энергии и видов теплопередачи.
Время | Действие учителя | Действие учеников | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт карточки двух уровней: «Выполните обязательные задания 1–3. Если справились раньше, переходите к заданию 4 повышенного уровня. Записывайте не только букву ответа, но и краткое объяснение». | Получают карточки, читают критерии, задают уточняющие вопросы. | 5 мин | Учитель предлагает задания: 1) назвать способ изменения внутренней энергии при сжатии газа поршнем; 2) определить вид теплопередачи при нагревании воздуха над радиатором; 3) объяснить, как изменится $U$ одноатомного идеального газа при увеличении температуры в два раза при постоянном количестве вещества; 4) для ситуации «газ получил количество теплоты $Q$ и над ним совершили работу $A$» записать изменение внутренней энергии. | Решают индивидуально: «работа внешних сил»; «конвекция»; «внутренняя энергия увеличится в два раза»; «$\Delta U=Q+A$». В повышенном задании объясняют знаки величин. | 3 мин | Учитель открывает эталон на доске и предлагает самопроверку: «Проверьте наличие определения, формулы и объяснения. Одной буквы недостаточно. Отметьте зелёным верные ответы, жёлтым — требующие исправления». | Сверяют решения, исправляют ошибки другим цветом, ставят себе количество выполненных пунктов. |
Эталон решения
1) При сжатии газа внешние силы совершают работу над газом, поэтому при отсутствии теплообмена $Q=0$, а $\Delta U=A>0$. 2) Воздух у радиатора нагревается, расширяется, становится менее плотным и поднимается; это конвекция. 3) При постоянном $\nu$ внутренняя энергия одноатомного идеального газа пропорциональна температуре: $U=\frac{3}{2}\nu RT$, поэтому при увеличении температуры в два раза $U$ увеличивается в два раза. 4) Если тепло передано газу и работа совершена над ним, $\Delta U=Q+A$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Самостоятельная работа показала, что формулу важно связывать с физическим смыслом величин. Осталось собрать знания в единую схему и ответить на исходный проблемный вопрос».
Этап 7. Межпредметное применение и рефлексия (7 мин)
Цель этапа: обобщить знания через связь физики с химией, географией, биологией и техникой и осознать индивидуальный результат.
Время | Действие учителя | Действие учеников | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает на экране схему «дом с отоплением»: батарея, воздух в комнате, окно, солнечный свет. «Свяжите элементы схемы с изученными видами теплопередачи. Вспомните также, почему в термосе используют несколько способов теплоизоляции». Учитель принимает ответы и дополняет их связью с химией: изменение внутренней энергии связано с энергией частиц вещества, а с географией — с конвекцией в атмосфере. | Обсуждают в парах и сообщают: «От батареи воздух прогревается конвекцией; через стекло и стену идёт теплопроводность; Солнце передаёт энергию излучением; термос уменьшает теплопроводность и конвекцию и отражает излучение». | 2 мин | Учитель возвращает исходный вопрос: «Можно ли изменить внутреннюю энергию без изменения температуры?» Просит привести пример и записывает верный ответ: «Да, при фазовом переходе энергия может изменять потенциальную составляющую внутренней энергии, а температура оставаться постоянной». | Приводят пример плавления льда или кипения воды и формулируют: «Температура может оставаться постоянной, а внутренняя энергия изменяется». | 2 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор»: «Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить оба способа изменения внутренней энергии и три вида теплопередачи; жёлтую — если нужна тренировка; красную — если осталось принципиальное затруднение. На стикере допишите одно понятие, которое нужно повторить». | Поднимают карточку, записывают одно затруднение или достижение. Формулируют самооценку: «Я могу определить вид теплопередачи, но путаю знак работы». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня мы связали микроскопическое движение частиц с макроскопическим изменением внутренней энергии, разобрали теплопередачу и работу, а также увидели применение физики в отоплении и теплоизоляции. Теперь зафиксируем итог урока и домашнюю работу».
Этап 8. Итог урока и домашнее задание (0 мин)
Цель этапа: зафиксировать результат урока и дать дифференцированное задание для дальнейшего закрепления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
0 мин | Учитель сообщает домашнее задание и просит записать его по выбранному уровню. «Перед выходом проверьте себя по трём вопросам: что входит во внутреннюю энергию, какими способами её можно изменить, как отличить конвекцию от теплопроводности и излучения?» | Записывают домашнее задание, устно отвечают на контрольные вопросы, сдают стикеры рефлексии. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнены все четыре задания самостоятельной работы, корректно записаны формулы $U=\frac{3}{2}\nu RT$ и $\Delta U=Q+A$, приведены физические объяснения и безошибочно классифицированы ситуации теплопередачи.
- «4» — верно выполнены три задания из четырёх, допущена несущественная неточность в формулировке одного вида теплопередачи или в объяснении знака работы.
- «3» — верно выполнены два обязательных задания, определения внутренней энергии и способов её изменения в целом воспроизведены, но есть ошибки в применении формулы или классификации примеров.
- Ниже базового уровня — ученик называет отдельные термины, но не связывает их с механизмом изменения энергии; требуется повторная работа с эталоном и устное объяснение одного примера.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о внутренней энергии и способах её изменения? | Выявление осознания ключевых понятий и предметного результата урока. |
Как определить, что в ситуации происходит конвекция, а не теплопроводность? | Проверка понимания механизма переноса энергии и умения применять критерий. |
В каком месте решения вы испытывали затруднение: в выборе формулы, знаке работы или классификации теплопередачи? | Выявление конкретных точек затруднения для коррекции на следующем уроке. |
Какой реальный объект вы теперь можете объяснить с помощью изученных понятий? | Проверка переноса знания в жизненный и межпредметный контекст. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы заложили основу термодинамического описания тепловых процессов. Мы выяснили, что внутренняя энергия может изменяться при теплопередаче и при совершении работы, а для одноатомного идеального газа определяется формулой $U=\frac{3}{2}\nu RT$. Важно не смешивать конвекцию с теплопроводностью: при конвекции перемещаются слои вещества, а при теплопроводности вещество в целом не переносится. На следующем уроке мы продолжим применять первый закон термодинамики к процессам в газах и научимся анализировать энергетический баланс более сложных систем».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Повторить определения термодинамической системы, внутренней энергии, количества теплоты и работы. Выполнить 4 качественные задачи: назвать способ изменения внутренней энергии и определить вид теплопередачи в каждой ситуации. | Закрепляет терминологию и алгоритм распознавания теплопроводности, конвекции и излучения; при проверке обратить внимание на наличие объяснения. |
Средний (повышающий) | Решить 4–5 задач на применение формул $U=\frac{3}{2}\nu RT$ и $\Delta U=Q+A$ в простых ситуациях с известными изменениями температуры, количеством теплоты или работой внешних сил. | Формирует умение выбирать формулу, анализировать зависимость внутренней энергии от температуры и корректно учитывать знак величин. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование «Как уменьшить теплопотери в помещении»: рассмотреть не менее трёх способов, для каждого указать преобладающий вид теплопередачи и обосновать физический механизм. | Развивает функциональную и естественно-научную грамотность, умение применять термодинамические понятия к инженерной и экологической задаче. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что называют внутренней энергией? Какими двумя способами её можно изменить? Как записывается внутренняя энергия одноатомного идеального газа? Чем конвекция отличается от теплопроводности и излучения?»
